TWI703102B - 刻劃輪及刻劃輪之製造方法 - Google Patents

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日商三星鑽石工業股份有限公司
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Abstract

提供一種於使用刃僅由鑽石構成之刻劃輪，進行較玻璃基板硬質之陶瓷基板等之分斷時，壽命更長之刻劃輪、保持具單元、刻劃裝置、刻劃輪之製造方法及劃線方法。
本發明藉由刃42僅由鑽石構成、刃前緣43施有半徑0.8~5μm之R角加工之刻劃輪40之使用，與未經R角加工之刻劃輪相較，可大幅減少刃前緣缺口之形成。

Description

刻劃輪及刻劃輪之製造方法
本發明係關於適合在陶瓷基板、藍寶石基板、矽基板等較一般的非晶質玻璃基板更硬質之脆性材料基板表面形成刻劃線之刻劃輪、具備此刻劃輪之保持具單元、刻劃裝置、刻劃輪之製造方法及劃線方法。
對用於液晶面板等之非晶質玻璃基板進行分斷時，一般而言，係使用如專利文獻1所揭示之由超硬合金構成之刻劃輪、或由較超硬合金硬質之多晶鑽石(金剛石)燒結體構成之刻劃輪。此種多晶鑽石燒結體，係將混合了鑽石粒子(含有量75~90vol%)與結合材(鈷等)之物，在高温高壓下加以燒結者。
然而，在進行例如較玻璃基板硬質之氧化鋁等陶瓷基板之分斷時，專利文獻1所揭示之由超硬合金構成之刻劃輪、及由多晶鑽石燒結體構成之刻劃輪，刃前緣會立刻產生缺口或摩耗，僅數十m程度即無法形成裂痕。因此，使用由超硬合金構成之刻劃輪、或由多晶鑽石燒結體構成之刻劃輪來進行較玻璃基板更硬質之陶瓷基板等之分斷，實際上是不可行的。
因此，在進行陶瓷基板等之硬質基板之分斷時，使用由較超硬合金及多晶鑽石燒結體更硬質之多晶鑽石及單晶鑽石構成之刻劃輪來進行一事，一直以來皆有所探討。
先行技術文獻
[專利文獻1]日本實開昭55-106635號公報
當使用僅由多晶鑽石及單晶鑽石等鑽石構成之刻劃輪進行、陶瓷基板之分斷時，與使用由超硬合金或多晶鑽石燒結體構成之刻劃輪相較，可形成更長之分斷所須的裂痕。
然而，即使是僅由鑽石構成之刻劃輪，由於陶瓷基板非常的硬，因此並無法完全防止刃前緣缺口之形成或摩耗。因此，希望能有一種能盡可能防止刃前緣之缺口及摩耗，可長時間使用之刻劃輪。
本發明之目的在提供一種使用刃僅由鑽石構成之刻劃輪進行較玻璃基板硬質之陶瓷基板等之分斷時，具有更長壽命之刻劃輪、保持具單元、刻劃裝置、刻劃輪之製造方法及劃線方法。
為達成上述目的，本發明之刃僅由鑽石構成之刻劃輪，其刃之刃前緣施有半徑0.8~5μm之R角加工。
根據本發明之刻劃輪，由於刃前緣施有R角加工而成圓弧，因此即使是用於陶瓷基板等之分斷，與未施有R角加工之刻劃輪相較，能大幅減少刃前緣形成缺口，使刻劃輪之壽命更長。
又，本發明之刻劃輪中，前述鑽石為單晶鑽石。
根據本發明之刻劃輪，能在透過單晶鑽石之結晶方位減少對 強度之影響的同時，抑制刃前緣缺口之形成，延長刻劃輪之壽命。
又，本發明之刻劃輪，係用於選自陶瓷、藍寶石及矽構成之群中之至少一種脆性材料基板之分斷。
根據本發明之刻劃輪，對較用於液晶面板等一般之非晶質玻璃基板更硬之脆性材料基板，能良好的進行長距離之切斷。
又，本發明之保持具單元，具有上述任一項之刻劃輪、與將前述刻劃輪保持成旋轉自如之保持具。
