TW201803672A

TW201803672A - 剖面端部不加工鏡面切斷法

Info

Publication number: TW201803672A
Application number: TW105122665A
Authority: TW
Inventors: 有澤真
Original assignee: 漢登科技股份有限公司
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-02-01

Abstract

本發明係一種剖面端部不加工鏡面切斷法，係以將在深度方向直列之微細的複數個雷射光束焦點設時間差，使其從深處依序發生，非透過性地變性以謀求光吸收，藉由此等相互作用使龜裂長度增大，並且藉由使焦點位置在切斷深度方向高速移動，不對切斷剖面之端部進行加工，而藉由增長切斷深度，獲得鏡面剖面與高抗斷強度之方式，以產業可利用之雷射切斷。藉此解決脆性透明體之切斷，在切斷後，因應力集中在剖面端部所生成之微細裂紋上，而發生產品之抗斷強度減弱，剖面留下加工污痕等問題。

Description

剖面端部不加工鏡面切斷法

本發明係一種剖面端部不加工鏡面切斷法，尤指一種在脆性透明體之切斷中，不對剖面端部直接加工，以切斷後剖面形成鏡面狀態，實現高抗斷強度為目的之精密切斷加工者。

雖然雷射有效扮演著將玻璃等脆性透明體切割成自由形狀之角色，不過，因為切斷後發生微細裂紋，所以有容易破損，需要實施後處理製程之缺點。過去習知之鹼玻璃等，因為在碳酸氣體雷射中具有吸收帶，所以可藉由雷射光對玻璃之吸收及溫度上昇而發生的熱應力進行龜裂斷裂，而將剖面加工成鏡面。但是此種方法無法對強化玻璃、無鹼玻璃、藍寶石等透明體實施加工。因而，係採用將原本對透明體不吸收之脈衝雷射強烈聚光，藉由使透明玻璃之光學特性變性引起熱吸收，使物質溫度急遽上昇，而使物質蒸發，藉由進行熱破壞等實施加工的方法。但是，由於此種方法僅在小焦點部之高強度聚光部分產生變性，因此導向切斷時，係採取對玻璃剖面之邊緣部分進行加工，或是藉由對內部伴隨大加工痕之照射而容易切斷的加工法。因而，切斷後會在剖面邊緣部分殘留微細裂紋，成為遇應力集中而斷裂的原因。此外，即使表面及背面不直接加工，來自內部之自然龜裂進行不一，加工後仍然成為微細裂紋之發生源。

使通過透明玻璃之雷射光超過某種強度聚光時，因非線性光學效應使玻璃變性而產生光之吸收，進一步增強光時熱吸收趨於活潑，而使物質溫度急速上昇。結果，材料因熱應力作用強而斷裂。更加提高強度時，因高電場導致污損破壞。即使是比較弱之光，為了容易切斷，將表面或背面同時加工切斷時，剖面邊緣部仍會發生微細裂紋而強度降低。為了避免此種情況，需要僅將剖面內部藉由熱應力以不明顯之加工痕自然斷裂，並將鏡面且平坦之裂紋誘導於表面及背面而切斷，避免人為性端面裂紋。因而，需要使雷射發生熱應力斷裂部僅可在表面、背面方向細長形成。將其以1條雷射光束實現情況下，在透明體內部聚光時，需要以與符合透鏡系統之焦點深度匹配的長度使熱應力斷裂發生。增長破壞部分時，係以長焦點距離之透鏡聚光，不過，因為此種情況下聚光點徑變大，所以需要之雷射輸出亦非常大，因而加工痕也變大，從該加工痕引起微細裂紋之發生。

