CN114670288B - 超声波裂片方法及裂片装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波裂片方法及裂片装置，超声波裂片方法包括在材料的至少一个表面上形成切割口，超声波发生器的模头沿所述切割口持续移动，并通过介质向所述切割口发射超声波；超声波裂片装置用于实施上述的超声波裂片方法。本发明中，模头以持续移动的方式扫描材料的切割口，即使超声波不同波段的振动强度发生变化，在模头移动过程中，超声波作用于材料上一位置处的波段，恰好传播至模头所对应的下一位置，从而，材料的不同位置均可受到超声波同一波段的振动作用，材料的受力均匀，能够提高材料的裂片质量。

Description

超声波裂片方法及裂片装置

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种超声波裂片方法及裂片装置。

背景技术

传统物理劈裂进行裂片的方式，劈裂刀头必须与材料接触，裂片过程中材料表面粘附粉尘且容易受损，裂片良率较差，相关技术中，采用超声波进行非接触式裂片，受限于超声波模头的结构尺寸，模头需以定点的方式向材料发射超声波，逐点对材料裂片，效率较低，并且材料的每一裂片位置均受到超声波不同强度的作用，材料受力不均导致裂片效果差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超声波裂片方法，能够提高材料的裂片质量。

本发明还提出一种用于实施上述超声波裂片方法的超声波裂片装置。

根据本发明的第一方面实施例的超声波裂片方法，包括：

在材料的至少一个表面上形成切割口；

超声波发生器的模头沿所述切割口持续移动，并通过介质向所述切割口发射超声波。

根据本发明实施例的超声波裂片方法，至少具有如下有益效果：

本发明的实施例中，模头以持续移动的方式扫描材料的切割口，即使超声波不同波段的振动强度发生变化，在模头移动过程中，超声波作用于材料上一位置处的波段，恰好传播至模头所对应的下一位置，从而，材料的不同位置均可受到超声波同一波段的振动作用，材料的受力均匀，能够提高材料的裂片质量。

根据本发明的一些实施例，裂片前，调节所述超声波发生器的频率、所述模头与所述材料的距离，将所述超声波发生器的波峰定位至所述切割口。

根据本发明的一些实施例，所述模头与材料之间的距离为1mm-10mm，所述超声波发生器所发出的超声波的频率为20KHz-80KHz，所述超声波的功率为500W-1500W。

根据本发明的一些实施例，所述材料表面具有多条所述切割口，所述模头依次经过每一切割口，并且于每一切割口处往复移动多次。

根据本发明的一些实施例，沿所述材料的预设裂片轨迹，对所述材料进行激光切割，并形成所述切割口。

根据本发明的一些实施例，所述激光的光束至少具有一个焦点，具有多个焦点的所述光束，不同的焦点在所述材料的切割方向上间隔设置，且投影重合。

根据本发明的一些实施例，所述激光的光束具有两个焦点，两个所述焦点之间的间距为0.2h-0.5h，其中h为材料的切割深度。

根据本发明的一些实施例，在裂片前，在所述材料的表面粘附胶膜，并将所述胶膜覆盖所述切割口。

根据本发明的一些实施例，还包括检测步骤，所述检测步骤设置于裂片前，以检测所述切割口；和/或，所述检测步骤设置于裂片后，以检测所述材料裂片后的裂缝。

根据本发明的第二方面实施例的超声波裂片装置，用于实施第一方面实施例的超声波裂片方法，包括：

裂片平台，用于放置表面具有切割口的材料；

超声波发生器，包括用于发射超声波的模头，所述模头与所述裂片平台相对设置；

传递介质，所述裂片平台与所述模头置于所述传递介质内，或者均与所述传递介质接触；

驱动模组，与所述裂片平台和/或所述模头连接，并用于驱动所述模头相对所述材料沿所述切割口持续移动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明超声波裂片方法一个实施例的流程图；

图2为材料未裂片前的示意图；

图3为材料裂片后的示意图；

图4为材料裂片后形成的单元的示意图

图5为材料以单焦点激光束切割后的切割断面示意图；

图6为材料以双焦点激光束切割后的一个实施例的切割断面示意图；

图7为材料以双焦点激光束切割后的另一实施例的切割断面示意图；

图8为本发明超声波裂片装置一个实施例的结构示意图；

图9为待裂片材料一个实施例的示意图。

附图标记：

裂片平台100；材料200，切割口210；传递介质300；模头400。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，本发明提供了一种超声波裂片方法，通过发射超声波的方式实现对材料的裂片。具体的，超声波裂片方法包括如下步骤：在材料的至少一个表面上形成切割口，将超声波发生器的模头沿切割口持续移动，并通过介质向切割口发射超声波。

