CN103097313A - 分离强化玻璃基材的方法 - Google Patents

Abstract

对具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材进行分离的方法包括以下步骤：使激光束沿着从强化玻璃基材的第一边缘到强化玻璃基材第二边缘的预期分离线在强化玻璃基材的表面上平移。所述方法还包括：使强化玻璃基材内受控制的整体裂缝基本沿着预期分离线从第二边缘向后扩展到第一边缘。在强化玻璃基材表面上形成划线使得强化玻璃基材沿着划线自分离。可以在强化玻璃基材内产生残留应力区域，使得整体裂缝沿着预期分离线从位于第二边缘的退出缺陷向后拓展到第一边缘，从而分离强化玻璃基材。

Description

分离强化玻璃基材的方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§ 119，要求2010年8月31日提交的美国临时申请系列第61/378,536号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景

领域

本发明一般地涉及分离强化玻璃基材的方法，更具体地涉及无需应用机械作用力激光分离强化玻璃基材的方法。

技术背景

薄玻璃基板在消费电子设备和其他领域中具有许多应用。例如，玻璃基才可作为盖板，用于结合在移动电话、显示设备（如电视和计算机显示器）及其它各种电子设备中的LCD和LED显示器。这种设备中使用的盖板可这样形成：用各种激光切割技术，将大玻璃基材裁切或分离成许多较小的玻璃基材。例如，可以使用划线-折断技术分离玻璃基材。但是，当采用划线-折断技术分离强化玻璃基材如离子交换玻璃时，会发生不受控制的整体分离而非形成划线。相比于划线-折断方法，不可控分离通常导致较差边缘特性。

此外，随着大强化玻璃基材板母料的尺寸增加，所述划线-折断方法的可靠性进一步下降，因为可能难以精确地施加所需的机械作用力，使板沿着划线破裂。在处理和破裂过程中，大的强化玻璃基材板都可能会倾向于落粒和/或形成不受控的裂缝。

因此，需要分离强化玻璃基材的替代方法。

概述

在一个实施方式中，对具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材进行分离的方法包括以下步骤：使激光束沿着从强化玻璃基材的第一边缘到强化玻璃基材第二边缘的预期分离线在强化玻璃基材的表面上平移。所述方法还包括：使强化玻璃基材内受控制的整体裂缝基本沿着预期分离线从第二边缘向后扩展到第一边缘。

在另一个实施方式中，将具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材自分离成两个或更多个玻璃制品的方法包括以下步骤：形成通过压缩表面层并以部分暴露内拉伸层的起始缺陷。所述起始缺陷偏离强化玻璃基材的第一边缘，并垂直于预期分离线。所述方法还包括：向强化玻璃基材位于第一边缘和起始缺陷之间的屏蔽区域施加激光屏蔽，并通过在强化玻璃基材表面使激光束和冷却射流从强化玻璃基材的第一边缘平移到第二边缘产生沿着预期分离线穿过压缩表面层的划线。划线由激光裂口限定，激光屏蔽防止激光束入射到强化玻璃基材的屏蔽区域中的表面上。随着激光束穿过强化玻璃基材的第二边缘，整体裂缝从第二边缘沿着划线扩展到起始缺陷，其中所述激光束和冷却射流的操作使得紧接第二边缘的激光裂口的深度足以在第二边缘处产生整体裂缝。

在另一个实施方式中，产生整体裂缝使得具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材分离成两个或更多个玻璃制品的方法包括以下步骤：形成通过压缩表面层并以部分暴露内拉伸层的退出缺陷。所述退出缺陷位于强化玻璃基材的第二边缘。所述方法还包括使激光束在强化玻璃基材的表面上沿着预期分离线从强化玻璃基材的第一边缘平移到强化玻璃基材的第二边缘，从而在强化玻璃基材内沿着预期分离线产生残余应力区。随着激光束入射到退出缺陷上，整体裂缝基本沿着预期分离线从第二边缘扩展到第一边缘。

在以下详细描述中给出了本发明方法的其他特征和优点，其中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详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。

附图简要说明

图1是根据本文所示和描述的至少一个实施方式，远离边缘缺陷(off-edgedefect)、激光屏蔽、入射到强化玻璃基材上的椭圆形激光束斑和冷却射流的冷却斑的透视示意图；

