專利名稱：在升高溫度下的玻璃的激光刻痕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及玻璃板和樣條的激光刻痕，尤其涉及其中一部分或全部刻痕線透過處于升高的溫度(即高于室溫的溫度)的玻璃的激光刻痕。定義為了易于說明，在后面的說明書和權(quán)利要求書中，除了專門指出外，術(shù)語“玻璃板” 一般用來指示單塊玻璃板和玻璃樣條兩者。
背景技術(shù)：
玻璃的刻痕通常使用機械刀具來完成。然而，存在使用激光器輻射的替代方案，例如在10.6μπι波長下的CO2激光器輻射以加熱玻璃并經(jīng)由溫度梯度形成抗拉應(yīng)力。將激光 ^Hffl^- !! "Method and apparatus for breaking brittle materials ( ￠-碎脆性材料的方法和裝置)”的共同轉(zhuǎn)讓美國專利No. 5，776，220以及題為“Control of median crack depth in laser scoring(激光刻痕中的中間裂縫深度的控制)”的美國專利No. 6，327，875中有記載，這兩篇文獻(xiàn)全篇地援引包含于此。如圖9所示，在激光刻痕期間，中間裂縫(也稱部分通風(fēng)槽或簡稱為通風(fēng)槽)形成在玻璃板112沿刻痕線115的主表面114上。為了形成該通風(fēng)槽，小型原始裂紋111在玻璃表面的一個邊附近形成在該玻璃表面上，該原始裂紋111隨后通過跨玻璃表面?zhèn)鞑バ纬蔀楣馐?13的激光121并隨后冷卻通過冷卻噴嘴119產(chǎn)生的區(qū)域而轉(zhuǎn)換成通風(fēng)孔。用激光束對玻璃加熱并在這之后立刻用冷卻液急冷形成熱梯度和相應(yīng)的應(yīng)力場，這是原始裂紋傳播以形成通風(fēng)孔的原因。激光束113和冷卻面積(急冷區(qū))之間的關(guān)系更詳細(xì)地示出于圖10，其中光束的傳播方向和相對于玻璃表面的冷卻面積由附圖標(biāo)記17表示。在該附圖中，激光束在玻璃表面上的長度是“b”而激光束的尾邊緣和冷卻面積15的前緣之間的間隔為“L”。與激光刻痕關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)之一是玻璃板內(nèi)殘留應(yīng)力的問題。該應(yīng)力在玻璃板擬用作顯示設(shè)備的基板的情形下具有尤為明顯的問題。許多顯示設(shè)備，例如TFT-LCD面板和有機發(fā)光二極管(OLED)面板，是直接制造在玻璃基板上的。為了提高產(chǎn)率和降低成本，典型的面板制造工藝同時在單個基板或基板的子零件上形成多個面板。在這些工藝的各個階段， 基板沿切割線被機械分割成多個部分。當(dāng)玻璃是真空平坦的板時，這種機械分割改變了玻璃內(nèi)的應(yīng)力分布，尤其是面內(nèi)應(yīng)力分布。更尤其地，由于切割邊表現(xiàn)為無推移(traction free)的，因此分割釋放了在切割線處的板內(nèi)殘留應(yīng)力。該應(yīng)力釋放一般導(dǎo)致真空平板形的玻璃子零件中變化，也就是被顯示器制造者稱為“形變”的現(xiàn)象。盡管作為應(yīng)力釋放結(jié)果的形狀變化量一般非常小，然而鑒于現(xiàn)代顯示器中使用的像素結(jié)構(gòu)，起因于從較大玻璃板機械分割各面板的形變大到足以導(dǎo)致可觀數(shù)量的帶缺陷 (不合格)顯示器。因此，形變問題是顯示器制造者的重大利害因素，并且關(guān)于允許形變的標(biāo)準(zhǔn)可低至2微米或更小。當(dāng)執(zhí)行該機械分割時產(chǎn)生的形變量依賴于玻璃板中的殘留應(yīng)力，較低程度的殘留應(yīng)力產(chǎn)生較小的形變。由于激光刻痕依靠加熱玻璃來產(chǎn)生應(yīng)力場，因此在施加足夠熱以產(chǎn)生足夠應(yīng)力以取得可再生通風(fēng)槽和施加尚不那么多的熱以大量增加正被刻痕的玻璃板內(nèi)的殘留應(yīng)力之間存在與生俱來的矛盾。除了形變問題，殘留應(yīng)力對于當(dāng)將激光刻痕的玻璃板分割成兩個子零件時產(chǎn)生的邊緣的質(zhì)量也是重要的。高程度的殘留應(yīng)力已關(guān)聯(lián)于具有相對低強度和糟糕質(zhì)量的邊緣， 例如裂片和微觀裂縫。也已發(fā)現(xiàn)，在玻璃邊緣附近的高殘留應(yīng)力可造成邊緣質(zhì)量的逐步惡化，也就是剝蝕或脫層，該逐步惡化在刻痕后的一段時間出現(xiàn)或可由外部沖擊引起。盡管玻璃的激光刻痕已經(jīng)是大量研究和研發(fā)努力的課題，然而時至今日這些努力仍然局限于在玻璃板處于室溫的情形下對單個玻璃板刻痕。此外，玻璃板內(nèi)的溫度分布已變得均一。因此，業(yè)內(nèi)對于具有升高溫度和/或不均勻溫度分布的玻璃板是否能使用激光器成功刻痕仍然沒有答案。事實上，甚至對于當(dāng)在升高溫度下執(zhí)行刻痕時是應(yīng)當(dāng)提高、降低還是保持激光束功率的基本問題，也沒有給出答案。撇開該定性的問題不說，關(guān)于當(dāng)在升高溫度下對玻璃板刻痕時應(yīng)當(dāng)對室溫激光刻痕作出修正的定量信息也不存在。由于升高溫度下的激光刻痕在例如從玻璃樣條分離單塊玻璃板和/或修整分離的各板的邊緣(卷邊)的場合下是重要的，因此定量信息的缺乏已限制了激光刻痕在例如玻璃板用作顯示器領(lǐng)域的基板的玻璃板制造中的使用。本公開彌補了業(yè)內(nèi)的不足并尤其提供一些易于使用的定量技術(shù)以針對任何特定的刻痕速度、刻痕設(shè)備(例如激光器波長、激光束尺寸、激光束形狀、冷卻面積尺寸、冷卻面積形狀、冷卻面積溫度、激光束-冷卻面積間距等)、玻璃屬性(例如厚度、CTE、楊氏模量、 化學(xué)組成等)以及玻璃溫度和溫度分布(例如均一、線性、非線性及其組合)的組合選擇激光束功率級。

