TWI661998B - 用於可撓性薄玻璃切割中產出高邊緣強度的方法及設備 - Google Patents

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范明泰德班森
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Abstract

在玻璃片中切割所欲最終形狀，其中該玻璃片之厚度為約0.3mm或更小，該切割係藉由將雷射束施加至該玻璃且使該雷射相對於該玻璃沿該切割線連續地移動而達成。該雷射具有圓形形狀，且與該雷射之該施加同時地施加冷卻流體，以使得該冷卻流體至少減少該玻璃之溫度，以便在該玻璃中傳播斷裂紋。該方法包括控制以下至少一者：(i)該雷射之能量密度、(ii)該雷射相對於該玻璃沿該切割線之速度、(iii)該冷卻流體之流體流量以及(iv)該切割線之最小曲率半徑，以使得該玻璃之切割邊緣之B10邊緣強度為至少約300MPa。

Description

用於可撓性薄玻璃切割中產出高邊緣強度的方法及設備 【相關申請案之交互參照】
本申請案根據專利法主張2014年8月20日申請的美國臨時申請案序列號第62/039667號之優先權權益，該臨時申請案之內容為本文之基礎且係以全文引用方式併入本文中。
本揭示內容係關於用於在切割可撓性薄玻璃中產出高邊緣強度的方法及設備。
已開發用於切割可撓性塑膠基板之習知製造技術，其中塑膠基板使用積層有一或多個聚合物薄膜之塑膠基底材料。此等積層結構常用於與光伏打(photovoltaic；PV)裝置、有機發光二極體(organic light emitting diodes；OLED)、液晶顯示器(liquid crystal displays；LCD)及圖案化薄膜電晶體(thin film transistor；TFT)電子設備相關聯的可撓性封裝中，主要原因在於該等結構相對較低的成本及顯見之可靠效能。儘管以上論及之可撓性塑膠基板已投入廣泛使用，但該等基板展現出與至少提供濕氣阻障及提供極薄結構 (實際上，由於塑膠材料之性質，該等結構相對較厚)相關的不良特性。
因此，此項技術中需要製造可撓性基板以供例如PV裝置、OLED裝置、LCD、TFT電子設備等中使用的新方法及設備，尤其在其中基板將提供濕氣阻障且基板將形成為自由外形形狀的情況下使用。
本揭示內容係關於使用相對薄的、可撓性玻璃片(約0.05mm至約0.3mm、較佳在約0.075mm至約0.250mm之間的數量級)，及沿可包括筆直部分以及曲形部分之自由外形襯裡切割玻璃片。
可撓性玻璃基板與如今使用之現存可撓性塑膠基板相比提供若干技術優勢。一個技術優勢在於玻璃基板充當良好濕氣或氣體阻障之能力，該阻障為電子裝置之戶外應用中的主要劣化機制。另一優勢在於可撓性玻璃基板經由減少或消除一或多個封裝基板層而減小最終產品之總體封裝大小(厚度)及重量之潛力。隨著電子顯示器工業中對更薄的可撓性基板(具有本文中所論及之厚度)的需求增加，製造商在提供適合可撓性基板方面面臨諸多挑戰。
製造用於PV裝置、OLED裝置、LCD、TFT電子設備等的可撓性玻璃基板中的明顯挑戰為將相對較大的薄玻璃片源切割成具有嚴格尺寸公差、良好邊緣品質及高邊緣強度的各種尺寸及形狀之較小分立基板。的確， 所欲製造要求為將自源玻璃片連續地切下玻璃部件，而不中斷切割線，其中切割線包括至少一些圓形及/或曲形區段(例如，對磨圓拐角而言)，其可能具有變化半徑且產出極好邊緣品質及強度，例如在至少約300MPa至約500MPa、較佳至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa數量級。
儘管用於連續切割不規則(自由外形)形狀的現存機械技術提供用於劃線(利用劃線輪)及機械破裂(或折斷)，但此類機械技術所達成的邊緣品質及強度尚不足以用於需要精確性的許多應用。的確，機械劃線與破裂方法產生玻璃粒子及製造故障，從而減少製程產率且增加製造循環時間。
根據本文中之一或多個實施例，使用雷射切割技術來將薄玻璃片切割成所欲形狀。使用雷射之玻璃切割技術為已知的，然而，具有本文中論述的厚度之薄可撓性玻璃之切割存在顯著挑戰，尤其在嚴格尺寸公差及高邊緣強度為所需製造目標時如此。習知雷射劃線及機械破裂製程幾乎不可能可靠地在具有小於約0.3mm及特別在0.05mm至0.3mm範圍內之玻璃片厚度的情況下使用。的確，由於小於約0.3mm的玻璃片之相對薄的輪廓，片材之剛性極低(亦即，片材為可撓性的)，且雷射劃線及折斷切割製程易受熱皺曲、機械變形、空氣流動、內應力、玻璃翹曲及許多其他因素之不利影響。
對比而言，本文中之實施例提出雷射切割技術，其產生極薄(0.05mm-0.3mm)可撓性玻璃之所欲形狀，藉以達成沿實質上任何軌跡的自由外形形狀自源玻璃片之單步完全分離。
