TWI513670B - 分離強化玻璃基板之方法 - Google Patents

Description

分離強化玻璃基板之方法

本說明書大致上是關於分割強化玻璃基板的方法,更具體地說,是關於不用機械力,只使用雷射來分割強化玻璃基板的方法。

薄玻璃基板在消費者電子裝置以及其他領域中,有各式各樣的應用。例如,玻璃基板可以作為行動電話之LCD和LED螢幕、顯示裝置,像電視和電腦螢幕、以及各種其他電子裝置的覆蓋片。用在這些裝置中的覆蓋片,可以透過各種雷射切割技術,將大玻璃基板剖切或分割成多個較小玻璃基板來形成。例如,玻璃基板可以透過切割裂片技術來分割。然而,當利用切割裂片技術來分割強化玻璃基板,例如離子交換玻璃時,可能會發生無法控制的貫穿本體分割,而不是形成劃片線。跟切割裂片處理比較起來,這種無法控制的分割通常會造成不良的邊緣特性。

此外,當大強化玻璃基板母片的尺寸增加時,這些切割裂片處理的可靠度可能會進一步受到波及,因為要精準地施加所需要的機械力,來沿著劃片線裂片可能很困難。在操作和裂片處理期間,大的強化玻璃基板薄片可能很容易碎裂,及/或形成無法控制的裂痕。

因此,我們需要另外的方法來分割強化玻璃基板。

在一個實施例中,分割含有壓力表層和內部張力層之強化玻璃基板的方法包括:在強化玻璃基板表面上,沿著欲分割線,從強化玻璃基板的第一個邊緣到強化玻璃基板的第二個邊緣,平移雷射光束。此方法進一步包括:從第二個邊緣到第一個邊緣,在強化玻璃基板內部大體上沿著欲分割線反向傳播一可控制的貫穿本體裂痕。

在又另一個實施例中,將含有壓力表層和內部張力層的強化玻璃基板,自動-分割成兩個或更多玻璃物件的方法包括:穿過壓力表層形成初始缺損,讓內部張力層部分曝露出來。此初始缺損偏離強化玻璃基板的第一個邊緣,垂直於欲分割線。此方法進一步包括:將雷射防護施加到強化玻璃基板上第一個邊緣和初始缺損之間的遮蔽區域,並且在強化玻璃基板表面上,從強化玻璃基板的第一個邊緣到第二個邊緣平移雷射光束和冷卻噴流,以便沿著欲分割線產生穿過壓力表層的劃片線。此劃片線由雷射缺口來定義,而雷射防護用來避免雷射光束入射在強化玻璃基板表面的遮蔽區域。當雷射光束橫越強化玻璃基板的第二個邊緣時,貫穿本體裂痕會沿著劃片線從第二個邊緣傳播向初始缺損,其中雷射光束和冷卻噴流的運作,要使得接近第二個邊緣的雷射缺口深度足以在第二個邊緣產生貫穿本體的裂痕。

在又另一個實施例中,產生貫穿本體裂痕,將含有壓力表層和內部張力層的強化玻璃基板分割成兩個或更多玻璃物件的方法包括:形成穿過壓力表層的引出缺損,將內部張力層部分曝露出來。此引出缺損位在強化玻璃基板的第二個邊緣。此方法進一步包括:從強化玻璃基板的第一個邊緣到強化玻璃基板的第二個邊緣,在強化玻璃基板表面上沿著欲分割線平移雷射光束,如此在強化玻璃基板內沿著欲分割線製造殘餘應力場。當雷射光束入射在引出缺損上時,貫穿本體裂痕會從第二個邊緣大體上沿著欲分割線,向第一個邊緣傳播。

此發明的其他特色和優點將在底下的詳細描述中說明,那些熟悉此技術的人可以從這些描述,即刻得到某種程度的了解,或者可以透過演練這裡所描述的實施例,包括底下的詳細說明、申請專利範圍、以及附圖,來了解這些特性。

要了解的是,前面的一般說明和底下的詳細說明,描述了各種實施例,是用來提供概論和架構,以了解申請專利範圍中標的物的本質和特性。附加圖形是用來對各種實施例提供進一步的了解,被合併進來構成此說明書的一部分。這些圖片闡明這裡所描述的各個實施例,跟文字說明一起用來解釋申請專利範圍中標的物的原理和運作。

現在我們將詳細參考各種用來分割強化玻璃基板片的方法實施例,它們的範例顯示在附加圖片中。在所有圖片中,相同的參考數字將盡可能地用來代表相同或相似部件。如這裡所描述的,分割強化玻璃基板的方法大致包含:沿著欲分割線將強化玻璃基板弱化,然後沿著此弱化的欲分割線,反向傳播一貫穿本體裂痕。從第一個邊緣到第二個邊緣,在強化玻璃基板表面上沿著欲分割線平移雷射光束,來產生弱化區域。雷射光束相對於強化玻璃基板的平移,可以在玻璃基板內沿著欲分割線形成初始劃片線。然後當雷射光束橫越第二個邊緣時,貫穿本體裂痕會依循最低阻力的路徑,沿著欲分割線從第二個邊緣反向-傳播到第一個邊緣。貫穿本體裂痕會沿著由雷射光束產生的初始劃片線或應力場來傳播。實施例可以利用雷射防護、偏離邊緣的初始缺損、和/或引出缺損,來產生貫穿本體裂痕。各種分割強化玻璃基板的實施例都會在這裡作更詳細的描述。

