TWI476064B - 硬脆材料切割方法 - Google Patents

Description

硬脆材料切割方法

本發明係關於一種切割方法，特別是一種便於裂片且提升切割效率之硬脆材料切割方法。

現今業界廣泛使用之切割技術大多為輪刀切割、圓棒研磨或雷射切割等，其中又以雷射切割較普遍適用於各種硬脆材料[例如：鍍膜濾光片、手機或相機鏡片頭、矽晶片、玻璃、寶石等]，藉以提升硬脆材料的切割品質及效率，達到大量生產之目的。

如中華民國公告第I271251號專利案，其係揭示一種雷射加工方法，以使聚光點對準加工物之內部，且將雷射光照射在該加工物欲切斷處上，再由聚光點沿著該加工物表面之切割線移動，而沿該切割線於該加工物之內部形成改質區域，再以該改質區域為起點沿著該切割線，施以較小之應力而將該加工物裂開切斷。

然而，該習知專利案係直接於該加工物內部形成裂痕，再於該加工物之內部裂痕處施以應力，方能使該加工物裂開切斷。如此，不僅無法精確控制內部裂痕的生長連續性，更容易因受力不平均而導致內部裂痕產生偏移之現象，嚴重影響加工物裂開切斷後的完整度，而衍生有加工物切割品質及效率不彰等問題。

此外，傳統雷射切割技術係能夠應用於具有表面鍍膜之硬脆材料，如中華民國公告第I313913號專利案，其係揭示一種切割基板之方法，主要係利用雷射光束進行透明基板之切割，同時配合割劃線，以裂片或全裂片方式將透明基板切割為數片小基板。惟，該方法用於切割具鍍膜之硬脆材料時，不僅同樣具有如上所述切割不完整，而導致加工物切割品質及效率不彰等問題，甚至更容易因雷射光束所產生的高溫，而導致硬脆材料表面的鍍膜燒蝕，嚴重影響切割後的品質及既有功能。

有鑑於此，確實有必要發展一種具有高切割完整度且易於裂片的切割方法，以解決如上所述之問題。

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，其係能夠於待加工物內部產生間斷性的數道微裂痕，並與加工物表面之切割線相接，以增加裂片之效果且相對提升切割之效率，並達到精確控制之目的。

本發明次一目的係提供一種硬脆材料切割方法，係能夠精準控制待加工物內部的裂痕連續性，以避免產生裂痕偏移之現象，而相對提升切割之完整度及品質。

本發明再一目的係提供一種硬脆材料切割方法，係能夠應用於表面具有鍍膜之工件，以避免待加工物表面的鍍膜燒蝕，而維持待加工物切割後之品質及功能。

為達到前述發明目的，本發明硬脆材料切割方法，用以切割由硬脆材料形成的一工件，係包含：一前置步驟，係沿該工件表面劃分一切割線；一裂紋生成步驟，係以雷射聚焦於該工件上，以沿該工件之切割線於該工件內部形成間斷狀的數道微裂紋，且鄰近該工件表面之微裂紋係由該工件內部延伸至該工件表面；及一裂片步驟，係沿該等為裂紋予以斷裂，以使該工件形成裂片。

本發明硬脆材料切割方法還可以適用於表面具有一薄膜之工件，以於該前置步驟中，另再沿該工件表面之切割線，去除該切割線處之工件表面薄膜。

本發明硬脆材料切割方法還可以於該裂片步驟中，另透過一超音波震盪機，促使該工件內部之數道微裂紋，逐漸成長為連續性裂紋，以沿該工件之切割線切面形成面裂，而完成該工件之切割。

於該裂紋生成步驟中，係以超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，以使雷射光直接透過一聚焦鏡聚焦於鄰近該工件表面處，而於該工件內部生成數道微裂紋。且，該超短脈衝雷射之平均功率係小於10瓦，且該超短脈衝雷射的瞬間脈衝強度係達10⁹ ~10¹² 瓦；該聚焦鏡之數值孔徑[Numerical Aperture,NA]係大於0.4。

