TW201440939A - 利用雷射光束切割玻璃面板的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種切割玻璃面板的方法，其利用雷射光束對玻璃面板進行切割以形成至少一工件，上述方法包括依序進行下述步驟(a)~(c)：(a)以第一雷射光束在上述玻璃面板之表面劃出多個直線劃痕，且此些直線劃痕定義出工件之尺寸；(b)以第二雷射光束沿著上述第一雷射光束所劃出的直線劃痕進行切割，而獲得工件；(c)以第三雷射光束對上述工件的邊角進行加工。其中，上述第一及第三雷射光束為短脈衝雷射。

Description

利用雷射光束切割玻璃面板的方法

本發明是有關於一種玻璃面板切割技術，且特別是有關於一種利用雷射光束切割玻璃面板的方法。

在現今的生活中，人們對於行動通訊產品的需求日益增加。根據數位時代研究(DIGITIMES Research)的預估，全球智慧型手機出貨量在2013年將成長3成，而可達8.65億支，且智慧型手機佔整體手機出貨量的比例將上升至43.9%，顯見其發展潛力。

對於如智慧型手機等的高階通訊產品而言，以高強度的玻璃材料等所製作的觸控面板為最重要的元件之一。在觸控面板領域中，尤其在應用於智慧型手機時，所使用之玻璃基板的尺寸約為370 mm x 470 mm，厚度則為0.4 mm至約1 mm不等，且在應用於面板製造時，可根據需求而將玻璃基板切割成約4吋到6吋之長方形面板。

在已知的強化玻璃之切割技術中，存在直接以鑽石刀具 等進行切割的方法。然而，以鑽石刀具切割玻璃面板(基板)所形成的斷面極為粗糙，且會在斷面上形成許多碎屑或裂縫。為解決此類問題，一些使用雷射光束來進行玻璃面板切割的方法亦曾被提出。

然而，先前以來，不論是以高滲透鑽石刀輪、雷射劃痕(laser scribing)或雷射剝離(laser ablation)等加工方式來進行切割，均容易產生(1)切割斷面品質不佳、(2)另需後續磨邊加工、以及(3)玻璃強度不足等問題，而難以實現高品質的切割。此外，就利用雷射的熱破裂(thermal splitting)製程而言，雖可提供幾近完美切割斷面，但由於其所形成之應力場較複雜等因素，製程之掌控非常不易。通常在第一軸向之切割較易順利完成；但將面板或基板旋轉90度後，欲進行第二軸向切割時，則必須跨越第一軸向之完美切割斷面，而難以順利切割，良率極低，尤其是遭遇到高硬度之脆性材料時，熱破裂製程難度更高。

此外，對於高價的單片式玻璃觸控面板(One Glass Solution，OGS)之大片製程來說，由於其玻璃表面已具有膜層，且切割程序屬於全套製程的後段步驟，故切割程序中若產生任何瑕疵，均會對產能及成本造成嚴重的負面影響。再者，若進行後續之磨邊加工等步驟，則易產生對玻璃表面會造成污染或劃傷的微粒切屑，不但必須再搭配有效的清洗製程，還可能導致面板表面品質不佳。

另一方面，玻璃面板的強度亦是要求的重點。若在切割 與磨邊加工過程中產生了於面板邊緣的細微缺陷或裂縫，則會形成應力集中點，並導致玻璃面板的強度不足，當玻璃面板不慎受外力衝擊時，其會沿著前述微細缺陷而裂開。因此，從破壞力學的角度來評估分析，可知工件表面的加工品質會直接影響到其疲勞強度(fatigue strength)與彎曲強度(flexural strength，或稱「fracture strength」)。