对于大尺寸的材料，由于超声波发生器的模头尺寸有限，无法通过单次发射超生波即完成整个材料的裂片，因此需将材料分成多个区域，以定点发射超声波的方式，逐点完成材料不同位置处的裂片，以模头对材料的某个位置裂片为例，为保证材料在该位置处彻底完成裂片，模头需在该位置停留一定时间，以使材料能够在足够的时间内以及足够的超声波强度作用下完成裂片，但超声波为纵波，并以振动的方式在介质中传播，超声波质点的振动方向与传播方向同轴，超声波的振动强度由波谷向波峰逐渐增大，因此，超声波在某一位置处的振动强度会随着时间以及在波段上位置的变化而改变，当模头向材料的某个位置持续发射超声波时，该位置受到超声波不同波段的振动冲击，导致材料的受力不均，极易出现碎片，裂片效果较差。本发明的实施例中，模头以持续移动的方式扫描材料的切割口，即使超声波不同波段的振动强度发生变化，在模头移动过程中，超声波作用于材料上一位置处的波段，恰好传播至模头所对应的下一位置，从而，材料的不同位置均可受到超声波同一波段的振动作用，材料的受力均匀，能够提高材料的裂片质量。

需要说明的是，本发明实施例中的裂片方法可以用于裂片深度不大于200μm的硬脆材料的裂片，如半导体、玻璃、蓝宝石等。上述介质可以是固体、液体或气体，如空气、水、酒精、丙酮、玻璃等；当介质为固体时，介质放置于材料表面，介质的另一端与模头抵接，模头通过该固体将超声波传递至切割口，当介质为液体时，模头与材料均浸入液体内，模头与材料间隔，模头通过液体将超声波传递至切割口。在一个实施例中，介质选择为纯净水，水的污染小，且便于获取，加工成本低。

材料在切割口处存在应力残留，受超声波振动时，容易在切割口处断裂，形成裂缝，并且由于超声波具有一定振动频率，材料裂片过程中，断裂面整齐，一致性较好，可以降低材料出现碎片、崩边的风险。另外，可以提供调节超声波的频率，使其接近材料切割口处的频率，材料与超声波达到共振，共振产生的作用力作用于切割口处，使材料沿切割口整齐裂片。

另外，切割口应设置于材料的至少一个表面上，以便于材料沿切割口裂片。如，材料在裂片方向上两个相对的表面上均设置有切割口，且切割口在裂片方向上的投影重合，可以提高材料沿切割口裂片的便利度；另外，可以设置两个模头分别对材料两个表面上的切割口发射超声波，有利于提高裂片效率。

由于超声波在波峰处的振动最强，为便于使材料快速裂片，将模头发出的超声波的波峰定位至切割口，材料的切割口受到超声波最强的振动作用，可以减少模头沿切割口的扫描次数，提高裂片效率。为使裂片过程中，模头移动到切割口的某一位置时，超声波的波峰恰好传播至该位置，应对超声波的移动速度、频率以及模头与切割口之间的距离进行调节，使模头在单位时间内的移动距离，恰好为超声波沿横轴的传播距离，当模头以预设的恒定速度沿切割口持续移动时，切割口始终受到超声波波峰的振动作用，切割口处受到的超声波的振动强且均匀度高，有利于提高材料的裂片质量及裂片效率。

通过模头与材料之间的距离、超声波频率、功率和扫描速度进行调节，以使超声波的振幅能够达到材料的裂片阈值，使材料完整裂片，在一些实施例中，模头与材料之间的距离为1mm-10mm，超声波发生器所发出的超声波的频率为20KHz-80KHz，超声波的功率为500W-1500W，超声波的振幅在10％-100％，模头往复移动的次数为5-20次，通过裂片5-40s即可完成材料的全部裂片。举例而言，材料的尺寸为500μm*500μm时，超声波的振幅为10％-40％，频率为20KHz，功率为500w，模头与材料的距离为3mm，模头的扫描次数为15，在20s内完成裂片；材料的尺寸为300μm*300μm时，超声波的振幅为20％-60％，频率为20KHz，功率为800w，模头与材料的距离为5mm，模头的扫描次数为12，在15s内完成裂片；材料的尺寸为200μm*200μm时，超声波的振幅为40％-70％，频率为20KHz，功率为1300w，模头与材料的距离为5mm，模头的扫描次数为10，在10s内完成裂片。