新穎方法及設備提供用於經由雷射(例如，CO2雷射束)及同時提供冷卻流體(例如，氣體，諸如空氣)達成裂紋於源玻璃片中之傳播。裂紋之起始係使用機械工具或例如另一雷射來達成，且較佳係安置於所欲切割線之周邊外部。當應用於薄玻璃片及超薄玻璃片時，該方法及設備達成尤其合乎需要的結果，該等玻璃片具有小於約0.3mm之厚度，例如在約0.05mm至0.3mm之間及/或在約0.075mm至0.250mm之間的厚度。應注意，較薄玻璃片之切割為可能的，且較厚玻璃片(亦即，大於約0.3mm)之切割亦可能，儘管某些參數可能需要加以調整以便仍獲得在小於約0.3mm之玻璃片上所達成的邊緣強度結果。另外，當藉由兩點彎曲試驗量測時，該方法及/或設備達成至少約300MPa至約500MPa、較佳至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa之邊緣品質及強度。
本文中之實施例之優點包括：(i)極好尺寸穩定性；(ii)初始筆直切割邊緣；(iii)對曲形邊緣之低破壞；(iv)高邊緣強度；(v)低的邊緣劣化及/或部件劣化(若存在)；(vi)改良清潔度；(vii)成品部件之增加的穩固性及/或完整性；(viii)符合及/或超過要求極高的消費 者需求；(ix)提供消除由處理造成的表面破壞之非接觸方法。
熟習此項技術者將結合隨附圖式自本文中之描述顯而易見其他態樣、特徵及優勢。例如，各種特徵可如以下態樣中所闡述以任何及所有組合形式合併。
根據第一態樣，提供一種方法，其包含：支撐源玻璃片且界定自由外形切割線，該自由外形切割線建立界定所欲最終形狀之圖案；將雷射束施加至該玻璃片且使該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線連續地移動，以升高該玻璃片於該切割線處之溫度，其中該雷射束具有圓形形狀；與該雷射束之該施加同時地施加冷卻流體，以使得該冷卻流體至少降低該玻璃片之該溫度，以便在該玻璃片中沿該切割線傳播斷裂紋；控制以下至少一者：(i)該雷射束之能量密度、(ii)該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之速度、(iii)該冷卻流體之流體流量以及(iv)該切割線之最小曲率半徑，以使得該玻璃片之切割邊緣之B10邊緣強度為以下至少一者：至少約300MPa至約500MPa、至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa；以及自該玻璃片分離損耗玻璃以獲得該所欲形狀。
根據第二態樣，提供態樣1之方法，其中該玻璃片之厚度為以下一者：(i)在約0.05mm-約0.3mm之間，及(ii)在約0.075mm-約0.250mm之間。
根據第三態樣，提供態樣2之方法，其中該能量密度經控制為以下至少一者：(i)小於約0.015J/mm；(ii)小於約0.014J/mm；(iii)小於約0.013J/mm；(iv)小於約0.012J/mm；(v)小於約0.011J/mm；(vi)小於約0.010J/mm；(vii)小於約0.009J/mm；以及(viii)小於約0.008J/mm。
根據第四態樣，提供態樣3之方法，其中該能量密度係定義為該雷射束(J/s)之功率位準除以該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度(mm/min)。
根據第五態樣，提供態樣2至4中任一態樣之方法，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度經控制為以下至少一者：(i)小於約2000mm/min；(ii)小於約1900mm/min；(iii)小於約1800mm/min；(iv)小於約1700mm/min；(v)小於約1600mm/min；(vi)小於約1500mm/min；(vii)小於約1400mm/min；(viii)小於約1300mm/min；(ix)小於約1200mm/min；(x)小於約1100mm/min；以及(xi)小於約1000mm/min。
根據第六態樣，提供態樣5之方法，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度為1100mm/in，且阻滯紋異常之數量為<1。
根據第七態樣，提供態樣2至4中任一態樣之方法，其中該冷卻流體之該流體流量經控制為以下至少一者：(i)至少約60lpm；(ii)至少約70lpm；(iii)至 少約80lpm；(iv)至少約90lpm；(v)至少約100lpm；(vi)至少約110lpm；(vii)至少約120lpm；(viii)至少約130lpm；以及(ix)至少約140lpm。
根據第八態樣，提供態樣7之方法，其中該流體為空氣。
