CN112847855A

CN112847855A - 一种脆性材料的切割方法、切割系统和劈刀

Info

Publication number: CN112847855A
Application number: CN202110237791.XA
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 徐海宾
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-05-28

Abstract

本发明公开了一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：在脆性材料上拟定预切线，并在预切线的首端和尾端切割出预切槽；提供至少在垂直于脆性材料的方向上具有高频机械振动的劈刀，沿着预切线移动；劈刀的振动中心高于脆性材料，且劈刀具有尖锐的、能够与脆性材料首先接触的首触点，所述劈刀逐点劈入脆性材料中。切割系统，包括预切单元、裂片单元和载台，所述裂片单元包括劈刀和超声波振动装置。劈刀，所述劈刀呈扁平状，所述劈刀的底部设置有刀刃，所述刀刃的底部设置有尖锐的首触点。其能够精细切割脆性材料，切割速度快、精度高，有效避免了崩边、碎裂现象的产生。

Description

一种脆性材料的切割方法、切割系统和劈刀

技术领域

本发明涉及脆性材料的切割，具体涉及一种脆性材料的切割方法，还涉及一种脆性材料的切割系统，以及一种用于切割脆性材料的劈刀。

背景技术

脆性材料在受到外力作用下(如拉伸、冲击等)，仅产生很小的变形即会被破坏，产生崩边、断裂、粉碎的后果。在生产中，为了提高生产效率，需要在大片的脆性材料上制作重复的若干个功能单元。在功能单元投入使用之前，需要将功能单元切割成独立的个体。在半导体、光伏、光电领域，功能单元的尺寸往往是微米或更小的量级，或者功能单元上的子模块是微米或更小的量级。在切割功能单元时，如果产生任何的偏差、崩边或碎裂的现象，均会造成功能单元的报废。现有切割方法中，对厚度较大的硅、蓝宝石、玻璃等材料均能够稳定的切割。但如果硅、蓝宝石或玻璃等材料过薄，或材料本身性质极脆，则现有的切割方法无法实现有效的切割。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种脆性材料的切割方法、切割系统和劈刀，其能够精细切割脆性材料，切割速度快、精度高，有效避免了崩边、碎裂现象的产生。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：在脆性材料上拟定预切线，并在预切线的首端和尾端切割出预切槽；提供至少在垂直于脆性材料的方向上具有高频机械振动的劈刀，沿着预切线移动；劈刀的振动中心高于脆性材料，且劈刀具有尖锐的、能够与脆性材料首先接触的首触点，所述劈刀逐点劈入脆性材料中。

作为优选的，所述首触点进入脆性材料的深度为劈刀的振幅与劈刀的振动中心线到脆性材料表面的距离的差值。

作为优选的，所述劈刀的振幅为15um-50um，首触点进入脆性材料的深度不小于5um。

作为优选的，所述脆性材料上相邻两个所述首触点的落点之间的距离不大于0.1mm。

作为优选的，所述机械振动的频率为10KHz-100KHz，所述劈刀沿着预切线移动的速度为50-1000mm/s。

作为优选的，所述预切槽的深度为脆性材料的厚度的10％-100％，单个所述预切槽的长度为0.5mm-10mm。

本发明提供了一种脆性材料的切割系统，包括预切单元、裂片单元和载台，所述裂片单元包括劈刀和超声波振动装置，所述劈刀紧固在超声波振动装置上，所述劈刀具有尖锐的首触点，所述预切单元和超声波振动装置均固定在Z轴上，所述载台固定在三轴运动平台上。

作为优选的，所述预切单元为激光器或刀轮。

本发明还提供了一种脆性材料的劈刀，所述劈刀呈扁平状，所述劈刀的底部设置有刀刃，所述刀刃的底部设置有尖锐的首触点。

作为优选的，所述首触点为倒三角形或锥形。

作为优选的，所述劈刀的两侧设置有收缩部一，使其呈倒三角形，所述刀刃呈圆形，所述首触点设置在刀刃的最底部；在侧视时，所述劈刀的两侧设置收缩部二，使其呈锥形。

作为优选的，所述劈刀的高度为13mm-17mm，所述劈刀的宽度为8mm-12mm，所述劈刀的厚度为0.4mm-0.8mm，所述刀刃的半径为0.7mm-0.8mm，所述劈刀在厚度方向上减薄所形成的夹角为12°-16°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过优化的设计，预切槽能够提供裂纹的起始的引导点和结束的约束点，劈刀在沿着预切线移动时，劈刀的机械振动会使首触点和劈刀底部与脆性材料相互作用，使脆性材料沿着预切线开裂，其能够极大的降低脆性材料的切割难度，并提高切割精度，实现精细切割的目的；另外，由于劈刀的振动中心高于脆性材料，能够减少劈刀与脆性材料的接触时间，避免劈刀在沿着预切线移动时碰撞脆性材料，劈刀在切割时是逐点切割的，保证切割精度、避免崩边的同时，提高了切割速度；尖锐的首触点则能够降低切割难度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据脆性材料的切割方法切割脆性材料时的俯视示意图；