根據本發明之保持具單元，能大幅減少刻劃輪刃前緣缺口之形成，延長刻劃輪之壽命，為一適合進行陶瓷基板等之分斷的保持具單元。
又，本發明之刻劃裝置，具備上述保持具單元。
根據本發明之刻劃裝置，能大幅減少刻劃輪刃前緣缺口之形成，延長刻劃輪之壽命，為一適合進行陶瓷基板等之分斷的刻劃裝置。
又，本發明之刻劃輪之製造方法，包含於僅由鑽石構成之圓板狀構件形成刃的步驟、與對前述刃之刃前緣進行R角加工的步驟。
根據本發明之刻劃輪之製造方法，由於在形成刃後，進行刃前緣之R角加工，因此藉由對刃表面進行充分之研磨降低刃之表面粗糙度，而能防止刃表面形成缺口，進一步延長刻劃輪之壽命。此外，在形成刃後，進行刃前緣之R角加工，因此較易進行達到作為目標之刃前緣半徑之加工。
又、本發明之劃線方法，係以刃僅由鑽石構成之刻劃輪，於選自由陶瓷、藍寶石及矽構成之群中之至少一種脆性材料基板上形成刻劃線，其係使用前述該刃之刃前緣施有半徑0.8~5μm之R角加工的前述刻劃輪。
根據本發明之劃線方法，藉由刃僅由鑽石構成之刻劃輪，對較用於液晶面板等一般之非晶質玻璃基板更硬之脆性材料基板，能形成更長距離之刻劃線。
10:刻劃裝置
11:移動台
12a、12b:導軌
13:滾珠螺桿
14、15:馬達
16:桌台
17:玻璃基板
18:CCD攝影機
19:橋架
20a、20b:支柱
21:刻劃頭
22:導件
23:保持具接頭
23a:旋轉軸部
23b:接頭部
24a、24b:軸承
24c:間隔件
25:圓形開口
26:內部空間
27:磁石
28:平行銷
30:保持具單元
31:保持具
32:安裝部
32a:傾斜部
32b:平坦部
33:保持槽
34a、34b:支承部
35:支承孔
40、140:刻劃輪
41:刀輪本體部
42、52:刃
43:刃前緣
43a:稜線部
44:貫通孔
51:銷
52a、53a:旋轉軸
52b、53b:砥石之平面
53:砥石
圖1係實施形態之刻劃裝置的概略圖。
圖2係實施形態之保持具接頭的前視圖。
圖3係實施形態之保持具單元的立體圖。
圖4(A)係實施形態之刻劃輪的側視圖、圖4(B)係刻劃輪的前視圖。
圖5(A)係實施形態之刃前緣之R角加工前的前視圖、圖5(B)係刃前緣之R角加工後的前視圖。
圖6(A)係顯示R角加工之一方法的概念圖、圖6(B)係顯示R角加工之另一方法的概念圖。
圖7(A)係顯示實施形態之刻劃輪之拍攝點的說明圖、圖7(B)係實施形態之刻劃輪之刃前緣的照片。
圖8係用以比較之刻劃輪之刃前緣的照片。
圖9(A)係關於實施形態之刻劃輪的圖表、圖9(B)係關於用以比較之刻劃輪的圖表。
以下，使用圖面說明本發明之實施形態。不過，以下所示實施形態僅為使本發明之技術思想具體化之一例，並無任何將本發明特定於此實施形態之意圖。本發明當然可適用於申請專利範圍中所含之其他實施 形態。
圖1係本發明一實施形態之刻劃裝置10的概略圖。刻劃裝置10具備移動台11。移動台11與滾珠螺桿13螺合，藉由馬達14之驅動使此滾珠螺桿13旋轉，據以沿一對導軌12a、12b移動於y軸方向。
於移動台11之上面設置有馬達15。馬達15使位於上部之桌台16於xy平面旋轉並將之定位於既定角度。作為分斷(scribe)對象物之強化玻璃基板17被裝載於桌台16上，以未圖示之真空吸引手段等加以保持。
此脆性材料基板17係由低温燒成陶瓷及高温燒成陶瓷構成之陶瓷基板、矽基板、藍寶石基板等，選自由陶瓷、藍寶石及矽所構成之群中之至少一種脆性材料基板，較液晶面板之基板等一般所使用之非晶質玻璃基板更硬質的脆性材料基板。
