CN109661381A - 具有填充孔的强化的玻璃基制品及其制造方法 - Google Patents

具有填充孔的强化的玻璃基制品及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种具有玻璃基基材的玻璃基制品，所述玻璃基基材包含第一表面、与第一表面相对的第二表面、在第一表面中形成的至少一个孔以及处于压缩应力的区域，该区域从第一表面延伸到玻璃基基材中的压缩深度DOC1，其中，该区域中的压缩应力在第一表面处最大。在所述至少一个孔中设置有导电材料，其中，所述至少一个孔的横截面积与所述导电材料的横截面积相差0.1％或更小。

Description

具有填充孔的强化的玻璃基制品及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年8月31日提交的系列号为62/381740的美国临时申请的优先权权益，本申请以该申请的内容为基础，并且通过引用的方式全文纳入本文。
背景技术
本公开涉及具有至少一个填充有导电材料的孔的强化的玻璃基制品及其制造方法。
具有显示器的消费电子装置通常具有由玻璃基材料制造的强化盖板基材。使传导通路通过盖板基材的能力将改进消费电子装置的某些方面的功能，例如，当指纹传感器位于盖板基材下面时。然而，制造这种具有传导通路的强化盖板基材的方法具有挑战性，因为对具有孔的基材进行强化的方法与用导电材料填充孔的方法不相容。因此，需要产生使孔填充有导电材料的强化的玻璃基制品。
发明内容
第一个方面是一种包含玻璃基基材的玻璃基制品，所述玻璃基基材包含第一表面、与第一表面相对的第二表面、在第一表面中形成的至少一个孔以及处于压缩应力的区域，该区域从第一表面延伸到玻璃基基材中的压缩深度DOC1，其中，该区域中的压缩应力在第一表面处最大；并且所述玻璃基制品还包含设置在所述至少一个孔中的导电材料，其中，所述至少一个孔的横截面积与所述导电材料的横截面积相差0.1％或更小。
根据第一个方面所述的第二个方面，其中，导电材料的热膨胀系数(CTE)高于玻璃基基材的CTE。
根据第一或第二个方面所述的第三个方面，其中，在第一表面处的玻璃基基材的压缩应力大于或等于约100MPa。
根据第一至第三个方面中任一个方面所述的第四个方面，其中，在第一表面处的玻璃基基材的压缩应力在约100MPa至约1,200MPa的范围内。
根据第一至第四个方面中任一个方面所述的第五个方面，其中，所述至少一个孔是从第一表面延伸到第二表面的通孔。
根据第一至第五个方面中任一个方面所述的第六个方面，其中，所述至少一个孔是盲孔。
根据第一至第六个方面中任一个方面所述的第七个方面，其中，所述导电材料选自下组：铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨和镁。
根据第一至第七个方面中任一个方面所述的第八个方面，其中，DOC1为至少20μm。
根据第一至第八个方面中任一个方面所述的第九个方面，还包括从第二表面延伸到第二压缩深度DOC2的第二压缩应力区域。
根据第九个方面所述的第十个方面，还包括位于各压缩应力区域之间的中心张力区域。
根据第一至第十个方面中任一个方面所述的第十一个方面，其中，所述玻璃基基材为玻璃。
根据第一至第十一个方面中任一个方面所述的第十二个方面，其中，所述玻璃基基材为玻璃陶瓷。
第十三个方面为一种消费电子产品，其包含具有前表面、后表面和侧表面的壳体；至少部分位于所述壳体内的电子部件，所述电子部件至少包括控制器、存储器、指纹传感器和显示器，所述显示器位于所述壳体的前表面处或者毗邻所述壳体的前表面；以及设置在所述显示器上方的如第一至第十二个方面中任一方面所述的玻璃基制品，其中，所述导电材料为指纹传感器提供了传导通路。
第十四个方面是一种生产玻璃基制品的方法，所述方法包括：对玻璃基基材进行第一离子交换以形成处于压缩应力的区域，该区域从第一表面延伸至玻璃基基材中的压缩深度DOC，所述玻璃基基材包括第一表面、与第一表面相对的第二表面以及在第一表面中形成的至少一个孔；在对玻璃基基材进行离子交换后，用导电材料填充所述至少一个孔；以及在对所述至少一个孔进行填充后，对玻璃基基材进行第二离子交换。
