JP3210934B2 - 脆性材料の割断方法 - Google Patents
脆性材料の割断方法Info
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- H05K3/0044—Mechanical working of the substrate, e.g. drilling or punching
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Description
るいは半導体材料等の脆性材料にレーザビームを照射す
ることにより発生する熱応力を利用して、その材料を割
断する方法に関する。
ては、従来、研摩材を使用する研削あるいはレーザビー
ムによる溶断などがあるが、これらの方法によると、い
ずれも加工点に熱歪みが発生したり、機械的な構造破壊
等によって加工点周辺に研削割れ等が生じるなど材料の
劣化を伴う点、また、研削もしくは蒸発による材料の損
失が避けられない等の欠点がある。
レーザビーム照射による熱応力を利用して材料を割断す
る、いわゆるレーザ割断方法が提案されている。この方
法は、脆性材料にレーザビームを照射して、その照射位
置に生じる熱応力により微小亀裂を発生させ、その亀裂
をレーザビームによる熱応力によって加工予定線に沿う
方向に誘導することによって材料を割断する方法で、レ
ーザビームを利用した溶断に比して加工エネルギが小さ
く、しかも材料の損失がないといった利点がある。
ーザ割断方法によれば、加工の起点となる初期亀裂を、
材料の端縁近傍にレーザビームを照射して、そのビーム
中心と周辺との間に発生する急峻な温度勾配により生じ
る局部的な集中応力で発生させるわけであるが、例えば
加工周辺の雰囲気温度、材料表面での散乱状態及び材料
中での光の吸収率などの諸条件によって発生する熱応力
(引張応力)がばらつき、局部的な集中応力が材料の許
容応力を超えないことがあり、このため初期亀裂の発生
の確実性が低いという問題がある。
は、レーザビームの照射位置を割断予定線に沿って移動
し、そのビーム進行方向の後方に熱応力(引張応力)を
発生させ、亀裂先端の応力拡大係数を材料の破壊靱性値
を超えさせるといったメカニズムにより行うが、レーザ
ビームの進行速度が速いと、亀裂誘導のための熱応力が
十分とはならず亀裂進展が停止するといった問題があ
り、この加工速度の限界及び上記した初期亀裂の発生の
再現性の問題がレーザ割断方法を実用化する上での妨げ
となっている。
裂を誘導する際にレーザビーム照射位置の移動の経路か
ら亀裂がずれて追随することがあり、このため加工精度
が悪いという問題も残されている。
もので、レーザビームを用いて脆性材料の割断を行うに
あたり、その加工起点の初期亀裂の発生率が高い方法、
及び加工速度・精度の向上を達成できる割断方法の提供
を目的とする。
め、本発明の第1の方法は、実施例に対応する図1に示
すように、被加工材料Wの端縁近傍で、かつ割断予定線
Lを挟んだ両側の位置(2点P1,P2 )にレーザビーム
LBを同時に照射して初期亀裂Cの発生を行うことによっ
て特徴づけられる。
ように、被加工材料Wの端縁近傍の亀裂C付近に複数の
レーザビームを照射するとともに、それら複数のレーザ
ビームの照射位置を亀裂Cの先端の前方の位置と後方の
位置とし、かつ、各レーザビームの出力を制御した状態
で、これらビーム照射位置S1,S2 を割断予定線Lに沿
って移動させることにより亀裂Cの誘導を行うことを特
徴としている。
ビームLBを同時に照射すると、そのビーム照射位置の間
に、図1(b) に示すような特異な熱応力分布が発生し、
この熱応力分布による引張応力が、レーザビーム照射位
置を1点としたときの引張応力に比して大きくなり、こ
れにより局部的な集中応力が材料の許容応力を十分に超
える値となる結果、初期亀裂が確実に発生する。
置S1 と後方の位置S2 に、それぞれレーザビームLBを
照射すると、その各照射位置S1 とS2 との間に、図2
(b)に示すような特異な熱応力分布、すなわち亀裂Cの
前方側が大となる熱応力分布が発生して、その前方側の
引張応力が1点のレーザビーム照射の場合に比して大き
くなる。これにより、亀裂先端の応力拡大係数が材料の
破壊靱性値を超え易くなる結果、亀裂の進展が速くなる
とともに亀裂の進展方向が割断予定線Lに対して曲がり
難くなる。
本発明方法の実施に使用する装置は、ガラスあるいはア
ルミナセラミックなどの被加工材料Wを載置する2軸移
動ステージ(図示せず)と、このステージ上に置かれた
材料表面の2点に、レーザビームLBを同時に照射するた
めの2台のレーザ発振器(図示せず)を備えている。
対して光軸の変更が可能となっており、被加工材料Wへ
のレーザビームLBの照射位置を、割断予定線Lと直交す
る方向に線上の2点、もしくは割断予定線L上の2点の
いずれか一方に選択的に切り換えることができる。
2台のレーザ発振器の光軸と被加工材料Wとの位置合わ
せを行って、図1(a) に示すように、各レーザビームLB
のスポット中心を被加工材料Wの端縁近傍で割断予定線
Lを挟んで互い対称となる2点P1,P2 に合わせ、この
