刻劃脆性材料板的方法
【專利說明】刻劃脆性材料板的方法
[0001]本發明專利申請是申請日為2010年2月23日，申請號為201010126438.6，發明名稱為“刻劃脆性材料板的方法”的發明專利申請的分案申請。
[0002]優先權聲明
[0003]本申請要求2009年2月24日提交的美國申請系列第12/391565號的權益。該文件的內容以及本文提及的出版物、專利和專利文件的完整內容均通過參考并入本文。
技術領域
[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展的玻璃板刻劃方法。
【背景技術】
[0005]刻劃玻璃常使用機械工具。或者，也可用激光束，如波長為10.6 μ m的0)2激光束。通過激光加熱產生熱沖擊，從而在玻璃中產生瞬時拉伸應力之后，通常要立即迅速冷卻玻璃。
[0006]在激光刻劃過程中產生的中間裂紋(即局部開孔(vent))向玻璃體內部延伸。為產生開孔，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，該初始裂痕轉變為開孔并擴展開來。所述初始裂痕可通過不同方法形成。例如，所述裂痕可利用激光脈沖或機械工具如劃線器、刻劃輪、刻痕器等引入。
[0007]用激光束加熱玻璃會產生熱梯度和相應的應力場，在該應力場作用下形成開孔并擴展。若用冷卻劑使受熱玻璃快速冷卻，誘導的熱應力會進一步增加。不過，開孔的擴展會受玻璃中背景應力(例如內應力和在刻劃過程中搬運或固持玻璃板時可能施加在板上的應力)的影響。當在剛形成而正在冷卻的玻璃上進行激光刻劃時，例如當從熔體物質拉出玻璃板后立即進行激光刻劃時，所述背景應力會變成重要影響因素。在除去拉制玻璃板時可能形成的球狀玻璃板邊緣(珠狀部)的過程中，尤其如此。舉例而言，在玻璃形成過程中產生的厚度差異，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域的應力累積，都可能導致玻璃中產生內應力。此外，在玻璃搬運過程中，用來搬運玻璃的夾具或/和吸杯會導致玻璃板變形(彎折、扭曲)，從而在玻璃上施加應力。若背景應力足夠高，可能導致裂紋發生不可控擴展，所述擴展從初始裂痕所在的玻璃板邊緣開始，在激光束到達玻璃板邊緣時偏離所需的刻劃方向。簡而言之，激光束引起的熱應力可能引發在期望之外的方向上擴展的裂紋。類似地，開孔對指定刻劃線的偏離可能發生在刻劃線的另一端，激光束在此離開相對玻璃板邊緣。
【發明內容】
[0008]在一個實施方式中，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，在距該脆性材料板第一邊緣預定距離的引發點處形成裂痕；在該裂痕上照射電磁輻射束，以在所述引發點處形成開孔裂紋；橫移(traverse)所述電磁輻射束，使開孔裂紋向所述脆性材料板的第二邊緣擴展，其中在所述橫移過程中，開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點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容，可以改進對這種材料板的刻劃操作。
[0010]橫移激光束可包括使開孔裂紋擴展至與脆性材料板第二邊緣相距預定距離的終止點，使得在所述橫移過程中，開孔裂紋不擴展至第二邊緣。例如，通過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與第二邊緣之間的脆性材料板表面。不過，通過減小電磁輻射束的功率，可以防止開孔裂紋在終止點與脆性材料板第二邊緣之間擴展。為進一步改進刻劃操作，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，以增大材料板中產生的應力。
[0011]較佳的是，對引發點與第一邊緣之間的距離加以選擇，以防在所述橫移過程中，開孔裂紋與第一邊緣相交。例如，引發點與第一邊緣之間的距離可選為至少1mm，或者至少3mm。第一邊緣與引發點之間的距離應當大于掩模在材料板表面上延伸的距離。在一些情況下，可以選擇引發點，使它與第一邊緣的距離比掩模延伸距離遠約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，掩模也可與脆性材料板表面接觸。
