JP2006137169A - Method and apparatus for breaking and cutting fragile material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は脆性材料、なかんずくガラスなどの脆性材料の割断方法及び同用装置に関する。本明細書では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。 The present invention relates to a brittle material, especially a method for cleaving brittle materials such as glass, and an apparatus for the same. In the present specification, description is made especially for glass, but in addition to glass, it can be applied to brittle materials such as quartz, ceramic, and semiconductor in general.
脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で切断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去1世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。 Conventionally, brittle materials have been cut by a mechanical method using a carbide tool such as a diamond tip. The application of this method to glass is also a method that has been used for a long time over the past century.
ところがこうした機械的方法には、次に述べるような欠点が存在する。第一は、切断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、切断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。 However, such mechanical methods have the following drawbacks. The first is that small pieces called cullet are generated at the time of cutting, and the work surface is soiled. Secondly, there is a risk that a microcrack is generated in the vicinity of the cut surface and the workpiece is cracked starting from the microcrack. Third, there is a cutting margin of about several hundred microns at the minimum, and the existence of this cutting margin cannot be ignored at present when the workpiece size is miniaturized without limit. In addition to this, there are other disadvantages that cannot be ignored in the industry, such as the limit of processing speed and the cost of tools that are consumables.
窓ガラスの切断などは従来技術で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファイン・ガラス切断の場合、マイクロクラック対策のために切断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要である。 Cutting of window glass, etc. is not a problem with the prior art, but in the case of fine glass cutting used for liquid crystal display, plasma display, etc., after cutting, etc. after polishing the cut surface to prevent micro cracks A process is required.
それに対して、レーザ割断には次に述べるような特徴がある。第一に、質量損失がゼロ(カレット発生なし)で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが1μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が±25μ以下である。第五に、ガラス板厚0.2mmまでの薄さに使用でき、今後の液晶TV用に使用できる。 On the other hand, laser cleaving has the following characteristics. First, the mass loss is zero (no cullet generation), and no post-process such as cleaning is required. Second, since a high-strength cross section is obtained without the occurrence of fracture defects such as microcracks in the vicinity of the split cross section, a post-process such as polishing is unnecessary. Third, a mirror surface having a surface roughness of 1 μm or less is obtained. Fourth, the product outline accuracy is ± 25 μm or less. Fifth, it can be used for glass plates with a thickness of up to 0.2 mm and can be used for future liquid crystal TVs.
ガラスに高エネルギー密度のCO2レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。図1に示すようにレーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の移動方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。同図において、1は加熱レーザビーム、2はガラス内部の圧縮応力、3は冷却液、4はガラス内部の引っ張り張力である。この引っ張り張力の作用で割断亀裂5が生じる。ガラス板6において、始点に機械的方法によるトリガークラック8をつけておくと、割断亀裂5はこのトリガークラックから発生し、レーザビームの移動方向7に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図1に示す加熱レーザビーム1は、この最適化がなされたものである。When glass is irradiated with a high energy density CO 2 laser beam, the laser beam is generally absorbed at the irradiation spot, and as a result of rapid heating, radial cracks are generated, and cutting proceeds only in the traveling direction. I can't do that. However, if the energy density of the laser beam is set to be sufficiently lower than that which generates such cracks, the glass is only heated and neither melting nor cracking occurs. At this time, the glass tends to thermally expand, but it cannot expand due to local heating, and compressive stress is generated around the irradiation point. This local heating source is moved in the direction in which it is desired to cleave. When cooling is performed by spraying a cooling liquid after heating, a tensile tension is generated on the contrary. As shown in FIG. 1, when the cross-sectional shape of the laser beam is formed into an appropriate one, tensile tension is generated only in the direction perpendicular to the light moving direction. In the figure, 1 is a heating laser beam, 2 is a compressive stress inside the glass, 3 is a cooling liquid, and 4 is a tensile tension inside the glass. The
こうした最適分布の実現方法については、下記の特許出願がなされている。
特許出願番号2003−363855
特許出願番号2004−156891
このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファイン・ガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。The following patent application has been filed for a method for realizing such an optimal distribution.