刻劃裝置10，於裝載在桌台16之強化玻璃基板17上方，裝備有用以拍攝形成在此強化玻璃基板17表面之對準標記的二台CCD攝影機18。橋架19以跨於移動台11與其上部之桌台16之方式，沿x軸方向架設於支柱20a、20b。
於橋架19安裝有導件22，刻劃頭21設置成可被此導件22引導而往x軸方向移動。於刻劃頭21，透過保持具接頭23安裝有保持具單元30。
圖2係安裝有保持具單元30之保持具接頭23的前視圖。又，圖3係保持具單元30的立體圖。
保持具接頭23呈略圓柱狀，具備旋轉軸部23a與接頭部 23b。在保持具接頭23安裝於刻劃頭21之狀態下，旋轉軸部23a透過圓筒形之間隔件24c安裝於二個軸承24a、24b，此保持具接頭23被保持成旋動自如。
於圓柱形之接頭部23b，設有下端側具圓形開口25之內部空間26。此內部空間26之上部埋設有磁石27。而藉由磁石27裝卸自如之保持具單元30，插入安裝在此內部空間26。
保持具單元30係保持具31、刻劃輪40、以及銷(pin、未圖示)成一體者。保持具31具有圖3所示之略圓柱形，以磁性體金屬形成。於保持具31之上部設有定位用安裝部32。此安裝部32係將保持具31之上部切開形成，具備傾斜部32a與平坦部32b。
將保持具31之安裝部32側透過開口25插入內部空間26。此時，保持具31之上端側被磁石27吸引，安裝部32之傾斜部32a與通過內部空間26之平行銷28接觸，據以進行保持具單元30對保持具接頭23之定位與固定。又，在從保持具接頭23取下保持具單元30時，只要將保持具31往下方拉即能輕易地取下。
由於刻劃輪40係消耗品，需定期進行更換。本實施形態中，為了容易地進行保持具單元30之裝拆，係藉由更換保持具單元30本身，以進行構成保持具單元30之刻劃輪40之更換，能迅速地更換刻劃輪40。
於保持具31下部，設有切開保持具31形成之保持槽33。在為設置此保持槽33而切開之保持具31之下部，夾著保持槽33有支承部34a、34b。於此保持槽33，刻劃輪40以旋轉自如之方式配置。又，於支承部34a、34b分別形成有用以旋轉自如的保持刻劃輪40之銷插入的支承孔 35。
其次，說明用以分斷脆性材料基板17之刻劃輪40之細節。圖4(A)安裝在保持具31前端之刻劃輪40的側視圖、圖4(B)係刻劃輪40的前視圖。
如圖4所示，刻劃輪40呈圓板狀，具備刀輪本體部41、刃42、與刃前緣43。
於刀輪本體部41之中心附近，形成有將此刀輪本體部41貫通於旋轉軸方向之貫通孔44。藉由於貫通孔44插入銷，刻劃輪40即能透過此銷被旋轉自如地保持於保持具31。
刃42，於刀輪本體部41之外周形成為圓環狀。刃42在前視下呈略V字狀，相對於旋轉軸方向之刃52之厚度，隨著朝向刃前端43而漸漸變小。
刃前緣43，與一般之刻劃輪之刃前緣不同，刃42之前端施有後述之R角加工，沿最外周部呈圓弧狀。
接著，使用圖面說明刻劃輪40之製造方法。圖5係以圖4(B)之圓A所示之刃42前端的放大圖、圖5(A)係加工前之刃前緣43的前視圖、圖5(B)係加工後之刃前緣43的前視圖。
刻劃輪40，係如多晶鑽石及單晶鑽石般，不包含結合材而僅以鑽石形成。本實施形態中，刻劃輪40係以單晶鑽石形成。