图2为根据脆性材料的切割方法切割脆性材料时首触点切割曲线的侧视示意图；

图3为脆性材料的切割装置的结构示意图；

图4为“V”形的预切槽的结构示意图；

图5为“U”形的预切槽的结构示意图；

图6为劈刀的正视结构示意图；

图7为劈刀的侧视结构示意图；

图8为其中一个优选实施例中首触点的结构示意图；

图9为另外一个优选实施例中首触点的结构示意图。

其中，10-脆性材料，20-预切单元，21-预切槽，30-劈刀，31-收缩部一，32-刀刃，33-首触点，34-收缩部二，40-预切线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1～图3所示，本发明公开了一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：在脆性材料10上拟定预切线40，并在预切线40的首端和尾端切割出预切槽21；提供至少在垂直于脆性材料的方向上具有高频机械振动的劈刀30，沿着预切线40移动；劈刀30的振动中心高于脆性材料，且劈刀30具有尖锐的、能够与脆性材料首先接触的首触点33。劈刀30逐点劈入脆性材料10中。以上优化的设计，预切槽21能够提供裂纹的起始的引导点和结束的约束点，劈刀30在沿着预切线40移动时，劈刀30的机械振动会使首触点33和劈刀30底部与脆性材料10相互作用，使脆性材料10沿着预切线40开裂，其能够极大的降低脆性材料10的切割难度，并提高切割精度，实现精细切割的目的；另外，由于劈刀30的振动中心高于脆性材料10，能够减少劈刀30与脆性材料10的接触时间，避免劈刀30在沿着预切线40移动时碰撞脆性材料10，劈刀30在切割时是逐点切割的，保证切割精度、避免崩边的同时，提高了切割速度；尖锐的首触点33则能够降低切割难度。

具体而言，在切割之前，首先将脆性材料10固定在载台上。固定时可以采用真空孔吸附的方式，也可以采用膜粘附的方式。固定后，脆性材料10在开裂时不会产生过大的位移，避免劈刀偏离预切线40。

上述预切线40为劈刀30与脆性材料10产生非垂直方向的相对移动时所经过的路径，亦即脆性材料40的开裂线。拟定时，可以预先在脆性材料10上设置标记点，并通过视觉影像识别定位，而后将与标记点具有特定距离的线段设定为预切线40；另外，也可以使用脆性材料10的边缘，并通过视觉影像识别定位，而后将与边缘具有特定距离的线段设定为预切线40。上述预切线40可以具有一条或多条。具有多条时，可以相交，也可以不相交。优选的，预切线40贯穿整个脆性材料10，即预切线40的首端和尾端均位于脆性材料10的边缘。

上述预切槽21位于每一条预切线40的首端和尾端。切割时，可以使用激光和/或刀轮。发出所述激光的激光器和刀轮位于载台的上方。载台与激光器和刀轮能够产生相对移动。

参照图4和图5所示，上述切割槽21的截面呈“V”字形或“U”字形。这种形状易于成型，且引导效果好。

在本发明一些优选的实施例中，上述预切槽21的深度为脆性材料10厚度的10％-100％。单个预切槽21的长度为0.5mm-10mm。以达到较好的引导效果。

为了使劈刀30产生高频机械振动，可以将劈刀30紧固在超声波振动装置上。超声波振动装置能够使劈刀30产生至少垂直于脆性材料10表面的机械振动。载台与劈刀30能够沿着预切线40的产生相对移动。

参照图2所示，在完成预切槽21后、裂片切割开始之前，先将脆性材料10移动到劈刀30的下方，使劈刀30的振动中心线与脆性材料表面的距离H₁小于劈刀30的振幅H₀。劈刀30的切割深度H₂为振幅H₀与距离H₁的差值，切割深度H₂即为首触点33进入脆性材料10的深度。

在本发明的一些优选的实施例中，上述劈刀30的振幅H₀为15um-50um。切割深度H₂不小于5um。

为了保证裂片效果，脆性材料10上相邻的两个首触点33的落点之间的距离L₁不大于0.1mm。即V/f小于0.1mm。其中，V为载台与劈刀30的相对平移速度，f为机械振动的频率。其将细微的超声波振动叠加到宏观的快速相对移动上，保证切割准确性、效率，同时极大的提升了裂片效果。

