CN104028898B - 一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法和装置 - Google Patents

一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法和装置，加工装置主要包括：保护装置、激光束、透镜组、容器、限制层、悬浮颗粒、进气管，容器所设空腔内装有工作液体；在激光作用下工作液在基材下表面产生沉积层，固液接触面处液体中的悬浮颗粒和上述沉积层结合增强对激光能量的吸收，使得激光焦点附近蓝宝石材料温度达到其熔化和气化温度；并且在激光辐照下，以悬浮颗粒为中心产生大量微小气泡，气泡爆破冲击力冲刷切槽，利于碎屑的排出，两者共同作用最终实现对材料的去除。本发明加工方法中切槽热效应小，加工区域无重凝层，加工质量好，可以实现成形切割。本发明的加工方法操作简单，方便实用，具有较高的加工速率且加工成本极低。

Description

一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法和装置
技术领域
本发明涉及激光加工硬脆材料的技术领域，具体设计一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法和装置。
背景技术
蓝宝石单晶具有硬度高(莫氏硬度为9)、熔点高(2030℃)、耐磨性好、透光率高、在高温下(1000℃)仍能够保持稳定的化学特性等良好综合性能，已广泛应用在电子信息、国防和医疗等多个领域，同时，蓝宝石应用到LED方面也成为主流；近几年，随着手机大屏化，蓝宝石已经初步应用到手机，iPhone手机HOME键保护盖以及后镜头保护盖甚至iPhone以及iWatch的屏幕外层都已采用蓝宝石材料，特别是在大尺寸显示屏，还有一些高级手表外盖也在使用蓝宝石材料。这些要求对蓝宝石基片进行切割、划片和钻孔等加工。
激光切割技术可用于蓝宝石的切割，在激光干式切割中，目前主要采用皮秒激光进行切割，加工成本较高；激光背向湿式刻蚀加工时，大多采用短波长、低能量激光和对激光有较好吸收的有机溶液作为工作液体，激光透过待加工材料入射到材料背面--液体接触区域，有机溶液通过对激光的多光子吸收，温度升高达到蓝宝石的熔点和气化温度，实现材料的去除，但是此方法大多应用于微结构的制造，很难进行成形切割。这类方法不能实现成形切割的原因在于(1)短波长激光输出能量低；(2)工作液体活性不强；(3)切割深度增加时工作液体不能及时上溢而沉积在蓝宝石切槽中；(4)排屑困难。
红外激光具有高输出能量和低成本的优势，但加工蓝宝石基片存在的问题是热应力大，易产生裂纹。要克服以上问题，需要研制出适合红外激光吸收的工作液体，并提高其活性使光化学反应更容易进行，增强工作液体对激光的吸收，不致于在过高的激光能量辐照下产生裂纹，这样在激光切割过程中不断有新的沉积层在蓝宝石材料背面沉积，进而来增强对激光的吸收，利用激光诱导微气泡排除切割过程产生的碎屑，这样就能实现对蓝宝石基片的成形切割。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种操作简单，方便实用，成本较低，具有较高的加工速率的激光成形切割蓝宝石基片的加工方法。
本发明的另一个目的在于提供一种保证蓝宝石表面加工质量较好的情况下，实现蓝宝石成形切割的加工装置。
本发明的技术方案是：本发明的激光成形切割蓝宝石基片的加工方法，包括以下步骤：
1)将蓝宝石基片固定在工作台上的容器上部，并在蓝宝石基片上面设置一保护装置；
2)在容器内注入含有微纳颗粒的工作液体，并使液体与蓝宝石基片的下表面接触；
3)将激光光束聚焦在蓝宝石基片与上述液体的接触面上；
4)在容器内部一侧放置一通气搅拌装置，加工过程中不断通入压缩空气，使得溶液中微纳颗粒在加工过程中处于悬浮状态；
5)在激光作用下溶液在待加工蓝宝石下表面发生光化学反应在蓝宝石基片背面产生沉积层；
6)固液接触面处液体中的悬浮颗粒和上述沉积层结合增强对激光能量的吸收，使得激光焦点附近蓝宝石材料温度不断升高，达到蓝宝石材料的熔化和气化温度；与此同时，温度升高使得材料软化，在激光辐照下，以悬浮颗粒为中心产生大量激光诱导微小气泡，气泡爆破产生的冲击力冲刷蓝宝石基材，利于加工过程中碎屑的排出，两者共同作用最终实现蓝宝石基片的切割；
7)在上述脉冲激光连续作用下，并结合安装工件的工作台沿着Z向直线运动和振镜沿着X/Y方向扫描，实现对蓝宝石基片的成形切割。
本发明的激光成形切割蓝宝石基片的加工方法的加工装置，包括有激光束、透镜组、保护装置、容器、进气管，其中容器所设中空腔体内装有工作液体，进气管中通入压缩空气，蓝宝石基片放置在工作液体的表面并与液体接触，保护装置装设在蓝宝石基片的顶面，激光束聚焦后照射在蓝宝石基片的背面-液体接触区域。
