專利名稱：脆性材料工件的切割方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脆性材料工件的切割方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
對于脆性材料工件(如玻璃、石英、陶瓷、光電與半導(dǎo)體晶體材料)的切割，通常是使用鉆石刀或碳化鎢刀先對所欲切割的工件劃一條深溝痕，再利用機械力使工件分開。然而，因切割溝痕太深、太寬，有可能會損傷元件且浪費工件的可使用面積，并引起沿厚度方向的不規(guī)則龜裂，導(dǎo)致切割合格率下降。近年來激光切割的方法逐漸被普遍使用，該方法是利用激光來局部加熱工件，使其熔融形成一條深溝槽，再用機械力將工件分開。
另一種切割脆性材料工件的方法是使用譬如激光的熱源加工技術(shù)，利用破裂力學(xué)中裂紋成長與缺陷連結(jié)的原理來切割脆性材料工件。
如圖1所示，在美國專利第5,609,284號中公開的激光切割技術(shù)，激光光束102在工件101上沿預(yù)定切割路徑105劃過，其后緊跟著一道冷卻噴流103用于沖擊工件101。工件101因上層受張力而下層受壓力，從而會產(chǎn)生熱震(thermal shock)以在表面下形成暗裂紋(blind crack)，若在切割完畢后再予以加熱，即可使暗裂紋擴大而分離成兩片。但是利用冷卻噴流103與激光光束102來造成暗裂紋104，其缺點是不容易量化。而且，冷卻噴流103與激光光束102的距離必須精密地進行控制，以達到較佳的切割效果。
在臺灣專利第445189號公告中公開了一種激光加工裝置及方法。該裝置與方法是使用分歧機構(gòu)將一道激光光束分為多道激光光束以對工件進行加工，而沒有提到冷卻流體的相關(guān)技術(shù)。
在臺灣專利第458837號公告中公開了一種利用超冷卻氣流進行玻璃激光切割的技術(shù)，其中使用一道激光光束，配合一超冷卻氣流沖擊工件的表面而完成切割。然而，在該技術(shù)中，超冷卻氣流的控制無法量化，因此控制方式非常復(fù)雜。
在臺灣專利第419867號公告中公開了一種激光切割裝置與方法，其中用于進行冷卻的冷卻液是直接噴灑在工件上，類似于上述美國專利第5,609,284號中所提到的冷卻手段，也無法達到量化，以進行精密控制的效果。
因此，如何發(fā)展出一種容易量化的脆性材料工件的切割方法與設(shè)備，是本發(fā)明中創(chuàng)作人的研創(chuàng)動機所在。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明中脆性材料工件的切割方法及設(shè)備的主要目的在于解決現(xiàn)有切割方法設(shè)備不具有量化功能，而造成切割效果不佳的問題。
本發(fā)明的另一目的是為提供一種利用非沖擊式流體噴流進行裂紋控制的脆性材料工件的切割方法與設(shè)備。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中脆性材料工件的切割方法，包含下列步驟提供一脆性材料工件；提供一輻射束沖擊該脆性材料工件的一第一表面；導(dǎo)引該輻射束沿著一預(yù)定切割路徑?jīng)_擊所述第一表面；及提供一流體噴流通過該脆性材料工件所述第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，以控制脆性材料工件形成一裂紋。
本發(fā)明中脆性材料工件的切割設(shè)備包含有
一用于將一脆性材料工件固定在其上的工作臺；一能提供一輻射束沖擊于脆性材料工件一第一表面上的輻射束供應(yīng)單元；及一用于噴出一流體噴流的噴嘴，該噴流通過脆性材料工件第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，以控制該脆性材料工件形成一裂紋。
本發(fā)明利用通過脆性材料工件第一表面上方的流體噴流，來實現(xiàn)精密控制脆性材料工件的裂紋成長，從而完成切割作業(yè)。


下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明中的具體實施例作進一步詳細說明。
