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系統識別號 U0002-2808201210521200
中文論文名稱 雷射切割化學剛化玻璃基板之相關製程研究
英文論文名稱 Study on The Laser Dicing of Chemically Strengthened Glass Panels
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 李昕鴻
研究生英文姓名 Shin-Hung LEE
學號 699371109
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-11
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
中文關鍵字 玻璃基板  Nd: YAG雷射  雷射切割  化學剛化 
英文關鍵字 glass panel  Nd:YAG laser  laser dicing  chemically strengthened 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於平板顯示器產業的快速發展,對於玻璃薄化與耐衝擊/防刮傷玻璃基板的需求也日趨增加。對此一些廠商已開發出可承受800 Mpa的化學剛化玻璃,這也大幅地改善了玻璃基板表面的耐衝擊與防刮傷的性質;然而,在此同時也增加了切割上的困難。使用傳統的刀輪切割化學剛化玻璃時,越厚的化學強化層,越容易造成碎屑、崩角及橫向裂紋。
本研究的目的是探討雷射切割化學剛化玻璃的可行性,並以355 nm波長的Nd:YAG雷射切割Gorilla (Corning公司)與 soda lime 的化學剛化玻璃基板,並探討雷射切割之加工參數(例如:功率密度、重複頻率、重疊率等),對於切割寬度、切割深度與所引發的中央裂紋之相互關係。
英文摘要 Owing to the fast development in flat panel display industry, the demand for thinner and more impact/scratch resistant glass panel is ever so rapidly increasing. As a result, glasses having compressive stress well above 800MPa after chemical strengthening have been successfully developed by various glass suppliers. This has greatly improved the impact/scratch resistant of glass sheets. However, it has, in the same time, made the dicing of these chemically strengthened glass plates very difficult indeed. The thicker the chemically strengthened layer on glass, the higher in tendency to generate large chippings/lateral-cracks during dicing operation by conventional dicing wheel. This research aimed to investigate the feasibility of laser dicing of chemically strengthened glass plates. A Nd:YAG laser of 355nm wavelength was used to cut chemically strengthened Gorilla (Corning) and soda lime glass plates. Efforts have been made to correlate the machining parameters such as power density, repetition rate, cutting speed to the obtained cutting width/depth and the extent of induced subsurface cracks.
論文目次 中文摘要...............................................II
英文摘要...............................................III
目錄.......................................................V
圖目錄...................................................VII
表目錄...................................................XI
第一章、緒論.......................................1
1.1前言.................................................1
1.2 研究背景........................................4
1.3 研究動機........................................6
第二章、文獻回顧...............................8
2.1雷射的發生機制.............................8
2.2 產生雷射的機制【9】……..........11
2.2.1 準分子雷射簡介.........................12
2.2.2 Nd-YAG雷射簡介.......................13
2.2.3 CO2雷射簡介..............................14
2.2.4 雷射加工機制..............................15
2.3 玻璃基板切割方法.........................17
2.3.1 傳統切割技術..............................17
2.3.2 雷射切割方法..............................20
2.4 化學強化機制.................................26
第三章、實驗方法................................27
3.1 實驗規劃..........................................27
3.2 參數選擇..........................................29
