DE102021100144A1

DE102021100144A1 - Verfahren zur Bearbeitung eines Glases

Info

Publication number: DE102021100144A1
Application number: DE102021100144.7A
Authority: DE
Inventors: Roman Ostholt; Daniel Dunker; Arne Schnoor; Svenja Schudak
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2021-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere ebenen Glases (1) durch Einbringen zumindest einer Schnittfläche, wobei zunächst Modifikationen durch eine Laserstrahlung in das Glas (1) eingebracht werden und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag der modifizierten Bereiche durch Ätzen in einem Ätzbad durchgeführt wird und so die Schnittfläche erzeugt wird. Erfindungsgemäß werden innerhalb oder außerhalb zu der erzeugenden Kontur benachbart zu dieser in einen Randbereich (7) mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand (A) angeordnete Modifikationen eingebracht und durch Ätzen der Modifikationen eine Vielzahl von Mikrolöchern (8) als Durchgangslöcher in direkter Nähe zu der Schnittkante erzeugt. Die Mikrolöcher (8) verändern die Spannungsverteilung maßgeblich und wirken sich vorteilhaft für die Belastbarkeit und Haltbarkeit der Schnittfläche aus, auf die dadurch lediglich eine deutlich reduzierte Oberflächenspannung wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere ebenen Glases, wobei zunächst Modifikationen entlang einer zu erzeugenden Kontur, insbesondere einer Umfangskontur mittels Laserstrahlung in das Glas eingebracht werden und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag der modifizierten Bereiche durch Ätzen in einem Ätzbad durchgeführt wird.
Ein solches Verfahren zum Laserschneiden wird bei empfindlichen Bauteilen wie beispielsweise flexiblen Dünnstgläsern oder leichten hochfesten Gläsern eingesetzt.
Das Laserschneiden ist ein spaltfreier Trennprozess für (chemisch oder thermisch) gehärtetes und ungehärtetes Glas von 100 µm bis 10 mm Dicke sowie für andere spröde Materialien. Das Laserschneidverfahren bietet Schnittgeschwindigkeiten von mehr als 300 mm/s. Es eignet sich für gerade, kurvige, geneigte oder angefaste Konturen gleichermaßen wie für das Schneiden von Rohren, gekrümmten Oberflächen oder geschichteten Gläsern.
Zur Vermeidung scharfkantiger Schnittkanten ist es bereits bekannt, das Glas für Displays mit CO2-Lasern zu schneiden. Bei diesem Schneidprozess werden die Schnittkanten zugleich leicht geschmolzen und die Schnittkante somit abgerundet.
Aus der Praxis ist es zur Fertigung von Displaygläsern mit abgerundeten Kanten auch bereits bekannt, nacheinander die Verfahrensschritte Cutting, Grinding, Chamfer und Grooving mittels einer CNC-Fräse durchzuführen und abschließend die Kante zu polieren.
Ferner eignet sich auch das Sublimierschneiden zum Schneiden dünner Gläser oder um Konturen mit Radien zu erzeugen. Dabei verdampfen kontinuierlich und gepulst emittierende Lasersysteme das Glas lokal. Dieses lässt sich dadurch sehr flexibel trennen. Durch laserbasiertes Umschmelzen können lokal Kanten verrundet und Oberflächen poliert werden.
Das Entgraten und Verrunden der Schnittkanten von Gläsern mit Laserstrahlung beruht auf der Absorption der Laserstrahlung in einer dünnen Randschicht des Werkstücks, sodass oberflächennah Material aufgeschmolzen wird. Im flüssigen Zustand kann die Rauheit aufgrund der Oberflächenspannung ausfließen und wird geglättet. Durch eine geeignete Wahl der Verfahrensparameter kann zudem eine definierte Verrundung der Kante eingestellt werden.
Bei der Kantenpolitur von Gläsern mittels CO2-Laserstrahlung werden durch das Aufschmelzen neben einer Verrundung der Kante auch Mikrorisse beseitigt. Durch die kontaktlose Bearbeitung, welche die Entstehung neuer Defekte in der Glaskante vermeidet, werden Bearbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 mm/s erreicht.
