CN101279403B

CN101279403B - 激光加工方法

Info

Publication number: CN101279403B
Application number: CN 200710073965
Authority: CN
Inventors: 傅承祖; 黄俊凯; 何仁钦; 罗志刚; 张坤旺
Original assignee: Foxsemicon Integrated Technology Shanghai Inc; Foxsemicon Integrated Technology Inc
Current assignee: Foxsemicon Integrated Technology Shanghai Inc; Foxsemicon Integrated Technology Inc
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: CN101279403A

Abstract

一种激光加工方法，其包括步骤：提供一个待加工的脆性材料，其包括一个待加工面，一个第一表面及一个第二表面，所述第一表面与第二表面相对设置且分别与所述待加工面相交；在待加工面上形成不连续的预切割线，所述预切割线沿从所述第一表面到所述第二表面的方向延伸；经由激光束加热待加工面，所述激光束的加热路径与所述不连续的预切割线在同一条直线上；沿激光束的加热路径向待加工面喷射冷却流体以使待加工的脆性材料沿所述不连续的预切割线完全开裂。所述激光加工方法经由跳跃式切割在待加工的脆性材料上形成不连续的预切割线，可选择性地避免产生侧向裂痕，进而可使得切割后的脆性材料的强度以及四点弯曲测试中破坏荷载值得到有效提升。

Description

激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工方法，尤其是一种用以切割脆性材料的激光加工方法。

背景技术

目前，在平面显示器(Flat Panel Display，FPD)制造领域，对待加工的脆性材料如，玻璃基板进行激光切割时，全程皆以刀具如，刀轮或钻石刀压入玻璃基板表面以在玻璃基板表面产生一定深度的预切刀痕，随即以激光加热玻璃基板表面，再以冷却流体冷却玻璃基板表面，因此在玻璃基板表面因急剧变化之温度差产生应力的变化，使先前产生的预切刀痕产生裂纹向下成长，进而贯穿整个玻璃基板断面使得玻璃基板完全分离。刀具在玻璃基板表面进行全程切割的同时通常会产生中央裂痕(Median Crack)、径向裂痕(Radial Crack)、及侧向裂痕(Lateral Crack)等三种裂纹。其中，中央裂痕是自预切刀痕底部向下延伸；径向裂痕是自预切刀痕周边向外延伸；而侧向裂痕是自预切刀痕的底部弹塑性变形区交界处向上及两侧延伸，若与径向裂痕连结将会造成一次微破裂(First Micro-chipping)而导致玻璃基板的表面损伤。激光加热玻璃基板表面时会再次对玻璃基板施加应力，使得刀具全程切割时所形成的横向裂纹与径向裂纹再次成长后相互连结，进而造成二次微破裂(Second Micro-chipping)。

根据破坏力学的Griffiths Law公式：

(其中，σ_f为材料的破坏强度；K_1c为材料的破坏韧性；Y为一常数，其与裂痕地几何形状相关，当裂痕为椭圆形状时，Y＝π；C为裂痕的尺寸大小)，可以得知，当脆性材料受到刀具的压入产生侧向裂痕，造成裂痕尺寸(也即C值)较大，导致切割后的脆性材料的强度急剧下降，严重影响切割后的脆性材料的强度品质以及造成四点弯曲测试中的破坏荷载(Failure Load)值较低。其中，四点弯曲测试是一种测试切割后的脆性材料的强度的常用方法，切割后的脆性材料的强度越佳则破坏荷载值就越高；反之，切割后的脆性材料的强度越差则破坏荷载值就越低。

在工业实践中，采用刀具全程式切割在脆性材料如玻璃基板的待加工面形成连续的预切割线，四点弯曲测试中测得的切割后的素玻璃基板的破坏荷载值通常较低，其平均值及最大值分别约为12.25及14.01千克；使得切割后的玻璃基板的强度品质不佳。随着玻璃基板的薄化技术的不断发展，目前利用蚀刻或机械研磨方式可将玻璃基板由原先的0.7毫米(mm)进一步薄化至0.4毫米，甚至是0.1毫米；刀具全程式切割时所造成的各种裂纹(如一次微破裂与二次微破裂)相对于玻璃基板的厚度的比例则会进一步升高，其将高度影响切割后的玻璃基板的强度品质。图1示出采用刀具全程式切割的切割后的玻璃基板100(材料为Corning Eagle 2000，厚度为0.5毫米，放大倍率为200X)在四点弯曲测试中跨距范围内的断面状态。从图1中可以看到，玻璃基板100断面的预切刀痕深度不均匀、表面不规则及布满微裂痕。

