TWI447005B - Cutter and cutting method using its brittle material substrate - Google Patents

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TWI447005B
TWI447005B TW99102467A TW99102467A TWI447005B TW I447005 B TWI447005 B TW I447005B TW 99102467 A TW99102467 A TW 99102467A TW 99102467 A TW99102467 A TW 99102467A TW I447005 B TWI447005 B TW I447005B
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Description

切刀及利用其之脆性材料基板的切斷方法
本發明係關於一種切刀，更詳細言之，係關於一種適用於脆性材料基板之切斷之切刀。
於脆性材料基板之玻璃基板例如形成貫通孔時，如圖12所示，以未圖示之切刀將玻璃基板1之表面劃出封閉曲線狀，形成包含相對基板表面為垂直之裂罅71之劃線6(同圖(a))，接著冷卻由劃線6包圍之區域使之收縮(同圖(b))，再拔除由劃線6所包圍之區域，而形成貫通孔11(同圖(c))。
但，先前之方法中，需要收縮由劃線6包圍區域之步驟。另，如圖13所示，若該收縮不充分，則除去由劃線6所包圍之區域時，形成裂罅71之對向面彼此接觸、摩擦，而於貫通孔11周緣產生微小凹凸(以下稱為「微小凹凸」)或貝殼狀缺口(以下稱為「蛤狀小缺損」)等。
因此，例如專利文獻1中提案有一種技術，其藉由使用相對刃尖稜線左右刃角不同之切刀，或相對刃尖稜線左右刃角相同之切刀，令其在相對玻璃基板傾斜之狀態下相對移動，形成相對玻璃基板1之厚度方向傾斜之裂罅，即形成劃線6包圍區域之拔出斜面，對該區域於垂直方向施加外力，而除去該區域。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平7-223828
但，上述提案技術中，傾斜之裂罅不會形成為到達基板厚度方向之深處。並且，雖可自玻璃基板1表面以期望之傾斜角度形成至某一程度之深處，但比其更深之處，裂罅之傾斜相對基板厚度方向會急劇變小，若接近玻璃基板1之背面側時，裂罅之傾斜相對基板厚度方向，即相對基板表面為大致垂直。
如此，若裂罅無法形成至深處，或相對基板表面具有較長垂直部份，則除去由劃線包圍之區域時，形成裂罅之對向面會接觸、摩擦，而如圖13所示，於貫通孔11周緣會產生微小凹凸或蛤狀小缺損等。
本發明係鑑於先前問題而完成者，其目的係提供一種切刀，可確實形成到達脆性材料基板之厚度方向的深處之傾斜裂罅。
再者，本發明之目的係提供一種方法，可在不會於貫通孔周緣產生微小凹凸或蛤狀小缺損等下，使用切刀於脆性材料基板圓滑地形成貫通孔，或從脆性材料基板切出圓盤狀基板。
達成前述目的之本發明之切刀，其特徵在於：具有將共有轉軸之2個圓錐或截頭圓錐之對合的底面接合之形狀，前述底面之圓周部份形成刃尖稜線，於該刃尖稜線，於周向以特定間隔形成相對轉軸方向以特定角度傾斜之溝，並且前述2個圓錐或截頭圓錐之側面與前述底面所成角度(以下或稱為「刃角」)互不相同。
