TWI476063B

TWI476063B - 雷射切割方法與裝置

Info

Publication number: TWI476063B
Application number: TW100135907A
Authority: TW
Inventors: chun han Li; Sung Ho Liu; Yu Chung Lin
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2015-03-11
Also published as: CN103030266B; CN103030266A; TW201315559A

Description

雷射切割方法與裝置

本發明係有關於一種雷射切割方法與裝置，尤指一種由加工件底部上升至頂部加工形成連續改質介面，對被加工物進行非破壞性加工，適用於非直線形雷射切割，並且可以有效降低雷射切割加工時間之雷射切割方法與裝置。

傳統玻璃切割係採用輪刀切割，但是針對各產業急速發展，尤其針對觸控面板相關產業而言，對於玻璃強度的要求越來越高，而這也造成傳統輪刀玻璃切割面臨困難，例如康寧(Gorilla glass)所生產的強化玻璃強度太強(>120Kgf@1.1mm)，比一般強化玻璃(例如Soda Lime強化玻璃)大六倍，當使用傳統輪刀進行強化玻璃切割時，會有輪刀磨損過嚴重的問題，因此急需尋找其他替代方案。

由於雷射玻璃切割屬於非接觸式切割方法，不會有輪刀磨損的問題，能解決傳統輪刀磨損過嚴重的問題，近年來逐漸被廣泛應用於高強度玻璃切割。目前一般業界常見的雷射切割方法為使用二氧化碳雷射切割玻璃，但是其切割方式大部分僅能進行直線加工裂片，而難以對玻璃加工出非直線形圖案，例如，圓形、弧形或不規則任意曲線組合。此外，使用短脈衝雷射，雖然可以直接對玻璃進行破壞性加工，而直接加工出非直線形圖案，但卻面臨到所耗費時間太久的問題。

針對已知專利而言，如中華民國專利公告I270431「雷射加工方法」，其係提供一種切斷加工物之方法，其技術特徵在於聚焦於加工物之內部，藉由改變加工區之材料特性，使折射率改變，使加工物容易切斷，並可防止切斷時產生碎屑，但是由於該案係聚焦於加工物之內部，因此適用於直線切割，難以進行圓形、弧形或不規則任意曲線組合之非直線形切割。

其次，如美國專利7605344「Laser beam machining method,laser beam machining apparatus,and laser beam machining product」，其係提供一種雷射光加工方法，利用多光子吸收，直接在加工物內部進行破壞性加工而產生空洞，因而更容易切斷目標物，其技術特徵在於利用多光子吸收(multi-photo absorption)，在加工物內部形成微小空洞(cavity)，其加工區係融熔再固化(melted和re-solidified)，使其狀態改變或結晶結構改變(單晶化、多晶化、amorphous)，其光斑間距(pitch)為1~7um，但是該案所提供之加工方法，必須採用超短脈衝雷射，雷射源成本昂貴。

其次，如中國專利CN101663125「鐳射加工方法及切割方法以及具有多層基板的結構體的分割方法」，其係一邊形成空洞一邊掃描鐳射時，由於形成加工面，因而其後可以以較小的彎曲應力切割加工物。該案所提供之方法適用於兩塊基板面對面配置的情況，可用於液晶面板的玻璃基板分割，其技術特徵在於對於加工物為透明波長的超短脈衝雷射(<100ps)進行聚光，從表面向加工物的背面照射，於加工物底部進行破壞性加工而產生孔洞，使聚光後的雷射光腰位置與加工物的背面間隔開。該通道內的物質被鐳射分解並從加工物的背面排出，從而在上述通道中形成空洞。但是該案所提供之加工方法，必須採用超短脈衝雷射，雷射源成本昂貴，且耗費的加工時間長。

其他如中華民國專利公告I250060「利用雷射之加工對象物切斷方法、預定切斷線形成方法及預定切斷線形成裝置」、日本專利JP2007130675「Laser scribing method」、日本專利JP2009190069「Machining method and device for transparent substrate by laser」、中華民國專利公告I330170「加工脆硬材料之方法」，都提出雷射切割相關技術。