发明内容

有鉴于此，提供一种选择性地避免产生侧向裂痕，使切割后的脆性材料的强度以及四点弯曲测试中破坏荷载值有效提升的激光加工方法实为必要。

下面将以实施例说明一种激光加工方法，其可有效提升切割后的脆性材料的强度以及四点弯曲测试中破坏荷载值。

一种激光加工方法，其包括步骤：

提供一个待加工的脆性材料，所述脆性材料包括一个待加工面，一个第一表面及一个第二表面，所述第一表面与第二表面相对设置且分别与所述待加工面相交；

在所述待加工面上使用刀具或激光切割形成位于同一直线上的多条相互间隔的具有切割深度的预切割痕，所述多条相互间隔的预切割痕沿从所述第一表面到所述第二表面的方向延伸，所述多条相互间隔的预切割痕中相邻的两条预切割痕之间的距离大于等于四点弯曲测试中面板的跨距；

经由激光束加热待加工面，所述激光束的加热路径与所述多条相互间隔的预切割痕在同一条直线上；

沿激光束的加热路径向待加工面喷射冷却流体以使待加工的脆性材料沿所述多条相互间隔的预切割痕完全开裂。

相对于现有技术，所述激光加工方法经由实验证明可有效提升切割后的脆性材料的强度以及四点弯曲测试中的破坏荷载值。例如，当将所述激光加工方法应用于切割玻璃基板(如Corning Eagle 2000玻璃基板)，在玻璃基板的待加工面以跳跃式切割形成不连续的预切割线时，四点弯曲测试测得的切割后的素玻璃基板的破坏荷载值的平均值为22.74千克(Kg)，最大值可达36.34千克；相对于现有技术中的以刀具全程式切割的玻璃基板在四点弯曲测试中测得破坏荷载值而言，所述激光加工方法的采用可大大提升切割后的脆性材料的强度品质及四点弯曲测试中的破坏荷载值。

附图说明

图1是现有技术中采用刀具全程式切割的玻璃基板在四点弯曲测试中跨距范围内的断面SEM(Scanning Electron Microscope)照片。

图2是本发明第一实施例的激光加工方法加工玻璃基板的一个状态示意图。

图3是图2所示的其上形成有两条不连续的预切割线的玻璃基板的状态示意图。

图4是图3中示出玻璃基板的具有预切割痕位置的局部立体示意图。

图5是图4所示的切割后的玻璃基板在四点弯曲测试中面板跨距范围内的断面SEM照片。

图6是本发明第二实施例的激光加工方法加工玻璃基板的一个状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。

参见图2至5，本发明第一实施例提供的激光加工方法，其包括有以下步骤(1)～(2)：

(1)提供一待加工的脆性材料，如玻璃基板10(材料为Corning Eagle2000，厚度为0.5毫米，如图2所示)。所述玻璃基板10包括一个待加工面14，一个第一侧面12，及一个第二侧面16。所述第一侧面12与第二侧面16相对设置且分设于所述待加工面14的两侧并与待加工面14相交。所述玻璃基板10可装载在一个加工台50上并可随所述加工台50沿X、Y及Z轴方向运动。

(2)在所述待加工面14上形成不连续的预切割线142(如图1及图2所示)，所述预切割线142沿从所述第一侧面12到所述第二侧面16的方向(例如，本实施例中的X轴方向)延伸。

本实施例采用刀具20，如钻石刀或刀轮在所述待加工面14上形成不连续的预切割线142。具体的，在玻璃基板10沿图2所示A方向移动的过程中：

(a)刀具20在第一侧面12与待加工面14的交界处下刀以使刀具20与玻璃基板10充分接触，在玻璃基板10的待加工面14上形成预定长度的初始预切割痕(Initial Crack)1422；

(b)将刀具20沿远离待加工面14的方向移动使刀具20与待加工面14分离(也即，提刀)并保持预定长的时间；在该预定长的时间内，玻璃基板10沿A方向移动的距离通常应不小于四点弯曲测试中的面板(如液晶显示器面板，LCD Panel)跨距；