Neben einigen Covergläsern können auch viele andere Gläser und optische Gläser, beispielsweise Quarzglas, bearbeitet werden.
Bei dem auch als LIDE-Verfahren bezeichnenden, beispielsweise aus der WO 2014/161534 A2 bekannten, laserinduzierten Tiefenätzen wird ein transparentes Material mittels eines Laserpulses oder einer Pulsfolge über einen länglichen Bereich entlang der Strahlachse, häufig über die gesamte Dicke des transparenten Materials, z. B. bei Glasplatten, modifiziert, sodass in einem anschließenden nasschemischen Ätzbad die Modifikation anisotrop geätzt wird. Werden die Laserpulse mit geeignetem räumlichen Abstand entlang einer Kontur auf das Material abgegeben, wird das Material während des anisotropen Materialabtrags entlang der Kontur getrennt. Der Laserenergieeintrag dient dabei zur Anregung bzw. Auslösung einer Reaktion und einer Modifikation durch Umwandlung, deren Wirkung erst im nachfolgenden Verfahrensschritt zu der gewünschten Materialtrennung führt bzw. genutzt wird.
In der aktuellen Display- und Elektronikentwicklung wird die Herstellung und Prozessierung von sehr dünnen Gläsern unter 100 µm immer wichtiger. Typischerweise nimmt mit abnehmender Dicke der Gläser deren Flexibilität bzw. Biegsamkeit immer weiter zu. Gleichzeitig werden solche Gläser immer anfälliger für mechanische Beschädigung, insbesondere das Einbringen von Oberflächenrissen ist eine große Gefahr bei der Bearbeitung von Gläsern.
Eine besondere Herausforderung besteht in dem Zuschneiden von dünnen Gläsern. Bei einer mechanischen Herangehensweise werden dünne Gläser unter 100 µm lokal einer zu großen Kraft ausgesetzt, so dass sich schnell Mikrorisse einstellen. Auch eine Herangehensweise mittels Laserablation scheidet aus, da diese Spannnungsrisse verursacht.
Eine Alternative zu diesen Verfahren stellt grundsätzlich die LIDE-technologie dar. Bei dieser werden Schnittkanten mit einem Laser markiert bzw. ihre Struktur modifiziert. In einem anschließenden, nass-chemischen Verfahren werden dann diese markierten Bereiche schneller entfernt als das umgebende Material. Das Resultat ist das Formieren einer Schnittkante.
Eine gängige Anwendung dieser ultra-dünnen Gläser ist die Verwendung dieser als biegsame Frontscheiben in der Displayfertigung. Diese dünnen Gläser müssen dann bis zu einem Winkel von 180° gebogen werden. Eine solche Bewegung stellt eine enorme Spannungserhöhung dieses eigentlich nicht-flexiblen Materials dar. Treten diese Spannung in der Nähe von Oberflächenrissen auf, führt dies zu einer sofortigen Vergrößerung des Risses und damit letztendlich zur Zerstörung des Glases. Solche Oberflächenrisse treten in beinahe allen Fällen an Schnittkanten auf.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem - benachbart zu der erzeugenden oder einer vorhandenen Kontur, beispielsweise einem Bereich mit einer geringeren Materialstärke -, in einen oder mehrere Randbereiche mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand angeordnete Modifikationen in das Glas eingebracht werden, durch die mittels Ätzen infolge des anisotropen Materialabtrags der modifizierten Bereiche eine Vielzahl von Mikrolöchern in direkter Nähe zur Schnittkante bzw. Schnittfläche erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren führt einerseits zu einer bereits rissfreien Schnittfläche entlang der Kontur. Andererseits lassen sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zugleich in einem gemeinsamen Verfahrensschritt die Mikrolöcher in direkter Nähe zur Schnittkante etablieren. Diese verändern die Spannungsverteilung maßgeblich und zum Vorteil für die Schnittfläche. Die Schnittflächen müssen dadurch lediglich eine deutlich reduzierte Oberflächenspannung aushalten, was der Stabilität des Ausschnitts zu Gute kommt. Solche Entspannungslöcher oder Schnitte lassen sich in verschiedenen Formen und Ausprägungen realisieren.