根據第九態樣，提供態樣2至8中任一態樣之方法，其中該切割線之該最小曲率半徑經控制為至少一者：(i)至少約2mm；(ii)至少約3mm；(iii)至少約4mm；以及(iv)至少約5mm。
根據第十態樣，提供態樣1至9中任一態樣之方法，其中該雷射束之直徑為以下一者：(i)在約1mm至約4mm之間，及(ii)2mm。
根據第十一態樣，提供態樣1至10中任一態樣之方法，其中圍繞該雷射束朝向該玻璃片環形地導引該冷卻流體。
根據第十二態樣，提供一種用於將玻璃片切割成所欲形狀之設備，其包含：支撐台，其操作來支撐該玻璃片，其中該玻璃片包括自由外形切割線，該自由外形切割線建立界定所欲最終形狀之圖案；雷射源，其操作來將雷射束施加至該玻璃片，該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線連續地移動，以升高該玻璃片於該切割線處之溫度，其中該雷射束具有圓形形狀； 冷卻流體源，其操作來與該雷射束之該施加同時地施加冷卻流體，以使得該冷卻流體至少降低該玻璃片之該溫度，以便在該玻璃片中沿該切割線傳播斷裂紋；控制器，其操作來控制以下至少一者：(i)該雷射束之能量密度、(ii)該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之速度、(iii)該冷卻流體之流體流量以及(iv)該切割線之最小曲率半徑，以使得該玻璃片之切割邊緣之B10邊緣強度為以下至少一者：至少約300MPa至約500MPa、至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa。
根據第十三態樣，提供態樣12之設備，其中該玻璃片之厚度為以下一者：(i)在約0.05mm-約0.3mm之間，及(ii)在約0.075mm-約0.250mm之間。
根據第十四態樣，提供態樣13之設備，其中該能量密度經控制為以下至少一者：(i)小於約0.015J/mm；(ii)小於約0.014J/mm；(iii)小於約0.013J/mm；(iv)小於約0.012J/mm；(v)小於約0.011J/mm；(vi)小於約0.010J/mm；(vii)小於約0.009J/mm；以及(viii)小於約0.008J/mm。
根據第十五態樣，提供態樣14之設備，其中該能量密度係定義為該雷射束(J/s)之功率位準除以該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度(mm/min)。
根據第十六態樣，提供態樣13至15中任一態樣之設備，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度經控制為以下至少一者：(i)小於約2000 mm/min；(ii)小於約1900mm/min；(iii)小於約1800mm/min；(iv)小於約1700mm/min；(v)小於約1600mm/min；(vi)小於約1500mm/min；(vii)小於約1400mm/min；(viii)小於約1300mm/min；(ix)小於約1200mm/min；(x)小於約1100mm/min；以及(xi)小於約1000mm/min。
根據第十七態樣，提供態樣16之設備，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度為經控制為1100mm/in，且阻滯紋異常之數量為<1。
根據第十八態樣，提供態樣13至17中任一態樣之設備，其中該冷卻流體之該流體流量經控制為以下至少一者：(i)至少約60lpm；(ii)至少約70lpm；(iii)至少約80lpm；(iv)至少約90lpm；(v)至少約100lpm；(vi)至少約110lpm；(vii)至少約120lpm；(viii)至少約130lpm；以及(ix)至少約140lpm。
根據第十九態樣，提供態樣18之設備，其中該流體為空氣。
根據第二十態樣，提供態樣13至19中任一態樣之設備，其中該切割線之該最小曲率半徑經控制為至少一者：(i)至少約2mm；(ii)至少約3mm；(iii)至少約4mm；以及(iv)至少約5mm。
根據第二十一態樣，提供態樣12至20中任一態樣之設備，其中該雷射束之直徑為以下一者：(i)在約1mm至約4mm之間，及(ii)2mm。
根據第二十二態樣，提供態樣12至20中任一態樣之設備，其中圍繞該雷射束朝向該玻璃片環形地導引該冷卻流體。
10‧‧‧薄玻璃基板/玻璃基板
20‧‧‧源玻璃片/玻璃片/超薄玻璃片
60‧‧‧雷射束
62‧‧‧冷卻流體/冷卻劑流體/冷卻劑區帶
64‧‧‧雷射能量源/雷射功率源
66‧‧‧折疊光學元件
68‧‧‧聚焦光學元件
70‧‧‧噴嘴/冷卻劑源噴嘴
102‧‧‧支撐結構
120‧‧‧凹陷區帶
402‧‧‧較低能量密度
404‧‧‧較高能量密度
出於說明之目的，在圖式中展示目前較佳之形式，然而，應理解，本文所揭示及描述之實施例不受限於所展示之精確佈置及工具。
