CN101712529A - 玻璃板的激光分割 - Google Patents

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Abstract

提出一种利用激光分割玻璃板的方法，该方法使用拉长的、优选是不对称截短的激光束。该方法能够以最高约200毫米/秒的速度、以低水平残余应力(如小于或等于100psi，优选小于50psi的残余应力)对适合用于现代显示领域的玻璃板进行分割。能以更快的速度对高热膨胀系数(如，大于约35x10-7/℃)的玻璃进行分割。这样低水平的残余应力在制造显示板(如LCD板)期间转化为低水平变形以及改善的分割边缘性能(几何结构，强度，无缺陷等)。该方法可以用于各种类型的玻璃，包括高热膨胀系数的玻璃和不同厚度的玻璃板。

Description

玻璃板的激光分割
相关申请的交叉参考
本申请要求2008年9月28日提交的标题为“玻璃板的激光分割”的美国专利申请第12/240,356号的权益。
技术领域
本发明涉及玻璃板的激光分割，例如在制造显示器件例如薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)中用作基板的玻璃板，更具体地，涉及在单一步骤中总体分割玻璃板(即，不需要进行预分割刻划)。
背景技术
玻璃的切割通常采用机械工具进行。通常，首先对玻璃进行刻划，例如使用刻划工具(如，锋利的碳化物轮)，在玻璃中产生刻痕或中等(median)裂缝，  同时也在玻璃的切割边缘存在明显损伤。但是，现有的备选方法是使用波长为10.6微米的CO2激光辐照来加热玻璃，通过温度梯度产生拉伸应力来形成刻痕，这种方法的损伤较小。在激光刻划期间，在玻璃靠近其中一条边缘的表面上形成初始小裂痕，然后形成中等裂缝(也称作局部裂口，或简称为裂口)。然后，所述裂口通过横移玻璃表面的成束激光、然后通过冷却喷嘴产生的冷却区而扩展。通过用激光束加热玻璃、然后立刻用冷却剂使玻璃骤冷的方式，产生热梯度和相应的应力场，应力场是造成裂口扩展的原因。当形成刻痕后，在玻璃上施加弯曲应力或剪切应力，使裂口在玻璃板的厚度上完全扩展。但是，在另一种情况中，分割玻璃板的方法是两步骤法，包括产生刻痕，然后在玻璃上施加应力(如，弯曲应力)，使裂口扩展并且分割玻璃板，这种方法有时称作“刻划和突然折断”。在某些方法中，可使用第二激光束在玻璃上施加热应力，来完成分割过程。
使用激光分割玻璃板的常规技术中存在的问题涉及玻璃在最初刻划时的热膨胀系数(CTE)。常规激光刻划技术已经用于相对高CTE的玻璃，如康宁公司(Corning Incorporated)的Code 1737 LCD玻璃，其CTE(0-300℃)大于37×10-7/℃。近期的玻璃，如康宁的
Figure G2009102049952D0000011
和EAGLE XGTM玻璃，具有较低CTE。较高CTE的玻璃例如Code 1737玻璃在加热期间转换成较高拉伸应力，在其他各事项都相等的情况下，这意味着更容易以较高速度对这类玻璃进行激光刻划。由LCD工业采用的更现代的较低CTE的玻璃基板，在采用常规激光刻划技术时产生低得多的刻划速度，进一步延长了这种两步骤法。最后，两步骤法要实现良好的边缘质量可能会遇到一些困难。
提供分割玻璃板的单步骤法，以较快的周期时间、最小的残余应力得到清洁边缘(对玻璃损伤最小)将是有益的。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，揭示一种分割玻璃板的方法，该方法包括：a)以速度S在玻璃板表面上平移具有峰值强度I峰的拉长的单激光束，所述光束的特征是未截短长度L0，其中L0等于沿光束长度在没有任何截短条件下玻璃板表面上的光束强度下降至I峰的1/e2的位点之间的最大距离；(b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷却剂区，因而将玻璃板分割成子片；其中：(i)S小于约200毫米/秒；(ii)L0大于或等于100毫米；和(iii)选择I峰和L0，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面产生最高温度，该温度至少比玻璃的应变点低约150℃；其中玻璃板在激光束单次横移后被分割。