图2是根据本文所示和所述的至少一个实施方式的图1中的激光束、激光屏蔽、冷却射流和强化玻璃基材的截面示意图；

图3是根据本文所示和所述的至少一个实施方式，椭圆形束斑和冷却斑的相对位置示意图；

图4是根据本文所示和所述的至少一个实施方式，划刻裂口和裂口前端的截面示意图；

图5A是根据本文所示和所述的至少一个实施方式，完整的划刻裂口的透视示意图；

图5B是根据本文所示和所述的至少一个实施方式，通过自分离分开的强化玻璃基材的透视示意图；

图6是根据本文所示和描述的至少一个实施方式，入射到强化玻璃基材上的椭圆形激光束斑和冷却射流的冷却斑以及退出边缘缺陷的透视图；以及

图7是根据本文所示和所述的至少一个实施方式，通过受控整体分离分开的强化玻璃基材的透视示意图。

优选实施方式详述

下面详细参考用来分离化学强化玻璃基板的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。如本文所述，分离强化玻璃基材的方法通常包括以下步骤：使强化玻璃基材沿预期分离线弱化，然后使整体裂缝沿着预期分离的弱化线向后扩展。可以使激光束在强化玻璃基材的表面上沿着预期分离线从第一边缘平移到第二边缘，以产生弱化区域。激光束相对于强化玻璃基材的平移会在玻璃基材内沿着预期分离线形成起始划线，或者产生应力区域。然后当激光束沿着最小阻力路径穿过第二边缘时，整体裂缝沿着预期分离线从第二边缘向后扩展到第一边缘。整体裂缝会沿着激光束所产生的起始划线或者应力区域扩展。本发明的实施方式可采用激光屏蔽、远离边缘起始缺陷和/或退出边缘缺陷以产生整体裂缝。本文将更详细地描述分离强化玻璃基材的各种实施方式。

首先参考图1-5B，示意性地示出了用于分离强化玻璃基材100的系统和方法的一个实施方式。通常，图1-5B所示方法可以称作分离强化玻璃基材的自分离方法。常通过划线-折断技术分离各种基材，其中首先在基材表面上形成浅划线，然后施加机械作用力将基材折断成一块或多块。参考图1-5B所述的方法涉及自分离划线-折断技术，因为无需机械作用力来分离强化玻璃基材，原因在于所述强化玻璃基材在完全（或者基本完全）形成划线之后分离（即强化玻璃基材的自分离）。

强化玻璃基材100具有第一表面130、第二表面132、边缘（例如，第一边缘114和第二边缘116），厚度为h。应理解所述强化玻璃基材可以具有其他形状，如圆形。还应理解，为了便于图示，图中强化玻璃基材100的厚度h是夸大的。可以通过离子交换过程对强化玻璃基材100进行化学强化，在所述强化玻璃基材内产生压缩表面层111和内拉伸层115。玻璃基板可用各种玻璃组合物形成，所述玻璃组合物包括但不限于硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃。强化玻璃基材100可以是能分离成较小块的较大板材，以制造小的强化玻璃制品，例如用于消费电子设备的玻璃保护板。

在化学强化过程中，玻璃基材可以进行例如离子交换强化过程，该过程包括将玻璃基材100浸没在KNO₃熔融盐浴中一段时间（例如，8小时）。离子交换强化过程会形成强化玻璃基材100，其在两个深入的压缩表面层111中的压缩应力增加，在内拉伸层115中的拉伸应力增加。

图1-5B所示的系统通常包含施加到强化玻璃基材100的第一边缘114的激光屏蔽，沿着预期分离线104加热强化玻璃基材100的激光源150，引导冷却射流105的喷嘴160，所述冷却射流105用于沿着预期分离线104对被加热的强化玻璃基材100表面进行骤冷（图2）。由于施加了束斑102和通过冷却射流105产生的冷却斑106导致强化玻璃基材的温度发生变化，引起沿着预期分离线104以垂直于所述预期分离线104的方向建立的拉伸应力从而形成裂口109，所述裂口109延伸部分穿过强化玻璃基材100的厚度。划线裂口109是强化玻璃基材结构的机械改造。完整的划线裂口109的位置沿着预期分离线104，强化玻璃基材100会沿着所述预期分离线104分离。如下文详述，所述划线裂口109起始于偏离强化玻璃基材100的第一边缘114的起始缺陷112，并终止于强化玻璃基材100的第二边缘116。

激光源150可用于发射光束，所述光束具有适合为强化玻璃基材100提供热能的波长，从而激光能被沿着玻璃厚度h强烈吸收，从而加热强化玻璃基材100的表面。例如，激光源150通常发射波长在红外范围的激光束101。合适的激光源包括波长范围约为5-6μm的CO激光器、波长范围约为2.6-3.0μm的HF激光器或者波长约为2.9μm的铒YAG激光器。在本文所述实施方式中，所述激光源是脉冲CO₂激光器，其产生波长约为9.4-10.6μm的红外光束。所述CO₂激光源可以是以准连续波模式工作的RF激发激光源。在一个实施方式中，激光源150用来产生TEM₀₀模式的输出光束，使得激光源150的激光束101具有高斯强度分布。或者，激光源可用来产生TEM₀₁模式的输出光束，使得输出光束具有“D”或平坦模式的强度分布。激光源的输出功率可约为20W至大于500W，取决于所需的划线速度、被划线的玻璃的组成以及压缩表面层的深度。

