CN108406135B - 一种陶瓷基板连续化激光切割装置及其切割方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷基板连续化激光切割装置及其切割方法，涉及陶瓷基板切割。根据连续碳化硅薄膜基板的特性，利用传动装置和激光切割装置相结合的模式，在激光的照射下对基板进行切割。同时合陶瓷薄膜的特征，通过海绵在基板切割处两边施加一定的压力，给予基板一定的强度的同时起到应力缓冲的作用，不仅解决了薄膜基板在割断瞬间的碎裂问题，还保证基板在切割时不易位，切割痕无毛刺。同时在传动装置的带动下可对连续化基板进行连续切割，实现自动化机械化操作，大大提高了切割效率。利用通过更换不同长度的链板即可将多条连续碳化硅陶瓷薄膜基板切割成器件要求的不同尺寸，实现其在功率型半导体器件封装的应用。

Description

一种陶瓷基板连续化激光切割装置及其切割方法

技术领域

本发明涉及陶瓷基板切割，尤其是涉及一种陶瓷基板连续化激光切割装置及其切割方法。

背景技术

半导体功率器件正朝着大功率、高集成、小体积的方向发展，对散热基板各项性能的要求也逐步提高。陶瓷基板是基于高效散热、化学稳定的陶瓷材料的线路板，特别适用高功率电子元件封装应用。与传统的金属基板(铝基板、铜基板等)相比，陶瓷基板克服了芯片与基板间热膨胀系数失配而产生热应力的问题，且不需要外加绝缘层来克服其导电性。然而，只有将基板切割成合适的尺寸大小，才可广泛应用在功率型半导体器件中。

碳化硅薄膜陶瓷基板同时兼具高热导、高绝缘、耐高温、抗腐蚀、硬度大、体积小、厚度薄等优点，且与其他陶瓷基板相比更容易在表面进行电极电路的设计与加工，体现了良好的性能优势，适应半导体功率器件的发展，正逐步在市场上被推广。

本申请人在中国专利CN101219788公开一种碳化硅薄膜成型装置与碳化硅薄膜的制备方法，将先驱体转化法与熔融纺膜法相结合，可制备得到均匀致密、表面平整、连续的碳化硅薄膜。本申请人在中国专利CN105135876公开一种自支撑陶瓷薄膜的连续化生进行陶瓷薄膜的烧结，烧结后通过丝网印刷制作银浆电极，最终得到长逾百米，具有优异热导性能和力学性能的连续碳化硅薄膜陶瓷基板。整个基板制备流程明晰，工艺简单，生产成本低，满足大规模量产条件。与此同时，基于此工艺得到的连续碳化硅薄膜陶瓷基板在用于半导体功率器件工业化封装和生产时，需要对基板进行切割，从而得到器件要求的尺寸大小，以便进行下一步的封装生产。

传统的基板切割方式包括电火花切割、砂轮划片切割和金刚石划刀切割等，由于其切割模式和切割方法对碳化硅陶瓷薄膜基板的局限性，在切割过程中存在许多问题。陶瓷材料熔点高硬度大，故采用电火花线切割的方法往往会导致金属割线的断裂，因此电火花切割一般适用于金属块状材料；砂轮划片切割路径单一，且切割高硬度和高耐磨性的陶瓷材料时，会造成加工困难且砂轮磨损快，不适合工业化生产；金刚石划刀切割过程中容易产生应力集中，导致陶瓷薄膜出现裂纹，严重影响其性能。

随着全球激光技术的飞跃式发展，激光切割以其高效的切割模式和精确的切割定位成为新一代基板切割的关键技术。采用激光进行切割时，无切削应力，加工无变形，刀具无磨损，有效生命周期较长。同时，激光切割柔性化程度高，切割速度快，切缝窄，生产效率高，能有效解决传统切割方式中存在的问题，满足大规模工业生产需求。连续碳化硅薄膜陶瓷基板硬度大，长且薄，且对应力较为敏感，故最适合用激光切割技术加以切割。但是，由于现有的激光切割装置和技术仅适用于片状材料的切割，且切割过程中基板被割断时存在较大应力，容易引起陶瓷薄膜基板容易碎裂，导致无法对对连续碳化硅陶瓷基板进行切割。