根据第十四个方面所述的第十五个方面，其中，第二离子交换的持续时间比第一离子交换的持续时间短。
根据第十五个方面所述的第十六个方面，其中，第一离子交换的持续时间在约5小时至约11小时的范围内，第二离子交换的持续时间在约10分钟至约45分钟的范围内。
根据第十四至第十六个方面中任一方面所述的第十七个方面，还包括在填充之后且在进行第二离子交换之前，对玻璃基基材进行加热。
根据第十四至第十七个方面中任一个方面所述的第十八个方面，还包括在进行第一离子交换之后且在填充之前，在所述至少一个孔的侧壁上设置涂层，其中，所述涂层防止了导电材料与玻璃基基材之间的元素迁移。
根据第十四至第十八个方面中任一个方面所述的第十九个方面，其中，所述至少一个孔是从第一表面延伸到第二表面的通孔。
根据第十四至第十九个方面中任一个方面所述的第二十个方面，其中，所述至少一个孔是盲孔。
根据第十四至第二十个方面中任一个方面所述的第二十一个方面，其中，所述导电材料选自下组：铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨和镁。
根据第十四至第二十一个方面中任一个方面所述的第二十二个方面，其中，所述玻璃基基材为玻璃或玻璃陶瓷。
在以下的具体实施方式中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的各个实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是具有至少一个填充有导电材料的孔的一种示例性玻璃基制品；
图2是本文公开的玻璃基制品的压缩应力区域中的压缩应力分布的示例性示意图；
图3是比较了通过三种不同方法获得的玻璃基制品的压缩应力区域中的压缩应力分布的示意图；
图4是根据一种示例性方法处理的玻璃基制品的顶视图，该示例性方法是对通孔进行填充，然后对具有经填充通孔的制品进行离子交换；
图5是根据一种示例性方法处理的玻璃基制品的顶视图，该示例性方法是对具有未填充通孔的制品进行离子交换，对所述通孔进行填充，然后对具有经填充通孔的制品进行离子交换；
图6A是包含本文公开的任意的玻璃基制品的示例性电子装置的平面图；以及图6B是图6A的示例性电子装置的透视图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施方式，这些实施方式的实例在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。
一般而言，本文描述了一种具有至少一个孔(通孔或盲孔中的任一种、或其组合)的玻璃基制品，其中，所述至少一个孔填充有导电材料。所述玻璃基制品具有至少一个处于压缩应力的区域，其从玻璃基制品的表面延伸至压缩应力层深度，其中，压缩应力在表面处最大。并且，所述孔的横截面积与所述导电材料的横截面积相差0.1％或更小。在表面处具有最大的压缩应力提供了机械强度，并且提供了抵抗因剧烈冲击或掉落导致的断裂。使孔与导电材料的横截面积相差0.1％或更小意味着具有最小的空间失配，从而最大程度地减少了导电材料与玻璃基材料剥离的可能性。在一些实施方式中，这些特征(即，在表面处的最大压缩应力以及孔与导电材料的横截面积之间的空间失配为0.1％或更少)可以通过在填充所述至少一个孔之前先对玻璃基基材进行第一次离子交换，然后用导电材料填充所述至少一个孔，并接着在对所述至少一个孔进行填充之后，对所述玻璃基基材进行第二次离子交换。