發(fā)明內(nèi)容
披露一種使用激光束(113)沿刻痕線(31、115)對玻璃板(27、45、112)刻痕的方法，其中對于刻痕線(31、115)的至少一部分，玻璃在施加激光束(113)之前處于高于室溫的溫度下，該方法包括(a)沿刻痕線(31,115)平移激光束(113)；以及(b)與激光束(113) —前一后地在刻痕線(31、115)上平移冷卻面積(15)；其中激光束(113)的加熱對玻璃板07、45、112)中的通風(fēng)槽的形成作出貢獻(xiàn)，并選擇激光束(11 的功率以使⑴玻璃表面(114)在激光束(113)下的溫度低于或等于玻璃的應(yīng)變點；以及(ii)激光束的功率滿足下列關(guān)系0. 85 ( α - β Tprior (χ))彡 P (χ)彡 1· 10 ( α - β Tprior (χ))其中χ代表沿刻痕線(31、115)的距離，Ρ(χ)是沿刻痕線(31、115)的激光束的功率，是在施加激光束(113)之前沿刻痕線(31、115)以攝氏度表示的玻璃溫度，對于χ的至少一個值，Tprior(X) > 25 V (例如對于χ的至少一個值，Tprior(x)彡600C )，并且 α和β是正的常數(shù)。另外，披露一種沿刻痕線(31、11幻對玻璃板(27、45、11幻刻痕的裝置，該裝置包括(a)產(chǎn)生激光束(113)的激光器(37)；(b)檢測器(33)，該檢測器(33)檢測玻璃板(27、45、112)的表面(114)在至少一個位置的溫度；以及(c)操作地連接(39,41)于激光器(37)和檢測器(33)的控制器(35)，該控制器 (35)基于由檢測器(33)測得的玻璃板07、45、112)的表面(114)在至少一個位置的溫度來調(diào)整激光束(113)的功率P。此外，披露一種沿刻痕線(31、11幻對玻璃板(27、45、11幻刻痕的裝置，該裝置包括(a)產(chǎn)生激光束(113)的激光器(37)；以及(b)操作地(41)連接于激光器(37)的控制器(35)；其中(i)控制器(35)將刻痕線(31、115)分割成多個區(qū)段；以及(ii)控制器(35)調(diào)整激光束(113)的目標(biāo)(規(guī)定)功率以使目標(biāo)功率對于每個區(qū)段是恒定的。在以上本公開的各方面的概要中使用的附圖標(biāo)記僅僅用于方便讀者，而不打算且不應(yīng)該解釋為限制本發(fā)明的范圍。更一般而言，可以理解，以上的一般描述和以下的詳細(xì)描述兩者僅僅是對本發(fā)明的示例性說明，并且它們旨在提供用于理解本發(fā)明的本質(zhì)和特性的概觀或框架。在之后的詳細(xì)描述中闡述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，且本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)該描述將容易地理解部分特征和優(yōu)點，或者通過實施本文所述的發(fā)明而意識到部分特征和優(yōu)點。所包括的附圖用于提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，且被結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成其一部分。要理解，在說明書和附圖中揭示的本發(fā)明的各個特征可以任何和全部組合形式使用。借助非限定示例，這些實施例的各個特征可如下面各個方面中描述的那樣被組
I=I O根據(jù)第一方面，這里提供一種使用激光束沿刻痕線對玻璃板刻痕的方法，其中對于刻痕線的至少一部分，玻璃在施加激光束之前處于高于室溫的溫度，該方法包括(a)沿刻痕線平移激光束；以及(b)與激光束一前一后地在刻痕線上平移冷卻面積；其中激光束的加熱對玻璃板中的通風(fēng)槽的形成作出貢獻(xiàn)，并選擇激光束的功率以使(i)在激光束下的玻璃表面的溫度低于或等于玻璃的應(yīng)變點；以及(ii)該激光束的功率滿足下列關(guān)系0. 85 ( α - β Tprior (χ))彡 P (χ)彡 1· 10 ( α - β Tprior (χ))其中χ代表沿刻痕線的距離，Ρ(χ)是沿刻痕線的激光束的功率，Τρ_(Χ)是在施加激光束之前沿刻痕線以攝氏度表示的玻璃溫度，對于χ的至少一個值，Tprior(x) >25°C，并且α和β是正的常數(shù)。根據(jù)第二方面，這里提供方面1的方法，其中激光束的功率滿足下列關(guān)系0. 90 ( α - β Tprior (χ))彡 P (χ)彡 1· 05 ( α - β Tprior (χ)).根據(jù)第三方面，這里提供方面1的方法，其中α和β是通過在多個玻璃溫度下測量產(chǎn)生可重復(fù)刻痕的最低激光功率并將這些測得的激光功率擬合到線性函數(shù)而確定的。根據(jù)第四方面，這里提供方面3的方法，其中多個玻璃溫度包括室溫和高于室溫的至少兩個溫度。根據(jù)第五方面，這里提供方面1的方法，其中Tphot(X)是常數(shù)。