CN101444875A - 一种脆性材料基板的切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脆性材料基板的切割方法，所述切割方法是首先在脆性材料基板的边缘沿预定的切割方向用功率在30～50W的激光束A照射加热制造出一条长度小于等于20mm且宽度小于0.01mm的穿透型初始缝隙，然后从穿透型初始缝隙尖端沿预定的切割方向通过功率在5～15W的激光束B照射加热和随即的冷却流体强制冷却使脆性材料基板沿预定的切割方向开裂。本发明所述的脆性材料基板的切割方法，通过得到穿透型初始缝隙，使得后续切割使用的激光器功率大大降低，同时又能保证切割质量和切割速度，其中液晶玻璃基板切割侧面的表面粗糙度为50μm或更低。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种通过激光照射和强制冷却切割脆性材料基板的方法，尤其适用于液晶玻璃的切割。
(二)背景技术
液晶玻璃切割主要有两种方法：一种是机械切割，通常采用金刚石砂轮片或硬质合金轮划线切割的机械切割方式。传统的机械切割法的最大的缺点是需要对加工后的边缘进行打磨、清洗等后处理工序；另外，由于机械切割力的作用，在被切割玻璃边缘处将产生微裂纹；第二种方法是熔断法，即用激光产生局部高温，使材料融化(汽化)而分离。采用这种方法，由于极高温度梯度引起的高热应力和残余热应力会导致微裂纹的产生，断面有残留熔融物质，切割后仍然需要清洗、打磨等后续工序。
传统切割法的最大缺点是后续处理工序可能造成液晶玻璃品质下降，特别是在清洗过程中杂质将渗入到液晶玻璃中，同时，液晶玻璃中也有部分成分析出，这些都影响到液晶玻璃的品质。
与前述两种方法不同的是，在专利CN1454858A、CN101121220A等中对脆性材料基底提出了使用激光切割法。该方法利用激光器等的照射加热和水或压缩空气导致的强制冷却的综合作用。根据这种方法，在受到综合作用的玻璃中产生热应力，并且热应力被用作切割要分离的玻璃的触发因素。
专利CN1454858A、CN101121220A等中所提出的激光切割法主要问题有两个：第一，初始微裂纹方向不确定；第二，由于没有初始裂纹，在切割玻璃过程中，特别是初期，要求有比较高的切割力，即要求有功率较大的激光器和较强的冷却系统以形成大的热应力。
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种脆性材料基板的切割方法，在保证切割质量和切割速度的前提下，减小加热用激光器功率，较好地避免其他激光切割法的缺点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种脆性材料基板的切割方法，首先在脆性材料基板的边缘沿预定的切割方向用功率在30～50W的激光束A照射加热制造出一条长度小于等于20mm且宽度小于等于0.1mm的穿透型初始缝隙，然后从穿透型初始缝隙尖端沿预定的切割方向通过功率在5～15W的激光束B照射加热和随即的冷却流体强制冷却使脆性材料基板沿预定的切割方向开裂。
本发明所述的脆性材料可以是液晶玻璃、陶瓷材料、石英材料、单晶硅或电子芯片基板，尤其是液晶玻璃。
本发明所述脆性材料基板，其厚度一般在0.25～2mm，特别优选0.5～0.7mm。脆性材料基板的幅面尺寸优选小于等于2850×3050mm。
进一步，所述激光束B沿预定的切割方向的移动速度优选在100～300mm/s，基板越厚，热分布就越不均匀，为使温度场均匀，所以移动速度就要慢一些。
进一步，本发明采用的激光束的波长在8-12um，本领域技术人员可以具体根据基板材料的要求对波长进行选择。其中用于制造穿透型初始缝隙的激光束的功率在30～50W，其在脆性材料基板上形成圆形光斑，圆形光斑的直径一般在0.01～0.1mm；制造出穿透型初始缝隙后，调整激光束功率到5～15W，并且调整激光束落在基板上的光斑形状，使其为椭圆形，光斑短轴为0.1-4mm，长短轴比大于等于5，从穿透型初始缝隙尖端沿预定的切割方向移动，对脆性材料基板进行照射加热，然后立即向加热部位喷射冷却流体，使脆性材料基板开裂。
本发明使用的冷却流体可以是气体或液体；所述的气体可选择压缩空气、氮气、氦气、二氧化碳或其混合物；所述的液体可选择水、液氮、酒精、液态氦、冷却油或其混合物。冷却流体的温度一般控制在-10～10℃，其距离基板的距离一般小于20mm。
本发明中激光器和冷却系统一起移动，在切割过程中，所述冷却系统喷射出的冷却流体到达脆性材料基板表面的位置与激光束B在脆性材料基板表面形成的光斑中心位置都处在预定的切割线上，两者的距离优选为5～20mm。一般而言，当冷却流体为液体时，冷却系统应布置在激光加热面的对面；当冷却流体为气体时，冷却系统则布置在激光加热面的同面。
本发明所述的脆性材料基板的切割方法，与现有技术相比，其有益效果体现在：通过得到穿透型初始缝隙，使得后续切割使用的激光器功率大大降低，同时又能保证切割质量和切割速度，其中液晶玻璃基板切割侧面的表面粗糙度为50μm或更低。
(四)附图说明
图1是将要切割的脆性材料基板的示意透视图。在图1中，1A所示面为激光照射加热面，这里称为主表面；1B为1A的对面，这里称为副表面。
图2是切割准备阶段示意图，在图2中，2A所指为采用激光照射融化(汽化)制造出的穿透型初始缝隙；2B所指为脆性材料基板切割方向。
图3是实施例一的切割示意图。3A为脆性材料基板切割后所形成的穿透缝隙；3B为强制冷却管；3C为激光器；3D为脆性材料基板切割方向。