(c)刀具20下刀，在待加工面14上形成预定长度的间断预切割痕(Intermediate Crack)1424；

(d)根据玻璃基板10的尺寸大小，可选地，重复步骤(b)和(c)，在待加工面14上形成多个间断预切割痕1424，图2示出两个沿X轴方向的间断预切割痕1424；

(e)刀具20提刀并保持预定长的时间；在该预定长的时间内，玻璃基板10沿A方向移动的距离通常应不小于四点弯曲测试中的面板跨距；

(f)刀具20下刀，在待加工面14上形成预定长度的最后预切割痕(FinalCrack)1426；该最后预切割痕1426通常终止于所述第二侧面16与待加工面14的交界处；从而所述不连续的预切割线142被形成在玻璃基板10的待加工面14上。

本领域技术人员可以理解的是，经由多次重复上述步骤(a)～(f)，可在玻璃基板10的待加工面14形成多个不连续的预切割线142。如图3所示，玻璃基板10上形成有两个沿X轴方向的不连续的预切割线142。图4示出不连续的预切割线142上的相邻的预切割痕之间(包括初始预切割痕1422与间断预切割痕1424、间断预切割痕1424与间断预切割痕1424之间、间断预切割痕1424与最后预切割痕1426之间)的距离d，该距离d通常不小于四点弯曲测试中面板跨距。

另外，在脆性材料的激光切割过程中，通常需对形成有预切割线的待加工的脆性材料进行后续的激光加热、快速冷却等步骤，以使脆性材料沿预切割线完全裂开。本实施例中，为使玻璃基板10沿预切割线142完全裂开，通常在形成预切割线142的过程中还将依次执行以下步骤(3)～(4)：

(3)经由第一激光器30，如二氧化碳激光器产生激光束32，该激光束32在反射镜34的偏转作用被导引至集光透镜组36，进而由该集光透镜组36将激光束32以非聚焦的方式照射在玻璃基板10的待加工面14上，使玻璃基板10受热膨胀而在玻璃基板10的内部产生张应力。所述激光束32是沿着所述预切割线142对玻璃基板10的待加工面14进行加热，图2中的两相邻预切割痕之间的细线则表示此位置已被激光束32加热过。所述激光器30的选择与待加工的脆性材料的材质相关，通常第一激光器30产生的激光束的波长需与待加工的脆性材料的吸收波长相适配。需要指明的是，第一实施例中反射镜34的设置是为了使得整个激光切割系统更加紧凑。

(4)经由冷却装置40产生冷却流体沿预切割线142的延伸方向急速以雾状喷射在被激光束32加热的玻璃基板10的待加工面14上，该冷却流体使待加工面142的温度急速下降，玻璃基板10的内部因温度下降产生收缩而产生压应力。玻璃基板10因在短时间内局部产生急剧应力变化，而使得玻璃基板10沿着预切割线142完全裂开，进而达成切割玻璃基板10之目的。通常，冷却流体喷射在待加工面14上的路径、激光束32照射在待加工面14上的路径与预切割线142在同一直线上。

图5示出已切割的玻璃基板10在四点弯曲测试中跨距范围内的断面状态；从图5中可以得知，采用在待加工面14上形成不连续的预切割线142的方法，可使切割完毕的玻璃基板10的断面的品质良好且无中央裂痕、横向裂痕及径向裂痕等微裂痕，进而可达成较佳的切割品质。

参见图6，本发明第二实施例提供的一种激光加工方法，其与第一实施例的激光加工方法基本相同，也包括步骤：(a)提供一待加工的脆性材料，如玻璃基板10；和(b)在所述玻璃基板的待加工面14上形成不连续的预切割线242。其不同于第一实施例提供的激光加工方法之处在于：第二实施例是采用激光束62来形成不连续的预切割线242。

具体的，第二激光器60，如紫外线激光器被提供用以产生激光束62照射在待加工的脆性材料，如玻璃基板10(材料为Corning Eagle 2000，厚度为0.5毫米，如图6所示)的待加工面14上以形成不连续的预切割线242。所述第二激光器60产生的激光束62在反射镜64的偏转作用下穿过阻断光闸(Blocking Shutter)68被导引至集光透镜组66，再经由集光透镜组66将激光束62照射在玻璃基板10的待加工面14上。所述阻断光闸68充当光开关，用以阻断或允许激光束62照射至玻璃基板10的待加工面14上。下面将具体描述一种形成不连续的预切割线242的基本过程。