如圖1所示，觀察對透明體剖面照射之雷射光束的形態差異時，照射於表面或背面情況下，為了在剖面端部發生裂紋而作用應力時，微細裂紋發展而導向破壞。照射中心部時，切斷端面不產生裂紋者時，需要長焦點距離之光學系統與高輸出雷射，結果發生大的加工痕殘留，從此種加工痕加工後會發生裂紋而導向斷裂。考慮透明體因變性之光的吸收，為了連接小焦點從深處向淺處依序進行加工，過去之加工方法係將透明體以一定深度加工，其製程結束後，將深度稍變淺再加工，如此反覆加工，在深度方向發生深之加工痕而切斷的方法。該方法因為係隔開時間進行深度方向之加工，所以在各個深度之加工痕喪失同時相互作用，而僅單純地堆積微小加工痕，無法引起鏡面狀之自然龜裂。

運用產生透明體性質、產生光傳播至深部特性之雷射細絲的方法，並非僅透鏡單純聚光，而係藉由利用透明材料本身發生的非線性效應，製造細絲上的光進行加工。因為該方法取決於透明體材料之光學特性，所以細絲之形成取決於透明體材料的性質。此外，為了從深度淺之部分向深的部分形成，因為有從近端消耗之光的透過與吸收加熱的差異，所以有發生細絲之部分並非依然有助於均勻加工，且為了生成細絲需要複雜之光學系統與高輸出的雷射等方面之困難。

透明體藉由高強度雷射光使物性引起變化，藉此透明體吸收光，因而焦點部分之溫度急速上昇使破壞進行的反應，因為表面及背面與內部比較係以低強度加工，所以用強雷射光加工其附近時，因為表面及背面先反應導致在其附近的內部無法加工。因而，為了獲得儘量寬之加工剖面深度，須在內部寬的範圍形成加工部，如此又需要對各照射點實施適當的輸出調整。

換言之，使用雷射控制剖面聚光位置而進行加工時，對雷射波長透過之透明體材料的加工，除了雷射光的聚光焦點位置之外，還需要藉由依材料剖面深度調整強度，實施表面、背面或內部加工。藉由如此操作，可避免因剖面邊緣因切斷發生微細裂紋而使強度降低、加工時因產生之塵埃飛散妨礙精密加工、造成貼在加工品下面之膠帶損傷、加工品剖面加工痕顯著變大等，導致表面凹凸明顯。掃瞄一個雷射光時，改變深度調整輸出固然容易，但是即使在使2個以上脈衝相互干擾並同時照射之系統中也需要如此考慮。

如上述，因為透明體之加工僅在光強度高之焦點部分進行加工，所以需要在發生光強度吸收之剖面內部藉由控制形成良好之切斷表面形態，以短焦點發生小焦點時，局部溫度升高可進行較整齊之加工，不過因為加工區域狹窄，所以無法進行達到斷裂之加工。包含表面及背面之加工也會有發生塵埃及保持膠帶破損等問題。形成可斷裂之大加工痕時，係使用長焦點之光學系統，不過此時因為焦點光點大，需要大的雷射能方能引起破壞。而且，導致破壞之剖面不潔，裂紋也大。因此，應採用具有朝向切斷方向平滑之斷裂面的雷射照射法。但是，發生細絲化之方法，其穩定發生細絲之條件及保持伴隨長細絲進行之細絲發生能力與吸收損失的平衡困難。因而，需要一種可在分散之焦點中進行最佳照射的系統。

有鑑於傳統上並無在強化玻璃、無鹼玻璃、藍寶石等脆性透明體加工中，不使塵埃發生，不直接加工切斷面邊緣，不使支撐玻璃之下面膠帶等破損，而自然割斷成鏡面狀之產業可利用的雷射加工方法。故，發明人乃依其長年服務於相關產業之經驗，經過多次研究與調整，終於開發設計出本發明之一種剖面端部不加工鏡面切斷法，期能藉由本發明一舉改善習知加工方法的諸多缺陷。

