TWI490126B - 標誌或銘刻工件之方法 - Google Patents

Description

標誌或銘刻工件之方法

本發明係有關一種以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件之方法，該工件透明而可供輻射波長穿透，且一聚合物基質配設在該工件附近，使輻射在撞擊該聚合物基質之前，通過該工件。

已知供切削工件材料之雷射輻射基本上根據輻射吸收及能量轉換來使用，隨同其等之後續程序像是蒸發、離子化、粒子移除及光化學處理。此等程序可在製造例如以雕刻為形式之標誌或銘刻時發生於工件本身，或者例如局部沉積其他材料於工件上，作為雷射束蒸發之一部分(脈衝雷射沉積PLD)。脈衝雷射沉積之變化例特別是發生在工件材料透明可供所用雷射輻射之波長穿透明情況下。

用於吸收之聚合物基質例如直接與透明工件接觸而沉積，並因此，雷射束在撞擊工件與聚合物基質間之界面時，通過該工件，使聚合物基質之材料蒸發而以標誌或銘刻之形式沉積在工件表面上。

此方面之方法有一些缺點。首先，為達到標誌或銘刻之最大解析度，工件與聚合物基質間之距離必須盡可能小，使蒸發材料沉積在工件之盡可能小之範圍內。為達到此目的，可使形式為轉印膜之聚合物基質附著於工件。然而，若待銘刻之工件之表面粗糙、潮濕、不平或弄髒，經常至少局部無聚合物基質與工件間之直接接觸。這可能因含有氣泡或其他液態或固態雜質或不均而發生。從而，聚合物基質與工件間之距離帶來了一些缺點。首先，一方面在工件(光學上經密)與空氣(光學上稀薄)間，另一方面在空氣(光學上稀薄)與聚合物基質(光學上經密)間有兩個額外界面。這會因散射及反射而造成不必要的損失，部分雷射輻射之功率未用於所欲蒸發程序中，反而不必要地，或者甚至損害地將工件及/或聚合物基質之區域加熱。其次，自聚合物基質移除之材料，隨著聚合物基質與工件間之距離，分布於比例上較大之區域上。結果，標誌或銘刻之解析度變得較差。甚而，聚合物基質與工件間之距離越大，與自聚合物基質移除之材料量成正比而沉積於工件上之材料量越小。又，為產生用來作為標誌或銘刻之特定反應物，可能須於聚合物基質中提供反應物，俾在封閉反應空間內反應以產生該產物。由於在聚合物基質與工件間開放成氣隙，因此，可能無法形成此種反應空間。最後，自聚合物基質移除材料會產生稱為煙之產物，其含有亦源自聚合物基質之不必要副產品。即使有甚少量的煙，其以煙屑形式混在工件之標誌或銘刻內或周圍，在聚合物基質與工件間含有空氣時，煙的產量較大，而且，這是造成雜亂結果的原因。

除了利用固態聚合物基質之方法外，尚有根據透過液體增加近表面吸收雷射輻射之習知雷射方法。於此情況下，刻意使用一吸收媒介物，其典型地為一有機液體。於此方法中，透明工件於其背側，即欲作加工側與液體接觸，且雷射輻射從前側進入。於液體中雷射輻射之吸收，經由被加熱液體熱轉移，使溫度急遽昇至超過玻璃基質之熔點及蒸發點。被稱為雷射誘發式背側濕蝕(LIBWE)之該方法導致材料自玻璃表面移除，且其用於玻璃之微構(microstructuring)或微雕(microengraving)。

在選擇濕吸收劑液體情況下，確有可能避免因上述理由而不必要的空氣進入液體與工件間。然而，液態吸收劑之缺點在於其不容許材料之局部移除及工件上之後續局部沉積，反而，僅藉由熱轉移自工件移除材料，換言之，僅雕刻。

本發明之一目的在於提供一種以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件之改進方法，其中克服習知方法之缺點，可以高品質及高解析度進行工件之甚至是粗糙、潮濕、不平或弄髒表面之標誌或銘刻。

該目的藉由根據申請專利範圍第1項之方法達成。較佳實施例係附屬申請專利範圍之標的內容。

本發明提供一種以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件之方法。該工件對輻射波長為透明的，且一聚合物基質配設在該工件附近，使輻射在撞擊該聚合物基質之前，通過該工件。本發明之具特徵特色在於，一與該聚合物基質及該工件接觸之液膜配設在該聚合物基質與該工件間。

