KR100313260B1

KR100313260B1 - 취성재료의 절단방법

Info

Publication number: KR100313260B1
Application number: KR1019990006470A
Authority: KR
Inventors: 사와다히로시
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛뽕덴끼 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2001-11-05
Also published as: US6186384B1; EP0938946A1; JPH11240730A; KR19990072974A

Abstract

종래의 레이저 등 점열원에 의한 대판(帶板) 의 절단방법은, 대판의 폭이나 재질이 변할 때마다 가열위치, 가열시간 등의 가공조건을 시행착오적으로 발견하여 가공해왔다. 그리하여 가공조건의 최적화가 용이하지 않고, 현저하게 능률이 악화되었다. 또, 가열점의 온도가 상당한 고온이 되며, 특히 가공대상이 작은 전자부품의 경우, 온도상승이 현저하여, 중요한 기능이 손상되는 경우가 있었다.

균열을 갖는 취성재료로 이루어지는 대판을 점열원으로 가열하고, 가열점을 이동하여 균열을 진전시켜 대판을 절단하는 취성재료의 절단방법에 있어서, 대판의 선팽창계수를 α, 열확산율을 κ, 종탄성율을 E, 가열점의 상승온도를 T, 가열시간을 t, 대판의 반폭을 W, 가열영역반경을 R, 균열선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 균열선단의 응력확대계수를 K₁으로 했을 때, 무차원응력확대계수온도비 (예컨데, 2K₁/αET (πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록 무차원가열시간 (예컨데, 4 κt/W²), 무차원거리 (예컨데, D/W), 무차원가열영역 (예컨데, R/D 또는 R/W) 으로 이루어지는 3 개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 가공조건을 결정한다.

Description

취성재료의 절단방법 {METHOD OF CLEAVING A BRITTLE MATERIAL}

본 발명은 레이저 등의 점열원에 의한 열응력을 이용한 취성재료의 절단방법에 관한 것이다.

반도체웨이퍼나 세라믹기판 및 유리기판 등의 취성재료를 절단하는 방법으로서는, 다이아몬드브레이드에 의하여 연삭가공을 행하는 다이싱법이나, 롤러테젤, 다이아몬드포인트 등을 이용한 스크라이빙에 의하여 균열을 발생시키며, 이어서 상기 균열에 굴곡응력을 작용시켜 절단하는 스크라이빙법이 일반적이다. 그러나, 미세한 전자회로가 형성된 전자재료를 절단할 때, 종래부터 이루어지고 있는 가공법으로는 마이크로클랙이나 파티클의 발생을 피할 수 없어, 제품에 악영향을 주는경우가 있다. 이 대책으로서, 예컨데, 일본 공개특허공보 평 3-13040 호에 레이저 등의 점열원에 의한 열응력 할단이 개시되어 있다. 이 방법은, 도 16 에 나타나듯이 취성재료로 이루어지는 대판 (21) 의 단면에 경질공구 등으로 노치(초기균열) (22) 을 형성하고, 이어서 노치 (22) 의 근방 (23) 을 점열원으로 국소적으로 가열하여 대판에 열응력 변형을 발생시켜 균열을 진전시키고, 이후 점열원을 절단예정선 (24) 을 따라서 이동시킴으로써 균열을 더욱 진전시켜 대판을 절단하는 것이다.

종래의 레이저 등 점열원에 의한 대판의 절단방법은, 대판의 폭이나 재질이 변할 때마다 가열위치, 가열시간 등의 가공조건을 시행착오적으로 발견하여 가공해왔다. 이때문에 가공조건의 최적화가 용이하지 않으며, 많고 거대한 공정이 소요되고, 비용이 높아졌다. 이것은 이 종류의 레이저가공장치의 자동화를 저해하는 요인이 되고 있었다. 또 가열점의 온도가 상당한 온도가 되어, 특히 가공대상이 작은 전자부품 등에서는, 온도상승이 현저하여, 중요한 기능이 손상되는 경우가 있었다.