为避免过度加热强化玻璃基材100的表面（这会导致强化玻璃基材表面的玻璃烧蚀或蒸发，或者产生弱化切割边缘的残留应力），用各种光学元件（未示出）使激光源发射的光束101成形，使得光束101在强化玻璃基材100的表面上形成椭圆形束斑102。例如，在一个实施方式中，将一对柱面透镜（未示出）设置在激光源150所发射的激光束101的路径上。或者，将用来使激光束成形为椭圆形束斑的柱面透镜和/或其它光学元件与激光源150连成一体。柱面透镜使激光束101成形，使得入射到强化玻璃基材表面上的束斑一般为椭圆形状，如图1所示。虽然本文所述的束斑是椭圆形状，但是应理解本发明的实施方式不限于此，因为束斑可以具有其他形状，包括圆形、正方形、矩形等。

参考图3，椭圆形束斑102一般具有宽度为b的短轴124和长度为a的长轴125。短轴124延伸通过椭圆形束斑102的中点，如图3所示。在一个实施方式中，短轴124的宽度b大于或等于在冷却射流接触强化玻璃基材表面的地方形成的冷却斑106的直径。例如，如果冷却斑（即冷却射流的横截面，位于冷却射流入射到强化玻璃基材表面上的地方）具有2mm的直径，则短轴的宽度b至少为2mm。

长轴125一般具有位于椭圆形束斑的前缘120与后缘122之间的长度a，如图3所示。椭圆形束斑102的长度a通常可以控制激光产生的裂口的深度。激光束斑越长，裂口就越深。如果长度a固定，划线速度v的增加形成较浅的裂口。相反地，划线速度v越慢，则产生的裂口越深。对于激光划线的强化玻璃基材，应该控制裂口深度，从而使得裂口生长足够慢以完成激光划线操作。这表示根据所需的划线速度，激光束的长度应该是固定的。

关于激光束101的激光功率，可用于加热强化玻璃基材的激光功率应该受到瞬时和平均功率密度的限制。瞬时功率密度可定义为激光功率P除以束斑面积。平均功率密度I_平均可定义为激光功率P除以每单位时间激光束斑面积与激光束横向面积的总和：

  等式(1).

加热强化玻璃基材且不产生应力弛豫的最大可用激光功率密度取决于玻璃的性质，例如热容、热扩散率以及激光波长处的光吸收和玻璃软化点等。如果设定I_平均等于I_最大值，则得到下式：

  等式(2).

因此，当长度a固定以实现所需的裂口深度时，可以控制椭圆形束斑的宽度b以实现所需的平均功率密度。更具体地，等式(2)说明以下几点：1)当激光功率和最大可用激光功率密度固定时，伴随激光划线速度的下降，椭圆形束斑的宽度b应该增加，2)因为激光划线速度下降伴随层深度的增加，激光束宽度b应该相应地增加，以及3)激光功率的增加要求增加激光束宽度b，前提是激光划线速度保持恒速。当层深度增加，还增加了需要加热的玻璃体积量。因为功率密度限定为特定值，所以为了增加激光功率，应该增加椭圆形束斑的宽度b。

应注意在起始划线过程中，还会存在由于热扩散所导致的热损失。热扩散降低了通过激光加热的局部玻璃温度。由于热损失与局部温度梯度成正比，为了在扩展裂口前端产生所需的拉伸应力，可能需要在骤冷之前或者骤冷过程中降低裂口前端位置的温度梯度。这可以通过使用较宽椭圆形束斑来加热与裂口前端相邻的强化玻璃基材的体积来实现。

参考图2和3，冷却射流105一般包含从喷嘴160射出并被导向强化玻璃基材100的表面的加压流体流。所述加压流体可包括液体，例如水、乙醇、液氮和/或化学冷却剂。或者，冷却射流105可包括压缩气体，例如压缩空气、压缩氮气、压缩氦气或类似的压缩气体。冷却射流105还可以包括液体与压缩气体的混合物。在本文所述的实施方式中，冷却射流是去离子水。

冷却射流105从喷嘴末端的孔（未示出）射出。在冷却射流105入射到强化玻璃基材表面上的地方形成的冷却斑106具有直径d_j，该直径大于喷嘴160的孔的直径。以划线方向110（即切割轴）为基准，喷嘴160位于激光源150后面。在本文所述的实施方式中，喷嘴160可相对于强化玻璃基材100的表面130按一定的角度取向，使得冷却射流105相对于强化玻璃基材100的表面以小于90度的角度α入射到强化玻璃基材的表面上。在一个实施方式中，可以与椭圆形束斑102的平移相匹配的方式平移冷却射流105。在另一个实施方式中，强化玻璃基材100可以安装在平移台上，该平移台能够使强化玻璃基材100在激光束101和冷却射流105下平移。可将冷却射流105导向强化玻璃基材100的表面130上，位置与椭圆形束斑相邻。

