TW201440942A - 雷射加工裝置、及雷射加工方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種雷射加工裝置及雷射加工方法，其能夠降低裝置成本，並且縮短加工處理時間。本發明的雷射加工裝置及雷射加工方法中，將雷射光聚光成環狀並將其聚光位置照射到基板的厚度範圍內，在將聚光位置朝基板的厚度方向及平面方向變位之過程中，以環狀聚光位置的中心進行圓周運動之方式，使聚光位置變位。

Description

雷射加工裝置、及雷射加工方法
本發明係有關一種用於對玻璃等基板實施穿孔加工之雷射加工裝置及雷射加工方法者。
近年來，以智能手機為代表之個人數位助理的顯示畫面中使用厚度為1mm以下的玻璃基板，在該玻璃基板上實施有與各種按鍵和話筒等功能對應之孔加工。於如上述之玻璃基板之薄厚脆性材料的孔加工中，由於加工中產生龜裂而引起之成品率下降成為問題。尤其，貫穿加工如上述之個人數位助理畫面之主頁按鈕孔之直徑為10mm左右之比較大的孔時，使用將金剛石作為刀尖之玻璃刀對表面賦予圓形加工痕跡，進一步在圓形加工痕跡內側附加格子狀等加工痕跡並在其上施以衝擊，逐漸擴大開口部，藉此進行圓形貫穿孔的形成。藉此，人為衝擊的賦予較大影響加工精確度，藉此在某種程度上無法避免由龜裂的產生引起之成品率下降，此為現狀。
相對於此，提出有各種針對玻璃等脆性材料之雷射加工技術。下述專利文獻1中記載有藉由利用YAG雷射之雷射加工在玻璃上形成微細的貫穿孔。並且，下述專利文獻2中記載有，在以圓孔的輪廓線為基準之內側沿著輪廓線多重地掃描雷射，藉此在薄厚玻璃基板上形成圓形貫穿孔。
[先行技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利公開2000-61667號公報
專利文獻2：日本專利公開2009-269057號公報
對玻璃等脆性材料基板照射雷射來實施穿孔加工之雷射加工中，當為孔徑為1mm以下的微細孔時，將YAG雷射的照射能設定為規定閾值以上，將焦點位置設為被加工基板厚度的中間位置或中間位置的下方，藉此能夠實現微細穿孔的形成(參照專利文獻1)。然而，貫穿加工孔徑為10mm左右之比較大徑的孔時，如專利文獻2所述，需要沿.著孔的輪廓線掃描雷射，並需要電流計鏡等昂貴的掃描機構，因此存在裝置成本增加且加工處理時間變長之問題。
本發明係將解決該種問題作為課題的一例者。亦即，本發明的目的為，對玻璃等脆性材料基板貫穿加工比較大的孔時，消除由龜裂的產生引起之成品率的下降，並且能夠降低裝置成本，並且縮短加工處理時間等。
為了實現該種目的，依本發明之雷射加工裝置及雷射加工方法係至少具備以下構成者。
一種雷射加工裝置，其在基板上照射雷射光而對該基板實施穿孔加工，且該雷射加工裝置具備：聚光透鏡，其將雷射聚光成環狀並將其聚光位置照射到上述基板的厚度範圍內；及聚光位置變位機構，其將上述聚光位置朝上述基板的厚度方向及上述基板的平面方向變位。
一種雷射加工方法，其在基板上照射雷射光而對該基板實施穿孔加工，且將雷射聚光成環狀並將其聚光位置照射到上述基板的厚度範圍內，於將上述聚光位置朝上述基板的厚度方向及上述基板的平面 方向變位之過程中，以環狀的上述聚光位置的中心進行圓周運動之方式，使上述聚光位置變位。
依具有該種特徵之本發明，藉由使聚光成環狀之雷射的聚光位置在基板的厚度範圍內三維變位，能夠使雷射加工痕跡在沿著環狀聚光位置之整個圓周上向厚度方向及徑向同步擴大。藉此，無需使用昂貴的雷射掃描機構就能夠以簡單的裝置構成迅速地完成基板的穿孔加工。
