CN100531998C - 雷射切割装置 - Google Patents

Abstract

一种雷射切割装置，用于切割脆性基板，其包括预切割系统，雷射光系统及冷却系统，上述预切割系统用于在基板上形成预切割线；上述雷射光系统，用于产生雷射光，该雷射光沿着上述预切割线加热基板使其受热膨胀；上述冷却系统，用于对上述受热膨胀的基板进行冷却；上述雷射光系统包括产生上述雷射光的雷射腔体及光程距离调整系统，该光程距离调整系统设置于上述雷射光照射于基板的光程路径上，该光程距离调整系统包括四个两两相对且位置可动的反射镜，用于调整该光程路径的距离进而改变照射到基板上的雷射光光点的大小。这样就可以调整雷射光点的大小来满足不同的切割需求。

Description

雷射切割装置

【技术领域】

本发明揭示了一种雷射切割装置，尤其指一种用于切割脆性材料如液晶显示装置(TFT-LCD)(Thin Film Transistor，简称TFT；Liquid CrystaDisplay，简称LCD)玻璃面板的雷射切割装置。

【背景技术】

随着显示技术的不断发展，液晶显示装置(TFT-LCD)由于其自身的特性已广泛的应用于消费领域内。其被视为将用以取代传统的阴极射线管(Cathode Ray Tube，简称CRT)显示装置的强劲对手。

液晶显示装置通常由两块玻璃基板、收容于两块玻璃基板内的液晶及若干电路组成。液晶可以在电场的影响下改变排列方式来进行完成显示动作。为了形成不同尺寸的液晶显示面板，通常需要对较大的液晶显示面板进行切割以满足不同的需求。

传统的雷射切割玻璃基板时，大都以刀轮或是钻石刀在玻璃基板表面产生预切割线，随即以激光束加热基板表面，再以冷却液冷却基板表面。基板因急剧的温度差产生应力的变化，使先前由刀轮或是钻石刀在玻璃基板表面产生预切割线产生裂纹向下成长，进而贯穿整个基板断面使的基板完全分离。

图1为传统的雷射切割系统架构示意图，其包括用来产生二氧化碳雷射光的二氧化碳雷射光单元1，反射镜2，聚焦镜3，预切刀具4及冷却系统5。当沿着切割方向A进行切割基板6时，预切刀具4先在基板6的表面进行切割形成一定深度的预切割线，然后经反射镜2及聚焦镜3而照射到基板6表面的二氧化碳雷射光沿着上述的预切割线对基板进行加热，随后冷却系统5对加热的预切割线进行冷却，利用加热和冷却所产生的温度差对玻璃面板产生的应力来进行使基板完全分离。基板6通过金属真空吸盘(未图标)吸附于装载台(未图标)上。

由图1可知，传统的雷射切割装置中雷射光的光路设计系统为固定光路，雷射光从雷射光单元1发出后，经过距离L1到反射镜2，然后又经过距离L2到达聚焦镜3从而照射于基板6上。L1及L2为固定距离，此种光路设计所使用的光学原件简单，然而当基板6尺寸变化时，该传统雷射切割装置的光路系统无法根据基板的变化适时调整雷射光点的大小与形状来符合切割特性的需求。

此外，传统的预切刀具4大都是使用气压缸来直接驱动切割刀具，刀具切割基板时受基板的平面度的影响而会造成切割深度不均匀。由于气体本身具有可压缩性且对力量控制会产生迟滞现象，使得以气压缸驱动的刀具对于基板表面的平面度反应较差，从而造成切割深度不均匀。

而且，传统的金属真空吸盘的吸力受真空源的位置影响对基板的吸力无法达到非常均匀，使得基板容易因吸力不均而变形，从而使得对基板的切割深度不均匀。另外，传统的金属真空吸盘无法快速而有效的把切割过程中多余的冷却液排除。

所以需要设计一种新型的雷射切割装置以克服上述不利的情况发生。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种雷射切割装置，其可以可靠的提高基板切割的品质。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种雷射切割装置，用于切割脆性基板，其包括：预切割系统，雷射光系统及冷却系统，上述预切割系统用于在基板上形成预切割线；上述雷射光系统，用于产生雷射光，该雷射光沿着上述预切割线加热基板使其受热膨胀；上述冷却系统，用于对上述受热膨胀的基板进行冷却；上述雷射光系统包括产生上述雷射光的雷射腔体及光程距离调整系统，该光程距离调整系统设置于上述雷射光照射于基板的光程路径上，该光程距离调整系统包括四个两两相对且位置可动的反射镜，用于调整该光程路径的距离进而改变照射到基板上的雷射光光点的大小。