針對已公開文獻，如刊物「Proc.of SPIE」於2000年10月25日公開文獻「Laser cutting of glass」(作者Christoph Hermanns)，其中第219~226頁揭露，其係使用二氧化碳雷射切割玻璃，並指出當雷射切割深度<100um時(Micro crack)，搭配冷卻後所造成的應力變化進行裂片，可達到很快的切割速度，並有較佳的邊緣品質。然而，利用全切的方式(Full body crack)雖然不用裂片，但需耗費較長加工時間，並且產生較大的裂紋，品質很差。

其次，如刊物「Journal Of Laser Applications」於2008年10月10日公開文獻「Thermal stress analysis on laser scribing of glass」(作者Koji Yamamoto,Noboru Hasaka and Hideki Morita and Etsuji Ohmura)，其中第193~200頁揭露利用二氧化碳雷射源照射產生熱應力，並搭配冷卻水噴射，進行裂片切割，並分析雷射源與冷卻源距離不同，所造成裂紋邊緣的改變。

其次，如刊物「Optics and Lasers in Engineering」於2009年03月25日公開文獻「Cutting glass substrates with dual-laser beams」(作者Junke Jiao and Xinbing Wang)，其中第860~864頁揭露以低功率密度之離焦二氧化碳雷射照射玻璃材料，不會使玻璃融化或蒸發，但可以產生急速升降的熱應力。並利用聚焦二氧化碳雷射由產生熱應力變化之地方，使玻璃隨著雷射劃過地方產生裂紋。

其次，如刊物「機械工業雜誌」於2009年02月13日公開文獻「PD玻璃基板雷射切割技術概況」(作者林于中、蔡偉崙)，其中第43~55頁揭露比較十幾家公司不同雷射切割玻璃技術，可看出目前大部分雷射玻璃切割技術，仍然以二氧化碳雷射(短脈衝雷射成本較高)搭配預刻裂痕及冷卻系統，進行裂片切割為主，有速度快及斷面平整等優點。

綜合上述習知專利及公開文獻可知，雷射切割技術雖然已被應用於不同技術產業，但由於絕大部分雷射切割方法及架構都是採用二氧化碳雷射，需搭配預刻裂痕，難以應用在非直線加工，而若是對被加工物進行破壞性加工，所耗費的時間相對較久。另外雷射光係聚焦於被加工物內部時，會導致難以進行圓形、弧形或不規則任意曲線組合之非直線形切割，部分習知專利雖然可將聚焦位置設定於加工件底面，但仍是以全切方式由加工件的頂面向下加工至加工件底面，仍屬於破壞性加工。此外，少部分雷射切割雖然使用短脈衝雷射，可以進行非直線形切割，但是仍屬於破壞性加工，而且極為耗時，例如，以5W UV雷射切割厚度為0.7mm的玻璃，加工長度為50mm時，必須以 100mm/s的速度加工四百次，才能將玻璃切斷，其耗費的加工時間至少需要二百秒。

因此，如何能有一種適用於非直線形雷射切割，並且可以有效降低雷射切割加工時間之方法與架構，是雷射切割相關技術領域人士急需要解決的重要課題。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種雷射切割方法與裝置，其係由加工件底部上升至頂部加工形成連續改質介面，對被加工物進行非破壞性加工，適用於非直線形雷射切割，並且可以有效降低雷射切割加工時間。