於該裂紋生成步驟中，亦可以選擇以一線性馬達帶動一位移平台，以透過該超短脈衝雷射沿該工件切割線之線性位移，使該工件內部所產生之數道裂紋，能形成連續性的鋸齒狀裂紋。且，該工件內部之數道微裂紋係由該工件之上表面斜向延伸至該工件之下表面。

於該前置步驟中，係以超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，直接去除該工件切割線處之薄膜。且，該超短脈衝雷射之能量係小於100微焦耳，該超短脈衝雷射之頻率係為50~100 kHz。

另外，於本發明中所選用之超短脈衝雷射的較佳脈衝寬度特別係小於10ps。

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：

請參照第1圖所示，其為本發明一較佳實施例，該硬脆材料切割方法係包含一前置步驟S1、一裂紋生成步驟S2及一裂片步驟S3。其中，本發明係適用於切割由硬脆材料形成的一工件，該工件係可以選擇為玻璃、藍寶石或水晶等硬脆材料，以下特別係選擇以藍玻璃為例。

請配合參照第2圖所示，該前置步驟S1係沿該工件1表面劃製一切割線L。更詳言之，本實施例係依使用者之需求於該工件1表面劃定一切割線L，藉以由該切割線L作為基準，而能使該工件1斷裂為數相等或不等大小之物件，以適用於各種不同之需求且將其廣為利用。

此外，如第3圖所示，本發明更可以用於切割表面具有一薄膜2之工件1[例如：鍍膜濾光片、相機或手機鏡片等]，以選擇於該前置步驟S1中，另再沿該工件1表面之切割線L，去除該切割線L處之工件1表面薄膜2。詳言之，本實施例較佳係選擇透過超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，直接去除該切割線L處之薄膜2，以避免該薄膜2周緣產生崩裂或燒焦等現象，而能夠呈現較佳的薄膜去除效果。其中，該超短脈衝雷射之能量特別係小於100微焦耳，且該超短脈衝雷射之頻率特別係為50~100 kHz。藉此，係能避免能量過高而產生薄膜燒蝕現象。

本發明硬脆材料切割方法較佳係選擇以該工件1表面鍍有厚度小於0.5微米(um)，特別係厚度為0.3~0.4微米之薄膜2為較佳實施例，並請配合參照第4至7圖所示，詳述如下。其中，於本發明中所選用之超短脈衝雷射的較佳脈衝寬度特別係小於10皮秒(picosecond,ps)，以能於本發明較佳實施例中發揮較佳的裂紋生成效果，以有效提升切割之目的。

請配合參照第1、4及5圖所示，該裂紋生成步驟S2係以雷射光聚焦於該工件1，以沿該工件1之切割線L，於該工件1內部形成間隔狀的數道微裂紋3，且鄰近該工件1表面之微裂紋3係由該工件1內部延伸至該工件1表面，特別係與工件上表面之切割線L相接。其中，該第4圖係沿第3圖之箭頭方向所示之側面剖示圖，以由第4圖輔助說明該裂紋生成步驟S2之流程。更詳言之，本發明係將雷射源激發之雷射光聚焦於該工件1，以沿該前置步驟S1中所劃定之切割線L，間隔地於該工件1內部打出數道微裂紋3，較佳係由調整雷射光之聚焦位置，使該數道微裂紋3從該工件1之上表面11[如第5圖圖面所示]斜向延伸排列至該工件1之下表面12[如第5圖圖面所示]，使得該工件1內部的各道微裂紋3呈斜向延伸，且鄰近工件1之上表面11的各道微裂紋3係延伸至上表面11，而可以於該裂片步驟S3時，輕易將該工件1予以切割。

