TWI426058B - Non - linear cutting method - Google Patents

Description

非線形切割方法

本發明是有關於一種切割工件的切割方法，特別是指一種於待切割工件上進行非線形切割的非線形切割方法。

目前針對脆性材料，例如玻璃、矽晶，所構成的工件的切割方式，大致有鑽石刀輪切、雷射熱熔切、雷射熱裂邊等三種方式。

鑽石刀輪切是利用機械力進行切割，在全切穿時會有嚴重的崩角問題。

雷射熱熔切是利用雷射光熔融待切割工件於切割路徑的結構以達到切割的目的，雖然這種方式適用於進行非線形切割，但缺點在於要持續地施加高能雷射光才能熔融待切割工件於切割路徑的結構而達到切割的目的，除了成本高、切割速度慢之外，還會有再融合、熔渣殘留，以及切割處形成表面融邊導角的問題。

雷射熱裂邊則是沿著切割路徑先以鑽石刀輪切出未全切穿的淺溝槽，繼之以雷射光對切出的淺溝槽作用形成溫差，進而對切割路徑對應於淺溝槽底下的結構產生熱應力而崩解以達到切割的目的，優點是節省時間與成本較低，缺點則是脆性材料的裂邊有慣性，因此當切割路徑的彎曲變化過大時，材料實際崩損的路徑會偏離預先切割出的淺溝槽而造成切割失敗。

另外，目前用於切割工件，特別是脆性材料所構成的 工件的切割機構，大致是依據上述鑽石刀輪切、雷射熱熔切、雷射熱裂邊等方式開發出來的，例如中華民國第095135226號「雷射加工機」專利申請案、中華民國第092134040號「具雙噴嘴之脆性工件切割設備」專利申請案、中華民國第089122936號「利用超冷卻氣流進行玻璃之雷射切割」專利申請案、中華民國第092109598號「半導體材料的機械加工技術」專利申請案，及中華民國第094120564號「切割、劈裂或分離基板材料之裝置、系統及方法」專利申請案等，由於此等專利案件所提出的技術手段各有其優、缺點，在此不詳細一一分析說明。

鑒於脆性材料構成的工件種類越來愈多，進行切割時的需求也越來越多樣繁複，因此，提出新的切割機構及切割方法，特別是能於脆性材料構成的待切割工件上進行形狀複雜的非線形切割的非線形切割機構及非線形切割方法，一直是業界努力研發的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種適用於脆性材料構成的待切割工件上進行形狀複雜切割的非線形切割方法。

於是，本發明一種非線形切割方法，包含四步驟。

首先將待切割工件固定在一切割平台上。

接著於該待切割工件的一切割路徑上噴覆冷卻媒介，以形成一蓋覆該切割路徑上之預定作用區的披覆膜。

再將輻射光聚焦於該待切割工件對應於切割路徑預定 作用區的表面上，而形成一未穿通該待切割工件的半切穿區。

最後對應該切割路徑的該半切穿區位置噴覆冷卻媒介，使該半切穿區之結構受熱應力而崩解，成一穿通該待切割工件的切穿區。

其次，本發明另一種非線形切割方法，包含五步驟。

首先將一待切割工件固定在一切割平台上。

接著於該待切割工件的一切割路徑上噴覆冷卻媒介，以形成一蓋覆該切割路徑上之預定作用區的披覆膜。

再將一輻射光聚焦於該待切割工件對應於該切割路徑預定作用區的表面上，而形成一未穿通該待切割工件的半切穿區。

然後對應該切割路徑形成該半切穿區的位置噴覆冷卻媒介，使該半切穿區之結構受熱應力繼續向下崩損。

最後對應於該切割路徑形成該半切穿區的位置施加輻射光，使該半切穿區之結構受張應力而崩解，成一穿通該待切割工件的切穿區。

本發明之功效在於：以同軸裝置導引輻射光源產生的輻射光與媒介供應裝置提供的冷卻媒介成同軸且相間隔交錯地作用，而先於待切割工件上以冷卻媒介形成一披覆膜，之後以輻射光作用形成半切穿區時，藉披覆膜的保護而不會出現融邊導角，繼之再噴覆冷卻媒介時，即可以熱應力崩解半切穿區之結構而切穿，同時也繼續在下一輻射光作用點上形成披覆膜，如此反覆進行，即可快速、且不 會使崩損結構的路徑偏離切割路徑地完成切割過程。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之四個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明一種非線形切割機構的一第一較佳實施例，適用於待切割工件101，特別是脆性材料，例如玻璃、矽晶圓，所構成的工件，同時，特別適用對待切割工件101進行非線形的複雜圖樣切割，該非線形切割機構2包含一切割平台21、一同軸裝置22、一輻射光源23，及一媒介供應裝置24。

