刻劃脆性材料板的方法
【專利說(shuō)明】刻劃脆性材料板的方法
[0001]本發(fā)明專利申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年2月23日，申請(qǐng)?zhí)枮?01010126438.6，發(fā)明名稱為“刻劃脆性材料板的方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]優(yōu)先權(quán)聲明
[0003]本申請(qǐng)要求2009年2月24日提交的美國(guó)申請(qǐng)系列第12/391565號(hào)的權(quán)益。該文件的內(nèi)容以及本文提及的出版物、專利和專利文件的完整內(nèi)容均通過(guò)參考并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本文涉及刻劃脆性材料板的方法，更具體地，涉及能最大程度減小不可控裂紋擴(kuò)展的玻璃板刻劃方法。
【背景技術(shù)】
[0005]刻劃玻璃常使用機(jī)械工具?；蛘?，也可用激光束，如波長(zhǎng)為10.6 μ m的0)2激光束。通過(guò)激光加熱產(chǎn)生熱沖擊，從而在玻璃中產(chǎn)生瞬時(shí)拉伸應(yīng)力之后，通常要立即迅速冷卻玻璃。
[0006]在激光刻劃過(guò)程中產(chǎn)生的中間裂紋(即局部開(kāi)孔(vent))向玻璃體內(nèi)部延伸。為產(chǎn)生開(kāi)孔，在玻璃邊緣形成小的初始裂痕(initial flaw) 0然后，在激光束的作用下，該初始裂痕轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)孔并擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。所述初始裂痕可通過(guò)不同方法形成。例如，所述裂痕可利用激光脈沖或機(jī)械工具如劃線器、刻劃輪、刻痕器等引入。
[0007]用激光束加熱玻璃會(huì)產(chǎn)生熱梯度和相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)，在該應(yīng)力場(chǎng)作用下形成開(kāi)孔并擴(kuò)展。若用冷卻劑使受熱玻璃快速冷卻，誘導(dǎo)的熱應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增加。不過(guò)，開(kāi)孔的擴(kuò)展會(huì)受玻璃中背景應(yīng)力(例如內(nèi)應(yīng)力和在刻劃過(guò)程中搬運(yùn)或固持玻璃板時(shí)可能施加在板上的應(yīng)力)的影響。當(dāng)在剛形成而正在冷卻的玻璃上進(jìn)行激光刻劃時(shí)，例如當(dāng)從熔體物質(zhì)拉出玻璃板后立即進(jìn)行激光刻劃時(shí)，所述背景應(yīng)力會(huì)變成重要影響因素。在除去拉制玻璃板時(shí)可能形成的球狀玻璃板邊緣(珠狀部)的過(guò)程中，尤其如此。舉例而言，在玻璃形成過(guò)程中產(chǎn)生的厚度差異，以及由此引起的玻璃冷卻不均勻和后面集中在珠狀邊緣區(qū)域的應(yīng)力累積，都可能導(dǎo)致玻璃中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。此外，在玻璃搬運(yùn)過(guò)程中，用來(lái)搬運(yùn)玻璃的夾具或/和吸杯會(huì)導(dǎo)致玻璃板變形(彎折、扭曲)，從而在玻璃上施加應(yīng)力。若背景應(yīng)力足夠高，可能導(dǎo)致裂紋發(fā)生不可控?cái)U(kuò)展，所述擴(kuò)展從初始裂痕所在的玻璃板邊緣開(kāi)始，在激光束到達(dá)玻璃板邊緣時(shí)偏離所需的刻劃方向。簡(jiǎn)而言之，激光束引起的熱應(yīng)力可能引發(fā)在期望之外的方向上擴(kuò)展的裂紋。類似地，開(kāi)孔對(duì)指定刻劃線的偏離可能發(fā)生在刻劃線的另一端，激光束在此離開(kāi)相對(duì)玻璃板邊緣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個(gè)實(shí)施方式中，描述了刻劃脆性材料板的方法，該方法包括:在脆性材料板表面內(nèi)，在距該脆性材料板第一邊緣預(yù)定距離的引發(fā)點(diǎn)處形成裂痕；在該裂痕上照射電磁輻射束，以在所述引發(fā)點(diǎn)處形成開(kāi)孔裂紋；橫移(traverse)所述電磁輻射束，使開(kāi)孔裂紋向所述脆性材料板的第二邊緣擴(kuò)展，其中在所述橫移過(guò)程中，開(kāi)孔裂紋不與第一邊緣相交，并在電磁輻射源與脆性材料板表面之間放置掩模，防止電磁輻射束照射在引發(fā)點(diǎn)與第一邊緣之間的脆性材料板表面。