相较于现有技术，本发明雷射切割装置通过在雷射光的行程中设置光程距离调整系统就可以改变雷射光照射于基板上光点的大小来满足不同的切割需求。

【附图说明】

图1为一种现有的雷射切割装置架构示意图。

图2为本发明雷射切割装置架构示意图。

图3为图2中光程距离增加的雷射切割装置架构示意图。

图4为图2中雷射切割装置的光程距离调整系统立体组合图。

图5为图2中雷射切割装置中处于闭合状态的光遮断器立体组合图。

图6为图2中雷射切割装置中处于打开状态的光遮断器立体组合图。

图7为图2中雷射切割装置中切削模组之立体组合图。

图8为图2中雷射切割装置中真空吸盘之立体组合图。

【具体实施方式】

如图2及图3所示，本发明雷射切割装置用于切割脆性基板(未图标)，其包括预切割系统78，雷射光系统及冷却系统79。上述雷射光系统包括用以产生雷射光的雷射腔体7，第一反射镜71，光遮断器72，第二反射镜73，准直器(Collimator)74，光程距离调整系统75，第三反射镜76及聚焦镜组77。雷射腔体7产生雷射光，在本发明中，该雷射光为二氧化碳雷射光。雷射光由雷射腔体7发出后，经第一反射镜71反射后通过光遮断器72到第二反射镜73，经第二反射镜73反射进入准直器74后雷射光成为平行光束，然后雷射光到达光程调整系统75，雷射光通过光程调整系统75后到第三反射镜76，而后经过聚焦镜组77照射于基板上。本发明中，基板通过多孔性材质真空吸盘80而吸附基板使其装载于装载台(未图示)上，同时使用多孔性材质真空吸盘80可有效的排除由于冷却系统79用于冷却时残留的冷却液，提升切割良率。

在本发明中，冷却系统79可以是单一液体、单一气体加单一液体的混合物或一种以上的气体与液体的混合物等，如空气、纯水、冷却油、液态氮或液态氦等。

如图2及图3所示，沿着切割方向，冷却系统79、雷射光系统及预切割系统78依次排列。对基板进行切割时，预切割系统78先于基板上形成预切割线，随后聚焦镜组77将雷射光的雷射能量沿着预切割线以非聚焦的方式照射在基板表面上，使基板受热膨胀而在基板内部产生压应力。

在雷射光对基板的预切割线进行加热后，紧接着冷却系统79将冷却液沿着加热的预切割线急速的以雾状喷在基板上，冷却液使基板表面的温度急速下降，基板内部因温度下降发生收缩而产生张应力。

这样，基板因在短时间内局部发生急剧应力变化，而使得基板会沿着预先的预切割线产生裂纹，裂纹在切割面成长使得基板完全分离，从而完成对基板的切割。

造成基板分离的因素有很多，主要由于雷射加热与冷却的作用，对玻璃内部所产生之应力，其可由下列公式表示：

σ～0.5αEΔT                (1)

ΔT＝T1-T2                 (2)

其中，σ为玻璃面板内部所产生的应力大小，α为玻璃面板内部的热膨胀系数，E为玻璃面板杨氏系数，T1为雷射加热玻璃面板后玻璃面板的温度，T2为冷却后玻璃面板的温度。

由公式(1)和(2)所示，面板内部的应力大小与材料的热膨胀系数、杨氏系数与雷射与冷却系统在玻璃面板上产生的温度差成正比。而且T1的最大值不能大于玻璃面板的气化温度。

当雷射加热与冷却系统对基板所造成的应力大于基板材料的破裂强度时，基板表面将产生裂纹，裂纹会随着制程条件的不同，在玻璃表面呈现不同的成长，如基板的完全分离(Full Body Cut，简称FBC)。

此外，在雷射切割装置中，雷射光照射于基板的光点大小对雷射切割特性有很大的影响，切割时的光点大小取决于雷射本身的散发角、雷射出口端光点直径及光路长度，其由公式表示为：

D＝L*θ+d              (3)

其中，D是雷射光经过L距离路程后之光束直径；d是雷射出口端光束直径；θ是光束发散角，单位为Rad；L是光程距离。可见，调整光程长度L的大小就可以改变雷射光点的大小来适应切割的需求。

参阅图2、图3及图4所示，在本发明中，光程距离调整系统75包括第四反射镜751、第五反射镜752、第六反射镜753及第七反射镜754。雷射光经由第四反射镜751、第五反射镜752、第六反射镜753及第七反射镜754后离开光程距离调整系统75。第四反射镜751，第五反射镜752，第六反射镜753及第七反射镜754的位置都可以移动。

