用于切割、分裂或分离衬底材料的装置、系统和方法制造方法及图纸

披露一种分离非金属衬底的设备和方法包括第一射束；定位成使得冷却剂流在第一点的拖尾端部处或其附近施加在衬底上的第一骤冷装置；第二射束；以及定位在第一骤冷装置和第二射束之间的第二骤冷装置。调节第一划线射束冲击在衬底上的角度和冲击在衬底上的第一划线射束的能量密度中的至少一个以便获得直角分离。也可设置裂纹感测器和控制器，以便测量切割线的位置，将该位置与参考位置比较，并且根据切割线的位置和参考位置的比较来调节第二射束的功率密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及一种切割和分离技术。更特别是，本专利技术涉及一种用于使用激光器来切割、分裂和/或分离非金属或脆性材料的装置、系统和方法。
技术介绍
使用激光在脆性材料中扩散微裂纹的技术已经公知了三十年以上。1971年授予Lumley的美国专利NO.3610871是早先公知的披露。虽然具有多种作用，这种技术迄今为止没有在商业上广泛用于许多应用中。这种情况的主要原因在于加工速度缓慢、使用复杂激光模式、不能很好地理解激光划线机构以及费时、产生颗粒和微裂纹并由此抵消激光分离的主要优势的陈旧两步骤过程(例如划线和断裂)。为了设计分离非金属材料的最佳系统需要理解两个主要机理。第一机理是热机理，通过该机理，通过将材料的温度升高到所需程度，脆性材料超过其临界热冲击温度，并且接着快速骤冷材料，以便破坏材料中的分子键。这种工艺在材料中形成通常称为“细微裂纹”的现象，该现象由内部热变化、外力、内力以及材料的边缘强度造成。第二机理是由内部热变化、外力、内力和材料强度在材料中造成的三维应力/应变场关系。美国专利NO.5826772披露一种用于断裂没有完全分离边界的衬底的现有技术方法。标准的分离技术需要两步骤工艺来断裂材料，即，划线步骤，随后是机械断裂步骤。如果材料厚度大于0.4mm并因此衬底中的残留张力不足以分离衬底时特别是这样的情况。其它技术使用通常大于8mm的过宽双重断裂射束，造成所需切口上的热冲击。这造成玻璃的弱化和/或不受控制的裂纹。同样，由于在切口任一侧上具有电子器件或涂层/层，存在必须在有限的路径宽度内进行分离的情况。由本专利技术人的专利技术的美国专利NO.625058、6489588以及6660963都披露了使用两个激光射束以及靠近激光射束的骤冷喷嘴来分离非金属衬底的装置和方法。这些专利结合于此作为参考。下面将描述为了改善这些装置而需要克服的另外问题。超过热破裂温度为了在脆性材料上扩散微裂纹，必须超过材料中的分子键破坏以便在材料中形成细微裂纹的临界热冲击温度(Tcr)或点。这通常通过将材料加热到给定温度并且使用冷却剂流骤冷材料以便超过临界热冲击温度(Tcr)来实现。对于某些材料，Tcr很小，并且因此需要相对小的骤冷来成功地扩散微裂纹。在这些情况下，例如氦的冷却气体可单独用来骤冷。对于其它材料，特别是那些热膨胀系数低的材料，需要高梯度来超过Tcr，并且需要气体/水的混合物来实现骤冷。在这种情况下，从液体蒸发中释放的潜热与对流和传导热相结合用来以更加有效的方式骤冷材料，由此超过临界热破裂温度。但是，即使采用最佳的骤冷，需要适当的初始边界条件来成功地实现激光划线。换言之，材料的温度需要升高到足够高以给出超过临界热破裂温度的“空间”的点。通常，最小温度和最大温度(例如玻璃软化温度)之间的工艺窗口非常小，并因此需要准确控制热影响区域。超过临界断裂力传统的划线操作通常在材料中形成初始空隙或细微裂纹之后需要第二断裂步骤。在这种情况下，采用用于完成断裂的机械方法，由此使用例如辊子断裂工具或截切机断裂工具的机械方法，采用弯曲力矩。在这些方法的每个方法中，施加足够的力，以便沿着划线区域完成材料分离。实现完全分离所需的力这里指的是临界断裂力(Fcb)。在对薄材料(例如小于0.4mm)划线时，材料中的残留张力可足以分离玻璃。但是，残留张力不能如同这里描述的新方法那样可以控制。因此希望通过更加可以控制的方式减小划线过程的残留张力。对于较厚材料来说，来自于激光划线操作的残留张力通常不足以完全分离材料。在其它情况下，张力很大，使得材料以不可控制的方式分离，并且运动到骤冷区域之前。由于分离的动态特性只通过本身不对称的热梯度来控制，这造成直线度降低。