為達到上述目的，本發明提出一種雷射切割方法，係用以切割一加工件，該加工件具有相對之一底面與一頂面，於該底面與該頂面之間平行一軸向形成該加工件之厚度，該雷射切割方法包含：由一雷射源發出一雷射光射向該加工件；由一透鏡將該雷射光聚焦於該加工件之該底面；由該雷射光於該加工件之該底面形成一第一改質軌跡；平行於該軸向至少改變一次該雷射光之照射位置，使該雷射光於該加工件形成至少一變焦聚焦點，該至少一變焦聚焦點之投影位置係落於該第一改質軌跡；以及由該雷射光以該至少一變焦聚焦點為基準，於該加工件形成一至少一變焦改質軌跡，該變焦改質軌跡之投影位置係與該第一改質軌跡重疊，於該第一改質軌跡與該變焦改質軌跡之間之該加工件形成一連續改質介面。

為達到上述目的，本發明更提出一種雷射切割裝置，其包含：一雷射源，係用以發出一雷射光；一透鏡；以及一雙焦點光路系統，係設置於該雷射源與該透鏡之間，該雙焦點光路系統包括：一分光鏡，係提供該雷射源所發出之雷射光射入，並將該雷射光分光為一第一雷射光以及一第二雷射光；一調控發散角鏡組，係提供該第一雷射光射入，並改變該第一雷射光之發散角度；一合光鏡，係用以將經由該調控發散角鏡組改變發散角度之該第一雷射光，以及該第二雷射光整合為一道雷射光後，再射向一加工件之頂面。

為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第一圖所示一雷射切割裝置10，其包括一雷射源11、一折射鏡12、一透鏡13，雷射源11係用以發射一雷射光L，雷射光L射向折射鏡12後，折射朝向並通過透鏡13，雷射光L之波長小於100000nm，雷射光L之能量密度(fluence)大於100J/cm² ，透鏡13為一高數值口徑(NA)之透鏡，其數值口徑位於0.001~1之間。雷射切割裝置10係用以切割一加工件20，加工件20可為石英玻璃、硼矽玻璃或各種強化玻璃等材料，加工件20具有相對之一底面21與一頂面22，於底面21與頂面22之間平行於一軸向A形成該加工件20之厚度t，當加工件20之底面21係設置於一X軸與Y軸構成之平面時，該軸向A為Z軸。雷射光L之聚焦景深(Depth of Focus)係小於加工件20之厚度t。

請參閱第一圖至第四圖所示，說明藉由第一圖之雷射切割裝置10對加工件20進行雷射切割之方法流程30，其包括：

步驟31：由雷射源11發出一雷射光L，雷射光L射向折射鏡12後，折射朝向透鏡13並通過透鏡13，以平行於軸向A的方向射向加工件20之頂面22。

步驟32：由透鏡13將雷射光L聚焦於加工件20之底面21，如第一、三圖所示之聚焦點P1。

步驟33：由雷射光L於加工件20之底面21形成一第一改質軌跡T1(如第三圖所示)，第一改質軌跡T1之形式係依實際所需切割的形狀而設計，可為圓形、弧形或不規則任意曲線組合組合之非直線形，例如第三圖所示於加工件20底面21形成一直線與圓弧構成之第一改質軌跡T1。

步驟34：當完成步驟33於加工件20底面21形成第一改質軌跡T1後，再以平行於軸向A之方向，改變雷射光L 之照射位置，使雷射光L於加工件20形成一變焦聚焦點P2，變焦聚焦點P2平行於軸向A之投影位置係落於第一改質軌跡；如第一圖所示，變焦聚焦點P2係位於加工件20內部，變焦聚焦點P2之水平高度高於聚焦點P1，且變焦聚焦點P2距離聚焦點P1一距離D1，可藉由調整雷射源11與調整加工件20之相對位置，達到改變雷射光L照射位置及聚焦位置之目的，例如，將加工件20固定，則調高雷射光L於軸向A之照射位置以得到變焦聚焦點P2。