根據(jù)第六方面，這里提供方面1的方法，其中Tphot(X)是χ的線性函數(shù)。根據(jù)第七方面，這里提供方面1的方法，其中Tphot(X)是χ的非線性函數(shù)。根據(jù)第八方面，這里提供方面1的方法，其中(i)Tprior (χ)是非常數(shù)；以及(ii)玻璃表面在激光束下的溫度是基本恒定的。根據(jù)第九方面，這里提供方面1的方法，其中對于所有X，Tprior(X)滿足下列關(guān)系Tstrain-Tprior(X)彡 100°C，其中Tsteain是以攝氏度表示的玻璃應(yīng)變點。根據(jù)第十方面，這里提供方面1的方法，其中，對于所有X，玻璃表面在激光束下的溫度Tbeam(X)滿足下列關(guān)系Tbeaffl(x)-Tprior(x)其中Tbeam(X)以攝氏度表示。根據(jù)第十一方面，這里提供方面1的方法，其中(i)刻痕線被分成多個區(qū)段；(ii)將平均溫度值賦予每個區(qū)段；以及(iii)P(x)在每個區(qū)段上被目標(biāo)化為常數(shù)。根據(jù)第十二方面，這里提供方面1的方法，其中(i)Tprior (χ)是針對χ的至少一個值隨時間變化而監(jiān)測的；以及(ii)對于χ的至少一個值的P(X)值是基于的監(jiān)測值受到控制的。根據(jù)第十三方面，這里提供一種沿刻痕線對玻璃板刻痕的裝置，該裝置包括(a)產(chǎn)生激光束的激光器；(b)檢測器，該檢測器檢測玻璃板的表面在至少一個位置的溫度；以及(c)操作地連接于激光器和檢測器的控制器，該控制器基于由檢測器測得的玻璃板的表面在至少一個位置的溫度來調(diào)整激光束的功率P。根據(jù)第十四方面，這里提供方面13的裝置，其中控制器調(diào)整激光束的功率以使其滿足下列關(guān)系0. 85 ( α - β Tprior)彡 P 彡 1· 10 ( α - β Tprior)其中ΤρΗ 是由檢測器在至少一個位置檢測到的以攝氏度表示的玻璃溫度，而α 和β是正的常數(shù)。根據(jù)第十五方面，這里提供方面14的裝置，其中α和β是通過在多個玻璃溫度下測量產(chǎn)生可重復(fù)刻痕的最低激光功率并將這些測得的激光功率擬合到線性函數(shù)而確定的。根據(jù)第十六方面，這里提供方面15的裝置，其中多個玻璃溫度包括室溫和高于室溫的至少兩個溫度。根據(jù)第十七方面，這里提供方面13的裝置，其中(i)控制器將刻痕線分成多個區(qū)段，(ii)檢測器檢測每個區(qū)段的至少一個溫度；以及(iii)控制器基于由檢測器檢測的區(qū)段的至少一個溫度而針對每個區(qū)段調(diào)整激光束的目標(biāo)功率，該目標(biāo)激光束功率在該區(qū)段上是恒定的。根據(jù)第十八方面，這里提供方面17的裝置，其中這些區(qū)段是等長的。根據(jù)第十九方面，這里提供一種沿刻痕線對玻璃板刻痕的裝置，該裝置包括(a)產(chǎn)生激光束的激光器；以及(b)操作地連接于激光器的控制器；其中(i)控制器將刻痕線分成多個區(qū)段，以及(ii)控制器調(diào)整激光束的目標(biāo)功率以使目標(biāo)功率對于每個區(qū)段是恒定的。根據(jù)第二十方面，這里提供方面19的裝置，其中這些區(qū)段是等長的。根據(jù)第二十一方面，這里提供一種生產(chǎn)玻璃板的方法，該方法包括生產(chǎn)玻璃樣條， 并根據(jù)方面1的方法對玻璃樣條刻痕。


圖1是平均激光束功率(垂直軸，瓦特)相對于Tprim值(水平軸，°C )的標(biāo)繪圖。 方形數(shù)據(jù)點是離線試驗值并且·數(shù)據(jù)點是使用熔拉機(FDM)在線獲得的。圖2是最大Tb·值(垂直軸，°C )相對于激光束功率(水平軸，瓦特)的標(biāo)繪圖。 這些數(shù)據(jù)點是建模的值。圖3是最大Tbeam值(垂直軸，°C )相對于Tpri。r值(水平軸，°C )的標(biāo)繪圖。這些數(shù)據(jù)點是建模的值。圖4是示出對于均一的背景玻璃溫度(亮陰影柱)在激光刻痕過程中玻璃表面溫度(垂直軸，任意單位)相對于沿刻痕線的距離(水平軸，任意單位)的圖。激光束對玻璃表面溫度的作用通過暗陰影柱來表示。在該附圖中，激光束作用是恒定的。圖5是示出對于有梯度的背景玻璃溫度(亮陰影柱)在激光刻痕過程中玻璃表面溫度(垂直軸，任意單位)相對于沿刻痕線的距離(水平軸，任意單位)的圖。激光束對玻璃表面溫度的作用通過暗陰影柱來表示。在該附圖中，激光束作用是恒定的。圖6是示出對于有梯度的背景玻璃溫度(亮陰影柱)在激光刻痕過程中玻璃表面溫度(垂直軸，任意單位)相對于沿刻痕線的距離(水平軸，任意單位)的圖。激光束對玻璃表面溫度的作用通過暗陰影柱來表示。在該附圖中，激光束作用是基于背景玻璃溫度的局部值受到控制的。圖7是示出對于任意背景玻璃溫度(亮陰影柱)在激光刻痕過程中玻璃表面溫度 (垂直軸，任意單位)相對于沿刻痕線的距離(水平軸，任意單位)的圖。激光束對玻璃表面溫度的作用通過暗陰影柱來表示。在該附圖中，激光束作用是基于背景玻璃溫度的局部值受到控制的。圖8是示出可用來檢測玻璃表面溫度并調(diào)整激光束功率值的控制系統(tǒng)的示意圖。圖9是示出玻璃板的激光束刻痕的示意圖。圖10是示出激光束113和關(guān)聯(lián)的冷卻面積15之間在玻璃表面處的關(guān)系的示意圖。