图1例示了一种具有玻璃基基材102的示例性玻璃基制品100，所述玻璃基基材102具有第一表面104、相对的第二表面106和厚度t。如本文所用，术语玻璃基包括玻璃和玻璃陶瓷。在一些实施方式中，可以对玻璃基基材102进行强化以使其具有处于压缩应力(CS)下的第一区域108，该第一区域108从第一表面104延伸至压缩深度(DOC)DOC1。在一些实施方式中，第一区域108中的压缩应力在第一表面104处最大。在一些实施方式中，玻璃基基材102还可以具有处于压缩应力的第二区域110，该第二区域110从第二表面106延伸至压缩深度DOC2。在一些实施方式中，第二区域110中的压缩应力在第二表面106处最大。在一些实施方式中，玻璃基基材102的中心区域112从DOC1延伸至DOC2并且处于中心张力下。
玻璃基基材102还可以具有至少一个孔114，其形成于第一表面104中并且延伸到基材102的内部中。在一些实施方式中，如图1所示，孔114可以是从第一表面104延伸至第二表面106的通孔。在其他实施方式中，孔108可以是盲孔，该盲孔从第一表面104延伸到某个距离，该距离进入基材102中但未完全穿透到第二表面106。在一些实施方式中，可以仅存在通孔。在其他实施方式中，可以仅存在盲孔。在其他实施方式中，可以存在通孔与盲孔的组合。在一些实施方式中，所述至少一个孔114具有侧壁113。在一些实施方式中，可以对玻璃基基材102进行强化以使其具有处于压缩应力(CS)下的第三区域115，该第三区域115从侧壁113延伸至压缩深度DOC3。在一些实施方式中，DOC3小于DOC1和/或DOC2。在另一些实施方式中，DOC3等于DOC1和/或DOC2。
在一些实施方式中，孔114可以填充有导电材料116。在一些实施方式中，孔114的横截面积与导电材料116的横截面积相差0.1％或更小、0.09％或更小、0.08％或更小、或者0.07％或更小。如果(A孔–A导电)/(A孔)≤0.001，则孔的横截面积(A孔)与导电材料的横截面积(A导电)相差0.1％或更小。使用扫描电子显微镜在表面处测量A孔和A导电。
玻璃基基材102可以包括能够进行离子交换以得到化学强化的任何玻璃基材料。在一些实施方式中，所述玻璃基材料为碱金属硅铝酸盐玻璃或者包含碱金属硅铝酸盐玻璃。在一些实施方式中，玻璃基基材102的厚度t可以为2mm或更小、1.5mm或更小、1mm或更小、0.9mm或更小、0.8mm或更小、0.7mm或更小、0.6mm或更小、0.5mm或更小、0.4mm或更小、0.3mm或更小、或者0.2mm或更小。在一些实施方式中，玻璃基基材102的厚度t可以在以下范围内：0.1mm至2mm、0.1mm至1.5mm、0.1mm至1mm、0.2mm至2mm、0.2mm至1.5mm、0.2mm至1mm、0.5mm至2mm、或0.5mm至1.5mm。虽然图1所示的玻璃基基材102是平坦的，但是这仅是示例性的。在一些实施方式中，玻璃基基材102可以是弯曲的、弯折的或以其他方式成形为三维形状。
第一区域108和第二区域110中的压缩应力分别根据第一表面104和第二表面106下方的深度而变化。图2是第一区域108和/或第二区域110中的压缩应力分布的示例性示意图，其中，压缩应力在y轴上，深度在x轴上。在一些实施方式中，如图2所示，压缩应力在表面处最大。在一些实施方式中，第一表面104和/或第二表面106处的压缩应力为至少100兆帕(MPa)、至少200MPa、至少300MPa、至少400MPa、至少500MPa、至少600MPa、至少700MPa、至少800MPa、至少900MPa、至少1,000MPa、至少1,100MPa或者至少1,200MPa。在一些实施方式中，表面处的压缩应力可以在以下范围内：100MPa至1,200MPa、100MPa至1,000MPa、400MPa至1,200MPa、400MPa至1,000MPa、500MPa至1,200MPa、500MPa至1,000MPa、600MPa至1,200MPa、600MPa至1,000MPa、700MPa至1,200MPa、或700MPa至1,000MPa。在一些实施方式中，第一区域108和/或第二区域的DOC为至少20μm、至少30μm、至少40μm、至少50μm、至少60μm、至少70μm、至少80μm、至少90μm或至少100μm。