步驟35：驅動雷射光L以變焦聚焦點P2為基準，於加工件20形成一變焦改質軌跡T2，變焦改質軌跡T2之投影位置係與第一改質軌跡T1重疊，於第一改質軌跡T1與變焦改質軌跡T2之間之加工件20內部形成一連續改質介面，如第三圖所示，第一改質軌跡T1與變焦改質軌跡T2形成二層式改質軌跡。必須說明的是，由於雷射光L照射具有一範圍，因此可以依加工件20之厚度而調整雷射光L之照射位置之雷射重複率，例如設定雷射重複率等於或小於50%，使連續改質介面可以涵蓋加工件20之底面21及頂面22。當加工件20厚度t較薄時，藉由本實施例之第一改質軌跡T1與變焦改質軌跡T2所形成之連續改質介面即可以涵蓋加工件20之底面21及頂面22，若是加工件20厚度t較厚時，只要再改變雷射光L之照射位置，使雷射光L於加工件20形成其他的變焦聚焦點即可，例如，可改變雷射光L於加工件20形成高度不同之第一變焦聚焦點以及一第二變焦聚焦點，第一變焦聚焦點係位於加工件20內部，第二變焦聚焦點係位於加工件20之頂面22。

以第一圖所示裝置架構，說明本發明所提出之雷射切割方法，雷射光L波長為355nm，脈衝寬度小於30ns，搭配數值口徑為0.28之透鏡13，以頻率40KHz，速度200mm/s，聚焦景深0.035mm，能量密度800J/cm² ，加工件20為厚度0.7mm的強化玻璃，首先聚焦於加工件20底面21，雷射光L以前述200mm/s的速度於加工件20底面21形成第一次改質軌跡，而後平行於軸向A向上調整雷射光L之照射位置五次，每次移動距離為133ìm，速度降低以400mm/s的速度於加工件20內部形成五次改質軌跡，總共加工六次所形成之連續改質介面即可以涵蓋加工件20之底面21及頂面22，由於加工件20於連續改質介面之強度降低，因此可利用如第一圖所示之一裂片機40輔助進行裂片，如第四圖所示，加工件20可由連續改質介面之位置斷裂，形成第一部份加工件20A以及一第二部分加工件20B。

請參閱第五圖所示之雷射切割裝置50，其包括一雷射源51、一透鏡53以及一裂片機40，於雷射源51與透鏡53之間設有一雙焦點光路系統52，雙焦點光路系統52包括一分光鏡521、一調控發散角鏡組522以及一合光鏡523，分光鏡521係提供雷射源51所發出之雷射光L射入，並將雷射光L分光為一第一雷射光L1以及一第二雷射光L2，調控發散角鏡組522係提供第一雷射光L1射入，並改變第一雷射光L1之發散角度，合光鏡523係用以將經由調控發散角鏡組522改變發散角度之第一雷射光L1，以及第二雷射光L2整合為一道雷射光L3後，再透過透鏡53射向加工件 20之頂面22，本雷射切割裝置50之特點在於，利用雙焦點光路系統52將原本單一焦點加工方式轉為兩個焦點加工方式，可提高製程效率，如第五圖所示，可同時於加工件20之底面21及內部形成焦點P3、P4。

請參閱第六圖所示之雷射切割裝置60，其包括一雷射源61、一折射鏡62、一透鏡63以及一裂片機40，雷射切割裝置60之特點在於透鏡63與加工件20之間設有一折射元件64，折射元件64可採用石英玻璃、硼矽玻璃或各種強化玻璃等材料，雷射光L係先通過折射元件64後，再射向加工件20之頂面22，本雷射切割裝置60之特點在於，雷射光L通過折射元件64，使在空氣與折射元件64介面產生折射後光線角度變小，即可達到迅速改變雷射光L聚焦位置，可於加工件20快速形成另一聚焦點，提高製程效率。

此外，本案也可搭配不同的裝置架構，於加工件形成多個焦點位置，以提高製程效率，請參閱第七圖至第十圖所示不同實施例。

請參閱第七圖所示之雷射切割裝置70，其包括一雷射源71、一多光束分光繞射光學元件(DOE)72、一透鏡73以及一掃描鏡74，多光束分光繞射光學元件(DOE)72可設置為單片或多片，其係透過單片或多片的多光束分光繞射光學元件(DOE)72，將雷射源71所發出之雷射光L分成多道雷射光L4，雷射光L4透過透鏡73及掃描鏡74作用之後，可形成多道雷射光L5於加工件20之單一平面上形成多個聚焦點。