具體實施例方式基于試驗研究，已發(fā)現(xiàn)玻璃板的溫度影響到激光刻痕工藝的基本工藝變量，包括激光束功率、急冷效率和刻痕速度。另外，當(dāng)玻璃處于升高溫度時，其溫度分布一般是不均一的并且該分布隨時間變化。具體地說，當(dāng)玻璃變冷時，尤其因為例如空氣在玻璃四周流動的環(huán)境因素以及不同的玻璃厚度，例如在通過溢流熔拉工藝生產(chǎn)的玻璃樣條的情形下，樣條的邊緣(卷邊)比中央?yún)^(qū)域(質(zhì)量區(qū))更厚，玻璃的溫度不均勻地下降。源自這些不均一質(zhì)量分布的溫度梯度形成玻璃中的應(yīng)力圖案，該應(yīng)力圖案可以是張力區(qū)和壓力區(qū)的復(fù)雜組合，它可隨時間變化并當(dāng)玻璃最后達(dá)到室溫時最終導(dǎo)致殘留應(yīng)力。例如，通過溢流熔拉工藝制成的玻璃樣條通常是在大約1000°C范圍內(nèi)的溫度下形成的，并且該溫度在樣條到達(dá)各玻璃板的刻痕和分離發(fā)生的抽拉底部(BOD)前下降大約 700°C，例如至300°C。即使從各玻璃板去除卷邊部分也牽涉到高于室溫問題，不管是就玻璃底部溫度而言還是玻璃板上部處于比底部更高溫度這一事實而言。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知那樣，對激光刻痕起到作用的工藝變量的數(shù)目很大，因此暗示修正在室溫條件下形成的刻痕工藝以使其用于升高的溫度將是前景堪憂的。然而，根據(jù)本公開，已發(fā)現(xiàn)單個主要變量，尤其是激光束功率，能用來實現(xiàn)從室溫刻痕至升高溫度刻痕的轉(zhuǎn)變。此外，用于任何特定玻璃溫度的激光束功率的值可容易地從通過激光刻痕設(shè)備執(zhí)行的有限次試驗以及擬在升高溫度下刻痕的玻璃板的類型來確定。應(yīng)當(dāng)注意，試驗中使用的設(shè)備和玻璃板不需要與升高溫度下使用的設(shè)備和玻璃板相同，相反應(yīng)當(dāng)代表升高溫度的設(shè)備和玻璃板。另外，試驗中使用的刻痕速度應(yīng)當(dāng)接近將在升高溫度下使用的速度(或多個速度)，例如試驗速度應(yīng)當(dāng)具有將在升高溫度下使用的速度的士20%。關(guān)于刻痕速度，應(yīng)進(jìn)一步注意，刻痕工藝的該變量一般由其中擬執(zhí)行激光刻痕的背景所規(guī)定。例如，如果激光刻痕用于從樣條分離單塊玻璃板的場合，則刻痕必須以與樣條寬度以及各玻璃板制造的要求速率相容的速率執(zhí)行。對于這種場合，刻痕速率可例如在750 毫米/秒的數(shù)量級上。根據(jù)應(yīng)付由升高的玻璃溫度帶來的挑戰(zhàn)，刻痕速度是基本固定的參數(shù)并因此在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時只能微小地修正，如果全然如此的話。令人驚異地，已發(fā)現(xiàn)單單對激光束功率的修正能用來實時地提供玻璃板在升高溫度下的成功激光刻痕。大體地，已發(fā)現(xiàn)對于升高溫度刻痕應(yīng)當(dāng)增加冷卻液流速，然而一旦這樣做，該冷卻液流速將保持恒定并且無需將其作為控制變量。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在優(yōu)選實施例中，激光束功率被用作單獨的修正變量，然而例如激光束長度(比如圖10中的“b”)、激光束形狀(例如截短的相對于非截短的)、冷卻液流速、冷卻面積和/或激光束-冷卻面積距離(比如圖10中的“L”)之類的其它變量可與激光束功率結(jié)合地使用，如果需要的話。從另一方面看來，除了激光束功率，基于刻痕速度的組合效果的激光束停留時間、激光束長度以及激光束形狀可用來獲得升高溫度下的成功刻痕，但激光束功率仍然是優(yōu)選的可修正變量。就例如為了適應(yīng)隨刻痕線長度變化的玻璃板溫度而對激光刻痕工藝的實時調(diào)整而言，激光束功率的優(yōu)勢在于，易于通過電子方式改變并且其響應(yīng)時間短于其它可用工藝變量(例如冷卻液流速)。即使其具有較快的響應(yīng)時間，但對于沿刻痕線的可獲得空間分辨率方面仍然存在限制。然而，在實踐中，已發(fā)現(xiàn)能通過將刻痕線分成多個區(qū)段并在每個區(qū)段上保持目標(biāo)激光束功率恒定而獲得在升高溫度下成功的刻痕。區(qū)段長度可以是恒定的或在刻痕線長度上改變，例如在沿刻痕線的溫度分布最迅速地改變的位置(例如在玻璃樣條的卷邊附近)，區(qū)段長度可以較短，而在溫度分布更緩慢改變的位置(例如在橫跨樣條的質(zhì)量部分的位置)，區(qū)段長度可以較長。通過該區(qū)段化方法，通過對區(qū)段長度設(shè)定下限，能容易地適應(yīng)激光器的響應(yīng)時間， 所述下限確保激光束功率能在例如區(qū)段的最先10%之內(nèi)到達(dá)其目標(biāo)(規(guī)定的)值。除了適應(yīng)激光器的響應(yīng)時間外，該區(qū)段化方法也簡化了用于控制激光器輸出的電路。就調(diào)整激光束功率而言，已發(fā)現(xiàn)可通過在施加激光束前基于玻璃溫度Tphot(X)沿刻痕線的長度“X”調(diào)整功率P(X)以使功率滿足下列關(guān)系而實現(xiàn)在升高溫度下對玻璃板的成功刻痕0.85(α-β Tprior(X)) ^ P(x) ^ 1. 10 ( α -β Tprior (χ)) 等式(1)其中α和β是正的常數(shù)。