JP2008127223A - Method for cutting flat panel display thin glass sheet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は薄板脆性材料、なかんずくフラットパネルディスプレィに用いられている薄板ガラス板の割断方法に関する。 The present invention relates to a method for cleaving a thin glass plate used for a thin plate brittle material, especially a flat panel display.
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、液晶やプラズマフラットパネルディスプレィ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 conventional technology, but in the case of fine glass cutting used for liquid crystal and plasma flat panel displays, etc., post-processing such as polishing the cut surface to prevent micro cracks and then cleaning is required.
それに対して、最近登場してきた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、今後のフラットパネルディスプレィ用に使用できる。この方法は現在斯界の市場で試用されつつあり、安定性が実証されれば実際の生産に導入されるであろう。 On the other hand, laser cutting that has recently appeared 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, post-processing such as polishing is unnecessary. Third, a mirror surface having a surface roughness of 1 μm or less is obtained. Fourth, the product external 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 flat panel displays. This method is currently being tried in this market and will be introduced into actual production once stability is demonstrated.
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抑制され、照射点を中心として半径方向に圧縮応力が発生する。また、応力の接線方向成分も存在し照射点から近距離域では圧縮応力であるが、ある距離離れたところからはポアソン比が関係して引張り応力に変化する。その位置に合わせて冷却液を噴霧すると、この引っ張り応力が拡大される。特に亀裂先端では応力拡大が発生し、同力が材料の破壊靱性値を超えると亀裂が拡大する。照射点と冷却点を走査することで、亀裂を延長していくことができる。 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 because of local heating, expansion is suppressed, and compressive stress is generated in the radial direction around the irradiation point. In addition, there is a tangential component of the stress, which is a compressive stress in a short distance region from the irradiation point, but changes from a certain distance away to a tensile stress due to the Poisson's ratio. When the cooling liquid is sprayed in accordance with the position, this tensile stress is expanded. In particular, stress expansion occurs at the crack tip, and when the same force exceeds the fracture toughness value of the material, the crack expands. The crack can be extended by scanning the irradiation point and the cooling point.
この様子を図1に示す。同図に示すようにレーザビームの断面形状1を適当なものに形成すると、照射位置では主として光の移動方向と直交する方向に圧縮応力2が、また冷却位置では同引っ張り応力4が発生する。同図において、1は照射レーザビーム、3は冷媒噴霧である。この引っ張り応力の作用で割断亀裂5が生じる。ガラス板6において、始点に初亀裂8をつけておくと、割断亀裂5はこの初亀裂から出発し、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。
This is shown in FIG. As shown in the figure, when the
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レーザビームの99%は深さ3.7μmのガラス表面層で吸収され、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、熱伝導に助けられ通常100μm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。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応力を印加することによって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 glass by CO 2 laser beam irradiation, as shown in FIG. 2, 99% of the CO 2 laser beam is absorbed by the glass surface layer having a depth of 3.7 μm and does not transmit through the entire thickness of the glass. The depth of cleaving by laser (referred to as laser scribe) is usually about 100 μm, aided by heat conduction. In the figure, 9 is a laser scribe surface. The mechanical scribe surface shown in FIG. 3 is also usually of a similar depth. Now, since glass is highly brittle, it is easy to cleave by applying mechanical stress 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。 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.
このようなレーザスクライブは、ガラス板厚が液晶TV用の0.7mmや、プラズマTV用の2.8mmの場合には技術が進歩し、技術評価の段階を通過し、実用レベルに達している。問題は液晶モバイル用フラットパネルディスプレィの場合である。この場合、使用されるガラス板厚は軽量化のために徐々に薄くなってきており、現在の商品では0.2mmであり、今後は0.155mmに接近して行くと言われている。このような板厚の場合、それ以上の板厚(0.3mmが境界値)で使用できる条件(以下レシピと称する)で安定したレーザスクライブが実現できない。さらに、モバイル用ガラス板は単板でなく、フラットパネルディスプレィに実装された後にレーザスクライブする必要があるので、熱伝導は単板中のプロセスではなくガラス表面以下のセルの構造に依存し、割断困難に拍車をかけている。 Such a laser scribe has reached a practical level when the glass plate thickness is 0.7 mm for a liquid crystal TV or 2.8 mm for a plasma TV and the technology has progressed and has passed the stage of technical evaluation. . The problem is with LCD mobile flat panel displays. In this case, the thickness of the glass plate to be used is gradually reduced for weight reduction, and is 0.2 mm in the current product, and is said to approach 0.155 mm in the future. In the case of such a plate thickness, stable laser scribing cannot be realized under conditions (hereinafter referred to as a recipe) that can be used with a plate thickness greater than that (0.3 mm is the boundary value). Furthermore, since the glass plate for mobile use is not a single plate but needs to be laser scribed after being mounted on a flat panel display, the heat conduction depends on the structure of the cell below the glass surface, not the process in the single plate, and it is cleaved. It spurs difficulties.