對於玻璃等脆性材料而言，其加工切割斷面應避免產生任何微小裂縫，且斷面的表面粗糙度亦會直接影響其在三點或四點式彎曲測試(3- or 4- point bending test)中所測得之強度。以強化玻璃為例，在經鑽石刀輪切割後，其強度僅剩數十MPa，高品質雷射剝離斷面約200 MPa，雷射劃線再裂片之強度亦相當；再經研磨邊緣後之強度可達600 MPa以上，然而理想上，強化玻璃斷面之強度應可達800 MPa。因此，如何提高經加工之斷面品質，以達到更理想的玻璃強度亦為一重要課題。

近年來，市場對於面板切割技術的需求日殷，然而，於玻璃面板切割加工領域中，仍未開發出成熟且穩定的雷射切割技術以及設備。為了有效提昇加工效率，亟需理想的玻璃面板切割技術。

有鑑於此，本發明提出一種切割玻璃面板的方法，其是利用多道雷射光束來對玻璃面板進行組合式加工，藉此能夠有效 提高加工速度、改善加工品質，並提升產品良率，此方法尤其適用於作為觸控面板的強化玻璃之切割。

本發明的切割玻璃面板的方法，其利用雷射光束對玻璃面板進行切割以形成至少一工件，上述方法包括依序進行下述步驟(a)~(c)。首先，於步驟(a)中，以第一雷射光束在上述玻璃面板之表面劃出多個直線劃痕，且此些直線劃痕定義出工件之尺寸；於步驟(b)中，以第二雷射光束沿著上述第一雷射光束所劃出的直線劃痕進行切割，而獲得工件；之後，於步驟(c)中以第三雷射光束對上述工件的邊角進行加工；其中，上述第一雷射光束以及上述第三雷射光束為短脈衝雷射。

在本發明的一實施例中，上述第三雷射光束對上述工件的邊角進行非直線形之加工。

在本發明的一實施例中，上述第三雷射光束對上述工件的邊角進行圓角加工。

在本發明的一實施例中，上述第一雷射光束為釔鋁石榴石(YAG)雷射，且其波長為1064 nm、532 nm、355 nm或266 nm。

在本發明的一實施例中，上述第一雷射光束的脈衝時間為50毫微秒(nanosecond，ns)至1微微秒(picosecond，ps)。

在本發明的一實施例中，上述第一雷射光束的脈衝時間為100 ps至5 ps。

在本發明的一實施例中，上述第二雷射光束為波長10.6 μm之CO₂雷射束。

在本發明的一實施例中，上述第二雷射光束之功率為在20 W至240 W的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述第二雷射光束之功率為在30 W至80 W的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述第二雷射光束之光斑形狀為線型，且上述光斑形狀之寬度為0.2 mm至0.8 mm，而長度為5 mm至50 mm。

基於上述，本發明之切割玻璃面板的方法能夠明顯提昇玻璃面板的加工效率、改善切割加工品質，並且能夠提升目標成品(工件)的良率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧玻璃面板

102、102a、102b‧‧‧直線劃痕

104、104a‧‧‧工件

106‧‧‧邊角

d‧‧‧深度

h‧‧‧寬度

R‧‧‧曲率半徑

S100、S200、S300‧‧‧步驟

圖1為依照本發明一實施例之切割玻璃面板的方法所繪示的流程圖。

圖2為依照本發明一實施例的切割玻璃面板的方法中，利用第一雷射光束進行劃痕的示意圖及局部放大圖。

圖3為依照本發明一實施例的切割玻璃面板的方法中，利用第二雷射光束進行切割的示意圖。

圖4為依照本發明一實施例的切割玻璃面板的方法中，利用 第三雷射光束進行邊角加工的示意圖。

以下將參照所附圖式，對本發明的實施方式進行更詳細的說明。應注意的是，本發明可以多種不同的形式來實踐，並不限於文中所述之實施例。在圖式中為明確起見，可能將各構件的大小以及相對尺寸作誇張的描繪。此外，以下實施例中所提到的如「xy平面」、「與x軸大致平行」等的用語僅是參考附加圖式的配置方位，以便於對實施例進行說明，而非用以限制本發明。