Dicke Spezial-Gläser werden gerne als Cover-Gläser zum Schutz der empfindlichen Displaykomponenten verwendet. Ein Kriterium für deren Nutzbarkeit ist die Bruchsicherheit. Eine solche wird anhand eines Hand-Drop Tests qualifiziert. Dabei wird ein Glas aus einer bestimmten Höhe fallen gelassen und die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs ermittelt.
Eine Applizierung von Mikrolöchern an den Randbereichen bzw. Kanten und insbesondere den Randbereichen bzw. Kanten eines geschnittenen, dicken Glases führt dazu, dass sich bei einem solchen Test auftretende Kräfte besser verteilen können. Die Löcher produzieren eine Art Pufferzone in einem Material, welches keine plastische Deformation zulässt. Das Resultat eines solchen Herangehens ist, dass sich die Ergebnisse solcher Hand-Drop Tests in statisch relevanter Weise verbessern.
Die Aufgabe wird weiterhin noch dadurch gelöst, dass in zumindest einem Randbereich des Glases innerhalb des Bereichs mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand und/oder Muster angeordnete, durch die Kontur begrenzte Modifikationen eingebracht werden, wobei der Bereich gegenüber den anschließenden Bereichen des Glases abweichende Eigenschaften, insbesondere eine reduzierte Materialstärke und/oder eine Materialschwächung aufweist. Die Materialschwächung kann sich über die gesamte Länge oder Breite des Glases erstrecken und beispielsweise in einem gemeinsamen Arbeitsschritt zusammen mit den durch die Kontur begrenzten Mikrolöchern oder Durchgangslöchern durch Einbringen von Modifikationen innerhalb des gesamten Bereichs mittels Laserstrahlung und durch nachfolgenden anisotropen Materialabtrag in dem so modifizierten Bereich durch Ätzen in einem Ätzbad erzeugt werden.
Durch den Ätzabtrag lässt sich insbesondere durch die Änderung der Parameter beim Einbringen der Modifikationen entlang der Umfangskontur eine gewünschte Querschnittsform bzw. -kontur, beispielsweise eine Fase, eine C-förmige bzw. V-förmige Querschnittsform, oder eine Abrundung erreichen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1a bis 1c eine Prinzipdarstellung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2a eine Draufsicht einer mittels des Verfahrens erzeugten Umfangskontur des Glases;
2b eine Seitenansicht der erzeugten Umfangskontur des Glases;
3 eine Draufsicht auf das Glas mit einer Vielzahl in einem regelmäßigen Abstand in einen Randbereich eingebrachten Mikrolöchern;
4 eine Schnittdarstellung des Glases entlang der Linie IV-IV in der 3 mit den in den Randbereich eingebrachten Durchgangslöchern.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere ebenen, als ein Display einsetzbaren Glases 1, durch Einbringen eines Ausschnitts 2 entlang einer Schnittfläche 3 einer Kontur 4 in das Glas 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher ausgeführt.