[0009]脆性材料板可以是例如玻璃板、玻璃-陶瓷材料板或陶瓷材料板。在一些情況下，第二邊緣可基本上平行于第一邊緣。一些玻璃板形成操作可產(chǎn)生玻璃板邊緣部分呈球狀(珠狀邊緣部分)的玻璃板。利用本文所披露的內(nèi)容，可以改進(jìn)對(duì)這種材料板的刻劃操作。
[0010]橫移激光束可包括使開(kāi)孔裂紋擴(kuò)展至與脆性材料板第二邊緣相距預(yù)定距離的終止點(diǎn)，使得在所述橫移過(guò)程中，開(kāi)孔裂紋不擴(kuò)展至第二邊緣。例如，通過(guò)用合適的掩模掩蔽電磁輻射束，可防止電磁輻射束照射在終止點(diǎn)與第二邊緣之間的脆性材料板表面。不過(guò)，通過(guò)減小電磁輻射束的功率，可以防止開(kāi)孔裂紋在終止點(diǎn)與脆性材料板第二邊緣之間擴(kuò)展。為進(jìn)一步改進(jìn)刻劃操作，在脆性材料板表面上，在靠近橫移的電磁輻射束的地方噴射冷卻劑，以增大材料板中產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0011]較佳的是，對(duì)引發(fā)點(diǎn)與第一邊緣之間的距離加以選擇，以防在所述橫移過(guò)程中，開(kāi)孔裂紋與第一邊緣相交。例如，引發(fā)點(diǎn)與第一邊緣之間的距離可選為至少1mm，或者至少3mm。第一邊緣與引發(fā)點(diǎn)之間的距離應(yīng)當(dāng)大于掩模在材料板表面上延伸的距離。在一些情況下，可以選擇引發(fā)點(diǎn)，使它與第一邊緣的距離比掩模延伸距離遠(yuǎn)約0.5mm。較佳的是，掩模與脆性材料板表面之間的距離等于或小于約5mm，如距材料板表面0.5-5mm。不過(guò)，掩模也可與脆性材料板表面接觸。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方式中，描述了刻劃玻璃板的方法，該方法包括:在玻璃板表面內(nèi)在距脆性材料板第一邊緣預(yù)定距離的引發(fā)點(diǎn)處形成裂痕；在所述引發(fā)點(diǎn)處將激光束照射在玻璃板表面上，形成開(kāi)孔裂紋；橫移所述激光束，使開(kāi)孔裂紋向第二邊緣擴(kuò)展，其中在激光束源與玻璃板表面之間放置第一掩模，防止激光束照射在引發(fā)點(diǎn)與第一邊緣之間的玻璃板表面。
[0013]在下面結(jié)合附圖所作的解釋性而非限制性描述中，本發(fā)明將更容易理解，本發(fā)明的其他目標(biāo)、特性、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)也將變得更顯而易見(jiàn)。其他所有這樣的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都涵蓋在本描述和本發(fā)明的范圍之內(nèi)，受所附權(quán)利要求的保護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是熔合下拉玻璃制造法中所用形成體的透視圖和部分橫截面圖。
[0015]圖2是從圖1所示形成體形成的玻璃帶上切割下來(lái)的玻璃板的邊緣的橫截面圖。
[0016]圖3是圖2所不玻璃板的正視圖，顯不了掩蔽第一邊緣至引發(fā)點(diǎn)的一部分玻璃板的掩模。
[0017]圖4是圖1所示玻璃板沿刻劃線的橫截面圖，顯示了在引發(fā)點(diǎn)處引發(fā)的開(kāi)孔裂紋的擴(kuò)展情況。
[0018]圖5是圖2所示玻璃板的正視圖，顯示了采用兩個(gè)掩模的情況，其中一個(gè)掩?？拷l(fā)點(diǎn)，第二個(gè)掩?？拷K止點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在以下詳細(xì)描述中，出于解釋而非限制的目的，給出了揭示具體細(xì)節(jié)的示例性實(shí)施方式，以便透徹理解本發(fā)明。然而，對(duì)于已經(jīng)了解本發(fā)明益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明可以其他偏離本文所述具體細(xì)節(jié)的實(shí)施方式實(shí)施。此外，本文省去了對(duì)已知設(shè)備、方法和材料的描述，以免干擾對(duì)本發(fā)明的描述。最后，只要適用，相同的附圖標(biāo)記表示相同的對(duì)象。