用於本用途之聚合物基質係以聚合物成分為基礎之任何基質。除了聚合物成分外，基質亦可包括任何所欲非聚合物成分；僅主成分在性質上應為聚合物。

“聚合物基質”亦特別是指鹽基聚合物。於一尤佳實施例中，聚合物基質係熱固聚合物基質。經發現，熱固性聚合物特別適於標誌或銘刻工件。

本發明液膜之配置克服習知技術之許多缺點。一方面，在待標誌或銘刻之工件表面粗糙、潮濕、不平或弄髒之情況下，工件與聚合物基質間之距離被液體填滿。當較佳為潮濕之液膜具有近似於工件之折射率時，光學上粗糙之表面變得光滑，因此，在其自工件出射時，雷射束可穿透，不會發生由光學上粗糙之表面所誘發而造成分裂之全反射及散射，大輻減少反射。進而，液膜限制聚合物基質之材料沉積之面積擴大。的確，因高能輸入而發生液膜之局部蒸發，其形成隧道狀氣泡，透過此等氣泡，移除之材料橫向朝工件移動。因此，儘管工件與聚合物基質間之距離，解析度不會大幅受到影響。又，液膜避免煙形成，或者，煙溶解或懸浮於液膜中。這大幅增進標誌及銘刻之品質及清晰度。本發明之方法亦在工件與聚合物基質之直接接觸有優點，亦即液膜具有作為熱絕緣層或熱消散層，將工件的不必要的熱減至最少之功能。液膜較佳地對雷射輻射範圍廣地透明的，並因此幾乎不吸收雷射輻射本身，反而，僅吸收加熱聚合物基質之熱。此熱經由傳導及對流，利用移動，透過液體之局部蒸發轉送出，且不以局部集中方式轉移至工件。

為了將工件與聚合物基質間之界面之反射減至最小，液體或黏性彈性媒介物具有近似於工件材料之折射率是有利的。經發現，折射率差在0.5以下，可獲得足夠好的結果。

所用之輻射源較佳地為適於標誌、銘刻或雕刻工件之雷射。這例如是耦接光纖之固態二極體雷射，例如像是具有1064nm波長及12至15W功率之FAYb光纖雷射(光纖放大釔)。由於使用600nm至1500nm波長範圍之輻射，因此若液體或黏性彈性媒介物之波長範圍在600nm至1500nm，則可顯示沒有吸收或是少於10%的吸收程度。相同的情況應用至工作材料，較佳地為玻璃。與上述LIBWE方法對照，在本案所使用的液體在所使用的波長具有小的或沒有吸收能力。

於本發明之該方法的一種較佳實施例中，輻射誘使材料自聚合物基質移除，且液膜佔據聚合物基質之移除成分及/或由其形成之產品。

聚合物基質可例如具有鈦施體，亦可具有碳施體。鈦施體係純鈦或鈦化合物，其具有親合性，以在暴露於能量之短時間內提供自由鈦作為反應物。適當的話，自由鈦亦可經由含鈦中間物之途徑提供。碳施體特別是在以能量進行之輻射下提供自由碳。碳施體可為碳化合物及/或自由、未結合碳。該碳施體可由聚合物基質本身提供，或者，可為形式例如係碳黑之額外碳成分。甚而，聚合物基質亦可進一步包括例如聚合物、吸收劑等之成分。由於輻射，提供鈦及碳反應物，其等例如因鈦化合物及碳化合物在輻射的作用下分裂而產生，形成所欲碳化鈦產品。較佳地，於局部溫度1700℃至2200℃下，使用碳黑或超純石墨，將二氧化鈦還原成碳化鈦及一氧化碳。在此，輻射產生反應空間所需反應溫度。

聚合物基質對雷射輻射反應主要成粉碎，藉此釋放個別反應物，更特別地，釋放鈦及碳，並使其等可用於對碳化鈦之反應。

此外，若用於液膜，選擇在600-1500nm波長範圍內之液體，並使用600-1500nm波長範圍內之輻射，顯示無吸收率或具有小於10%之吸收率很有利。用於液膜，可選擇溶膠、凝膠或黏性彈性物質，液膜可具有250nm-10mm的厚度。

液體本身亦可包含被提供來作為用於所欲反應之反應物或催化劑之成分。為達到此目的，適當的話，在液膜內可溶解離子，用來作為用於所欲反應以形成一產品之反應物或催化劑，接著，在暴露於輻射下，該產品可沉積在工件上。

液膜在暴露於輻射時，較佳地於其凝聚狀態發生局部變化，且特別是變成氣態。這形成空間性囿限之隧道狀空間，供移除之材料或產品沉積在工件之極小區域上。

於以下本文中將參考附圖更詳細說明本發明之較佳實施例。

第1圖顯示雷射束1如何被導至形式為玻璃基板之工件3，於其表面5上將作標誌或銘刻。聚合物基質7隔一距離配設於工件3之表面5附近。如此，於聚合物基質7與工件3間有一氣隙。該氣隙可因工件之表面5或聚合物基質7上之粗糙、潮濕、不平或弄髒而刻意或非刻意配設。工件對雷射束1之波長為透明的，而聚合物基質7主要吸收雷射束1。雷射束1經由工件3之一與待標誌表面5相對之表面9進入工件3，通過工件3，撞擊於聚合物基質7，該聚合物基質7吸收雷射束1並加熱迄熱能大到使聚合物基質7粉碎為止。

