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Apple 和 GT Advanced 的 Twin Creeks 『Hyperion』 雙層藍寶石技術有何精妙之處?

2019年08月30日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【何岳的回答(14票)】:

首先,藍寶石晶片的透光性能不一定比玻璃好,你可以看一下這個問題「對比康寧的 Gorilla 玻璃,藍寶石是手機屏幕保護的更好選擇嗎?"裡面排名第一的答案@Alchem有提到。我就不再解釋了。其實不要小看透光率的影響,透光率越低,屏幕的背光亮度就要更高,這對smart phone本來就慘不忍睹的續航性能來說就更加雪上加霜了。

其次,成本考慮。傳統的藍寶石屏的生產成本和大猩猩玻璃的成本比在$16 vs. $3 (Apple』s Sapphire iPhone Costs Could Be Lower Than Expected)。為了解決這樣成本高居不下的情況,Apple發展了兩個關鍵技術:

1. 和藍寶石晶片的生產廠商GT Advanced開展合作,訂購其生產的藍寶石晶片。而GT Advance這家公司在2012年收購了一家製造硅晶片的高科技公司Twin Creeks Technologies,同時獲得了其製作超薄硅晶片的」Hyperion"技術、專利和相關的設備。而這個Hyperion技術呢最早是用來生產用於太陽能電池板裡面的超薄硅晶片的,利用氫離子注入的技術,它能夠將硅晶片的厚度從200μm下降到20μm。同時這個技術也可以應用於剛玉,用來生產超薄的藍寶石晶片。

據稱,這種技術能夠極大的降低藍寶石晶片的生產成本,一是因為晶片越薄,同一塊晶體能切的晶片數量就越多,每一片的原材料成本就越低。其次這種技術能夠極大地降低甚至去除對昂貴的晶片切割機的需求,從而降低加工的成本(Apple, The Hyperion Ion Cannon And Why Future iPhones Could Have A Sapphire Screen)。

2.第二個關鍵技術就是Apple自己的一個關於Sapphire Laminates藍寶石復合層疊技術的專利(United States Patent Application: 0130236699)。簡單的說就是怎麼把兩片藍寶石晶片,或者藍寶石晶片和玻璃,熔合/黏合在一起,最後形成一個具有多種特性的、厚度在100~200μm以下的復合晶片。引用一下專利中對於藍寶石與玻璃黏合部分的表述:

The polished side of the sapphire is then adhered to the glass sheet with adhesive. An adhesive having an index of refraction that is in between the index of refraction of sapphire and the index of refraction of glass may be used to help reduce any optical effects that may occur at or along the interface between the sapphire and the glass. Generally, a thin and hard bond is desired to be achieved by the optically clear adhesive. Some epoxies and liquid optically clear adhesives ("LOCAs") may be used as adhesives.

在這個技術中,藍寶石與玻璃的黏合是要用到膠粘劑的,這種膠粘劑多選用一些環氧樹脂或者叫做LOCAs(液體光學透明膠粘劑)的產品。這種膠粘劑的要求是折射率介於玻璃與藍寶石之間,作用就是減少了原本玻璃和藍寶石界面之間因為折射率不同造成的反射損失。為什麼一層折射率介於玻璃與藍寶石之間的膠粘劑能夠減少光學性能的損失呢?原因如下:

假設一束光從藍寶石介質垂直射入玻璃介質,一部分光會在這個界面上發生反射,經過反射後能透過介質的光強就降低了。這種界面之間的反射是多界面的光學器件中一定要避免的,它會無謂地減少透過的光強也就是透射率。我們用反射率來衡量一個界面反射光線的能力,它和透射率是相互競爭的關係,反射率越大,則透射率越低,對光學器件的使用造成的影響也就越大。

而這個反射率是和界面兩側的兩種介質的折射率有關係的,假設藍寶石和玻璃的折射率分別為

,那麼垂直入射的反射率R則可以表達為:

其中

從這個表達式可以看出,兩種介質的折射率相差越大,那麼反射率也會越大,透射損失的光強就會越多。為了避免這種反射損失,光學器件一般採用兩種解決辦法:

1. 鍍膜,多用在空氣和某種介質的表面。很多高端的光學器材上鍍的高透膜就是這這個原理。使用一種折射率介於空氣和介質(通常是光學玻璃)的材料鍍膜,當膜的厚度一定的時候,能夠使兩個界面的反射光發生干涉相消,增強透射率。這裡就不展開了,可以參考半波損失、高透膜等關鍵詞。

2.將多次透過的介質用膠粘劑黏結起來,這種膠粘劑的折射率介於兩種介質之間,這樣每一個界面的折射率相差較小,反射光損失也比較小,最後能夠增大透光率。

這樣就一部分地解釋了題主的疑問:

這種雙層結構會影響屏幕的光學性能嗎?答案是一定會的,但是Apple也採用了一些辦法來應對這樣的損失,比如說使用光學膠粘劑;比如說如專利中所說的通過拋光、打磨來減小界面缺陷對光學性能的影響,但無論如何也不會比一整塊連續介質的光學性能要更好。

那這麼做的好處又在哪裡呢,專利裡面同樣提到了:

Lapping the glass and the sapphire sheets together may minimize the yield challenges associated with lapping and polishing a thin sapphire sheet alone. That is, sapphire sheets may be less susceptible to damage when lapped together with the glass.

將玻璃和藍寶石復合在一起,能夠減少單層藍寶石晶片在打磨、拋光工序中的損壞率,從而提高晶片的成品率,進而降低了成本。也就是我們一直所說的,藍寶石雖然硬度很高但是韌性差,很脆,在生產和使用過程中容易碎裂。將其和相對較為柔軟、韌性好的玻璃復合,能夠改善這一部分的性能。

到這裡也就比較明顯了,Apple使用這種技術和這種材料,必然是一個權衡取捨的結果:性能vs成本。藍寶石貴、光學性能不如玻璃但是耐劃傷、材料高端;玻璃便宜、性能不錯但是硬度不夠而且很多競爭對手都在用;藍寶石-玻璃複合材料成本介於玻璃和藍寶石之間(甚至會和玻璃相近),稍微犧牲了一點光學性能,硬度比玻璃好,韌性比藍寶石要好,再加上差異化競爭、營銷宣傳等因素,選擇這種雙層的複合材料作為屏幕材料也就不奇怪了。

【西西弗的回答(1票)】:

首先謝邀@David Chang ,

對於雙層貼合不是很懂,也不好做什麼解釋。

但是可以從晶體質量分析一下,晶體質量排序 泡生》熱交換法》倒模法,未來倒模的質量會超過熱交換。

目前成熟的就是泡生法與熱交換法,泡生法出來的藍寶石質量是非常高的,不論是通透性,光學性,物理特性,,,當然會產生殘次品,熱交換法現在質量也相對好多了,也可以用在襯底上,只是價格沒泡生的高,也會有殘次品,怎麼順利消化又能提高附加值,這個時候 窗口片就出來,就是用來做屏。

GT做的藍寶石是熱交換法,藍寶石用在手機屏上優勢,耐刮,薄的程度,光學性,那是加工廠商的實力問題,,這個康寧的大玻璃怎麼做都沒法比的,還是那句話 用在手機屏,就是抬高逼格,提高質量不高的藍寶石賣價。

倉促寫的答案有時間再修改,謝謝

標籤:-藍寶石(Sapphire) -屏幕保護玻璃 -iPhone6 -GTAdvancedTechnologies


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