TWI298280B - Method for cutting non-metal material - Google Patents

Description

-!298280 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種非金屬材料切割方法。更特定言之，本 發明係關於採用入射冷源與熱源的非金屬材料切割方法。 【先前技術】 由於近來手機及液晶電視產業的蓬勃發展，為因應液晶玻 璃基板的激增需求及LCD液晶玻璃基板所需要的低熱應力加 工’熱破表辑射切割法已逐漸取代傳統鑽石刀切割研磨與過去 的雷射熔切法，並成為次世代光電產業液晶玻璃基板^工主 流。熱破裂雷射切割法與過去雷射溶切法不同之處是應用熱破 裂的原理來做切割，而由於雷射加熱均勻及熱影響區小，故除 了力口工速度快外’其平整的切|彳面及低的熱殘留應力等優點是 雷射熔切法與傳統鑽石刀切割研磨方法遠所不能及處。# 目前市場上用來做熱破裂切割的雷射光源有波 長的C02氣態雷射與i.064//m波長的YAG固態雷射兩種·經由 ，定的雷射統_光學鏡_將光絲焦喊生熱場於玻 板上，接著再加上適當的冷卻效應^1使得基板邊端初始裂 、ί 產生，該肤經她冷纽夠大的應 m因子場（stress intensity faetOT field)__ ，乘後形成切副結果，然而，現有的熱破裂切割研究中， 冷源佈置試誤法以取得最佳雷射_參數，故 在刀剎速度與外形變化上較無理論依據。 太查，由於目前熱破裂雷射切割法有上述缺失，因此 ίί^ίί於習知技術問題改善之所需，乃經悉心試驗與 =方ί—本不*之精神’終於創作出本案「非金屬材料 • Ϊ298280 【發明内容】 該方觀祕转屬材_切割方法， 為4田百先疋於该非金屬材料上沿一切割路徑方一4 ί著相反於該切割路徑方:二漸增° ，，其中茲====-第第1 :=，割路徑方向施加-第二^果並 向夾一第二角度，該第二入射ί 與該切割路徑方向共t里，且如―、第二人射方向分量 熱效該切割路徑方向所施加的該加 生一裂痕進而可“亥非金屬材料沿該切·徑產 根據上述構想，該加熱效果是由一第 束^據上述構想，該第-雷射束經由—繞牛整 述構想，該切割方法更包含於該切割路徑方 向上導引一弟二雷射束而尾隨於該第一雷射束。 一與冷卻絲㈣是沿該第 fit，想’該第—角度小於9G度且大於〇度。 =^構想，該第二角度小於9Q度且大於0度。 方 分量第—入射方向 向爽構想，鮮1財向分量_切割路徨 方 ㈣ΐ^ί構想，該第Μ財向分f與該切割路极 !298280 根據上述構想，該第一與第二冷卻效果是由水、空 與氮氣其中之一產生。 ” 根據上述構想，该弟一與第二冷卻效果由一 一 冷源與一多喷嘴冷源之一提供。 、 根據上述構想，該非金屬材料為單層脆性材料盘多層 脆性材料之一。 " 根據上述構想，該非金屬材料為玻璃基板。 ^本發明另一方面提供一種應用於脆性材料的切割方法， 是施ί—彎曲應力於_性材料，i該脆性 的#刀副面具有-張應力，並於該脆性材料上沿一切 =路控方向施加-加熱效果，且該加熱效果是沿相反於該切 方向而逐漸增加’接著由—第—人射方向沿該切割路 果，其中該第一入射方向與該切割 二ί向角度’該第—人射方向具有-第-入射方 二刀里且由弟一入射方向沿該切割路徑方向施加一第一 角度，該第二入射方向具有一第二入射 d二 it向位於該第—與第二人射方向分量之間而與 與4=該加熱效果 一裂痕，進而被切割。屬材枓沿该切割路徑方向產生 根據上述構想，該加熱效果是由一命 根據上述構想，該第一雷鼾 射束產生。 