在某些實施例中，功率滿足下列關(guān)系0.90 (α-β Tprior(X))彡 P(X)彡 1.05 (α-β Tprior(X)) 等式 O)除了滿足等式(1)和/或等式O)，激光束功率需要保持低于在激光束作用下的玻璃表面溫度將上升至高于玻璃的應(yīng)變點的水平(例如在康寧公司的fegle XG 玻璃的情形下為666°C)。如此，可防止玻璃表面過熱。這種過熱是不理想的，由于它可能燒蝕玻璃并在邊緣附近產(chǎn)生高殘留應(yīng)力，這會導(dǎo)致較低的邊緣強度、邊緣缺陷的形成以及增加的邊緣波紋和粗糙度。優(yōu)選地，α和β是使用在執(zhí)行實際激光刻痕時將被使用的刻痕設(shè)備、刻痕速度以及于之對應(yīng)的玻璃通過試驗預(yù)先確定的。然而，如果需要的話，可為此目的使用模型，該模型要么單獨使用要么與試驗研究結(jié)合地使用。作為又一種選擇，α和β可基于激光刻痕設(shè)備和/或被刻痕的玻璃有關(guān)的之前經(jīng)驗。要注意，下面闡述的包括等式(1)或等式O)的權(quán)利要求旨在覆蓋滿足這些等式的升高溫度下的激光刻痕，不管所采用的激光功率級是使用α值還是β值選擇的。也就是說，這些權(quán)利要求旨在覆蓋滿足這些等式的升高溫度下的激光刻痕，無論α和β值是在刻痕之前確定的還是在刻痕之后確定的。圖1示出用于確定α和β值的試驗方法。在該圖中，水平軸標(biāo)繪以攝氏度為單位的Τ_ ，而垂直軸標(biāo)繪以瓦特為單位的激光束功率。方形數(shù)據(jù)點表示在刻痕前溫度為20、 205、270和315°C的各玻璃板上執(zhí)行的實驗室激光刻痕試驗的結(jié)果。對于每個這些溫度，產(chǎn)生可重復(fù)刻痕的最低激光功率是用試驗確定的，并且這些功率(分別為590、450、405和345 瓦)沿圖1的垂直軸標(biāo)繪出。然后通過對該數(shù)據(jù)擬合一直線(例如圖1中的虛線)來確定 609. 4瓦的α值和0. 8瓦/°C的β值。等式⑴、⑵在預(yù)測對的任何特定值應(yīng)用的激光束功率中的有效性已使用商用規(guī)模溢流熔拉機(FDM)從試驗得到確認(rèn)。激光刻痕系統(tǒng)被安裝在機器上并用來從玻璃樣條上分離各玻璃板。激光刻痕系統(tǒng)和正被刻痕的玻璃(康寧公司的0.7mm Eagle XG 玻璃)對應(yīng)于圖1的實驗室試驗所使用的那些東西。FDM測試中采用的刻痕速度(750mm/ 秒)與實驗室試驗中使用的速度相同。在刻痕線的位置，通過FDM制造的玻璃樣條具有在 300°C和320°C之間的溫度。在等式(1)中使用這些溫度和前面的α、β值得出314 瓦彡 P(x) ( 406 瓦對于 Tpri。r = 300°C 以及等式(3)300瓦彡P(guān)(x) ( 389瓦對于Tpri。r = 320°C，而等式⑵給出332 瓦彡 P(x) ( 388 瓦對于 Tpri。r = 300°C 以及等式318 瓦彡 P(x) ( 371 瓦對于 Tprior = 320°C ·圖1中的·數(shù)據(jù)點(見方框21)表示可發(fā)現(xiàn)在抽拉底部(BOD)產(chǎn)生可靠刻痕的代表性激光束功率。方框21的中心對應(yīng)于350瓦的功率和310°C的溫度。該數(shù)據(jù)與等式(3)、 ⑷范圍的比較示出等式(1)、⑵在針對升高的Τ_。值識別激光束功率級中的有效性。執(zhí)行又一些試驗，其中激光刻痕用來修整各玻璃板從通過FDM產(chǎn)生的樣條分離而形成的邊緣(卷邊)。對于這些測試的玻璃溫度低于樣條分離測試的溫度，但仍然很高地保持高于室溫。例如，在從樣條分離各玻璃板的過程中的典型溫度范圍是300-400°C，然而對于卷邊修整，各玻璃板一般具有在60-140°C范圍內(nèi)的溫度。另外，在卷邊修整過程中，溫度沿刻痕線從各玻璃板的頂部至底部一般表現(xiàn)出50-100°C的溫差。除了該溫差，卷邊區(qū)域也已知表現(xiàn)出因該區(qū)域內(nèi)玻璃的不均一厚度造成的相當(dāng)高水平的殘留應(yīng)力。這些高水平的殘留應(yīng)力使刻痕工藝變得進(jìn)一步復(fù)雜。雖然如此，等式(1)、(2)再一次被發(fā)現(xiàn)精確地預(yù)測在修整工序中可靠地工作的激光束功率。總地來說，該試驗工作展現(xiàn)出，在從樣條分離各玻璃板和從各玻璃板修整卷邊時， 等式(1)、(2)精確地概括了導(dǎo)致具有高產(chǎn)率的一致高速激光刻痕、良好的邊緣質(zhì)量以及低殘留應(yīng)力的光束功率級。如上面提到的，建模是用于確定α和β值的又一方法。概括地說，在激光刻痕工藝中在激光束作用下的玻璃溫度(Tbeam)可被定義為背景(本征)玻璃溫度(T_J與因暴露于激光束誘發(fā)的玻璃溫度變化(ATlasJ之和Tbeam Tprior+ 八 T-^aser.Tphot取決于玻璃環(huán)境的溫度、玻璃板成形溫度、玻璃板成形后的時間、冷卻速度及其效率、玻璃冷卻的均勻性以及玻璃板厚度，而△1\3_取決于激光束功率密度、光束模式分布、光束停留時間(即光束大小和刻痕速度的組合)以及內(nèi)部玻璃特性，包括在激光波長下的光吸收和玻璃表面的反射率。為了實現(xiàn)刻痕，激光束需要使Tbeam上升至將在玻璃內(nèi)產(chǎn)生充分應(yīng)力的值(Tbeam最小值)以維持原始裂紋的傳播以形成通風(fēng)槽，其中應(yīng)力是由光束產(chǎn)生的熱和接下來的急冷的后果。最小應(yīng)力水平取決于急冷效率和玻璃的特性，即其在高溫下的熱膨脹系數(shù)和彈性模量。玻璃和激光束/冷卻液組合之間的相互作用也取決于玻璃的熱傳導(dǎo)性及其熱容量。除了高于Tb_最小值，Tbeam也需要保持低于玻璃的應(yīng)變點以避免前面討論的因過熱導(dǎo)致的各種不利效果。圖2示出對這些因子建模的結(jié)果，以預(yù)測最大Tbeam值(垂直軸，V)依賴于激光束功率(水平軸，瓦特)的關(guān)系。圖3示出最大Tb·值(垂直軸，0C )相對于Tpri。r值(水平軸，°C)再標(biāo)繪的建模數(shù)據(jù)。在圖2中， 、“x”、A、■和 數(shù)據(jù)點分別為650、550、450、350和2500C的Tpritff值，而在圖3中，·、 、▲、·**數(shù)據(jù)點分別為400、300、200、100和0
