藍寶石晶體的化學成分為氧化鋁(Al2O3)，藍寶石材料具有高耐磨性、高硬度和優(yōu)良的熱傳導性、電絕緣性、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)異的物理、化學等特點，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，又由于藍寶石化學穩(wěn)定性較好，使得傳統(tǒng)的化學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準連續(xù)光纖激光器結(jié)合保護氣體對藍寶石晶片進行切割，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，因此在藍寶石加工領(lǐng)域被廣泛采用。

QCW切割藍寶石原理如圖1所示，激光經(jīng)過光纖傳導到準直鏡后通過聚焦鏡，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準連續(xù)光纖激光器切割光學級藍寶石基片，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

使用銳科激光150W QCW準連續(xù)激光器切割藍寶石基片材料，如圖2所示：

圖2 銳科150W QCW準連續(xù)光纖激光器

首先要在藍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3 起刀線示意圖

當激光剛照射到藍寶石材料表面時，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。切割藍寶石圓孔效果如下圖所示： 

1. 從顯微鏡上看切割后的藍寶石邊緣光滑、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，所以在保證藍寶石能被切穿的同時降低激光功率對藍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重，且不易清除。若適當增大激光能量可使得藍寶石背面熔融材料成為粉末狀，從而可以改變藍寶石背面切割效果。

銳科150W QCW準連續(xù)光纖激光器技術(shù)參數(shù)

QCW切割藍寶石材料工藝參數(shù)

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。下面就說說影響藍寶石切割質(zhì)量的幾個主要因素。

激光能量是激光切割藍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。（本文經(jīng)銳科激光允許，由我網(wǎng)首發(fā)，來源：激光制造網(wǎng)）