由於粉碎，向氣隙開放之反應空間11形成於聚合物基質7內，且該反應空間11在粉碎材料中含有準備進行所欲反應之反應物。該例子中的反應物係二氧化鈦及成為碳黑形式之純碳，其意圖在於二氧化鈦應在輻射所造成之局部溫度1700℃至2200℃下還原成碳化鈦，作為形式為標誌或銘刻的沉積產物。然而，由於反應空間11向氣隙開放，因此，粉碎會造成煙13及其他不必要副產品激烈地產生。所移除材料過早與煙13及其他副產品一起從反應空間11逸入氣隙中，而無對碳化鈦之任何反應，且無沉積在工件3之表面5上。工件3之表面5僅被煙及其他不必要副產品弄髒。

第2圖顯示本發明之一有利實施例，其中液膜15配設在工件3之表面5與聚合物基質7間。為達到此目的，工件3之表面5或聚合物基質7以0.1ml(毫升)液量之吸量管撒布，分布在5cm×5cm的區域中。由於表面張力，可能須藉由移動玻璃板，藉由使用空氣噴流，產生均勻之液膜，或藉添加劑進行液體潤濕。液體係去礦物質水，其經常用在化學及藥劑產業中。此後，將作為材料膜之聚合物基質塗布於液膜15，以形成具有20μm至100μm厚度之液膜15。為達到此目的，亦可塗布液體於聚合物基質7，藉由將48×14mm尺寸之工件3放置於表面張力所形成之液滴，造成液體之均勻分布。膜厚可藉聚合物基質7與玻璃3間之隔件界定。可能須確保膜層均勻地分布，且在界面間無空氣之貯蓄。

使用放射1064nm波長之固態雷射(未圖示)，產生雷射輻射。較佳係使用諸如可自德國Panasonic Electric Works Europe AG公司購得名稱為“SunX LP-V10”之光纖耦合二極體雷射。因此，所用雷射輻射具有1064nm波長，玻璃及水對此波長為透明。

由於玻璃具有小吸收係數，因此，雷射束1通過該媒介物，穿越玻璃3與水15間之介面。於此波長下，水亦無吸收能力，其容許雷射束撞擊在聚合物基質7上而無實質損失。

於雷射束與聚合物基質7相互作用下，如第1圖所示方法，基質以粉碎方式反應。因額外氣體膨脹而產生之震波造成煙13及副產品射入液層15內並溶解及/或懸浮於其內。形成於聚合物基質7中之反應空間11一開始被液膜15限制向上，並因此在暴露於雷射束1下，於反應空間11內加熱至1700℃至2200℃，且碳化鈦可形成為粉碎聚合物基質7所提供之二氧化鈦及碳反應物。於此程序中亦發生液膜15之局部蒸發，其形成隧道狀泡沫繁衍到達工件3之表面5為止。爆炸性震波將碳化鈦推擠至工件3之表面5，於其上碳化鈦進行局部受限沉積。由於雷射束1或工件3連同聚合物基質7及液膜15之橫向位移，碳化鈦之大致二維結構可沉積在玻璃表面5上。

在該操作後，自玻璃板3卸下聚合物基質7，並移除含有煙及粒子之液膜15，以標誌或銘刻17之形式將碳化鈦永遠沉積在玻璃表面5上。

1．．．雷射束

3．．．工件

5．．．表面

7．．．聚合物基質

9．．．表面

11．．．反應空間

13．．．煙

15．．．薄膜

17．．．標記或銘刻

第1圖顯示在工件與聚合物基質間有一空氣層之不利方法。

第2圖顯示在工件與聚合物基質間有一液膜之不利實施例。

1．．．雷射束

3．．．工件

5．．．表面

7．．．聚合物基質

9．．．表面

11．．．反應空間

13．．．煙

15．．．薄膜

17．．．標記或銘刻

Claims (8)

1. 一種標誌或銘刻工件之方法，係以高能輻射標誌或銘刻工件(3)，該工件(3)為對輻射波長透明的，且聚合物基質(7)配設在該工件(3)附近，使輻射在撞擊該聚合物基質(7)之前，通過該工件(3)，其特徵在於，一液膜(15)配設在該聚合物基質(7)與該工件(3)間，與該聚合物基質(7)及該工件(3)接觸。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中輻射誘使材料自該聚合物基質(7)被移除，且該液膜(15)佔據該聚合物基質(7)之被移除成分及/或由其形成之產品。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中選擇一液體作為該液膜(15)，其在600-1500nm之波長範圍內顯示無吸收力，或具有小於10%之吸收率，並使用波長範圍在600-1500nm內的輻射。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中選擇溶膠、凝膠或黏性彈性物質作為該液膜(15)。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液膜(15)具有250nm-10mm之厚度。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中離子溶解於該液膜(15)中，該液膜(15)被用來作為所欲反應之反應物以形成一產品，該產品經由暴露於該高能輻射，沉積於該工件(3)上。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在暴露於輻射時，該液膜(15)局部地改變其凝聚狀態，且變成氣態。
8. 如申請專利範圍第1或6項之方法，其中該高能輻射係為雷射束(1)。