参考图1-5B，通过产生划线裂口使强化玻璃基材100自分离成一个或多个制品的方法可包括：首先在强化玻璃基材100的第一表面130上引入起始缺陷112，形成划线裂口起始点。起始缺陷112偏离强化玻璃基材100的第一边缘114，缺陷偏离距离为d_def。起始缺陷112可以是由例如机械作用或者激光烧蚀形成的起始裂缝。偏离距离d_def可取决于所需的划线速度、要划线的玻璃的组分以及压缩表面层111的深度。在一个实施方式中，偏离距离d_def约为6mm。在其他实施方式中，偏移距离可以在约3-10mm的范围内。如下文所详述，裂口从起始缺陷112开始并沿着激光束101和冷却射流105的相对移动扩展。

起始缺陷112可以是与划线方向和预期分离线方向垂直的起始裂缝。起始缺陷112的垂直朝向会使得与划线方向平行的起始缺陷的机械重复性增加。例如，起始缺陷112的垂直朝向可防止在划线步骤中形成不受控制的整体裂口。

可以通过应用钻石划线器机械形成起始缺陷112，但是也可以采用其他机械装置，例如机械刻划轮、研磨轮、碳化物笔尖、雕刻器等。在形成起始缺陷112时必须小心谨慎以确保缺陷没有过于深入到内拉伸层115中。因此，机械装置不应太过锋利，施加的作用力也不能太大，这会导致缺陷过于深入到强化玻璃基材块中。通过应用锋利的机械装置产生的深中值裂缝会过于深入到内拉伸层115中，并在激光划线过程中导致整体裂缝。通过使用钝的机械装置可以实现如下缺陷，该缺陷具有许多仅部分暴露内拉伸层的横向和径向裂缝以及浅中值裂缝。

作为例子而非限制，采用空气制动汽缸对1.1mm厚的经离子交换的强化玻璃基材的表面使用锥形钻石划线器，所述经离子交换的强化玻璃基材具有30μm,760MPa的压缩应力层和21MPa的内拉伸层。锥形钻石尖端的角度约为105°。在强化玻璃基材表面使用钻石尖端的空气制动汽缸的作用力约为9N，刻划速度约为5mm/s，拖动角约为12°。该过程产生了部分暴露内拉伸层的垂直起始缺陷。钻石尖端和刻划过程的特性可取决于强化玻璃基材的性质（例如，玻璃基材的厚度、压缩应力层的厚度和压缩应力等）。取决于强化玻璃基材的性质，可以采用角度大于90°，施加的作用力在约5-15N之间的锥形钻石尖端。

现具体参见图1和2，可以向强化玻璃基材100的第一边缘114施加激光屏蔽141使强化玻璃基材100在屏蔽区域内屏蔽光束101，所述屏蔽区域位于强化玻璃基材周围，在第一边缘114之间并靠近起始缺陷112。所述屏蔽区域可以从起始缺陷112延伸到强化玻璃基材100的第一边缘114。激光屏蔽141可以包含能够防止激光辐射进入屏蔽区域中的强化玻璃基材100并对其加热的材料，例如金属材料。应理解除了所示的配置之外也可以采用其他激光屏蔽配置。例如，可以将激光屏蔽配置成与强化玻璃基材100附着的平坦金属板（例如，强化玻璃基材仅在第一边缘的顶表面被屏蔽）。当强化玻璃基材100相对于光束斑和冷却斑106平移时，激光屏蔽141防止在屏蔽区域内形成裂口，从而实现从起始缺陷112延伸到第二边缘116的划线裂口。

在另一个实施方式中，可以在强化玻璃基材100的第一边缘上沉积导热薄涂层作为激光屏蔽141（例如在第一边缘和起始缺陷112之间）。例如，所述导热薄涂层可以是通常用于形成触敏屏上的接触件的金属电极材料。可以使用掩模向强化玻璃基材100施涂导热涂层，并提供上文所述的激光屏蔽作用。

或者，除了向强化玻璃基材100施加激光屏蔽，可以如此操作激光源150使得激光束101仅在起始缺陷112处和之后打开，从而未入射到起始缺陷112之前的表面130上（即，防止激光束入射到第一边缘和起始缺陷之间的屏蔽区域中）。在另一个实施方式中，可以从第一边缘114开始直至起始缺陷112逐步提高激光束101的功率，从而当光束斑102到达起始缺陷112时激光源150是以完全划线功率运行。