在一些实施方式中，第一区域108和/或第二区域的DOC在以下范围内：20μm至100μm、30μm至100μm、40μm至100μm、50μm至100μm、60μm至100μm、70μm至100μm、或80μm至100μm。在一些实施方式中，第一区域108的DOC小于或等于玻璃基基材102的厚度的5％、小于或等于玻璃基基材102的厚度的10％、小于或等于玻璃基基材102的厚度的15％、或者小于或等于玻璃基基材102的厚度的20％。在一些实施方式中，第二区域110的DOC小于或等于玻璃基基材102的厚度的5％、小于或等于玻璃基基材102的厚度的10％、小于或等于玻璃基基材102的厚度的15％、或者小于或等于玻璃基基材102的厚度的20％。
在一些实施方式中，使用激光破坏和蚀刻工艺形成孔114，其中，激光用于在玻璃基基材102中形成破坏区域，该破坏区域可以是导孔或者破坏迹线，然后利用蚀刻工艺放大导孔或破坏迹线。可以进行激光破坏形成和随后的蚀刻的示例性方式公开于第2015/0166395号美国公开和第9,278,886号美国专利，所述文献分别通过引用全文纳入本文中。在一些实施方式中，孔114的最大直径可以在以下范围内：约5μm至约150μm、5μm至约100μm、5μm至约50μm、约5μm至约20μm、约20μm至约150μm、约20μm至约100μm、约20μm至约50μm、约50μm至约150μm、或约50μm至约100μm。在一些实施方式中，最大直径在第一表面104和/或第二表面106处。孔114可以具有各种形状，包括但不限于圆柱形、锥形或沙漏形。在一些实施方式中，孔114可以是沙漏形并且具有腰部(沿着孔的直径最小的点)，其中，腰部具有至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或者至少95％的直径。包含的孔的直径可以例如通过光学显微镜测量。
在一些实施方式中，导电材料116可以为热膨胀系数(CTE)超过玻璃基基材的任意合适的材料。在一些实施方式中，导电材料116可以包括但不限于铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨或镁。在一些实施方式中，导电材料可以为纯金属、含有金属和玻璃填料颗粒的糊剂、或具有金属填料颗粒的聚合糊剂。可以采用任何已知技术使孔114填充有导电材料116，所述技术包括但不限于溅射、电镀、化学气相沉积、电解等。
如上所述，玻璃基基材102是可进行离子交换的。对上文所述的玻璃基材料进行化学处理以提供强化玻璃基材料。离子交换广泛地用于化学强化玻璃基材料。在一个具体的实例中，在所述阳离子源(例如熔融盐或“离子交换”浴)中的碱金属阳离子与玻璃基材料中的更小的碱金属阳离子交换以在玻璃基材料的表面附近得到处于压缩应力(CS)的层。压缩层从表面延伸到玻璃中的压缩应力层深度(DOC)。在本文所述的玻璃基材料中，例如，在离子交换期间，通过将玻璃基材料浸没于包含钾盐——例如但不限于硝酸钾(KNO3)——的熔融盐浴中，使来自阳离子源的钾离子与玻璃基材料中的钠和/或锂离子交换。可以用于离子交换过程的其他钾盐包括但不限于：氯化钾(KCl)、硫酸钾(K2SO4)、其组合等。本文所述的离子交换浴可以含有除钾之外的碱金属离子及其相应的盐。例如，离子交换浴还可以包含钠盐，如硝酸钠、硫酸钠、氯化钠等。
通过表面应力计(FSM)，采用例如日本折原实业有限公司(Orihara IndustrialCo.,Ltd)制造的FSM-6000之类的商业仪器，来测量压缩应力。表面应力测量依赖于应力光学系数(SOC)的精确测量，而应力光学系数与玻璃的双折射相关。进而根据ASTM标准C770-16中所述的方案C(玻璃盘方法)，题为“Standard Test Method for Measurement ofGlass Stress-Optical Coefficient”(《测量玻璃应力-光学系数的标准测试方法》)来测量SOC，所述文献的内容通过引用全文纳入本文。