本發明之主要目的在於提供一種一種剖面端部不加工鏡面切斷法，該方法係使用雷射切斷玻璃、藍寶石、陶瓷等透明脆性材料時，在材料切斷面內雷射光束進行方向，以雷射脈寬程度之少許時間差連結數個焦點，藉由雷射焦點部變性而從透明體材料變化成吸收體之光吸收，各焦點入射光彼此不致妨礙而在各個焦點位置產生熱應力破壞，藉由在此等微細破壞點以及發生於此等之間的應力相互作用，產生連續之細長微小熱破壞，來進行鏡面狀加工。

如此，本發明之透明體雷射切斷法，因為僅將內面之局部部分長距離加工，不需要使光細絲狀通過透明體內部時所需的超高強度雷射，不進行剖面邊緣加工，而可保留大加工痕進行加工，因此有微細裂紋不易從加工剖面進入，保持高斷裂強度，而獲得平整剖面的優點。

本發明之再一目的，係為了使雷射光產生數個焦點，而分割一個雷射光束，將分割之各個光束調整成在各照射深度之適當強度，藉由以彼此極接近之焦點間距離設脈寬以上之時間差而聚光，使用保持於壓電元件等高速振動元件之光學系統，使自深處至淺處依序藉由逐一偏離聚光點而發生之一群焦點在雷射進行方向振動，並使透明體對雷射光束在切斷方向移動，而且藉由使在深度方向直列之焦點進一步在深度方向以及加工方向廣泛擴張，避免在更深範圍發生小龜裂，直接加工表面及背面，而在剖面端部殘留加工痕，或從表面及背面發生切斷造成之塵埃，利用龜裂從內部加工點自然成長之適當龜裂發生深度而切斷。

如此，由於本發明係藉分割雷射光束，使各個光聚光於小焦點，對透明體之剖面切斷深度設時間延遲而直列，依序藉由光使透明體變質，同時使光吸收而使溫度上昇，因此能使導向剖面方向破壞之動作藉由光學系統之振動在剖面寬廣範圍實現，而在平整之面引起破壞。

為便貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

1‧‧‧雷射光束

2‧‧‧波長板

3‧‧‧偏振器

4‧‧‧變焦光學系統

5‧‧‧偏振器

6、7‧‧‧反射鏡

8‧‧‧第2脈衝

9‧‧‧第1脈衝

10‧‧‧入射透鏡支架

11‧‧‧入射透鏡

12‧‧‧射出透鏡

13‧‧‧高速振動器

14、15‧‧‧支撐環

16‧‧‧延遲調整元件

17‧‧‧振動元件驅動器

18‧‧‧對物透鏡

19‧‧‧雙光束分割結合器

20‧‧‧脆性透明材料

21、23‧‧‧載台

22‧‧‧雷射

24‧‧‧圖案加工工件

圖1係習知透明體加工方法示意圖；圖2係本發明較佳實施例之雙光束透明體加工方法示意圖；圖3係本發明用以將雷射光束分割為二光束之透明體切斷裝置架構示意圖；圖4係不同雷射光強度與透過率之關係圖；圖5係應用本發明進行透明體加工時，不同材料深度與使用之能量關係圖；圖6係本發明雙光束振動加工方法較佳實施例之示意圖；圖7係本發明較佳實施例系統架構示意圖；圖8係藉本發明對不同材質進行剖面加工之結果示意圖；圖9係使用不同破壞強度進行剖面加工之結果示意圖；及圖10係將本發明應用於產業之系統架構示意圖。

請參閱圖2所示，本發明方法係在2個以上可在雷射內部產生變性之雷射焦點光(數1000000W/cm2)的數個焦點中，藉由在透明體內部實現附加時間差進行照射，避免相互干擾，使透明體內部從背面至表面之距離的任意點分別獨立且同時藉由光吸收而變性，藉由包含焦點間發生細長龜裂而有效導向自然斷裂者。