請參閱第八圖所示之雷射切割裝置80，其主要包括一雷射源81以及一漸進式多焦點鏡片82。請參閱第九圖所示，漸進式多焦點鏡片82具有不同的聚焦區域821~824。藉此，透過該漸進式多焦點鏡片82，可將雷射源81所發出之雷射光L分成多道雷射光L6，因此可於加工件(圖中未示出)形成多個焦點位置。

請參閱第十圖所示之雷射切割裝置90，其主要包括一雷射源91、多個分光鏡92A~92C以及多個透鏡93A~93C，係透過多個分光鏡92A~92C以及多個透鏡93A~93C，可將雷射源91所發出之雷射光L分成多道雷射光L7A~L7C，因此可於加工件(圖中未示出)形成多個焦點位置。

綜上所述，本發明提供之雷射切割方法，其係由加工件底部上升至頂部加工形成連續改質介面，對加工件進行非破壞性加工，不僅適用於非直線形雷射切割，並且可以有效降低雷射切割加工時間，如上述以切割厚度為0.7mm的玻璃，加工長度為50mm為例，利用本發明所提供的方法及裝置進行切割，以5W UV雷射於一次200mm/s搭配五次400mm/s的速度，總共加工六次，即可將玻璃切斷，所耗費時間不到一秒，相較於傳統以5W UV雷射與100mm/s的速度加工四百次，至少需耗時二百秒才能將玻璃切斷，本發明可將加工速度提升至少二百倍，有利於應用於產業製造加工製程，可縮短加工時間，提升製造速度。附帶說明的是，本發明提供之雷射切割方法，其所需的雷射光及透鏡之規格必須視所切割的加工件材質及厚度不同而設定，依實驗驗證，若雷射光以頻率40KHz，速度小於1mm/s，能量密度大於2000J/cm² 切割加工件時，容易使加工件表面受到破壞，而無法在加工面底面形成改質區，此外，若使用F值(焦距)為100mm的透鏡，聚焦景深為0.886mm時，也無法在厚度0.7mm的加工件底面形成改質區。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

10、50、60、70、80、90‧‧‧雷射切割裝置

11、51、61、71、81、91‧‧‧雷射源

12、62‧‧‧折射鏡

13、53、63、73、93A~93C‧‧‧透鏡

20‧‧‧加工件

20A‧‧‧第一部分加工件

20B‧‧‧第二部分加工件

21‧‧‧底面

22‧‧‧頂面

30‧‧‧雷射切割方法流程

31~35‧‧‧步驟

40‧‧‧裂片機

52‧‧‧雙焦點光路系統

521、92A~92C‧‧‧分光鏡

522‧‧‧調控發散角鏡組

523‧‧‧合光鏡

64‧‧‧折射元件

72‧‧‧多光束分光繞射光學元件(DOE)