上述工作液体为在激光作用下能发生光化学沉积的CuSO4混合溶液。
上述透镜组包括扫描振镜聚焦透镜组和发射聚焦透镜组。
本发明采用的装置使得激光背向湿式刻蚀加工方法中碎屑容易被液体带走，激光烧蚀的热效应小，加工区域无重凝层，加工质量好，液体可以不断上溢，提高加工效率，实现蓝宝石基片的成形切割。
本发明的优点和积极效果是：充分利用了高吸收率的悬浮颗粒、激光诱导光化学反应生成的沉积层以及结合激光诱导空化效应来提高激光对蓝宝石的蚀刻率。激光诱导液体发生光化学反应，进而在材料背面产生沉积层；沉积层和溶液本身产生的悬浮颗粒结合，增强了对激光的吸收，并且以悬浮颗粒为气化中心产生微小气泡，利用微小气泡的爆破力冲刷槽底，排除碎屑。在通气装置的搅拌作用下进行激光加工，避免了液体不能上溢阻碍碎屑的排除和切割的进行；在蓝宝石基片上表面加置保护装置，防止蓝宝石基片被切穿时，液体上溢到蓝宝石基片上表面，影响切割质量。本发明实现了蓝宝石高效率高质量低成本的成形加工，是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的加工方法和装置。
附图说明
图1是激光切割蓝宝石成形零件的加工方法及装置的示意图。
图2是激光诱导光化学反应生成的沉积层附着在蓝宝石基片表面示意图
图3是图2的局部放大示意图。
图4是保护装置在切穿后防止液体上溢、飞溅示意图。
在图中：1.蓝宝石基片，2.激光束，3.聚焦透镜组，4.保护装置，5.排气口和进液口，6.CuSO4混合溶液中悬浮颗粒，7.CuSO4混合溶液，8.空化气泡，9.容器，10.密封口，11.进气管，12.压缩空气，13.沉积层。
具体实施方式
实施例：
本发明激光成形切割蓝宝石基片的加工方法，包括以下步骤：
1)将蓝宝石基片1固定在工作台上的容器9的上部，并在蓝宝石基片上面设置一保护装置4，防止蓝宝石基片被切穿时液体由切槽上溢到蓝宝石基片上表面，影响切割质量；
2)在容器9内注入CuSO4混合溶液7，并使CuSO4混合溶液7与蓝宝石基片1的下表面接触；
3)将激光焦点聚焦在蓝宝石基片1与上述CuSO4混合溶液7的接触面上；
4)在容器内部一侧放置一进气管11，加工过程中不断通入压缩空气12，气压为0.1Mpa，使得溶液中微纳颗粒6处于悬浮状态，使其靠近蓝宝石基片下表面，使得更好的吸收激光能量；
5)在激光作用下溶液在待加工蓝宝石基片1下表面发生光化学反应生成沉积层13，此沉积层与微纳颗粒6相互混合提高对激光的吸收；
6)上述固液接触面处液体中的悬浮颗6和沉积层13结合加强对激光能量的吸收，激光焦点附近蓝宝石材料1温度不断升高，达到蓝宝石熔化和气化温度，与此同时，以悬浮颗粒6为中心产生大量微小气泡8，气泡爆破产生的冲击力冲刷高温蓝宝石基材1，利于碎屑的排出，两者共同作用最终实现对蓝宝石基片的切割；
7)在脉冲激光连续作用下，并结合安装工件的工作台沿着Z向直线运动和振镜沿着X/Y方向扫描，实现蓝宝石基片的成形切割。
本发明的装置示意图如图1、2、3、4所示，本发明的激光成形切割蓝宝石的加工装置，包括有激光束2、透镜组3、保护装置4、容器9、进气管11，其中容器9所设中空腔体内装有CuSO4混合溶液7，进气管11中通入压缩空气12，蓝宝石基片1放置在CuSO4混合溶液7的表面并与液体接触，保护装置4装设在蓝宝石基片1的顶面，激光束2聚焦后照射在蓝宝石基片1的背面-液体接触区域。
本实施例中，上述CuSO4混合溶液7为在硫酸铜水溶液中加入络合剂酒石酸钾钠和乙二胺四乙酸、还原剂甲醛、PH调节剂氢氧化钠形成的混合溶液。
本实施例中，上述硫酸铜水溶液是将硫酸铜晶体充分溶解于去离子水中，形成硫酸铜水溶液。
本实施例中，进气管11中在加工过程中不断的通入压缩空气12，气压为0.1MPa，防止悬浮颗粒6下沉。
本实施例中，上述保护装置4为对激光透明的石英玻璃，并且固定在蓝宝石基片1的上表面；
本实施例中，上述激光束2为脉冲红外激光；上述激光波长范围780～2526nm；上述激光脉宽为大于等于20ns；上述激光能量密度范围1～200J/cm2；上述激光频率范围0～50KHz；上述激光扫描速度范围0.1～50mm/s；上述激光扫描次数1～50次。本实例中，产生激光束2的激光器的波长为1064nm、脉宽为80ns、能量密度为58J/cm2、频率为2KHz、扫描速度为1mm/s、扫描次数15次。
本实施例中，上述保护装置4对入射激光透明，并且固定在蓝宝石基片1的上表面；在脉冲激光连续作用下，并结合安装工件的工作台沿着Z向直线运动和振镜沿着X/Y方向扫描，实现对蓝宝石基片的成形切割加工。
本发明实现了蓝宝石的高效率高质量的加工，是一种设计巧妙，性能优良，方便实用，加工成本较低的加工蓝宝石的方法及装置。在激光器的波长为1064nm、脉宽为80ns、能量密度为58J/cm2、频率为2KHz、扫描速度为1mm/s、扫描次数15次的条件下，切割厚度为500um的双面抛光的蓝宝石基片。