Patent application number 2003-363855
Patent application number 2004-156891
This laser application for glass cleaving is indispensable in the processing of fine glass in general, for which demand will increase rapidly.
CO2レーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図2に示すようにCO2レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。レーザによる割断(レーザスクライブと称する)深さは、通常100μ程度である。同図において、9がレーザスクライブ面である。同面をこれより深くするためには、深さ方向への熱伝導によって深部における温度変化を発生させねばならない。この場合加工速度は著しく減少するので、通常は行わない。図3に示す機械的スクライブ面も、通常は同程度の深さである。さてガラスは脆性が強いので、このスクライブ線にあわせて機械的に割断することが容易である。このプロセスをブレークと称する。In the thermal stress cleaving of the glass by the CO 2 laser beam irradiation, the CO 2 laser beam is absorbed only by the glass surface layer as shown in FIG. The depth of cleaving with laser (referred to as laser scribe) is usually about 100 μm. In the figure, 9 is a laser scribe surface. In order to make the surface deeper than this, a temperature change in the deep part must be generated by heat conduction in the depth direction. In this case, the processing speed is remarkably reduced, so it is not usually performed. The mechanical scribe surface shown in FIG. 3 is also usually of a similar depth. Now, since glass is very brittle, it is easy to mechanically break it in accordance with this scribe line. This process is called a break.
従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図3に示すようにスクライブ面付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし、同図12に示すように機械スクライブ後のブレーク面は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。マイクロクラック層を除去し、かつブレーク面精度を改善するために、機械スクライブの場合には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄する。 Conventionally, glass is broken by a combination of mechanical scribe and break. In the case of mechanical scribing, as shown in FIG. 3, since there are a large number of microcracks near the scribe surface, the break is relatively easy. However, as shown in FIG. 12, the break surface after mechanical scribing does not necessarily constitute one plane orthogonal to the glass surface. In order to remove the microcrack layer and improve the accuracy of the break surface, in the case of mechanical scribe, the fractured surface is polished and cleaned after the break.
一方、レーザスクライブの場合、スクライブ面付近にマイクロクラックが存在しないので、ブレーク面は図2の10に示す理想的なものになる。その場合、研磨洗浄を省略することができる。ただし、割断面が相互に擦れ合うとカレットが発生したり、傷が生じたりする。これらを防止するブレーク技術として、発明者はたとえば図4に示す方法を開発した。ここでは、レーザスクライブ面9からガラス板6の下方に位置する回転中心軸13の周りの回転応力を、回転応力印加方向14の方向に回転応力印加装置15を用いてガラス板に与えて、レーザスクライブ面に曲げと引き裂きを同時に発生させてブレークを行う。この場合、同装置の軸受け部16とガラス保持部17が偏心しているのでレーザスクライブ後のブレーク面は相互に接触せず、カレットや傷が発生しない。 On the other hand, in the case of laser scribing, there are no microcracks in the vicinity of the scribe surface, so the break surface is ideal as shown at 10 in FIG. In that case, polishing cleaning can be omitted. However, when the cut surfaces rub against each other, cullet is generated or scratches are generated. As a break technique for preventing these problems, the inventor has developed a method shown in FIG. 4, for example. Here, the rotational stress around the
ところが、レーザスクライブにも欠点がある。図1のレーザスクライブ原理図に示すように、加熱レーザビーム1の断面形状を最適化し、冷却後に発生するガラス内部の引っ張り張力4が割断方向に直交方向である必要がある。この形状最適化は、ガラス板6表面の熱源から熱があらゆる方向に伝導する前提に立っている。これはガラス板の端部以外では正しいが、端部ではガラスの外側方向には熱伝導が起きないので、ガラス内部の引っ張り張力の方向が乱れ、そのためにスクライブ線が曲がってしまう。このように曲がったレーザスクライブ線が入ったガラス板をブレークすると、図5に示すようにレーザスクライブ後のブレーク面10はガラスの終端面20に近づくと18のようになり斜線で示す理想の面19から外れてしまう。これでは、折角のレーザスクライブ特有の高精度のメリットが失われてしまう。 However, laser scribing also has drawbacks. As shown in the laser scribe principle diagram of FIG. 1, the cross-sectional shape of the