본 발명은, 상기 문제를 감안하여 제안된 것으로, 그 목적은, 점열원에 의한 대판의 열응력절단에 있어서, 대판의 폭이나 재질이 변해도 용이하게 가공조건을 최적화할 수 있으며, 또, 가열점의 최고도달온도를 적정하게 억제하여 품질을 향상시킬 수 있는 신규 범용성 있는 취성재료의 절단방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 취성재료의 절단방법은, 균열을 갖는 취성재료로 이루어지는 대판을 점열원으로 가열하고, 가열점을 이동하여 균열을 진전시켜 대판을 절단하는 취성재료의 절단방법에 있어서, 대판의 선팽창계수를 α, 열확산율을 κ, 종탄성율을 E, 가열점의 상승온도를 T, 가열시간을 t, 대판의 반폭을 W, 가열영역반경을 R, 균열선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 균열선단의 응력확대계수를 K₁으로 했을 때, 무차원응력확대계수온도비 (예컨데, 2K₁/αET (πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록, 무차원가열시간 (예컨데, 4 κt/W²), 무차원거리 (예컨데, D/W), 무차원가열영역 (예컨데, R/D 또는 R/W) 로 이루어지는 3 개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 가공조건을 결정하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기의 (πW)^1/2는 πW 의 평방근이다 (이하 동일함).

또, 4 κt/W²≤10, 또 R/D≥0.3, 또 0.3 ≤D/W≤1.0 의 조건으로 가공하는 것을 특징으로 한다.

도 1 은 2 점 가열에 의한 반무한대판의 절단 모델을 나타내는 도면.

도 2 는 도 1 의 비정상온도장을 중첩시킨 원리로 해석하는 방법을 나타내는 도면.

도 3 은 반무한대판의 등온응력장을 체적력법으로 해석하기 위한 경계요소분할을 나타내는 도면.

도 4 는 점열원에 의한 열응력장에 중첩시켜야할 경계상의 등온응력장의 표면력 분포를 나타내는 도면.

도 5 는 가열시간에 대한 균열선단의 응력확대계수의 변화를 나타내는 도면.

도 6 은 동일한 크기의 응력확대계수를 부여하는 가열위치를 나타내는 도면.

도 7 은 균열을 갖는 반무한대판의 원형영역가열에 의한 절단을 나타내는 도면.

도 8 은 원형영역가열시의 가열영역반경과 가열영역중심온도의 관계를 나타내는 도면.

도 9 는 원형영역가열시의 가열영역의 크기와 균열선단의 응력확대계수의 관계를 나타내는 도면.

도 10 은 원형영역가열시의 가열영역의 크기와 응력확대계수온도비의 관계를나타내는 도면.

도 11 은 가열영역반경을 응력확대계수온도비 (K₁/T) 가 최대치 또는 그에 가까운 값을 나타내는 R=D 로 설정했을 때 얻는 K₁/T 와 가열위치 (D) 의 관계를 나타내는 도면.

도 12 는 Nd:YAG 레이저를 이용하여 대판을 절단하는 실험장치의 개요와 각 인자를 나타내는 도면.

도 13 은 균열진전에 필요한 최저레이저출력 (Q_L)과 가열반경과의 관계를 나타내는 도면.

도 14 는 정상인 절단이 가능한 레이저출력여유도와 가열반경과의 관계를 나타내는 도면.

도 15 는 정상인 절단이 가능한 레이저출력여유도와 가열위치와의 관계를 나타내는 도면.

도 16 은 레이저 등의 점열원에 의한 종래의 열응력절단을 설명하는 도면.

* 부호의 설명 *

1: ND:YAG 레이저 (점열원)

2: 반무한대판

3: 균열

4: 보호막

c: 균열의 길이

D: 균열선단에서 가열중심까지의 거리

R: 가열영역반경

W: 대판의 반폭

α: 선팽창계수

κ: 열확산율

E: 종탄성율

T: 상승온도

t: 가열시간

K₁: 응력확대계수

본 발명의 절단방법의 특징은, 초기균열을 갖는 취성재료로 이루어지는 대판의 균열선단근방을 펄스레이저 등의 점열원으로 국소적으로 가열하고, 또 가열점을 이동시켜 균열을 진전시킴으로써 대판을 절단하는 방법에 있어서, 대판의 선팽창계수를 α, 열확산율을 κ, 종탄성율을 E, 가열점의 상승온도를 T, 가열시간을 t, 대판의 반폭을 W, 가열영역반경을 R, 균열선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 균열선단의 응력확대계수를 K₁으로 했을 때, 무차원응력확대계수온도비 (예컨데,2K₁/αET (πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록 무차원가열시간 (예컨데, 4 κt/W²), 무차원거리 (예컨데, D/W), 무차원가열영역 (예컨데, R/D 또는 R/W) 로 이루어지는 3 개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 가공조건을 결정하는 것에 있다. 특히, 4 κt/W²≤10, 또 R/D≥0.3, 또 0.3 ≤D/W≤1.0 의 조건으로 가공하는 것이 바람직하다.