瓦的激光束功率。另外，在圖2中，水平虛線13代表玻璃的應(yīng)變點(例如666°C )而垂直虛線19代表340瓦的激光束功率，即功率級大致等于圖1的FDM測試中使用的那些功率級。 經(jīng)建模的數(shù)據(jù)是使用市面上有售的ANSYS程序(ANSYS公司，Canonsburg，賓夕法尼亞州) 獲得的，盡管也可根據(jù)需要使用其它市面上有售和/或常見軟件。從圖2和圖3的數(shù)據(jù)(或類似標(biāo)繪)可確定工作激光束功率范圍(α和β值)。 如此做的話，可遵循下列規(guī)準(zhǔn)Tbeaffl (x)-Tprior (x)Tstrain-Tprior(X)彡 100°C,其中第一規(guī)準(zhǔn)確保激光束提供充分能量以引導(dǎo)原始裂紋的傳播以沿刻痕線形成通風(fēng)孔，而第二規(guī)準(zhǔn)確?？蓾M足第一規(guī)準(zhǔn)而不超出玻璃的應(yīng)變點(Tstrain)。作為使用建模數(shù)據(jù)以獲得α和β值的一個示例，可基于使用與在升高溫度下使用的那些對應(yīng)的玻璃板、刻痕設(shè)備和刻痕速度在室溫下進(jìn)行的實驗室研究來識別Tbeam最小值。使用該Tbeam最小值以及圖2或圖3的建模數(shù)據(jù)，可針對一系列Tphot值標(biāo)識一系列激光束功率，例如可針對Tb_最小值和Tsteain之間的中間Tteam值確定激光束功率。那些激光束功率值可隨后相對于相應(yīng)的Tphot值標(biāo)繪以形成圖1所示類型的標(biāo)繪數(shù)據(jù)(在這種情形下是建模的數(shù)據(jù))。對該數(shù)據(jù)的線性擬合則給出等式(1)、O)中使用的α和β值。無論如何確定α和β，α、β作為其一部分的升高溫度刻痕可視為落在兩個主要范疇中的一個范疇內(nèi)。第一范疇是跨具有很小溫差的玻璃板用高但均勻的溫度對玻璃刻痕。在相對小寬度的熔拉(例如產(chǎn)生高達(dá)Gen 5或6玻璃板)上對玻璃樣條刻痕時，典型就是這種情況。第二范疇包括對具有顯著溫度梯度的玻璃刻痕，這可能發(fā)生在較低溫度下 (例如在卷邊去除過程中)，或發(fā)生在跨刻痕線具有不均一玻璃溫度的大寬度熔拉或特種熔拉的高溫下。這兩種范疇一般涉及設(shè)置激光刻痕工藝的不同方法。因此，如果背景玻璃溫度變化相對小，則刻痕工藝可運作在恒定的激光束功率下。 然而，必須選擇功率以使其足夠高以將玻璃的較冷部分加熱至一個點，在該點通過冷卻液在玻璃中產(chǎn)生足夠的應(yīng)力以傳播原始裂紋以形成通風(fēng)槽。另一方面，功率不宜過高乃至使玻璃的較熱部分過熱并因此超出玻璃應(yīng)變溫度。該恒定激光束功率方法對于玻璃溫度高達(dá) 400-500°C和溫度梯度不超過100°C的大多數(shù)場合來說表現(xiàn)良好。當(dāng)然，這些特定溫度值是示例性的，因為可根據(jù)玻璃特性和具體刻痕條件采用不同的值。圖4和圖5示出恒定激光束功率范疇的兩個示例。在圖4中，背景玻璃溫度(TphJ 是恒定的，而在圖5中，它跨玻璃板的寬度(水平軸)緩慢上升。在圖4和圖5中，在激光束作用下對于可靠刻痕的最低玻璃溫度(Tb·最小值)由直線11表示，并且玻璃的應(yīng)變點由直線13表示。如所見那樣，對于這兩種情形，由垂直柱的暗部分表示的恒定激光束功率取得激光作用下的最高玻璃溫度(垂直軸)，該最高玻璃溫度落在直線11和13之間并因此適于刻痕。如果背景玻璃溫度梯度過大(例如如果高于100°C )，則恒定激光束功率變得不適宜，并且靈活的激光功率調(diào)整對減輕Tphot中的變化來說是重要的。靈活的激光功率可以多種方式實現(xiàn)，圖8示出其中一種方式。在圖8中，激光器37產(chǎn)生激光121，該激光121撞擊玻璃樣條27并沿刻痕線31對其刻痕，由此允許各玻璃板45從樣條上分離。為了闡述，圖8中示出溢流熔拉工藝，要理解擬激光刻痕的玻璃樣條(玻璃板)可通過任何玻璃成形工藝來制造。如圖8所示，溢流熔拉工藝采用一種在液槽23中盛裝熔融玻璃的成形結(jié)構(gòu)(等壓槽(iSOpipe))25。熔融玻璃流出并漫過液槽的頂部并從等壓槽的邊上流下以在等壓槽的根部43形成樣條27。拉胚輥四以設(shè)定速率將樣條從根部拉離，由此確定樣條的厚度。如圖8中的直線41示意地表示那樣，激光器37操作地連接于例如微處理器的控制器35，該控制器35控制激光束的功率級。如圖8中的直線39所示，控制器35也操作地連接于例如頂攝像機的檢測器33，該檢測器33向控制器提供關(guān)于沿刻痕線31的一個或多個位置處的溫度的信息。如果需要關(guān)于沿整條刻痕線的溫度分布的信息，則檢測器可跨樣條的寬度作掃描或檢測器可設(shè)計成同時檢測來自沿樣條寬度的多個位置的溫度。