[0020]本文所用術(shù)語(yǔ)“刻劃線”表示用于產(chǎn)生劃痕的所需或指定的路徑。
[0021]本文所用術(shù)語(yǔ)“開(kāi)孔”或“開(kāi)孔裂紋”表示脆性材料中向材料表面開(kāi)放的長(zhǎng)裂紋。開(kāi)孔可垂直于脆性材料表面，也可不垂直于脆性材料表面。
[0022]本文所用“脆性材料”是指在失效之前塑性變形很小或沒(méi)有塑性變形的材料。脆性材料的主要失效方式是斷裂。脆性材料包括玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷材料。
[0023]從大玻璃板上分尚一部分玻璃板通常是先對(duì)玻璃板進(jìn)行刻劃。在機(jī)械刻劃法中，劃痕是用機(jī)械接觸工具形成的，如激光束劃線器、碳化物劃線器或刻劃輪。所得劃痕為開(kāi)孔裂紋在整個(gè)玻璃體中擴(kuò)展提供了起點(diǎn)。
[0024]在一個(gè)示例性激光刻劃法中，用激光沿指定刻劃線加熱玻璃，在玻璃中產(chǎn)生足夠的熱應(yīng)力，從而在初始裂痕處形成開(kāi)孔裂紋。然后，讓激光束在玻璃表面上方橫移，開(kāi)孔裂紋隨著橫移的激光束產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生劃痕。
[0025]劃痕產(chǎn)生之后，通常沿劃痕對(duì)材料施加應(yīng)力。例如，可將玻璃板置于彎折模式，沿劃痕在玻璃板上施加拉伸應(yīng)力。所述應(yīng)力集中在劃痕上(開(kāi)孔裂紋的頂端)，促使開(kāi)孔裂紋在玻璃的剩余厚度部分?jǐn)U展，從而將玻璃分離。
[0026]在實(shí)際中，玻璃通常包括永久性內(nèi)應(yīng)力和瞬時(shí)應(yīng)力，所述永久性內(nèi)應(yīng)力在制造過(guò)程中就固定(frozen)在玻璃板內(nèi)，而瞬時(shí)應(yīng)力源自例如在特定刻劃過(guò)程中支承玻璃板的方式。若這些應(yīng)力(背景應(yīng)力)足夠高，則玻璃板中形成的氣孔裂紋將依據(jù)玻璃板中的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，難以得到沿著指定路徑的劃痕(也難以實(shí)現(xiàn)后續(xù)玻璃板分離)。
[0027]制造玻璃板的一種方法是熔合下拉法，之所以叫這個(gè)名稱是因?yàn)椴ＡЯ黧w被分為兩股獨(dú)立的熔融玻璃流，它們?cè)谛纬审w上流過(guò)；然后，這兩股物流在形成體底部重新接合(即熔合)，產(chǎn)生玻璃板。結(jié)合圖1可以更清楚地理解這一點(diǎn)，該圖顯示了一個(gè)可用于熔合下拉玻璃制造法中的示例性形成體。
[0028]圖1顯示了形成體20，它包含在側(cè)壁24圍成的主體上部形成的通道或槽22，以及在形成體上延伸一段長(zhǎng)度后會(huì)合于根部28的交會(huì)形成表面26a和26b。熔融玻璃30被引入槽22后，在形成體兩側(cè)從側(cè)壁24上溢流，產(chǎn)生兩股獨(dú)立的熔融玻璃流，所述熔融玻璃流向下流過(guò)形成體。這兩股熔融玻璃流從交會(huì)形成表面26a和26b上流過(guò)，會(huì)合于根部28。這兩股物流在根部重新融合(即熔合)，在根部產(chǎn)生單股物流，自根部向下流動(dòng)，形成原始(pristine)玻璃帶32。與形成體表面(例如交會(huì)形成表面)接觸的恪融玻璃處于所得玻璃帶的內(nèi)側(cè)部分，而玻璃帶的外側(cè)表面未與形成表面接觸。
[0029]處于下行的玻璃帶內(nèi)的表面張力會(huì)導(dǎo)致玻璃帶沿玻璃帶寬度方向收縮(玻璃帶變窄)，玻璃帶邊緣的厚度增加，變成球狀(借助圖2可看得更清楚，該圖顯示了玻璃帶沿帶寬方向的邊緣橫截面圖)。輥34在球狀邊緣部分(或“珠狀部”)40處咬住玻璃帶，將玻璃帶向下拉。用其他的輥(未示出)沿著帶寬方向產(chǎn)生與向內(nèi)的表面張力相反的張力，幫助控制帶寬。然后，在根部下方的某個(gè)位置刻劃(虛線36)玻璃帶，沿帶寬方向?qū)⑵浞殖瑟?dú)立的玻璃板或塊38。
[0030]在許多情況下，至少出于幾個(gè)理由，除去分離的玻璃板38的邊緣部分40除去。首先，它們不符合商業(yè)應(yīng)用對(duì)玻璃板整體厚度的要求