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研究生:翁祖賢
研究生(外文):Tzu-Shian Weng
論文名稱:硬脆基板之雷射劃刻與切割技術
論文名稱(外文):Laser scribing and cutting techniques for brittle substrates
指導教授:蔡傳暉蔡傳暉引用關係
指導教授(外文):Chwan-Huei Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:機電工程學系博碩專班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:雷射劃刻雷射切割LCD玻璃氧化鋁陶瓷
外文關鍵詞:Laser scribingLaser cuttingLCD glassAlumina ceram
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本文旨在研究硬脆基板之雷射劃刻與切割技術,分別探討LCD玻璃之雷射劃刻技術與氧化鋁陶瓷基板之貫穿切割技術,探討其劃刻原理與破裂機制。LCD玻璃劃刻乃是預先沿擬劃刻路徑以單點鑽石刀預製凹痕,再以雷射沿擬劃刻路徑移動,使凹痕產生破裂擴展,達到劃刻之效果。LCD玻璃因雷射離焦加載無燒熔現象,所以斷面品質較佳,鑽石刀亦因為荷重減輕延長其使用壽命。氧化鋁陶瓷基板切割亦先沿切割路徑以單點鑽石刀預製凹痕,雷射加載於擬切割路徑達到貫穿切割效果,其斷面品質極佳。本文同時以有限元素分析軟體ANSYS進行溫度場與應力場分析,據以解釋加工參數與裂紋擴展之關係。同時以顯微鏡觀察雷射劃刻與切割過程後斷面呈現之破裂擴展現象,再以聲波放射感測器來量測裂紋破裂訊號,據以了解裂紋破裂擴展之機制。
The aim of this paper is to study the laser scribing and cutting techniques for LCD glass and alumina substrates. A point diamond was used to generate a groove-crack along the cutting path in a substrate surface. The glass substrate was then separated by applying a defocused CO2 laser beam along the grooved line to drive the crack extending through the thickness of the substrate. If the laser scanning speed is higher, the crack extending will not penetrate the thickness of the substrate and a blinded-crack will be formed. If the laser scanning speed is slower, the crack will extend throughout the thickness of the substrate. The diamond-grooving can enhance the scribing speed that can be attained. The relationships between the diamond force, groove depth, laser power, scribing depth, and scribing speed that can be attained were obtained from experimental analyses. The SEM photographs of the scribing surface and breaking surface were obtained to analyze the mechanism during the laser scribing and cutting process. The acoustic emission signals generated during the fracture process were analyzed to obtain crack propagating process. Finally, the finite element software ANSYS was employed to calculate the temperature and stress distributions to explain the mechanism of the fracture extension.
目錄
摘要………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………II
目錄……………………………………………………………………III
表錄……………………………………………………………………VII
圖錄…………………………………………………………………VIII
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機…………………………………………………………1
1.2 鑽石刀切割玻璃之技術發展……………………………………1
1.3 雷射切割玻璃之技術發展………………………………………2
1.3.1 控制破裂雷射切割技術……………………………………2
1.3.2 鑽石刀劃線輔助雷射裂片技術……………………………3
1.3.3 雷射劃線輔助雷射裂片技術………………………………4
1.4本文目的…………………………………………………………5
第二章 雷射切割系統與預劃刻設備…………………………………14
2.1 雷射切割系統…………………………………………………14
2.2預劃刻痕設備……………………………………………………14
2.3 檢測儀器設備…………………………………………………15
2.2.1 光學工具機顯微鏡………………………………………15
2.2.2 掃描式電子顯微鏡………………………………………15
2.2.3 聲波放射感測器…………………………………………16
2.2.4 表面粗度儀………………………………………………16
第三章 預劃刻痕輔助雷射劃刻與切割原理…………………………24