該切割平台21供承載待切割工件101。

同時配合參閱圖2、圖3，該同軸裝置22對應設置在該切割平台21上方，並可對應該切割平台21進行三維位移，也就是可以預先設定使同軸裝置22依循切割路徑作動，該同軸裝置22具有一包括一光進入口221與一相反於該光進入口221並臨靠近該切割平台21的光射出口222的光軸道223，及一包括一注入口224與一相反於該注入口224且環圍該光射出口222的噴覆嘴225的媒介流道226，該光軸道223供光自該光進入口221進入後導引行進至該光射出口222向外射出，該媒介流道226供冷卻媒介自該注入口224進入後流動至該噴覆嘴225向外射出。如圖3所示，較佳地，該同軸裝置22的該光軸道223與該媒介流道226臨靠近該噴覆嘴225的端部具有相同的中心軸線 227，且自該噴覆嘴225向外噴出的媒介流向與該中心軸線227夾0°~45°，而避免噴出媒介反彈污染光射出口222。

參閱圖1、圖4，該輻射光源23設置於該光軸道223的光進入口221處，於本實施例中，該輻射光源23產生的輻射光是雷射光，其所產生的雷射光自該光進入口221進入並自該光射出口222射出，並依實際需要使射出的雷射光聚焦於該待切割工件101表面，而使該待切割工件101形成一如圖4所示之未穿通該待切割工件101的半切穿區102，或使射出的雷射光聚焦於該待切割工件101非表面的其他位置，而使該待切割工件101的局部區域受到雷射光作用而產生熱應力。

該媒介供應裝置24設置於該注入口224處，提供一冷卻媒介自該注入口224注入，而於該媒介流道24中流動，並自該噴覆嘴225噴出披覆在該待切割工件101上，該媒介供應裝置24還具有一脈衝控制單元241，是以脈衝方式控制該冷卻媒介間歇性地自該噴覆嘴225噴出至該待切割工件101的預定作用區上形成披覆膜103，其中，該媒介供應裝置24提供的冷卻媒介是二氧化碳雪花，或水、乙醇、丙酮等流體。

參閱圖5、圖4、圖6，當切割待切割工件101時，是先將該待切割工件101固定於該切割平台21上，接著以預設的移動路徑(即對應切割路徑104)與移動速度控制該同軸裝置22相對該切割平台進行位移，如圖5所示，當切割開始時，該媒介供應裝置24的脈衝控制單元241控制冷卻 媒介間歇地自該噴覆嘴225噴出，而於該待切割工件101的切割路徑104的預定區域形成一披覆膜103。如圖4所示，幾乎同一時間地，該輻射光源23產生的輻射光(即本例的雷射光)以聚焦於該切割路徑104預定區域表面地自該光射出口222射出，而使該待切割工件101的預定區域形成未穿通的半切穿區102，此時，待切割工件101被雷射光作用的預定區域因為有披覆膜103的存在，所以雷射光作用於待切割工件101表面的能量是讓披覆膜103氣化揮發，而不會產生融邊導角的現象；如圖6所示，在雷射光作用形成該半切穿區102後，該媒介供應裝置24的脈衝控制單元241控制冷卻媒介立即地自該噴覆嘴225噴出於該待切割工件101的半切穿區102上，使該半切穿區102結構因急速的溫度變化形成熱應力而崩解，成穿通待切割工件101的切割路徑104中的一切穿區105，而在以該媒介供應裝置24的脈衝控制單元241控制冷卻媒介自該噴覆嘴225噴出冷卻媒介的同時，也於該切割路徑104的下一個預定作用區再次形成披覆膜103以供下一次雷射光作用時提供保護之用，如此反覆進行，即可依序沿著預定的切割路徑以雷射光淺熔切配合熱應力裂穿方式穿通整條切割路徑，完成整個切割作業。

