CN1978121A - 雷射切割装置 - Google Patents

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傅承祖
黄俊凯
陈献堂
张明辉
许宗富
郭访璇
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Abstract

一种雷射切割装置，用于切割脆性材料，其定义有切割方向且包括第一雷射单元及冷却系统，该雷射切割装置还包括第二雷射单元，该第二雷射单元产生第二雷射光，其于基板上形成预切割线，上述第一雷射单元产生第一雷射光，其沿着上述预切割线使基板受热膨胀，上述冷却系统用于对上述受热膨胀的基板进行冷却。这样明显的保证了切割品质，提高了产品的良率。

Description

雷射切割装置
【技术领域】
本发明揭示了一种雷射切割装置，尤其指一种用于切割脆性材料如液晶显示装置(TFT-LCD)(Thin Film Transistor，简称TFT；Liquid CrystalDisplay，简称LCD)玻璃面板的雷射切割装置。
【背景技术】
随着显示技术的不断发展，液晶显示装置(TFT-LCD)由于其自身的特性已广泛的应用于消费领域内。其被视为将用以取代传统的阴极射线管(Cathode Ray Tube，简称CRT)显示装置的强劲对手。
液晶显示装置通常由两块玻璃基板、收容于两块玻璃基板内的液晶及若干电路组成。液晶可以在电场的影响下改变排列方式来进行完成显示动作。为了形成不同尺寸的液晶显示面板，通常需要对较大的液晶显示面板进行切割以满足不同的需求。
传统的雷射切割玻璃基板时，大都以刀轮或是钻石刀在玻璃基板表面产生预切割线，随即以雷射光束加热基板表面，再以冷却液冷却基板表面。基板因急剧的温度差产生应力的变化，使先前由刀轮或是钻石刀在玻璃基板表面产生预切割线产生裂纹向下成长，进而贯穿整个基板断面使的基板完全分离。
图1为传统的雷射切割系统架构示意图，其包括二氧化碳雷射光1，反射镜2，聚焦镜3，刀轮4及冷却系统5。当沿着切割方向A进行切割基板6时，刀轮4先在基板6的表面进行切割形成一定深度的预切割线，然后经反射镜2及聚焦镜3而照射到基板6表面的二氧化碳雷射光1沿着上述的切割痕对基板进行加热，随后冷却系统5对加热的切割痕进行冷却，利用加热和冷却所产生的温度差对玻璃面板产生的应力来进行使基板完全分离。
然而，在传统的雷射切割基板时，会产生一系列问题，首先，刀轮在基板表面形成预切割线时会在基板上产生中央裂痕(median crack)、径向裂痕(radial crack)及横向裂痕(lateral crack)，上述之各种裂痕可统称为一次微裂痕(first micro-chipping)，其使材料表面损伤；其次，当雷射光及冷却系统随后沿着预切割线对基板切割时会因快速加热及冷却基板而再次对基板表面产生压力，使得刀轮切割时形成的一次微裂痕成长，在基板上形成了二次微裂痕(second micro-chipping)，则更加加重了基板的损伤。另外，根据脆性材料的破坏力学理论(Griffith’s law)：
σf＝k1c/(Y*C)1/2
其中，σf为材料的破坏强度；k1c为材料的破裂韧性，使材料的一种本质特性；Y为常数，与裂痕的几何形状有关，当裂痕为椭圆时，Y＝π；C为裂痕尺寸大小。
由于传统的刀轮或钻石刀切割时产生一次微裂痕，使得C值很大，又因为材料的破坏强度变小则基板的强度随之下降，这样就很容易使基板受到严重的损伤，影响基板的品质。随着基板厚度越来越薄，传统切割时所产生的裂痕就更加容易产生。可见，传统的雷射切割方式会对基板产生损伤，进而影响到产品的良率。
所以需要设计一种新型的雷射切割装置以克服上述不利的情况发生。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种雷射切割装置，其可以可靠的提高基板切割的品质。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种雷射切割装置，用于切割脆性材料，其定义有切割方向且包括第一雷射单元及冷却系统，其特征在于：该雷射切割装置还包括第二雷射单元，该第二雷射单元产生第二雷射光，其于基板上形成预切割线，上述第一雷射单元产生第一雷射光，其沿着上述预切割线使基板受热膨胀，上述冷却系统用于对上述受热膨胀的基板进行冷却。
与现有技术相比，本发明雷射切割装置利用雷射光来于基板上形成预切割线，这样就避免了利用传统刀轮或钻石刀来形成预切割线所产生的微裂痕的缺陷，明显的保证了切割品质，提高了产品的良率。
【附图说明】
图1为一种现有的雷射切割装置架构示意图。
图2为本发明雷射切割装置架构示意图。
【具体实施方式】