上記困難の原因が、厚板と薄板間の熱伝導メカニズムの違いと、単板と張り合わせガラス間の同現象の違いに根ざしていることを考慮し、後者でもレーザスクライブの安定化がはかれる熱伝導現象を実現することにした。 Considering that the cause of the above difficulties is rooted in the difference in the heat conduction mechanism between the thick and thin plates and the difference in the same phenomenon between the single plate and the laminated glass, the latter also helps stabilize the laser scribe. We decided to realize the phenomenon.
これを図4で説明する。同図(1)は厚板ガラスの場合を示す。1は照射レーザビームで、その全部がガラス板表面の深さ3.7μmの領域13で吸収される。同吸収熱の一部は冷媒3によって冷却されるが、その他のものはガラス内部への熱伝導14,141,142,143,144などによって冷却される。この加熱と冷却のバランスによって、レーザスクライブが発生する。同バランスを実現する条件がレシピである。
This will be described with reference to FIG. FIG. 1A shows the case of thick glass.
同図(2)に示す薄板ガラスの場合でも、レーザ照射による領域13における加熱と冷媒による冷却は表面現象であるので前記の場合に等しい。異なるのはガラス内部における熱伝導による冷却である。同図(1)の場合に比較して同図(2)の場合の熱容量は小さいので、熱伝導15,151,152,153,154などの効果も小さい。この場合、領域13は以前より高温になってしまい、最適レシピは以前とは異なってしまう。
Even in the case of the thin glass shown in FIG. 2 (2), heating in the
これを防止する手段として領域13の温度特性が同一になるように、レーザ照射条件と冷媒による冷却条件を最適化することが考えられる。この場合変化できる条件として、レーザ強度(薄板に対してはより低出力)、照射形状(同拡大)、走査速度(同高速)、冷媒容量(同増大)、冷媒位置などがある。しかしながら、この場合ガラス側の条件が変わるたびにレシピを変更させねばならない。ガラス側条件としては、ガラス種類、同厚さ、ガラス表面以下の構造、ガラス熱履歴などがある。これらはセルの各設計に対して変化するので、そのたびごとに新らしいレシピが必要となる。しかもこうしたレシピは安定幅が狭く、プロセスの信頼性を低下させる。同じ設計の場合でも、1枚の大版ガラスから多数個のセルを分断する場合には、通常10組程度のレシピを使用せざるを得ず、これも問題である。
As a means for preventing this, it is conceivable to optimize the laser irradiation condition and the cooling condition by the refrigerant so that the temperature characteristics of the
これに対して、フラットパネルディスプレィ構造において、ガラスのスクライブ位置構造をガラス内部における熱伝導が厚板単板の場合と同一効果になるものにすれば、厚板単板レシピの適用のみで安定したレーザスクライブが実現できて便利である。 On the other hand, in the flat panel display structure, if the glass scribe position structure has the same effect as the case of thick plate veneer, the glass scribe position structure is stable only by applying the plate veneer recipe. Laser scribe can be realized and is convenient.
本発明によれば、薄板から構成されるフラットパネルディスプレィにおいても共通レシピを用いて安定したレーザスクライブを実施することができる。レーザによるガラス割断には、従来の機械的割断方法に比較して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, stable laser scribing can be performed using a common recipe even in a flat panel display composed of thin plates. Glass cleaving with a laser has the following technical advantages over conventional mechanical cleaving methods.
1) Cutting position accuracy is high.
2) The fractured 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.
フラットパネルディスプレィに実装されたガラスはその板厚が0.2mmのように薄いものでもスクライブ位置において熱伝導が下部全体に及ぶようにすれば厚板と同一の熱容量が期待でき、厚板用のレシピが適用できる。 The glass mounted on the flat panel display can be expected to have the same heat capacity as the thick plate even if the plate thickness is as thin as 0.2 mm if the heat conduction reaches the entire lower part at the scribe position. Recipe can be applied.