3.2.1 雷射能量.......................................29
3.2.2 材料累積能量................................29
3.2.3 能量累積速度................................29
3.3 工件斜拋............................................30
3.4加工設備.............................................31
3.5檢測設備.............................................33
3.5.1 表面檢測.........................................33
3.5.2 斜拋角度量測..................................34
3.6 玻璃材料性質.....................................36
3.7 雷射能量累積計算方法.....................38
第四章、結果與討論................................42
4.1 建立Gorilla模型…………................42
4.2 建立Soda lime模型...........................54
4.3 重疊率對於加工品質之影響…….....58
4.4 重覆頻率對於加工品質之影響…….66
4.5 切割次數對於加工品質之影響…….74
第五章、結論............................................83
參考文獻....................................................85

圖目錄
圖 1- 1、LCDLCD 產量趨勢圖【 4】 ................................ .............................. 3
圖 1- 2、刀輪切割示意圖 、刀輪切割示意圖 、刀輪切割示意圖 【5】 ................................ ............................... 4
圖 1- 3、TFTTFT -LCDLCD 應用圖【 6】 ................................ .............................. 5
圖 1- 4、2009200920092009~2012 年全球玻璃基板市場規模趨勢分析【 年全球玻璃基板市場規模趨勢分析【 年全球玻璃基板市場規模趨勢分析【 年全球玻璃基板市場規模趨勢分析【 年全球玻璃基板市場規模趨勢分析【 7】 .......... 5
圖 1- 5、玻璃基板流程比較【 、玻璃基板流程比較【 、玻璃基板流程比較【 、玻璃基板流程比較【 6】 ................................ ........................... 7
圖 1- 6、手機用玻璃面板 、手機用玻璃面板 、手機用玻璃面板 ................................ ................................ ......... 7
圖 2- 1、受激吸收【 受激吸收【 受激吸收【 10 】 ................................ ................................ ......... 9
圖 2- 2、自發放射【 自發放射【 自發放射【 10 】 ................................ ................................ ....... 10
圖 2- 3、激發雷射【 激發雷射【 激發雷射【 10 】 ................................ ................................ ....... 10
圖 2- 4、雷射結構示意圖【 雷射結構示意圖【 雷射結構示意圖【 10 】 ................................ ........................... 11
圖 2- 5、CO 2雷射與 雷射與 YAGYAGYAG雷射打在玻璃上的差異 雷射打在玻璃上的差異 雷射打在玻璃上的差異 雷射打在玻璃上的差異 【16 】 ................. 15
圖 2- 6、光熱與解效應示意圖 、光熱與解效應示意圖 、光熱與解效應示意圖 、光熱與解效應示意圖 【19 】 ................................ ............... 16
圖 2- 7、刀輪切割示意圖【 、刀輪切割示意圖【 、刀輪切割示意圖【 21 】 ................................ ........................... 17
圖 2- 8、切割動作示意圖 、切割動作示意圖 、切割動作示意圖 【24 】 ................................ ........................... 18
圖 2- 9、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 、切割玻璃用鑽石刀輪與後裂紋示意圖 ................... 19
圖 2- 10 、刀輪切割裂紋示意圖 刀輪切割裂紋示意圖 刀輪切割裂紋示意圖 刀輪切割裂紋示意圖 ................................ ............................. 20
圖 2- 11 、水與雷射的交互作用【 、水與雷射的交互作用【 、水與雷射的交互作用【 、水與雷射的交互作用【 25 】 ................................ ................. 21
圖 2- 12 、先行預彎玻璃基板 、先行預彎玻璃基板 、先行預彎玻璃基板 【27 】 ................................ ..................... 21
圖 2- 13 、以冷卻水柱加上雷射掃描 、以冷卻水柱加上雷射掃描 、以冷卻水柱加上雷射掃描 、以冷卻水柱加上雷射掃描 【27 】 ................................ ......... 21
圖 2- 14 、噴水冷卻系統 、噴水冷卻系統 、噴水冷卻系統 【28 】 ................................ ............................. 22
圖 2- 15 、雷射掃描應力圖【 、雷射掃描應力圖【 、雷射掃描應力圖【 28 】 ................................ ......................... 22
