显示背板工艺 #02 — PI ①：在玻璃上制造柔性基板 — 材料与叠层

折叠屏手机刚问世时，很多人都问过同一个问题："屏幕怎么能折？不是玻璃吗？"答案很简单——可折叠屏幕的基板不是玻璃，而是塑料薄膜。有趣的是，制造这层薄膜的工厂，仍然是从一块玻璃板上开始作业的。作为 PI 篇的第一回，本篇就从这个悖论出发，讲材料（为什么是聚酰亚胺）、结构（为什么是两层），以及液体变成薄膜的化学。涂布、干燥、固化的实际工艺与设备，留到下一篇（第 3 篇）。

玻璃不是基板，而是"载具"

显示面板厂里的所有设备——涂布机、曝光机、镀膜机——都是按照搬运和固定坚硬平整的板材来设计的。厚度约 10㎛、只有一张纸十分之一厚的软塌薄膜，无法独自在这些设备之间穿行。于是业界找到的答案就是这样一种策略："在玻璃上做出薄膜，做完之后再把它揭下来。"

把液态聚酰亚胺涂在玻璃板上并使其固化，就得到一层紧贴玻璃的薄膜基板。在它上面把晶体管和发光层全部做完，最后从玻璃背面打入紫外激光，只把薄膜揭下来——这就是 LLO（Laser Lift-Off，激光剥离）。激光穿透玻璃，仅在瞬间分解 PI 与玻璃的界面，成品面板便连同薄膜一起脱落，用过的载板玻璃则回收再用。玻璃从头到尾扮演着"基板"的角色，实际上却只是在工艺期间抓住薄膜的载具。

为什么非要绕这么一圈？受弯曲的板材，其表面应变与厚度 t 和弯曲半径 R 大致有如下关系。

表面应变 ε ≈ 厚度 t ÷ (2 × 弯曲半径 R)

设弯折半径为 3mm，厚度 0.5mm 的玻璃表面应变就是 8.3%——玻璃在 0.2% 附近就已经碎裂，这个数字根本不成立。把同样的玻璃减薄到 30㎛，也只降到 0.50%，仍高于无机材料的断裂应变。相比之下，10㎛ 的聚酰亚胺为 0.167%，而且作为高分子，这个程度可以在弹性范围内吸收。也就是说，"能折"这一性质大部分来自的不是材料而是厚度；载板玻璃则用时间差化解了"制造时要硬、做完后要薄"这一矛盾。

为什么偏偏是聚酰亚胺

对基板塑料的要求极为苛刻。它要在后续工艺中多次承受数百摄氏度的高温，要对各种溶剂、酸、碱保持稳定，还要在折叠数十万次后不开裂。常见塑料（如 PET）在 100~200℃ 附近就开始变形，直接出局。

把候选材料按玻璃化转变温度排开，就能一眼看出选择有多窄。单是 PI 自身的固化（第 3 篇）、脱氢（第 4 篇）、结晶化（第 6 篇），就要多次把基板带到 400℃ 以上。

材料	玻璃化转变温度(Tg)	线膨胀系数	作为背板基板是否合格
PET（聚对苯二甲酸乙二酯）	67~81℃	—	不可——连干燥工序都过不去
PC（聚碳酸酯）	147℃	65~70 ppm/K	不可——用于光学部件
显示基板用 PI	390℃ 以上	10~40 ppm/K	合格——实际上是唯一选择
无碱玻璃（参考）	应变点 600℃ 级	约 3.2 ppm/K	合格但不能折

PET 与 PC 的数值取自公开物性资料（PET · PC），PI 的数值则直接引自柔性显示基板用聚酰亚胺薄膜专利在权利要求中规定的范围（US 11,472,922 B2）。玻璃的 3.2 ppm/K 与第 5 篇热应力计算所用数值相同。

实际上唯一能同时满足这些条件的高分子，就是聚酰亚胺（PI, Polyimide）。聚酰亚胺自 1960 年代商业化以来，半个多世纪一直在"最热的地方"工作，其耐热性的根源在分子结构——链中芳香环与酰亚胺环交替排列，使链非常刚硬，打断环所需的能量也很大。同样的原因使聚酰亚胺无法熔融成型：它在熔化之前就分解了。这一性质正是后面"只能从液体开始"的理由。

还有一个极端的例子。大型红外空间望远镜的遮阳罩，由镀铝聚酰亚胺薄膜五层构成。在一面低于零下 200℃、另一面正对阳光的极端环境里，被选来保护望远镜的材料正是聚酰亚胺（遮阳罩官方说明）。

