脆性材料工件的切割方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种脆性材料工件的切割方法及设备，其中，方法包含下列步骤：提供一脆性材料工件；提供一辐射束冲击该脆性材料工件的一第一表面；及提供一流体喷流通过该脆性材料工件的该第一表面的上方，对该第一表面产生一抽真空力量，以控制该脆性材料工件形成一裂纹。该方法利用伯努里原理，使通过第一表面上方的流体喷流可以精密控制裂纹的成长。设备包含有一用于固定脆性工件的工作台；一用于提供一辐射束冲击于该脆性材料工件的一第一表面上辐射束供应单元；及一喷嘴，用于喷出一流体喷流，且通过该脆性材料工件的一第一表面的上方，对该第一表面产生一抽真空力量，并控制脆性材料工件形成一裂纹。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脆性材料工件的切割方法及设备。
技术介绍
对于脆性材料工件(如玻璃、石英、陶瓷、光电与半导体晶体材料)的切割，通常是使用钻石刀或碳化钨刀先对所欲切割的工件划一条深沟痕，再利用机械力使工件分开。然而，因切割沟痕太深、太宽，有可能会损伤元件且浪费工件的可使用面积，并引起沿厚度方向的不规则龟裂，导致切割合格率下降。近年来激光切割的方法逐渐被普遍使用，该方法是利用激光来局部加热工件，使其熔融形成一条深沟槽，再用机械力将工件分开。另一种切割脆性材料工件的方法是使用譬如激光的热源加工技术，利用破裂力学中裂纹成长与缺陷连结的原理来切割脆性材料工件。如图1所示，在美国专利第5,609,284号中公开的激光切割技术，激光光束102在工件101上沿预定切割路径105划过，其后紧跟着一道冷却喷流103用于冲击工件101。工件101因上层受张力而下层受压力，从而会产生热震(thermal shock)以在表面下形成暗裂纹(blind crack)，若在切割完毕后再予以加热，即可使暗裂纹扩大而分离成两片。但是利用冷却喷流103与激光光束102来造成暗裂纹104，其缺点是不容易量化。而且，冷却喷流103与激光光束102的距离必须精密地进行控制，以达到较佳的切割效果。在台湾专利第445189号公告中公开了一种激光加工装置及方法。该装置与方法是使用分歧机构将一道激光光束分为多道激光光束以对工件进行加工，而没有提到冷却流体的相关技术。在台湾专利第458837号公告中公开了一种利用超冷却气流进行玻璃激光切割的技术，其中使用一道激光光束，配合一超冷却气流冲击工件的表面而完成切割。然而，在该技术中，超冷却气流的控制无法量化，因此控制方式非常复杂。在台湾专利第419867号公告中公开了一种激光切割装置与方法，其中用于进行冷却的冷却液是直接喷洒在工件上，类似于上述美国专利第5,609,284号中所提到的冷却手段，也无法达到量化，以进行精密控制的效果。因此，如何发展出一种容易量化的脆性材料工件的切割方法与设备，是本专利技术中创作人的研创动机所在。
技术实现思路
因此，本专利技术中脆性材料工件的切割方法及设备的主要目的在于解决现有切割方法设备不具有量化功能，而造成切割效果不佳的问题。本专利技术的另一目的是为提供一种利用非冲击式流体喷流进行裂纹控制的脆性材料工件的切割方法与设备。为了实现上述目的，本专利技术中脆性材料工件的切割方法，包含下列步骤提供一脆性材料工件；提供一辐射束冲击该脆性材料工件的一第一表面；导引该辐射束沿着一预定切割路径冲击所述第一表面；及提供一流体喷流通过该脆性材料工件所述第一表面的上方，对该第一表面产生一抽真空力量，以控制脆性材料工件形成一裂纹。本专利技术中脆性材料工件的切割设备包含有 一用于将一脆性材料工件固定在其上的工作台；一能提供一辐射束冲击于脆性材料工件一第一表面上的辐射束供应单元；及一用于喷出一流体喷流的喷嘴，该喷流通过脆性材料工件第一表面的上方，对该第一表面产生一抽真空力量，以控制该脆性材料工件形成一裂纹。本专利技术利用通过脆性材料工件第一表面上方的流体喷流，来实现精密控制脆性材料工件的裂纹成长，从而完成切割作业。附图说明下面将结合附图对本专利技术中的具体实施例作进一步详细说明。图1是美国专利第5,609,284号中公开的激光切割技术的示意图；图2是本专利技术中脆性材料工件切割方法的原理示意图；图3是本专利技术中脆性材料工件切割设备的结构示意图；图4是本专利技术中脆性材料工件切割方法的流程示意图。