問題の原因が、レーザスクライブは熱現象を利用しているので、熱伝導特性が変化する材料端部では現象の乱れが不可避のものであることに鑑み、材料端部の直前でレーザスクライブを停止させることにする。この場合、レーザスクライブ線は一部欠如するが、スクライブ線の直線性は維持できる。それに対して前記した機械的ブレークを行うと、レーザスクライブ線が一部欠如していても、ブレーク面は図5の19のように理想的なものになることが経験的に判明した。 The cause of the problem is that laser scribe uses a thermal phenomenon, so that the disturbance of the phenomenon is inevitable at the end of the material where the heat conduction characteristics change, so the laser scribe is stopped just before the end of the material. I will let you. In this case, a part of the laser scribe line is missing, but the linearity of the scribe line can be maintained. On the other hand, when the mechanical break described above is performed, it has been empirically found that the break surface is ideal as shown by 19 in FIG. 5 even if a part of the laser scribe line is missing.
本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断には、下記にあげる技術上の利点がある。
1)割断位置精度が高い。
2)割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
3)割断面傾きが高精度である。
4)割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
5)スクライブ、ブレークともに自動化ができる。
6)スクライブ、ブレークともに高速度で行える。
7)研磨、洗浄などの後工程が省略できる。According to the present invention, it is possible to always perform glass cleaving comprising both laser scribe and break processes under optimum conditions. Glass cleaving with a laser has the following technical advantages.
1) Cutting position accuracy is high.
2) The cut surface is a mirror surface and the surface roughness is good.
3) Split section inclination is highly accurate.
4) There is no adhesion of cullet on the cut surface and it is clean.
5) Both scribe and break can be automated.
6) Both scribe and break can be performed at high speed.
7) Subsequent processes such as polishing and cleaning can be omitted.
このようにガラスのレーザ割断が、ダイアモンドカッター使用のような従来の機械的方法に比較して、著しく進歩することになる。レーザによるガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。 Thus, laser laser breaking is a significant advance over conventional mechanical methods such as using a diamond cutter. If glass cleaving by laser becomes widespread, there are things that cannot be measured in terms of processing speed, processing quality, economy, and overcoming difficulty.
レーザスクライブ線が曲がる材料端部において、レーザスクライブ発生条件を阻止することによって、レーザスクライブ線の進行を停止させることができる。スクライブ線欠如のまま機械応力印加によってブレークを行い、材料割断を行えばよい。 By preventing the laser scribe generation condition at the end of the material where the laser scribe line bends, the progress of the laser scribe line can be stopped. Breaking may be performed by applying mechanical stress while the scribe line is absent, and the material may be cleaved.
図6に、本発明の実施方法を示す。ガラス板6の終端面20近傍でガラス表面をマスクで覆う。図中1は加熱レーザビームであり、3は冷却液である。両者は一体となってレーザビームの移動方向7に沿って移動する。加熱レーザビームは図1に示すような特殊のビーム形状になっている。それは冷却手段とあいまってガラス表面にレーザビームの移動方向に直交方向に引っ張り張力を発生させる。そのためガラス内部にレーザスクライブ面5が形成される。 FIG. 6 shows a method for carrying out the present invention. The glass surface is covered with a mask in the vicinity of the
ガラス終端面近傍ではガラスの上にマスク21が覆っている。それによってガラスは終端面から適当な距離、たとえば0.5mm程度がマスクの下になっている。マスク21はマスク台22の上に載っている。マスク台22はガラス終端面に熱接触しており、ガラス内の熱伝導が終端面近傍でもガラス内部と同様に発生することを助けている。 In the vicinity of the glass end surface, a
マスクが加熱レーザビームに対して高い反射率を有するときには加熱レーザビームはこのマスクによって反射してしまいガラスは加熱されない。レーザビームとしてはCO2レーザビームが使用されるので、マスクには表面に金コートしたものを用いればよい。When the mask has a high reflectance with respect to the heating laser beam, the heating laser beam is reflected by the mask and the glass is not heated. Since a CO 2 laser beam is used as the laser beam, a mask whose surface is coated with gold may be used.