並且，形成為環狀之雷射加工痕跡錯開位置之同時逐漸擴大，因此能夠將由於加工變質層被反覆照射雷射而雷射散亂之能量損失抑制在最小限度，並且能夠進行有效的穿孔加工。
1‧‧‧聚光透鏡
2‧‧‧聚光位置變位機構
3‧‧‧雷射光源
4‧‧‧光束擴展器
5‧‧‧反射鏡
6‧‧‧圖形旋轉體(道威稜鏡)
20‧‧‧基板移動機構
21‧‧‧聚光透鏡移動機構
22、22A、22B‧‧‧光學構件移動機構
Fs(Fs1~Fs8)‧‧‧聚光位置
G‧‧‧基板
L‧‧‧雷射光
O1~O8‧‧‧雷射的聚光位置中心
W‧‧‧寬度
‧‧‧貫穿孔的直徑
第1圖(a)、第1圖(b)係表示用於本發明的實施形態之聚光透鏡的形態例之說明圖。
第2圖(a)、第2圖(b)係表示本發明的實施形態中使雷射的聚光位置變位之動作形態之說明圖。
第3圖係表示本發明的實施形態之雷射加工裝置的形態例之說明圖。
第4圖(a)、第4圖(b)係表示本發明的實施形態之雷射加工裝置的具體例之說明圖。
第5圖係表示本發明的實施形態之雷射加工裝置的具體例之說明圖。
以下，參照圖式說明本發明的實施形態之雷射加工裝置及雷射加工方法。第1圖係表示用於本發明的實施形態之聚光透鏡的形態例之說明圖(第1圖(a)係表示聚光透鏡的剖面形狀及雷射的聚光狀態之 圖，第1圖(b)係對聚光成環狀之雷射的光束形狀進行俯視之圖)。聚光透鏡1係將雷射光L聚光成環狀並將其聚光位置Fs照射到基板G的厚度範圍內者。聚光透鏡1基本上係將柱面透鏡設為環狀者，藉由將成形為規定光束徑之圓形剖面雷射光L入射到有效口徑內，能夠得到如第1圖(b)所示之環狀聚光狀態La。
本發明的實施形態之雷射加工裝置及雷射加工方法中，具備有藉由後述之各種形態構成之聚光位置變位機構。聚光位置變位機構係使藉由聚光透鏡1將雷射光L聚光成環狀之聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向變位者。藉此，雷射光L的聚光位置Fs在基板G的厚度範圍內三維地改變位置。
第2圖係表示本發明的實施形態中使雷射光的聚光位置變位之動作之說明圖。第2圖(a)表示俯視時的動作，第2圖(b)表示基板的厚度方向的動作。如圖2(a)所示，雷射光L的聚光位置Fs(Fs1、Fs2、Fs3、Fs4、Fs5、Fs6、Fs7、Fs8)在平面上變位，以使其中心(O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8)作圓周運動。聚光位置Fs的中心的移動軌跡在圖示例子中成為圓形，但是並不限於此，可以是橢圓或變形之圓軌跡，在此所說之圓周運動係移動軌跡接近圓形者即可。
在此，假設聚光位置Fs的中心的移動軌跡為直徑W的圓，則在環狀聚光位置Fs的整個圓周在寬度W的範圍形成雷射加工痕跡，並且藉由聚光位置Fs的厚度方向的變位，如圖2(b)所示，向基板G的厚度方向形成不同深度之雷射加工痕跡。
如此，本發明的實施形態之雷射加工方法中，於將雷射光L聚光成環狀並使其聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向變位之過程中，使聚光位置Fs變位，以使環狀聚光位置Fs的中心作圓周運動。藉此，使聚光成環狀之雷射的聚光位置Fs在基板G的厚度範圍內三維變位，藉此能夠使雷射加工痕跡在沿著環狀聚光位置Fs之整個 圓周上向三維方向同步擴大，並且能夠迅速完成基板G的穿孔加工。此時，能夠錯開位置之同時逐漸擴大形成為環狀之雷射加工痕跡，因此能夠將由於加工變質層被反覆照射雷射而雷射散亂之能量損失抑制在最小限度，並且能夠進行有效的穿孔加工。所形成之貫穿孔的直徑成為約2R+W(R係環狀聚光位置Fs的半徑)。