状態で被加工材料Wの表面の2点にレーザビームLBを同
時に照射して、被加工材料Wの端縁付近に亀裂Cを発生
させる。
照射位置を2点とすると、そのビーム照射位置の間に、
図1(b) の解析図に示すような特異な熱応力分布が発生
し、その引張応力がレーザビーム照射位置を1点とした
ときの引張応力に比して大きくなる結果、初期亀裂が確
実に発生する。なお、その亀裂の発生確率は、レーザビ
ーム照射点P1 とP2 との間の距離及びレーザの発振パ
ワー等の諸条件に左右されるが、その確率は実験等によ
り100%(従来:90%程度)を達成できることが現
段階で確認できている。
て、図2(a) に示すように、レーザビームLBの照射位置
を割断予定線L上に沿う2点とし、また、各レーザビー
ムLBの出力を制御した状態で、ステージの移動により各
レーザビームLBの照射位置S1,S2 を割断予定線Cに沿
って移動して、材料Wの端縁付近に発生した亀裂Cを誘
導してゆく。
照射位置を亀裂Cの先端の前方の位置S1 と後方の位置
S2 とすることにより、これらの照射位置S1 とS2 と
の間に、図2(b) の解析図に示すような特異な熱応力分
布が発生し、その熱応力分布は亀裂Cの前方側が大とな
る。すなわち、亀裂Cの進展方向の前方側の引張応力が
常に大きくなり、これにより、レーザビームの進行速度
つまり加工速度を速くしても亀裂Cの進展が停止するこ
とはなく、しかも、亀裂Cの進展方向が割断予定線Lに
対して曲がる確率も少なくなる。
mm/s程度であったのに対し、現段階で150mm/sにまで
高められること、また、加工精度については、数百μ
m;従来→数十μm(表面粗さ)にまで高められること
が、実験等により現段階で確認できている。
を発生する際のレーザビーム照射の2点P1 とP2 との
間の距離は、被加工材料Wの材質及び厚さ,レーザの出
力パワーなどの諸条件によって決定されるが、その2点
間の距離は、レーザビームのスポット径を 2.0 mm 程度
とすれば、3.0mm 〜3.6mm 程度が適当である。また、亀
裂Cの誘導の際のレーザビーム照射位置S1 とS2 との
間の距離については、初期亀裂発生時と同じであっても
よい。
誘導の際のレーザビーム照射位置S1,S2 を、図2(c)
に示すように、亀裂Cの先端近傍位置で割断予定線Lを
挟んで互い対称となる位置とする方法も考えられる。こ
の場合、図2(d) の解析図に示すような熱応力分布が発
生する。
へのレーザビーム照射位置は2点に限られることなく3
点以上の任意の多点であってもよく、照射位置の数を多
くした場合、各照射点の位置関係を適宜に選定すれば、
引張応力を更に高めるための熱応力分布を発生すること
ができ、これにより、より優れた効果すなわち加工速度
・精度等が先の実施例よりも更に向上するといった効果
も期待できる。
ラミックのほか、石英あるいは半導体材料等の他の脆性
材料の加工に適用できることは勿論である。なお、使用
するレーザ発振器は、加工材料の材質によってCO2 レ
ーザもしくはYAGレーザ等を適宜に選択する。
ば、被加工材料の表面上の少なくとも2点にレーザビー
ムを照射するので、その照射位置付近には特異な熱応力
分布が発生し、その引張応力が従来よりも大きくなる結
果、初期亀裂の発生確率が高くなるとともに加工速度・
精度がともに向上する。これによりレーザ割断方法の実
用化が達成可能となる。
点(多点)とすることにより、ビーム照射による温度分
布を、通常の1点のレーザビーム照射の場合に比して低
く抑えても、十分な加工速度・精度を得ることができ、
これにより被加工材料に対する熱の影響を軽減できると
いう利点もある。
点 S1,S2 亀裂誘導のレーザビーム照射位置 C 亀裂
Claims (2)
- 【請求項1】 脆性材料の端縁近傍にレーザビームを照
射し、その位置に生じる熱応力により亀裂を発生させ、
材料を割断する方法において、被加工材料の端縁近傍
で、かつ割断予定線を挟んだ両側の位置にレーザビーム
を同時に照射して上記亀裂の発生を行うことを特徴とす
る脆性材料の割断方法。 - 【請求項2】 脆性材料の端縁近傍にレーザビームを照
射して亀裂を発生させ、その亀裂近傍にレーザビームを
照射し、この照射位置を移動して上記亀裂を割断予定線
に沿って誘導することにより材料を割断する方法におい
て、被加工材料の端縁近傍の亀裂付近に複数のレーザビ
ームを照射するとともに、それら複数のレーザビームの
照射位置を亀裂先端の前方の位置と後方の位置とし、か
つ、各レーザビームの出力を制御した状態で、これらビ
ーム照射位置を上記割断予定線に沿って移動させること
により上記亀裂の誘導を行うことを特徴とする脆性材料
の割断方法。
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- 1994-06-08 JP JP12614694A patent/JP3210934B2/ja not_active Expired - Fee Related
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