由上述說明可知，以本發明非線形切割機構101進行切割時，因為是先以雷射光淺熔切，所以雷射能量所需較低、所需的整體施作時間較短，而具有施作成本低的優點；此外，本發明非線形切割機構101進行切割時，是將 連續的切割路徑視為非連續的多數預定作用區，並分別以雷射光熱熔切形成半切穿區102後，再以熱應力崩裂半切穿區102的結構而成切穿區105，依序將每一預定作用區形成切穿區105後完成整個切割過程，所以，無論切割路徑的曲率變化為何，實際淺熔切、崩裂材料結構的路徑都不會偏離預設的切割路徑，而能精準的完成非線形的切割。

要特別說明的是，由於本發明的非線形切割機構是以熱熔切形成半切穿區102，後輔以熱應力崩裂半切穿區102的結構而成切穿區105，進而完成整個切割過程，所以也同樣適用於線形的切割分離，且切割後不會發生融邊導角或是崩角的現象。

參閱圖7，本發明一種非線形切割機構的一第二較佳實施例，是與上例揭示的非線形切割機構2相似，適用於切割待切割工件，特別是脆性材料，例如玻璃、矽晶圓，所構成的待切割工件，同時，特別適用對待切割工件進行非線形的複雜圖樣切割，而本第二較佳實施例與上例不同處在於該非線形切割機構2’還包含一靠近切割平台21裝設的氣體噴射裝置25，具有一將預定氣體噴出的噴嘴251，及一相對遠離該噴嘴251並可持續抽氣的抽吸件252，當自該噴嘴噴出預定氣體並以該抽吸件252抽氣時，產生一橫跨該同軸裝置22移動路徑(即橫跨切割路徑104)並穿過該光射出口222與該噴覆嘴225的清潔氣流，而當以雷射光進行淺熔切時產生的熔渣、披覆膜氣化所成的廢氣、後續半切穿區102崩裂時產生的殘屑廢渣，以及雷射作用時產 生的多餘廢熱等，都可隨著清潔氣流被帶離該待切割工件101，進而維持待切割工件101的平整、清潔，也有利於整體切割的施作。

另外，本發明也提出針對例如大尺寸、超薄的顯示器面板、或其他脆性材料所成的大型工件進行非線形切割的方法。

參閱圖8，本發明非線形切割方法的一第一較佳實施例，是利用上述本發明非線形切割機構2、2’實施，適用於切割厚度是0.05mm~0.5mm的較薄的待切割工件101，主要包含四個步驟。

首先是進行步驟81，將待切割工件101固定在切割平台21上。

接著進行步驟82，於該待切割工件101的切割路徑104上噴覆冷卻媒介，以形成蓋覆切割路徑104上之預定作用區的披覆膜103；在此，所噴覆的冷卻媒介是二氧化碳雪花，其它，例如水、乙醇、丙酮等流體也可適用。

然後進行步驟83，將輻射光聚焦於該待切割工件101對應於該切割路徑104預定作用區的表面上，而形成未穿通該待切割工件101的半切穿區102，且在輻射光作用的同時，作用於待切割工件101表面的熱量使披覆膜103揮發，進而維持熔切處完整而無熔邊導角現象的出現。於本實施例，該輻射光係為一雷射光。

之後進行步驟84，再次對應該切割路徑的該半切穿區102位置噴覆冷卻媒介，使該半切穿區102的結構受熱應力 而崩解，成穿通該待切割工件101的切穿區105，此時，所噴覆的冷卻媒介還在該切割路徑104上臨靠近該成穿通的切穿區105的下一預定作用區形成另一披覆膜103。

如此，繼續反覆進行步驟82、步驟83與步驟84，即可以快速、且不會偏離切割路徑104地完成切割過程。

另外要說明的是，步驟82與步驟84實施時，是彼此以具有時間差的方式，間隔地噴覆冷卻媒介，當然，是可以直接控制媒介供應裝置24成間歇地作動以噴覆冷卻媒介，或是也可以配合前述的脈衝控制單元241控制實施。

較佳地，步驟82、步驟83與步驟84實施時，還可以配合形成一道橫跨該切割路徑104的清潔氣流，以移除施加雷射光時燒融的顆粒與受熱應力崩解的結構，而在上述的說明中，此過程是應用氣體噴射裝置25產生的。

參閱圖9、圖10，特別地，當切割路徑104形狀複雜且彎曲曲率極大時，在切割過程仍極易因為自身材料結構特性而崩裂，因此，可以先在進行步驟83以雷射光作用之前實施一步驟85，於該切割路徑104之二彼此定義出之幅角大於60°的節點位置，分別形成二位於該切割路徑中並穿通該待切割工件的熔切孔106；甚至可以依據預切割形狀的複雜度多增加幾個熔切孔，以提升切割良率。