모든 파라미터는 무차원화되어 있기 때문에, 대판의 기하학적 조건이나 열적, 기계적 물성치의 여하에 상관없이 적용할 수 있다. 이 방법은 범용성이 있기 때문에 대판의 폭이나 재질이 변해도 용이하게 가공조건을 최적화할 수 있으며, 또 가열점의 최고도달온도를 필요최소한도로 억제할 수 있기 때문에 저비용화, 고품질화를 도모할 수 있다. 특히, 균열의 진전에 필요한 응력특이성의 강도를 가능한한 낮은 온도상승으로 얻으려면, 적극적으로 가열점에 확산을 부여하여 대판가공시의 최고온도를 억제하는 것이 유효하며, 가열영역의 크기, 위치, 형상 등을 최적으로 할 필요가 있다. 본 발명에 의하여 무차원응력확대계수온도비가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록 상기 파라미터를 결정함으로써 가공조건을 최적화할 수 있다. 가열영역의 형상은 완전한 원형이 바람직하나, 그 원에 가까운 비원형이나, 정방형, 정오각형, 정육각형, 정팔각형 등의 정다각형, 및 이들의 정다각형에 가까운 다각형 등 근사적으로 원형으로 보여지는 형상이면 된다. 구체적인 취성재료로서는 반도체웨이퍼, 세라믹기판, 유리기판 등이 적합하다.

이어서, 본 발명의 절단방법의 근거가 되는 해석에 대하여 설명한다. 우선 2 점의 가열원이 균열의 연장선을 대칭선으로 하는 위치에 있는 경우의 열응력장을 해석하고, 그 해를 중첩시킴으로써, 목적으로 하는 원형영역가열에 대하여 가열시간에 대한 가열영역중심부의 온도상승과 열응력확대계수를 평가하고, 열응력확대계수/상승온도가 가열영역의 변화에 대하여 어떻게 변화하는가를 검토하고, 그 값이 최대가 되는 최적의 영역치수, 영역위치를 명확히 한다. 또한 이들의 해석결과가 전자재료기판을 이용한 실험결과와 매우 일치하는 것을 설명한다.

(1) 2 점 가열시의 열응력확대계수

(1.1) 무한판의 점열원에 의한 열탄성장

시각 τ= 0 에서 τ= t 까지, 초기온도 T=0 의 얇은 무한평판을 단위시간, 단위두께 당의 열량 (Q) 의 접속점열원에 의하여 가열한 경우의 온도상승 및 열응력분포를 생각한다. 판두께가 충분히 얇은 경우에는 판두께 방향의 온도는 균일한 것으로 보이며, 열응력장은 평면응력상태가 된다. 판표면에서의 방열을 무시하면 온도장 T⁰(r,t) 및 열응력장 σ_r ⁰(r,t), σθ⁰(r,t) 은 다음식으로 부여된다.

여기서 λ은 열전도율, E 는 종탄성계수, κ는 열확산율, α는 선팽창계수이며, 온도장 및 열응력장은 가열점을 원점으로 하는 극좌표 (r,θ) 에 관한 것으로 한다.