如本文所用，DOC意为本文所述的经过化学强化的碱金属硅铝酸盐玻璃制品中的应力从压缩应力变为拉伸应力处的深度。取决于离子交换处理方式，DOC可以通过FSM或散射光偏振镜(SCALP)来测量。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子交换到玻璃制品中产生的，则使用FSM测量DOC。如果应力是通过将钠离子交换到玻璃制品中产生的，则使用SCALP测量DOC。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子和钠离子二者交换到玻璃中产生的，则通过SCALP测量DOC，因为认为钠的交换深度表示的是DOC，而钾离子的交换深度表示的是压缩应力的变化幅度(但不表示应力从压缩应力变为拉伸应力)；在这种玻璃制品中的钾离子的交换深度通过FSM测量。
玻璃基基材102具有至少一个填充有导电材料116的孔114，其中，孔114的横截面积与导电材料116的横截面积相差0.1％或更小，并且其中，玻璃基基材102具有至少一个处于压缩应力的区域110或112，其中，可以根据以下方法在表面处形成该区域中的最大压缩应力。可以在用导电材料116填充至少一个孔114之前，使具有至少一个孔114的第一玻璃基基材先经受离子交换过程以形成从第一表面104和/或第二表面106延伸的压缩应力区域。在第一离子交换过程后，可以用导电材料116填充至少一个孔114。接着，在对至少一个孔114进行填充后，可以使玻璃基基材102经受第二离子交换过程。如上所述，图2例示了在第二离子交换过程之后，在压缩应力区域中获得的示例性应力分布。在一些实施方式中，第一离子交换过程涉及将玻璃基基材102浸没在熔融盐离子交换浴中。第一离子交换浴可以包含约45-70重量％KNO3和约30-55重量％NaNO3的混合物。在其他实施方式中，第一离子交换浴可以包含约5重量％或更少的NaNO3且余量为KNO3的混合物。在一些实施方式中，可以具有少量(<5重量％)的添加剂，例如稳定剂等。在一些实施方式中，可以在约440℃至约470℃的温度下，例如在约440℃、约450℃、约460℃或约470℃的温度下进行第一离子交换。在一些实施方式中，第一离子交换的持续时间可以在约5小时至约11小时的范围内，例如约5小时、约6小时、约7小时、约8小时、约9小时、约10小时或约11小时。在一些实施方式中，在比第一离子交换更低的温度和/或更短的持续时间下进行第二离子交换。在一些实施方式中，可以在约380℃至约410℃的温度下，例如约380℃、约390℃、约400℃或约410℃的温度下进行第二离子交换。在一些实施方式中，第二离子交换的持续时间可以在约10分钟至约45分钟的范围内，例如约10分钟、约12分钟、约15分钟、约18分钟、约20分钟、约22分钟、约25分钟、约28分钟、约30分钟、约32分钟、约35分钟、约38分钟、约40分钟、约42分钟或约45分钟。第二离子交换浴可以与第一离子交换浴相同或不同。在一些实施方式中，第二离子交换浴可以包含约5重量％或更少的NaNO3且余量为KNO3的混合物，例如约1重量％NaNO3和约99重量％KNO3的混合物。在一些实施方式中，可以具有少量(<5重量％)的添加剂，例如稳定剂等。
在一些实施方式中，在进行第一离子交换之后且在填充之前，可以在至少一个孔114的侧壁上设置涂层，以防止导电材料116与玻璃基基材102之间的元素迁移。在一些实施方式中，所述涂层可以是氮化硅。可以使用常规技术施涂涂层。
在一些实施方式中，在填充之后且在第二离子交换之前，可以使玻璃基基材经受热处理。在一些实施方式中，可以在约380℃至约410℃的温度下发生加热，例如在约380℃、约390℃、约400℃或约410℃的温度下发生加热。在一些实施方式中，加热持续的时间可以在约30分钟至约4小时的范围内，例如约30分钟、约1小时、约1.5小时、约2小时、约2.5小时、约3小时、约3.5小时或约4小时。在一些实施方式中，所述方法可以既包括涂覆步骤又包括加热步骤。