圖1是美國專利第5,609,284號中公開的激光切割技術(shù)的示意圖；圖2是本發(fā)明中脆性材料工件切割方法的原理示意圖；圖3是本發(fā)明中脆性材料工件切割設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中脆性材料工件切割方法的流程示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明中的激光切割原理是利用一熱源提供一輻射束12(譬如激光光束)來沖擊一脆性材料工件11的一第一表面15。同時提供一流體噴流13通過該脆性材料工件11第一表面15的上方。流體噴流13距離第一表面15有一段預(yù)定高度H，且其會對第一表面15產(chǎn)生伯努里(Bernoulli)效應(yīng)，而使第一表面15產(chǎn)生抽真空力量(vacuum force)。伯努里方程式如下(p2-p1)/ρ+1/2(V22-V12)+g(z2-z1)=0------(1)]]>其中ρ為密度，p2與p1表示壓力，V2與V1表示速度，z2與z1表示高度，g為重力加速度。通過伯努里方程式，可知流體單元兩邊的速度差會造成兩邊的壓差。由于接近流體噴流13的氣體的速度V2快，接近第一表面15的氣體的速度V1慢，使得接近第一表面15的氣體壓力p1比接近流體噴流13的氣體壓力P2大。該壓力差會造成氣流，使得接近第一表面15的氣體被迫往流體噴流13流動，因而對第一表面15造成抽真空力量。在輻射束12通過脆性材料工件11后，會產(chǎn)生應(yīng)力使脆性材料工件11破裂。接著，本發(fā)明中的流體噴流13會對脆性材料工件11造成向上的抽真空力量，以控制裂紋14的成長方向、速度及品質(zhì)。
伯努里效應(yīng)所產(chǎn)生的抽真空力量會導(dǎo)引此裂紋14的方向及速度。作量化控制時，可依據(jù)流體壓力流量的大小、流速、切割時平臺移動速度等，以造成脆性材料工件11與流噴流13之間的相對速度差來控制所產(chǎn)生的抽真空力量的大小。值得注意的是抽真空力量除了導(dǎo)引破裂方向之外，還有提供熱脹冷縮力量的作用，破裂點會發(fā)生在熱脹冷縮點，最好是在工件本身已裂處開始裂開。當熱脹冷縮力量超過工件材料的分子鍵結(jié)合力時，裂紋會順著所引導(dǎo)的方向成長。
此外，流體噴流13也可以使輻射束12所產(chǎn)生的熱量散發(fā)掉。然而，本發(fā)明中的流體噴流13并未象傳統(tǒng)技術(shù)中那樣沖擊工件的表面。
在本實施例中，可以移動脆性材料工件11或輻射束12來控制切割路徑。流體噴流13可以一直施加通過第一表面15的上方，輻射束12則沿著一條預(yù)定切割路徑16沖擊第一表面15。藉由控制流體噴流13距離脆性材料工件11的高度H以及流體噴流13的速度，來達到量化控制。
輻射束可以采用較有方向性的熱源輻射束，譬如二氧化碳激光、二極管激光、Nd-Yag激光、銅激光、紫外線激光等。舉例而言，在切割玻璃、石英(二氧化硅)、藍寶石(sapphire)、砷化鎵(GaAs)等材料時，使用二氧化碳激光(波長為10.6μm)為較佳。在切割硅材料時，以二極管激光(波長為700-900nm)或Nd-Yag激光(波長為1.06μm)為較佳。
如圖3所示，本發(fā)明中脆性材料工件的切割設(shè)備包含有一工作臺10、一輻射束供應(yīng)單元20、一噴嘴30及一流體供應(yīng)單元40。工作臺10用于將一脆性材料工件11固定在其上。輻射束供應(yīng)單元20提供一輻射束12沖擊于脆性材料工件11的第一表面15上。噴嘴30用于噴出流體噴流13以通過該脆性材料工件11的第一表面15的上方，使脆性材料工件11形成裂紋。由于工作臺10、輻射束供應(yīng)單元20、噴嘴30及流體供應(yīng)單元40都屬于傳統(tǒng)技術(shù)中的部件，故在此不再作詳細說明。
流體噴流13可以是液態(tài)或是氣態(tài)，譬如水、空氣、氮、二氧化碳等。雖然輻射束12與流體噴流13交錯，但是熟習(xí)本項技術(shù)的人員都應(yīng)可以理解到兩者是不會互相干擾的。
以下列舉一個例子來說明本發(fā)明中方法與設(shè)備的應(yīng)用成果。針對所切割工件的材料特性，使用不同的輻射束。舉例而言，對于屬于非晶體材料的玻璃、屬于單晶體材料的石英(SiO2)、以及屬于單晶體材料的藍寶石，可以使用二氧化碳激光來切割。而對于屬于單晶體材料的硅晶體可使用二極管激光來切割。其中控制參數(shù)包含有流體流量、流體壓力、伯努里真空場高度、切割速度、激光功率、激光形式、激光束形狀、及激光束大小。如表1所示，對于不同厚度的石英玻璃，其切割速度不同，流體流量、壓力以及伯努里真空場的高度也不同。然而，利用本發(fā)明中的伯努里真空場，都可以將工件切割完成，而且切割斷面平坦度都在10μm以下，切割崩裂大小都在50μm以下，實為相當良好的切割效果。此外，利用伯努里效應(yīng)，對于藍寶石、TFT玻璃、硅等工件，都可以達成良好的切割效果。
表1
如圖3和圖4所示，本發(fā)明中脆性材料工件的切割方法包含以下步驟步驟S1提供一脆性材料工件11，并將其固定至工作臺10上。
步驟S2提供一輻射束12沖擊該脆性材料工件11的一第一表面15。輻射束12由輻射束供應(yīng)單元20提供。
步驟S3提供一流體噴流13通過該脆性材料工件11第一表面15的上方。流體噴流13由流體供應(yīng)單元40通過噴嘴30而提供，所提供的流體噴流13可以是液態(tài)，也可以是氣態(tài)。流體噴流13高速通過第一表面15的上方，以對第一表面15造成抽真空的效應(yīng)，促進裂紋的精密成長。