図5に、本発明の実施例を示す。ここでは単板でなく製造途中のフラットパネルディスプレィを示すので、ガラス板は上面の6と下面の61の2枚のものがある。これらは、現在では厚さ0.2mmの無アルカリガラスである。両者は接着剤17,171,172、173などで接着されている。ガラスの内側面にはカラーフィルター(CF)かトランジスター(TFT)膜が生成されているが、同図では省略している。ガラス間の接着剤層間は空房18,181,182などである。
FIG. 5 shows an embodiment of the present invention. Here, since a flat panel display in the middle of manufacture is shown instead of a single plate, there are two glass plates, 6 on the upper surface and 61 on the lower surface. These are now alkali-free glass with a thickness of 0.2 mm. The two are bonded with
本発明では、空房を充填して熱伝導を発生させ、領域13で発生した発熱をガラス板6内部だけでなく、この空房を経由して下側のガラス板61まで熱伝導で伝達させるのである。このとき熱伝導は、2枚のガラスならびに空房層の全厚さである約0.5mmの厚さにわたって発生し、薄板ガラス割断の困難性がなくなる。
In the present invention, heat conduction is generated by filling vacancies, and heat generated in the
空房への充填剤として、できれば熱容量の大きいものが望ましい。一つには液晶そのものがある。しかしながら、液晶のあるところに切断線を設けることはできないだろう。 If possible, a filler having a large heat capacity is desirable as a filler for the empty chamber. One is the liquid crystal itself. However, it would not be possible to provide a cutting line where the liquid crystal is.
液体であれば、加工後に除去することができる。汚染の可能性が小さいものとして、水を使用することができる。水の熱伝導率は0.56W/m・Kであって、ソーダガラスの同値0.6W/m・Kと大差ない。空房を水で満たせば全体厚さ0.5mmにわたって熱伝導が発生し、厚板の加工と同じになって理想的である。 If it is liquid, it can be removed after processing. Water can be used as a low possibility of contamination. The thermal conductivity of water is 0.56 W / m · K, which is not much different from the equivalent value of 0.6 W / m · K of soda glass. If the empty chamber is filled with water, heat conduction occurs over the entire thickness of 0.5 mm, which is ideal because it is the same as the processing of the thick plate.
加工後の乾燥を考慮すると、アルコールが選択できる。アルコールの熱伝導率は0.19W/m・Kであって、水より伝導率が低いがその効果は存在する。 Considering drying after processing, alcohol can be selected. The thermal conductivity of alcohol is 0.19 W / m · K, which is lower than water but has its effect.
気体を充填するのであれば、汚染の可能性は極めて低い。Heガスは熱伝導率が0.142W/m・Kであって、気体の中ではかなり高い。固体、液体よりは低いが、空気の0.024W/m・Kに比較すれば効果は著しい。また、H2ガスも0.168W/m・Kという高い熱伝導率を有し、有望である。これらの気体を使用する場合には、加工体を気密チャンバー内に入れ、同チャンバーに使用ガスを封入すればよい。また、気体の熱伝導率は圧力に依存しないので、封入圧は1気圧でよい。 If it is filled with gas, the possibility of contamination is very low. He gas has a thermal conductivity of 0.142 W / m · K, which is quite high in the gas. Although it is lower than solid and liquid, the effect is remarkable when compared with 0.024 W / m · K of air. H 2 gas also has a high thermal conductivity of 0.168 W / m · K and is promising. When these gases are used, the workpiece may be placed in an airtight chamber and the used gas may be sealed in the chamber. Further, since the thermal conductivity of the gas does not depend on the pressure, the enclosure pressure may be 1 atm.
このようにレーザスクライブを実行したワークに対しては、機械的あるいは熱的手段など周知技術によるブレークを実施すればよい。 Thus, what is necessary is just to implement the break by well-known techniques, such as a mechanical or thermal means, to the workpiece | work which performed laser scribe.
以上説明したように、本発明によればフラットパネルディスプレィを構成する薄板ガラスのレーザ割断を厚板単板なみの容易さと安定性で行うことができ、その場合従来の機械方法に対するレーザ割断の長所を実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to perform laser cleaving of a thin glass constituting a flat panel display with ease and stability similar to that of a single plate, and in that case, advantages of laser cleaving over conventional mechanical methods. Can be realized.
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。 What has been described above is a few examples of mechanisms for realizing the functions of the present invention, and it goes without saying that the spirit of the present invention can be realized in many other ways.
モバイルやカーナビに用いられる液晶ディスプレィ、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用の薄板ガラスの割断は、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。本発明のレーザ割断で、こうした問題を解決することができる。 Cleaving of thin glass for flat panel displays such as liquid crystal displays and plasma displays used in mobile and car navigation systems is currently performed with a diamond cutter, and the need for a cleaning process after cutting and the presence of microcracks, etc. Presents a problem. Such a problem can be solved by the laser cutting of the present invention.
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 照射レーザビーム
2 ガラス内部の圧縮応力
3 冷媒噴霧
4 ガラス内部の引っ張り応力
5 ガラスに生じるスクライブ面
6 ガラス板
61 同
7 レーザビームおよび冷媒の移動方向
8 初亀裂
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 レーザビーム吸収による加熱領域
14 熱伝導
141 同
142 同
143 同
144 同
15 同
151 同
152 同
153 同
154 同
16 同
161 同
162 同
163 同
164 同
17 接着剤
171 同
172 同
173 同
18 空房
181 同
182 同
1 Irradiation laser beam
2 Compressive stress inside
11
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