遮阳罩用聚酰亚胺薄膜样品。照片：Wikimedia Commons（CC BY 2.0）

基板用 PI 的规格书——用数字来读

仅凭"耐热性好"这一句话是买不到材料的。以下是前面所引专利在说明书与权利要求中直接给出的数值。

项目	规定范围	为何是这个值
玻璃化转变温度	390℃ 以上	要经受 400℃ 固化及后续热处理
线膨胀系数(100~350℃)	10~40 ppm/K，优选 22 以下	为减小与载板玻璃之间的应力
弹性模量	3~8 GPa	虽薄也不可在搬运中被拉伸
薄膜厚度	5~10㎛	弯曲应变与可操作性的折中
厚度方向相位差	200~600 nm	防止在偏光片下产生偏色
清漆固含量	15~20 重量%	可涂布黏度与厚度之间的权衡
固化条件	5℃/分升温，80℃ 30 分 → 400℃ 30 分	把溶剂排出与酰亚胺化分开

这里要求降低线膨胀系数与要求控制相位差是彼此冲突的。要降低线膨胀系数就得把链拉直并在面内取向，而取向后的薄膜会产生双折射（Polymer 321, 128085 (2025)）。

不是买成品——名为清漆的液体

显示基板用 PI 并不是买来成品薄膜再贴上去的。而是把称为清漆（varnish）的液态前驱体直接涂在玻璃上，就地做成薄膜。只有从液体开始，才能得到与玻璃完全贴合、无异物的超平坦表面——要在上面堆叠纳米级厚度的晶体管，表面粗糙度本身就必须按纳米级管理——更重要的是，聚酰亚胺根本不熔。

清漆的本体，是把聚酰亚胺的前一阶段物质聚酰胺酸（PAA, Polyamic Acid）溶于有机溶剂而成的溶液。代表性溶剂是 NMP（N-甲基-2-吡咯烷酮）；聚酰亚胺涂层通常就是以溶于这类非质子性溶剂的聚酰胺酸溶液形式涂布的。溶液中固含量是少数，绝大部分是溶剂——专利把固含量规定为 15~20 重量%（更优选 15~18%），并原样记载了把固含量 15% 的清漆用狭缝涂布形成液膜的实施例（US 11,472,922）。

这个数字可以直接换算成工艺条件。忽略密度差异，用固含量 15% 的清漆得到 10㎛ 干膜，就要涂成 66.7㎛ 的湿膜（10 ÷ 0.15）。固含量 18% 时为 55.6㎛，20% 时为 50.0㎛。下一篇中"涂约 70㎛ 留下 10㎛"这个数字，就是这道除法的结果。

也就是说，涂上去的液体约有八成是日后会飞走的溶剂。若把固含量再提高、让湿膜更薄，看起来更省事，但固含量一升，黏度就急剧上升，很难通过狭缝喷嘴均匀挤出。这正是专利把上限钉在 20% 的理由。

液体变成薄膜的化学——酰亚胺化

聚酰胺酸本身已经是高分子。把带两个酸酐基的二酸酐（dianhydride）与带两个胺基的二胺（diamine）在溶剂中相遇，即使在常温下两种单体也会交替连接成长链。这条链上成对地挂着羧基与酰胺基——这是环尚未闭合、可溶于溶剂的"未完成的聚酰亚胺"。对它加热，会按顺序发生两件事。

• 溶剂蒸发——占溶液八成的溶剂飞走，只剩固体成分。NMP 是沸点约 202℃ 的高沸点溶剂（N-Methyl-2-pyrrolidone），常温下不易干燥，要升到相当高的温度才会脱出。
• 酰亚胺化（imidization）——羧基与酰胺基放出一个水分子并闭合成环的缩合反应。只有这个环完成，材料才成为"聚酰亚胺"，特有的耐热性与琥珀色也才出现。

这里同样可以算一算。以最经典的 PMDA-ODA 体系为例，聚酰胺酸重复单元的分子量为 418.36，酰亚胺化会每个重复单元脱出两个水分子（36.03）——也就是说固体质量的 8.61% 会变成水蒸发掉。与溶剂无关，在看似已经固化的膜内部，还会再一次生成水并逸出。

这"后来才产生的水"让工艺变得棘手。若表面先致密化，而内部才生成水，水便无路可逃，变成气泡或微裂纹。因此固化曲线会刻意用温度把排溶剂的区段与闭环的区段分开——专利的"80℃ 30 分 → 400℃ 30 分"就是这种分离最简单的形式。

酰亚胺化的进行程度用红外光谱（FTIR）确认：由酰亚胺环特有吸收峰的增长与酰胺酸峰的减弱之比，计算酰亚胺化率。即使用相同的单体，连接异构体不同，闭环速度和所需温度也会不同（Polymer Journal 22, 725 (1990)），所以配方一变，温度曲线也必须跟着改。归根结底，PI 工序不是干燥，而是在基板上完成一次高分子合成反应的化学工艺。

