专利名称：具双喷嘴的脆性工件切割设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具双喷嘴的脆性工件切割设备，尤其是指一种利用双喷嘴来精确控制工件表面的压应力，并配合譬如雷射光束的辐射束所造成的张应力以造成均匀的裂纹与高度切割重现性的脆性工件切割设备。
背景技术：
对于脆性工件(譬如玻璃、石英、陶瓷、光电与半导体晶体材料)的切割，通常使用钻石刀或碳化钨刀来对所欲切割的工件划一条深沟痕，再利用机械力使工件分开。然而，因切割沟痕太深且太宽，有可能损及元件且浪费工件的可使用面积，并引起沿厚度方向的不规则龟裂，使得切割合格率下降。近来利用雷射切割的方法逐渐普遍，其方法是利用雷射来局部加热工件，使其熔融而形成一条深沟槽，再以机械力将工件分开。
另一种切割脆性工件的方法，为使用譬如雷射的热源加工技术，利用破裂力学中裂纹成长与缺陷连结的原理来切割脆性工件。
图1显示美国专利第5,609,284号所揭露的一种雷射切割技术。如图1所示，雷射光束102在工件101上沿着预定切割路径105划过，其后紧跟着一道冷却喷流103冲击着工件101。工件101因上层受张力而下层受压力，因而产生热震(thermal shock)以形成在表面下的暗裂纹(blind crack)104，若在切割完毕后再予加热，即可使暗裂纹扩大而分离成两片。利用冷却喷流103与雷射光束102来造成暗裂纹104，其缺点是不容易量化。而且，冷却喷流103与雷射光束102的距离必须精密地受到控制，以达成较佳的切割效果。
此外，冷却喷流103通常是液体，其喷洒在工件101的表面后会四处飞溅。当液滴106落于雷射光束102区域范围内时，会影响雷射光束102的聚焦，进而影响雷射光束102对工件101所提供的张应力，使得暗裂纹104的成长无法精密地受到控制。此外，液滴106并无法均匀地分布于工件101的表面上，使得能提供一定能量的雷射光束102无法对工件101提供一定的张应力。因此，所切割出来的成品的切割线具有相当大的变异性。再者，残留的液滴106在被干燥后亦会在工件101的表面上造成污染(譬如造成水痕)，进而影响所切割的成品的特性。
中国台湾专利公告编号第445189号揭露一种雷射加工装置及方法。于此公知技术中，使用分歧机构将一道雷射光束分为多道雷射光束以对工件进行加工，而没有提到冷却流体的相关技术。
中国台湾专利公告编号第458837号揭露一种利用超冷却气流进行玻璃的雷射切割的技术，其中使用一道雷射光束，配合一超冷却气流冲击工件的表面而完成切割。然而，于此公知技术中，超冷却气流的控制无法量化，且难以为工件提供均匀且足够的压应力，因此控制方式非常复杂。
中国台湾专利公告编号第419867号揭露一种雷射切割装置与方法，其中用以进行冷却的冷却液直接喷洒至工件上，类似于上述的美国专利第5,609,284号所提到的冷却手段，亦容易受到飞溅的液滴影响，进而影响切割重现性的问题。
因此，如何发展出一种能容易提供高度的切割重现性的脆性工件的切割设备，实为本发明人所欲解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具双喷嘴的脆性工件切割设备。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种能提供高度切割均匀性与高度切割重现性的具双喷嘴的脆性工件切割设备。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种具双喷嘴的脆性工件切割设备，包含一工作台，用以将一脆性工件固定于其上；一辐射束供应单元，提供一辐射束冲击于该脆性工件的一第一表面上的一第一区域中，用以在该第一区域造成一张应力；一第一喷嘴，用以喷出一液体喷流冲击于该脆性工件的该第一表面上的一第二区域中，用以在该第二区域造成一压应力；及一第二喷嘴，用以喷出一气体喷流冲击于该脆性工件的该第一表面上的一第三区域，用以清洁干燥该第一区域、该第二区域及该第三区域，其中该张应力与该压应力使该脆性工件形成一裂纹，且该第二区域位于该第一区域与该第三区域之间。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该第二区域与该第三区域部分重叠。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该气体喷流由氮气、二氧化碳或空气所组成。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，更包含一液体供应单元，用以供应一液体至该第一喷嘴。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，更包含一气体供应单元，用以供应一气体至该第二喷嘴。