第1圖為使用本文揭示的一或多種切割方法及設備所產生之薄玻璃基板之俯視圖；第2圖為源玻璃片之俯視圖，可自該源玻璃片生產第1圖之玻璃基板；第3圖為可用於自玻璃片切割玻璃基板的設備之示意圖；第4圖為雷射束之能量密度與玻璃基板中之壓縮扭梳紋之間的關係的繪圖；第5圖為雷射束之速度與玻璃基板中之壓縮扭梳紋之間的關係的繪圖；第6圖為冷卻流體之流率與玻璃基板中之所得壓縮扭梳紋之間的關係之繪圖；第7圖為自玻璃片上方施加的冷卻流體之機械效應之局部化側視圖；第8圖為例示切割線之半徑與玻璃基板中之所得壓縮扭梳紋之關係的繪圖； 第9圖為展示使用雷射製程切割的玻璃基板之邊緣強度、尤其為斷裂機率對比最大應力之繪圖；以及第10圖為展示使用機械製程切割的玻璃基板之邊緣強度、尤其為斷裂機率對比最大應力之繪圖。
參考圖式，其中相同數字指示相同元件，第1圖展示使用本文揭示的一或多種切割方法及設備所產生的薄玻璃基板10之俯視圖。當考慮到本文中之揭示內容時，玻璃基板10之許多特性具有重要性。首先，玻璃基板10(及切割出該玻璃基板之源玻璃片)為薄的及/或超薄的，其中厚度為：(i)在約0.05mm-約0.3mm之間，及(ii)在約0.075mm-約0.250mm之間。雖然本文中論述的包括高強度及與裂紋傳播相關聯的邊緣不完整性之最小化的有利邊緣特性係利用此等厚度來達成，但玻璃基板10可比所論及的範圍更薄及/或更厚，且仍獲得合乎需要的結果，儘管利用其他厚度及/或組成之玻璃的情況下，所論述參數(能量密度、切割速度、冷卻流體流量及/或曲率半徑)中之一些參數可能需要加以調整。其次，玻璃基板10可視為自由外形形狀，例如具有至少一個曲形部分，且的確潛在地具有多個曲形部分，該等曲形部分具有一或多個曲率半徑。例如，玻璃基板10係展示為具有四個磨圓拐角，儘管可使用任何其他形狀，例如具有磨圓拐角、尖銳拐角、筆直斜角拐角等等之混合體。再次，玻 璃基板10意欲經由一步、完全分離切割方法來形成，其中所欲形狀係自源玻璃片獲得。
單獨提出提供進一步論述的玻璃基板10之另一特性為切割邊緣之品質及強度。詳言之，當基板經受兩點彎曲試驗時，邊緣強度為以下至少一者：至少約300MPa至約500MPa、至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa。兩點彎曲試驗係如the Society for Information Display(SID)2011 Digest第652-654頁中Suresh Gulati等人的名稱為「Two Point Bending of Thin Glass Substrate」之論文所述來進行。迄今尚未達成此種高邊緣強度與相對薄玻璃基板10之組合。
現在參考第2-3圖，分別展示可產生第1圖之玻璃基板10的源玻璃片20之俯視圖，及可用於自玻璃片20切割玻璃基板10的設備之示意圖。本文揭示的新穎方法及設備提供用於使用雷射(例如，CO2雷射束)及同時提供冷卻流體(例如，氣體，諸如空氣)、經由裂紋於源玻璃片中之傳播而切割玻璃基板10。大體而言，此佈置產生源玻璃片20中的裂紋沿所欲切割線之受控傳播，以便使玻璃基板10與玻璃片20分離。在本說明書中稍後提供用於進行裂紋之起始、傳播及終止的方法及設備之更詳細論述。
在製程之初始階段時，在適合支撐結構102上支撐源玻璃片20(具有以上論及之厚度)，並界定自由 外形切割線(第2圖中的虛線)，該自由外形切割線建立封閉圖案，其中切割線限定玻璃基板10之所欲最終形狀。支撐結構102可配置來允許玻璃片20移動到位以供雷射切割，且隨後允許玻璃基板10之移動(在完成切割製程之後)以供進一步處理。為達此等目的，支撐結構102可包括空氣軸承機構，諸如具有分立空氣及真空孔之市售壓力/真空台。支撐結構102可提供：(i)用於玻璃片20及玻璃基板10之輸送的空氣軸承模式，及(ii)用於在雷射切割期間固持玻璃片20之組合空氣軸承及真空模式。
空氣軸承模式之特徵為將支撐流體施加至玻璃片20的至少鄰近於切割線之一或多個相應部分，但較佳施加在更大區域上，且自玻璃片20的與冷卻流體62及雷射束60相對的側面(下側)來施加施加。自支撐結構102之表面經由表面之孔隙及變化壓力與流量之流體源(未展示)來遞送空氣軸承之支撐流體。在雷射束60升高玻璃片20之溫度且以與支撐流體相反的方式導引冷卻流體62時，空氣軸承模式操作來偏置玻璃片20遠離支撐結構20之支撐台表面。空氣軸承及真空模式對玻璃片20提供正流體壓力(以上論述)及負流體壓力及流量，進而在特定飛行高度偏置及固持玻璃片20朝向支撐結構102之表面。
初始裂紋在玻璃片20上之小長度範圍起始，隨後使用以上論及的雷射切割技術來傳播。大體而言，使用例如劃線輪之機械劃線裝置在起始線(初始裂紋)處對 玻璃片20劃線。替代地，雷射可用於形成起始裂紋或瑕疵以待藉由所述雷射技術傳播。為瞭解裂紋起始及裂紋之後續傳播之顯著性，將首先提供雷射切割技術之更詳細論述。