玻璃与薄膜的同床异梦——热膨胀失配

现在可以计算规格表中线膨胀系数 10~40 ppm/K 为何重要了。在 400℃ 完成固化的 PI，会贴在玻璃上一起冷却到室温。PI 想大幅收缩，玻璃却只收缩一点点；因为粘在一起，谁也不能自由收缩，这被压抑的收缩就成为薄膜内部的拉应力。把第 5 篇的热应力公式扩展到两种材料的情形，就是下式。

薄膜应力 σ ≈ [ E / (1 − ν) ] × (α_薄膜 − α_玻璃) × ΔT

PI 的弹性模量在表中为 3~8 GPa，故取中值 5 GPa，高分子常用泊松比 0.34，玻璃 3.2 ppm/K，温差取从 400℃ 到 25℃ 的 375K 进行计算。

PI 线膨胀系数	与玻璃之差	应力(E=5GPa)	E=3~8GPa 范围	0.5mm 玻璃的翘曲半径
10 ppm/K	6.8 ppm/K	约 19.3 MPa	11.6~30.9 MPa	—
20 ppm/K	16.8 ppm/K	约 47.7 MPa	28.6~76.4 MPa	约 8.3 m
30 ppm/K	26.8 ppm/K	约 76.1 MPa	45.7~121.8 MPa	—
40 ppm/K	36.8 ppm/K	约 104.5 MPa	62.7~167.3 MPa	约 3.8 m

最后一列是用斯托尼（Stoney）公式求得的载板玻璃翘曲半径——0.5mm 玻璃上 10㎛ PI 的拉应力，会把玻璃拉成多凹。若使用 40 ppm/K 的 PI，曲率半径会小到 3.8m；对于边长超过 2m 的大型玻璃，这种程度的曲率会直接影响搬运机械手的吸附与曝光机的对焦。

专利之所以分级收紧为"40 ppm/K 以下，尽可能 22 以下"，理由就在这里。应力与膨胀系数之差成线性关系，把 40 减到 20，应力也会降到一半以下（104.5 → 47.7 MPa）（J. Applied Polymer Science 34, 815 (1987)）。不过这是有代价的：链越刚硬，薄膜越不能伸展、越脆，折叠时无法吸收应力而开裂。因此实际配方会把刚性骨架与柔性连接基混合，去寻找一个中间值。

不是一层而是三明治——叠层结构

为什么要层层堆叠？理由有三。

第一，OLED 极怕水汽。有机发光材料一旦接触微量水汽与氧，像素就会死掉成为黑点。玻璃本身就是完美的阻隔材料，但作为塑料的 PI 会让水汽缓慢透过。因此在 PI 上覆盖致密的无机膜，切断通路（Flexible OLED）。

第二，这是一场关于缺陷的概率游戏。任何单层膜都会有细微异物或针孔。堆成两套后，缺陷若要上下贯通，就必须两层的缺陷正好重合在同一位置，而这个概率是两者概率之积，会急剧下降——单层若为万分之一，两层同时贯通就是一亿分之一。

第三，把厚度分开更容易保证均匀性。一次做出 10㎛ 需要 66.7㎛ 的湿膜，分两次则每次只要 33.3㎛。湿膜越厚，干燥过程中表面与底部的溶剂浓度差越大，所以仅仅对半分开，就能大幅降低斑纹风险。

此外，阻挡层与缓冲层并不只挡水汽。上面要长的硅膜会经受 400℃ 以上的热处理，若 PI 与硅直接接触，PI 中残留成分可能污染硅膜。无机阻挡层同时兼作切断两者的扩散阻挡层（J. Display Technology 11, 666 (2015)）。

最后一关——用激光揭下来

工艺结束后要把薄膜从玻璃上揭下。用机械方式硬拉会撕破薄膜或在器件中留下应力，所以要从玻璃背面打入紫外激光，只分解界面。成立条件有两个——玻璃必须透过该波长，而 PI 必须在表面把它全部吸收。在紫外波段这两个条件同时满足：聚酰亚胺芳香环多，强烈吸收紫外线，吸收深度只有数百纳米，因此能量集中在界面附近，上方的晶体管与发光层几乎不受热。

已报道的 LLO 条件大体集中在 100~250 mJ/cm² 区间——有研究报告以约 110 mJ/cm² 实现超薄 PI 的无褶皱剥离（Applied Surface Science 499, 143910 (2020)），也有研究给出脉冲不重叠、单发分离的阈值约为 240 mJ/cm²（Science China Technological Sciences 62, 233 (2018)）。数值不同的原因很简单：PI 的组成、厚度、光束强度分布与重叠率各不相同。