在上述对本发明各方面的概要描述中使用的标号和符号仅为方便于读者，不应理解为对本发明范围的限制。一般而言，应理解前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提供理解本发明的性质和特性的总体评述或框架。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，对于本领域的技术人员而言，由所述内容或通过按照本文所述实施本发明而了解，其中的部分特性和优点将是显而易见的。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。应理解，在本说明书和附图中揭示的本发明的各种特征可以以任意和所有的组合使用。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式，激光分割玻璃板的系统的透视图。
图2是裂口深度随不同的激光横移速度变化的图，显示在指定的一组条件下，裂口深度在小于一特定阈值速度时的显著增加。
图3显示按照本发明的实施方式，应力相对于分开的玻璃板分割边缘的距离绘制的图。
具体实施方式
激光刻划和分割通常采用在10.6微米波长下操作的二氧化碳激光进行。在此波长，氧化物玻璃的吸收超过105-106m-1，这使得CO2辐射的有效穿透深度小于1-10微米。因此，在使用CO2激光的单步骤激光分割过程中形成完全裂口(延伸通过玻璃板的整个厚度的裂缝)主要依赖于对玻璃表面下热量的导热性，这是一个相对较慢的过程。因此，玻璃的高表面吸收和导热性是决定过程窗口(process window)和限制分割速度的两个基本因素。
为达到要求的拉伸应力以形成裂口，激光束的能量密度应高到足以在玻璃表面提供所需的温差。但是，如果能量密度太高，则曝光期间递送至玻璃表面沿分割线的各点上的能量可能引起玻璃烧蚀或蒸发。这样高的能量密度还可能在分开的子片边缘以及与边缘相邻的玻璃区域内产生高水平的残余应力。另一方面，如果曝光时间短(在分割速度高时)，递送至玻璃的能量可能不足以加热表面下的玻璃和产生延伸通过玻璃板整个厚度的裂口(完全分离)。
根据本发明的实施方式，采用以较高速度、低残余应力、包括以低热膨胀系数的玻璃构成的玻璃板从而完全分割玻璃板(完全分离)的方案解决了上述挑战。该解决方案包括使用未截短长度L0大于或等于200毫米的拉长的单光束。在实施本发明中使用的光束因为其长度较长，所以其长轴与短轴的比值一般较大，如大于130，优选大于200，最优选大于300。
这种类型的光束导致在分割玻璃期间在玻璃表面上的停留时间延长，对显示器型的0.7毫米厚度的玻璃板，能够形成以最高约200毫米/秒的刻划速度完全延伸通过玻璃板厚度的裂口。此外，可以选择激光束的构形和能量分布模型，以保持能量密度在相对较低水平，能够进行一致的分割过程，而不会在玻璃表面产生高于进行分割的玻璃的应变点的过热。具体地，对显示器型玻璃(例如，热膨胀系数约为30×10-7/℃-35×10-7/℃的玻璃)，玻璃的温度不能达到该玻璃应变点以下超过约150-200℃的温度。这是该方法的一个明确的优点，原因是可以采用相对较高的分割速度而不会产生高水平的残余应力，并且不再需要第二处理步骤，而仅在玻璃上产生刻痕时会需要第二步骤。此外，发现在分割期间产生的拉伸应力可以通过调节冷却区的相对位置以及光束的拖尾边缘而达到最大。这能够使沿玻璃表面的温差增大同时保持玻璃表面的最高温度能够充分低于玻璃的应变点。应当注意，厚度小于0.7毫米的玻璃板可以更快地分割，如以大于约200毫米/秒、甚至大于约500毫米/秒的速度分割。