(1.2) 무한판에 작용하는 무한주기점열원에 의한 열탄성장

도 1 에 나타나듯이 폭 (2W), 균열길이 (c) 의 단열측벽을 갖는 얇은 반무한대판을 좌단면부터 L, 중심축에 대하여 대칭인 2V 떨어진 위치에 2 점의 점열원으로 가열한 경우의 비정상온도장은 중첩의 원리에 의거하여, 도 2 와 같은 2 종류의 무한주기열원에 의한 온도장의 합으로 나타난다. 이 해법에 의하면, 도 1 의 온도장은, 점열원이 (±L, ±2nW-V) 와 (±L, ±2nW+V), (n=1,2…) 에 있는 경우의 온도장을 중첩시켜 얻는다. 또, 2 종류의 무한주기점열원에 의한 무한평판의 열응력장은 온도장과 동일하게, 점열원이 (±L, ±2nW-V) 와 (±L, ±2nW+V), (n=1,2…) 에 있는 경우의 응력장을 중첩시켜 얻으며, 온도장 T (x,y,t), 수직응력장 σ_x(x,y,t), σ_y(x,y,t), 전단응력장 τ_xy(x,y,t) 은 이하와 같이 구할 수 있다.

이며, E₁(u) 는 다음의 적분지수함수이다.

이 해석은 가열초기의 균열선단 주위의 열탄성장해석을 목적으로 하고 있고, 가열시간 (t) 은 매우 짧기 때문에 판표면에서의 방열은 무시하고 있다. 또한, 균열의 개구량은 작고, 균열면의 개구에 의하여 수학식 4 의 온도장이 변화하지 않는다고 가정한다.

(1.3) 등온응력장의 해석

상기의 2 종류의 무한주기점열원에 의한 무한평판의 열응력장은, 대판의 단면에 표면력이 작용하는 경우에 대응하고 있고, 자유표면의 조건을 만족하지 않는다. 경계가 표면력을 받지 않는 자유표면과 같은 대판의 열응력장을 얻기 위해서는, 경계에서의 응력이 제거된 것과 같은 판대의 등온응력장을 중첩시킬 필요가 있다. 한편, 무한평판의 열응력장에는 균열은 고려하고 있지 않기 때문에, 대판에 있는 균열선단의 응력확대계수는, 중첩되어야 하는 등온응력장만으로 평가할 수 있다. 반무한대판의 등온응력장의 해석에는, 체적력법에 의한 2 차원 범용해석 프로그램을 이용할 수 있다. 이 해석법은, 균열문제에 대해서는 최적의 해법이며, 고정밀도의 해를 용이하게 얻을 수 있다. 체적역법에서는, 통상의 경계요소법과 동일하게 경계를 몇개의 요소로 이산화하는데, 여기서 이용한 요소분할을 도 3 에 나타낸다. 이 때, 축대칭성을 이용하여 반무한대판의 상반분을 해석대상으로 하고, 경계에 선형요소를 이용한다. 상단면은 15 W 의 범위를 통상의 요소로, 나머지를 하나의 반무한요소로 나타낸다.

(1.4) 단면을 따른 표면력

가열위치를 도 1 에 있어서 L=W 로 하고, 여러 V/W 의 값에 대하여 경계에중첩시켜야할 표면력의 분포를 계산한다. 그 결과를 도 4 에 나타낸다. 대판상 단면에 중첩시켜야할 표면력은 인장이 되어 있어, 균열을 개구시키도록 작용한다. 한편, 균열이 되어야할 위치의 x 축상에 2 점 가열에 의하여 발생한 응력 (σ_y) 은 압축이며, 균열면을 자유경계로 하기 위하여 중첩시키는 표면력은, 균열면을 닫는 방향으로 작용하여, 균열의 개구를 방해한다.

(1.5) 열응력확대계수

균열길이 (c) 가 c/W ＞5 가 되면, 점열원에 의하여 대판에 발생하는 응력확대계수는 거의 균열길이에 의존하지 않게 된다. 그리하여, 상기한 표면력을 받는 c=5W 의 가장자리 균열을 갖는 대판에 대하여 응력해석을 행하며, 응력확대계수 (K₁) 를 가열시간의 함수로서 평가한다.

도 5 에, 다양한 가열위치에 대하여 얻은 K₁의 시간적변화를 나타낸다. 횡축은 시간을 대표하는 무차원시간, 종축은 K₁을 가열량 (Q) 등으로 무차원화하고 있다. 상기 도면에서 가열점이 중앙선에 가까울수록 큰 K₁을 부여하며, V/W 가 0.7 을 초과하는 경우에는, 가열초기에서 K₁이 음이 되는 것을 알 수 있다.