设计者手上的旋钮也有好几个——把光束截面做成平顶（top-hat）以使各处能量一致（Optics & Laser Technology 142, 107245 (2021)）、在玻璃与 PI 之间铺一层牺牲层使其只分解该层（Vacuum 170, 108968 (2019)）、以及用宽带闪光代替激光（Polymers 13, 546 (2021)），这些都被尝试过。分离后 PI 背面会残留分解产物，因此实际产线上 LLO 之后紧接着是背面清洗与保护膜贴附。

三个常见误解

• "折叠屏里不用玻璃"——基板确实是 PI，但制造期间它一直在玻璃上，而且成品屏幕最上面还会再放一层薄玻璃或无色透明高分子做的盖板。玻璃并没有消失，只是角色变了（Micromachines 12, 233 (2021)）。
• "因为 PI 柔软所以能折"——只对了一半。按前面的应变计算，同样的材料若很厚就折不了。柔性的主要来源是厚度，材料的职责是在那样薄的厚度下承受反复变形。
• "把 PI 薄膜买来贴上去"——成品薄膜的表面粗糙度与尺寸稳定性无法承受晶体管工艺。采购规格上出现的不是薄膜，而是清漆的黏度与固含量。

小结——以及下一篇

• 柔性基板是在载板玻璃上以液体起步、就地做成的聚酰亚胺薄膜。
• 清漆是聚酰胺酸 + NMP，固含量 15~20%——要得到 10㎛ 干膜，需要 50~67㎛ 湿膜。
• 加热不是干燥而是酰亚胺化，此时每个重复单元还会再脱出两个水分子（占质量的 8.6%）。
• 规格为 Tg 390℃ 以上 · 线膨胀系数 10~40 ppm/K · 弹性模量 3~8 GPa · 厚度 5~10㎛。线膨胀系数若为 40 ppm/K，与玻璃的失配会产生 100 MPa 级应力。
• 基板是 PI 与阻挡层的三明治，最后由 LLO 在 100~250 mJ/cm² 下只分解界面。

下一篇（PI ②）进入把这种液体实际涂在玻璃上并固化的工艺与设备——狭缝涂布机如何扫过大面积玻璃、为何要在真空中分两阶段干燥、烘箱中温度的台阶（约 120℃ → 350℃ → 450℃），以及推送溶液的四种泵为何会给出彼此不同的答案。

参考资料

• US 11,472,922 B2 — Polyimide film, flexible substrate using same, and flexible display comprising flexible substrate：正文规格表的出处
• EP 2186848 A1 — Process for production of polyimide film, and polyamic acid solution composition：溶液组成与减压脱泡
• "Reactivity of Poly(amic acid) Isomers in Thermal Imidization," Polymer Journal 22, 725 (1990)：异构体不同的闭环速度
• "Residual stress and thermal expansion of spun-on polyimide films," J. Applied Polymer Science 34, 815 (1987)：薄膜热膨胀与残余应力的实测
• "LTPS TFT Process on Polyimide Substrate for Flexible AMOLED," J. Display Technology 11, 666 (2015)：PI 基板上的 LTPS 工艺
• "Laser lift-off systems for flexible-display production," J. Information Display 15, 1 (2014)：LLO 设备的要求
• "Theoretical and experimental studies of laser lift-off of nonwrinkled ultrathin polyimide film," Applied Surface Science 499, 143910 (2020)（约 110 mJ/cm²） · "Experimental study of laser lift-off of ultra-thin polyimide film for flexible electronics," Science China Technological Sciences 62, 233 (2018)（约 240 mJ/cm²）：正文能量密度范围的依据
• "Laser lift-off of polyimide thin-film from glass carrier using DPSS laser pulses of top-hat square beam profile," Optics & Laser Technology 142, 107245 (2021) · "Sacrificial layer for laser lift-off process for flexible-display production," Vacuum 170, 108968 (2019)：平顶光束与牺牲层
• "Investigation of the Chemical Structure of Ultra-Thin Polyimide Substrate for the Xenon Flash Lamp Lift-off Technology," Polymers 13, 546 (2021) · "Ultra-high Tg colorless polyimide film…," Polymer 321, 128085 (2025) · "Transparent and Flexible SiOC Films on Colorless Polyimide Substrate…," Micromachines 12, 233 (2021)：闪光剥离与无色透明 PI
• Polyimide · N-Methyl-2-pyrrolidone · PET · Polycarbonate · Flexible OLED — Wikipedia：比较表的物性数值与 NMP 沸点（约 202℃）
• Sunshield — 空间望远镜官方说明：聚酰亚胺薄膜五层遮阳罩
• 照片：聚酰亚胺胶带 — Wikimedia Commons（Dsimic, CC BY-SA 3.0） · 遮阳罩薄膜 — Wikimedia Commons（CC BY 2.0）