根据一些实施方式，完全激光分割采用不对称激光束进行，例如，只在一端截短的光束。较好地，光束的尺寸(长度)和能量密度可以改变以适应不同的玻璃类型和/或处理条件(如，激光束的横移速度)，但是需要时在实施本发明中可以使用固定尺寸和能量密度的光束，例如可与用于单一类型和厚度的玻璃的专业玻璃板分割装置结合。为了能以指定速度产生激光裂口并扩展，玻璃表面上各点应经历由以下参数决定的同样的热历程：激光能量以及激光束中的能量密度分布；加热速度；加热期间达到的玻璃表面最高温度；以及骤冷效率和骤冷区位置。概括地，本发明的分割方法平衡了系统的过程参数，使一个参数的变化可以通过改变一个或多个其他参数来补偿，以保持玻璃表面上沿分割线的各点具有基本上相同的所需热历程。
对任何指定类型的玻璃和分割速度，通过满足以下条件本发明达到了相对高速度、低残余应力的完全分割：
(1)在分割线的每一点上加热和随后冷却产生的瞬时热应力超过了玻璃的断裂应力，使得当存在的裂痕一旦开始裂口，裂口就能够沿分割线稳定扩展；
(2)玻璃表面上沿分割线的各点在激光辐射下曝光足以产生延伸通过玻璃板的整个厚度的裂口。但是，选择曝光持续的时间以及激光束的能量密度，使得不会引起玻璃表面过热，因此进行该过程而不会引发显著量的残余应力。已经显示该方法能够良好运行，其中，在加热期间玻璃上的任何一点的温度都不超过约510℃，并优选在约460-510℃之间(特别是在
Figure G2009102049952D0000041
和EAGLE XGTM玻璃的分割过程中)；和
(3)对激光束拖尾边缘处的骤冷区位置进行选择，使得对于指定的玻璃表面最高温度，热应力梯度最大。
通过图1可以最好地理解这些原理的应用。如图1所示，激光分割方法包括用激光器16发出的激光束14加热玻璃板12的表面10，然后由喷嘴22发射冷却剂20产生骤冷区或冷却区18。光束14在表面10上的迹线(footprint)23的尺寸受到限制。在激光分割期间，中等裂缝(或裂口)26沿分割线28形成，扩展通过玻璃板的整个厚度。如上面讨论的，要产生裂口，首先要在玻璃表面形成小的初始裂痕，然后该裂痕通过激光束和骤冷区转变为裂口并扩展，延伸通过玻璃板的整个厚度。冷却区设置在光束边界外部一定距离处。
玻璃板分割可按照分割过程中在玻璃中产生的拉伸应力σ进行描述。拉伸应力与α*E*ΔT成比例，其中，α是玻璃的线性热膨胀系数(CTE)，E是玻璃的弹性模量，ΔT是玻璃表面上在位于激光束下的表面部分与位于冷却喷嘴下的部分之间的温差的测量值。
为产生裂口，产生的拉伸应力必须大于玻璃的分子键。玻璃的CTE和弹性模量越低，产生的拉伸应力也越低，因此，对于指定的一组条件，激光和冷却区的横移速度越低。对指定α*E乘积，通过加热玻璃至较高温度可以提高拉伸应力σ。但是，玻璃过热至接近其应变点或者高于其应变点会引起玻璃烧蚀并伴随在玻璃中形成不可逆的高残余应力，使子片的边缘质量变差，降低其强度，并使该分割过程不能一致运行。
为解决这些问题，进行了许多研究工作，其中，对额定厚度为0.7毫米的玻璃板测量了随激光横移速度变化的裂口深度。这些数据示于图2，证明通过将横移速度减慢至远低于常规激光刻划方法中通常采用的水平可以获得玻璃板的完全分割。在常规方法中假定裂口深度是横移速度S的线性变量。但是，本发明人发现，裂口深度是横移速度的非线性变量，即，裂口深度一般与激光束横移速度成反比，并且也取决于激光束的停留时间。即，由图2清楚可知，所有其他事项保持恒定时，横移速度减小(光束的停留时间增加)可以获得在低于某一较低阈值的裂口深度的显著提高。如图2所示，区域30和32表示进行玻璃板激光刻划的现有技术的系统，区域30表示早期方法，具有的裂口深度在约100微米左右，区域32表示较深的裂口，深度在约
Figure G2009102049952D0000051