束而成。 田射束經由一繞射光學元件整 向導方法更包含沿勒割路徑方 向¥引雷射束而尾隨於該f _雷 d私万 根據上述構想，該第一蛊 一與第二人射方向分量而逐漸^^ 知別疋沿該第 .1298280 上述構想’該第一角度與該第二角度小於90度且 大於U度。 向構想’該第—續方向分量與該切割路徑方 向失構想’該第二人射方向分量與該切割路徑方 =發明另—方面提供—種應用於玻璃基板的切割系統， 統i含一施力5置’—第一雷射熱源，-第-冷源， 兮#士壯一々源’而該第一雷射熱是具有一光學元件；其中， =ifί先施加—f曲應力於該玻璃基板，使該玻璃基 ΪΓ 面具有—張應力，而該第—雷射熱源透過該光 :7G件而於祕切誠上沿—蝴路徑方向導引—雷以 i力rr加熱效果，且該加熱效果是沿相反於該_路徑方向 路^古^加’接著遠第—綠經由—第—人射方向沿該切割 ，^方向&加-第—冷卻效果，其中該第―人射方向與該」 ‘向向第：角度’該第-入射方向具有-第-入射 向ir ϋ:冷原則由一第二入射方向沿該切割路徑方 ===ΐΐ果\而其中該第二人射方向與該切割路 八旦σ λα 一角又，该第一入射方向具有一第二入射方向 ;===向位於該第-與第二入射方向分量之 轉力及沿該_路财向_生㈣加熱效果 =开 使該玻璃基板的該待切割面沿該切割路 仅万向形成一裂痕，進而被切割。 ％ 根據上述構想，該光學元件為一繞射光學元件。 根據上述構想，該切割系統更包含一第_ r刀割路徑方向導引一第二雷射束二忿以 根據上述構想，該第一與第二冷卻效果分別是沿該第 .1298280 一與第二入射方向分量而逐漸增加。 度。根據上述構想，該第，二角度小於90度且大於〇 向夾角\60^構"’辟―人射方向分量與該切割路徑方 向夾角^6()1構μ 4第—人射方向分量與該切割路徑方 【實施方式】 解ff”_ ’熟悉本技術者須了 以’而不用於限制本創作。 述’但實際之配置及所採行之方法並 $ 田 況下，做出種麵化及修改。残之將精神及耗圍的情 非金屬材料如玻璃基板，於切割加工時，雷射 :斤產生的熱場可分，暫態區(tr— Z〇ne)與似穩：區 ΪΓΓΓΖ 在初始暫態區内，雷射聚焦光束在玻 离基y所產生之溫度分佈場經熱權函數轉換後之應力強度 因子場(L)需大於材料最大抗破裂之應力強度因子場(U，基 ，表面才會產生初始裂紋。—旦初始裂紋產生，溫度分佈場盘 應力強度因子場也會愈來愈大，期間裂紋成長將逐漸加速，直 中.，本發明根據熱破裂切财的熱權函數理論⑽喔; Weight Function) ’提供最佳的冷熱源佈置入射角度與切 割裝置。 熱權函數源自> 於傳統機械載荷之權函數(wdght function)，原始的權函數是指一組的載荷於裂紋尖端所造成 的應力強度因子相對於另一標準組載荷於裂紋尖端所造成的 應力強度因子之值。若有一連串之載荷系統施於含裂紋之載體 1298280 卞值基於此一理必，Bueckner 於 1970 =出減數的理論。年ster ==:1987 年時Tsai 侧 :應熱權函奸’並簡化了熱載荷 ^(2 a Η h 2 K k a Η Υκ /° ο Τ (2) 5 cr (1) kk da (1) da kk da

-dV (1) f要將溫度分佈場T*乘以熱權函數hT，並對體積 卩·_射狀應力賊时[。it 慮:個均質且具半鎌長敎的非金屬