第3圖係表示本發明的實施形態之雷射加工裝置的形態例之說明圖。雷射加工裝置10具備上述之聚光透鏡1及使聚光透鏡1的聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向變位之聚光位置變位機構2。並且，雷射加工裝置10具備射出雷射光L之雷射光源3及將雷射光L引導至聚光透鏡1之光學系統(光束擴展器4或反射鏡5等)。
作為聚光位置變位機構2的一種形態，具備使基板G移動之基板移動機構20。基板移動機構20個別或組合地具備使基板G向其厚度方向(Z軸方向)上下移動之機構、使基板G圍繞水平軸(X軸或Y軸)擺動之機構及使基板G圍繞垂直軸(Z軸)旋轉之機構。並且，基板移動機構20可以係具有使基板G圍繞相對於與其表面垂直之軸(Z軸)傾斜之旋轉軸進行旋轉之機構者。
作為聚光位置變位機構2的其他形態，具備使聚光透鏡1移動之聚光透鏡移動機構21。聚光透鏡移動機構21個別或組合地具備使聚光透鏡1圍繞水平軸(X軸或Y軸)擺動之機構及使聚光透鏡1圍繞與雷射光L的光軸傾斜之旋轉軸進行旋轉之機構等。
作為聚光位置變位機構2的其他形態，具備光學構件移動機構22，使將雷射光L引導至聚光透鏡1之光學系統的光學構件(例如，反射鏡5或光束擴展器4)移動。光學構件移動機構22例如個別或組合地具備擺動將雷射光L引導至聚光透鏡1之反射鏡5的角度之機構、圍繞與反射鏡5的反射面垂直之軸傾斜之旋轉軸旋轉反射鏡5之機構及使光束擴展器4圍繞Y軸擺動之機構等。
第4圖及第5圖係表示本發明的實施形態之雷射加工裝置的具體例之說明圖。如第4圖(a)所示，第4圖所示之雷射加工裝置10具備雷射光源3、擴大從雷射光源3射出之雷射光L的光束徑之光束擴展器4、反射鏡5及聚光透鏡1，將藉由聚光透鏡1聚光成環狀之雷射光L照射在基板G上。該實施形態中，作為聚光位置變位機構2，具備圍繞旋轉軸a旋轉光束擴展器4之光學構件移動機構22A。
如第4圖(b)所示，該光學構件移動機構22A中，偏離光束擴展器4的中心40之位置上設置有旋轉軸a，該旋轉軸a與雷射光L的光軸一致。若藉由光學構件移動機構22A旋轉光束擴展器4，則將雷射光L照射到從中心40偏心之位置，藉此可得到與使雷射光L的光軸圍繞中心40作圓周運動者同等之作用。藉此，能夠改變從光束擴展器4射出而射入到聚光透鏡1之雷射光L的角度，並且能夠使聚光透鏡1的聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向變位。依據基板G的厚度，可一併設置使基板G向厚度方向移動之基板移動機構2(20)。
第5圖所示之雷射加工裝置10具備雷射光源3、擴大從雷射光源3射出之雷射光L的光束徑之光束擴展器4、圖像旋轉體(道威稜鏡)6、反射鏡5及聚光透鏡1，將藉由聚光透鏡1聚光成環狀之雷射光L照射到基板G上。該實施形態中，作為聚光位置變位機構2，具備圍繞旋轉軸a1旋轉圖像旋轉體(道威稜鏡)6之光學構件移動機構22B。
該光學構件移動機構22B係使相對於雷射光L的光軸傾斜配置之圖像旋轉體6圍繞與光軸平行之旋轉軸a1進行旋轉者。藉此，能夠改變從圖像旋轉體6射出而入射到聚光透鏡1之雷射光L的角度，並且能夠使聚光透鏡1的聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向變位。依據基板G的厚度，可一併設置使基板G向厚度方向移動之基板移動機構2(20)。