上述方法先进行第一离子交换，然后用导电材料填充所述至少一个孔，接着进行第二离子交换，该方法相对于替代的方法在玻璃基制品中提供了有益属性。所述有益属性包括最大CS在表面处，最大程度地减少了孔与导电材料之间的空间失配，以使导电材料的横截面积与孔的横截面积相差小于0.1％，以及最大程度地减少了玻璃基基材与导电材料之间的温度诱导的应力。
图3是比较了根据三种不同方法获得的玻璃基基材102的第一区域108和/或第二区域110中所能够获得的压缩应力分布的示意图。压缩应力在y轴上，深度在x轴上。应力分布1例示了通过以下过程(“过程1”)将获得的情况，所述过程1为先用导电材料填充所述至少一个孔，再使经填充的玻璃基基材进行离子交换。应力分布2例示了通过以下过程(“过程2”)将获得的情况，所述过程2为先使玻璃基基材进行离子交换，再用导电材料填充所述至少一个孔。应力分布3例示了通过上文描述过的以下过程(“过程3”)将获得的情况，所述过程3为对玻璃基基材进行第一次离子交换，接着用导电材料填充所述至少一个孔，然后对经填充的玻璃基基材进行第二次离子交换。对于每个过程，将采用0.7mm厚的玻璃基材样品，其具有直径为约80μm的通孔，并且组成为约57.4摩尔％SiO2、约16.1摩尔％Al2O3、约17.1摩尔％Na2O、约2.8摩尔％MgO、约0.07摩尔％SnO2和约6.5摩尔％P2O5。通孔将用铜填充。为了获得应力分布1，将使玻璃样品在约450℃下，在包含约95重量％KNO3和约5重量％NaNO3的离子交换浴中离子交换约5小时。为了获得应力分布2，将使玻璃样品在约450℃下，在包含约95重量％KNO3和约5重量％NaNO3的离子交换浴中离子交换约5小时。为了获得应力分布3，在填充通孔之前，将使玻璃样品在约450℃下，在包含约95重量％KNO3和约5重量％NaNO3的离子交换浴中离子交换约5小时。使玻璃冷却至室温，然后对通孔进行填充。在对通孔进行填充后，将使玻璃在约390℃下，在包含约99重量％KNO3和约1重量％NaNO3的离子交换浴中进行第二次离子交换，持续约30分钟。
如下所述，根据所述过程处理以获得应力分布3的制品将获得所追求的特征。如通过比较图3中的应力分布1-3可知，应力分布1和3在表面处具有最大压缩应力，而应力分布2在表面下方具有掩埋的最大压缩应力。由此，应力分布3比应力分布2具有优势，因为表面处的最大压缩应力有助于向玻璃提供耐冲击和耐刮擦性。从图3可知应力分布3相对于应力分布1的优势，即，应力分布3具有比应力分布1更大的DOC。而且，如图4和5所表明的，根据用于获得应力分布3的过程3(离子交换-填充-离子交换)来处理的制品相对于根据用于获得应力分布1的过程1(填充-离子交换)来处理的制品的优势在于：将所述至少一个孔的横截面积与导电材料的横截面积之间的差异最小化为0.1％或更小。
图4例示了根据过程1来处理的玻璃基材的顶视图，所述过程1用于获得图3的应力分布1。步骤a示出了具有直径为dg的未填充通孔的玻璃基材。在步骤b中，用铜填充通孔。铜填料的直径为dc，并且通孔的直径与铜填料的直径相等。在步骤c中，使具有填充通孔的玻璃基材进行离子交换，并且由于离子交换步骤期间发生的加热，玻璃基材和铜填料膨胀。通孔和铜填料的原始周界用虚线示出，膨胀后，通孔和铜填料具有相同的直径。玻璃和铜具有不同的热膨胀系数——铜的热膨胀系数为约16.28X 10-6/℃，所用的玻璃组合物的热膨胀系数为约8.71X 10-6/℃。认为通孔和铜的直径在离子交换后相同，铜的膨胀(因为其较高的热膨胀系数)造成通孔以相同的速率膨胀。在离子交换过程期间，这在玻璃上形成了可导致玻璃裂开的应力。为了计算离子交换后玻璃与铜填料之间的应力，假设铜填料和玻璃二者仅弹性变形，并且在填充步骤之后，玻璃与铜填料之间不存在应力。利用以下方程计算应力(σ，单位为MPa)：
σ＝ΔT*(αCu–α玻璃)*[((1-vCu)/ECu)+(1-v玻璃)/E玻璃]-1 (1)
其中：
ΔT是离子交换温度与室温之间的差；
αCu是铜的热膨胀系数；
α玻璃是玻璃的热膨胀系数；
vCu是铜的泊松比(此处为0.35)；
