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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高端智能手機(jī)、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(jī)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(duì)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(duì)藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，不僅具有加工速度快、切口質(zhì)量好并且可以對(duì)任意圖形進(jìn)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(duì)硬脆性材料切割相對(duì)于Nd∶YAG激光切割有明顯的優(yōu)勢(shì)，采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器結(jié)合保護(hù)氣體對(duì)藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，熱影響區(qū)較小，在加工區(qū)域表面不會(huì)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。

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(shí)現(xiàn)切割；自動(dòng)控制系統(tǒng)控制移動(dòng)平臺(tái)能在X，Y方向移動(dòng)。采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器切割光學(xué)級(jí)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(zhǎng)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?dú)庾鳛檩o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(zhǔn)連續(xù)激光器切割藍(lán)寶石基片材料，如圖2所示：

圖2 銳科150W QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器

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(lái)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(duì)切割質(zhì)量的影響。θ依次選取15o、30o、45o、60o、75o和90o進(jìn)行試驗(yàn)，起刀線的長(zhǎng)度為0.3mm。起刀線的位置確定好后，再進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 起刀線示意圖

當(dāng)激光剛照射到藍(lán)寶石材料表面時(shí)，將會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割開始時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度為30o或90o時(shí)，濺射物長(zhǎng)度基本消除。

使用氮?dú)庾鳛檩o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： 

1. 從顯微鏡上看切割后的藍(lán)寶石邊緣光滑、基本無(wú)掛渣、無(wú)毛刺；

2.切割面幾乎無(wú)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(gè)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(shí)降低激光功率對(duì)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。

銳科150W QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器技術(shù)參數(shù)

QCW切割藍(lán)寶石材料工藝參數(shù)

要獲得較好的表面質(zhì)量等級(jí)，必須對(duì)激光功率、切割速度等工藝參數(shù)進(jìn)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(gè)主要因素。

激光能量是激光切割藍(lán)寶石基片過程中的主要能量來(lái)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(huì)對(duì)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(shí)，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(huì)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(shí)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(shì)，提高效率。

對(duì)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(gè)經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(gè)相對(duì)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(shí)，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(duì)藍(lán)寶石材料，使用氮?dú)饪梢云鸬揭种魄懈顓^(qū)過度燃燒的作用。

激光切割對(duì)輔助氣體的基本要求是氣流量要大，以便有充足的氮?dú)馀c切口材料發(fā)生放熱反應(yīng)，并有足夠的動(dòng)力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍(lán)寶石時(shí)，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?dú)庵泻械碾s質(zhì)對(duì)切割質(zhì)量造成不良影響，因此氮?dú)獾募兌纫?。（本文?jīng)銳科激光允許，由我網(wǎng)首發(fā)，來(lái)源：激光制造網(wǎng)）