Claims (8)

1.一种激光成形切割蓝宝石基片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将蓝宝石基片固定在工作台上的容器上部，并在蓝宝石基片上面设置一保护装置；
2)在容器内注入含有微纳悬浮颗粒的液体，并使液体与蓝宝石基片的下表面接触；添加的工作液体为硫酸铜混合溶液，溶液中含有一定的微纳悬浮颗粒，可以提高对激光的吸收，且易清洗；溶液中的微纳悬浮颗粒为碱式硫酸铜颗粒，由PH调节而产生，非额外添加，可以增强对激光的吸收，并以其为汽化中心形成微小气泡；
3)将激光光束聚焦在蓝宝石基片与上述液体的接触面上；
4)在容器内部一侧放置一通气搅拌装置，加工过程中不断通入压缩空气，使得溶液中微纳悬浮颗粒在加工过程中处于悬浮状态；
5)在激光作用下溶液在待加工蓝宝石下表面发生光化学反应并在蓝宝石基片背面产生沉积层；
6)固液接触面处液体中的微纳悬浮颗粒和上述沉积层结合增强对激光能量的吸收，使得激光焦点附近蓝宝石材料温度不断升高，达到蓝宝石材料的熔化和气化温度；与此同时，温度升高使得材料软化，在激光辐照下，以微纳悬浮颗粒为中心产生大量激光诱导微小气泡，气泡爆破产生的冲击力冲刷蓝宝石基材，利于加工过程中碎屑的排出，两者共同作用最终实现对宝石基片的切割；
7)上述激光光束与工件发生X/Y/Z方向的相对运动方式有两种：a)安装工件1的工作台能沿着Z向直线运动，透镜组中的扫描振镜和聚焦透镜组工作，扫描振镜沿着X/Y方向扫描；b)激光头固定不动，透镜组中的反射聚焦透镜组工作，工作台沿着X/Y/Z方向直线进给运动，其中X/Y两轴联动。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在蓝宝石基片上表面放置对红外激光几乎透明的石英玻璃保护装置可以减小加工过程中材料承受的应力差，并可以防止蓝宝石基片被切穿时液体由切槽上溢到蓝宝石基片上表面。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，在硫酸铜水溶液中加入络合剂氨水、还原剂次磷酸钠、PH调节剂氢氧化钠。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，CuSO4混合溶液按重量比为：硫酸铜：10-30g/L，氨水：20-50ml/L，次亚磷酸钠：20-60g/L，PH值调节剂：5-15g/L，以及余量水，PH值：10-13。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，放置的通气装置通压缩气后可以搅拌液体、防止上述微纳悬浮颗粒下沉，通气的气压为0.1Mpa；并可以利用气泡带动液体流动进而更新激光焦点处的液体，余气可以通过排气口排出。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，上述激光波长范围780～2526nm、激光脉宽为大于等于20ns、激光能量密度范围1～200J/cm2、激光频率范围0～100kHz、激光扫描速度范围0.1～50mm/s、扫描次数1～50次。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于，在脉冲激光连续作用下，并结合安装工件的工作台沿着Z向直线运动和振镜沿着X/Y方向扫描，实现对蓝宝石基片的成形切割。
8.如权利要求1所述方法，激光成形切割蓝宝石基片的加工方法所使用的加工装置，其特征在于，包括有激光束、透镜组、保护装置、容器、进气管，其中容器所设中空腔体内装有CuSO4混合溶液和悬浮颗粒，进气管中通入压缩空气，蓝宝石基片放置在CuSO4混合溶液的表面并与液体接触，保护装置装设在蓝宝石基片的顶面，激光束聚焦后照射在蓝宝石基片的背面-液体接触区域。
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