Hierzu werden zunächst mittels einer in Pfeilrichtung auf der Glasoberfläche bewegten Laserstrahlung 5 eine Vielzahl von Modifikationen 6 entlang einer zu erzeugenden Kontur 4, insbesondere einer Umfangskontur, in das Glas 1 eingebracht, wobei die Modifikationen 6 keinen Materialabtrag in dem Glas 1 bewirken. (1a, 1b)
Der Materialabtrag zum Entfernen oder zur Reduzierung der Materialstärke des von der Kontur 4 eingeschlossenen Bereichs erfolgt nachfolgend durch einen anisotropen Materialabtrag der modifizierten Bereiche entlang der Modifikationen 6 durch Ätzen in einem nicht gezeigten Ätzbad, um so den gewünschten Ausschnitt 2 zu erzeugen, der als Durchbrechung oder als gezielte Materialschwächung durch eine reduzierte Materialstärke realisiert werden kann, um so beispielsweise partiell flexible Eigenschaften zu erreichen. (1c)
Erfindungsgemäß werden , begrenzt auf eine Kontur 4 innerhalb des flexiblen Bereichs 9, der gegenüber den angrenzenden Bereichen mit der Materialstärke D eine demgegenüber reduzierte Materialstärke d aufweist, in einen Randbereich 7 mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand A oder in einem vorbestimmten Muster angeordnete Modifikationen 6 eingebracht, durch die bei dem nachfolgenden anisotropen Materialabtrag Mikrolöcher oder Mikrokanäle, beispielsweise als Durchgangslöcher und/oder als Sacklöcher, in direkter Nähe bzw. mit sehr geringem Abstand zu einer Umfangskontur oder Schnittkante bzw. Schnittfläche 3 erzeugt werden, wobei die Orientierung der Mikrolöcher 8 oder Mikrokanäle insbesondere parallel zu der Schnittfläche 3 bzw. lotrecht zu der Oberfläche des Bereichs 9 verläuft. (3)
Durch die Mikrolöcher 8 oder Mikrokanäle in der Nähe zu der Schnittfläche 3 verändert sich in vorteilhafter Weise die Spannungsverteilung innerhalb des Glases 1 maßgeblich, was sich vor allem auch auf die Eigenschaften der Schnittfläche 3, insbesondere unter Belastung positiv auswirkt.
Besonders bei biegsamen Gläsern 1 in der Displayfertigung, die bis zu einem Winkel von 180° gebogen werden, kommt es typischerweise zu einer erheblichen Spannungserhöhung des Glases 1 entgegen der grundsätzlich nicht-flexiblen Materialeigenschaften. Treten diese Spannungen in der Nähe von oberflächennahen Beschädigungen des Glases 1 auf, führt dies zu Rissbildungen, die häufig an der Schnittfläche 3 auftreten und zur Zerstörung des Glases 1 führen können.
Durch die erfindungsgemäßen Mikrolöcher 8 wirken auf die Schnittfläche 3 lediglich erheblich reduzierte Oberflächenspannungen, was der Stabilität des Ausschnitts 2 zu Gute kommt. Solche Mikrolöcher 8 als Entspannungslöcher oder -schnitte lassen sich in verschiedenen Formen, insbesondere hinsichtlich der Querschnittsform und der Querschnittsfläche, auch mit entlang der Haupterstreckung der Mikrolöcher 8 zwischen den Außenflächen des Glases 1 unterschiedlichen Abmessungen und Ausprägungen realisieren.
Dabei weist das Glas 1 beispielsweise eine Materialstärke von mehr als 100 µm auf, während in einem flexiblen Bereich 9 die Materialstärke auf weniger als 100 µm reduziert ist. In dem in der 3 gezeigten Beispiel sind die Mikrolöcher 8 benachbart zu dem flexiblen Bereich 9 angeordnet und sind daher auf den Randbereich 7 beschränkt, der im späteren Gebrauch die besonders belastete, insbesondere im späteren Gebrauch eine Biegezone bildenden Zone begrenzt.
Wie beispielsweise in der 2b zu erkennen, beschränkt sich die Wirkung des Ätzprozesses nicht allein auf die Modifikationen 6 zum Einbringen der Mikrolöcher 8. Vielmehr wird die gesamte Umfangskontur einschließlich der Randbereiche 7 des Glases 1 durch den Ätzabtrag abgerundet, wodurch zusätzlich das Risiko von Spannungsrissen reduziert ist. Durch den Ätzabtrag entlang der Umfangskontur entsteht eine Fase oder eine C-förmige oder V-förmige Querschnittskontur.