舉例而言，本實施例特別係選擇以一雷射發送器4發射出超短脈衝雷射，以由超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，使得雷射光直接透過雷射發送器4之一聚焦鏡聚焦於該工件1內部之一位置，且限定該超短脈衝雷射之平均功率較佳係小於10瓦，並使瞬間脈衝強度[即超短脈衝雷射之波鋒值]特別係達10⁹ ~10¹² 瓦以上，以透過較佳的控制精準度，而能由超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，藉以透過該雷射光有效於該工件1內部生成數道微裂紋3。其中，該聚焦鏡之數值孔徑[Numerical Aperture,NA]較佳係大於0.4，使得雷射光能夠於每次送出時精準聚焦於同一點，以達到較為適當之聚焦效果。再且，本實施例較佳係藉由雷射光的線性移動，特別係由線性馬達帶動高精度之位移平台，以透過該超短脈衝雷射沿該工件1切割線L之線性位移，同時藉由雷射發送器4之聚焦鏡調整雷射光聚焦於該工件1厚度方向之不同位置，使得該工件1內部所產生之數道裂紋3，能依使用者所需求之路徑規劃形成連續性的鋸齒狀裂紋[即如第4圖所示之由該工件1右端逐步朝左端排列之斜向裂紋]，以於該工件1之切割線L處造成內部脆裂，同時於該工件1表面[即該工件1之上表面11]產生裂痕，以便於後續該裂片步驟S3時，導引裂片的方向，能輕易完成該工件1之裂片。

請配合參照第1及6圖所示，該裂片步驟S3係沿該等微裂紋3予以斷裂，以使該工件1形成裂片。更詳言之，經由上述裂紋生成步驟S2係可以於該工件1內部形成數道微裂紋3，且該數道微裂紋3係沿該切割線L延伸，以由該數道微裂紋3為基準，施予該工件1適當作用力而生成裂片，以完成該工件1之切割作業。其中，該裂片步驟S3係能沿數道微裂痕3，使該工件1形成裂片為主要原則，其中施予作用力完成該工件1裂片之手段，係屬熟悉該領域者可輕易理解，並不加以設限。

舉例而言，本實施例較佳係選擇另搭配一超音波震盪機5，以於該裂片步驟S3中，透過該超音波震盪機5所產生的單側或雙側震動，促使該工件1內部之數道微裂紋3，可以因震盪朝四面[如第7圖所示之箭頭方向]逐漸擴張成長為連續性的裂紋3，而沿該工件1之切割線L切面形成面裂，以藉由面裂的平均受力，而使該工件1達到較佳的裂片切割效果，甚至應用批量式的裂片機制，完成大量生產之目的。

綜合上述，本發明硬脆材料切割方法係能夠適用於各種硬脆材料，以透過超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射能，直接於該硬脆材料內部打出間斷狀的數道微裂紋，且鄰近該硬脆材料表面之數道微裂紋係由該硬脆材料內部延伸至該硬脆材料表面，並依使用者需求之路徑規劃形成連續性的鋸齒狀裂紋，而對該硬脆材料施予適當作用應力，以便該硬脆材料可以沿該等微裂紋形成裂片，而完成該硬脆材料之切割。藉此，係可以有效增加該硬脆材料之裂片效果，且相對達到提升該硬脆材料切割效率之功效。甚至，本發明還可以透過該超音波震盪機之輔助，以由該超音波震盪同步產生之單側或雙側震動，促使該硬脆材料內部之數道微裂紋呈四面擴張成長，而於該硬脆材料之切割線切面逐漸形成面裂，不僅可以精確控制內部裂紋的生長連續性，更因最終的面裂受力平均，而於該硬脆材料切割後，達到提升切割完整度且維持切割品質之功效。

除此之外，應用於具有表面鍍膜之硬脆材料時，更能利用超短脈衝雷射為切割刀具，輕易去除該硬脆材料表面之薄膜，不僅可以避免因高能連續性切割所導致薄膜燒蝕現象，而達到較佳的除膜效果，以維持該硬脆材料鍍膜既有的功能。甚至，本發明透過超短脈衝雷射於該硬脆材料內部所形成之裂紋，係由內而外持續延伸，故具有不易產生碎屑及熔渣等優勢，可提升硬脆材料切割表面與端面的品質，以符合產業界的需求，達到大量生產之較佳效率。