雷射束60係用於在局部化區域中加熱玻璃片20，且隨後經由冷卻流體62快速地冷卻彼區域，以便經由所得溫度梯度產生暫態拉伸應力。藉由在玻璃片20之表面上引入小初始瑕疵來產生以上論及之初始裂紋(起始線)，該初始裂紋隨後轉變成因經由雷射60加熱局部化區帶並藉由冷卻流體62所產生的驟冷動作冷卻彼區帶而傳播的裂口(裂紋)。在製程期間所產生的拉伸應力σ與α * E *△T成比例，其中α為玻璃片20之線性熱膨脹係數，E為玻璃片20之彈性模數，且△T為玻璃片20之表面上因加熱(來自雷射)與冷卻(來自流體)而產生的溫度差。拉伸應力經控制以便比玻璃片20之分子鍵更高。對於給定α * E拉伸應力而言，可經由雷射60將玻璃片20加熱至更高溫度來增加σ。所述方法使用完全主體玻璃分離(切割)，其中裂口深度等於玻璃片20之厚度。
可使用雷射能量源64、折疊光學元件66及聚焦光學元件68來實行雷射束60。在起始線(初始裂紋)處開始的雷射束60對玻璃片20之施加起始裂紋之擴散。雷射束60相對於玻璃片20沿切割線之連續移動升高玻璃片20於切割線處之溫度(較佳升高至實質上一致溫度)。同時，相對於雷射束60(經由噴嘴70)施加冷卻流體62，以 使得冷卻流體62導致玻璃片20中之溫度差，以便誘導以上論及之拉伸應力，且使玻璃片20中之裂紋(亦即，斷裂紋或裂口)沿切割線傳播。雷射束60及噴嘴70相對於玻璃片20之移動可經由任何已知的運送機構來達成，該等運送機構包括其中雷射及噴嘴相對於固定片材移動之彼等運送機構、其中片材相對於固定雷射及噴嘴移動之彼等運送機構，或具有兩種以上論及之運送機構之組合的彼等運送機構。
雷射束大小、雷射束形狀及冷卻流體遞送量之特定組合以有利的方式影響裂紋起始、傳播及終止。為瞭解所涵蓋的組合，提供傳統雷射束組態之簡要論述。詳言之，傳統組態包括具有各種尺寸之伸長雷射束繼之以冷卻流體--其中冷卻流體源定位成相對於伸長雷射束呈偏移線性關係(尾隨組態)。此傳統佈置(伸長雷射束及尾隨冷卻劑)對筆直雷射切割(或劃線)為極有效的，然而，其不允許改變裂紋傳播之方向--且因此曲形裂紋傳播不可能。可使用由環形、圓形、環狀冷卻劑流體62(使用冷卻劑源噴嘴70達成)圍繞的具有圓形形狀之雷射束60來達成曲形、自由外形雷射切割。圓形雷射束60連同環形冷卻劑區帶62並未展現出任何預定或固有定向，且因此該雷射束可用於在任何方向上傳播裂紋(無需使用任何複雜射束成形技術或提供用於噴嘴70之移動的任何另外的運動軸)。
可使用CO2雷射機構實行雷射功率源64，然而，其他實行方案為可能的，例如纖維雷射、Nd：YAG雷射或其他雷射系統。所使用的雷射系統之類型可與待切割之材料之組成及特性匹配。只要雷射可誘導足夠熱應力來克服基板中之主要應力(基板中之該應力可天然地存在，或可藉由例如化學或熱強化來產生)，該雷射即可切割基板。二氧化碳雷射在10.6μm之波長下操作，其對於顯示器型玻璃工作良好，該等顯示器型玻璃例如無鹼鋁硼矽酸鹽玻璃，例如可購自Corning Incorporated,Corning NY之Corning®代碼EAGLE XG®玻璃。大體而言，使用具有本文揭示的直徑之雷射束60允許某些有利效應，諸如與裂紋傳播相關聯的邊緣不完整性之最小化(射束直徑愈小，不穩定裂紋傳播區帶愈小)，且甚至利用小直徑射束仍可維持合理的高切割速度，從而產生相對短的處理時間及高產出量。
參考第4-7圖，已發現在切割製程期間控制許多處理參數中之一或多者對所得玻璃基板10之切割邊緣之品質、尤其對邊緣強度具有可觀效應。的確，為達成至少約300MPa至約500MPa或更大之極高邊緣強度，控制處理參數中之一或多者為重要的。處理參數包括：(i)雷射束60之能量密度、(ii)雷射束60相對於玻璃片20沿切割線之速度、(iii)冷卻流體62之流體流量以及(iv)切割線之最小曲率半徑。以下對參數之論述係基於對Corning® EAGLE XG®無鹼顯示器玻璃之實驗。儘 管特定參數之實際值可隨不同玻璃組成物而稍微變化，但其操縱將具有類似的效應且產生其他玻璃類型，例如其他品牌之無鹼顯示器玻璃、更通常為顯示器玻璃，以及用於其他目的之玻璃。
參考第4圖，已發現雷射束60之能量密度對玻璃基板10之邊緣品質具有顯著效應。在檢查的可能邊緣品質特性中，對雷射束60之能量密度與壓縮扭梳紋之間的關係進行嚴密檢查。第4圖為展示沿Y軸之壓縮扭梳紋深度(以微米(micrometer/micron)計，下文表示為「um」)及雷射束60沿X軸之能量密度(J/mm)的繪圖。在分離製程期間引起壓縮扭梳紋，且該壓縮扭梳紋與玻璃片20中因自雷射束60施加的能量引起的皺曲或翹曲之量相關。雷射束60之能量將應力施加至超薄玻璃片20，從而在玻璃片20中產生翹曲(展現正弦特性)。如以上所論述，裂紋傳播需要在自底部至頂部穿過玻璃片20之厚度的傳播方向上的拉伸應力。此現象利用玻璃片20之底表面上的拉伸應力來分離或切割部件，且亦施加壓縮應力至玻璃片20之頂表面，從而產生壓縮扭梳紋。經由雷射能量施加的應力愈大，展現的壓縮扭梳紋愈大。因此，存在所施加雷射能量與所得邊緣品質之間的平衡。