具体实施例方式如图2所示，本专利技术中的激光切割原理是利用一热源提供一辐射束12(譬如激光光束)来冲击一脆性材料工件11的一第一表面15。同时提供一流体喷流13通过该脆性材料工件11第一表面15的上方。流体喷流13距离第一表面15有一段预定高度H，且其会对第一表面15产生伯努里(Bernoulli)效应，而使第一表面15产生抽真空力量(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为密度，p2与p1表示压力，V2与V1表示速度，z2与z1表示高度，g为重力加速度。通过伯努里方程式，可知流体单元两边的速度差会造成两边的压差。由于接近流体喷流13的气体的速度V2快，接近第一表面15的气体的速度V1慢，使得接近第一表面15的气体压力p1比接近流体喷流13的气体压力P2大。该压力差会造成气流，使得接近第一表面15的气体被迫往流体喷流13流动，因而对第一表面15造成抽真空力量。在辐射束12通过脆性材料工件11后，会产生应力使脆性材料工件11破裂。接着，本专利技术中的流体喷流13会对脆性材料工件11造成向上的抽真空力量，以控制裂纹14的成长方向、速度及品质。伯努里效应所产生的抽真空力量会导引此裂纹14的方向及速度。作量化控制时，可依据流体压力流量的大小、流速、切割时平台移动速度等，以造成脆性材料工件11与流喷流13之间的相对速度差来控制所产生的抽真空力量的大小。值得注意的是抽真空力量除了导引破裂方向之外，还有提供热胀冷缩力量的作用，破裂点会发生在热胀冷缩点，最好是在工件本身已裂处开始裂开。当热胀冷缩力量超过工件材料的分子键结合力时，裂纹会顺着所引导的方向成长。此外，流体喷流13也可以使辐射束12所产生的热量散发掉。然而，本专利技术中的流体喷流13并未象传统技术中那样冲击工件的表面。在本实施例中，可以移动脆性材料工件11或辐射束12来控制切割路径。流体喷流13可以一直施加通过第一表面15的上方，辐射束12则沿着一条预定切割路径16冲击第一表面15。藉由控制流体喷流13距离脆性材料工件11的高度H以及流体喷流13的速度，来达到量化控制。辐射束可以采用较有方向性的热源辐射束，譬如二氧化碳激光、二极管激光、Nd-Yag激光、铜激光、紫外线激光等。举例而言，在切割玻璃、石英(二氧化硅)、蓝宝石(sapphire)、砷化镓(GaAs)等材料时，使用二氧化碳激光(波长为10.6μm)为较佳。在切割硅材料时，以二极管激光(波长为700-900nm)或Nd-Yag激光(波长为1.06μm)为较佳。如图3所示，本专利技术中脆性材料工件的切割设备包含有一工作台10、一辐射束供应单元20、一喷嘴30及一流体供应单元40。工作台10用于将一脆性材料工件11固定在其上。辐射束供应单元20提供一辐射束12冲击于脆性材料工件11的第一表面15上。喷嘴30用于喷出流体喷流13以通过该脆性材料工件11的第一表面15的上方，使脆性材料工件11形成裂纹。由于工作台10、辐射束供应单元20、喷嘴30及流体供应单元40都属于传统技术中的部件，故在此不再作详细说明。流体喷流13可以是液态或是气态，譬如水、空气、氮、二氧化碳等。虽然辐射束12与流体喷流13交错，但是熟习本项技术的人员都应可以理解到两者是不会互相干扰的。以下列举一个例子来说明本专利技术中方法与设备的应用成果。针对所切割工件的材料特性，使用不同的辐射束。举例而言，对于属于非晶体材料的玻璃、属于单晶体材料的石英(SiO2)、以及属于单晶体材料的蓝宝石，可以使用二氧化碳激光来切割。而对于属于单晶体材料的硅晶体可使用二极管激光来切割。其中控制参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脆性材料工件的切割方法，包含下列步骤：　　　　提供一脆性材料工件；　　　　提供一辐射束冲击该脆性材料工件的一第一表面；及　　　　提供一流体喷流，该喷流通过脆性材料工件所述第一表面的上方，对该第一表面产生一抽真空力量，以控制该脆性材料工件形成一裂纹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭飞虎，
申请(专利权)人：郭飞虎，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]