藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分為氧化鋁(Al2O3),藍(lán)寶石材料具有高耐磨性、高硬度和優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、電絕緣性、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)異的物理、化學(xué)等特點,被廣泛應(yīng)用于高端智能手機、平板電腦、平板電視等電子顯示行業(yè)領(lǐng)域。由于藍(lán)寶石是硬脆性材料,傳統(tǒng)的機械加工存在易產(chǎn)生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷,又由于藍(lán)寶石化學(xué)穩(wěn)定性較好,使得傳統(tǒng)的化學(xué)加工方法對其難以加工。而激光切割技術(shù)是一種高速度、高質(zhì)量的切割方法,對藍(lán)寶石晶片進行切割,不僅具有加工速度快、切口質(zhì)量好并且可以對任意圖形進行切割。QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量較好并且能量密度較大,對硬脆性材料切割相對于Nd∶YAG激光切割有明顯的優(yōu)勢,采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器結(jié)合保護氣體對藍(lán)寶石晶片進行切割,熱影響區(qū)較小,在加工區(qū)域表面不會形成波紋,并且加工設(shè)備成本低,因此在藍(lán)寶石加工領(lǐng)域被廣泛采用。
切割藍(lán)寶石操作及注意事項
QCW切割藍(lán)寶石原理如圖1所示,激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡后通過聚焦鏡,最終在焦平面獲得聚焦光斑后作用于藍(lán)寶石表面實現(xiàn)切割;自動控制系統(tǒng)控制移動平臺能在X,Y方向移動。采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器切割光學(xué)級藍(lán)寶石基片,厚度為0.52mm、直徑為5mm。
應(yīng)用脈寬為0.15~0.18 ms、波長為1070 nm、光斑直徑為15μm、重復(fù)頻率為0~5 kHz、能量密度變化范圍為0~2.4 × 105J/cm2、切割速度變化范圍為0~50 mm/s。加工采用氮氣作為輔助氣體,噴嘴直徑為0.5-1 mm。
圖1 裝置示意圖
首先要在藍(lán)寶石切割軟件中將起刀線的位置設(shè)置好,我們通過改變角度θ(起刀線與材料邊緣的角度)來改變起刀線的位置,如圖3所示。并觀察和分析起刀線位置對切割質(zhì)量的影響。θ依次選取15o、30o、45o、60o、75o和90o進行試驗,起刀線的長度為0.3mm。起刀線的位置確定好后,再進行試驗。
圖2起刀線示意圖
當(dāng)激光剛照射到藍(lán)寶石材料表面時,將會發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割開始時的不利影響,在切割正式的圖形前添加的一段切割線,即起刀線,也稱為輔助線。起刀線的切入角度也是影響切割質(zhì)量的重要因素。通過實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)角度為30o或90o時,濺射物長度基本消除。
使用氮氣作為輔助氣體,噴嘴直徑為0.5mm。切割藍(lán)寶石圓孔效果如下圖所示:
從最終的切割樣件照片可以看出:
1. 從顯微鏡上看切割后的藍(lán)寶石邊緣光滑、基本無掛渣、無毛刺;
2.切割面幾乎無坡度,錐度在100以內(nèi);
3.藍(lán)寶石正面切割邊緣效果較好,崩邊尺寸的崩變量較背面崩邊尺寸小,背面崩邊量也控制在10μm以下。
影響藍(lán)寶石崩邊量的一個很重要的因素為激光能量密度,激光能量密度越大,藍(lán)寶石背面的崩邊現(xiàn)象越明顯,崩邊尺寸越大,所以在保證藍(lán)寶石能被切穿的同時降低激光功率對藍(lán)寶石背面崩邊情況有一定改善,但是能量越小在背面存在的掛渣就越嚴(yán)重,且不易清除。若適當(dāng)增大激光能量可使得藍(lán)寶石背面熔融材料成為粉末狀,從而可以改變藍(lán)寶石背面切割效果。
要獲得較好的表面質(zhì)量等級,必須對激光功率、切割速度等工藝參數(shù)進行多次優(yōu)化處理。下面就說說影響藍(lán)寶石切割質(zhì)量的幾個主要因素。
激光功率激光能量是激光切割藍(lán)寶石基片過程中的主要能量來源,激光功率和切割速度決定了輸入到藍(lán)寶石基片上的能量,激光功率的大小會對切割產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數(shù)一定時,切口寬度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)一種線性正比關(guān)系。激光功率過小會出現(xiàn)切不透;增加功率,則切口寬度增加,端面粗糙度增大,激光切割時希望激光功率盡可能大,可以充分發(fā)揮激光器的功率優(yōu)勢,提高效率。
對給定的藍(lán)寶石材料和激光功率,切割速度一般符合于一個經(jīng)驗式,只要在閾值以上,材料的切割速度與激光功率成正比,即增加功率可以提高切割速度。對于切割藍(lán)寶石而言,在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下,激光切割速度可以有一個相對的調(diào)節(jié)范圍。
切割速度小,切口寬度大,切口粗糙度大;切割速度大,切口寬度和粗糙度小,超過最佳切割速度后粗糙度緩慢增加。切割速度過高,則切口刮渣較多或切不透;切割速度過低,則材料過燒,切口寬度和熱影響區(qū)較大。要提高切割質(zhì)量,當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時,要優(yōu)化切割速度。
輔助氣體除用于從切割區(qū)吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體外,對藍(lán)寶石材料,使用氮氣可以起到抑制切割區(qū)過度燃燒的作用。
激光切割對輔助氣體的基本要求是氣流量要大,以便有充足的氮氣與切口材料發(fā)生放熱反應(yīng),并有足夠的動力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍(lán)寶石時,增加氣體壓力可以提高切割速度,防止切口背面產(chǎn)生掛渣。但壓力過大,切割面反而變得粗糙。在切割過程中,氮氣中含有的雜質(zhì)對切割質(zhì)量造成不良影響,因此氮氣的純度要高。
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