도 6 에, 같은 크기의 K₁을 부여하는 가열위치를 선으로 이어 얻은 등강도선을 나타낸다. K₁= 0 의 등강도선은 가열초기에서는 삼각형에 가깝고, 시간경과와 함께 외측으로 팽창한다. 이 등강도선에 의하여 외측의 영역을 가열하면, 균열선단에서는 K₁이 음이 되기 때문에, 열응력절단에서는 유해하게 된다. 또,높은 레벨의 K₁에 대한 등강도선은 원형에 가깝고, 시간경과와 함께 균열선단에서 약간 멀어져 간다.

(2) 원형영역가열시의 열응력확대계수

2 점 가열시의 결과를 이용하여, 가열영역이 원형으로 확산된 원형영역가열의 경우를 해석한다. 가열영역을 도 7 에 나타나듯이 균열연장선상에 중심을 갖는 반경 (R) 의 원형으로 하고, 균열선단에서 가열영역중심까지의 거리를 D, 단위두께, 단위면적당의 가열량을 Q₀로 한다. 가열영역을 각도방향으로 △θ=π/50, 반경방향으로 dR=D/20 의 미소영역 △A=RdRd θ로 분할하고, △A 의 중심에 Q₀△A 의 점가열원이 있는 경우의 균열선단응력확대계수 (△K₁) 와 가열영역중심의 온도상승 (△T) 을 평가하고, 가열영역전체로 총합을 취함으로써, 원형영역가열시의 K₁, T 를 계산한다.

도 8 에 c/W=5, D/W=1.0 인 경우의 가열영역중심의 온도상승의 계산결과를 나타낸다. 종축은 T 를 가열량 (Q₀πR²) 등으로 무차원화하고 있다. 온도상승은 가열시간에 상관없이, 가열영역반경 (R) 이 증가함에 따라서 감소하며, 온도상승을 억제하기 위해서는 가열원에 확산을 부여하는 것이 유효하다는 것을 알았다. 또 가열시간의 증가에 따라서 온도가 상승한다.

도 9 에는, D/W=0.3, 0.5, 1.0 에서의 응력확대계수 (K₁) 의 가열영역의 크기에 대한 변화를 나타낸다. 상기 도면도 종축은 K₁을 가열량 (Q₀πR²) 등으로 무차원화하고 있다. K₁은 가열중심위치에 상관없이 R/D=0, 즉 점열원일때 최대가 되며, R/D 의 증가에 따라서 감소한다. 이 현상은 가열시간이 길어짐에 따라서 현저해지며, 가열시간이 짧아질 경우, 가열영역을 크게해도 K₁의 감소에 부여하는 영향은 작아진다. 또, K₁은 가열중심위치나 R/D 에 상관없이 가열시간의 증가와 함께 커진다.

(3) 원형영역가열시의 응력확대계수온도비

앞절에서 계산한 원형영역가열시의 온도와 응력확대계수의 결과로부터, 온도상승에 대한 응력확대계수온도비 (K₁/T) 를 구할 수 있다. 이 값이 클수록 절단시의 최고도달온도가 되는 가열영역중심온도를 낮게할 수 있다.

도 10 에 D/W=0.3, 0.5, 1.0 에서의 응력확대계수온도비 (K₁/T) 의 가열영역반경 (R) 에 대한 변화를 나타낸다. 가열영역이 균열선단에 도달할때까지 확산한 경우 (R=D), 도 9 에서는 R/D=1 에서의 응력확대계수는 최대치에 비하여 상당히 감소되었으나, 그때의 온도상승도 작기 때문에, 그들의 비인 응력확대계수온도비 (K₁/T) 는 도 10 과 같이 R/D=1 에서 최대치 또는 그에 가까운 값을 나타내고 있다. 또, 동일 도면의 종축에 W^1/2가 있기 때문에, 판폭이 좁은 것일수록 절단시의 온도가 상승하는 것을 알 수 있다.