需要说明的是，模头的扫描次数及裂片时间与材料的种类、尺寸、切割口的个数有关，材料尺寸越大、切割口个数越多、排列越密集，模头的扫描时间越长。每一材料均设置有不少于两个的切割口，模头在每一切割口处至少扫描一次，为保证材料在切割口处完整裂片，模头可以对每一切割口进行往复扫描。

为使模头从上一切割口移动至下一切割口处扫描时，仍然是超声波的波峰定位至该切割口，可以调整模头在相邻切割口之间移动的速度，使模头在不同的切割口之间切换时，所需要的移动时间恰好为超声波传播整个波形的整数倍，从而，可以保证模头扫描不同的切割口时，均为超声波的波峰定位至切割口。

如图2所示，材料未裂片前，材料的表面具有多条切割口，多条切割口相互垂直交叉呈网格状，其中一个网格的第一条边的长度为200.04μm，第二条边的长度为200.32μm；材料沿切割口裂片后，材料形成多条裂缝，如图3所示，裂缝的边缘整齐，裂缝的排列情况与切割口相同，材料裂片前后同一网格处，其中第一条边的长度为200.26μm，第二条边的长度为200.37μm，裂片前后网格的长度误差较小，裂片的精度较高。材料裂片后，形成多个网格状的单元，如图4所示，该单元相邻的两个侧面相互垂直，两个侧面的夹角近似为90度，且断裂面整齐、光滑，与裂片前切割口的排列情况相符。

在一个实施例中，切割口通过激光切割形成，如，设置激光头发射激光束，激光束沿材料的预设裂片轨迹对材料进行切割，并在材料表面形成切割口。利用激光束较高的能量密度，以光效应的方式对材料进行切割，加工速度较快且材料表面的变形较小，有利于提高材料加工质量。

激光束可以通过单焦点或多焦点照射，多焦点的激光束具有多个脉冲，多个脉冲组合对材料进行切割，可以使材料的切割断面能量分布更均匀，减少因能量分布均匀导致的材料切割之后翘曲以及因翘曲引起的自裂片，从而降低裂片难度，提高整个裂片流程的可控度。

具体的，激光束具有多个焦点时，多个脉冲同时作用于材料，不同焦点在材料的切割方向间隔设置，且投影重合，因此，激光束的不同焦点可以作用于材料的不同深度，将激光束的能量均匀分布至材料的切割区域，以提高切割口的饱满度，便于后期裂片。

激光束的焦点个数以及焦点之间的距离可以根据材料的厚度、切割深度选择，在一个实施例中，激光的光束具有两个焦点，两个焦点之间的间距为0.2h-0.5h，h为材料的切割深度，通过设置焦点之间的间距，使激光束作用于材料的不同深度，激光束的能量沿切割深度均匀分布，能够提高切割口切割质量，使材料能够沿切割口完整裂片，并且激光束的多个焦点同时向材料的切割位置释放能量，有助于形成完整的切割口，避免出现未达到切割深度等切割不彻底的情况。

如图5所示，激光束以单焦点切割时，焦点处于0.5h处(以材料的顶面为基准)，即材料切割深度的中心处，激光束的功率为15w，切割完成后，切割断裂区域集中于材料的下部区域；如图6所示，激光束以双焦点进行切割，其中一个焦点位于0.6h处，处于材料的中部，另一个焦点位于0.35h处，处于材料的上部，两个焦点之间的间距为0.25h，两个脉冲之间的点间距为4μm，激光的切割功率为10w，切割完成后，切割断裂区域集中于材料的中心位置；如图7所示，激光束以双焦点进行切割，其中一个焦点位于0.8h处，处于材料的下部，另一个焦点位于0.45h处，处于材料的中上部，两个焦点之间的间距为0.45h，两个脉冲之间的点间距为4μm，激光的切割功率为10w，切割完成后，切割断裂区域集中于材料的上边缘与下边缘。