首先參考圖1-5B,圖中簡要描繪用來分割強化玻璃基板100之系統和方法的實施例。整體而言,可以將圖1-5B顯示的方法描述成分割強化玻璃基板的自動-分割方法。切割裂片技術普遍用來分割各種基板,首先在基板表面上形成淺的劃片線,然後施加機械力將基板斷裂成一或多片。我們將圖1-5B所描述的方法稱為自動-分割的切割裂片技術,因為它們不需要機械力來分割強化玻璃基板,因為強化玻璃基板會在形成劃片線完成(或幾乎完成)時就分割(也就是強化玻璃基板的自動-分割)。

強化玻璃基板100含有第一個表面130、第二個表面132、邊緣(例如第一個邊緣114和第二個邊緣116)、和厚度h。要了解的是,強化玻璃基板可以有其他形狀,例如圓形。同時要了解的是,圖中所顯示之強化玻璃基板100的厚度h經過放大以方便檢視。強化玻璃基板100可以透過離子交換處理作化學強化,在強化玻璃基板內部產生壓力表層111和內部張力層115。強化玻璃基板可以由各種玻璃組成形成,包含但不局限於硼矽酸玻璃或鋁矽玻璃。強化玻璃基板100可以是一大片,分割成較小片以製造小的強化玻璃物件,例如消費者電子裝置的玻璃覆蓋片觸控面板。

在化學強化處理中,例如,玻璃基板可以接受離子交換強化處理,包含將玻璃基板100浸沒在KNO₃ 的熔融鹽浴一段時間(例如8小時)。離子交換強化處理所產生的強化玻璃基板100在兩個加深的壓力表層111中擁有增強的壓應力,而在內部張力層115中擁有增強的張應力。

圖1-5B所顯示的系統大體上包含雷射防護,施加到強化玻璃基板100的第一個邊緣114、雷射源150,用來沿著欲分割線104加熱強化玻璃基板100、以及噴嘴160,用來引導冷卻噴流105以便沿著欲分割線104讓強化玻璃基板100的受熱表面急冷(圖2)。由於施加束斑點102以及由冷卻噴流105所產生的冷卻斑點106,而對強化玻璃基板造成的溫度改變,會沿著欲分割線104在垂直於欲分割線104的方向發展出張應力,如此形成部分穿越強化玻璃基板100厚度的缺口109。劃片缺口109是強化玻璃基板結構的機械變形。完整的劃片缺口109沿著即將分割之強化玻璃基板100的欲分割線104放置。如底下將更詳細描述的,劃片缺口109在偏離強化玻璃基板100第一個邊緣114的初始缺損112處啟動,而在強化玻璃基板100的第二個邊緣116終止。

雷射源150可以用來發射光束,其波長適合用來將熱能給予強化玻璃基板100,使得雷射能被強烈吸收穿過玻璃厚度h,如此來加熱強化玻璃基板100的表面。例如,雷射源150通常發射波長在紅外線範圍的雷射光束101。適合的雷射源包括波長從大約5微米到大約6微米的CO雷射、波長從大約2.6微米到大約3.0微米的HF雷射、或波長大約2.9微米的鉺YAG雷射。在這裡描述的實施例中,雷射源是脈衝CO₂ 雷射,產生波長從大約9.4微米到大約10.6微米的紅外線光束。此CO₂ 雷射源可以是作用於擬連續波模式下的射頻激勵雷射源。在一個實施例中,雷射源150產生TEM₀₀ 模態的輸出光束,使雷射源150的雷射光束101具有高斯(Gaussian)強度分佈。或者,雷射源可以產生TEM₀₁ 模態的輸出光束,使輸出光束具有”D”或平模態強度分佈。雷射源的輸出功率可以從大約20瓦到大於500瓦,決定於預定劃片速度、欲劃片的玻璃組成、以及壓力表層的深度。

為了避免強化玻璃基板100表面過熱(可能會造成玻璃從強化玻璃基板表面剝離或蒸發,或者產生弱化切割邊緣的殘餘應力),可以使用各種光學元件(沒有顯示)將雷射源發射的光束101塑形,使光束101在強化玻璃基板100表面上形成橢圓形束斑點102。例如,在一個實施例中,用一對圓柱形透鏡(沒有顯示)配置在由雷射源150發射的雷射光束101路徑中。或者,用來塑形雷射光束以形成橢圓形束斑點的圓柱形透鏡和/或其他光學元件,可以跟雷射源150整合。圓柱形透鏡將雷射光束101塑形,使入射在強化玻璃基板表面上的束斑點大致上呈橢圓形,如圖1所示。雖然這裡所描述的束斑點可以是橢圓形,但是要了解的是,這些實施例並不受此限制,因為束斑點可以有其他形狀,包括圓形、正方形、長方形等等。

參考圖3,橢圓形束斑點102大致上有寬度b的短軸124和長度a的長軸125。短軸124穿過橢圓形束斑點102的中點,如圖3所示。在一個實施例中,短軸124的寬度b大於或等於冷卻噴流接觸強化玻璃基板表面所形成之冷卻斑點106的直徑。例如,如果冷卻斑點(也就是冷卻噴流入射在強化玻璃基板表面上的截面)的直徑為2毫米,那麼短軸的寬度b至少為2毫米。