T X J, q ITexp vx 2 a ===== vr λ \2a j ⑵ r λ[χ ，2 ，2 +y a = k pc 初始溫度’k是材料熱傳導係數，q是埶源，t 以Ιϊΐ度，v是熱源速度’x、與y、是屬於熱源移動』 才示轴a疋修正型第二顗零階Bessel函數， C為比熱1騎射加W讀權函數hT中的^㈡巧’ 型之應力經由式3計算而得： ”〜了早純以] σιι /ν 1 Λ / ^ 、 1-sin(0/2)sin(30/2)、 σ22 >=v^cos(0/2> sin(0/2)cos(3(9/2) ^σ33 1 + sin (θ /2)cos (3Θ /2) ；r = V(^ (3) • 129828〇 若將式3對a微分則可得到式4·

, ⑷ 裂2端之奇異性為，，較應力之， 細冷熱效 區Γ盘ί權|;2<巧度2… ?=- 乂 Λ度 "3的-第二負熱權區5,而在角度 紋二^^時溫度分佈場對該切割路徑方向1上的裂 1盘ί:古ί貝獻;因此若經由角度2=2；Γ/3與-2 "3的第 鱼二第二圖中的—第—冷溫度分佈場41 使其分別產生隨該等入射方向而 卻效果，並沿該切割路徑方向1施加— 熱，皿度77佈％ 3卜以產生隨該人射方向而增加的加熱效果， ，可使該加熱效果與料冷卻效果經鮮函數轉換後產 因子場(Kl)而大於材料最大抗破裂之應力強度 子=(^d)二讓材料表面產生初始裂紋進而被切割。 請參閱第三圖，其為本案較佳實施例中應用於 盃^材料的切割方法示意圖，該切割方法一般是適用 於單/雙層脆性材料與玻璃基板。該切割方法首先 該非金屬材料10上沿著預定的一切割路徑方向1施加一加 熱效果39’、較佳地該加熱效果39是沿相反該切割路徑 方向上而增加的，其中該加熱效果39的產生可以是^ 由一第一雷射束11透過一光學元件12整束聚焦而= 扇型，因此該第一雷射束n可以有極高的有效熱權 1298280 -入ΐ亥二割;!法中，接著是以一第-冷源19經由-第 15以施加，供一第一彻 卻現象在進入Γ:么圖所* ’由於冷 提高切割抑4;==，蘿功率_^ i 核的;第一角度17應是小於9〇度且大於〇 平面的-μ」' 人射方向14投影於物拠徑方向1所處 卻效果16 9上巧方向分量18可產生斜喷效果，使該第一冷 疋/口者该第一入射方向分量18而增加，且該第一入 切Γ徑方向1所夾的角度最好^度， 她應可以被高度的提升，同時依據實際待 空I盘制情況，該第—冷卻劑15可以是水、 或多ϋ的^之―’而該第—冷源19亦可相應地採用單一 由-ΤΐΓΔ第一冷源19的入射方式，一第二冷源20是經 第二Α:句身tf向21而沿著該切割路徑方向1提供-第—二"土以施加-第二冷卻效果24,同樣地如 會增加敎=，_ATt卻現象在進人—第二負熱權區5時仍然 又身;，01 /Q)並提高切割品質與速度’因此該第二 於90声且i與該切割路徑1之間所所夾—第二角度25應是小 方Γ&Λ度，而該第二人射方向21投影於該切割路徑 分量23亦可f生斜喷效果，使該第二冷^果^ Λ —入射方向分篁23增加，其中該切割路徑方向1是 12 129*8280 方向ί量18與該第二入射方向分量23之間， βη译门向分篁23與該切割路徑方向1所夾的角度較 摅^^f此切割時之熱權效應亦是可以被高度的提升， 限制情況，該第二冷卻劑 跡熱絲39、該第 熱權函數轉換為大於該非全屬肺、^弟一負熱振£ 33中的 埸，i隹而# P非屬材枓10所需的應力強度因子 料10產生一裂紋6而被切割。 於非金屬材料的切割方法車二佳實施例中應用 施加一彎曲癉* Γ圖，該切割方法首先是 屬材料10上沿著預定的一切疋H非^ 而增加的，其中該力=效果疋 =產反】亥切割路徑方向1 -雷射束η透過―;學t 第 該第一雷射束u具有= ΐ效熱權值，並使 :i ” L =，含於該切割路徑方向1上導引 弟一田射束13而尾隨於該繁一命 丄〒刀 效地提升切割路徑上的埶權盥帝射束11，藉以有 而增加切割速度。 "、、一田射所需功率之比，進 在该切割方法中，接著Η 一笛 一入射方向i 4而沿著該=經由一第 15以施加一第一冷卻效果16，如k—仏一弟一冷卻劑 ，在進入-第-負熱權區4時會增加=圖^斤^於冷卻 咼切割品質與速度，因此較佳 ^ 率比(h/q)亚提 』便°亥弟一入射方向14投影 13 1298280 於該切割路徑方向1所處平面的一第一入射旦 斜喷效果，並使該第-冷卻效果16是沿著 量:8而增加，針該第—人射向分 ’隨謂時之負鋪效應可以被 康貫際待切割物與工作環境的限制情況， 该弟一々部劑15可以是水、空氣與氮氣其中之一，而該第一 冷源19亦可相應地採用單一或多喷嘴的冷源。 於及第-冷源19的入射方式，一第二冷源2〇是經 弟/二入射方向21而沿著該切割路徑方向1提供一 第二冷卻齊]22以施加一第二冷卻效果24，同樣地如 第了圖所示，由於冷卻現象在進入一第二負熱權區5時仍然 $增加熱權功率比(hT/q)並提高切割品質與速度，因此可使該 第二入射方向21投影於該切割路徑方向1所處平面的一第二 方向分量23產生斜喷效果，並使該第二冷卻效果24是沿 該ί二入射方向分量23增加，其中該切割路徑方向1是位於 ，第一入射方向分量18與該第二入射方向分量23之間，而該 第二入射方向分量23與該切割路徑方向1所夾的角度較佳是 60度’因此切割時之熱權效應亦是可以被高度的提升，且依 據實際待切割物與工作環境的限制情況，該第二冷卻劑22也 可以是水、空氣與氮氣其中之一，而該第二冷源2〇亦可相應 地採為單一或多喷嘴的冷源；藉由該張應力與沿該切割路徑方 向1所施加的該加熱效果39與該第一 16與第二冷卻效果24, 可使该非金屬材料沿該切割路徑方向產生一裂痕，進而被切 割。 請參閱第五圖，其為本案較佳實施例中應用於非 金屬材料的切割系統示意圖。該切割系統32包含了 一 加力I置28，一第一雷射熱源30，一第一冷源19， 與一第二冷源20，其中該第一雷射熱源30更包含了 一光學元件12 ;切割進行時，該切割系統32中的該 χ29828〇 置28首先是施加—f曲應力26於令非金屬材 # ίο的一待切割面27，使 亥非虫屬= 力，接著該第-雷射敎源30於有一張應 過該光學元件12產生―第—雷材料10上透 切割路徑方向丨施加—加㈣著預定的一 是沿相反㈣魏財;加熱效果乂9 12可以是一氺與婊1+ — θ的，而该光學元件 J 乂疋先予繞射兀件，以使該第一雷私击敕击〒 f而成扇型，因此該第-雷射束11可以；ίϋ: ，值，並相應使該第一雷射束 功；=: 節省成本；該切割系統32進一步地2=3= ，源29,以沿該切割路徑方向i而導：弟：射束 i3的尾二該:;雷射束"，藉以有效二 上的射所需率之比，進而增加切割速度。 著1切二|玫)源19接著疋經由一第—入射方向14而沿 耆该切杳j路徑丨提供一第一冷卻劑15以施加一第一冷 郃效果16’如第一圖所示由於冷卻現象在進入一 一負熱 權區4時會增加熱權功率比(hVq)並提高切割品質盘速度厂因、 ^交佳地可使該第一入射方向14投影於該切割路^'方向】所 ，平面的一第一入射方向分量18產生斜喷效果，使該第一冷 卻效果16疋沿著該第一入射方向分量μ而增加，其中該第一 入射方向分量16與該切割路徑方向i所夾的角度最好是⑼ 度’因此切割時之負熱權效應可以被高度的提升，同時依據實 際待切割物與工作環境的限制情況，該第一冷卻劑15可以是 水、空氣與氮氣其中之一，而該第一冷源19亦可相應地採用 單一或多喷嘴的冷源。 類似於該第一冷源19的入射方式，一第二冷源20是經 由一第二入射方向21而沿著該切割路徑方向1提供一 第二冷卻劑22以施加一第二冷卻效果24，同樣地如 第一圖所示，由於冷卻現象在進入一第二負熱權區5時仍然