依以上說明之本發明的實施形態之雷射加工裝置及雷射加工方 法，與利用玻璃刀之習知技術相比，能夠較大地抑制加工過程中產生龜裂，並且能夠與工作人員的能力無關地實現較高加工精確度與成品率。並且，與掃描雷射之習知技術相比，不使用電流計鏡等昂貴的掃描機構亦能夠藉由移動基板G或聚光透鏡1或光學構件之聚光位置變位機構2實現比較簡單且低成本之裝置構成。
並且，錯開位置之同時逐漸擴大形成為環狀之雷射加工痕跡，因此能夠減少由於加工變質層被反覆照射雷射而雷射散亂之能量損失，並且藉由有效的穿孔加工能夠縮短加工處理時間。
以上，參照附圖對本發明的實施形態進行了詳述，但具體構成並不限定於該些實施形態，即使有不脫離本發明宗旨的範圍之設計變更等，亦包含於本發明。並且，上述之各實施形態中，只要在其目的及構成等中沒有特別的矛盾或問題，則能夠挪用彼此的技術並進行組合。
Fs1~Fs8‧‧‧雷射的聚光位置
G‧‧‧基板
O1~O8‧‧‧雷射的聚光位置中心
W‧‧‧寬度
‧‧‧貫穿孔的直徑

Claims (10)

  1. 一種雷射加工裝置，其特徵在於：其係於基板上照射雷射光而對該基板實施穿孔加工，且該雷射加工裝置具備：聚光透鏡，其將雷射光聚光成環狀並將其聚光位置照射至上述基板之厚度範圍內；及聚光位置變位機構，其將上述聚光位置朝上述基板之厚度方向及上述基板之平面方向變位。
  2. 如請求項1之雷射加工裝置，其中，上述聚光位置變位機構係以環狀之上述聚光位置之中心進行圓周運動之方式，使上述聚光位置變位。
  3. 如請求項1或2之雷射加工裝置，其中，上述聚光位置變位機構具備使上述基板移動之基板移動機構。
  4. 如請求項1或2之雷射加工裝置，其中，上述聚光位置變位機構具備使上述聚光透鏡移動之聚光透鏡移動機構。
  5. 如請求項3之雷射加工裝置，其中，上述聚光位置變位機構具備使上述聚光透鏡移動之聚光透鏡移動機構。
  6. 如請求項1或2之雷射加工裝置，其具備：雷射光源，其射出雷射光；及光學系統，其將自上述雷射光源射出之雷射光引導至上述聚光透鏡；上述聚光位置變位機構具備使上述光學系統之光學構件移動之光學構件移動機構。
  7. 如請求項3之雷射加工裝置，其具備：雷射光源，其射出雷射光；及光學系統，其將自上述雷射光源射出之雷射光引導至上述聚光透鏡；上述聚光位置變位機構具備使上述光學系統之光學構件移動之光學構件移動機構。
  8. 如請求項4之雷射加工裝置，其具備：雷射光源，其射出雷射光；及光學系統，其將自上述雷射光源射出之雷射光引導至上述聚光透鏡；上述聚光位置變位機構具備使上述光學系統之光學構件移動之光學構件移動機構。
  9. 如請求項5之雷射加工裝置，其具備：雷射光源，其射出雷射光；及光學系統，其將自上述雷射光源射出之雷射光引導至上述聚光透鏡；上述聚光位置變位機構具備使上述光學系統之光學構件移動之光學構件移動機構。
  10. 一種雷射加工方法，其特徵在於：其係於基板上照射雷射光而對該基板實施穿孔加工，該雷射加工方法係將雷射光聚光為環狀並將其聚光位置照射至上述基板之厚度範圍內，於將上述聚光位置朝上述基板之厚度方向及上述基板之平面方向變位之過程中，以環狀之上述聚光位置之中心進行圓周運動之方式，使上述聚光位置變位。
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