TWI471188B - 硬脆材料切割方法 - Google Patents

Description

硬脆材料切割方法

本發明係關於一種硬脆材料切割方法，特別是一種以脈衝雷射切割硬脆材料之硬脆材料切割方法。

一般而言，業者多會利用雷射作為切割玻璃等硬脆材料之手段，以透過雷射在硬脆材料內部形成所謂盲裂縫而能藉助外力予以破壞並完成分割。然而，因應切割後產品的不同用途係會衍生有不同的切割路徑型態，就現階段之手機面板而言，多半期望能在產品角隅處呈現出曲線態樣，卻因受限於材料本身晶格排列的差異，而容易導致各角隅之曲線處產生不易斷裂之困擾。

為此，如中華民國公告I343292號專利案，其係揭示一種脆性非金屬基材之切割方法，係先將雷射光束聚焦於脆性非金屬基材上，以形成一橢圓形光斑；接著使該橢圓形光斑在沿脆性非金屬基材之預定切割曲線運動之同時繞其中心旋轉，從而使橢圓形光斑之長軸延伸方向始終與橢圓形光斑所在處之預定切割曲線之切線方向基本保持一致，同時使一冷卻流體跟隨橢圓形光斑運動，以沿該預定切割曲線形成裂紋，且沿該裂紋使其分裂。

雖上述習知專利案可利用橢圓形光斑與預定切割曲線保持一致，以使雷射光束之能量始終可在預定切割曲線之二側對稱分佈而進行加熱，故當冷卻流體冷卻該加熱區域時，脆性非金屬基材便隨之發生斷裂，且其裂紋形狀仍 可與預定切割曲線一致，以提升產品切割精度。然而，由於習知專利案必須要透過脆性非金屬基材的冷、熱溫差，方可在冷卻流體通過加熱區域時產生顯著應力而致使脆性非金屬基材斷裂，但冷、熱溫差的調控卻存有許多變數，往往容易受限於脆性非金屬基材之材質、材料均勻度、材料厚度或冷卻流體之選擇等，不僅難以控制該些變數，更無法廣泛應用於各種脆性基材的切割製程上，故習知手段之實用性恐為人所質疑。

有鑑於此，確實有必要發展一種有別於習知技術之硬脆材料切割方法，以輕易使硬脆基材產生斷裂，並且同時解決如上所述之各種問題。

本發明主要目的乃改善上述缺點，以提供一種硬脆材料切割方法，其係能夠使硬脆材料輕易沿對應切割路徑之裂紋斷裂而不偏移，以提升產品切割精度者。

本發明次一目的係提供一種硬脆材料切割方法，係能夠降低製程變數，以簡化製程並提升其控制性者。

為達到前述發明目的，本發明硬脆材料切割方法，係包含：以雷射機具聚焦於一硬脆材料，且沿一預定切割路徑作用，該切割路徑包含相連接的一第一線段與一第二線段，該第一線段之曲率大於第二線段之曲率，致使該切割路徑之第一線段受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第一裂紋，且該切割路徑之第二線段則受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第二裂紋，該第一裂紋及 第二裂紋皆沿該雷射衝擊方向延伸至該硬脆材料內，且該第一裂紋之材料移除率係大於該第二裂紋之材料移除率；及施加作用力於該硬脆材料，以迫使該第一裂紋及第二裂紋受力成長而斷裂。