在本发明的一些优选的实施例中，上述机械振动的频率为10KHz-100KHz。载台与劈刀30相对平移速度V为50-1000mm/s。

参照图6和图7所示，本发明还公开了一种脆性材料的劈刀，劈刀30呈扁平状。劈刀30的底部设置刀刃32。刀刃32的底部设置尖锐的首触点33。

具体而言，在正视时，上述劈刀30的两侧设置有收缩部一31，使其呈倒三角形。刀刃32呈圆形。首触点33设置在圆形刀刃32的最底部。在侧视时，劈刀30的两侧设置收缩部二34，使其呈锥形。首先由首触点33破坏材料，刀刃32紧随进入材料，接触面积小，避免脆性材料10不受控的破坏；而后，由收缩部一31自下而上沿预切线40割裂脆性材料10，由收缩部二34自下而上垂直于预切线40分离脆性材料10。

在本发明的一些优选的实施例中，上述劈刀30的高度D₀为13mm-17mm。劈刀30的宽度D₁为8mm-12mm。劈刀30的厚度D₂为0.4mm-0.8mm。刀刃32的半径R为0.7mm-0.8mm。收缩部二34形成的夹角r为12°-16°，即在厚度方向上减薄所形成的夹角r为12°-16°。

优选的，上述劈刀30的高度D₀为15mm。劈刀30的宽度D₁为10mm。劈刀30的厚度D₂为0.6mm。刀刃32的半径R为0.75mm。收缩部二34形成的夹角r为14°。

参照图8和图9所示，首触点33可以是倒三角形，以进一步降低开裂难度；在这种尺度下，首触点33也可以是圆形，相对于厘米及以上量级的脆性材料10，其相对尖锐，圆形可以提高使用寿命。

参照图3所示，本发明公开了一种脆性材料的切割系统，包括预切单元20、裂片单元和载台。裂片单元包括劈刀30和超声波振动装置。劈刀30紧固在超声波振动装置上。劈刀30具有尖锐的首触点33。预切单元20和超声波振动装置均固定在Z轴上。载台固定在三轴运动平台上。Z轴用于调节预切单元20和劈刀30与脆性材料10表面的距离。Y轴和Theata轴分别用于预切线40平移和角度旋转调整，X轴用于裂片，以保证脆性材料10能够沿着预切线40快速移动。

上述预切单元20为激光器或刀轮。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种脆性材料的切割方法，其特征在于，包括以下步骤：在脆性材料上拟定预切线，并在预切线的首端和尾端切割出预切槽；提供至少在垂直于脆性材料的方向上具有高频机械振动的劈刀，沿着预切线移动；劈刀的振动中心高于脆性材料，且劈刀具有尖锐的、能够与脆性材料首先接触的首触点，所述劈刀逐点劈入脆性材料中。

2.如权利要求1所述的脆性材料的切割方法，其特征在于，所述首触点进入脆性材料的深度为劈刀的振幅与劈刀的振动中心线到脆性材料表面的距离的差值。

3.如权利要求2所述的脆性材料的切割方法，其特征在于，所述劈刀的振幅为15um-50um，首触点进入脆性材料的深度不小于5um。

4.如权利要求1所述的脆性材料的切割方法，其特征在于，所述脆性材料上相邻两个所述首触点的落点之间的距离不大于0.1mm。

5.如权利要求4所述的脆性材料的切割方法，其特征在于，所述机械振动的频率为10KHz-100KHz，所述劈刀沿着预切线移动的速度为50-1000mm/s。

6.如权利要求1所述的脆性材料的切割方法，其特征在于，所述预切槽的深度为脆性材料的厚度的10％-100％，单个所述预切槽的长度为0.5mm-10mm。

7.一种脆性材料的切割系统，其特征在于，包括预切单元、裂片单元和载台，所述裂片单元包括劈刀和超声波振动装置，所述劈刀紧固在超声波振动装置上，所述劈刀具有尖锐的首触点，所述预切单元和超声波振动装置均固定在Z轴上，所述载台固定在三轴运动平台上。

8.如权利要求7所述的脆性材料的切割系统，其特征在于，所述预切单元为激光器或刀轮。

9.一种脆性材料的劈刀，其特征在于，所述劈刀呈扁平状，所述劈刀的底部设置有刀刃，所述刀刃的底部设置有尖锐的首触点。

10.如权利要求9所述的脆性材料的劈刀，其特征在于，所述首触点为倒三角形或锥形。

11.如权利要求10所述的脆性材料的劈刀，其特征在于，在正视时，所述劈刀的两侧设置有收缩部一，使其呈倒三角形，所述刀刃呈圆形，所述首触点设置在刀刃的最底部；在侧视时，所述劈刀的两侧设置收缩部二，使其呈锥形。

12.如权利要求9所述的脆性材料的劈刀，其特征在于，所述劈刀的高度为13mm-17mm，所述劈刀的宽度为8mm-12mm，所述劈刀的厚度为0.4mm-0.8mm，所述刀刃的半径为0.7mm-0.8mm，所述劈刀在厚度方向上减薄所形成的夹角为12°-16°。