此處，由確實形成相對基板表面傾斜之裂罅之觀點而言，前述2個圓錐或截頭圓錐之側面與前述底面所成角度之差以小於30°較佳。
另，本發明之脆性材料基板之切斷方法，其特徵在於：使前述之切刀壓接於脆性材料基板表面之狀態下，使前述脆性材料基板及前述切刀中至少一方以描繪封閉曲線之方式移動，形成包含相對脆性材料基板厚度方向傾斜之裂罅之劃線後，對前述脆性材料基板施加應力，使前述裂罅成長至前述脆性材料基板之背面，再切斷前述脆性材料基板。
此處，由抑制基板表面產生之微小裂罅之觀點而言，宜在前述切刀之刃尖稜線相對脆性材料基板垂直豎立之狀態下，使前述脆性材料基板及前述切刀中至少一方移動。
根據本發明之切刀，於周向以特定間隔形成相對轉軸方向以特定角度傾斜之溝，且使構成刃尖稜線之2個刃角互不相同，因此藉由該切刀形成於脆性材料基板之裂罅相對基板之厚度方向乃形成傾斜，並且可形成至基板之深處。
另，本發明之切斷方法中，由於使用前述切刀，因此不會於周緣產生微小凹凸或蛤狀小缺損等，可圓滑地於脆性材料基板形成貫通孔，或可切出圓盤狀基板。
以下，針對本發明之切刀及脆性材料基板之切斷方法進行更詳細說明，但本發明並不限於該等實施形態。
圖1~3係顯示本發明之切刀之一實施形態。圖1係切刀之整體立體圖，圖2(A)係從圖1之箭頭A觀察之刃尖稜線之部份放大圖，圖2(B)係從圖1之箭頭B觀察之刃尖稜線之部份放大圖，並且圖3係溝部份之垂直剖面圖。圖1所示之切刀2a具有將共有轉軸22之2個截頭圓錐之對合的底面接合之形狀，於底面之圓周部份形成有刃尖稜線21。2個截頭圓錐之高度通常相同，但亦可不同。由圖3可知，該切刀2a中，2個截頭圓錐之側面與底面所成之刃角θ1與刃角θ2不同，於刃尖稜線21，於周向以特定間隔形成有相對轉軸方向以特定角度傾斜之溝23。
使用該切刀2a進行劃刻時，圖3中形成朝向下方向左方傾斜之裂罅。即，使用刃角θ1與刃角θ2不同之切刀時，形成於基板之裂罅係以刃尖與基板之接點為對稱點，在與較大刃角θ2點對稱側傾斜形成。另，使用於周向以特定間隔形成有以特定角度傾斜之溝之切刀時，形成於基板之裂罅係以刃尖與基板之接點為對稱點，在與溝較淺側d2 點對稱側傾斜形成。因此，為確實較深地形成相對基板厚度方向傾斜之裂罅，以使大刃角側之溝深度較淺為佳。
切刀2a之刃角θ1與刃角θ2之差越大，相對基板厚度方向之裂罅之傾斜角度變得越大。另一方面，若裂罅之傾斜角度變大，則裂罅無法到達基板深處，將難以切斷基板，因此，刃角θ1與刃角θ2之差小於30°較佳。刃角θ1與刃角θ2各自之角度並無特別限定，但通常刃角θ1在30°~75°之範圍，刃角θ2在65°~90°之範圍較佳，刃尖角度(θ1+θ2)在100°~160°之範圍較佳。
作為形成於切刀2a之溝23之節距在20~200μm之範圍較佳。溝23兩端之深度，深度d1 在2~2500μm之範圍，深度d2 在1~20μm之範圍較佳。
切刀2a之外徑在1mm~10mm之範圍較佳。若切刀之外徑小於1mm，則操縱性及耐久性下降，若外徑大於10mm，則劃刻時傾斜裂罅無法較深地形成，更佳為切刀2a之外徑在1mm~6mm之範圍。另，切刀2a上之荷重及劃刻速度係由脆性材料基板之種類或厚度等適當決定，但通常荷重在0.05~0.4MPa之範圍，劃刻速度在10~500mm/sec之範圍。