圖1是依照本發明一實施例之切割玻璃面板的方法所繪示的流程圖。請先參照圖1，於本發明的切割玻璃面板的方法中，利用雷射光束對玻璃面板進行切割以形成至少一工件。此切割方法包括依序進行下述(a)~(c)之步驟：(a)以第一雷射光束在玻璃面板之表面劃出多個直線劃痕，且此些直線劃痕定義出工件之尺寸(步驟S100)；(b)以第二雷射光束沿著第一雷射光束所劃出的上述直線劃痕進行切割，而獲得工件(步驟S200)；(c)以第三雷射光束對工件的邊角進行加工(步驟S300)。其中，第一雷射光束與第三雷射光束為短脈衝雷射。

圖2~圖4是依照本發明一實施例之切割玻璃面板的方法所繪示的步驟示意圖。以下，將以圖2~圖4所繪示的實施例搭配圖1，以進一步說明本發明之切割玻璃面板的方法。

請先參照圖2，進行步驟S100，以第一雷射光束(未繪 示)在玻璃面板100之表面劃出多個直線劃痕102，且此些直線劃痕102定義出所需工件之尺寸。其中，玻璃面板100可為一般面板用的強化玻璃，例如智慧型手機或平板電腦之觸控面板所使用的強化玻璃，亦可為已接近成品之OGS面板等，其種類及形狀並無特別限定。

在步驟S100中所使用的第一雷射光束為短脈衝雷射，藉此，能夠透過雷射剝離的方式於玻璃面板100表面形成極淺的劃痕。所謂雷射剝離，係指利用雷射光束照射物體表面而使表面材料昇華的技術。一般而言，在低能量雷射照射下，材料因吸收雷射能量而加熱揮發；在高能量雷射照射下，材料則會快速轉化成電漿。本發明中利用短脈衝雷射來進行雷射剝離，係指利用脈衝式雷射光束來去除材料，而非以連續波式雷射光束來進行材料的玻璃。其中，單一雷射脈衝所能消除的質量多寡，取決於材料的光學特性和雷射能量。

上述第一雷射光束例如是釔鋁石榴石(YAG)雷射，但不限於此。此外，上述短脈衝雷射係指脈衝時間(或脈衝長度)約在100毫微秒(nanosecond，ns)~1微微秒(picosecond，ps)的範圍內之雷射。具體而言，上述第一雷射光束的脈衝時間較佳為50毫微秒(nanosecond，ns)至1微微秒(picosecond，ps)，特佳為100 ps至5 ps。此外，第一雷射光束之波長可為1064 nm或其倍頻波長，例如532 nm、355 nm或266 nm。其中，較佳為使用波長為1064 nm的YAG雷射作為第一雷射光束。藉由選擇波長 在較佳範圍內的雷射作為第一雷射光束，玻璃面板100對於第一雷射光束可具有高吸收率，而能有效達成剝離表面材料之目的。另外，為了提高刻劃的精確度，較佳為第一雷射光束的光斑直徑小，例如是在10 μm~20 μm的範圍內。

此外，在步驟S100中，亦可使用惰性氣體(如氮氣或氬氣等)對欲進行雷射剝離的部位進行加壓，以抑制該部位四周的光吸收或雷射光束傳輸過程中的光束散射，並吹離一些被雷射氣化的物質，藉此進一步提昇雷射剝離之效率。上述壓力值並無特別限定，所屬領域中具通常知識者可依實際需求調整之。

如圖2所示，於此實施例中，直線劃痕102為由多個直線劃痕102a以及直線劃痕102b所構成，但實際上並不限於此。此處，藉由在玻璃面板100的x-y平面上形成與x軸大致平行的多個直線劃痕102a以及與y軸大致平行的多個直線劃痕102b，能夠定義出多個長寬尺寸相同的矩形區域。形成直線劃痕102的次序與方式並無特別限定，例如可先在玻璃面板100上形成各直線劃痕102a，而後再形成各直線劃痕102b。所屬領域中具有通常知識者應瞭解，可依據雷射光源的配置方式、及其他機構的相對位置等來決定劃痕順序。