[0012]在另一個實施方式中，描述了刻劃玻璃板的方法，該方法包括:在玻璃板表面內在距脆性材料板第一邊緣預定距離的引發點處形成裂痕；在所述引發點處將激光束照射在玻璃板表面上，形成開孔裂紋；橫移所述激光束，使開孔裂紋向第二邊緣擴展，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點與第一邊緣之間的玻璃板表面。
[0013]在下面結合附圖所作的解釋性而非限制性描述中，本發明將更容易理解，本發明的其他目標、特性、細節和優點也將變得更顯而易見。其他所有這樣的系統、方法、特征和優點都涵蓋在本描述和本發明的范圍之內，受所附權利要求的保護。
【附圖說明】
[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點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，顯示了在引發點處引發的開孔裂紋的擴展情況。
[0018]圖5是圖2所示玻璃板的正視圖，顯示了采用兩個掩模的情況，其中一個掩模靠近引發點，第二個掩模靠近終止點。
【具體實施方式】
[0019]在以下詳細描述中，出于解釋而非限制的目的，給出了揭示具體細節的示例性實施方式，以便透徹理解本發明。然而，對于已經了解本發明益處的本領域普通技術人員來說，顯而易見的是，本發明可以其他偏離本文所述具體細節的實施方式實施。此外，本文省去了對已知設備、方法和材料的描述，以免干擾對本發明的描述。最后，只要適用，相同的附圖標記表示相同的對象。
[0020]本文所用術語“刻劃線”表示用于產生劃痕的所需或指定的路徑。
[0021]本文所用術語“開孔”或“開孔裂紋”表示脆性材料中向材料表面開放的長裂紋。開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玻璃板進行刻劃。在機械刻劃法中，劃痕是用機械接觸工具形成的，如激光束劃線器、碳化物劃線器或刻劃輪。所得劃痕為開孔裂紋在整個玻璃體中擴展提供了起點。
[0024]在一個示例性激光刻劃法中，用激光沿指定刻劃線加熱玻璃，在玻璃中產生足夠的熱應力，從而在初始裂痕處形成開孔裂紋。然后，讓激光束在玻璃表面上方橫移，開孔裂紋隨著橫移的激光束產生的應力場，產生劃痕。
[0025]劃痕產生之后，通常沿劃痕對材料施加應力。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力。所述應力集中在劃痕上(開孔裂紋的頂端)，促使開孔裂紋在玻璃的剩余厚度部分擴展，從而將玻璃分離。
[0026]在實際中，玻璃通常包括永久性內應力和瞬時應力，所述永久性內應力在制造過程中就固定(frozen)在玻璃板內，而瞬時應力源自例如在特定刻劃過程中支承玻璃板的方式。若這些應力(背景應力)足夠高，則玻璃板中形成的氣孔裂紋將依據玻璃板中的內應力場產生響應，難以得到沿著指定路徑的劃痕(也難以實現后續玻璃板分離)。
[0027]制造玻璃板的一種方法是熔合下拉法，之所以叫這個名稱是因為玻璃流體被分為兩股獨立的熔融玻璃流，它們在形成體上流過；然后，這兩股物流在形成體底部重新接合(即熔合)，產生玻璃板。結合圖1可以更清楚地理解這一點，該圖顯示了一個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度后會合于根部28的交會形成表面26a和26b。熔融玻璃30被引入槽22后，在形成體兩側從側壁24上溢流，產生兩股獨立的熔融玻璃流，所述熔融玻璃流向下流過形成體。這兩股熔融玻璃流從交會形成表面26a和26b上流過，會合于根部28。這兩股物流在根部重新融合(即熔合)，在根部產生單股物流，自根部向下流動，形成原始(pristine)玻璃帶32。與形成體表面(例如交會形成表面)接觸的恪融玻璃處于所得玻璃帶的內側部分，而玻璃帶的外側表面未與形成表面接觸。
[0029]處于下行的玻璃帶內的表面張力會導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)沿著帶寬方向產生與向內的表面張力相反的張力，幫助控制帶寬。然后，在根部下方的某個位置刻劃(虛線36)玻璃帶，沿帶寬方向將其分成獨立的玻璃板或塊38。
[0030]在許多情況下，至少出于幾個理由，除去分離的玻璃板38的邊緣部分40除去。首先，它們不符合商業應用對玻璃板整體厚度的要求