도 11 에는, 가열영역반경을 응력확대계수온도비 (K₁/T) 가 최대치 또는 그에 가까운 값을 나타내는 R=D 로 설정했을때 얻은 K₁/T 와 가열위치 (D) 의 관계를 나타낸다. 가열시간이 짧을수록 K₁/T 가 크며, 가열시간이 4 κt/W²=0.1 인 경우, 온도상승을 낮게 억제하고, 효율적으로 응력확대계수를 발생시키기 위한 최적가열영역은 R=D, D/W=0.7 의 근방에 있다. 가열시간 4 κt/W²가 커지면 K₁/T 가 최대가 되는 D/W 가 작아지고, 최적가열위치가 균열선단에 가까워짐을 알 수 있다.

이상과 같이, 취성재료로 이루어지는 가장자리 균열을 갖는 대판상의 기판을 점열원에 의하여 절단할 때, 품질면에서 가공시의 최고온도를 억제할 필요가 있고, 그러기 위해서는 가열영역에 확산을 부여하는 것이 유효하기 때문에, 기본이 되는 원형영역가열에 대하여 가열시간에 대한 가열영역중심부의 온도상승과 열응력확대계수를 해석하여, 열응력확대계수/상승온도 (열응력확대계수온도비) (K₁/T) 에 주목하여 이것이 가열영역의 변화에 대하여 어떻게 변화하는가를 검토하고, K₁/T 를 최대로 하는 가열위치, 가열영역반경, 가열시간 등의 최적조건을 계산하여 결정한다. 그리고, 가열영역의 형상이 완전한 원원에 가까운 비원형인 경우나, 정방형, 정오각형, 정육각형, 정팔각형 등의 정다각형, 및 이들의 정다각형에 가까운 다각형 등의 경우도 근사적으로 상기의 원형영역가열로 보고 다룰 수 있다. 그 경우, 가열영역반경은 이들의 형상에 외접 또는 내접하는 원의 반경을 R 로 하면된다.

실시예

상기의 해석결과를 입증하기 위하여, 도 12 에 나타내는 배치에서 Nd:YAG 레이저로 이루어지는 점열원 (1) 을 이용하여 대판 (2) 의 절단실험을 행한다. 대판 (2) 의 단부에는 중심선상에 미리 균열 (3) 이 형성되어 있다. 그리고 판의 반폭을 W, 균열길이를 c, 균열선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 가열영역반경을 R 로 한다. 사용한 레이저 발진기는 출력이 크기 때문에 조임에 의하여 출력을 조절한다. 다양한 가공조건에 있어서, 레이저출력을 서서히 높이면서 균열진전에 필요한 최저출력 (Q_L) 과, 대판에 열손상이 발생하는 최저출력 (Q_U) 을 측정한다. 단, Q_L, Q_U는 조임이 없는 상태에서의 출력이다. 절단시의 가열중심온도를 국소적으로 측정하는 것은 곤란하기 때문에 Q_L/Q_U을 여유도로 하여, 가열시간에 대한 여유도의 변화를 조사하여, 이 값이 클수록 낮은 온도에서 절단된 것으로 한다. Q_U/Q_L와 K_L/T 의 관계는 다음과 같이 설명할 수 있다.

K₁/T 는 도 10 으로 알 수 있듯이 c/W, D/W 가 일정할 때,

인 관계로 나타난다. 따라서,

이 된다. 또, T 와 Q 는 비례하기 때문에, 가열량 Q_L, Q_U일때의 온도상승을 T_L, T_U로 하면,

가 된다. 이 때 T_U는 대판의 융점 (T_M)과 일치한다. 또, T_L일때 발생하는 K₁은 파괴인성치 (K_IC) 와 일치한다. 수학식 10 내지 12 로부터,

가 되어, Q_U/Q_L에서 K₁/T 의 변화를 실험적으로 확인할 수 있다. 사용한 대판의 두께는 0.1 ㎜, 예균열길이는 모두 c/W=5 이다. 또 대판의 물성치를 표 1 에 나타낸다.

κ ㎡	α 1/K	λ W/mK	Ε GPa
43.6 x 10^-6	4.56 x 10^-6	65	60.7

이어서, 실험결과를 설명한다. 폭 2.2 ㎜, 길이 15 ㎜ 의 대판에서D/W=0.5, 4 κt/W²=0.288 (가열시간 2 ms) 에서의 가열반경 (R) 에 대한 Q_L및 여유도 (Q_U/Q_L)의 변화를 도 13, 도 14 에 나타낸다. 도 13 에서 가열반경 (R) 의 증가에 따라서 절단에 필요한 가열량도 커져, 응용확대계수 (K₁) 가 발생하기 어려워져 있음을 알 수 있다. 그러나, 가열반경이 커지면, 열손상이 발생하는 최저출력 (Q_U)도 커지기 때문에, 도 14 에 나타나듯이 Q_U/Q_L은 K₁의 발생과는 반대로 R 의 증가에 따라서 커진다. 또, 그 값은 해석결과와 마찬가지로 R=D 일때 최대가 된다.