其中，該第一裂紋與第二裂紋的材料移除率比值為2~4之間。且，該第一線段的單位長度所接受的雷射脈衝數大於該第二線段的單位長度所接受的雷射脈衝數。

其中，該第一線段可以為一曲線段，該第二線段可以為一直線段。如此，在以脈衝雷射聚焦於該硬脆材料所預定之切割路徑時，係以單發多脈衝形式之雷射光束分次且連續地衝擊曲率較大的該曲線段，致使該曲線段形成深入該硬脆材料內部的該第一裂紋，且該第一裂紋之材料移除率為0.3~0.8。並且，在以脈衝雷射聚焦於該硬脆材料所預定之切割路徑時，係以單發單脈衝形式之雷射光束一次衝擊該直線線段，致使該直線段形成淺入該硬脆材料內部的該第二裂紋，且該第二裂紋之材料移除率為0.2~0.4。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明硬脆材料切割方法可適用於各種硬脆材料的切割製程，以欲成形具曲度線段之基材為主要施作對象，該硬脆材料的種類乃是所屬技術領域中具有通常知識者可任意選擇，不再多贅述，且以下由「硬脆材料」概括之。

本發明硬脆材料切割方法係包含以下步驟：以雷射光束聚焦於一硬脆材料，且沿一預定切割路徑作用，該切割路徑包含相連接的一第一線段與一第二線段，該第一線段之曲率大於第二線段之曲率，致使該切割路徑之第一線段受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第一裂紋，且該切割路徑之第二線段則受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第二裂紋，該第一裂紋及第二裂紋皆沿該雷射衝擊方向延伸至該硬脆材料內。其中，該第一線段於單位長度內所接受之雷射脈衝數大於該第二線段於單位長度內所接受之雷射脈衝數。

詳言之，當使用者依實際需求於該硬脆材料上繪製有欲加工之切割路徑，且該切割路徑係由曲率不同的二線段〔即第一線段與第二線段〕相接而成時，遂以一雷射機具所發散之雷射光束衝擊第一線段及第二線段，於本實施例，該雷射機具是但不限於一脈衝雷射機具，且由脈衝雷射機具所發散之複數脈衝式雷射光束衝擊第一線段〔即曲率較大線段〕，以在硬脆材料表層遭到初次熔融而未凝固前，持續給予硬脆材料能量，進而在第一線段沿該脈衝雷射衝擊方向衍生深入該硬脆材料內部之第一裂紋；隨之以脈衝雷射機具所發散之複數脈衝式雷射光束衝擊第二線段〔即曲率較小線段〕，使硬脆材料之表層熔融而隨即再凝固(再鑄)，以在直線段沿該脈衝雷射衝擊方向衍生淺入該硬脆材料內部之第二裂紋。其中，該第一裂紋與第二裂紋之材料移除率比值較佳不少於1.1，特別係維持於2~4之間，以能確保該第一裂紋之材料移除率大於該第二裂紋之 材料移除率為原則，進而使曲率相對較大之第一線段相較於曲率相對較小之第二線段具有更易變形斷裂之優勢。

以上所述「材料移除率」泛指以雷射光束衝擊硬脆材料後，受衝擊處之材料遭移除而形成的裂紋深度相較於硬脆材料在雷射衝擊方向上的原厚度之比；於下簡單以「材料移除率」代表之，不再重複說明。

舉例而言，本實施例係先如第1圖所示於硬脆材料1構製所需之切割路徑2，該切割路徑2恰由曲率較大之曲線作為第一線段〔以下稱〝曲線段21〞〕，且由曲率較小之直線作為第二線段〔以下稱〝直線段22〞〕。藉此，係可以透過如第3圖所示之單發多脈衝形式〔即所謂burst mode〕雷射光束S分次且連續地衝擊該切割路徑之曲線段21，致使該曲線段21形成深入該硬脆材料內部的第一裂紋C1，該第一裂紋C1較佳係呈現猶如深溝槽之態樣，且控制該第一裂紋C1之材料移除率為0.3~0.8；再配合如第4圖所示之單發單脈衝形式〔即所謂single mode〕雷射光束S’一次衝擊該直線段22，致使該直線段22形成淺入該硬脆材料內部的第二裂紋C2，該第二裂紋較佳係呈現猶如淺溝槽之態樣，且控制該第二裂紋C2之材料移除率為0.2~0.4。基於上述概念，本實施例係調整一脈衝雷射機具之雷射頭位移，以使該脈衝雷射機具之雷射頭沿該硬脆材料1的預定切割路徑2發散雷射光束，而於該切割路徑2的各曲線段21形成數道第一裂紋C1，且於各直線段22形成數道第二裂紋C2。其中，該曲線段21單位長度所接受的雷射脈衝數係大於該直線段22單位長度所接受的雷射 脈衝數，以使該曲線段21在材料表層遭到初次熔融而未凝固前，能夠持續接受脈衝能量；反之，則可以使該直線段22之材料表層遭熔融而隨即再凝固。