如前所述，靈活的激光功率控制可使用將玻璃樣本的寬度，或換句話說將刻痕距離分割成多個區(qū)段(1、2、……N)的多個區(qū)段來實現(xiàn)。在這種情形下，控制器35將每個區(qū)段內(nèi)的激光束的位置聯(lián)系于一命令電壓，該命令電壓負(fù)責(zé)產(chǎn)生激光放電電流。區(qū)段數(shù)目N 及其長度AL(或等同地，它們在時域內(nèi)的時長)則是基于對命令信號的變化和由玻璃溫度分布展現(xiàn)出的溫度變化的激光響應(yīng)速度而選擇的變量。在不需要靈活功率控制的恒定玻璃溫度或具有小溫度梯度的玻璃的情形下，例如圖4和圖5的情形，控制器簡單地提供在所有區(qū)段中具有恒定和相等的功率常數(shù)的正常激光器操作。(為便于說明，在圖4和圖5以及下面討論的圖6和圖7中，假設(shè)玻璃板的寬度已被分割成21個區(qū)段)。當(dāng)樣本長度上的玻璃溫度分布具有顯著的溫度梯度時，恒定的激光功率可能無法在沿玻璃板的任何位置將玻璃表面溫度保持在該工藝窗內(nèi)，即在圖4-7中的直線11、13之間。在這種情形下，控制器35基于與玻璃背景溫度有關(guān)的信息——例如來自檢測器33的信息——改變激光功率。應(yīng)當(dāng)注意，來自檢測器33的信息在某些情形下可能是不需要的， 因為溫度分布因為其它原因是已知的，例如因為先前對設(shè)備的使用。在這種情形下，可對控制器編程以改變激光功率以補償已知溫度分布，而不需要來自檢測器的實時信息。圖6和圖7示出使用可變的激光功率來補償溫度分布沿刻痕線的大幅度變化的兩個示例。在圖6中，玻璃溫度線性地上升，但其上升速率足夠大從而如果使用恒定激光功率來使分布的最冷部分高于直線11，則最熱部分將高于直線13。在這種情形下，控制器隨著光束跨刻痕線掃描而降低施加于表面的激光束功率量，由此將激光束作用下的玻璃溫度保持在由直線11、13表示的溫度之間，并且如圖6所示那樣是基本恒定的。(注意盡管對于許多場合需要基本恒定的溫度，但一般不需要如此，只要溫度保持在由直線11、13表示的溫度之間即可)圖7示出該激光刻痕工藝擬應(yīng)用于具有復(fù)雜背景玻璃溫度分布的玻璃板的一般情形。這些分布對于玻璃樣條的水平刻痕是常見的，其中玻璃朝向樣條邊緣(卷邊)更厚并因此溫度更高。對于這種類型的分布，控制器35為每個區(qū)段提供不同的功率級以使最終溫度分布例如是跨樣條的寬度基本恒定的。如從前面描述可以看出的那樣，本文披露的方法和裝置可用來實現(xiàn)對在具有任意溫度的溫度范圍內(nèi)和沿刻痕方向的應(yīng)力梯度的熱玻璃的非燒蝕激光刻痕。這些方法和裝置可沿意欲的刻痕線獲得均一的通風(fēng)槽成形，并基于由激光束將玻璃表面加熱至高達(dá)某一范圍內(nèi)的溫度，該溫度范圍的下限是由維持原始裂紋傳播以形成通風(fēng)槽所需的應(yīng)力定義的，而其上限等于或優(yōu)選地低于玻璃的應(yīng)變點。在某些實施例中，通過使用靈活激光功率控制而使激光束作用下的玻璃溫度保持在這些界限內(nèi)，不管玻璃的背景溫度為何，所述靈活激光功率控制產(chǎn)生與玻璃溫度梯度反比例變化的沿刻痕線的激光功率分布。該梯度可例如使用紅外攝像機實時地檢測到。如此，在表現(xiàn)出顯著玻璃溫度變化的玻璃板的刻痕過程中，可顯著增大工藝余量。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述公開將清楚不背離本發(fā)明的范圍和精神的各種修改。 以下的權(quán)利要求旨在覆蓋本文闡述的特定實施例以及這些實施例的修改、變型和等價方案。
權(quán)利要求
1.一種使用激光束沿刻痕線對玻璃板進(jìn)行刻痕的方法，其中對于刻痕線的至少一部分，玻璃在施加激光束之前處于高于室溫的溫度，所述方法包括(a)沿刻痕線平移激光束；以及(b)與激光束一前一后地在刻痕線上平移冷卻面積；其中激光束的加熱對玻璃板中的通風(fēng)槽的形成作出貢獻(xiàn)，并選擇激光束的功率以使 (i)在激光束作用下的玻璃表面的溫度低于或等于玻璃的應(yīng)變點；以及 ( )使所述激光束的功率滿足下列關(guān)系 0·85(α-β Tprior(X)) ^ P(χ)彡 1. 10 ( α -β Tprior(χ))其中χ代表沿刻痕線的距離，Ρ(χ)是激光束沿刻痕線的功率，Tphot(X)是在施加激光束之前沿刻痕線以攝氏度表示的玻璃溫度，對于χ的至少一個值，Tphot(X) >25°C，并且α和 β是正的常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率滿足下列關(guān)系 0·90(α-β Tprior(X)) ^ P(χ)彡 1· 05(α-β Tprior(X))。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，α和β是通過在多個玻璃溫度下測量產(chǎn)生可重復(fù)刻痕的最低激光功率并將這些測得的激光功率擬合到線性函數(shù)而確定的。