圖 2- 16 、流體輔助 、流體輔助 CO 2 雷射加工圖 雷射加工圖 【30 】 ................................ ........ 23
圖 2- 17 、BHF BHF 對矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 矽玻璃熱影響區與非的蝕刻速率 【31 】 ................................ ................................ ........................... 23
圖 2- 18 、熱權函數分布示意圖 、熱權函數分布示意圖 、熱權函數分布示意圖 、熱權函數分布示意圖 【33 】 ................................ ................. 24
圖 2- 19 、離焦加工示意圖 離焦加工示意圖 離焦加工示意圖 ................................ ................................ ..... 25
圖 2- 20 、離子交換示意圖 離子交換示意圖 離子交換示意圖 ................................ ................................ ..... 26
圖 3- 1、實驗規劃圖 實驗規劃圖 實驗規劃圖 ................................ ................................ ............... 27
圖 3- 2、實驗流程圖 、實驗流程圖 、實驗流程圖 ................................ ................................ ............... 28
圖 3- 3、斜拋治具與光機示意圖 斜拋治具與光機示意圖 斜拋治具與光機示意圖 斜拋治具與光機示意圖 ................................ ....................... 30
圖 3- 4、斜拋工件示意圖 斜拋工件示意圖 斜拋工件示意圖 ................................ ................................ ....... 31
圖 3- 5、AVIA 355AVIA 355AVIA 355 AVIA 355 AVIA 355AVIA 355-14 【33 】 ................................ ................................ . 32
圖 3- 6、功率曲線 、功率曲線 【33 】 ................................ ................................ ....... 33
圖 3- 7、光學顯微鏡 光學顯微鏡 光學顯微鏡 Olympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51M Olympus BX51MOlympus BX51MOlympus BX51M ................................ ................. 34
圖 3- 8、共軛焦顯微鏡 共軛焦顯微鏡 共軛焦顯微鏡 ................................ ................................ ........... 35
圖 3- 9、 α-step step step step step 表面輪廓儀 ................................ ................................ . 35
圖 3- 10 、Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla Corning Gorilla 玻璃穿透率 【34 】 ................................ ..... 37
圖 3- 11 、Sodalime Sodalime Sodalime Sodalime Sodalime Sodalime Sodalime Sodalime 玻璃穿透率 玻璃穿透率 ................................ ............................ 37
圖 3- 12 、連續雷射與脈衝示意圖【 、連續雷射與脈衝示意圖【 、連續雷射與脈衝示意圖【 、連續雷射與脈衝示意圖【 、連續雷射與脈衝示意圖【 、連續雷射與脈衝示意圖【 19 】 ................................ ..... 38
圖 3- 13 、AVIA 355AVIA 355AVIA 355 AVIA 355AVIA 355AVIA 355AVIA 355AVIA 355-14 的相關參數 的相關參數 ................................ ................... 39
圖 3- 14 、雷射脈衝功率與時間關係圖 、雷射脈衝功率與時間關係圖 、雷射脈衝功率與時間關係圖 、雷射脈衝功率與時間關係圖 、雷射脈衝功率與時間關係圖 ................................ ................. 39
圖 3- 15 、兩發雷射示意圖 兩發雷射示意圖 兩發雷射示意圖 ................................ ................................ ..... 40
圖 4- 1、重疊率與切割寬度關係圖 、重疊率與切割寬度關係圖 、重疊率與切割寬度關係圖 、重疊率與切割寬度關係圖 ................................ ....................... 43
圖 4- 2、單位面積 、單位面積 能量累積與重疊率關係圖 能量累積與重疊率關係圖 能量累積與重疊率關係圖 能量累積與重疊率關係圖 ................................ ....... 43
圖 4- 3、重疊光斑大小示意圖 、重疊光斑大小示意圖 、重疊光斑大小示意圖 、重疊光斑大小示意圖 ................................ ............................... 44
圖 4- 4、重疊率與光斑寬度關係圖 、重疊率與光斑寬度關係圖 、重疊率與光斑寬度關係圖 、重疊率與光斑寬度關係圖 、重疊率與光斑寬度關係圖 、重疊率與光斑寬度關係圖 ................................ ............... 44