在玻璃基板10沿图6所示A方向移动的过程中：

(I)打开阻断光闸68，允许激光束62投射在第一侧面12与待加工面14的交界处，并在玻璃基板10的待加工面14上形成预定长度的初始预切割痕2422；

(II)关闭阻断光闸68并保持预定长的时间；在该预定长的时间内，玻璃基板10沿A方向移动的距离通常应不小于四点弯曲测试中的面板跨距；

(III)打开阻断光闸68，在待加工面14上形成预定长度的间断预切割痕2424；

(IV)根据玻璃基板10的尺寸大小，可选地，重复步骤(II)和(III)，在待加工面14上形成多个间断预切割痕2424；

(V)关闭阻断光闸68并保持预定长的时间；在该预定长的时间内，玻璃基板10沿A方向移动的距离通常应不小于四点弯曲测试中的面板跨距；

(VI)打开阻断光闸68，在待加工面14上形成预定长度的最后预切割痕2426；该最后预切割痕2426通常终止于所述第二侧面16与待加工面14的交界处；从而所述不连续的预切割线242被形成在玻璃基板10的待加工面14上。

本领域技术人员可以理解的是，经由多次重复上述步骤(I)～(VI)，可在玻璃基板10的待加工面14形成多个不连续的预切割线242。另外，需要指明的是，本发明第二实施例中并不限于设置阻断光闸68，只要能获得形成间断性的激光束62照射在待加工面14上之效果均可。

本发明第二实施例中，为使玻璃基板10沿预切割线242完全裂开，同样可在形成预切割线242的过程中依次执行第一实施例中所述的步骤(3)～(4)。

另外，本领域技术人员可以理解的是，本发明第一及第二实施例中的待加工的材料的材质并不限于玻璃，还可以为其它脆性材料，如陶瓷、晶片(Wafer)等。本发明第一及第二实施例中的第一激光器30并不限于二氧化碳激光器，其还可以根据待加工的材料的材质适当的选择其它气体激光器。本发明第二实施例中的第二激光器60并不限于紫外线激光器，其还可以为其它固态激光器，只要其能获得在待加工的材料的待加工面形成不连续的预切割线之效果均可。

另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如变更形成有不连续的预切割线的待加工的脆性材料的后续处理步骤等以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种激光加工方法，其包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述在待加工面上形成多条相互间隔的预切割痕的步骤包括以下分步骤：

在所述待加工面上形成一条预定长度的初始预切割痕，所述初始预切割痕起始于第一表面与待加工面的交界处；

在所述待加工面上形成至少一条预定长度的间断预切割痕，所述至少一条间断预切割痕与所述初始预切割痕共线；

在所述待加工面上形成一条预定长度的最后预切割痕，所述最后预切割痕终止于第二表面与待加工面的交界处，所述最后预切割痕与所述初始预切割痕共线。

3.如权利要求2所述的激光加工方法，其特征在于，所述多条相互间隔的预切割痕是经由刀具形成的，其包括步骤(1)～(3)：

(1)在待加工面相对刀具的移动过程中，在第一表面与待加工面的交界处下刀以使刀具与待加工面接触，在待加工面上形成预定长度的初始预切割痕；

(2)提刀以使刀具与待加工面分离，当待加工面相对刀具移动预定长的距离后，下刀以使刀具与待加工面接触，在待加工面上形成预定长度的间断预切割痕；

(3)提刀以使刀具与待加工面分离，当待加工面相对刀具移动预定长的距离后，下刀以使刀具与待加工面接触，在待加工面上形成预定长度的终止于第二表面与待加工面交界处的最后预切割痕。

4.如权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，所述刀具为刀轮或钻石刀。

5.如权利要求2所述的激光加工方法，其特征在于，所述多条相互间隔的预切割痕是经由第二激光束照射待加工面形成的，其包括步骤(I)～(III)：

(I)在待加工面移动过程中，允许第二激光束照射待加工面上并保持预定长的时间，在待加工面上形成预定长度的起始于第一表面和待加工面交界处的初始预切割痕；

(II)阻断第二激光束照射在待加工面上并保持预定长的时间，当待加工面移动预定长的距离后，允许第二激光束照射在待加工面上，在待加工面上形成预定长度的间断预切割痕；

(III)阻断第二激光束照射在待加工面上并保持预定长的时间，当待加工面移动预定长的距离后，允许第二激光束照射在待加工面上，在待加工面上形成预定长度的终止于第二表面与待加工面交界处的最后预切割痕。

6.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，所述第二激光束被阻断或被允许照射在待加工面上是经由一个光开关来控制的。

7.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，所述第二激光束是由固态激光器产生的。

8.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光束的波长与所述待加工的脆性材料的吸收波长相适配。