作为分离机理，已经提出了某些技术，这些技术使用双重平行射束而不骤冷。但是，这些技术造成由于固有的非对称性造成的不规则切口。需要新方法来改善临界断裂力的控制。克服边缘效应一个重要因素是任何给定材料中的入口和出口裂纹。衬底的边缘比材料主体更薄弱，因此使其容易在引入热冲击之后不受控制地裂纹。另外，也需要考虑的是，由于例如边缘磨削的机械加工，沿着材料边缘经常出现微裂纹。最后，与材料主体相比，由于边缘用作传导和对流热传导区域之间的边界，材料边缘趋于更快加热。因此，需要改进克服例如凹入和凸出的边缘效应的方法。可靠的划线初启为了在材料中扩散微裂纹，需要提供初始微裂纹。如上所述，由于其它工艺，许多材料沿着边缘具有许多微裂纹。但是，更希望的是在给定位置上以受控的方式引入微裂纹，而不依赖残留微裂纹。另外，由于边缘处理技术的改进，由于这些边缘加工成抵抗裂纹，变得更加难以沿着边缘引入微裂纹。因此，需要可靠的划线初启技术。有效的横切完全分离技术存在新的挑战。一旦衬底在一个方向完全分离，由于存在多个新的边界，在第二方向上(通常为90度)形成切口变得更加具有挑战性。另外，需要多个光学元件的激光射束输送系统在结构中提供较小的灵活性。另外，多个光学元件吸收或反射大量激光功率(例如对于涂覆AR的ZnSe元件来说每个元件吸收或反射5％)，在使用6元件系统时造成大于36％的损失。另外，复杂光学系统体积大并且难以运动。另外，这些复杂系统需要准确的对准和校正，容易振动脱位。最后，例如骤冷喷嘴、划线射束、断裂射束以及划线初启之间的临界距离难以调节，并且非常不稳定。由于射束输送系统体积大，以及例如划线初启和骤冷装置的其它元件的单独控制，大多数系统只能实现单向切割。通常，每个机器只有用于一个激光头单元的空间，由此没有放置多个激光头的选择，这些激光头同时切割，以便在制造过程中节省时间。由于需要在激光射束下运动工件，而不是将激光运动到工件，所需的固有效率的低下，固定光学系统还需要几乎两倍的设备占地面积。同样，在现有技术结构中，划线和断裂射束之间的距离固定，并且整个组件的占地面积局限于有限的宽度上。在针对不同材料进行改变时，这不能具有多少灵活性。划线和断裂射束之间的相对射束功率实际上通过改变分束器或调节小面元件来调节。采用分束器，相对功率是分束器上的涂层的函数，并且难以复制。另外，喷嘴结构造成不一致的流动，并且将水或其它液体残留物留在工件上。因此，可以看出在本领域中存在许多问题，并且许多技术具有有待克服的缺陷。
技术实现思路
为了克服这些或多种其它的缺陷，本专利技术使用多种新颖的技术，提供快速、可靠的激光划线、单步骤分离以及有效地应用于简单而有效的装置中。本专利技术总体涉及将非金属材料准确分离成多个较小部件。特别是，本专利技术涉及一种用于通过微裂纹的受控扩散以及材料的内力而准确控制非金属材料分裂从而沿着所需路径实现完全分离的方法。本专利技术的一个目的在于将用于进行一致性和受控地热裂纹的热状态(例如“激光划线”)与最佳应力/应变场状态匹配，从而以预定、受控的方式完全分离非金属。本专利技术的另一目的在于通过在骤冷区域之后的适当位置施加足够大的力(Fcb)同时在骤冷区域前部将残留力保持在临界断裂力(Fcb)之下而以受控方式分离衬底。主要部件完全分离激光系统的主要部件包括单个或多个激光源、设计成相对于光学系统运动工件的运动系统、包括两个(多个)射束路径的光学系统、集成裂开装置、激光划线加速装置以及补充断裂装置。激光源激光源需要根据将要分离的材料进行选择。用于划线的主要标准是找到有效、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于分离非金属衬底一部分的设备，包括：第一射束，第一射束在第一点冲击在衬底上，第一点具有导前端部和拖尾端部；第一骤冷装置，所述第一骤冷装置定位成使得冷却剂流在第一点的拖尾端部处或其附近施加在衬底上；第二射束，第二 射束在第二点处冲击在衬底上，第二点在第一点之后定位在衬底上；以及第二骤冷装置，所述第二骤冷装置定位在所述第一骤冷装置和所述第二射束之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B赫克斯特拉，
申请(专利权)人：应用光电技术公司，东丽工程株式会社，
类型：发明
国别省市：US[美国]