如图1和2所示，在形成起始缺陷112并向强化玻璃基材100的屏蔽区域施加激光屏蔽141之后，将来自激光源150的光束101导向强化玻璃基材100的表面上，从而使光束入射到起始缺陷112处的预期分离线104上。开始的时候，将光束101导向基材，使得初始缺陷112位于光束101的椭圆形束斑102内，椭圆形束斑102的长轴125基本上与预期分离线104在一条直线上。当激光源150的光束101位于强化玻璃基材100的表面130上时，光束101为压缩表面层111提供辐射热能，从而沿预期分离线104加热强化玻璃基材100。玻璃表面被加热到的最高温度T_最高一般低于玻璃的应变点T_g，以免在加热过程中发生应力松弛和在用冷却射流骤冷之后形成不利的残留应力。可通过调节多个参数控制强化玻璃基材100的温度，所述参数包括例如激光源的功率和激光束在强化玻璃基材100表面上沿如上所述的预期分离线104行进的划线速度υ。开始将光束101置于预期分离线104上之后，使椭圆形束斑102在预期分离线104上以划线速度υ沿强化玻璃基材100的表面130行进，由此沿起始缺陷112和第二边缘116之间的预期分离线104加热强化玻璃基材的表面。可以通过使激光源150（和喷嘴160）相对于强化玻璃基材100移动，使得椭圆形束斑102在表面上平移。或者，可以通过使强化玻璃基材100相对于激光源150和喷嘴160移动，使得椭圆形束斑102平移。

为了在强化玻璃基材的表面130上形成划线裂口109，用从喷嘴160射出的冷却射流105对被加热的强化玻璃基材100表面进行冷却或骤冷。由于骤冷引起的温度变化导致在强化玻璃基材表面中沿垂直于预期分离线104的方向形成拉伸应力。参考图4，这些拉伸应力引起强化玻璃基材100表面下的裂口前端140以划线方向110沿着预期分离线104扩展。在本文所述实施方式中，裂口109可以在基材表面下方延伸深度d，所述深度d小于强化玻璃基材厚度h的四分之一。在一个实施方式中，深度d约为强化玻璃基材厚度h的15%。为了沿着强化玻璃基材100的表面引发和扩展裂口109，必须通过加热并随后冷却强化玻璃基材的表面来超越温度阈值变化ΔT_TH，以便产生足以引发和扩展裂口的拉伸应力。

更具体地，用激光源150加热强化玻璃基材100并用冷却射流105骤冷被加热的强化玻璃基材表面在强化玻璃基材表面内产生了垂直于预期分离线104的拉伸应力。如果拉伸应力超过形成强化玻璃基材100的材料的阈值拉伸应力σ_TH，则会在强化玻璃基材内扩展预先存在的裂缝或裂口109。由于加热和冷却循环导致的激光产生的拉伸应力可以由下式估算：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TH}}=\frac{1}{2}\mathrm{\α}\·E\·\mathrm{\ΔT}$   等式(3)

其中α是热膨胀系数，E是杨氏模量，ΔT是激光束和冷却射流骤冷循环的温度下降。使用等式(3)，对于任意类型的玻璃，在激光加热和冷却射流骤冷循环过程中产生的最大拉伸应力不会超过约100-200MPa。该值明显小于通过离子交换过程产生的表面压缩（例如，>500MPa）。因此，激光划线过程不能产生足够的拉伸应力使得完全封闭在压缩层中的划线裂口扩展。相反地，强化玻璃基材上的划线过程是一个间接过程。

参考图4，上文所述的拉伸应力引起裂口前端140以预期分离线上的划线方向110沿着强化玻璃基材的表面130扩展。如图4所示，裂口前端140在强化玻璃基材100的表面130下方前行。由于在玻璃表面下方打开了裂口109，随着裂口前端140在强化玻璃基材100内扩展，表面压缩应力得到释放并使得裂口109在裂口前端140之后突破玻璃表面。

随着裂口前端140在表面130下方并在压缩表面层111（即，层深度）内前行，可能需要有效且持续的骤冷来产生拉伸应力，使得划线裂口109在压缩表面层111或其附近扩展。骤冷效率可取决于冷却射流105的冲击速度、喷嘴160提供的冷却射流105的体积流量以及冷却射流105相对于被加热的强化玻璃基材100的温度梯度。在一个实施方式中，将冷却射流105（例如水）的温度冷却到略高于0摄氏度的稳定温度。在整个过程中冷却射流105的温度和流速应该保持温度以实现适当的划线裂口深度。

定性来说，在理想的系统中，冷却射流105在强化玻璃基材100表面上的特征残留冷却时间等于d_j/v，其中d_j是冷却射流核心的直径，v是划线速度。冷却射流核心107是冷却斑106的中心区域，在冷却射流105在该位置冲击强化玻璃基材的表面。假设裂口前端140位于强化玻璃基材100内的层深度l处，则骤冷作用到达层深度值l所需的时间可以用一维导热模型估算。该模型预测特征时间为l/4D，其中D是强化玻璃基材100的热扩散率。因此，冷却射流的直径d_j可以用下式定性估算：

$d_j\≈\frac{l^2}{4D}\·v$   等式(4).