圖4係顯示本發明中所使用之切刀之其他形態。同圖(A)係從圖3之箭頭A觀察之刃尖稜線之部份放大圖，同圖(B)係從圖3之箭頭B觀察之刃尖稜線之部份放大圖。如該圖所示，溝23之形狀亦可為U字狀。此時，作為U字狀之溝23之節距及溝23之兩端深度d1 、d2 ，前述形態之較佳範圍亦於此處例示。再者，同圖(A)所示之溝之形狀除V字狀或U字狀外，亦可以是鋸片狀、凹形狀等之形狀。
圖5係顯示本發明之切刀之其他實施形態之例。該圖之切刀2b具有將共有轉軸之不同高度之2個圓錐之對合的底面接合之形狀。與圖1所示之切刀相同，於底面之圓周部份形成有刃尖稜線21，雖該圖中無圖示，但2個圓錐之側面與底面所成之刃角θ1與刃角θ2不同，於刃尖稜線21上，於周向以特定間隔形成有相對轉軸方向以特定角度傾斜之溝23。即使使用如此之切刀2b，亦可形成相對基板厚度方向傾斜之裂罅。
接著，針對本發明之脆性材料基板之切斷方法進行說明。圖6及圖7係顯示本發明之切斷方法之一實施形態之步驟圖。該等圖係對脆性材料基板之玻璃基板開設圓形貫通孔時，或從基板拔除圓盤狀基板時之步驟圖。首先，如圖6(a)所示，使用圖1所示之切刀2a，劃刻玻璃基板1而形成圓狀劃線3。藉由該劃線於玻璃基板1形成如圖7(a)所示之相對玻璃基板1之厚度方向以朝半徑方向外方擴大之方式而傾斜之裂罅4。此處所形成之裂罅4與以先前之切刀形成之裂罅相比，在維持特定傾斜角度到達基板1深度之點上有差異。
接著，如圖6(b)及圖7(b)所示，若對由劃線3包圍之區域從上方向下方施加力，則裂罅4之傾斜變成拔出斜面，使該區域容易地拔除。藉此可製作形成有貫通孔11之玻璃基板或碟片基板等之圓形基板。再者，形成之裂罅之傾斜方向亦可朝半徑方向內方變窄。但此時需要對由劃線3包圍之區域從下方向上方施加力，使該區域拔落。
另，即使裂罅4未到達玻璃基板1背面時，亦可藉由施加上述外力，使裂罅4進展至玻璃基板1背面，因此不會有為由劃線3包圍之區域之切斷帶來阻礙之虞。當然，亦可在對玻璃基板1施加外力前，加熱及/或冷卻玻璃基板1使之膨脹、收縮，使裂罅4進展至玻璃基板1背面。若如此般之對玻璃基板1施加外力前預使玻璃基板1膨脹、收縮，則從玻璃基板拔除以劃線3包圍之區域時，處理可更圓滑地進行。
以上說明之切斷方法係可較佳地應用於脆性材料比較薄之情形及較脆之情形等之切斷方法。脆性材料基板較厚之情形或較硬之情形下，使用本發明亦有無法形成以特定角度傾斜之裂罅至基板背面側之情形。具體言之，如圖8所示，雖可自基板1表面以至某種程度之深處，以特定角度形成裂罅73，但更深之處裂罅73之傾斜相對基板之厚度方向會急劇變小，若接近基板1背面側則裂罅73之傾斜與基板厚度方向成為大致平行。
因此，如此之情形下，推薦使用如下之切斷方法。圖9及圖10係顯示如此情形中可較佳使用之切斷方法之步驟圖。再者，此處所示之步驟圖係於玻璃基板等脆性材料基板形成貫通孔時之步驟圖。圖9係立體圖，圖10係縱剖面圖。首先，如圖9(a)所示，使用圖1所示之切刀2a，劃刻玻璃基板1上之貫通孔形成預定區域之外緣，形成第1劃線31。藉由該劃線於玻璃基板1上，形成如圖10(a)所示之於較淺部位以向半徑方向擴大之方式傾斜，而於較深部位相對基板表面大致垂直之第1裂罅41。
接著，如圖9(b)所示，藉由在比第1劃線31更內側且與第1劃線31成同心圓狀地利用切刀2a進行劃刻，而形成第2劃線32。藉由如此劃線，如圖10(b)所示，於較淺部位向半徑方向外方擴大之傾斜較小，而變深時則傾斜急劇變大，形成與第1裂罅41會合之第2裂罅42。藉此，乃形成用以將以第1劃線31包圍之區域從基板1拔除之相對基板表面垂直部份L(圖10(c)圖示)之短拔出斜面。