參閱圖11，本發明非線形切割方法的一第二較佳實施例，類似地是利用上述本發明非線形切割機構2、2’實施，實施方式也相當類似於上述本發明非線形切割方法的第一較佳實施例，不同的是本第二較佳實施例適用於切割厚度 是0.5mm~5mm的較厚的待切割工件101，主要包含五個步驟。

首先是進行步驟91，將待切割工件101固定在切割平台21上。

接著進行步驟92，於該待切割工件101的切割路徑104上噴覆冷卻媒介成蓋覆該切割路徑104上之預定作用區的披覆膜103；在此，所噴覆的冷卻媒介是二氧化碳雪花，其他例如水、乙醇、丙酮等流體也可適用。

然後進行步驟93，將輻射光聚焦於該待切割工件101對應於該切割路徑104預定作用區的表面上而形成未穿通該待切割工件101的半切穿區102，且在輻射光作用的同時，多餘的熱量使披覆膜103揮發，進而維持熔切處完整而無熔邊導角。於本實施例，該輻射光係為一雷射光。

之後進行步驟94，再次對應該切割路徑104的該半切穿區102位置噴覆冷卻媒介，此時，因為待切割工件101的厚度較厚，所以該半切穿區102結構受熱應力僅能繼續向下崩損。

再進行步驟95，對應於該切割路徑104形成該半切穿區102的位置施加輻射光，使該半切穿區102結構再次受熱產生張應力而崩解，成穿通該待切割工件101的切穿區105。

如此，繼續反覆進行步驟92、步驟93、步驟94與步驟95，即可以快速、且不會偏離切割路徑104地完成切割過程。

綜上所述，本發明是提出一種新的非線形切割機構2、2’，及相關的非線形切割方法，主要是將媒介供應裝置24噴覆的冷卻媒介與輻射光源23產生的輻射光，利用同軸裝置22成同軸且具有時間差地作用於待切割工件101上，而先在待切割工件101上噴覆冷卻媒介成披覆膜，繼之以輻射光進行淺融切，且同時讓輻射光多餘的能量用於使披覆膜103揮發，進而保證待切割工件104的熔切邊緣完整無熔邊導角的情形發生，隨即再噴覆冷卻媒介而利用溫差產生的熱應力崩解未切穿的結構而造成全切穿，如此反覆實施即可依序沿著預定的待切割路徑，以輻射光淺熔切配合熱應力裂穿方式，快速、精準地完成整個切割作業，確實達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