對所施加的雷射能量之控制取決於藉由雷射束60產生的雷射功率及雷射束60相對於玻璃片20沿切割線之速度兩者。該關係稱為能量密度。對許多樣本執行實驗以使用2.5mm直徑(固定)之高斯斑點雷射束量測能 量密度之某些效應。能量密度計算如下：能量密度(J/mm=雷射功率(J/s)/速度(mm/s)。控制雷射束60之能量密度之效應可自回顧第4圖之繪圖來瞭解，其中較低能量密度402在扭梳紋深度量測中展示相較於較高能量密度404而言的顯著較少壓縮扭梳紋及較小可變性。咸信，控制及/或最佳化能量密度應在其他調諧工作之前首先執行，以便達成以上論及之邊緣強度目標。
基於以上內容，控制雷射束60之能量密度應予以嚴格考慮，以便達成本文中所涵蓋的極高邊緣強度。例如，結合本文中所涵蓋的玻璃片20厚度，能量密度應經控制為以下至少一者：(i)小於約0.015J/mm；(ii)小於約0.014J/mm；(iii)小於約0.013J/mm；(iv)小於約0.012J/mm；(v)小於約0.011J/mm；(vi)小於約0.010J/mm；(vii)小於約0.009J/mm；以及(viii)小於約0.008J/mm。
如以上所論及，雷射束60相對於玻璃片20之速度為能量密度計算(及因此邊緣品質)之重要參數。速度參數應經調諧以管控裂紋沿切割線之傳播，以最佳化裂紋效能且最終確保良好邊緣強度。已在實驗期間觀察到裂紋傳播之湧溢(surge)，且咸信在邊緣中引起阻滯紋(諸如壓縮扭梳紋)且甚至在切割製程中引起斷裂。此等阻滯紋難以管控且需要嚴格實驗來測定操作(諸如速度)之適當限值。
第5圖為展示速度與在切割製程期間出現的許多阻滯紋異常(諸如壓縮扭梳紋)之關係的繪圖。該繪圖之特徵為Y軸上之異常出現數量及X軸上之雷射束60之速度(mm/min)。在藉由調整雷射功率達成的每次速度迭代改變的情況下，以恆定能量密度來執行實驗。在相對高速度之資料中看到阻滯紋。亦在此等高速度期間觀察到裂紋湧溢。阻滯紋為極不合需要的，因為其產出極弱邊緣，且可引起切割路徑之跳動，該跳動處於所欲尺寸公差外部。
基於以上內容，控制雷射束60相對於玻璃片20之速度應予以嚴格考慮，以便達成本文中所涵蓋的極高邊緣強度。例如，結合本文中所涵蓋的玻璃片20厚度，雷射束60相對於玻璃片20沿切割線之速度應經控制為以下至少一者：(i)小於約2000mm/min；(ii)小於約1900mm/min；(iii)小於約1800mm/min；(iv)小於約1700mm/min；(v)小於約1600mm/min；(vi)小於約1500mm/min；(vii)小於約1400mm/min；(viii)小於約1300mm/min；(ix)小於約1200mm/min；(x)小於約1100mm/min；以及(xi)小於約1000mm/min。
如以上所論及，冷卻流體62流量對邊緣強度之效應亦為重要考慮。就此而言，參考第6及7圖。第6圖為冷卻流體62之流率與所得壓縮扭梳紋之間的關係之繪圖。壓縮扭梳紋深度(um)沿Y軸展示，且流率(公升每分 鐘-lpm)展示於X軸上。利用光學顯微鏡以20x放大率來量測扭梳紋深度，且定義為自玻璃之頂表面(雷射入射)至應力破裂線延伸之點的距離。單位典型地定義為以微米計的直接量測值，但亦可定義為基板厚度之百分比。第7圖為自玻璃片20上方施加的冷卻流體62及自玻璃片20下方施加的空氣軸承流體流(及可能的真空)之效應之局部化側視圖。
噴嘴70提供雙重作用：(i)在相對於雷射束60之精確定向及位置上施加冷卻流體62(以局部地冷卻玻璃片20，加劇局部應力且傳播裂紋)；以及(ii)將機械力施加至玻璃片20之頂表面(以對抵玻璃片20中藉由來自雷射束60之熱引起的皺曲)。如第7圖所示，冷卻流體62流量可以此方式相互作用以影響對玻璃片20之變形的局部化影響。例如，自玻璃片20上方控制冷卻流體62之流率可提供：(i)對玻璃片20之切割區帶中之皺曲的一些對抵(在相對較低下)，(ii)玻璃片20之切割區帶中之相對平坦化(在較高流率下)，及/或(iii)凹陷區帶120(在甚至更高流率下)。
雙重功能(冷卻及機械壓力)可允許切割製程之進一步精細調諧，以便減少壓縮扭梳紋且增加邊緣強度。例如，增加冷卻流體62之流率可減少壓縮應力，從而輔助產生高品質、高強度邊緣。注意，噴嘴70相對於雷射束60之位置取決於玻璃片20厚度及組成，此在於精 確位置中施加冷卻及機械力方面為重要的，以便在傳播期間最大化分離並管控裂紋行為。