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述多個玻璃溫度包括室溫和至少兩個高于室溫的溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，是常數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Tprior(X)是χ的線性函數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，是χ的非線性函數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 ⑴Tprior(X)是非恒定的；以及( )在激光束作用下所述玻璃表面的溫度是基本恒定的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對于所有X，Tprior(X)滿足下列關(guān)系Tstrain-Tprior (x) ^ 100 G，其中Tstrain是以攝氏度表示的玻璃應(yīng)變點。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對于所有X，在激光束作用下的玻璃表面溫度Tbeam(X)滿足下列關(guān)系Tbeam (X) "Tprior (X) ^ 80 C , 其中Tteam(X)以攝氏度表示。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 (i)將刻痕線分成多個區(qū)段；( )將平均溫度值賦予每個區(qū)段；以及 (iii)在每個區(qū)段上將POO目標(biāo)化為常數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(i)Tprior (χ)是針對χ的至少一個值隨時間變化而監(jiān)測的；以及( )對于χ的至少一個值的POO值是基于Tp_(x)的監(jiān)測值受到控制的。
13.一種沿刻痕線對玻璃板進(jìn)行刻痕的裝置，包括 (a)產(chǎn)生激光束的激光器；(b)檢測器，所述檢測器檢測玻璃板的表面在至少一個位置的溫度；以及(C)操作地連接于所述激光器和所述檢測器的控制器，所述控制器基于由所述檢測器在所述至少一個位置測得的玻璃板的表面的溫度調(diào)整激光束的功率P。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述控制器調(diào)整激光束的功率以使其滿足下列關(guān)系0. 85 ( α - β TpriJ 彡 P 彡 1· 10 ( α - β Tprior)其中是由檢測器在所述至少一個位置測得的以攝氏度表示的玻璃溫度，而α和 β是正的常數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，α和β是通過在多個玻璃溫度下測量產(chǎn)生可重復(fù)刻痕的最低激光功率并將這些測得的激光功率擬合到線性函數(shù)而確定的。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述多個玻璃溫度包括室溫和至少兩個高于室溫的溫度。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于(i)所述控制器將刻痕線分成多個區(qū)段；( )所述檢測器檢測每個區(qū)段的至少一個溫度；以及(ii i)所述控制器基于由檢測器測得的區(qū)段的至少一個溫度而針對每個區(qū)段調(diào)整激光束的目標(biāo)功率，該目標(biāo)激光束功率在所述區(qū)段上是恒定的。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)段是等長的。
19.一種沿刻痕線對玻璃板進(jìn)行刻痕的裝置，包括(a)產(chǎn)生激光束的激光器；以及(b)操作地連接于激光器的控制器；其中(i)所述控制器將刻痕線分成多個區(qū)段，以及( )所述控制器調(diào)整激光束的目標(biāo)功率以使目標(biāo)功率對于每個區(qū)段是恒定的。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)段是等長的。
21.一種制造玻璃板的方法，包括制造玻璃樣條，并根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法對所述玻璃樣條進(jìn)行刻痕。
全文摘要
披露了在升高溫度下對各玻璃板(45、112)和玻璃樣條(27)的激光刻痕?？赏ㄟ^用激光束(113)加熱玻璃表面(114)高至某一范圍內(nèi)的溫度而沿意圖的刻痕線(31、115)形成均一的通風(fēng)槽，該溫度范圍的上限(11)是由維持原始裂紋(111)的傳播以形成通風(fēng)槽所需的應(yīng)力限定的，而其下限(13)等于或小于玻璃的應(yīng)變點。在某些實施例中，通過使用由控制器(35)提供的靈活激光功率控制而使激光束(113)作用下的玻璃溫度保持在這些界限內(nèi)，不管玻璃的背景溫度為何，所述控制器(35)使激光器(37)產(chǎn)生與玻璃溫度梯度相反變化的沿刻痕線(31、115)的激光功率分布。該玻璃溫度梯度可例如使用例如紅外攝像機的檢測器(33)實時地檢測到。通過如此地控制激光束功率，可在對表現(xiàn)出顯著玻璃溫度變化的各玻璃板(45、112)和玻璃樣條(27)的刻痕過程中顯著增大工藝余量。
文檔編號B23K26/08GK102448661SQ201080023841
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者A·A·阿布拉莫夫, L·王, M·T·凱利, N·周 申請人:康寧股份有限公司