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，更包含一驱动装置，用以促使该工作台与该辐射束供应单元产生一相对运动。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，更包含一切割路径导引单元，用以导引该裂纹沿着一预定方向形成。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该液体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该液体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该液体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面。
如上所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，该液体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面。
藉由本发明的上述构造，可以有效避免液体喷流在工件表面上形成残留的液滴，故能有效避免辐射束施加在工件表面的能量受到残留液滴的影响，并能避免工件表面受到污染。此外，使用液体喷流与具有清洁及干燥效果的气体喷流，可以精确地控制对工件所提供的压应力，加上辐射束的稳定能量对工件所提供的张应力，可以精确促成裂纹的形成与成长，获得良好的切割效果，以及高度的切割重现性。
图1显示美国专利第5,609,284号所揭露的一种雷射切割技术。
图2显示依据本发明较佳实施例的脆性工件的切割原理的示意图。
图3显示依据本发明较佳实施例的脆性工件切割设备的示意图。
图4A至4D显示图3的喷嘴的数种配置状况。
附图标号说明10、工作台 11、脆性工件 14、裂纹 15、第一表面15A、第一区域 15B、第二区域 15C、第三区域 20、辐射束供应单元22、辐射束 30、第一喷嘴 32、液体喷流 40、第二喷嘴42、气体喷流50、液体供应单元 60、气体供应单元 70、驱动装置80、切割路径导引单元101、工件 102、雷射光束 103、冷却喷流104、暗裂纹 105、切割路径 106、液滴具体实施方式
图2显示依据本发明较佳实施例的脆性工件的切割原理的示意图，图3显示依据本发明较佳实施例的脆性工件切割设备的示意图。如图2与3所示，本实施例的一种具双喷嘴的脆性工件切割设备，包含一工作台10，一辐射束供应单元20、一第一喷嘴30、一第二喷嘴40、一液体供应单元50及一气体供应单元60。一脆性工件11固定于工作台10上。工作台10由一驱动装置70驱动而与辐射束供应单元20产生相对运动。辐射束供应单元20提供一辐射束22冲击于脆性工件11的一第一表面15上的一第一区域15A中，用以在第一区域15A造成一张应力。第一喷嘴30用以喷出一液体喷流32冲击于脆性工件11的第一表面15上的一第二区域15B中，用以在第二区域15B造成一压应力。第二喷嘴40用以喷出一气体喷流42冲击于脆性工件11的第一表面15上的一第三区域15C，用以清洁干燥第一区域15A、第二区域15B及第三区域15C。气体喷流42可以是由氮气、二氧化碳或空气所组成。液体供应单元50用以供应一液体(譬如水)至第一喷嘴30，而气体供应单元60用以供应一气体至第二喷嘴40。张应力与压应力可以使脆性工件11形成一裂纹14，且第二区域15B位于第一区域15A与第三区域15C之间。
藉由上述设计，辐射束22冲击于第一区域15A以对该区域造成张应力，液体喷流32冲击于第二区域15B以对该区域造成压应力，配合工作台10与辐射束22及液体喷流32的相对运动，可以控制裂纹的成长而达成切割的目的。由于本发明利用气体喷流42来冲击于第三区域15C，可以实时将从液体喷流32所产生的四处飞溅的液滴吹走，而不影响辐射束22在第一区域15A的聚焦特性。因此，张应力与压应力都可以受到精密控制，使得切割痕迹具有相当高的重现性。此外，藉由控制气体喷流42的特性，亦可协助提供相当均匀的压应力，使得切割动作得以顺利进行。
值得注意的是，第二区域15B可以与第三区域15C部分重叠。此外，本发明的切割设备可更包含一切割路径导引单元80，用以导引该裂纹沿着一预定方向形成，通常可采用一钻石刀头沿着该预定方向画线来达成，这在切割某些特定材料时是必须的。
辐射束可以采用较有方向性热源辐射束，譬如二氧化碳雷射、二极管雷射、Nd-Yag雷射、铜雷射、紫外线雷射等。举例而言，在切割玻璃、石英(二氧化硅)、蓝宝石(sapphire)、砷化镓(GaAs)等材料时，使用二氧化碳雷射(波长为10.6μm)为较佳作法。在切割硅材料时，以二极管雷射(波长700-900nm)或Nd-Yag雷射(波长为1.06μm)为较佳作法。