이어서, 도 15 에는 폭 1.2 ㎜, 길이 10 ㎜ 의 대판에서 4 κt/W²=0.969 (가열시간 2 ms), R=D 에서의 가열위치 (D) 에 대한 여유도 (Q_U/Q_L) 의 변화를 나타낸다. 이 경우, D/W=0.5 부근에서 Q_U/Q_L이 최대가 되며, 도 11 에 나타나는 4 κt/W²=1.0 의 해석결과와 매우 일치하고 있음을 확인할 수 있다.

이상으로 설명한 해석결과와 실험결과로부터, 무차원응력확대계수온도비 (예컨데, 2K₁/αET (πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록 무차원가열시간 (예컨데, 4 κt/W²), 무차원거리 (예컨데, D/W), 무차원가열영역 (예컨데, R/D 또는 R/W) 으로 이루어지는 3개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 바람직한 가공조건을 얻을 수 있다. 실용상, 이들의 파라미터는 도 10, 도 11 등을 이용하여 결정하는 것이 바람직하다. 그때, 4 κt/W²는 10 이하로 작을수록 좋고, 이때, R/D 는 1.0 에 가까울수록 좋으며, 실용상 약 0.3 이상이 적합하다. D/W 는 최적치가 있어서, 4 κt/W²의 값에 따라서도 상이하지만, 개략 0.3 이상 1.0 이하가 바람직하다.

이상에 설명하였듯이, 본 발명의 취성재료의 절단방법은, 균열을 갖는 취성재료로 이루어지는 대판을 점열원으로 가열하고, 가열점을 이동하여 균열을 진전시켜 대판을 절단하는 취성재료의 절단방법에 있어서, 대판의 선팽창계수를 α, 열확산율을 κ, 종탄성율을 E, 가열점의 상승온도를 T, 가열시간을 t, 대판의 반폭을 W, 가열영역반경을 R, 균열 선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 균열선단의 응력확대계수를 K₁으로했을 때, 무차원응력확대계수온도비 (예컨데, 2K₁/αET(πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록, 무차원가열시간 (예컨데, 4 κt/W²), 무차원거리 (예컨데, D/W), 무차원가열영역 (예컨데, R/D 또는 R/W) 으로 이루어지는 3 개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 가공조건을 결정하기 때문에, 모든 파라미터는 무차원화되어 있고, 대판의 기하학적조건이나 열적, 기계적물성치의 여하에 상관없이 가열점의 최고도달온도를 적정하게 억제할 수 있고, 또 용이하게 저온에서 절단가공을 할 수 있어, 저비용화, 고품질화를 도모할 수 있다는 종래에 없는 이점이 있다.

Claims

균열을 갖는 취성재료로 이루어지는 대판을 점열원으로 가열하고, 가열점을 이동하여 균열을 진전시켜 대판을 절단하는 취성재료의 절단방법에 있어서, 대판의 선팽창계수를 α, 열확산율을 κ, 종탄성율을 E, 가열점의 상승온도를 T, 가열시간을 t, 대판의 반폭을 W, 가열영역반경을 R, 균열선단에서 가열중심까지의 거리를 D, 균열선단의 응력확대계수를 K₁으로 했을 때, 무차원응력확대계수온도비 (2K₁/αET (πW)^1/2) 가 최대치 또는 최대치에 가까운 값이 되도록, 무차원가열시간 (4 κt/W²), 무차원거리 (D/W), 무차원가열영역 (R/D 또는 R/W) 으로 이루어지는 3 개의 파라미터중 하나 이상을 결정함으로써 가공조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
제 1 항에 있어서, 4 κt/W²≤10, 또 R/D≥0.3, 또 0.3 ≤D/W≤1.0 의 조건으로 가공하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.