通过调整焦点处于材料的位置，以及焦点之间的间距，可以改变切割形成的断裂区域的位置，以优化切割口断裂面的光滑度及饱满度，便于裂片。

另外，裂片前，在材料的表面粘附胶膜，胶膜覆盖材料的切割口，模头每沿一个切割口扫描后，材料沿该切割口分裂呈两个部分，当介质为液体时，液体由于超声波传递的振动而流动，使材料裂片后形成的不同部分移位，不利于模头再次对材料的定位及扫描，通过胶膜粘接材料，胶膜对材料进行固定，即使材料完成裂片，其所形成的不同部分仍作为一个整体被模头定位和扫描，有利于提高材料的裂片精度。该胶膜可以是蓝膜或者UV膜，UV膜能够通过UV照射降低黏度，便于胶膜从材料表面撕除。

在一个实施例中，超声波裂片方法还设置有检测步骤，该检测步骤设置于裂片前，以对切割口进行检测，以获取切割口的切割质量、切割口的位置、长度等信息，便于模头对切割口定位及扫描；进一步的，检测步骤同时设置于裂片后，以检测材料裂片后的裂缝，以查看材料裂片是否彻底，是否需要补裂。检测步骤可以通过设置CCD检测模组、光电传感器等检测元件执行。

参照图8与图9，本发明的实施例中还提供了一种超声波裂片装置，用于实施上述的超声波裂片方法。超声波裂片装置包括裂片平台100、超声波发生器、传递介质300及驱动模组，裂片平台100用于放置待裂片的材料200，为材料200提供平整的放置平面，便于对材料200的不同切割口210进行定位；超声波发生器包括能够发射超声波的模头400，模头400与裂片平台100相对设置，使模头400能够向裂片平台100上的材料200发射超声波；裂片平台100与模头400置于传递介质300内，或者均与传递介质300接触，如，传递介质300为气体、液体时，裂片平台100与至少部分模头400均置于该传递介质300内，模头400通过传递介质300向材料200发射超声波，传递介质300为固体时，模头400与材料200均与传递介质300接触，模头400通过传递介质300向材料200发射超声波；驱动模组与裂片平台100和/或模头400连接，并用于驱动模头400相对于材料200沿切割口210持续移动，以向切割口210持续发射超声波，能够提高材料200受力的均匀度以及裂片质量。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.超声波裂片方法，其特征在于，包括：

在材料的至少一个表面上形成切割口；

超声波发生器的模头沿所述切割口持续移动，并通过介质向所述切割口发射超声波，使超声波不同波段的振动强度发生变化，在模头移动过程中，超声波作用于材料上一位置处的波段，恰好传播至模头所对应的下一位置，材料的不同位置均可受到超声波同一波段的振动作用，裂片前，调节所述超声波发生器的频率、所述模头与所述材料的距离，将所述超声波发生器的波峰定位至所述切割口，所述模头与材料之间的距离为1mm-10mm，所述超声波发生器所发出的超声波的频率为20KHz-80KHz，所述超声波的功率为500W-1500W。

2.根据权利要求1所述的超声波裂片方法，其特征在于，所述材料表面具有多条所述切割口，所述模头依次经过每一切割口，并且于每一切割口处往复移动多次。

3.根据权利要求2所述的超声波裂片方法，其特征在于，沿所述材料的预设裂片轨迹，对所述材料进行激光切割，并形成所述切割口。

4.根据权利要求3所述的超声波裂片方法，其特征在于，所述激光的光束至少具有一个焦点，具有多个焦点的所述光束，不同的焦点在所述材料的切割方向上间隔设置，且投影重合。

5.根据权利要求4所述的超声波裂片方法，其特征在于，所述激光的光束具有两个焦点，两个所述焦点之间的间距为0.2h-0.5h，其中h为材料的切割深度。

6.根据权利要求1所述的超声波裂片方法，其特征在于，在裂片前，在所述材料的表面粘附胶膜，并将所述胶膜覆盖所述切割口。

7.根据权利要求1所述的超声波裂片方法，其特征在于，还包括检测步骤，所述检测步骤设置于裂片前，以检测所述切割口；和/或，所述检测步骤设置于裂片后，以检测所述材料裂片后的裂缝。

8.超声波裂片装置，其特征在于，实施权利要求1至7中任一项所述的超声波裂片方法，包括：

裂片平台，用于放置表面具有切割口的材料；

超声波发生器，包括用于发射超声波的模头，所述模头与所述裂片平台相对设置；

传递介质，所述裂片平台与所述模头置于所述传递介质内，或者均与所述传递介质接触；

驱动模组，与所述裂片平台和/或所述模头连接，并用于驱动所述模头相对所述材料沿所述切割口持续移动。