'W 15 1298280 乂 S核功率比(hVq)並提高切割品質與速度，因此可使該 入射方向21投影於該切割路徑方向1所處平面的一第二 該第二I分量23產生斜喷效果，以使該第二冷卻效果24是沿 射方向分量23增加，其中該切割路徑方向1是位於 ί二入=射方向分量18與該第二入射方向分量23之間，而該 fini射rf向分量23與該切割路徑方向1所夾的角度較佳是 W之熱權效應亦是可以被高度的提升，且依 二1刀割物與工作環境的限制情況，該第二冷卻劑22也 二梭3氮氣其中之一，而該第二冷源20亦可相應 A 1一或夕噴嘴的冷源；藉由該張應力與沿該切割路徑方 Λ加的該加熱效果39與該第一 16與第二冷卻24效果， =使以非金屬材料沿該切割路徑方向產生—裂痕，進而 割。 細^所述，本案確實可提供一種非金屬材料切割 方法’猎於該非金屬材料上沿一切割路徑方向施加一 該切割路彳i方向而增加的加熱效果，並搭配本 案提出相應所施加的冷卻效果方式，該非金屬材料切 與ί率相較於習知技術可被顯著提升，技術極 為簡=，製造成本極低而應用性極高，實具產業之價 值，爰依法提出新型專利申請。 、 以上所述係利用較佳實施例詳細說明本創作， Ϊ限，案if圍’因此熟知此技藝的人士應能明 暸，適^而作些微的改變與調整，仍將不失本案之要 16 * 129828〇 圖式簡單說明】 弟一圖為熱權分佈示意圖， 弟一圖為溫度分佈場示意g 弟二圖為本案應用於非金 實施例示意圖。 第四圖為本案應用於非金 較佳實施例示意圖。 第五圖為本案應用於非金 實施例示意圖。 屬材料的切割方法中較佳 屬材料的切割方法中另— 屬材料的切割系統中較佳 【主要元件符號說明】 1 切割路徑方向 11 第一雷射束 12 光學元件 31 加熱效果 13 第二雷射束 24 第二冷卻效果 23 第二入射方向分量 25 第二角度 18 第一入射方向分量 6 裂痕 10 非金属材料 28 施力裝置 29 第二雷射熱源 26 彎曲應力 2 角度 51 弟一冷溫度分佈場 21 第二入射方向 14 苐一入射方向 19 弟一冷源 15 弟一冷卻劑 16 第一冷卻效果 17 第一角度 20 弟二冷源 27 待切割面 30 第一雷射熱源 22 弟二冷卻劑 32 切割系統 3 正熱權區 4 第一負熱權區 5 弟二負熱權區 31 熱溫度分佈場 41 第一冷溫度分佈場 17

Claims (1)

1. •1298280 十、申請專利範圍： —種應用於非金屬材料的切割方法，包含下列步驟： 於該非金屬材料上沿一切割路徑方向施加一加熱效 果，且該加熱效果是沿相反於該切割路徑方向而逐漸增加； 上由一第一入射方向沿該切割路徑方向施加一第一冷卻 效果，其中該第一入射方向與該切割路徑方向夾一第一角 度，該第二入射方向具有一第一入射方向分量；以及 由一第^^射方向沿該切割路徑方向施加一第二冷卻 =果’其中該第二入射方向與該切割路徑方向爽一第 射方向具有—第二人射方向分量，且該第一、 弟一入射方向分量與該切割路徑方向共平面· 域======向所施加的該 產生-裂痕進而被切ί 了使该非金屬材料沿該切割路徑 2. 第1項的切割方法，其中該加熱效果是由一 3. 割方法，其中該第-雷射束經由 4' , ’更包含於該切割路徑方 5.如申請專利範^ 效果分別是沿該第一與第二二去’其中該第一與第二冷卻 6·如申請專利範圍第5項宝射方向分量而逐漸增加。 