直線劃痕102的深度d例如是遠小於目標工件厚度之1/3或1/4，而約在工件厚度的1/10到1/20之間，且其寬度h例如是控制在30 μm以下。一般而言，在傳統之雷射劃痕技術中，劃痕深度往往須達120 μm左右、或者須深達目標工件厚度之1/3至 1/4，而需另搭配機械式裂片製程才能確保製造良率，且在進行裂片後，仍必須搭配磨邊加工始能確保斷面之品質，所需步驟繁複而費時。於本發明中，可藉由進一步將直線劃痕之深度與寬度有效地控制在上述較佳範圍內，從而實現更快速的雷射劃痕加工。

接下來，請參照圖3，進行步驟S200，以第二雷射光束(未繪示)沿著上述第一雷射光束所劃出的直線劃痕102進行切割，而獲得工件104。此處，第二雷射光束係以熱破裂方式沿著第一雷射光束所劃出的劃痕進行切割，使玻璃面板100沿直線劃痕破斷，從而可完成工件104的長、短邊之直線切割。進行切割的順序例如是先對玻璃面板100進行第一軸向(x軸)之切割，沿著與x軸平行之直線劃痕而將玻璃面板100切斷，之後，將玻璃面板100旋轉90度，再進行第二軸向(y軸)切割，沿著與y軸平行之直線劃痕而將玻璃面板100切斷。

所謂熱破裂方式的切割，係利用材料對特定波長的光之高吸收特性來完成切割，故一般可使用低功率之二氧化碳雷射光束來進行。透過光學鏡頭機構將雷射光束聚焦於欲切割的材料表面，並搭配適當的冷卻效應而形成適當的應力場，來控制裂縫形成與成長速度，以完成材料的切割。上述冷卻效應係藉由使水氣流直接噴射於CO₂雷射束加熱光斑尾端之玻璃表面而達成，水氣混合流體之壓力約保持在2.5 kg/cm²。

具體而言，本發明中所使用的第二雷射光束例如是波長10.6 μm之CO₂雷射束。第二雷射光束的切割速度取決於玻璃材 質、劃痕深淺及雷射功率等因素，例如是在每秒約20 mm~500 mm的範圍內，但並不限於此。若第一雷射光束之直線劃痕深度愈深，第二雷射光束之切割速度愈高；若第一雷射光束之直線劃痕深度愈淺，則第二雷射光束之切割斷面的品質愈佳。此外，第二雷射光束之功率較佳為在20 W至240 W的範圍內，更佳為在30 W至80 W的範圍內。

第二雷射光束之光斑形狀例如是線型，且上述光斑形狀之寬度較佳為0.2 mm至0.8 mm，而其長度較佳為5 mm至50 mm。在此切割步驟中，藉由使用具有此種光斑形狀的雷射光束作為第二雷射光束，可顯著地提高切割斷面之品質，故而較佳。

最後，請參照圖4，進行步驟S300。其中，以第三雷射光束(未繪示)對工件104的邊角106進行加工。此處之邊角，係指工件上相交的兩邊所形成的角部。本實施例中，矩形之工件104的四個邊角106均進行了加工，但實際上所屬技術領域中具通常知識者可依據需求來決定是否要對工件的各個邊角都進行加工。

此處所使用的第三雷射光束亦為短脈衝雷射，實際上可使用與第一雷射光束相同的雷射光束作為第三雷射光束，因其雷射源種類、脈衝時間、波長範圍、較佳態樣及作用方式已於上文中進行詳盡地說明，故於此不再贅述。應注意的是，由於此步驟中的切割加工路徑短，故第三雷射光束可採直接切斷的方式施作，與先前所述第一雷射光束之直線劃痕加工並不完全相同。