圖 4- 5、重疊率與光斑長度關係圖 、重疊率與光斑長度關係圖 、重疊率與光斑長度關係圖 、重疊率與光斑長度關係圖 、重疊率與光斑長度關係圖 、重疊率與光斑長度關係圖 ................................ ............... 45
圖 4- 6、斜拋 GorillaGorillaGorilla GorillaGorillaGorilla情況 I ................................ ................................ ... 46
圖 4- 7、情況 I斜拋映射示意圖 斜拋映射示意圖 斜拋映射示意圖 ................................ ............................ 47
圖 4- 8、斜拋 GorillaGorillaGorilla GorillaGorillaGorilla情況 II ................................ ................................ .. 48
圖 4- 9、情況 II 斜拋映射示意圖 斜拋映射示意圖 斜拋映射示意圖 ................................ .......................... 49
圖 4- 10 、情況 I、II 3D II 3D 示意圖 ................................ ............................. 50
圖 4- 11 、情況 I、II 熱影響區 示意圖 ................................ ................... 50
圖 4- 12 、斜拋 GorillaGorillaGorillaGorillaGorillaGorillaGorilla情況 III III ................................ ............................... 51
圖 4- 13 、情況 III 3D III 3DIII 3DIII 3D示意圖 ................................ .............................. 52
圖 4- 14 、情況 III 熱影響區示意圖 熱影響區示意圖 ................................ ....................... 53
圖 4- 15 、情況 III 斜拋映射示意圖 斜拋映射示意圖 ................................ ....................... 53
圖 4- 16 、不同情況與切割寬度關係圖 、不同情況與切割寬度關係圖 、不同情況與切割寬度關係圖 、不同情況與切割寬度關係圖 、不同情況與切割寬度關係圖 ................................ ................. 54
圖 4- 17 、Soda lime Soda limeSoda lime Soda limeSoda limeSoda limeSoda lime情況 I ................................ ................................ ...... 55
圖 4- 18 、Soda lime Soda limeSoda lime Soda limeSoda limeSoda limeSoda lime情況 II ................................ ................................ .... 56
圖 4- 19 、Soda lime Soda limeSoda lime Soda limeSoda limeSoda limeSoda lime情況 III ................................ ................................ ... 57
圖 4- 20 、不同重疊率下 不同重疊率下 不同重疊率下 10.6 W/mm10.6 W/mm10.6 W/mm 10.6 W/mm10.6 W/mm10.6 W/mm10.6 W/mm2 OM 圖 ................................ ....... 59
圖 4- 21 、不同速度下 不同速度下 不同速度下 4.14.1 W/mmW/mmW/mmW/mm2 OM 圖 ................................ ............. 60
圖 4- 22 、不同重疊率下 不同重疊率下 不同重疊率下 3.43.43.4 W/mmW/mmW/mmW/mm2 OM 圖 ................................ ......... 61
圖 4- 23 、不同重疊率下的寬度變化 不同重疊率下的寬度變化 不同重疊率下的寬度變化 不同重疊率下的寬度變化 ................................ ..................... 62
圖 4- 24 、不同重疊率下深度的變化 不同重疊率下深度的變化 不同重疊率下深度的變化 不同重疊率下深度的變化 ................................ ..................... 63
圖 4- 25 、切割線寬減去裂紋度 切割線寬減去裂紋度 切割線寬減去裂紋度 切割線寬減去裂紋度 ................................ ......................... 64
圖 4- 26 、雷射能量擴散示意圖 、雷射能量擴散示意圖 、雷射能量擴散示意圖 、雷射能量擴散示意圖 ................................ ............................. 65
圖 4- 27 27 27 不同重疊率示意圖 不同重疊率示意圖 ................................ ................................ ... 65
圖 4- 28 、掃描速度與重疊率關係圖 、掃描速度與重疊率關係圖 、掃描速度與重疊率關係圖 、掃描速度與重疊率關係圖 ................................ ..................... 66
圖 4- 29 、不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 30kHz OM30kHz OM30kHz OM30kHz OM30kHz OM 30kHz OM30kHz OM圖 ................................ ..... 68
圖 4- 30 、不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 70kHz OM70kHz OM70kHz OM70kHz OM70kHz OM 70kHz OM70kHz OM圖 ................................ ..... 69