此處，即使使用相同切刀2a形成第2裂罅42時，第2裂罅42亦不與第1裂罅41平行而會合於第1裂罅41，相信係因第1裂罅之形成，以致其周邊之脆性材料內部之應力之狀態產生變化，變成與未形成裂罅之部份不同之狀態之故。形成直線狀劃線之通常之劃刻中，若於基板之端邊附近沿著端邊形成劃線時，亦確認有沿著劃線形成之裂罅向端邊側傾斜之傾向。因此，為使第2裂罅42與第1裂罅41會合，需要使例如第1劃線31與第2劃線32之間隔在考慮基板1之厚度或切刀2a之壓接力等之下而進行調整。第1劃線31與第2劃線32之間隔通常在0.1~1mm之範圍較佳。若第1劃線31與第2劃線32之間隔過大，則第2裂罅42與第1裂罅41大致平行地形成，而不與第1裂罅41會合。相反地，若第1劃線31與第2劃線32之間隔過小，則第1裂罅41之相對基板表面垂直之部份L(於圖10(c)中圖示)將變長，而在將以第1劃線31包圍之區域從玻璃基板1拔除時有產生微小凹凸或蛤狀小缺損之虞。
然後，如圖9(c)及圖10(c)所示，對以第1劃線31包圍之區域朝下方施加力時，藉由以第1裂罅41及第2裂罅42所形成之拔出斜面，該區域將可容易拔除，而於玻璃基板1上形成貫通孔11。再者，即使在第1裂罅41未到達玻璃基板1背面之情形，亦可藉由施加上述外力，使第1裂罅41進展至玻璃基板1之背面，因此不會有對貫通孔11之形成帶來阻礙之虞。當然，亦可在對玻璃基板1施加外力前，加熱及/或冷卻玻璃基板1使之膨脹、收縮，使第1裂罅41進展至玻璃基板1背面。若如此對玻璃基板1施加外力前預先使玻璃基板1膨脹、收縮，則將以第1劃線31包圍之區域從玻璃基板拔除時，處理亦可更平順地進行。
本發明之切斷方法中，在第1劃線31與第2劃線32亦可使用不同切刀。例如，形成第1劃線31時，可使用形成相對基板表面垂直之裂罅之先前之切刀，形成第2劃線32時，可使用相對基板厚度方向較大傾斜之本發明之切刀。
作為本發明之切斷方法之對象之脆性材料基板1，可舉出先前眾所周知者。例如可舉出玻璃、陶瓷、矽、藍寶石等脆性材料基板。另，可以本發明之切斷方法切斷之脆性材料基板1之厚度，係根據脆性材料基板之材質而不同，但脆性材料基板為玻璃基板時以大致厚至2mm左右之厚度較佳。另，作為以封閉曲線包圍之面積，並無特別限定，一般越小面積之情形越難形成，而本發明之切斷方法中，即使15mm左右之貫通孔亦可容易地形成。
圖11係顯示本發明之切斷方法之其他實施形態。該圖所示之貫通孔之形成方法係在介隔以微小間隙或直接接合之2塊脆性材料基板(例如玻璃基板)1a、1b中形成貫通孔之方法。首先，如圖11(a)所示，使用圓盤形狀且於外周部形成刃尖之切刀2a，劃刻上玻璃基板1a之貫通孔形成預定區域之外緣，形成包含第1裂罅41之第1劃線31。接著，如圖11(b)所示，藉在比第1劃線31更內側且與第1劃線31成同心圓狀地利用切刀2a進行劃刻，形成包含第2裂罅42之第2劃線32。如前述，該第2裂罅42與第1裂罅41會合，形成用以將以第1劃線31包圍之區域從玻璃基板1a拔除之相對基板表面垂直之部份L(於圖10(c)圖示)之短拔出斜面。