本實施例是分別以單發多脈衝形式雷射光束S分次且連續地衝擊該切割路徑之曲線段21，以單發單脈衝形式雷射光束S’一次衝擊直線段22；惟，本發明於實際實施時並不以同時具有上述作業模式的雷射機具為限。

續之，經雷射光束作用於該硬材材料之切割路徑後，再施加一作用力於該硬脆材料，以迫使該第一裂紋及第二裂紋受力成長而斷裂。詳言之，在該硬脆材料之結構強度因第一裂紋及第二裂紋之生成而遭致破壞後，遂能在施加作用力之下，因該第一裂紋所具有之材料移除率相對高於該第二裂紋所具有之材料移除率，以致曲率較大之第一線段的硬脆材料結構強度明顯較曲率較小之第二線段的硬脆材料結構強度差，故在外力作用下，該第一裂紋便容易延伸成長致使該第一線段處斷裂，且同時伴隨該第二裂紋延伸成長而致使該第二線段斷裂，以此便能在該硬脆材料之結構強度削減後完成該硬脆材料之切割。

舉例而言，本實施例係可以選擇透過機械應力變形或超音波震盪等方式，迫使該曲線段21〔即曲率較大之第一線段〕之數道第一裂紋C1受力作用而斷裂，並隨之延伸至該直線段22〔即曲率較小之第二線段〕而使該直線段22可經該數道第二裂紋C1產生斷裂，以如第2圖所示沿該預定切割路徑2完成該硬脆材料1之切割，而取得成品3。其中，控制該機械應力變形或超音波震盪之技術手段乃 所屬技術領域中具有通常知識者可理解，且基於本案技術範疇而能加以調整，在此不限制亦不贅述。

除上述之外，本發明亦可選擇直接作用於第5圖所示之具二種不同曲率之曲線，以由該第一曲線段21’及第二曲線段22’相接成該硬脆材料1之切割路徑2’。其中，第一曲線段21’之曲率大於第二曲線段22’之曲率(即為第一曲線段21’之曲率半徑小於第二曲線段22’之曲率半徑)。如此，當以脈衝雷射機具進行該硬脆材料切割時，便能基於與前述實施例相同之技術概念，以脈衝雷射機具所發散之複數脈衝式雷射光束分別衝擊第一曲線段21’及第二曲線段22’，致使該第一曲線段21’沿該脈衝雷射衝擊方向衍生深入該硬脆材料1內部之第一裂紋C1’，該第二曲線段22’則沿該脈衝雷射衝擊方向衍生淺入該硬脆材料1內部之第二裂紋C2’，以在該第一裂紋C1’之材料移除率大於該第二裂紋C2’之材料移除率的原則下，使得該第一曲線段21’相較於該第二曲線段22’亦具有更易變形斷裂之優勢。

以上雷射機具係以脈衝雷射機具為較佳實施例，但本發明的實施不以選用脈衝雷射機具為限，其他雷射機具亦可藉由選擇不同功率、不同雷射光束移行道次等手段，使第一裂紋之材料移除率大於第二裂紋之材料移除率。