圖 4- 31 、不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 不同速度下重覆頻率 100kHz OM100kHz OM100kHz OM100kHz OM100kHz OM100kHz OM 100kHz OM100kHz OM圖 ................................ ... 70
圖 4- 32 、切割深度趨勢圖 切割深度趨勢圖 切割深度趨勢圖 ................................ ................................ ..... 71
圖 4- 33 、切割寬度趨勢圖 切割寬度趨勢圖 切割寬度趨勢圖 ................................ ................................ ..... 71
圖 4- 34 、不同重複頻率能量分佈示意圖 、不同重複頻率能量分佈示意圖 、不同重複頻率能量分佈示意圖 、不同重複頻率能量分佈示意圖 、不同重複頻率能量分佈示意圖 、不同重複頻率能量分佈示意圖 ................................ ............. 73
圖 4- 35 、腐蝕前後差異圖 、腐蝕前後差異圖 、腐蝕前後差異圖 ................................ ................................ ..... 75
圖 4- 36 、4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm4.3 W/mm2 / 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz/ 20 kHz加工 OM 圖 ................................ ........... 76
圖 4- 37 、8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm8.7 W/mm2 / 40 kHz/ 40 kHz / 40 kHz/ 40 kHz/ 40 kHz/ 40 kHz/ 40 kHz加工 OM圖 ................................ .......... 77
圖 4- 38 、13.5 W/mm13.5 W/mm13.5 W/mm 13.5 W/mm13.5 W/mm13.5 W/mm13.5 W/mm2/ 60 kHz/ 60 kHz / 60 kHz 加工 OM 圖 ................................ ......... 78
圖 4- 39 、20.5 W/mm20.5 W/mm20.5 W/mm 20.5 W/mm20.5 W/mm20.5 W/mm20.5 W/mm2 /80khz/80khz/80khz/80khz/80khz/80khz加工 OM 圖 ................................ ............ 79
圖 4- 40 、離焦 OM 圖 ................................ ................................ ............. 81
圖 4- 41 41 41 試片離焦圖 試片離焦圖 ................................ ................................ ............... 81
圖 4- 42 、切割深度成長率 、切割深度成長率 、切割深度成長率 ................................ ................................ ..... 82

表目錄
表 1- 1、各種切割方式比較【 各種切割方式比較【 各種切割方式比較【 各種切割方式比較【 6】 ................................ ........................... 2
表 1- 2、雷射之應用領域【 、雷射之應用領域【 、雷射之應用領域【 3】 ................................ ............................... 3
表 2- 1、各種氣體激發雷射波長 、各種氣體激發雷射波長 、各種氣體激發雷射波長 、各種氣體激發雷射波長 【11 】 ................................ ............... 13
表 3- 1、機台相關參數 、機台相關參數 、機台相關參數 【33 】 ................................ ............................... 32
表 3- 2、實驗用玻璃機械性質【 實驗用玻璃機械性質【 實驗用玻璃機械性質【 實驗用玻璃機械性質【 33 】 ................................ ................... 36
表 4- 1、重覆率與疊次數 、重覆率與疊次數 、重覆率與疊次數 ................................ ................................ ... 45
表 4- 2、不同掃描速度參數設置 不同掃描速度參數設置 不同掃描速度參數設置 不同掃描速度參數設置 ................................ ........................... 58
表 4- 3、重疊率與速度關係表 、重疊率與速度關係表 、重疊率與速度關係表 、重疊率與速度關係表 ................................ ............................... 67
表 4- 4、不同切割次數示意圖 不同切割次數示意圖 不同切割次數示意圖 不同切割次數示意圖 ................................ ............................... 74
表 4- 5、裂紋寬度表 裂紋寬度表 裂紋寬度表 ................................ ................................ ............... 80
表 4- 6、切割深度表 、切割深度表 、切割深度表 ................................ ................................ ............... 82
參考文獻 參考文獻
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