74‧‧‧掃描鏡

82‧‧‧漸進式多焦點鏡片

A‧‧‧軸向

D1‧‧‧距離

L‧‧‧雷射光

L1‧‧‧第一雷射光

L2‧‧‧第二雷射光

L3、L4、L5、L6、L7A、L7B、L7C‧‧‧雷射光

P1‧‧‧聚焦點

P2‧‧‧變焦聚焦點

P3、P4‧‧‧焦點

T1‧‧‧第一改質軌跡

T2‧‧‧變焦改質軌跡

t‧‧‧厚度

第一圖係用以執行本發明之雷射切割方法之一雷射切割裝置之架構示意圖。

第二圖係本發明之雷射切割方法之流程圖。

第三圖係本發明之雷射切割方法於加工件形成不同改質軌跡之示意圖。

第四圖係加工件由連續改質介面斷裂之示意圖。

第五圖及第六圖係用以執行本發明之雷射切割方法之不同雷射切割裝置之架構示意圖。

第七圖至第十圖係本發明之雷射切割方法於加工件形成多個焦點位置所搭配之不同裝置實施例之架構示意圖。

30‧‧‧雷射切割方法流程

31~35‧‧‧步驟

Claims

一種雷射切割方法，係用以切割一加工件，該加工件具有相對之一底面與一頂面，該雷射切割方法包含：由一雷射源發出一雷射光射向該加工件；由一透鏡將該雷射光聚焦於該加工件之該底面；由該雷射光於該加工件之該底面形成一第一改質軌跡；至少改變一次該雷射光之照射位置，使該雷射光於該加工件形成至少一變焦聚焦點，該至少一變焦聚焦點之投影位置係落於該第一改質軌跡；由該雷射光以該至少一變焦聚焦點為基準，於該加工件形成一至少一變焦改質軌跡，該變焦改質軌跡之投影位置係與該第一改質軌跡重疊，於該第一改質軌跡與該變焦改質軌跡之間之該加工件形成一連續改質介面，其中，係以不同速度分別於該加工件之不同位置形成該第一改質軌跡以及該至少一變焦改質軌跡，且形成該第一改質軌跡之第一次加工速度低於形成該至少一變焦改質軌跡之加工速度。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該雷射光具有一聚焦景深(Depth of Focus)，該聚焦景深係小於該加工件之該厚度。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該雷射光具有一能量密度(fluence)，該能量密度係大於100J/cm² 。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該透鏡為一高數值口徑(NA)之透鏡，其數值口徑位於0.001~1 之間。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其係改變一次該雷射光之照射位置，使該雷射光於該加工件形成一第一變焦聚焦點，該第一變焦聚焦點係位於該加工件之該底面與該頂面之間之該加工件內部。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其係改變二次該雷射光之照射位置，使該雷射光於該加工件形成一第一變焦聚焦點以及一第二變焦聚焦點，該第一變焦聚焦點係位於該加工件內部，該第二變焦聚焦點係位於該加工件之該頂面。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該雷射光之照射位置之雷射重複率係等於或小於50%。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該雷射光之波長係小於100000nm。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其中該透鏡與該加工件之間設有一折射元件，該雷射光係先通過該折射元件後，再射向該加工件之該頂面，以快速形成另一焦點。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其係透過單片或多片的多光束分光繞射光學元件(DOE)，將該雷射源所發出之雷射光分成多道雷射光，再透過該透鏡於該加工件之單一平面上形成多個聚焦點。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其係透過漸進式多焦點鏡片，將該雷射源所發出之雷射光於該加工件形成多個焦點位置。
如申請專利範圍第1項所述之雷射切割方法，其係透過多個分光鏡與多個透鏡，將該雷射源所發出之雷射光於該加工件形成多個焦點位置。
一種雷射切割裝置，包含：一雷射源，係用以發出一雷射光；一透鏡；以及一雙焦點光路系統，係設置於該雷射源與該透鏡之間，該雙焦點光路系統包括：一分光鏡，係提供該雷射源所發出之該雷射光射入，並將該雷射光分光為一第一雷射光以及一第二雷射光；一調控發散角鏡組，係提供該第一雷射光射入，並改變該第一雷射光之發散角度；一合光鏡，係用以將經由該調控發散角鏡組改變發散角度之該第一雷射光，以及該第二雷射光整合為一道雷射光後，再射向一加工件之頂面，該雙焦點光路系統係用以共同於該加工件之底面及內部分別各形成一焦點，該二聚焦點之投影位置係落於同一改質軌跡，該二聚焦點係用以同時且分別形成一連續改質介面，其中，係以不同速度分別於該加工件之不同位置形成一第一改質軌跡以及該至少一變焦改質軌跡，且形成該第一改質軌跡之第一次加工速度低於形成該至少一變焦改質軌跡之加工速度。