v玻璃是玻璃的泊松比(此处为0.22)；
ECu是铜的杨氏模量(单位为MPa，此处为114,000MPa)
E玻璃是玻璃的杨氏模量(单位为MPa，此处为65,800MPa)
采用铜、玻璃以及上述离子交换温度的过程1，其应力为约134.3MPa。该应力将大致持续离子交换的持续时间(约5小时)。在步骤d中，使玻璃基材和铜填料冷却至室温，并且玻璃的直径dg大于铜填料的直径dc。认为铜填料恢复到其原始形状，由此假设铜在离子交换期间仅通过应力弹性变形。然而，离子交换反应改变了玻璃的化学组成，使得通孔无法恢复到其原始形状，其尺寸大于铜填料的尺寸，并由此在通孔与铜填料之间形成了尺寸失配。尺寸失配可造成铜填料与玻璃通孔剥离。
图5例示了根据过程3来处理的玻璃基材的顶视图，所述过程3用于获得图3的应力分布3。步骤a示出了具有直径为dg的未填充通孔的玻璃基材。在步骤b中，使具有未填充通孔的玻璃基材进行离子交换，并使未填充通孔的直径扩展。通孔的原始周界用虚线示出。在步骤c中，使经过离子交换的未填充通孔冷却到室温，通孔的直径比其在步骤a中的大，这是因为离子交换反应改变了玻璃的化学组成，使得通孔无法恢复到其原始形状。在步骤d中，用铜填充通孔。铜填料的直径为dc，并且通孔的直径与铜填料的直径相等。在步骤e中，使具有填充通孔的玻璃基材进行离子交换，并且由于在该第二离子交换步骤期间发生的加热，玻璃基材和铜填料膨胀。通孔和铜填料的原始周界用虚线示出，膨胀后，通孔和铜填料具有相同的直径。如上所述，玻璃和铜具有不同的热膨胀系数。认为通孔和铜的直径在第二离子交换后相同，铜的膨胀(因为其较高的热膨胀系数)造成通孔以相同的速率膨胀。在第二离子交换过程期间，这在玻璃上形成了可导致玻璃裂开的应力。利用上述方程(1)计算出采用铜、玻璃和上述离子交换温度的过程3的应力为约115.5MPa，并且该应力将会持续第二离子交换的持续时间(约30分钟)。该应力低于过程1产生的134.3MPa，并且持续的时间显著短于过程1所经历的时间。在步骤f中，使玻璃基材和铜填料冷却至室温，并且玻璃的直径dg与铜填料的直径dc大致相同。尽管第二离子交换反应改变了玻璃的化学组成，但是第二离子交换发生的时间短，使得在通孔与铜填料之间具有最小的尺寸失配，这与过程1相反。
可以将本文公开的玻璃基制品包含到另一个制品中，例如具有显示器(或显示制品)的制品(例如消费电子器件，包括手机、平板电脑、笔记本电脑、计算机、导航系统等)。图6A和6B示出了包含有本文公开的任意玻璃基制品的示例性制品。具体来说，图6A和6B示出了消费电子装置600，其包括：壳体602，所述壳体602具有前表面604、后表面606和侧表面608；电子部件(未示出)，其至少部分或者完全位于所述壳体内并且至少包括控制器、存储器、指纹传感器或触摸屏及显示器610，其位于壳体的前表面处或者与壳体的前表面相邻；以及盖板基材612，其位于壳体的前表面处或者在壳体的前表面上方以使其位于显示器上方。在一些实施方式中，盖板基材612可以包括本文公开的任意玻璃基制品，该玻璃基制品经过了离子交换并且具有填充有导电材料的孔614，所述导电材料为用作指纹传感器和/或触摸屏的零件提供了传导通路。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以对本发明进行各种修改和变动而不偏离本发明的范围或精神。

Claims (22)

1.一种玻璃基制品，其包含：
玻璃基基材，其包含第一表面、与第一表面相对的第二表面、在第一表面中形成的至少一个孔以及处于压缩应力的区域，该区域从第一表面延伸到玻璃基基材中的压缩深度DOC1，其中，该区域中的压缩应力在第一表面处最大；和
设置在所述至少一个孔中的导电材料，其中，所述至少一个孔的横截面积与所述导电材料的横截面积相差0.1％或更小。
2.如权利要求1所述的玻璃基制品，其中，导电材料的热膨胀系数(CTE)高于玻璃基基材的CTE。