90度且大於〇度。 刀"丨方法’其中該第一角度小於 7. 如申請專利範圍第6項 90度且大於〇度。 方法，其中該第二角度小於 8. 如申請專利範圍第7項的切 於該第一入射方向分量與診二去，其中該切割路徑方向位 9·如申請專利範圍第8項二入射方向分量之間。 方去，其中該第一入射方向分 18 .1298280 里與该切割路徑方向夾角為6〇度。 10· 士曰口申請專利範圍第9項的切割方法，其中該第二入射方 里與该切割路徑方向夾角為6〇度。 刀 11·如申請專利範圍第丨項的切割方法，其中該第—與第二 效果是由水、空氣與氮氣其中之一產生。 7 12·如中請專利範圍第丨項的域方法，其中該第—與第二 效果由一單一喷嘴冷源與_多喷嘴冷源之一提供。 13.^申請專利範圍第丨項的切割方法，其中該非金屬材料 層脆性材料與多層脆性材料之一。 專利範圍第1項的切割方法，其中該非金屬材料為玻 哨暴板。 15.—種應用於脆性材料的切割方法，包含下列步驟： =-彎曲應力於該脆性材料，使該脆性 副面具有一張應力； 竹刀 該力：==!斗上沿：切割路徑方向施加-加熱效果，且 〇,、、、j —疋石相反於該切割路徑方向而逐漸增加； 效果由該切割路徑方向施加-第-冷卻 度，該第向與該切割路徑方向夾一第一角 ίί楚ίΐ有一第一入射方向分量;以及 彳::位於該第一與第二入:方入:量向:二 生一裂痕，進而被切割。 科沿該切割路徑方向產 16.如申請專利範圍第15 & 一第一雷射束產生。 万去，其中該加熱效果是由

   19 1298280 17. 如申請專利範圍第16項的 卜 由一繞射光學元件整束而成"方法，其中該第一雷射束經 18. 如申請專利範圍第16項的切 方向導引-第二雷射束而 更包含沿該切割路徑 19. 如申請專利範圍第15項的切—雷，束。 卻效果分別是沿該第一與第二方法，其中該第一與第二冷 20. 如申請專利範圍第19項的方向分量而逐漸增加。 第二角度小於90度且大於〇 /方法’其中該第一角度與該 21. 如申請專利範圍第20項的^ 分量與該切割路徑方向夾角為^f，其中該第一入射方向 22. ，，專利範圍第21項的切割方 分罝與該切祕徑方向夹角為6 /、中初-入射方向 23· -種顧於玻璃基板的切财統，包含. 玻力賤麵級，使該 過該:第學一=亥二 雷射束以施加一加熱效果，且該:以=引5 路徑方向而逐漸增加； …效果疋々相反於_割 n 11以n人射方向沿該蝴路徑方向 二H:效果其中該第一入射方向與該切割路徑方 =-弟-角度’該第—入射方向具有一第一入射方向分t ^ —Ϊ—Τ源藉以由—第二人射方向沿該切割路徑方向 向Π工效ΐ，第其中 旦 弟角又"亥弟一入射方向具有一第二入射方向分 1，且該切割路徑方向位於該第一與第二入射方向 而與該兩分量共平面； 间 藉由該張應力及沿該切割路徑方向而產生的該加熱效 \ 20 1298280 切割 板的該待切割面沿該 24. =ίίζ圍第23項的切割系統，其中該光學元件為一 路徑方向導引_第二· 25. ί申請專概圍第23項的切割祕，更包含一第 雷射束 ‘冷 角 26.如申请專利細第23項的切齡統 卻J果分別是沿該第-與第二入射 =漸二_

   27·如申請專利範圍第26項的切财法，漸 度小於90度且大於〇度。万，去其中相-與第: 其中該第一入射方向 其中該第二入射方向 28·如申請專利範圍第27項的切割系統， 分量與該切割路徑方向夾角為6〇度。 29·如申請專利範圍第28項的切割系統， 分量與該切割路徑方向夾角為6〇度。 21