接著，如圖11(c)所示，將比下玻璃基板1b之貫通孔形成預定區域之外緣更內側且比第1劃線31更外側，使用切刀2a劃刻，形成包含第3裂罅43之第3劃線33。接著，如同圖(d)所示，將比第3劃線33更外側之貫通孔形成預定區域之外緣藉由切刀2a劃刻，形成包含第4裂罅44之第4劃線34。如前述，該第4裂罅44會與第3劃線43會合，而形成用以將以第4劃線34包圍之區域從下玻璃基板1b拔除之相對基板表面垂直之部份L(圖10(c)圖示)之短拔出斜面。
然後，如圖11(a)所示，若對以第1劃線31包圍之區域朝下方施加力，則藉由以第1裂罅41與第2裂罅42形成之拔出斜面，上玻璃1a之貫通孔形成預定區域從上玻璃基板1a拔除；而藉由以第3裂罅43與第4裂罅44形成之拔出斜面，下玻璃1b之貫通孔形成預定區域從下玻璃基板1b拔除。藉此，可於2塊積層之玻璃基板1a、1b上形成貫通孔11。
再者，於下玻璃基板1b上依序形成第3劃線33、第4劃線後，於上玻璃基板1a上依序形成第1劃線31、第2劃線32亦與上述實施形態相同，可於2塊積層之玻璃基板1a、1b中形成貫通孔11。
以上所說明之實施形態中，對玻璃基板1之表面所劃出之劃線為圓形之封閉曲線，但不限於此，劃線之形狀若是封閉曲線則可為任意形狀。
[實施例]
以下，根據實施例更詳細說明本發明，但本發明不限於該等例。
實施例1
於劃刻裝置(「MP500A」MITSUBOSHI DIAMOND INDUSTRIAL CO.,LTD製)中安裝厚度1.1mm之鈉玻璃基板，進行劃刻形成劃線。所使用之切刀之規格及劃刻條件係如下述。並且，在與形成之劃線交叉之位置垂直切斷鈉玻璃基板，從其剖面測定相對形成有裂罅之玻璃基板表面之傾斜角度。於相同條件下進行20次劃刻，使其實測值之平均值作為裂罅之傾斜角度。於表1將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
(附傾斜溝切刀)
直徑：2.0mm
厚度：0.65mm
刃尖角度：130°(刃角θ1：60°，刃角θ2：70°)
溝之數量：135
溝之深度：(d1 )16.96μm，(d2 )8.95μm
(劃刻條件)
劃刻荷重：0.22MPa
切入量：0.20mm
吸附壓：約-35kPa
比較例1
除使刃角θ1及刃角θ2均為75°，使溝之深度d1 為11.29μm，d2 為8.97μm以外，使用與實施例1相同構成之切刀，與實施例1同樣地進行劃刻，測定所形成之裂罅之傾斜角度。表1將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
比較例2
除使刃角θ1及刃角θ2均為75°，使溝之深度d1 為20.40μm，d2 為9.51μm以外，使用與實施例1相同構成之切刀，與實施例1同樣地進行劃刻，測定所形成之裂罅之傾斜角度。表1將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
實施例2
使用厚度1.1mm之無鹼玻璃作為玻璃基板，使劃刻荷重為0.32MPa以外，與實施例1相同地進行劃刻，測定所形成之裂罅之傾斜角度。表2將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
比較例3
使用厚度1.1mm之無鹼玻璃作為玻璃基板，除使劃刻荷重為0.32MPa以外，使用與比較例1相同構成之切刀，與實施例1相同地進行劃刻，測定所形成之裂罅之傾斜角度。表2將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
比較例4