微米左右。对显示器型玻璃，该阈值约为200毫米/秒，如区域34所示，采用本发明的方法可以形成700微米的裂口深度，而用于显示应用的典型玻璃板的整个厚度为0.7毫米。同时，横移速度降低使得能够降低激光能量，进一步保护玻璃免于受到激光的损伤(如，燃烧)。因此，采用本发明方法可以降低玻璃表面的能量密度，例如，降低至约0.7-1.5瓦/毫米2，而常规激光刻划方法中通常为2-7瓦/毫米2。还发现，在分割范围(即区域34)，该分割方法明显对过程变化更敏感，例如，玻璃板形成条件导致的玻璃板内的局部应力的较小变化。即，在分割过程中的操作、支撑、在玻璃中引发的张力和振动。人们相信这种敏感性是造成图2的区域34中数据展开的原因。
一般而言，横移速度提高，导致裂口深度减小并使玻璃板不能可靠地分成两个子片。现有激光刻划和折断技术的主要缺陷一直是由较短的激光束(即，在玻璃表面上的迹线较小的激光束)提供的受限制的曝光时间(或停留时间)。当刻划速度接近或超过500毫米/秒时，曝光时间越来越短(如，对光束长度小于50-60毫米的光束，曝光时间约为100-120毫秒)。如上面讨论的，根据本发明的实施方式，使用未截短长度L0大于或等于200毫米的拉长光束，在单步骤中进行分割。这能够使热量以本文所述的横移速度在深度方向传递进玻璃中而不会使玻璃表面过热。然后可以使这种光束形成的裂口深度延伸完全通过玻璃的厚度。虽然对实施本发明中使用的激光束的长度没有理论限制，但是根据成本和其他实际考虑因素，L0通常约为200毫米，尽管需要时可以使用较长的光束。如果不需要高分割速度，则可以使用约100毫米的光束长度。
激光束通常由CO2激光器产生，但是在需要时可以使用其他类型的激光器。为达到大于或等于200毫米的L0值，通常使光束通过扩束器，然后使用柱面光学部件拉长。为本发明的目的，对未截短光束的L0值可采用ISO11146标准的光束长度的1/e2定义来确定。即，激光束的边界定义为光束强度下降至其峰值I峰的1/e2处的位置。根据该定义，约86％的总光束能量被传输通过该限定的边界。
在一个实验中，根据本发明的方法，对额定厚度为0.7毫米的康宁EagleXGTM玻璃板进行分割，测量在分离的玻璃板边缘处随距边缘的距离变化的应力。使用在玻璃板上的未截短拉长迹线约为200毫米的CO2激光器，玻璃板表面的能量密度约为1.0瓦/毫米2，以150毫米/秒的速度分割玻璃板。数据如图3中所示，表明在激光分割之后，在玻璃边缘附近留下的残余应力都不超过玻璃中的背景应力，该背景应力小于约15psi。
按照本发明的实施方式进行玻璃板分割，显示形成的边缘表面优于刻划和折断边缘，事实上不存在锯齿形，并且边缘表面垂直于玻璃板的主表面(如主表面10)，在垂线的0.3度之内。
如上面讨论的，按照本发明，刻划期间玻璃表面的最高温度T最高保持充分低于该玻璃的应变点T应变，即玻璃的粘度为1013.5Pa·s(1014.5泊)时的温度。较好地，T最高≤T应变-150，更优选，T最高≤T应变-200，在一些情况中，T最高≤T应变-250，其中，T最高和T应变以℃表示。可以采用各种方法测量玻璃的温度，优选的方法是通过使用热成像(热视觉)照相机。
通过控制T最高使该温度显著低于应变点，可减小分割后的玻璃中的残余应力量。较好地，在玻璃板制成的子片中，峰值残余应力小于或等于100psi，最优选小于或等于50psi。分开的玻璃板中的峰值残余应力宜采用双折射技术进行测定。
由前面所述显示，采用未截短的光束实施本发明，而不是使用在一端截短的光束，即其拖尾端最靠近(邻近)冷却剂区。可以使用为此目的专门构建的护罩进行截短。或者，用于向玻璃板施加冷却剂的喷嘴组件的一部分的设置位置能截取并因此截短光束的拖尾部分。
应注意到，根据本发明光束阻断的程度优选不超过光束总长度的约20％。依据要求的横移速度，还对光束阻断的程度进行优选。此外，当使用冷却喷嘴组件进行光束阻断时，对要求的冷却剂区在光束内的位置进行选择，导致不同程度的光束截短，同时使光束的后缘至冷却区的前缘的距离保持恒定。
在一些实施方式中，在激光束横移期间，通过在玻璃板上被激光束撞击的表面诱发小的张力，例如通过弯曲玻璃板，来改进玻璃板的分割。
虽然描述并说明了本发明的具体实施方式，但是应理解，在不偏离本发明的精神和范围下可以进行修改。例如，虽然按照使用在10.6微米下操作的CO2激光器对0.7毫米厚度的LCD玻璃进行分割讨论和说明了本发明，但是本发明可以应用于其他类型的玻璃，并且在需要时可以采用在不同波长操作的其他类型的激光器。