由單晶鑽石構成之刻劃輪40，首先，係形成由單晶鑽石構成之圓板狀構件。具體而言，單晶鑽石係人工合成之物，以高温高壓合成法或化學氣相沉積法製造。接著，將此單晶鑽石以雷射等方式切出具有所 欲半徑之圓板。
其次，圓板狀之單晶鑽石，藉由分別沿削圓板之圓周部之兩面側，以形成具有如圖5(A)所示之前端尖形狀之刃前緣43的刃42。又，此時之刃前緣43之稜線部以符號43a表示。此狀態係一般的刻劃輪。此時，單晶鑽石與習知PCD及超硬合金相較能使表面粗糙度更小，其結果，刃前緣稜線部更為銳利。
其次，對刃42之刃前緣43進行R角加工，從稜線部43a進行研磨，沿圖5(B)所示之最外周部、於前視下使刃前緣43之前端成圓形。
此處，針對使刃前緣43之前端成圓弧之R角加工之具體方向，使用圖面加以說明。例如，作為一個方法，如圖6(A)所示，於刻劃輪40之貫通孔44插入支承用之銷51，一邊使刻劃輪40旋轉、一邊相對以旋轉軸52a為中心旋轉之圓板狀砥石52之平面52b垂直的抵接刃前緣43，並使銷51於箭頭所示方向交互的擺動。據此，即能使刃前緣43之前端成圓形。
又，另一方法，則係如圖6(B)所示，於刻劃輪40之貫通孔44插入支承用之銷51，一邊使刻劃輪40旋轉、一邊相對以旋轉軸53a為中心旋轉之具柔軟性之軟質的砥石53之平面53b垂直的抵接刃前緣43。此時，會陷入砥石53之平面53b，即能使刃前緣43之前端成圓形。
藉由以上方法，能製造刃42之刃前緣43呈圓形之刻劃輪40。又，本實施形態中，如圖5(A)所示，係在使刃前緣43之前端成圓形之前，先分別沿削圓板之圓周部兩面側，以形成前端尖的傾斜面。因此，能將刃42之傾斜面好好的研磨至鏡面狀，使刃42之表面粗糙度為最小，而 進一步延長刃42之壽命。又，由於是先完成刃42之傾斜面、再進行刃前緣43之R角加工，因此較易加工至作為目標之R半徑。
其次，說明刻劃輪40之尺寸。刻劃輪40之外徑為1.0~10.0mm、較佳為1.0~5.0mm之範圍、尤以1.0~3.0mm更佳。刻劃輪40之外徑小於1.0mm時，刻劃輪40之操作性將降低。另一方面，當刻劃輪40之外徑大於10.0mm時，則有可能產生刻劃時之垂直裂痕相對脆性材料基板17無法充分深入形成的情形。
刻劃輪40之厚度為0.4~1.2mm、較佳的是0.4~1.1mm之範圍。刻劃輪40之厚度小於0.4mm時，有可能會使加工性及操作性降低。另一方面，當刻劃輪40之厚度大於1.2mm時，刻劃輪40之材料及製造成本變高。此外，貫通孔45之孔徑，例如為0.8mm。
刃42之刃前緣角通常為鈍角之90~160°、較佳為100~150°之範圍。
又，關於前端之圓形刃前緣43，R角加工之R半徑若小於0.8μm的話，荷重會集中於刃前緣之前端，造成局部的壓力而易於產生刃前緣之缺口或磨損。另一方面，R半徑過大的話，劃線時之荷重將大幅増加使分斷後基板之剖面品質降低。因此，R半徑之範圍以0.8~5μm、尤以3μm以下較佳。R半徑在0.8~5μm之範圍的話，因接觸面積大而能適度分散荷重，能抑制局部的壓力防止刃前緣之缺口及磨耗。
又，一般而言，脆性材料基板17中之氧化鋁基板等，因燒結後之氧化鋁粒子之粒徑會使表面較粗，例如，後述經測量氧化鋁基板之表面粗糙度Ra，表面粗糙度Ra為0.296μm。因此，刃前緣43之R半徑， 在考慮分斷對象之脆性材料基板17之表面粗糙度後，藉由取充分大之值，防止因基板凹凸造成之缺口等方面效果非常大。
接著，具體說明使用實際上刃前緣43經R角加工而成圓形之刻劃輪40、與刃前緣43未經R角加工之刻劃輪140，進行脆性材料基板17之分斷的結果。分斷條件如下。