参看图2所示，本发明雷射切割装置包括第一雷射单元、第二雷射单元及冷却系统13。第一雷射单元包括第一雷射光单元7、第一反射镜9及第一聚焦镜组11，用于产生并使第一雷射光照射于基板14上。第二雷射单元包括第二雷射光单元8、第二反射镜10及第二聚焦镜组12，用于产生并使第二雷射光聚焦在基板14表面上。在本实施例中，第一雷射光为二氧化碳雷射光，第二雷射光为紫外波长雷射光(UV Laser)。第一雷射光经第一反射镜9反射到第一聚焦镜组11后，在第一聚焦镜组11的非聚焦位置以非聚焦方式照射于基板14上；第二雷射光经第二反射镜10反射到第二聚焦镜组12后，在第二聚焦镜组12的聚焦位置以聚焦方式聚焦于基板14上。冷却系统13可以是单一液体、单一气体加单一液体的混合物或一种以上的气体与液体的混合物等，如空气、纯水、冷却油、液态氮或液态氦等。
继续参看图2所示，沿着切割方向B，冷却系统13、第一雷射单元及第二雷射单元依次排列。对基板14进行切割时，第二雷射光经过适当材质的第二反射镜10后被导引至第二聚焦镜组12，聚焦镜组12将第二雷射光的能量聚焦在基板14的表面，此时，利用第二雷射光的高尖峰脉冲功率与极高的脉冲频率，将基板14表面的材料一一移除，这样就在基板14上形成一定深度的预切割线。
在第二雷射光于基板14上形成预切割线的同时，第一雷射光经过适当材质的第一反射镜9后被导引至第一聚焦镜组11，聚焦镜组11将第一雷射光的雷射能量沿着预切割线以非聚焦的方式照射在基板表面上，使基板受热膨胀而在基板内部产生压应力。
在第一雷射光对基板的预切割线进行加热后，紧接着冷却系统13将冷却液沿着加热的预切割线急速的以雾状喷在基板14上，冷却液使基板表面的温度急速下降，基板14内部因温度下降发生收缩而产生张应力。
这样，基板因在短时间内局部发生急剧应力变化，而使得基板会沿着预先由第二雷射光所产生的预切割线产生裂纹，裂纹在切割面成长使得基板完全分离，从而完成对基板14的切割。
造成基板分离的因素有很多，主要由于雷射加热与冷却的作用，对玻璃内部所产生之应力，其可由下列公式表示：
σ～0.5αEΔT    (1)
ΔT＝T1-T2       (2)
其中，σ为玻璃面板内部所产生的应力大小，α为玻璃面板内部的热膨胀系数，E为玻璃面板杨氏系数，T1为雷射加热玻璃面板后玻璃面板的温度，T2为冷却后玻璃面板的温度。
由公式(1)和(2)所示，面板内部的应力大小与材料的热膨胀系数、杨氏系数与雷射与冷却系统在玻璃面板上产生的温度差成正比。而且T1的最大值不能大于玻璃面板的气化温度。
当雷射加热与冷却系统对基板所造成的应力大于基板材料的破裂强度时，基板表面将产生裂纹，裂纹会随着制程条件的不同，在玻璃表面呈现不同的成长，如基板的完全分离(Full Body Cut，简称FBC)。
继续参看图2所示，在本发明中，由于使用第二雷射光8在基板14的表面形成预切割线，因而所得到的预切割面均匀性良好，且不会造成一次微裂痕。这样就可以保证整个切割过程具有良好的切割品质。另外，第二雷射光，即紫外波长雷射光，对基板14表面所造成的切割线的切痕深度及切割品质与该雷射光功率的大小、雷射光点的大小、切割速度及雷射光的脉冲频率有关。当第二雷射光切割使脉冲频率较低(100-200KHz)时，预切割线断面会产生一些不连续的坑洞；当雷射切割使脉冲频率较高，即大于200KHz时，预切割线断面平滑且没有不连续的坑洞，基板14的水平表面与预切割线所形成的垂直切割道相交处没有裂痕。
在切割过程中，第二雷射光于基板14上形成的预切割线路径，第一雷射光照射于基板14的路径及冷却系统喷射于基板14的路径，三者在同一直线上。
此外，由于雷射光从关闭到激发再到稳定的输出的过程中需要一定的时间才能达到，为了维持雷射光的输出稳定度，在本发明中，分别于第一雷射光单元7和第一反射镜9及第二雷射光单元8和第二反射镜10之间设置有第一光遮断器15和第二光遮断器16。光遮断器作为雷射光通过或阻挡雷射光的一种开关，利用光遮断器来控制是否输出至工作物表面，在制程过程中不需要开关雷射光单元，仅需直接控制光遮断器的开关就可控制雷射光的输出。
本发明中，基板4安装在基板承载台(未图标)上，该承载台可做直线移动或旋转动作，如图2所示，也就是说，本发明雷射切割装置可以沿着切割方向B和C进行切割。本切割装置可全部先沿切割方向C进行切割完成后，再沿切割方向B进行切割，或是相反顺序，也可先沿切割方向C切割数次后就旋转到沿切割方向B进行切割。当然，旋转角度不限于90度。
另外，为到达基板4放置在承载台上的经准度以达到切割精度的要求，基板4上设置有第一定位点19和第二定位点20，本发明雷射切割装置还设置有分别对应第一定位点19和第二定位点20的第一影像传感器17和第二影像传感器18。利用第一与第二影像传感器17，18来获取第一定位点19和第二定位点20的真实位置，同时来调整承载台的移动与旋转，以达到基板4准确定位的目的。