長軸125的長度a大致在橢圓形束斑點102的前緣120和後緣122之間,如圖3所示。橢圓形束斑點102的長度a可以大致上控制雷射所產生之缺口的深度。雷射束斑點越長,缺口就越深。如果長度a固定的話,增加劃片速度v會產生較淺的缺口。相反的,如果劃片速度v越慢,所產生的缺口就越深。對使用雷射劃片強化玻璃基板來說,缺口深度應該受到控制,使缺口的生長夠慢可以完成雷射劃片作業。這意謂著雷射光束的長度應該根據預定劃片速度來決定。

關於雷射光束101的雷射功率,可以用來加熱強化玻璃基板的雷射功率可以由瞬間和平均功率密度來規範。瞬間功率密度可以定義成雷射功率P除以束斑點的面積。平均功率密度I_average 可以定義成雷射功率P除以雷射束斑點大小和每單位時間雷射光束橫越面積的和:
I_average =P/(πab/4 +bυ), 方程式(1)
可以用來加熱強化玻璃基板而不致於產生應力鬆弛的最大容許雷射功率密度,決定於玻璃特性,例如熱容量、熱擴散率和在雷射波長下的光吸收、玻璃軟化點等等。如果I_average 設定成等於I_max 的話,可以導出底下的式子:
b=(P/Imax)[1/ (πa/4+υ)], 方程式(2)
因此,橢圓形束斑點的寬度b可以經過控制,以達到預定的平均功率密度,而長度a可以調整以達到預定的缺口深度。更具體的說,方程式(2)闡明:1)假定雷射功率和最大容許雷射功率密度固定的話,那麼橢圓形束斑點的寬度b應該隨著雷射劃片速度降低而增加,2)因為雷射劃片速度會隨著層深度增加而降低,因此雷射光束寬度b也應該要對應增加,以及3)如果雷射劃片速度保持固定,那麼雷射功率的增加需要雷射光束寬度b的增加。隨著層深度的增加,需要加熱的玻璃體積量也會增加。因為功率密度受限在某個值,因此欲增加雷射功率,橢圓形束斑點的寬度b必須增加。

我們注意到,在最初的劃片處理期間,也會出現由熱擴散所造成的熱損失。熱擴散會降低來自雷射加熱的局部玻璃溫度。因為熱損失跟局部溫度梯度成比例,因此欲在傳播的缺口前端產生所需要的張應力,就必須在急冷之前或期間降低缺口前端處的溫度梯度。這可以透過使用較寬的橢圓形束斑點,來加熱強化玻璃基板鄰近缺口前端的體積來達成。

參考圖2和3,冷卻噴流105大致包含從噴嘴160發射的加壓流體,導向強化玻璃基板100的表面。此加壓流體可以包含液體,例如水、乙醇、液態氮和/或化學冷卻劑。或者,冷卻噴流105可以包含壓縮氣體,例如壓縮空氣、壓縮氮、壓縮氦或類似的壓縮氣體。冷卻噴流105也可以包含液體和壓縮氣體的混合。在這裡所描述的實施例中,冷卻噴流是去離子水。

冷卻噴流105從噴嘴末端的孔口(沒有顯示)發射。冷卻噴流105在強化玻璃基板表面上所形成之冷卻斑點106的直徑為d_j ,大於噴嘴160的孔口。噴嘴160放置在劃片方向110(也就是劃片軸)上的雷射源150後方。在這裡所描述的實施例中,噴嘴160跟強化玻璃基板100的表面130呈一個角度,使冷卻噴流105以相對於強化玻璃基板100表面小於90度的角α,入射在強化玻璃基板的表面上。在一個實施例中,冷卻噴流105可以配合平移的橢圓形束斑點102來平移。在另一個實施例中,強化玻璃基板100可以安裝在平移臺上,讓強化玻璃基板100在雷射光束101和冷卻噴流105下方平移。冷卻噴流105可以導向強化玻璃基板100表面130上,鄰接橢圓形束斑點的區域。

參考圖1-5B,產生劃片缺口,將強化玻璃基板100自動-分割成一或多個物件的方法包括:首先在強化玻璃基板100的第一個表面130上,引進初始缺損112,來形成劃片缺口起始點。初始缺損112跟強化玻璃基板100的第一個邊緣114偏離缺損支距d_def 。初始缺損112可以是初始裂痕,例如由機械或雷射剝蝕形成。偏離距離d_def 可以決定於預定劃片速度、欲劃片的玻璃組成、以及壓力表層111的深度。在一個實施例中,偏離距離d_def 大約是6毫米。在其他實施例中,偏離距離可以在大約3毫米到大約10毫米的範圍內。如底下更詳細描述的,缺口從初始缺損112出發,而沿著雷射光束101和冷卻噴流105的相對運動傳播。

初始缺損112可以是垂直於劃片方向和欲分割線的初始裂痕。垂直方位的初始缺損112可以比平行於劃片方向的初始缺損,產生更大的機械重複性。例如,垂直方位的初始缺損112可以避免在劃片步驟期間,形成無法控制的貫穿本體缺口。