图4是实施例二的切割示意图。4A为基板切割后所形成的穿透缝隙；4B为强制冷却管；α为强制冷却管与副表面间的夹角；4C为激光器；4D为基板切割方向。
(五)具体实施方式
下面参照附图进一步描述本发明的实施过程，但本发明的保护范围不限于此。
实例一采用液氮为冷却介质的液晶玻璃切割
第一步，提供一块厚度为0.7mm，尺寸为2850×3050mm的液晶玻璃基板。
第二步，如图1所示。选择液晶玻璃基板的一个表面1A为激光照射加热面，该平面称为主表面。
第三步，如图2所示。在主表面边缘沿切割方向用激光照射加热法制造出一条长度为10mm且宽度为0.1mm的缝隙，此缝隙为穿透型初始缝隙。
这里采用波长为10.6μm的二氧化碳激光器，激光头与玻璃基板间的距离为30cm，照射在液晶玻璃上形成直径为0.1mm的圆形光斑，切割出长度为1cm、宽度为0.1mm的穿透型初始缝隙。
第四步，调整激光器。将激光器功率调整为5W，照射在液晶玻璃上的光斑调整为长轴为1mm、短轴为0.2mm的椭圆形光斑，将椭圆光斑的中心置于初始缝隙的尖端。
第五步，如图3所示，气体冷却系统与激光加热系统都处于主表面侧。这里采用液氮为冷却剂，液氮出口为直径为10mm的圆孔，液氮的流量为100mm3/s，液氮出口与液晶玻璃基板间的距离为10mm，与激光器间距离为30mm，且都处于切割线上。
第六步，如图3所示，沿切割方向以250mm/s同时移动激光器和冷却源，液晶玻璃以250mm/s的速度沿加工方向开裂，从而实现切割。
第七步，采用表面粗糙度测量仪测得切割面粗糙度Ra＝50μm。
实例二采用喷射水流为冷却流体的超白玻璃切割
第一步，提供一块厚度为1.8mm，尺寸为200×400mm的超白玻璃基板。
第二步，如图1所示。选择液晶玻璃基板的一个表面为激光照射加热面，该平面称为主表面，这里即1A所指向的平面；1A对面为1B，这里称为副表面。
第三步，如图2所示。在主表面边缘沿切割方向用激光照射加热法制造出一条长度为10mm且宽度为0.1mm的缝隙，此缝隙为穿透型初始缝隙。
这里采用波长为10.6μm的二氧化碳激光器，激光头与玻璃基板间的距离为30cm，照射在液晶玻璃上形成直径为0.1mm的圆形光斑，切割出长度为1cm、宽度为0.1mm的穿透型初始缝隙。
第四步，调整激光器。将激光器功率调整为15W，照射在超白玻璃上的光斑调整为长轴为4mm、短轴为0.6mm的椭圆形光斑，将椭圆光斑的中心置于穿透型初始缝隙的尖端。
第五步，如图4所示，为防止喷射水流影响激光器工作，将喷射水流置于副表面。这里采用为4℃的喷射水流为冷却剂，喷射水流的流量为150mm3/s，喷射速度为10m/s，喷射管出口距副表面最短距离5mm，与激光器间距离为30mm，与主平面间夹角α为10°，且都处于切割线上。
第六步，如图4所示，沿切割方向以150mm/s同时移动激光器和冷却源，玻璃基板以150mm/s的速度沿加工方向开裂，从而实现切割。
第七步，采用表面粗糙度测量仪测得切割面粗糙度Ra＝30μm。
Claims (10)
1、一种脆性材料基板的切割方法，其特征在于：所述脆性材料基板的厚度在0.25～2mm，首先在脆性材料基板的边缘沿预定的切割方向用功率在30～50W的激光束A照射加热制造出一条长度小于等于20mm且宽度小于0.01mm的穿透型初始缝隙，然后从穿透型初始缝隙尖端沿预定的切割方向通过功率在5～15W的激光束B照射加热和随即的冷却流体强制冷却使脆性材料基板沿预定的切割方向开裂。
2、如权利要求1所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述的脆性材料为液晶玻璃、陶瓷材料、石英材料、单晶硅或电子芯片基板。
3、如权利要求1所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述的脆性材料为液晶玻璃。
4、如权利要求1～3之一所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述脆性材料基板的厚度在0.5～0.7mm。
5、如权利要求1～3之一所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述激光束B沿预定的切割方向的移动速度为100～300mm/s。
6、如权利要求1～3之一所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述激光束的波长在8-12um。
7、如权利要求6所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述的激光束A在脆性材料基板表面形成圆形光斑，圆形光斑直径在0.1～0.5mm。
8、如权利要求6所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述的激光束B在脆性材料基板表面形成椭圆形光斑，椭圆形光斑的短轴为0.1-4mm，长短轴比大于等于5。
9、如权利要求1～3之一所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于在切割过程中，所述冷却流体到达脆性材料基板表面的位置与激光束B在脆性材料基板表面形成的光斑中心位置都处在预定的切割线上，两者的距离为5～20mm。
10、如权利要求1～3之一所述的脆性材料基板的切割方法，其特征在于所述冷却流体为气体或液体，所述的气体为压缩空气、氮气、氦气、二氧化碳或其混合物；所述的液体为水、酒精、液态氮、液态氦、冷却油或其混合物。
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