由單晶鑽石構成之刻劃輪40，外徑為2mm、刃前緣角為120°。又，經R角加工，刃前緣43之R半徑為1.0μm。另一方面，刻劃輪140與刻劃輪40之差異僅在有無R角加工，係由單晶鑽石構成之外徑2mm、刃前緣角120°之刻劃輪。又，未經R角加工之刻劃輪40之前端R半徑經測定，為0.17μm。
進行了分斷枝脆性材料基板17係板厚0.635mm之氧化鋁基板(京瓷株式會社製、材料號：A476T)。
切斷速度為100mm/sec、以裂痕之滲透量120μm為目標調整劃線荷重等進行了切斷。
針對以上述分斷條件於脆性材料基板17表面形成刻劃線後之刃前緣的狀態，使用所拍攝之照片等加以說明如後。圖7係關於刻劃輪40之分斷結果，圖7(A)係顯示所拍攝之點的說明圖、圖7(B)係拍攝刃前緣43之照片與裂痕之滲透量。圖8係拍攝刻劃輪140之刃前緣之照片與裂痕之滲透量。圖9係顯示相對行走距離之刃前緣缺口之發生量的圖表，圖9(A)係關於刻劃輪40之圖表、圖9(B)則係關於刻劃輪140之圖表。
如圖7(A)所示，刃前緣43之拍攝，係於刻劃輪40決定一任意的點P1，以該點P1為基準，以約45°刻度決定P2、P3、P4、P5，於 P1~P5之各點從刻劃輪40之前面進行了拍攝。又，關於圖8之刻劃輪140之刃前緣，亦以和刻劃輪40相同之點進行了拍攝。
又，圖9中，將於刃前緣形成之缺口之大小(寬度)，以10~50μm者為數量a、50~100μm者為數量b、100μm~者為數量c的棒狀圖加以顯示。又，圖7(B)與圖8中所示之裂痕之滲透量(μm)以d之彎折線圖表顯示。
由圖9可知，刃前緣43為圓形之刻劃輪40與刃前緣未成圓形之刻劃輪140相較，具有毫不遜色之裂痕之滲透量。因此，即使對刃前緣43進行R角加工，亦不會產生滲透量之降低。
另一方面，關於刃前緣之缺口，於刻劃輪140，在刃前緣之行走距離超過500m之地方開始起，刃前緣之缺口急遽増加，特別是產生了100μm以上之大缺口。然而，於刻劃輪40，在刃前緣之行走距離為1000m程度，刃前緣43幾乎不會產生變化，即使到1500m亦沒有產生100μm以上之大缺口。
如以上所述，如刻劃輪40般藉由對刃前緣43進行R角加工，使刃前緣43成圓形，可大幅減少刃前緣43產生缺口，延長刻劃輪40之壽命。特別是單晶鑽石之情形時，於圖5(A)之狀態下由於刃前緣43之前端係非常銳利的形狀，因此當用於氧化鋁基板之分斷時，刃前緣43非常易產生缺口。然而，藉由使刃前緣43成圓形，即使是由單晶鑽石構成之刻劃輪40，亦能大幅減少刃前緣43之缺口。
當觀察圖8所示之刃前緣未經R角加工之刻劃輪140之刃前緣之照片，可發現在拍攝點之P4、P5產生了大的缺口，另一方面，P1、P2 則幾乎未產生缺口。
此係由於刻劃輪140由單晶鑽石構成，單晶鑽石由於具有結晶方位，且由於此結晶方位使硬度有大的差異之故。因此，若係由多晶鑽石構成之刻劃輪的話，不太會有因於刃前緣位置之不同而缺口的產生情況不同之情形，而會於刃前緣全體同樣的產生缺口。另一方面，係由單晶鑽石構成之刻劃輪之情形時，如圖8所示，一般會因單晶鑽石之結晶方位，使得因刃前緣之位置不同而有缺口產生之狀況大幅相異的情形。