本発明はまた、冷却液をブロックすることによっても実現することができる。この場合にはマスク21を熱絶縁材料で構成すればよい。この場合には冷却による引っ張り張力の発生を抑制するのである。 The present invention can also be realized by blocking the coolant. In this case, the
マスクで加熱レーザビームと冷却液の両方をブロックしてもよい。また、冷却液ブロックはマスク使用でなく、冷却液供給をバルブの開閉操作で行ってもよい。 You may block both a heating laser beam and a cooling liquid with a mask. Further, the coolant block may be supplied by a valve opening / closing operation instead of using a mask.
このマスクの働きによってレーザスクライブ面はガラス終端面に近づくと消滅してしまう。 The laser scribe surface disappears when the mask approaches the glass end surface.
前記したように曲がったレーザスクライブ面が存在するとレーザスクライブ後のブレークも曲がってしまうが、曲がるべき位置にレーザスクライブ面がないと、機械的ブレークを施した場合、ブレーク面はレーザスクライブ面の欠如部分の長さが0.5mm程度である限り直線性を維持することができる。 If there is a curved laser scribe surface as described above, the break after the laser scribe also bends. However, if there is no laser scribe surface at the position to be bent, if a mechanical break is applied, the break surface will lack the laser scribe surface. Linearity can be maintained as long as the length of the portion is about 0.5 mm.
熱伝導の変化は全ての材料端部で起こるので、スクライブの乱れは終端面だけでなく開始面でも起きるはずである。ところが、本発明で終端面における対策のみを強調しているのは、開始面ではレーザスクライブは同面上部に設けられたトリガークラック8から出発し、十分な精度で直線状に進行するからである。以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の機構例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言を俟たない。 Since heat transfer changes occur at all material edges, scribing disturbances should occur not only at the end face but also at the start face. However, the reason why only the countermeasure on the end face is emphasized in the present invention is that, on the starting face, the laser scribe starts from the
液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用IRフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ICチップカバーガラスなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。 Cutting flat glass used for flat panel displays such as liquid crystal displays and plasma displays, mobile and car navigation displays, and IR filters for optical devices is currently performed with a diamond cutter, and the need for a cleaning process after cutting. And the presence of microcracks. Laser cleaving can solve these problems. The present invention can also be applied to processing of microchips such as an IC chip cover glass. Since the cutting length is longer than in the case of a large workpiece, the effect of the present invention is great.
自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。 Since glass parts for automobiles are often curved, they are now mechanically cut after linear cutting. For this reason, there is a great expectation for laser processing that requires only glass cleaving.
さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。 Furthermore, the processing of tempered glass as a building material can contribute to the solution of the problem demanded by modern society for crime prevention. Cutting of tempered glass is difficult by a mechanical method, and use of a laser is expected.
このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。 Thus, the advent of laser technology for improving glass breaking is a solution to various problems demanded by modern society.
1 熱レーザビーム
2 ガラス内部の圧縮応力
3 冷却液
4 ガラス内部の引っ張り張力
5 ガラスに生じる割断亀裂
6 ガラス板
7 レーザビームの移動方向
8 トリガークラック
9 レーザスクライブ面
10 レーザスクライブ後のブレーク面
11 機械スクライブ面
12 機械スクライブ後のブレーク面
13 回転中心軸
14 回転応力印加方向
15 回転応力印加装置
16 軸受け部
17 ガラス保持部
18 乱れたブレーク面端部
19 理想的なブレーク面端部
20 ガラス終端面
21 マスク
22 マスク台DESCRIPTION OF
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