参阅图2所示，雷射光从雷射腔体7的出口端到第一反射镜71的光程距离为L1；从第一反射镜71到第二反射镜73的光程距离为L2；从第二反射镜73到第四反射镜751的光程距离为L3；从第四反射镜751到第五反射镜752的距离为L4；从第五反射镜752到第六反射镜753的距离为L5；从第六反射镜到第七反射镜754的光程距离也为L4；从第七反射镜754到第三反射镜76的光程距离为L6；最后，从第三反射镜76到聚焦镜组77的光程距离为L7。雷射光从雷射腔体7产生后到达聚焦镜组77的光程总路程L＝L1+L2+L3+2*L4+L5+L6+L7。

参阅图3所示，于光程距离调整系统75中，同时调整第五、第六反射镜752，753分别相对于第四、第七反射镜751，754的距离，也就是调整第四和第五反射镜及第六和第七反射镜之间的光程距离为L4’。这样，雷射光从雷射腔体7产生后到达聚焦镜组77的光程总路程L’＝L1+L2+L3+2*L4’+L5+L6+L7。本发明中是增加光程距离，即L4’大于L4，当然也可以根据需求缩小光程。

这样，由于L4’大于L4，则光程距离L’就大于光程距离L，同理调整第四、第五反射镜与第六、第七反射镜之间的距离亦可将原L5调整为L5’，因此光程总路程L’＝L1+L2+L3+2*L4’+L5’+L6+L7。根据公式(3)可知，图3中的光束直径D’就大于图2中所示的光束直径D。可见，本发明中的光程距离调整系统75通过改变光程距离的大小就可以改变照射到基板上的光点的大小。这样就可以满足不同的切割需求了。

此外，参阅图2、图3、图5及图6所示，由于雷射光从关闭到激发再到稳定的输出的过程中需要一定的时间才能达到，为了维持雷射光的输出稳定度，在本发明中，光遮断器72设置于雷射光运行的路径上。如图5所示，光遮断器72处于关闭状态，雷射光就被光遮断器72阻挡而不能达到第二反射镜73；当光遮断器72处于如图6中所示的打开状态时，雷射光才能通过。光遮断器72作为雷射光通过或阻挡的一种开关，利用光遮断器72来控制是否输出至工作物表面，在制程过程中不需要开关雷射腔体7，仅需直接控制光遮断器72的开关就可控制雷射光的输出。

参阅图7所示，在本发明中，预切割系统78是一个切削模组，当然其也可以为另一雷射系统。切削模组包括马达781和致动器782。马达781和致动器782相互配合可使切削模组沿着X轴方向移动。马达785和致动器786相互配合可使切削模块沿着Y轴方向移动。马达787和致动器788相互配合可使切削模块沿着X轴方向移动。该切削模组还包括一个设置于致动器782上的音圈马达(voice-coil motor)783及安装于音圈马达783上的切削刀头784。该音圈马达783作为切削刀头784的动力传输工具，由于音圈马达没有任何机械背隙，可对输出之力量做非常精确与快速之控制，故其对基板的平面度有很好的适应能力，很好的控制切削刀头784预切深度的均匀性。

Claims (7)

1.一种雷射切割装置，用于切割脆性基板，其包括：预切割系统，雷射光系统及冷却系统，上述预切割系统用于在基板上形成预切割线；上述雷射光系统，用于产生雷射光，该雷射光沿着上述预切割线加热基板使其受热膨胀；上述冷却系统，用于对上述受热膨胀的基板进行冷却；其特征在于：上述雷射光系统包括产生上述雷射光的雷射腔体及光程距离调整系统，该光程距离调整系统设置于上述雷射光照射于基板的光程路径上，该光程距离调整系统包括四个两两相对且位置可动的反射镜，用于调整该光程路径的距离进而改变照射到基板上的雷射光光点的大小。

2.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述雷射光系统进一步包括聚焦镜组，其使上述雷射光聚焦后照射于上述基板上。

3.如权利要求2所述的雷射切割装置，其特征在于：上述雷射光系统还包括光遮断器，其设置于上述雷射腔体后用于作为上述雷射光断开或通过的开关装置。

4.如权利要求2所述的雷射切割装置，其特征在于：上述雷射光系统进一步包括准直器，其用于调整上述雷射光为平行光束后通过聚焦镜组。

5.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述预切割系统是可沿z轴方向移动的切削模块，其它两轴可视需求设计为可动或是不可动。

6.如权利要求5所述的雷射切割装置，其特征在于：上述切削模块包括音圈马达及安装于上述音圈马达上且用于在基板上切割形成上述预切割线的切削刀头。

7.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述基板通过多孔性材质真空吸盘吸附而使其装载于装载台上。

Images