初始缺損112可以應用機械式的鑽石劃片器來形成,不過其他機械裝置也可以使用,例如機械刻痕輪、研磨輪、碳化物刀尖塊、雕刻器等等。在形成初始缺損112時必須非常小心,以確定缺損不會太深入內部張力層115。因此,機械裝置不應該太尖銳,且所施加的力不應該太大,使所產生的缺損太深入強化玻璃基板的本體中。由應用尖銳機械裝置所產生的深中央裂痕,可能會穿透到內部張力層115中太深,而在雷射劃片處理期間產生貫穿本體的裂痕。要讓缺損擁有很多側向和徑向裂痕、以及只有部分曝露內部張力層的淺中央裂痕,可以使用鈍的機械裝置來達成。

舉一個非限定例子來說,使用空氣驅動圓筒,將圓錐狀鑽石劃片器施加到1.1毫米厚的離子交換強化玻璃基板表面,此基板含有30微米,760MPa的壓力表層,和21MPa的內部張力層。圓錐狀鑽石尖端的角度大約是105度。空氣驅動圓筒以大約9N的力、大約5毫米/秒的劃片速度、和大約12度的牽引角度,將鑽石尖端施加到強化玻璃基板的表面。此程序產生垂直初始缺損,部分曝露出內部張力層。鑽石尖端和刻劃程序的特性,決定於強化玻璃基板的特性(例如,玻璃基板的厚度、壓力表層的厚度和壓應力等等)決定於強化玻璃基板的特性,可以使用角度大於90度而施加力在大約5N和大約15N之間的圓錐狀鑽石尖端。

現在特別參考圖1和2,可以將雷射防護141施加到強化玻璃基板100的第一個邊緣114,用來遮蔽強化玻璃基板在第一個邊緣114和靠近初始缺損112之間的周邊區域,避免光束101的照射。遮蔽區域可以從初始缺損112延伸到強化玻璃基板100的第一個邊緣114。此雷射防護141可以包含能夠避免雷射輻射進入並加熱強化玻璃基板100遮蔽區域的物質,例如金屬物質。要了解的是,除了圖示結構之外的其他雷射防護結構也可以使用。例如,雷射防護可以配置成平面金屬片,附接到強化玻璃基板100(例如,只有強化玻璃基板頂表面的第一個邊緣被遮蔽)。當強化玻璃基板100相對於束斑點和冷卻斑點106平移時,雷射防護141可以避免遮蔽區域的缺口打開,如此可以讓劃片缺口從初始缺損112延伸到第二個邊緣116。

在另一個實施例中，可以將薄的導熱塗層沉積在強化玻璃基板100第一個邊緣上作為雷射防護141(例如,在第一個邊緣和初始缺損112之間)。例如,薄導熱塗層可以是通常用來在觸敏螢幕上形成接觸點的金屬電極材質。此導熱塗層可以使用遮罩施加到強化玻璃基板100,來提供上面描述的雷射遮蔽效應。

或者,除了將雷射防護施加到強化玻璃基板100之外,也可以操作雷射源150,使雷射光束101只有在初始缺損112處及之後開啟,使它不會入射在初始缺損112之前的表面130上(也就是避免雷射光束入射在第一個邊緣和初始缺損之間的遮蔽區域)。在另一個實施例中,雷射光束101的功率可以從第一個邊緣114開始逐步上升直到初始缺損112,使雷射源150在束斑點102到達初始缺損112的時候,才以最大的劃片功率運作。

在形成初始缺損112且將雷射防護141施加到強化玻璃基板110的遮蔽區域之後,來自雷射源150的光束101被導向強化玻璃基板100表面,使光束在初始缺損112處入射在欲分割線104上,如圖1和2所示。首先將光束101導向基板上使初始缺損112位在光束101的橢圓形束斑點102內,且橢圓形束斑點102的長軸125大體上跟欲分割線104共線。當雷射源150的光束101位在強化玻璃基板100表面130上時,光束101會給予壓力表層111輻射熱能,如此沿著欲分割線104加熱強化玻璃基板100。玻璃表面受熱的最大溫度T_max 通常小於玻璃的應變點T_g ,以避免加熱期間的應力鬆弛,以及在冷卻噴流急冷之後發展出不良的殘餘應力。強化玻璃基板100的溫度可以調整各種參數來加以控制,包括例如雷射源的功率、以及雷射光束在強化玻璃基板100表面上方,沿著欲分割線104前進的劃片速度υ,如上面所描述的。在光束101開始位在欲分割線104上之後,橢圓形束斑點102以劃片速度υ沿著強化玻璃基板100表面130,在欲分割線104上前進,如此沿著欲分割線104,在初始缺損112和第二個邊緣116之間加熱強化玻璃基板的表面。可以透過雷射源150(和噴嘴160)相對於強化玻璃基板100的移動,讓橢圓形束斑點102在表面上方平移。或者,可以透過強化玻璃基板100相對於雷射源150和噴嘴160的移動,來平移橢圓形束斑點102。

為了在強化玻璃基板的表面130中形成劃片缺口109,使用由噴嘴160發射的冷卻噴流105,來冷卻或急冷強化玻璃基板100的受熱表面。由於急冷所造成的溫度改變,會在強化玻璃基板表面中垂直於欲分割線的方向,發展出張應力。參考圖4,這些張應力使缺口前端140以劃片方向110,沿著欲分割線104在強化玻璃基板100表面的下方傳播。在這裡所描述的實施例中,缺口109可以延伸到基板表面下方深度d的地方,小於強化玻璃基板厚度h的四分之一。在一個實施例中,深度d大約是強化玻璃基板厚度h的15%。為了沿著強化玻璃基板100表面啟動並傳播缺口109,對強化玻璃基板表面的加熱以及隨後的冷卻,應該要超過溫度改變臨界值ΔT_TH ,以便產生足夠的張應力讓缺口啟動並傳播。