3.如权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中，在第一表面处的玻璃基基材的压缩应力大于或等于约100MPa。
4.如权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中，在第一表面处的玻璃基基材的压缩应力在约100MPa至约1,200MPa的范围内。
5.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其中，所述至少一个孔是从第一表面延伸到第二表面的通孔。
6.如权利要求1-4中任一项所述的玻璃基制品，其中，所述至少一个孔是盲孔。
7.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其中，所述导电材料选自下组：铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨和镁。
8.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其中，DOC1为至少20μm。
9.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其还包括从第二表面延伸到第二压缩深度DOC2的第二压缩应力区域。
10.如权利要求9所述的玻璃基制品，还包括位于各压缩应力区域之间的中心张力区域。
11.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其中，所述玻璃基基材是玻璃。
12.如前述权利要求1-10中任一项所述的玻璃基制品，其中，所述玻璃基基材是玻璃陶瓷。
13.一种消费电子产品，其包括：
壳体，所述壳体具有前表面、后表面和侧表面；
至少部分位于所述壳体内的电子部件，所述电子部件至少包括控制器、存储器、指纹传感器和显示器，所述显示器位于所述壳体的前表面处或者毗邻所述壳体的前表面；以及
设置在显示器上方的如前述权利要求中任一项所述的玻璃基制品，其中，导电材料为指纹传感器提供了传导通路。
14.一种生产玻璃基制品的方法，所述方法包括：
对玻璃基基材进行第一离子交换以形成处于压缩应力的区域，该区域从第一表面延伸至玻璃基基材中的压缩深度DOC，所述玻璃基基材包括第一表面、与第一表面相对的第二表面以及在第一表面中形成的至少一个孔；
在对玻璃基基材进行离子交换后，用导电材料填充所述至少一个孔；以及
在对所述至少一个孔进行填充后，对玻璃基基材进行第二离子交换。
15.如权利要求14所述的方法，其中，第二离子交换的持续时间比第一离子交换的持续时间短。
16.如权利要求15所述的方法，其中，第一离子交换的持续时间在约5小时至约11小时的范围内，第二离子交换的持续时间在约10分钟至约45分钟的范围内。
17.如权利要求14-16中任一项所述的方法，还包括在填充之后且在进行第二离子交换之前，对玻璃基基材进行加热。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法，还包括在进行第一离子交换之后且在填充之前，在所述至少一个孔的侧壁上设置涂层，其中，所述涂层防止了导电材料与玻璃基基材之间的元素迁移。
19.如权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，所述至少一个孔是从第一表面延伸到第二表面的通孔。
20.如权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，所述至少一个孔是盲孔。
21.如权利要求14-20中任一项所述的方法，其中，所述导电材料选自下组：铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨和镁。
22.如权利要求14-21中任一项所述的方法，其中，所述玻璃基基材是玻璃或玻璃陶瓷。
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