由本文揭示的内容，在不偏离本发明的精神和范围下所做的各种其他修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。下面的权利要求书的目的是覆盖本文中提出的具体实施方式以及这类修改、变化和等同项。
因此，本发明的非约束性实施方式包括：
C1.一种分割玻璃板的方法，该方法包括：
(a)以速度S在玻璃板表面上平移具有峰值强度I峰的拉长的单激光束，所述光束的特征是未截短长度L0，其中L0等于沿光束长度在没有任何截短条件下玻璃板表面上的光束强度下降至I峰的1/e2的位点之间的最大距离；和
(b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷却剂区，因而将玻璃板分割成子片；
其中：
(i))S小于约200毫米/秒；
(ii)L0大于或等于100毫米；和
(iii)选择I峰和L0，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面产生最高温度，该温度至少比玻璃的应变点低约150℃；和
其中玻璃板在激光束单次横移后被分割。
C2.按照C1所述的方法，其中，在激光束与玻璃板表面接触之前，光束的一部分被截短，所述部分靠近冷却剂区。
C3.如C2所述的方法，其中，光束被截短部分的长度小于或等于0.2*L0。
C4.如C1-C3中任一项所述的方法，其中，由该玻璃板制备的子片中的峰值残余应力小于或等于100psi。
C5.如C1-C3中任一项所述的方法，其中，由该玻璃板制备的子片中的峰值残余应力小于或等于50psi。
C6.如C1-C5中任一项所述的方法，其中，激光束在玻璃板表面的能量密度小于约1.5瓦/米2。
C7.如C1-C6中任一项所述的方法，其中，玻璃板表面的最高温度约为460-510℃。
C8.如C1-C7中任一项所述的方法，所述方法还包括在平移激光束期间弯曲玻璃板。
C9.如C1-C8中任一项所述的方法，其中，玻璃板的边缘与表面垂线的夹角在0.3度之内。
C10.如C1-C9中任一项所述的方法，其中，玻璃板的热膨胀系数约为30×10-7/℃至35×10-7/℃。

Claims (5)

1.一种分割玻璃板的方法，该方法包括：
(a)以速度S在玻璃板表面上平移具有峰值强度I峰的拉长的单激光束，所述光束的特征是未截短长度L0，其中L0等于沿光束长度在没有任何截短条件下玻璃板表面上的光束强度下降至I峰的1/e2的位点之间的最大距离；和
(b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷却剂区，因而将玻璃板分割成子片；
其中：
(i)S小于约200毫米/秒；
(ii)L0大于或等于100毫米；和
(iii)选择I峰和L0，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面产生最高温度，该温度至少比玻璃的应变点低约150℃；和
其中玻璃板在激光束单次横移后被分割。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光束与玻璃板表面接触之前，光束的一部分被截短，所述部分靠近冷却剂区。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由该玻璃板制备的子片中的峰值残余应力小于或等于50psi。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃板表面的最高温度约为460-510℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃板边缘与表面垂线的夹角在0.3度之内。
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