具體而言，上述第三雷射光束例如是對上述工件104的四個邊角106進行非直線形之加工。此處，所謂的非直線形加工係指為了形成目標工件(成品)上的非直線部分所進行的加工，具體而言，可列舉圓角加工、圓孔加工、孔槽加工、各種曲線加工等。

在此實施例中，上述第三雷射光束為對工件104的各個邊角106進行圓角加工。圖4中的虛線方框內所示為工件104經邊角加工前後之上視圖，其中可清楚地看到，被加工後的工件104a的邊角106經圓滑化而成為具有曲率半徑R的圓角。上述曲率半徑R的大小並無特別限定，所屬領域中具有通常知識者可依據實際上的規格需求進行設定。

此步驟中，藉由使用第三雷射光束，而以剝離的方式直接對玻璃之邊角進行切割，可提供更細緻的斷面。由於非以機械研磨方式加工，而可避免因機械式研磨而產生微粒切屑的情況，故尤其適用於已接近成品之玻璃面板(如OGS之玻璃面板)的加工。

下文中，將提出應用實例以具體說明本發明所提出的切割玻璃面板方法。

實例

在此實例中，第一雷射光束係使用Photonics Industries之PS-1064，平均功率為45 Watt之雷射源；第二雷射光束係使用GSI Group之SLC140 CO₂雷射源；以與第一雷射光束相同的雷射 源作為第三雷射光束之雷射源。

在此實例中，使用原始尺寸為370 mm x 470 mm x 0.55 mm的強化玻璃作為玻璃面板，其強化深度(Depth of Layer，DOL)為40 μm。目標成品為圓角矩形工件，其長、短邊尺寸為11.0 mm x 5.5 mm，邊角直徑約為10 mm，即，邊角弧長約為8 mm。

首先，依成品工件之規格尺寸，在大片玻璃面板之表面以第一雷射光束進行極淺之直線劃痕。本道次中，使用波長1064 nm之YAG雷射源，並可利用波長倍頻器提供532 nm、355 nm、266 nm等波長的雷射束。於此實例中，使用了波長為1064 nm的雷射光束作為第一雷射光束，其輸出功率約為10 W~65 W；脈衝能量為5 μj~30 μj；脈衝持續時間(pulse duration)約15 ps~25ps；光斑尺寸控制在約10 μm左右。藉由使用此雷射光束，約可於30秒內完成本道次之動作，而形成寬度約25 μm、深度約50 μm之多條直線劃痕。上述劃痕所定義出之工件尺寸，以長、短邊尺寸為11.0 mm x 5.0 mm為例，約需6條長軸方向與4條短軸方向之劃痕。另一實例中，使用波長為355 nm的雷射光束作為第一雷射光束，其輸出功率約為2 W~10 W；脈衝能量為10 μj~30 μj；脈衝持續時間(pulse duration)約15 ps~25ps；光斑尺寸控制在約10 μm左右。藉此，可產生深度約50 μm、寬度約20 μm之劃痕，更適於後續第二雷射光之加工，但所需成本較高。

接下來，使用第二雷射光束，循先前第一雷射直線劃痕之軌跡，以熱破裂方式完成目標工件之長、短邊的直線切割。於 此實例中，使用了輸出功率20 W~150 W之CO₂雷射，並搭配X-Y-θ滑軌工作平台進行操作，其中，X軸行程為800 mm，Y軸行程為600 mm，快速定位速度為1,000 mm/sec。此外，工件移動速度為每秒100 mm至400 mm之間。第二雷射光束透過光學鏡頭組而離焦在玻璃面板表面，形成接近線型的光斑，且光斑之寬度約為0.2 mm至0.8 mm，而其長度較佳為5 mm至50 mm。藉由使用此雷射光束，約可於40秒內完成本道次之動作。