3.1 實驗試片資料…………………………………………………24
3.2 預劃刻痕輔助雷射切割之程序………………………………24
3.3 雷射加載………………………………………………………25
3.4 裂紋破裂擴展原理……………………………………………27
第四章 LCD玻璃雷射劃刻實驗………………………………………35
4.1 實驗步驟………………………………………………………35
4.2 加工參數之影響………………………………………………35
4.2.1 荷重對凹痕深度之影響…………………………………36
4.2.2 雷射功率對劃刻深度之影響……………………………37
4.2.3 掃描速度對劃刻深度之影響……………………………38
4.2.4 靜置時間對劃刻深度之影響……………………………39
4.2.5 加工參數綜合影響………………………………………39
4.3 LCD玻璃破裂擴展過程…………………………………………40
4.3.1雷射劃刻之破裂擴展模式…………………………………40
4.3.2雷射劃刻之聲波感測………………………………………40
4.4 雷射劃刻品質…………………………………………………40
4.4.1雷射劃刻之斷面品質………………………………………40
4.4.2 Wallner Line現象…………………………………………42
4.4.3 Hackle marks現象…………………………………………42
第五章 氧化鋁陶瓷雷射貫穿切割實驗………………………………56
5.1 實驗步驟………………………………………………………56
5.2 切割參數之影響………………………………………………56
5.2.1 劃刻荷重對凹痕深度之影響……………………………56
5.2.2 雷射功率對切割速度之影響……………………………57
5.2.3 加工參數之綜合討論……………………………………58
5.3 氧化鋁陶瓷貫穿之破裂擴展過程……………………………59
5.3.1雷射貫穿之破裂擴展模式…………………………………59
5.3.2雷射貫穿之之聲波感測……………………………………59
5.4 雷射裂片品質…………………………………………………59
5.4.1雷射貫穿之斷面品質………………………………………59
第六章 雷射裂片之有限元素分析……………………………………67
6.1 基本假設………………………………………………………67
6.1.1 分析模式與材料參數……………………………………67
6.1.2 雷射能量分布模式………………………………………67
6.1.3 試片參數與邊界條件設定………………………………68
6.2預劃刻痕輔助雷射劃刻末段分析………………………………68
第七章 結論……………………………………………………………73
7.1 本文成果……………………………………………………73
7.2 未來研究方向………………………………………………74
參考文獻………………………………………………………………76
簡歷……………………………………………………………………78











表錄
表2-1 雷射切割系統 …………………………………………………17
表2-2 檢測實驗設備 …………………………………………………17
表3-1 LCD玻璃基板性質表(一) ……………………………………28
表3-1 LCD玻璃基板性質表(二)……………………………………29
表3-2氧化鋁陶瓷基板性質表 ………………………………………30













圖錄
圖1-1 (a)三點彎曲示意圖……………………………………………6
圖1-1 (b)四點彎曲示意圖……………………………………………7
圖 1-2 Lumley[1]、[2]之控制破裂示意圖……………………………8
圖 1-3 Tsai and Chen[4]控制破裂原理圖……………………………9
圖 1-4 Verheyen[6]之專利技術……………………………………10
圖1-5 Ikeda[7]之切割技術…………………………………………11
圖 1-6 Tsai and Huang[8]提出之劃刻輔助雷射切割技術…………11
圖 1-7 Hoekstra[9]等人提出之非金屬材料分離技術……………12
圖1-8 Hoekstra[10]提出之雷射專利………………………………12
圖 1-9 Samsung[11]之雷射切割LCD專利……………………………13
圖 2-1(a) CO2雷射系統………………………………………………18
圖 2-1(b) CO2雷射系統之Pulse脈衝波形產生器…………………18
圖2-2 雙軸定位平台…………………………………………………19
圖2-3 雙軸定位平台之手動單軸升降平台…………………………19
圖 2-4(a) 單點鑽石刀劃刻平台……………………………………20
圖 2-4(b) 單點鑽石刀………………………………………………20
圖2-5 光學顯微鏡……………………………………………………21
圖2-6 掃描式電子顯微鏡……………………………………………21
圖2-7 濺鍍機…………………………………………………………22
圖2-8 聲波放射感測器………………………………………………22
圖2-9 表面粗糙度儀…………………………………………………23
圖3-1 預劃刻痕之型式………………………………………………31
圖3-2 雷射加載於預劃刻痕…………………………………………31
圖3-3雷射劃刻之斷面………………………………………………32
圖3-4 雷射加載型式…………………………………………………33
圖3-5 雷射加載劃刻之應力分布……………………………………33
圖3-6 雷射加載貫穿之應力分布……………………………………34
圖4-1 實驗流程圖……………………………………………………43
圖4-2 LCD玻璃基板實驗試片尺寸…………………………………44
圖4-3 單點鑽石刀……………………………………………………45
圖 4-4 鑽石刀荷重1492g劃刻凹痕…………………………………46
圖 4-5 鑽石刀荷重942g劃刻凹痕…………………………………46
圖 4-6 鑽石刀荷重200g劃刻凹痕…………………………………47
圖4-7 劃刻荷重與預劃刻痕深度……………………………………47
圖4-8 劃刻深度與雷射功率之關係…………………………………48
圖4-9 劃刻深度與掃描速度之關係…………………………………48
圖 4-10 靜置時間對裂紋深度影響曲線圖…………………………49
圖4-11(a) 聲波放射感測器感測破裂時間…………………………49