然而，如本實施形態之由單晶鑽石構成之刻劃輪40般，藉由刃前緣43之R角加工之進行使刃前緣43成圓形，如圖7(B)所示，無論在刃前緣43之哪一點皆能抑制大缺口之產生，因此能降低因單晶鑽石之結晶方位對強度之影響。此外，由於單晶鑽石之結晶方位影響，將圖5(A)所示之前端尖的刃前緣43之形狀，於刻劃輪40之圓周全體均勻的予以加工是非常困難的。然而，為進行如圖5(B)所示之刃前緣43之R角加工，並不要求如圖5(A)之刃前緣43之加工般，對圓周整體均一的進行。
如以上所述，刃42僅由鑽石構成、刃前緣43經半徑0.8~5μm之R角加工而成圓形之刻劃輪40，即使是用於選自由陶瓷、藍寶石及矽構成群中之至少一種脆性材料基板17之分斷，與未經R角加工之刻劃輪相較，能大幅減少刃前緣43形成缺口，延長刻劃輪40之壽命。
又，本實施形態中，雖係例示刻劃輪40整體由單晶鑽石構成者，但本發明亦能適用於例如僅刃42由單晶鑽石構成，而以超硬合金構成刀輪本體部41，將刀輪本體部41與刃42以黏著劑加以固定之刻劃輪40，或刻劃輪40之圓周上之傾斜面中、僅至少與脆性材料基板接觸之刃42部分 以單晶鑽石形成之刻劃輪。若係此種構成之刻劃輪的話，能減少昂貴單晶鑽石之使用，提供便宜的刻劃輪。
又，本實施形態中，作為刻劃輪40雖係使用單晶鑽石做了說明，但亦可亦是刃42由多晶鑽石構成之刻劃輪40。多晶鑽石中，有以具有微細結晶粒組織、或非晶質之石墨型碳素物質作為起始材料，於超高壓高温下直接燒結轉換成鑽石者、或以化學氣相沉積(CVD)法合成之鑽石。多晶鑽石，雖無於上述之刃前緣圓周因結晶方位導致之硬度差異，但有可能因形成刃前緣之鑽石粒子脫落而形成缺口的情形。本發明在使用此種多晶鑽石之刻劃輪40之缺口防止上亦是有效的。
又，此等單晶鑽石及多晶鑽石實質上係僅由鑽石構成之物，雖不包含作為結合材之鐵系金屬，但亦包含於鑽石結晶內刻意添加硼或磷等之微量雜質者。藉由此種雜質之添加，可對鑽石賦予導電性，提高耐熱性。
又，本實施形態之刻劃裝置10，在將保持刻劃輪40之保持具31安裝於刻劃頭21時，係透過保持具接頭23安裝之構成。然而，刻劃裝置10亦可以是於刻劃頭21直接安裝保持具31之構成。
又，本實施形態之刻劃裝置10，雖係例示了設有用以使刻劃頭21移動之導件22及橋架19，具備使裝載脆性材料基板17之桌台16旋轉之移動台11者，但不限定於此種刻劃裝置10。亦能適用於，例如為使使用者能握持安裝有保持具31之刻劃頭21，將刻劃頭21之部分形狀作成柄的形狀，使用者握持此柄進行移動以進行脆性材料基板17之分斷之所謂的手動式刻劃裝置。
42‧‧‧刃
43‧‧‧刃前緣
43a‧‧‧稜線部

Claims (4)

  1. 一種由單結晶鑽石構成之圓板狀之刻劃輪，其特徵在於：具有於外周形成為圓環狀之刃與設於刃之前端之刃前緣，該刃前緣於圓周上具有因結晶方位而硬度相異之部分，對該刃前緣之圓周全體施有半徑0.8~3微米之R角加工。
  2. 如請求項1記載之刻劃輪，其中，該刻劃輪是用於選自由陶瓷、藍寶石及矽構成之群中之至少一種脆性材料基板之分斷。
  3. 一種刻劃輪之製造方法，其特徵在於包含：在由單結晶鑽石構成之圓板狀構件之外周，形成具有因結晶方位而硬度相異之部分之刃之步驟；以及對該刃之刃前緣之圓周全體施以半徑0.8~3微米之R角加工之步驟。
  4. 如請求項3記載之刻劃輪之製造方法，其中，該形成刃之步驟，進一步包含該刃之傾斜面研磨至鏡面狀之步驟。
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