本發明硬脆材料切割方法，係能夠於待加工物內部產生間斷性的數道微裂痕，且鄰近待加工物表面之數道微裂紋係由該待加工物內部延伸至該待加工物表面，以增加裂片之效果，且相對達到提升切割效率之功效。

本發明硬脆材料切割方法，係能夠精準控制待加工物內部的裂痕成長連續性，以避免產生裂痕偏移之現象，而相對達到提升切割完整度及維持切割品質等功效。

本發明硬脆材料切割方法，係能夠避免待加工物表面的鍍膜燒蝕，以維持待加工物切割後之品質，而相對達到穩定待加工物既有功能之功效。

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]

S1．．．前置步驟

S2．．．裂紋生成步驟

S3．．．裂片步驟

1．．．工件

11．．．上表面

12．．．下表面

2．．．薄膜

3．．．微裂紋

4．．．雷射發送器

5．．．超音波震盪機

第1圖：本發明之流程示意圖。

第2圖：本發明之硬脆材料工件示意圖。

第3圖：本發明之具鍍膜之硬脆材料工件示意圖。

第4圖：本發明沿第3圖4-4方向之作動示意圖一。

第5圖：本發明之微裂紋局部示意圖。

第6圖：本發明之作動示意圖二。

第7圖：本發明之微裂紋擴張局部示意圖。

S1．．．前置步驟

S2．．．裂紋生成步驟

S3．．．裂片步驟

Claims (9)

1. 一種硬脆材料切割方法，用以切割由硬脆材料形成的一工件，係包含：一前置步驟，係沿該工件表面劃製一切割線；一裂紋生成步驟，係以雷射聚焦於該工件，以沿該工件之切割線於該工件內部形成間隔狀的數道微裂紋，且鄰近該工件表面之微裂紋係由該工件內部延伸至該工件表面；及一裂片步驟，係沿該等微裂紋予以斷裂，以使該工件形成裂片。
2. 依申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中，該工件表面係具有一薄膜，於該前置步驟中，另再沿該工件表面之切割線，去除該切割線處之工件表面薄膜。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之硬脆材料切割方法，於該裂片步驟中，另透過一超音波震盪機，促使該工件內部之數道微裂紋，逐漸成長為連續性裂紋，以沿該工件之切割線切面形成面裂，而完成該工件之切割。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之硬脆材料切割方法，於該裂紋生成步驟中，係以超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，以使雷射光直接透過一聚焦鏡聚焦於該工件內部，而於該工件內部生成數道微裂紋。
5. 依申請專利範圍第4項所述之硬脆材料切割方法，於該裂紋生成步驟中，該超短脈衝雷射之平均功率係小於10瓦，且該超短脈衝雷射的瞬間脈衝強度係達10⁹ ~10¹² 瓦，該超短脈衝雷射之脈衝寬度係小於10皮秒[picosecond]，該聚焦鏡之數值孔徑[Numerical Aperture,NA]係大於0.4。
6. 依申請專利範圍第4項所述之硬脆材料切割方法，於該裂紋生成步驟中，係以一線性馬達帶動一位移平台，以透過該超短脈衝雷射沿該工件切割線之線性位移，同時藉由該聚焦鏡調整雷射光聚焦於該工件厚度方向之不同位置，使該工件內部所產生之數道裂紋，能形成連續性的鋸齒狀裂紋。
7. 依申請專利範圍第2項所述之硬脆材料切割方法，於該前置步驟中，係另以超短脈衝雷射送出低熱效應之雷射光，直接去除該工件切割線處之薄膜。
8. 依申請專利範圍第7項所述之硬脆材料切割方法，於該前置步驟中，該超短脈衝雷射之能量特別係小於100微焦耳，該超短脈衝雷射之頻率特別係為50~100 kHz，該超短脈衝雷射之脈衝寬度係小於10皮秒。
9. 依申請專利範圍第1或2項所述之硬脆材料切割方法，於該裂紋生成步驟中，該工件內部之數道微裂紋係由該工件之上表面斜向延伸排列至該工件之下表面。