更具體的說,使用雷射源150加熱強化玻璃基板100,以及使用冷卻噴流105讓強化玻璃基板的受熱表面急冷,會在強化玻璃基板表面中產生垂直於欲分割線104的張應力。如果張應力超過強化玻璃基板100製造材質的張應力臨界值σ_TH ,那麼事先存在的裂痕或缺口109就可以在強化玻璃基板中傳播。由加熱和冷卻循環所產生的張應力,可由底下的方程式來估計:
σ_TH =α‧E ‧ΔT/2 ,方程式(3)
其中α是熱膨脹係數,E是楊式模數,而ΔT是由雷射光束和冷卻噴流急冷循環所造成的溫度下降。使用方程式(3),在雷射加熱和冷卻噴流急冷循環期間所能產生的最大張應力,對任何類型的玻璃來說,都不會超過大約100到大約200 MPa。此值大大小於由離子交換處理所產生的表面壓縮力(例如> 500 MPa)。因此,雷射劃片處理不會產生足夠的張應力,來傳播完全封閉在壓力層中的劃片缺口。事實上,強化玻璃基板上的劃片處理是一種間接式處理。

參考圖4,上面所描述的張應力,使缺口前端140沿著強化玻璃基板表面130,在欲分割線的劃片方向110上傳播。如圖4所示的,缺口前端140在強化玻璃基板100的表面130下方行進。由於缺口109的開口在玻璃表面下方,因此表面壓應力會被釋放,而隨著缺口前端在強化玻璃基板100內部傳播,在缺口前端140之後,缺口109會貫穿到玻璃表面。

當缺口前端140在表面130下方的壓力表層111內部(也就是層深度)行進時,可能需要有效且持續的急冷來產生張應力,讓劃片缺口109在壓力表層111或其周圍傳播。急冷效率可以決定於冷卻噴流105撞擊速率、由噴嘴160所提供之冷卻噴流105的容積流量,以及冷卻噴流105相對於受熱強化玻璃基板100的溫度梯度。在一個實施例中,冷卻噴流105(例如水)的溫度被冷卻到剛好高於0℃的穩定溫度。在整個過程中,冷卻噴流105的溫度和流速應該保持穩定,以達到適當的劃片缺口深度。

以定性分析來看,在一個理想系統中,冷卻噴流105在強化玻璃基板100表面上的特徵停滯冷卻時間等於d_j /v,其中d_j 是冷卻噴流核心的直徑,而v是劃片速度。冷卻噴流核心107是冷卻噴流105撞擊強化玻璃基板表面之冷卻斑點106的中心區域。假設缺口前端140位在強化玻璃基板100內部層深度l處,那麼讓急冷效率達到層深度值l所需要的時間,可以使用一維的熱傳導模型來估計。此模型預測的特徵時間是,其中D是強化玻璃基板100的熱擴散率。因此,冷卻噴流的直徑d_j 可以定性地估計為:
d_j ≒ l² ‧υ/(4D),方程式(4)
上面的方程式指出冷卻噴流直徑d_j 和強化玻璃基板100的層深度之間的關聯。冷卻時間應該隨著層深度的增加而對應增加。

冷卻斑點106可以位於橢圓形束斑點102的後緣122附近。參考圖1-3,在一個實施例中,噴嘴160的配置讓冷卻斑點106位在強化玻璃基板100表面130的欲分割線104上,且在橢圓形束斑點102內部。更具體的說,圖示實施例中噴嘴160的配置,使冷卻斑點106位於橢圓形束斑點102內,橢圓形束斑點中央和橢圓形束斑點的後緣之間,使冷卻斑點106跟後緣間隔分開距離z,如圖3所示。在這個位置,冷卻斑點106可以位在強化玻璃基板表面上由雷射源加熱所造成的最大溫度處或其附近。由於強化玻璃基板100在最大溫度處或其附近受到冷卻噴流的急冷,因此所產生的溫度改變ΔT(假設玻璃表面被加熱到剛好低於應變點T_g )會超過溫度改變臨界值ΔT_TH ,如此可以協助缺口109形成,開始從初始缺損112傳播。雖然圖中顯示的冷卻斑點位在橢圓形束斑點內部,並相隔距離z,但是冷卻斑點也可以直接位在後緣122上,或者部分在橢圓形束斑點外面靠近後緣處,或者也可以在橢圓形束斑點後方延遲幾毫米。例如,對較薄的強化玻璃基板,冷卻斑點可以位在靠近或部分在橢圓形束斑點內部。對較厚的強化玻璃基板,冷卻斑點可以位在橢圓形束斑點內部。

參考圖1和2,在冷卻噴流105和冷卻斑點106相對於橢圓形束斑點102適當定位之後,噴嘴160和雷射源150在初始缺損112啟動,以劃片方向110沿著強化玻璃基板100表面130,在欲分割線104上前進。或者,可以平移強化玻璃基板100。隨著強化玻璃基板100表面受熱到最大溫度,且在最大溫度處或其附近急冷,劃片缺口109會沿著欲分割線104從初始缺損112傳播到第二個邊緣116。初始缺損112使劃片缺口109可以形成。冷卻噴流/雷射源和強化玻璃基板100,以劃片速度v相對於彼此前進,此速度v也是缺口沿著欲分割線104傳播的速度。通常劃片速度的選擇,必須要避免強化玻璃基板的表面過熱,同時還要允許強化玻璃基板100的表面可以受熱到剛好低於玻璃的應變溫度。