上式显示了冷却射流直径d_j与强化玻璃基材100的层深度之间的相关性。随着层深度的增加，冷却时间应该相应地增加。

冷却斑106的位置应该紧接椭圆形束斑102的后边缘122。参考图1-3，在一个实施方式中，喷嘴160的取向使冷却斑106位于强化玻璃基材100的表面130上的预期分离线104之上和椭圆形束斑102之内。更具体地，所示实施方式的喷嘴160的取向使冷却斑106在椭圆形束斑102内位于椭圆形束斑中心与椭圆形束斑后缘122之间，使得冷却斑106与所述后缘隔开距离z，如图3所示。在此位置，冷却斑106位于强化玻璃基材表面上由于激光源加热而形成的最高温度处或其附近。相应地，因为冷却射流在最高温度处或其附近对强化玻璃基材进行骤冷，所产生的温度变化ΔT（假定玻璃表面被加热到刚好低于应变温度T_g）超过温度阈值变化ΔT_TH，从而有利于裂口109的形成，所述裂口109从起始缺陷112开始扩展。虽然如图所示冷却斑位于椭圆形束斑内并且隔开距离z，但是冷却斑也可以直接位于后边缘122上或者部分位于紧接后边缘的椭圆形束斑的外部，或者在椭圆形束斑后方数毫米处。例如，对于较薄的强化玻璃基材，冷却斑的位置可以靠近椭圆形束斑或者部分位于其内部。对于较厚的强化玻璃基材，冷却斑的位置可以在椭圆形束斑内。

参考图1和2，在冷却射流105和冷却斑106相对于椭圆形束斑102恰当取向之后，喷嘴160和激光源150在预期分离线104上沿着强化玻璃基材100的表面130，以顺着划线方向110从起始缺陷112开始行进。或者，可以平移强化玻璃基材100。当强化玻璃基材100的表面被加热到最大温度并在最大温度或其附近骤冷时，划线裂口109从起始缺陷112沿着预期分离线104扩展到第二边缘116。起始缺陷112形成了划线裂口109。冷却射流/激光源与强化玻璃基材100以划线速度υ相对前行，该速度进而也是裂口沿预期分离线104扩展的速度。所选择的划线速度υ通常避免强化玻璃基材表面的过热，同时实现将强化玻璃基材100的表面加热到略低于玻璃的应变温度。

图5A显示椭圆形束斑102和冷却斑106刚经过第二边缘116之后的强化玻璃基材100。如图5A所示，划线109从起始缺陷112延伸到第二边缘116。整体裂缝以方向118沿着划线109向后扩展，所述划线109是当椭圆形束斑102和冷却斑106穿过强化玻璃基材100的第二边缘116的划线步骤时产生的。图5B显示使强化玻璃基材100分离的整体裂缝108。应注意，虽然图5A显示划线裂口109达到第二边缘116，但是实际上整体裂缝108在划线裂口109到达第二边缘116之前就开始向后扩展。

由于在边缘处导热玻璃体积的减小，导致强化玻璃基材100内的温度在第二边缘116（或者任意其他边缘）处高于强化玻璃基材100的任意其他位置。第二边缘116处的较高温度导致当椭圆形束斑102和冷却斑穿过第二边缘116时较深的裂口深度。在强化玻璃基材中，随着划线裂口109的裂口深度变深，激光产生的裂口快速发展成在第二边缘116处形成的整体裂缝108。如果激光产生的划线裂口的深度在第二边缘116处足够深（例如，大于或等于强化玻璃基材100的厚度的约15%），则整体裂缝108会沿着划线裂口或线109向后扩展并完成自分离而无需沿着划线109施加机械作用力的步骤。

作为例子而非限制，使用如上所述自分离方法使得370mm×470mm的化学强化铝硅酸盐玻璃基板沿着强化玻璃基材的宽度（370mm）分离。强化玻璃基板的厚度为1.1mm，压缩表面层中的压缩应力约为625MPa，层深度约为35μm，内拉伸层中的拉伸应力约为21MPa。使用重复频率约为20kHz、占空比约为18%、输出功率约为182W的CO₂激光源来划线板材。激光束转化为长轴约为40mm短轴约为2mm的椭圆形光束。使用流速约为16.5sccm的固态水冷却射流进行骤冷。在板材表面靠近第一、起始边缘的位置用角度约为105度的锥形钻石尖端提供机械起始缺陷。所述起始缺陷长约3mm，朝向垂直于所需的分离线。用薄金属板对强化玻璃基板的第一边缘进行屏蔽。当激光束和水射流穿过板材时，深度约160μm的裂口沿着预期分离线扩展。当激光束和水射流退出强化玻璃板的第二边缘时，在第二边缘处产生整体裂缝(full-body crack)并向后扩展到起始缺陷和第一边缘，从而将强化玻璃基板分成两块。

现参考图6，显示将强化玻璃基材100分成一块或多块的另一个实施方式。在该实施方式中，产生了整体裂缝并沿着预期分离线104从第二边缘116向后扩展到第一边缘114，而无需如上所述首先形成划线裂口或者使用激光屏蔽。通常，通过激光诱导加热在强化玻璃基材100内沿着预期分离线104产生残留应力区域128，使得整体裂缝被残留应力区域128引导。