此外，經實驗得知，本道次之切割速度與前一道次之直線劃痕深度成正相關，若劃痕深度分別為30 μm、50 μm、100 μm時，在此步驟中的面板切斷速度約分別為150 mm/sec、300 mm/sec、500 mm/sec以上。

最後，使用第三雷射光束來完成玻璃面板四角之弧形切斷加工。本道次中，使用波長1064 nm之YAG雷射源，並可利用波長倍頻器提供532 nm、355 nm、266 nm等波長的雷射束。於此實例中，使用了波長為1064 nm的雷射光束作為第三雷射光束，其輸出功率約為10 W~65 W；脈衝能量為5 μj~30 μj；脈衝持續時間(pulse duration)約15 ps~25ps；光斑尺寸控制在約10 μm左右。在本道次中，藉由使用此雷射光束，約可於8~12秒內完成一工件的四個邊角之弧形切斷加工。

本發明之切割玻璃面板的方法結合第一雷射光束與第二雷射光束來完成直線切割加工，不但可提供良好之切割斷面品質，且玻璃面板之強度可達600 MPa以上；再藉由第三雷射光束， 完成面板玻璃邊角之圓弧加工，如此可大幅提高切割速度，相較於最先進之微微秒(pico second)雷射剝離切割，可省下高達50%以上之切割加工時間(微微秒雷射剝離切割一般約需40秒，利用本發明所提出之方法進行切割則僅需約20秒)；且因玻璃面板之切割斷面品質極佳，可大幅降低後續加工量，或甚至無須後續加工。

由上述實施例及實例可知，透過本發明之切割玻璃面板的方法，能夠明顯改善先前以鑽石輪刀搭配雷射進行切割時會產生碎屑與微細裂縫(micro-crack)、進而可能導致面板不良的問題。更具體而言，本發明之加工方式能夠大幅降低微細裂縫等缺陷的產生，加工斷面幾近完美，因此可保留玻璃面板之最高強度。再者，藉由以雷射進行邊角部分的加工，可進一步提升斷面品質。與習知之機械研磨加工法相較，本製程之潔淨度高，且能有效降低製造成本。

綜上所述，本發明之切割玻璃面板的方法至少能夠明顯提昇玻璃面板的加工效率、改善切割加工品質，並且能夠大幅提升目標成品(工件)的良率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S100、S200、S300‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種切割玻璃面板的方法，其利用雷射光束對一玻璃面板進行切割以形成至少一工件，該方法包括依序進行下述步驟(a)~(c)：(a)以一第一雷射光束在該玻璃面板之表面劃出多個直線劃痕，且該些直線劃痕定義出該工件之尺寸；(b)以一第二雷射光束沿著該第一雷射光束所劃出的該些直線劃痕進行切割，而獲得該工件；以及(c)以一第三雷射光束對該工件的邊角進行加工；其中，該第一雷射光束以及該第三雷射光束為短脈衝雷射。
2. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第三雷射光束對該工件的邊角進行非直線形之加工。
3. 如申請專利範圍第2項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第三雷射光束對該工件的邊角進行圓角加工。
4. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第一雷射光束為釔鋁石榴石(YAG)雷射，且其波長為1064 nm、532 nm、355 nm或266 nm。
5. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第一雷射光束的脈衝時間為50 ns至1 ps。
6. 如申請專利範圍第5項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第一雷射光束的脈衝時間為100 ps至5 ps。
7. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中 該第二雷射光束為波長10.6 μm之CO₂雷射束。
8. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第二雷射光束之功率為在20 W至240 W的範圍內。
9. 如申請專利範圍第8項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第二雷射光束之功率為在30 W至80 W的範圍內。
10. 如申請專利範圍第1項所述的切割玻璃面板的方法，其中該第二雷射光束之光斑形狀為線型，且該光斑形狀之寬度為0.2 mm至0.8 mm，而長度為5 mm至50 mm。