101‧‧‧待切割工件

102‧‧‧半切穿區

103‧‧‧披覆膜

104‧‧‧切割路徑

105‧‧‧切穿區

106‧‧‧熔切孔

2、2’‧‧‧非線形切割機構

21‧‧‧切割平台

22‧‧‧同軸裝置

221‧‧‧光進入口

222‧‧‧光射出口

223‧‧‧光軸道

224‧‧‧注入口

225‧‧‧噴覆嘴

226‧‧‧媒介流道

227‧‧‧中心軸線

23‧‧‧輻射光源

24‧‧‧媒介供應裝置

241‧‧‧脈衝控制單元

25‧‧‧氣體噴射裝置

251‧‧‧噴嘴

252‧‧‧抽吸件

81‧‧‧步驟

82‧‧‧步驟

83‧‧‧步驟

84‧‧‧步驟

85‧‧‧步驟

91‧‧‧步驟

92‧‧‧步驟

93‧‧‧步驟

94‧‧‧步驟

95‧‧‧步驟

圖1是一剖視示意圖，說明本發明非線形切割機構的一第一較佳實施例；圖2是一局部立體圖，說明圖1本發明非線形切割機構的同軸裝置的光軸道的光射出口與媒介流道的噴覆嘴；圖3是一局部剖視圖，說明圖1本發明非線形切割機構的同軸裝置的光軸道與媒介流道為同一中心軸線，且自媒介流道噴覆嘴噴出冷卻媒介的流向與中心軸線夾0°~45 °；圖4是一立體剖視圖，說明以圖1本發明非線形切割機構的一輻射光源產生輻射光，並自同軸裝置的光軸道光射出口射出作用於待切割工件，而於待切割工件形成半切穿區；圖5是一立體剖視圖，說明以圖1本發明非線形切割機構的一媒介供應裝置提供冷卻媒介，並自同軸裝置的媒介流道的噴覆嘴噴覆至待切割工件上形成披覆膜；圖6是一立體剖視圖，說明以圖1本發明非線形切割機構的媒介供應裝置再次提供冷卻媒介，並自同軸裝置的媒介流道的噴覆嘴噴覆至待切割工件上，使半切穿區結構售熱應力崩解成切穿區；圖7是一剖視示意圖，說明本發明非線形切割機構的一第二較佳實施例；圖8是一流程圖，說明本發明非線形切割方法的一第一較佳實施例；圖9是一流程圖，說明實施本發明非線形切割方法的第一較佳實施例時，還包含在切割路徑曲率變化過大處形成二融切孔的步驟；圖10是一立體圖，輔助說明實施本發明非線形切割方法的第一較佳實施例時，當切割路徑曲率變化過大時形成二融切孔的位置；及圖11是一流程圖，說明本發明非線形切割方法的一第二較佳實施例。

81‧‧‧步驟

82‧‧‧步驟

83‧‧‧步驟

84‧‧‧步驟

Claims (17)

1. 一種非線形切割方法，包含：(a)將待切割工件固定在一切割平台上；(b)於該待切割工件的一切割路徑上噴覆冷卻媒介，以形成一蓋覆該切割路徑上之預定作用區的披覆膜；(c)將輻射光聚焦於該待切割工件對應於切割路徑預定作用區的表面上，而形成一未穿通該待切割工件的半切穿區；及(d)對應該切割路徑的該半切穿區位置噴覆冷卻媒介，使該半切穿區之結構受熱應力而崩解，成一穿通該待切割工件的切穿區。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(d)噴覆冷卻媒介時，還在該切割路徑上臨靠近該切穿區的下一預定作用區形成披覆膜。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(b)與步驟(d)實施時是以脈衝方式控制而成時間差地噴覆冷卻媒介。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(b)與步驟(d)噴覆的冷卻媒介是二氧化碳雪花、水、乙醇，或丙酮。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其中，該待切割工件的厚度是0.05mm~0.5mm。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其 中，該步驟(c)與步驟(d)實施時，還以一橫跨該切割路徑的清潔氣流移除施加雷射光時燒融的顆粒與受熱應力崩解的結構。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，還包含一實施在該步驟(c)之前的步驟(f)，於該切割路徑之二彼此定義出之幅角大於60°的節點位置，分別形成二位於該切割路徑中並穿通該待切割工件的熔切孔。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之非線形切割方法，其中，該輻射光是雷射光。
9. 一種非線形切割方法，包含：(a)將一待切割工件固定在一切割平台上；(b)於該待切割工件的一切割路徑上噴覆冷卻媒介，以形成一蓋覆該切割路徑上之預定作用區的披覆膜；(c)將一輻射光聚焦於該待切割工件對應於該切割路徑預定作用區的表面上，而形成一未穿通該待切割工件的半切穿區；及(d)對應該切割路徑形成該半切穿區的位置噴覆冷卻媒介，使該半切穿區之結構受熱應力繼續向下崩損；及(e)對應於該切割路徑形成該半切穿區的位置施加輻射光，使該半切穿區之結構受張應力而崩解，成一穿通該待切割工件的切穿區。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其 中，該步驟(d)噴覆冷卻媒介時，還在該切割路徑上臨靠近該切穿區的下一預定作用區形成披覆膜。
11. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(b)與步驟(d)實施時是以脈衝方式控制而成時間差地噴覆冷卻媒介。
12. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(b)與步驟(d)噴覆的冷卻媒介是二氧化碳雪花、水、乙醇，或丙酮。
13. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其中，該待切割工件的厚度是0.5mm~5mm。
14. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(c)與步驟(d)實施時，還以一橫跨該切割路徑的清潔氣流移除施加雷射光時、受熱應力崩解時，與受張應力崩解時的待切割工件的結構。
15. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，還包含一實施在該步驟(c)之前的步驟(f)，於該切割路徑之二彼此定義之幅角大於60°的節點位置，分別形成二位於該切割路徑中並穿通該待切割工件的熔切孔。
16. 依據申請專利範圍第9項所述之非線形切割方法，其中，該步驟(e)實施輻射光時，非聚焦於該半切穿區的裸露面。
17. 依據申請專利範圍第9或16項所述之非線形切割方法，其中，該輻射光是雷射光。