更具体地，可以在强化玻璃基材100的表面130上产生椭圆形束斑102。参考图1-5B，可以通过具有上文所述相同特性的激光源150来产生椭圆形束斑102。在该实施方式中，可以使用或者不使用冷却斑106来沿着预期分离线104产生残留应力区域128。残留应力区域无需使用冷却斑对激光诱导的加热进行骤冷。在椭圆形束斑102平移过程中，冷却射流105可以选择性地打开或关闭。在一个实施方式中，仅当椭圆形束斑102靠近退出缺陷123或者在其上时，冷却射流105才向表面130提供冷却斑106。冷却斑106提供的骤冷作用可以在靠近退出缺陷123处提供增强的应力区域，进一步形成整体裂缝。应注意冷却斑106的特性也可与上文所述的那些冷却斑相同。

在椭圆形束斑102和可任选的冷却斑106平移穿过表面130之前，在强化玻璃基材100的退出边缘（第二边缘116）上形成退出缺陷123。虽然退出缺陷123还可以有其他朝向，例如与预期分离线104垂直，但是所述退出缺陷123优选与第二边缘116接触并平行于预期分离线104。如上文关于形成起始缺陷112所述，可以通过使用机械划线或激光烧蚀在表面上形成退出缺陷123。

在施加了退出缺陷123之后，椭圆形束斑102和可任选的冷却斑106沿着预期分离线104从第一边缘114开始到达退出缺陷123和第二边缘116，平移穿过强化玻璃基材100的表面130。可以平移激光源150和冷却射流105和/或平移强化玻璃基材100。例如，可以将强化玻璃基材100安装在平移台上，该平移台使强化玻璃基材100相对于激光源150和冷却射流105移动。椭圆形束斑102（以及冷却斑106，如果采用的话）相对于强化玻璃基材100的平移速度取决于强化玻璃基材100的厚度、组成和性质（例如，压缩应力、层深度等）以及是否使用冷却斑106。通常来说，强化玻璃基材越薄，则平移速度越快。在一些实施方式中，平移速度可以在约100-300mm/s之间。

当椭圆形束斑102在强化玻璃基材100的表面130上平移时，由椭圆形束斑提供的热能沿着扫描路径产生残留应力区域128。残留应力区域128沿着预期分离线104弱化强化玻璃基材100。一旦椭圆形束斑102和冷却斑106（如果采用的话）达到退出缺陷123，由椭圆形束斑102提供的热能导致整体裂缝108在退出缺陷123处打开（图7）。因为残留应力区域128沿着预期分离线104弱化了强化玻璃基材100，沿着预期分离线104通过选取最小阻力路径来引导整体裂缝108。整体裂缝108将强化玻璃基材100分成两块。应注意，残留应力区域随时间衰退，椭圆形束斑102或者强化玻璃基材100的平移速度应该使得当椭圆形束斑102到达退出缺陷123和第二边缘116时在强化玻璃基材100内仍存在残留应力区域。如上所述，可以在椭圆形束斑102刚到达退出缺陷123时打开冷却射流105，以使得整体裂缝108进一步打开。

作为例子而非限制，使用如上所述自分离方法使得370mm×470mm的化学强化铝硅酸盐玻璃基板沿着强化玻璃基材的宽度（370mm）分离。强化玻璃基板的厚度为1.1mm，压缩表面层中的压缩应力约为625MPa，层深度约为35μm，内拉伸层中的拉伸应力约为21MPa。使用重复频率约为20kHz、占空比约为18%、输出功率约为182W的CO₂激光源来划线板材。激光束转化为长轴约为40mm短轴约为2mm的椭圆形光束。使用流速约为16.5sccm的固态水冷却射流进行冷却，在分离过程中的所有时间内以打开状态运行。在板材表面靠近第一、退出边缘的位置用角度约为105度的锥形钻石尖端提供机械退出缺陷。起始缺陷的朝向平行于预期分离线。强化玻璃基板以约为165mm/s的速度平移。当激光束和水射流穿过退出缺陷和第二、退出边缘时，在第二边缘处产生整体裂缝并向后扩展到第一边缘，从而将强化玻璃基板分成两块。