圖3係顯示依據本專利之使用分割為二光束之透明體切斷裝置的說明圖。另外，就分割為二以上之光束分割，亦可將同樣方法擴張。具有直線偏光之雷射光束(1)藉由半波長板(2)之旋轉而在任意之偏光方向旋轉。旋轉之光藉由偏振器(3)在透過方向與反射方向分割成依偏光方向之比。通過之光藉由變焦光學系統(4)調整光束之平行度。一方反射之光藉由反射鏡(6),(7)反射，並藉由偏振器(5)結合成一條光束。此時，透過之光束比反射之光束延遲脈寬以上之時間，成為脈衝(8)及脈衝(9)而結合於相同光軸。光通過入射透鏡(11)及射出透鏡(12)而到達對物透鏡(18)。此時使入射透鏡(11)稍微移動，並使藉由對物透鏡(18)產生之雷射光束焦點位置稍微移動。該移動係藉由高速振動入射透鏡與射出透鏡之距離的壓電元件等的振動元件(13)來進行。壓電元件在支架(10)上軸對稱而配置，並使其高速振動。其相位藉由延遲調整器(16)整理。振動機經由支撐臂(15)放大而傳送至入射透鏡。最後通過對物透鏡(18)之光照射於玻璃的剖面內部。

如圖4所示，雷射光透過透明體時，當光能低時幾乎全部光透過。提高雷射強度時玻璃之透過度極端降低。藉由超過此種強度，可能使透明體吸收光而過熱。但是，須注意破壞狀況依照射之位置(深度)而異。即使是照射，若照射深的部分會破壞背面，若照射淺的部分會破壞表面。此因內面之破壞強度比表面及背面高。換言之，須依深度位置設定適切之照射強度。

一個例子為依據對圖5所示之強化玻璃要求的內部破壞能臨限值，按照分割成兩條光束時光束能之分配，分割雷射光束而照射。使用圖式說明使用如該圖說明之分割成2條光束的情況。

將聚光雷射光束聚光於透明體，使剖面之深位置吸收。其次，延遲脈寬以上而入射之另外雷射光束聚光於更深的位置。首先在深部發生吸收體，在其次脈衝通過之光程上不發生吸收體，而使第2雷射脈衝聚光。2個聚光點依使用之對物透鏡的倍率而異，不過大約分離20~50微米，藉由兩者大致同時照射而在剖面方向發生單一焦點時無法獲得之長龜裂。此時，在接近表面之內部進行照射情況下，即使表面是弱聚光強度，因為加工而過於接近表面時會妨礙內部加工，僅表面可以加工。此外，背面亦然，靠近背面而配置焦點時，表面仍比內部易於加工。因此如圖5所示，係對各深度考慮雷射強度之上限值來進行照射。

圖6中圖式顯示分割成2條光束而照射時，使2連焦點位置高速移動同時進行加工之情況。藉由使搭載了加工物之載台移動同時使光束在透明體的深度方向振動，可在厚度方向擴大更寬廣平整之破壞面，藉由該操作實現朝向表面及背面自然割斷的狀況。

脆性透明材料應為精密加工者，而選擇強化玻璃、無鹼玻璃、藍寶石進行試驗，在進行剖面之表面狀態的粗度及鏡面狀態如何的檢查同時，藉由從外部施力實施破壞強度試驗。

圖7係本發明裝置之實施例的說明圖，雙光束分割結合器(19)係與圖3同樣者。雷射光束(1)通過雙光束分割結合器(19)後，第1脈衝(8)藉由對物透鏡(18)到達透明體深部進行加工。然後，第2脈衝(9)到達更淺部分進行透明體(20)之加工。該光束藉由雙光束分割結合器內部之振動器而在深度方向上下移動。加工本身係使載台(21)移動來進行。載台精密製作而成，可抑制在對透明材料之厚度10微米以下深度方向的變動。