Claims (10)

1.一种雷射切割装置，用于切割脆性材料，其定义有切割方向且包括第一雷射单元及冷却系统，其特征在于：该雷射切割装置还包括第二雷射单元，该第二雷射单元产生第二雷射光，其于基板上形成预切割线，上述第一雷射单元产生第一雷射光，其沿着上述预切割线加热基板使其受热膨胀，上述冷却系统用于对上述受热膨胀的基板进行冷却。
2.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：沿着上述切割方向，冷却系统、第一雷射单元及第二雷射单元依次排列。
3.如权利要求2所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第二雷射光于基板上形成的预切割线路径，第一雷射光照射于基板的路径及冷却系统喷射于基板的路径，三者在同一直线上。
4.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第一雷射光为紫外波长雷射光。
5.如权利要求4所述的雷射切割装置，其特征在于：上述紫外波长雷射光的脉冲频率大于200KHz。
6.如权利要求1或4所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第二雷射光为二氧化碳雷射光。
7.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第二雷射光以聚焦方式聚焦于基板表面来形成预切割线，上述第一雷射光以非聚焦方式照射来加热基板。
8.如权利要求1所述的雷射切割装置，其特征在于：上述任一雷射单元包括独立的雷射光单元、反射镜及聚焦镜组。
9.如权利要求8所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第一雷射光单元产生的第一雷射光经第一反射镜反射至第一聚焦镜组后，于第一聚焦镜组的非聚焦位置以非聚焦方式照射于基板上。
10.如权利要求8所述的雷射切割装置，其特征在于：上述第二雷射光单元产生的第二雷射光经第二反射镜反射至第二聚焦镜组后，于第二聚焦镜组的聚焦位置以聚焦方式于基板上形成预切割线。
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