圖5A顯示橢圓形束斑點102和冷卻斑點106剛剛通過第二個邊緣116時的強化玻璃基板100。如圖5A所示,劃片線109從初始缺損112延伸到第二個邊緣116。當橢圓形束斑點102和冷卻斑點106橫越強化玻璃基板100的第二個邊緣116時,貫穿本體裂痕會在方向118上,沿著劃片步驟期間所產生的劃片線109反向傳播。圖5B顯示分割強化玻璃基板100的貫穿本體裂痕108。要注意的是,雖然圖5A顯示劃片缺口109到達第二個邊緣116,實際上貫穿本體裂痕108可能在劃片缺口109到達第二個邊緣116之前就開始反向傳播。

由於在邊緣處玻璃的熱傳導體積降低,因此在第二個邊緣116(或任何其他邊緣)處,給予強化玻璃基板100內部的溫度,會比強化玻璃基板100內的任何其他位置還要高。當橢圓形束斑點102和冷卻斑點106橫越第二個邊緣116時,在第二個邊緣116處的較高溫度會產生較深的缺口深度。在強化玻璃基板中,由雷射產生的缺口快速發展成貫穿本體裂痕108,此裂痕108是在第二個邊緣116處,當劃片缺口109的缺口深度加深時所發展出來的。如果雷射-產生之劃片缺口的深度在第二個邊緣116處夠深(例如,大約強化玻璃基板100厚度的15%或更高),貫穿本體裂痕108將會沿著劃片缺口或線109反向傳播,完成自動-分割,而不需要沿著劃片線109施加機械力。

以非限定例子來看,一個370毫米乘以470毫米的化學強化鋁矽玻璃基板片,使用上面描述的自動-分割法,沿著強化玻璃基板的寬度(370毫米)來分割。此強化玻璃基板片的厚度為1.1毫米,壓力表層內的壓應力大約是625 MPa,層深度大約35微米,而內部張力層內的張應力大約是21 MPa。使用重複率大約20KHz,功率循環大約18%,而輸出功率大約182W的CO₂ 雷射源來劃片此薄片。雷射光束轉化成長度大約40毫米,寬度大約2毫米的狹長橢圓形束斑點。使用流動速率大約16.5 sccm的固態水冷卻噴流來急冷。使用圓錐狀鑽石尖端,以大約105度的角,在薄片表面靠近第一個初始邊緣的地方製造機械初始缺損。此初始缺損大約是3毫米長,垂直於欲分割線定位。使用薄金屬板，將強化玻璃基板片的第一個邊緣遮蔽。當雷射光束和水柱橫越此薄片時，大約160微米的缺口深度會沿著欲分割線傳播。當雷射光束和水注離開強化玻璃片的第二個邊緣時，會在第二個邊緣產生貫穿本體裂痕，而反向傳播到初始缺損和第一個邊緣，如此將強化玻璃基板片分割成兩塊。

現在參考圖6，顯示另一個將強化玻璃基板100分割成一或多塊的實施例。在此實施例中，沒有先形成劃片缺口或使用上面描述的雷射防護，就產生貫穿本體裂痕，並且沿著欲分割線104，從第二個邊緣116反向傳播到第一個邊緣114。大致來說，透過雷射-誘發的熱氣，在強化玻璃基板100內部沿著欲分割線104產生殘餘應力場128，使貫穿本體裂痕由殘餘應力場128引導。

更具體的說，可以在強化玻璃基板100的表面130上產生橢圓形束斑點102。此橢圓形束斑點102可以由跟上面參考圖1-5B所描述具有相同特性的雷射源150來產生。在此實施例中，可以、也可以不使用冷卻斑點106來沿著欲分割線104產生殘餘應力場128。此殘餘應力場不需要使用冷卻斑點來讓雷射-誘發的加熱急冷。在橢圓形束斑點102平移期間，冷卻噴流105可以選擇性地打開或關閉。在一個實施例中，冷卻噴流105只有在橢圓形束斑點102接近或到達引出缺損123時，才對表面130提供冷卻斑點106。由冷卻斑點106所提供的急冷效應，可以在引出缺損123附近提供增加的應力場，以便進一步促使貫穿本體裂痕的發展。要注意的是，冷卻斑點106的特性也可以跟上面所描述的相同。

在將橢圓形束斑點102和可選之冷卻斑點106平移過表面130之前,先在強化玻璃基板100的引出邊緣(第二個邊緣116)上形成引出缺損123。此引出缺損123最好接觸第二個邊緣116,且平行於欲分割線104,當然引出缺損123也可以有其他定位,例如垂直於欲分割線104。此引出缺損123可以使用機械劃片或雷射剝蝕,形成在表面130上,如上面討論初始缺損112的形成時所描述的。