圖8顯示實施例之結果。使用10ps,100Micro J之脈衝雷射與25kHz的壓電振動元件之加工試驗，在試驗強化玻璃時，剖面無加工痕，即使使用1000倍之放大顯微鏡仍無法觀察表面構造而成為鏡面狀態。無鹼玻璃因為需要提高溫度，所以會有少許加工痕殘留。而藍寶石由於耐熱性高、具有高強度、且導熱度佳，因此需要形成更高溫，雖然一部分看到一些加工痕，但鏡面部分佔了大半。在試驗藍寶石時，從正上方觀看加工物時，因為表面未被切割而係自然裂開者，雖有裂溝卻無達到切斷程度之間隙，也不發生塵埃。此外，因為也在內部加工部分消耗能，所以射至貼在加工物上之保持膠帶的光強度減弱而變弱，膠帶未被雷射光燒烤。

用與實施例1同樣之試驗條件進行寬度70mm，長度180mm，厚度550微米，強化深度90微米之強化玻璃加工後的3點破壞試驗。圖9係測定切斷之強化玻璃材料的破壞強度者，具有低破壞強度之一群加工至剖面邊緣，而具有高破壞強度之一群不實施剖面邊緣加工，因此瞭解顯示的數值高。

強化玻璃係以雷射進行切斷加工，不過，因為切斷後之產品的破壞強度低，所以在加工後需要各種機械加工及化學處理，不但製程複雜，且既費時又昂貴。使用本方法時，如圖10所示，藉由使載台(23)搭載脆性透明體材料(24)，無須增加包含曲面之自由形狀的加工，因此有產業上之優點。

使用本方法時，可實現平整之剖面。透明脆性材料具有熔點高、耐壓縮應力之特性。雷射加工中，因為藉由將雷射光聚光在小焦點可獲得高電場強度，所以材料比較容易破壞，不過，因為係破壞剖面所以會髒污。反之，以雷射急速加熱及急速冷卻之熱應力破壞容易被應力場支配，因此顯示如鏡面狀態之平整破壞。因為在每1平方cm數1000000MW程度之輸出密度中，會發生熱應力破壞，所以藉由透鏡選定2點達到此種輸出密度之區域，藉由同時照射，使2點相互作用之龜裂發生，即可有效實現平整之切斷。

使用本方法時，可實現可維持高強度之切斷材料。由於脆性材料之破壞以剖面端部之微細裂紋為破壞起點，因此在切斷中，不進行剖面，特別是剖面端面部之加工，而係設法進行協助沿著自然應力場之破壞的加工。因而，係以自然地誘導裂紋，發生剖面邊緣部分為終端之自然破壞的方式，進行加工至接近邊緣。但是，為了提高聚光強度而使用短焦點透鏡時，各剖面僅一部分可加工，所以係藉由生成數個焦點部同時加工，或是使一個焦點部分高速移動，或是藉由同時利用這2個效果，在儘量寬之範圍進行加工。藉此，若僅一部分加工形成大的破壞時無法切斷，反之，藉由堆積平整之微細破壞來實現平穩的加工。高速振動係擴大2kHz~30kHz程度之壓電元件的振動，並重複實施10微米~30微米程度之振動。

使用本方法時，可實現不發生塵埃之加工。因為表面加工時會發生塵埃，所以切斷作業後需要進行洗淨。為了避免此種情況則不切割表面。藉由本發明同時照射數個點，實現不發生塵埃之龜裂，藉由僅切割內部減少加工痕，可防止塵埃之發生或是塵埃從切斷部飛散，所以可運用在無塵室等之加工。

使用本方法進行加工時，保持材料之下面膠帶不致破損。藉由以焦點距離短之透鏡系統聚光，係以內部之加工雷射強度進行加工，不過，膠帶面因為能量通過加工部而減低，所以雷射強度極端降低，可選擇膠帶不致被加工之條件。

使用本方法可對厚材料進行加工。過去厚材料需要將強力之雷射光以長焦點對物透鏡聚光，不過，焦點部會變大且形成加工污痕。因此，係依據本發明藉由在剖面方向配置數個焦點位置，或是使一個焦點高速移動，即可在容易斷裂狀態下切割，所以可對厚材料進行加工。

按，以上所述，僅係本發明之若干較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按凡熟悉該項技藝之人士，依據本發明所揭露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。