步驟S4導(dǎo)引輻射束12沿著一預(yù)定切割路徑?jīng)_擊第一表面15。
本發(fā)明中的切割方法與設(shè)備采取了非沖擊式噴流來進行裂紋的成長控制，只要控制流體噴流的速度或高度，即可控制裂紋的成長。再者，利用伯努里原理，在切割脆性材料工件時，控制條件可以量化，相當適合于精密切割加工。
以上雖然對本發(fā)明中的較佳實施例作了說明，但并不能作為本發(fā)明的保護范圍，即對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說應(yīng)該明白，在不脫離本發(fā)明的設(shè)計精神下可以對其作出等效的變化與修飾，因此，凡是在不脫離本發(fā)明的設(shè)計精神下所作出的等效變化與修飾，均應(yīng)認為落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種脆性材料工件的切割方法，包含下列步驟提供一脆性材料工件；提供一輻射束沖擊該脆性材料工件的一第一表面；及提供一流體噴流，該噴流通過脆性材料工件所述第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，以控制該脆性材料工件形成一裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的脆性材料工件的切割方法，其特征在于其更包含有導(dǎo)引所述輻射束沿著一預(yù)定切割路徑?jīng)_擊所述第一表面的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的脆性材料工件的切割方法，其特征在于所述導(dǎo)引所述輻射束沿著預(yù)定切割路徑?jīng)_擊所述第一表面的步驟包含有沿著預(yù)定切割路徑移動該輻射束的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的脆性材料工件的切割方法，其特征在于所述導(dǎo)引輻射束沿著預(yù)定切割路徑?jīng)_擊該第一表面的步驟包含有沿著該預(yù)定切割路徑移動所述脆性材料工件的步驟。
5.一種脆性材料工件的切割設(shè)備，包含一用于將一脆性材料工件固定在其上的工作臺；一用于提供一輻射束沖擊于該脆性材料工件的一第一表面上的輻射供應(yīng)單元；及一用于噴出一流體噴流的噴嘴，其中噴流通過所述脆性材料工件的一第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，控制該脆性材料工件形成一裂紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的脆性材料工件的切割設(shè)備，其特征在于所述流體噴流為液態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的脆性材料工件的切割設(shè)備，其特征在于所述流體噴流為氣態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的脆性材料工件的切割設(shè)備，其特征在于其更包含有一用于供應(yīng)一流體至所述噴嘴的流體供應(yīng)單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的脆性材料工件的切割設(shè)備，其特征在于所述流體供應(yīng)單元供應(yīng)一液體至所述噴嘴。
10.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的脆性材料工件的切割設(shè)備，其特征在于所述流體供應(yīng)單元供應(yīng)一氣體至所述噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脆性材料工件的切割方法及設(shè)備，其中，方法包含下列步驟提供一脆性材料工件；提供一輻射束沖擊該脆性材料工件的一第一表面；及提供一流體噴流通過該脆性材料工件的該第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，以控制該脆性材料工件形成一裂紋。該方法利用伯努里原理，使通過第一表面上方的流體噴流可以精密控制裂紋的成長。設(shè)備包含有一用于固定脆性工件的工作臺；一用于提供一輻射束沖擊于該脆性材料工件的一第一表面上輻射束供應(yīng)單元；及一噴嘴，用于噴出一流體噴流，且通過該脆性材料工件的一第一表面的上方，對該第一表面產(chǎn)生一抽真空力量，并控制脆性材料工件形成一裂紋。
文檔編號B26F3/06GK1520975SQ03102629
公開日2004年8月18日 申請日期2003年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者郭飛虎 申請人:郭飛虎