在施加引出缺損123之後,讓橢圓形束斑點102和可選的冷卻斑點106沿著欲分割線104,從第一個邊緣114開始,向引出缺損123和第二個邊緣116平移過強化玻璃基板100的表面130。可以平移雷射源150和冷卻噴流105,且/或平移強化玻璃基板100。例如,強化玻璃基板100可以安裝在平移臺上,相對於雷射源150和冷卻噴流105來移動強化玻璃基板100。橢圓形束斑點102(以及冷卻斑點106,如果有使用的話)相對於強化玻璃基板100的平移速度,決定於強化玻璃基板100的厚度、組成和特性(例如,壓應力、層深度等等)、以及是否使用冷卻斑點106。一般來說,強化玻璃基板越薄,平移速度越快。在一些實施例中,平移速度可以在大約100毫米/秒和大約300毫米/秒之間。

當橢圓形束斑點102在強化玻璃基板100表面130上平移時,由橢圓形束斑點所提供的熱能會沿著此掃瞄路徑產生殘餘應力場128。此殘餘應力場128會沿著欲分割線104使強化玻璃基板100弱化。一旦橢圓形束斑點102和冷卻斑點106(如果有使用的話)到達引出缺損123,由橢圓形束斑點102所提供的熱能會在引出缺損123開啟貫穿本體裂痕108(圖7)。因為殘餘應力場128沿著欲分割線104弱化了強化玻璃基板100，因此貫穿本體裂痕108會選擇最低阻力路徑，而沿著欲分割線104傳播。此貫穿本體裂痕108將強化玻璃基板100分割成兩片。要注意的是，殘餘應力場會隨著時間衰退，因此橢圓形束斑點102或強化玻璃基板100的平移速度，應該要使殘餘應力場在橢圓形束斑點102到達引出缺損123和第二個邊緣116時，仍然存在強化玻璃基板100內。如上面所陳述的，冷卻噴流105可以在橢圓形束斑點102剛剛到達引出缺損123時打開，以便進一步協助貫穿本體裂痕108開啟。

以非限定例子來看，一個370毫米乘以470毫米的化學強化鋁矽玻璃基板片，使用上面描述的自動-分割法，沿著強化玻璃基板的寬度(370毫米)來分割。此強化玻璃基板片的厚度為1.1毫米，壓力表層內的壓應力大約是625MPa，層深度大約35微米，而內部張力層內的張應力大約是21MPa。使用重複率大約20KHz，功率循環大約18%，而輸出功率大約182W的CO₂ 雷射源來劃片此薄片。雷射光束轉化成長度大約40毫米，寬度大約2毫米的狹長橢圓形束斑點。使用流動速率大約16.5sccm的固態水冷卻噴流來急冷，而且在分割處理期間一直在打開的狀態下運作。使用圓錐狀鑽石尖端，以大約105度的角，在薄片表面的第一個引出邊緣上製造機械引出缺損。初始缺損平行於欲分割線定位。強化玻璃基板片以大約165毫米/秒的速度平移。當雷射光束和水柱橫越引出缺損和第二個引出邊緣時，貫穿本體的裂痕會在第二個邊緣產生,並反向傳播到第一個邊緣,如此將強化玻璃基板片分割成兩塊。

現在要了解的是,這裡所描述的方法可以用來分割強化玻璃基板,例如由硼矽酸玻璃製造的強化玻璃基板,以及由鋁矽玻璃形成的強化玻璃基板,包括離子交換強化鋁矽玻璃。這裡所描述的方法使用雷射光束橫越欲分割線,將貫穿本體裂痕從第二個引出邊緣,沿著欲分割線反向傳播到第一個初始邊緣,如此來分割強化玻璃基板片。雷射光束弱化了強化玻璃基板,使貫穿本體裂痕沿著欲分割線傳播。實施例可以使用雷射防護、初始缺損、雷射源和冷卻噴流,在強化玻璃基板表面上形成劃片線,使貫穿本體裂痕沿著此劃片線反向傳播。實施例也可以使用由雷射源產生的熱,在強化玻璃基板內形成殘餘應力場,而從位在第二個引出邊緣的引出缺損,沿著此殘餘應力場傳播貫穿本體裂痕。這裡所描述的實施例可以在一個步驟中,對強化玻璃基板做可控制的貫穿本體分割,而不需要施加機械力,這可以增加生產速度,以及由強化玻璃基板片分割的物件產能,例如消費者電子產品的觸控螢幕面板。

那些熟悉此技術的人都會清楚明瞭,對於這裡所描述的實施例可以有各種修改和變動,但是都不脫離申請專利範圍中標的物的精神和範圍。因此,我們在此宣稱,本說明書涵蓋了對這裡所描述之各個實施例的修改和變動,只要這些修改和變動落在附加申請專利範圍及其同等物的範圍內。

100．．．強化玻璃基板

101．．．雷射光束

102．．．束斑點

104．．．欲分割線

105．．．冷卻噴流

106．．．冷卻斑點

107．．．冷卻噴流核心

108．．．貫穿本體裂痕

109．．．劃片缺口

110．．．劃片方向

111．．．壓力表層

112．．．初始缺損

114．．．第一個邊緣

115．．．內部張力層

116．．．第二個邊緣

120．．．束斑點前緣

122．．．束斑點後緣

123．．．引出缺損

124．．．束斑點短軸

125．．．束斑點長軸

128．．．殘餘應力場

130．．．第一個表面

132．．．第二個表面

140．．．缺口前端

141．．．雷射防護

150．．．雷射源

160．．．噴嘴

圖1簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,偏離邊緣缺損、雷射防護、雷射光束的橢圓形束斑點、以及冷卻噴流入射在強化玻璃基板上之冷卻斑點的透視圖;