圖4-11(b) 聲波放射感測器感測破裂時間…………………………50
圖 4-12 雷射加載後靜置30秒扳斷之斷面…………………………51
圖 4-13雷射功率70W對荷重200g凹痕劃刻之表面粗糙度………52
圖 4-14 工具機顯微鏡觀察橫斷面之Wallner Line現象…………55
圖 4-15 電子掃描顯微鏡觀察橫斷面之Hackle marks現象………55
圖5-1實驗流程………………………………………………………61
圖 5-2 50mm × 100mm × 0.63mm氧化鋁陶瓷……………………62
圖 5-3 電子式掃描顯微鏡觀察劃刻荷重500g之凹痕……………62
圖 5-4 電子式掃描顯微鏡觀察劃刻荷重1500g之劃刻凹痕………63
圖5-5 劃刻荷重與劃刻凹痕關係圖…………………………………63
圖5-6 雷射功率對切割速度之影響圖………………………………64
圖5-7聲波放射感測器感測破裂時間………………………………64
圖5-8 雷射裂片前端之斷面…………………………………………65
圖5-8 雷射裂片中間之斷面…………………………………………65
圖5-8 雷射裂片末端之斷面…………………………………………66
圖 6-1 ANSYS有限元素試片示意圖…………………………………70
圖 6-2 ANSYS有限元素試片邊界條件設定示意圖…………………70
圖6-3 預劃刻痕雷射加載溫度分布…………………………………71
圖6-4 預劃刻痕雷射加載溫度分布(局部放大)……………………71
圖6-5 預劃刻痕雷射加載溫度分布圖………………………………72
圖6-6 預劃刻痕雷射加載應力分布圖………………………………72
[1]Lumley, R. M., “Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser”, American Ceramic Society Bulletin, Vol.48, pp.850-854, 1969.
[2]Lumley, R. M., “Initiation of a Controlled Fracture”, U.S. Patent No.3,610,871, Oct. 5, 1971.
[3]Tsai, Chwan-Huei and Liou C. S., “Fracture Mechanism of Laser Cutting with Controlled Fracture”, ASME Journalof Manufacturing Science and Engineering,Vol.136, pp. 166-173,2003.
[4]Tsai, Chwan-Huei and Chen, C. J., “Formation of the Breaking Surface of Alumina in Laser Cutting with a Controlled Fracture Technique”, proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Part B, Journal of Engineering Manufacture, Vol. 217, pp.489-497, 2003.
[5]Tsai, Chwan-Huei and Chen, Chien-Jen, “Application of Iterative Path Revision Technique for Laser Cutting with Controlled Fracture”, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 125, pp.519-528, 2004.
[6]Verheyen, W., Raes, A., Coopmans, J. P., and Lambert, J. L., “Glass Cutting”, U.S. Patent No. 3,932,726, Jan. 13, 1976.
[7]Ikeda, M., Shibata, T., Makino, E., Takahashi, Y., Ono, A., and Matsumoto, F., “Study on Laser Breaking of Glass Plate (1st Report)—Generation and Growth of Vertical Cracks by Scribing—”, (日本)精密工學會誌, Vol. 62, No. 3, pp. 413-417, 1996.
[8]Tsai, Chwan-Huei and Huang, Bo-Wen, ”Diamond Scribing and Laser Breaking for LCD Glass substrates”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 198, pp.350-358, 2008.
[9]Hoekstra, B., Glebow, B., and Efimov, M., “Method and Apparatus for Separating Non-metallic Substrates Utilizing a Laser Initiated Scribe”, U.S. Patent No. 6,211,488, Apr. 3, 2001.
[10]Hoekstra, L., Flannigan, R., and Wegerif, D., “Method and Apparatus for Separating Non-metallic Materials”, U.S. Patent No. 6,660,963, Dec. 9, 2003.
[11]Choo, D. H., Kim, B. I., Jung, S. J., Lee, W. S., and Kim, B. s., “Laser Cutting Apparatus and Method”, U.S. Patent No. 6,407,360, Jun. 18, 2002.
[12]Kondratenko, V. S., “Method of Splitting Non-Metallic Materials”, U.S. Patent No. 5,609,284, Mar. 11, 1997.
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