应注意本文所述方法可用于分离强化玻璃基材，例如由硼硅酸盐玻璃制造的强化玻璃基材以及由铝硅酸盐玻璃制造的强化玻璃基材，包括离子交换的强化铝硅酸盐玻璃。本文所述方法通过使整体裂缝沿着穿过激光束的预期分离线从第二、退出边缘向后扩展到第一、起始边缘，来分离强化玻璃基板。激光束弱化了强化玻璃基材从而沿着预期分离线引导整体裂缝。本发明的实施方式可以使用激光屏蔽、起始缺陷、激光源和冷却射流在强化玻璃基材表面上形成划线，从而使得整体裂缝沿着划线向后扩展。本发明的实施方式还使用激光源产生的热在强化玻璃基材内形成残留应力区域，并使整体裂缝沿着残留应力区域从位于第二、退出边缘的退出缺陷扩展。本文所述实施方式实现了在一个步骤中强化玻璃基材的受控整体分离，无需应用机械作用力，这可以增加生产速度并产生由强化玻璃基材分离得到制品，例如消费电子领域的触摸屏板。

本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种分离具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材的方法，所述方法包括：

使激光束沿着从强化玻璃基材的第一边缘到强化玻璃基材第二边缘的预期分离线在强化玻璃基材的表面上平移；以及

使强化玻璃基材内受控制的整体裂缝基本沿着预期分离线从第二边缘向后扩展到第一边缘。

2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括：

形成穿过压缩表面层以部分暴露内拉伸层的起始缺陷，所述起始缺陷偏离强化玻璃基材的第一边缘，并垂直于预期分离线；

防止激光束入射到强化玻璃基材的屏蔽区域中的强化玻璃基材表面上，该屏蔽区域位于第一边缘和起始缺陷之间；以及

向强化玻璃基材表面上施加紧接激光束的冷却射流，其中：

产生沿着预期分离线的穿过压缩表面层的划线，所述划线由部分穿透进入到内拉伸层中的激光裂口限定；以及

操作激光束和冷却射流使得紧接第二边缘的激光裂口的深度足以在第二边缘处产生受控制的整体裂缝。

3.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在平移激光束之前形成穿过压缩表面层以部分暴露内拉伸层的退出缺陷，所述退出缺陷位于强化玻璃基材的第二边缘处并平行于预期分离线，其中：

所述激光束沿着所述预期分离线在强化玻璃基材内产生残留应力区域；以及

当激光束入射到退出缺陷上时产生受控制的整体裂缝。

4.一种将具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材自分离成两个或更多个玻璃制品的方法，所述方法包括：

形成穿过压缩表面层以部分暴露内拉伸层的起始缺陷，所述起始缺陷偏离强化玻璃基材的第一边缘，并垂直于预期分离线；

向位于第一边缘和起始缺陷之间的强化玻璃基材的屏蔽区域施加激光屏蔽；

通过使激光束和冷却射流在强化玻璃基材表面上从强化玻璃基材的第一边缘平移到第二边缘以沿着预期分离线产生穿过压缩表面层的划线，其中所述划线由激光裂口限定，所述激光屏蔽防止激光束入射到屏蔽区域中的强化玻璃基材表面上；以及

随着激光束穿过强化玻璃基材的第二边缘，整体裂缝从第二边缘沿着划线扩展到起始缺陷，其中所述激光束和冷却射流的操作使得紧接第二边缘的激光裂口的深度足以在第二边缘处产生整体裂缝。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述强化玻璃基材包括离子交换强化玻璃基材。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光裂口部分穿透进入到内拉伸层中。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光束配置成产生具有长轴和短轴的椭圆形束斑，所述长轴与预期分离线对齐。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，向长轴后边缘处的椭圆形束斑内的强化玻璃基材表面施加冷却射流。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光束由脉冲CO₂激光器产生。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述紧接第二边缘的激光裂口的深度大于强化玻璃基材厚度的约15%。

11.一种产生整体裂缝将具有压缩表面层和内拉伸层的强化玻璃基材分离成两个或更多个玻璃制品的方法，所述方法包括：

形成穿过压缩表面层以部分暴露内拉伸层的退出缺陷，所述退出缺陷位于强化玻璃基材的第二边缘处；

使激光束在强化玻璃基材的表面上沿着预期分离线从强化玻璃基材的第一边缘平移到强化玻璃基材的第二边缘，其中所述激光束在强化玻璃基材内沿着预期分离线产生残余应力区域；以及

当激光束入射到所述退出缺陷上，整体裂缝基本沿着预期分离线从第二边缘扩展到第一边缘。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述强化玻璃基材相对于激光束平移。

13.如权利要求11所述的方法，该方法还包括当激光束穿过强化玻璃基材表面时施加紧接激光束的冷却射流。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

所述激光束配置成产生具有长轴和短轴的椭圆形束斑，所述长轴与预期分离线对齐；以及

向长轴后边缘处的椭圆形束斑内的强化玻璃基材表面施加冷却射流。

15.如权利要求11所述的方法，该方法还包括向退出缺陷施加冷却射流。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述强化玻璃基材包括离子交换强化玻璃基材。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光束配置成产生具有长轴和短轴的椭圆形束斑，所述长轴与预期分离线对齐。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光束由脉冲CO₂激光器产生。

19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述退出缺陷平行于预期分离线。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述退出缺陷是通过使用锥形钻石刻划尖端机械形成的。

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