基於以上內容，控制冷卻流體62之流率應予以嚴格考慮，以便達成本文中所涵蓋的極高邊緣強度。例如，結合本文中所涵蓋的玻璃片20厚度，冷卻流體62之流體流量應經控制為以下至少一者：(i)至少約60lpm；(ii)至少約70lpm；(iii)至少約80lpm；(iv)至少約90lpm；(v)至少約100lpm；(vi)至少約110lpm；(vii)至少約120lpm；(viii)至少約130lpm；以及(ix)至少約140lpm。先前的冷卻流體速率係針對作為冷卻流體之空氣而言，且針對其他冷卻流體之流率之實際數值可基於其相對於空氣而言的比熱容量而稍微不同{就熱通量/(質量乘以溫度之改變)而言或C=Q/(m‧△T)，其中C為比熱容量，Q為熱通量，m為質量，且△T為溫度改變}。例如，若冷卻流體具有比空氣高的比熱容量，則如藉由例如使用較小流率的情況，將需要彼流體之較小量來達成玻璃溫度之相同改變，以建立與在給定流率下藉由空氣所產生的玻璃切割應力輪廓類似的玻璃切割應力輪廓。然而，有益地，可使用空氣來最小化玻璃上可因液體冷卻而得到的汙跡。當切割自由外形線時，所使用噴嘴之類型(及流率)不同於針對僅筆直線切割之彼等者。對切割自由外形線而言，環形噴嘴為有利的且用於任何曲形部分之空氣流動不同於用於切割筆直線部分之彼者。
如以上所論及，切割線之任何曲形部分之半徑對邊緣強度之效應亦為重要考慮。就此而言，參考第8圖，其為例示切割線之半徑對邊緣品質及製程效能具有顯著影響之繪圖。該繪圖之特徵為Y軸上之壓縮扭梳紋深度(um)及X軸上之半徑(mm)。半徑切割為一動態製程，其需要另外的能量及更為有限的速度，此歸因於改變方向及切割穿過可變應力場之性質，此二者在筆直線切割製程期間通常無意義。第8圖之資料展示：切割線之曲率半徑愈小，預期壓縮扭梳紋深度愈高。測定針對半徑尺寸之切割參數(能量密度、速度及冷卻流體流量)的方法與針對筆直線切割的情況類似；然而，特定設定點可顯著不同，且更加敏感，尤其在半徑變得相對小的情況下如此。
基於以上內容，控制針對切割線之給定部分的曲率半徑應予以嚴格考慮，以便達成本文中所涵蓋的極高邊緣強度。例如，結合本文中所涵蓋的玻璃片20厚度，切割線之最小曲率半徑應經控制為以下至少一者：(i)至少約2mm；(ii)至少約3mm；(iii)至少約4mm；以及(iv)至少約5mm。
對在本文中所涵蓋的厚度(例如，100um)內的玻璃片20並使用以上論述的參數進行許多實驗。量測所得玻璃基板10之邊緣強度，且繪製於第9圖中。該繪圖之特徵為沿Y軸之斷裂機率(%)及沿X軸之最大應力(MPa)。因此，邊緣強度係表示為韋伯分佈之B10值(其意指在95%置信度下，利用最佳化雷射製程產生的部件 中之90%將超過B10強度量度)。如可見的，樣本之統計顯著數展現在450-500MPa範圍內之邊緣強度。對四個資料集(三角形、菱形、圓圈及正方形)中之每一者而言，B10值大於300MPa。對圓圈及正方形資料集中之每一者而言，B10數大於或等於500MPa。樣本亦展現最小邊緣缺陷(例如，碎裂、阻滯紋及壓縮扭梳紋)。比較而言，第10圖為針對機械切割製程(劃線及折斷)之繪圖，其中所使用玻璃及形狀參數與以上結合第9圖所述的彼等者類似。如自第10圖所見，機械切割製程產出僅約225MPa之B10邊緣強度值。
儘管已參考特定實施例描述本文中之揭示內容，但應理解，此等實施例僅用於說明本文中之實施例之原理及應用。因此，應理解，可對說明性實施例做出眾多修改，且可在不脫離本申請案之精神及範疇的情況下設計出其他佈置。

Claims (12)

  1. 一種用於將一玻璃片切割成一所欲形狀之方法，其包含以下步驟：支撐一源玻璃片且界定一自由外形切割線，該自由外形切割線建立界定一所欲最終形狀之一圖案；將一雷射束施加至該玻璃片且使該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線連續地移動，以升高該玻璃片於該切割線處之一溫度，其中該雷射束具有一圓形形狀；與該雷射束之該施加同時地施加一冷卻流體，以使得該冷卻流體至少降低該玻璃片之該溫度，以便在該玻璃片中沿該切割線傳播一斷裂紋；控制以下至少一者：(i)該雷射束之一能量密度、(ii)該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之一速度、(iii)該冷卻流體之一流體流量以及(iv)該切割線之一最小曲率半徑，以使得該玻璃片之一切割邊緣之一B10邊緣強度為以下至少一者：至少約300MPa至約500MPa、至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa；以及自該玻璃片分離損耗玻璃以獲得該所欲形狀。