Bei Versuchen hat es sich bereits als Erfolg versprechend erwiesen, wenn das modifizierte Glas 1 in dem Ätzbad einer Behandlung mit einer wässrigen Lösung von Flusssäure (HF) und zumindest einer weiteren Säure als Sekundärsäure ausgesetzt wird. Indem während des Ätzprozesses durch die Sekundärsäure eine lokal oder partiell veränderliche Säurekonzentration herbeigeführt wird, variiert die Ätzrate im Bereich der zu erzeugenden Schnittfläche 3. Die Sekundärsäure dient der Umwandlung bzw. Rückführung von schwer löslichen Ätzprodukten, beispielsweise Fluoriden, in leichter lösliche Ätzprodukte und freies Fluorid (F-). Die so entstehenden Produkte hängen von der verwendeten Sekundärsäure ab, sodass diese je nach verwendeter Sekundärsäure austauschbar sind, beispielsweise Sulfide bei Schwefelsäure oder Nitride bei Salpetersäure.
Bezugszeichenliste

1: Glas
2: Ausschnitt
3: Schnittfläche
4: Kontur
5: Laserstrahlung
6: Modifikation
7: Randbereich
8: Mikrolöcher
9: Bereich
A: Abstand
D, d: Materialstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/161534 A2 [0010]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere ebenen Glases (1), insbesondere zum Einbringen einer Schnittfläche (3) und/oder einer Materialschwächung in das Glas (1), wobei zunächst Modifikationen (6) entlang einer zu erzeugenden Kontur, insbesondere einer Umfangskontur mittels Laserstrahlung (5) in das Glas (1) eingebracht werden und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag der modifizierten Bereiche durch Ätzen in einem Ätzbad durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der erzeugenden Kontur (4) in zumindest einem Randbereich (7) innerhalb und/oder außerhalb der Kontur (4) der Schnittfläche (3) und/oder der Materialschwächung mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand (A) und/oder Muster angeordnete Modifikationen (6) eingebracht werden.
Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere ebenen Glases (1), wobei Modifikationen (6) innerhalb einer Kontur mittels Laserstrahlung (5) in einen Bereich des Glases (1) eingebracht werden und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag der modifizierten Bereiche durch Ätzen in einem Ätzbad durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Randbereich (7) des Glases (1) innerhalb und/oder außerhalb des Bereichs (9) mehrere mit einem insbesondere regelmäßigen Abstand (A) und/oder Muster angeordnete, durch die Kontur begrenzte Modifikationen (6) eingebracht werden, wobei der Bereich (9) gegenüber den anschließenden Bereichen des Glases (1) abweichende Eigenschaften, insbesondere eine reduzierte Materialstärke (d) und/oder eine Materialschwächung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (7) parallel zu der Schnittfläche (3) und/oder der Kontur (4) verläuft.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (7) einen Abstand von der Kontur (4) von wenigen 100 µm aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationen (6) in dem Randbereich (7) beschränkt auf eine besonders belastete Zone, insbesondere ein im späteren Gebrauch eine Biegezone bildende Zone, eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Randbereich durch Ätzen der Modifikationen (6) in einem Ätzbad Mikrolöcher (8), insbesondere als Durchgangslöcher erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationen (6) in dem Randbereich (7) orthogonal zu der Oberfläche des Glases (1) und/oder parallel zu der Schnittfläche (3) eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere als Durchgangslöcher ausgeführten Mikrolöcher (8) einen Durchmesser von weniger als 100µm, insbesondere zwischen 30 µm und 50 µm aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas (1) ein Schutzglas mit einer Materialstärke (D) von mehr als 100 µm, insbesondere mehr als 300 µm oder mehr als 500 µm ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas (1) ein insbesondere flexibles Glas (1) ist und/oder einen flexiblen Bereich (9) aufweist, wobei das Glas (1) eine Materialstärke (D) von mehr als 100 µm aufweist und der flexible Bereich (9) und/oder das flexible Glas (1) eine Materialstärke (d) von weniger als 100 µm aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Einbringen der Modifikationen entlang der zu erzeugenden Umfangskontur des Glases (1) und den nachfolgenden anisotropen Materialabtrag durch Ätzen eine gewünschte Querschnittsform bzw. -kontur, insbesondere eine Fase, eine C-förmige bzw. V-förmige Querschnittsform, oder eine Abrundung erzeugt wird.