图4A至4D显示图3的喷嘴的数种配置状况。于图3中，液体喷流32的一喷射方向与气体喷流42的一喷射方向两者都垂直于第一表面15。于图4A至4C中，液体喷流32的喷射方向非垂直于第一表面15，气体喷流42的喷射方向亦非垂直于第一表面15。于图4A中，液体喷流32与气体喷流42的喷射方向平行。于图4B中，液体喷流32与气体喷流42的喷射方向不平行，且两喷流是发散至第一表面15上。于图4C中，液体喷流32与气体喷流42的喷射方向不平行，且两喷流是收敛至第一表面15上。于图4D中，液体喷流32的喷射方向垂直于第一表面15，气体喷流42的喷射方向非垂直于第一表面15。或者，于其它变形例中，液体喷流32的喷射方向可不垂直于第一表面15，而气体喷流42的喷射方向可垂直于第一表面15。
藉由本发明的上述构造，可以有效避免液体喷流在工件表面上形成残留的液滴，故能有效避免辐射束施加在工件表面的能量受到残留液滴的影响，并能避免工件表面受到污染。此外，使用液体喷流与具有清洁及干燥效果的气体喷流，可以精确地控制对工件所提供的压应力，加上辐射束的稳定能量对工件所提供的张应力，可以精确促成裂纹的形成与成长，获得良好的切割效果，以及高度的切割重现性。
以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，该行业者可进行各种变形或变更。
权利要求
1.一种具双喷嘴的脆性工件切割设备，包含一工作台，用以将一脆性工件固定于其上；一辐射束供应单元，提供一辐射束冲击于该脆性工件的一第一表面上的一第一区域中，用以在该第一区域造成一张应力；一第一喷嘴，用以喷出一液体喷流冲击于该脆性工件的该第一表面上的一第二区域中，用以在该第二区域造成一压应力；及一第二喷嘴，用以喷出一气体喷流冲击于该脆性工件的该第一表面上的一第三区域，用以清洁干燥该第一区域、该第二区域及该第三区域，其中该张应力与该压应力使该脆性工件形成一裂纹，且该第二区域位于该第一区域与该第三区域之间。
2.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该第二区域与该第三区域部分重叠。
3.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该气体喷流由氮气、二氧化碳或空气所组成。
4.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，更包含一液体供应单元，用以供应一液体至该第一喷嘴。
5.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，更包含一气体供应单元，用以供应一气体至该第二喷嘴。
6.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，更包含一驱动装置，用以促使该工作台与该辐射束供应单元产生一相对运动。
7.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，更包含一切割路径导引单元，用以导引该裂纹沿着一预定方向形成。
8.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该液体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面。
9.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该液体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面。
10.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该液体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面。
11.如权利要求1所述的具双喷嘴的脆性工件切割设备，其特征在于，该液体喷流的一喷射方向垂直于该第一表面，且该气体喷流的一喷射方向非垂直于该第一表面。
全文摘要
本发明公开了一种具双喷嘴的脆性工件切割设备，包含一工作台、一辐射束供应单元、一第一喷嘴及一第二喷嘴。辐射束供应单元提供一辐射束冲击于固定在工作台的脆性工件的一第一表面上的一第一区域中，用以在该区域造成一张应力。第一喷嘴喷出一液体喷流冲击于第一表面上的一第二区域中，用以在该区域造成一压应力。第二喷嘴喷出一气体喷流冲击于第一表面上的一第三区域，用以清洁干燥该第一至第三区域。该张应力与该压应力使脆性工件形成一裂纹，且第二区域位于第一区域与第三区域之间。
文档编号B26F3/00GK1704213SQ200410045530
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者陈杰扶 申请人:宝丽科技集团有限公司