  2. 如請求項1所述之方法，該玻璃片之厚度為以下一者：(i)在約0.05mm-約0.3mm之間，及(ii)在約0.075mm-約0.250mm之間。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該能量密度經控制為以下至少一者：(i)小於約0.015J/mm；(ii)小於約0.014J/mm；(iii)小於約0.013J/mm；(iv)小於約0.012J/mm；(v)小於約0.011J/mm；(vi)小於約0.010J/mm；(vii)小於約0.009J/mm；以及(viii)小於約0.008J/mm。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度經控制為以下至少一者：(i)小於約2000mm/min；(ii)小於約1900mm/min；(iii)小於約1800mm/min；(iv)小於約1700mm/min；(v)小於約1600mm/min；(vi)小於約1500mm/min；(vii)小於約1400mm/min；(viii)小於約1300mm/min；(ix)小於約1200mm/min；(x)小於約1100mm/min；以及(xi)小於約1000mm/min。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度為1100mm/in，且阻滯紋異常之數量為<1。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該冷卻流體之該流體流量經控制為以下至少一者：(i)至少約60 lpm；(ii)至少約70 lpm；(iii)至少約80 lpm；(iv)至少約90 lpm；(v)至少約100 lpm；(vi)至少約110 lpm；(vii)至少約120 lpm；(viii)至少約130 lpm；以及(ix)至少約140 lpm。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之方法，其中該切割線之該最小曲率半徑經控制為以下至少一者：(i)至少約2mm；(ii)至少約3mm；(iii)至少約4mm；以及(iv)至少約5mm。
  8. 一種用於將一玻璃片切割成一所欲形狀之設備，其包含：一支撐台，其操作來支撐該玻璃片，其中該玻璃片包括一自由外形切割線，該自由外形切割線建立界定一所欲最終形狀之一圖案；一雷射源，其操作來將一雷射束施加至該玻璃片，該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線連續地移動，以升高該玻璃片於該切割線處之一溫度，其中該雷射束具有一圓形形狀；一冷卻流體源，其操作來與該雷射束之該施加同時地施加一冷卻流體，以使得該冷卻流體至少降低該玻璃片之該溫度，以便在該玻璃片中沿該切割線傳播一斷裂紋；一控制器，其操作來控制以下至少一者：(i)該雷射束之一能量密度、(ii)該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之一速度、(iii)該冷卻流體之一流體流量以及(iv)該切割線之一最小曲率半徑，以使得該玻璃片之一切割邊緣之一B10邊緣強度為以下至少一者：至少約300MPa至約500MPa、至少約400-500MPa及更佳至少約450MPa。
  9. 如請求項8所述之設備，其中該能量密度經控制為以下至少一者：(i)小於約0.015J/mm；(ii)小於約0.014J/mm；(iii)小於約0.013J/mm；(iv)小於約0.012J/mm；(v)小於約0.011J/mm；(vi)小於約0.010J/mm；(vii)小於約0.009J/mm；以及(viii)小於約0.008J/mm。
  10. 如請求項8所述之設備，其中該雷射束相對於該玻璃片沿該切割線之該速度經控制為以下至少一者：(i)小於約2000mm/min；(ii)小於約1900mm/min；(iii)小於約1800mm/min；(iv)小於約1700mm/min；(v)小於約1600mm/min；(vi)小於約1500mm/min；(vii)小於約1400mm/min；(viii)小於約1300mm/min；(ix)小於約1200mm/min；(x)小於約1100mm/min；以及(xi)小於約1000mm/min。
  11. 如請求項8所述之設備，其中該冷卻流體之該流體流量經控制為以下至少一者：(i)至少約60 lpm；(ii)至少約70 lpm；(iii)至少約80 lpm；(iv)至少約90 lpm；(v)至少約100 lpm；(vi)至少約110 lpm；(vii)至少約120 lpm；(viii)至少約130 lpm；以及(ix)至少約140 lpm。
  12. 如請求項8至11中任一項所述之設備，其中該雷射束之一直徑為以下一者：(i)在約1mm至約4mm之間，及(ii)2mm。
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