綜上所述，本發明硬脆材料切割方法之主要特徵係在於：藉由雷射聚焦於該硬脆材料之切割路徑，以能操作該雷射機具的發散雷射光束型態，而在該切割路徑上具不同曲率之線段〔如曲線段及直線段〕形成具有不同深度之溝槽，即由深度較深之數道第一裂紋成形於該切割路徑上具 較大曲率之第一線段，使第一線段具有較深之溝槽，且由深度較淺之數道第二裂紋成形於該切割路徑上具較小曲率之第二線段，使第二線段具有較淺之溝槽。如此一來，當該第一線段之第一裂紋相較於該第二線段之第二裂紋具有較顯著之材料移除率時，遂能在外力作用下，強迫該第一線段之數道第一裂紋成長至斷裂，並隨之削弱該硬脆材料之結構強度，且同時通過該數道第二裂紋致使該第二線段斷裂，以能夠輕易完成該硬脆材料之切割，且可沿對應切割路徑之裂紋斷裂而不偏移，達到提升產品切割精度之功效。此外，本發明硬脆材料切割方法更能夠降低傳統製程變數的難以控制，以簡化製程並相對達到提升其控制性之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧硬脆材料

2、2’‧‧‧切割路徑

21、21’‧‧‧彎曲段

22、22’‧‧‧直線段

3‧‧‧成品

C1、C1’‧‧‧第一裂紋

C2、C2’‧‧‧第二裂紋

S‧‧‧單發多脈衝形式雷射光束

S’‧‧‧單發單脈衝形式雷射光束

第1圖：本發明之雷射切割硬脆材料示意圖。

第2圖：本發明之硬脆材料受力作用示意圖。

第3圖：本發明實施例之單發多脈衝雷射光束示意圖。

第4圖：本發明實施例之單發單脈衝雷射光束示意圖。

第5圖：本發明另一實施例之雷射切割路徑示意圖。

1‧‧‧硬脆材料

2‧‧‧切割路徑

21‧‧‧彎曲段

22‧‧‧直線段

C1‧‧‧第一裂紋

C2‧‧‧第二裂紋

Claims (7)

1. 一種硬脆材料切割方法，係包含：以雷射機具聚焦於一硬脆材料，且沿一預定切割路徑作用，該切割路徑包含相連接的一第一線段與一第二線段，該第一線段之曲率大於第二線段之曲率，致使該切割路徑之第一線段受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第一裂紋，且該切割路徑之第二線段則受雷射機具所發散之雷射光束衝擊而形成數道第二裂紋，該第一裂紋及第二裂紋皆沿該雷射衝擊方向延伸至該硬脆材料內，且該第一裂紋之材料移除率係大於該第二裂紋之材料移除率；及施加作用力於該硬脆材料，以迫使該第一裂紋及第二裂紋受力成長而斷裂。
2. 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中，該第一裂紋與第二裂紋的材料移除率比值為2~4之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中，該第一線段的單位長度所接受的雷射脈衝數大於該第二線段的單位長度所接受的雷射脈衝數。
4. 如申請專利範圍第2項所述之硬脆材料切割方法，其中，該第一線段的單位長度所接受的雷射脈衝數大於該第二線段的單位長度所接受的雷射脈衝數。
5. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之硬脆材料切割方法，其中，該第一線段為一曲線段，該第二線段為一 直線段。
6. 如申請專利範圍第5項所述之硬脆材料切割方法，其中，在以脈衝雷射聚焦於該硬脆材料所預定之切割路徑時，係以單發多脈衝形式之雷射光束分次且連續地衝擊該曲線段，致使該曲線段形成深入該硬脆材料內部的該第一裂紋，且該第一裂紋之材料移除率為0.3~0.8。
7. 如申請專利範圍第5項所述之硬脆材料切割方法，其中，在以脈衝雷射聚焦於該硬脆材料所預定之切割路徑時，係以單發單脈衝形式之雷射光束一次衝擊該直線段，致使該直線段形成淺入該硬脆材料內部的該第二裂紋，且該第二裂紋之材料移除率為0.2~0.4。