圖2簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,雷射光束、雷射防護、冷卻噴流、和圖1之強化玻璃基板的截面圖;

圖3簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,橢圓形束斑點和冷卻斑點的相對定位;

圖4簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,劃片缺口和缺口前端的截面圖;

圖5A簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,完整劃片缺口的透視圖;

圖5B簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,已經由自動-分割加以分割過的強化玻璃基板透視圖;

圖6簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,雷射光束之橢圓形束斑點、冷卻噴流入射在強化玻璃基板上之冷卻斑點、以及引出邊緣缺損的透視圖;

圖7簡要地描繪根據這裡顯示及描述的至少一個實施例,已經由可控制貫穿本體分割加以分割過的強化玻璃基板透視圖。

100‧‧‧強化玻璃基板

102‧‧‧束斑點

104‧‧‧欲分割線

106‧‧‧冷卻斑點

108‧‧‧貫穿本體裂痕

109‧‧‧劃片缺口

110‧‧‧劃片方向

112‧‧‧初始缺損

114‧‧‧第一個邊緣

116‧‧‧第二個邊緣

130‧‧‧第一個表面

132‧‧‧第二個表面

141‧‧‧雷射防護

Claims (16)

1. 一種分割含有壓力表層和內部張力層之強化玻璃基板的方法，此方法包括：穿過壓力表層形成一初始缺損，以部分曝露出內部張力層，該初始缺損係偏離強化玻璃基板的第一個邊緣，且垂直於欲分割線；在該強化玻璃基板表面沿著欲分割線，將雷射光束從強化玻璃基板的第一個邊緣，平移到強化玻璃基板的第二個邊緣，以在雷射光束橫越第二個邊緣時，使一受控制的貫穿本體裂痕大體上沿著欲分割線從第二個邊緣傳播到第一個邊緣；以及在雷射光束附近施加冷卻噴流在強化玻璃基板表面上，其中：沿著欲分割線產生穿過壓力表層的劃片線，該劃片線係由部分穿透內部張力層的雷射缺口來定義；且雷射光束和冷卻噴流的運作，要使得接近第二個邊緣的雷射缺口夠深，以便在第二個邊緣產生受控制的貫穿本體裂痕。
2. 依據申請專利範圍第1項的方法，進一步包括：避免雷射光束入射在強化玻璃基板表面上，位於第一個邊緣和初始缺損之間的遮蔽區域。
3. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中該強化玻璃基板包含離子交換強化玻璃基板。
4. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中該雷射缺口部分穿透內部張力層。
5. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中配置的雷射光束產生具有長軸和短軸的橢圓形束斑點，使得長軸對齊欲分割線。
6. 依據申請專利範圍第5項的方法，其中冷卻噴流在長軸的後緣，橢圓形束斑點內施加到強化玻璃基板的表面。
7. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中該雷射光束是由一脈衝CO₂ 雷射產生。
8. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中接近第二個邊緣的該雷射缺口深度，大於強化玻璃基板厚度的大約15%。
9. 依據申請專利範圍第1項的方法，其中在完成該劃片線後，即會使該貫穿本體裂痕沿著欲分割線從第二個邊緣傳播到初始缺損，而不需要施加額外的力。
10. 一種自動-分割強化玻璃基板成兩個或更多玻璃物件的 方法，該強化玻璃基板含有壓力表層和內部張力層，此方法包括：形成穿過壓力表層的初始缺損，以部分曝露出內部張力層，該初始缺損係偏離強化玻璃基板的第一個邊緣，並在劃片方向上垂直於欲分割線；施加雷射防護到該強化玻璃基板位於第一個邊緣和初始缺損之間的遮蔽區域；在該強化玻璃基板表面上，將雷射光束和冷卻噴流從該強化玻璃基板的第一個邊緣平移到第二個邊緣，如此沿著欲分割線產生穿過壓力表層的劃片線，其中：該劃片線係由一雷射缺口定義；該雷射防護避免雷射光束入射在強化玻璃基板遮蔽區域的表面；當雷射光束橫越強化玻璃基板的第二個邊緣時，一貫穿本體裂痕從第二個邊緣沿著劃片線傳播到初始缺損；且雷射光束和冷卻噴流的運作，要使得接近第二個邊緣的雷射缺口夠深，以便在第二個邊緣產生該貫穿本體裂痕。
11. 依據申請專利範圍第10項的方法，其中該強化玻璃基板包含離子交換強化玻璃基板。
12. 依據申請專利範圍第10項的方法，其中該雷射缺口部分穿透內部張力層。
13. 依據申請專利範圍第10項的方法，其中配置的雷射光束產生具有長軸和短軸的橢圓形束斑點，使得長軸對齊欲分割線。
14. 依據申請專利範圍第13項的方法，其中冷卻噴流在長軸的後緣，橢圓形束斑點內施加到強化玻璃基板的表面。
15. 依據申請專利範圍第10項的方法，其中該雷射光束是由一脈衝CO₂ 雷射產生。
16. 依據申請專利範圍第10項的方法，其中接近第二個邊緣的該雷射缺口深度，大於強化玻璃基板厚度的大約15%。