使用厚度1.1mm之無鹼玻璃作為玻璃基板，除使劃刻負荷為0.32MPa以外，使用與比較例2相同構成之切刀，與實施例1相同地進行劃刻，測定所形成之裂罅之傾斜角度。表2將裂罅之傾斜角度與玻璃基板之剖面放大照片一併顯示。
[產業上之可利用性]
若使用本發明之切刀劃刻脆性材料基板，則形成之裂罅相對基板之厚度方向傾斜，且可到達基板之深處。藉此，不會於周緣產生微小凹凸或蛤狀小缺損，可於脆性材料基板中圓滑地形成貫通孔，或可從脆性材料基板切出圓盤狀基板，在產業上有用。
1．．．玻璃基板(脆性材料基板)
1a．．．上玻璃基板
1b．．．下玻璃基板
2a、2b．．．切刀
11．．．貫通孔
21．．．刃尖稜線
22．．．轉軸
23．．．溝
31．．．第1劃線
32．．．第2劃線
33．．．第3劃線
34．．．第4劃線
41．．．第1裂罅
42．．．第2裂罅
43．．．第3裂罅
44．．．第4裂罅
θ1、θ2．．．刃角
圖1係顯示本發明之切刀之一例之立體圖；
圖2(A)、(B)係從圖1之箭頭A及箭頭B觀察之切刀之部份放大圖；
圖3係圖1之切刀之溝部份之放大垂直剖面圖；
圖4(A)、(B)係顯示形成於本發明之切刀之溝之其他例之部份放大圖；
圖5係顯示本發明之切刀之其他例之立體圖；
圖6(a)、(b)係顯示本發明之切斷方法之一例之步驟圖；
圖7(a)、(b)係對應於圖6之各步驟之縱剖面圖；
圖8係顯示基板較厚及較硬時裂罅之形狀之模式圖；
圖9(a)~(c)係顯示本發明之切斷方法之其他例之步驟圖；
圖10(a)~(c)係對應於圖9之各步驟之縱剖面圖；
圖11(a)~(e)係顯示本發明之切斷方法之又一其他例之步驟圖；
圖12(a)~(c)係顯示先前之貫通孔之形成方法之步驟圖；及
圖13係顯示先前之貫通孔之形成方法之問題之立體圖。
2a．．．切刀
23．．．溝
d1、d2．．．深度
θ1、θ2．．．刃角

Claims (4)

  1. 一種切刀，其特徵在於：具有將共有轉軸之2個圓錐或截頭圓錐之對合底面接合之形狀，前述底面之圓周部份形成刃尖稜線，於該刃尖稜線上，於周向以特定間隔形成相對轉軸方向以特定角度傾斜之溝者，且該切刀之外徑為1~6mm，刃尖角度係100~160°，並且前述2個圓錐或截頭圓錐之側面與前述底面所成角度互不相同，前述溝之深度係設成於前述截頭圓錐之側面與前述底面之角度較大的截頭圓錐側較淺，前述2個圓錐或截頭圓錐之側面與前述底面所成角度之差小於30°。
  2. 如請求項1之切刀，於前述截頭圓錐之側面與前述底面之角度較大的截頭圓錐之端部的溝之深度d2 為1~20μm，且前述截頭圓錐之側面與前述底面之角度較小的截頭圓錐之端部的溝之深度d1 為前述深度d2 的約2倍。
  3. 一種脆性材料基板之切斷方法，其特徵在於：在使請求項1或2之切刀壓接於厚度為2mm以下之脆性材料基板表面之狀態下，且荷重在0.05~0.4MPa之範圍下使前述脆性材料基板及前述切刀中至少一方以描繪封閉曲線之方式移動，形成包含相對脆性材料基板厚度方向傾斜之裂罅之劃線後，對前述脆性材料基板施加應力而切斷前述脆性材料基板，藉以形成貫通孔。
  4. 如請求項3之脆性材料基板之切斷方法，其中在前述切刀之刃尖稜線相對脆性材料基板垂直豎立之狀態下，使前述脆性材料基板及前述切刀中至少一方移動。
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