目前有一些关于激光切割装置及方法的专利，但是适用于连续碳化硅陶瓷薄膜基板的装置和方法还尚未发现。

中国专利CN105798470提供一种激光切割机及其切割方法，结合激光切割装置和机械分离装置，解决了对多层膜和柔性基板进行切割时，较高切割能量导致切割热影响区变大，柔性显示器件窄边框化的问题。但碳化硅陶瓷基板薄且脆性大，通过此专利先用激光划片疏松组织再用机械方法将基板分割开的方法切割基板，很容易使陶瓷薄膜基板受应力作用而碎裂，因此无法使用该装置进行切割。

中国专利CN105081579提供一种除残留物式的激光加工方法，在激光穿孔后除去该待加工材料表面的残留物，从而实现稳定切割，提高切割效率和产品的优良率。但此方法仅解决了切割前待加工材料表面残留物的清理，无法针对陶瓷薄膜切割完成瞬间的应力作用进行调控，容易造成基板的碎裂，因此无法使用该装置进行切割。

中国专利CN105798469通过利用多激光头切割组件将两种或两种以上不同的激光源整合在同一台激光切割设备上，从而实现复合材料的切割加工及不同单一材质的材料切割加工。但此方法无法对单一材质的连续化基板进行切割，因而无法使用该装置进行切割。

目前国内还未见涉及连续碳化硅自由薄膜陶瓷散热基板的切割装置及其切割方法。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的在于提供有效针对连续陶瓷薄膜进行自动化、连续化切割，大大提高切割效率，对陶瓷薄膜进行切割，切口齐整、切割精度高、切割长度可控，解决陶瓷薄膜基板硬度大难切割、切割瞬间易碎裂等问题的一种陶瓷基板连续化激光切割装置。

本发明的另一目的在于提供一种陶瓷基板连续化激光切割方法。

所述陶瓷基板连续化激光切割装置设有二维运动组件、基板送膜组件、切割平台组件、激光光源与计算机组件和基板出料组件；所述基板送膜组件将基板送至切割平台后，在二维运动组件和激光光源与计算机组件的控制下进行激光切割，最终通过基板出料组件将切割成定长的基板送出；

所述二维运动组件承载着基板送膜组件和切割平台组件，二维运动组件包括两个移动平台，在计算机控制系统的控制下可沿x轴和y轴方向运动；当二维运动组件在计算机控制系统控制下工作时，整个基板送膜组件和切割平台组件将同时往x轴和y轴方向移动；

所述基板送膜组件包括待切割的碳化硅薄膜陶瓷基板、基板卷盘、卧式电机和支架；所述支架高度可调，支架底部和顶部通过螺母分别与二维运动组件和卧式电机紧固；所述卧式电机转轴带有螺纹，卧式电机在转轴上同时插入至多10个基板卷盘，基板卷盘之间紧靠在一起并用螺母紧固。所述薄膜基板缠绕在基板卷盘外径上；

所述切割平台组件包括定位机构、链板输送组件、海绵压力固定装置、立式电机、电机控制系统和电机支架；所述电机支架底部通过螺母与二维运动组件紧固，电机支架顶部固定有立式电机和电机控制系统；所述定位机构用螺母固定于立式电机上方与基板前进方向平行；所述定位机构由若干条轨道构成，基板紧贴轨道水平向前运动；所述链板输送组件包括链板、支架和支腿；所述支腿上下两端通过螺母分别与支架和二维运动组件紧固；链板的宽度应大于基板的总宽度，在支架的辅助支撑下呈履带状。当立式电机工作时，链板便随之向前运动形成循环。所述海绵压力固定装置包括两块海绵垫、运动活塞、气管和支架；所述支架通过螺母将海绵压力固定装置与链板输送组件中的支架紧锁；所述气管与外接气瓶相连，运动活塞连接气管和海绵垫，海绵垫的长度应小于切割长度，海绵垫的宽度应大于所有基板的总宽度，使其能够覆盖所切割的基板，海绵垫底部需平整且保证在气压下紧贴基板时不会对基板造成损伤；

所述激光光源与计算机组件包括激光器装置、计算机控制系统、气瓶和固定支架；所述固定支架用于固定组件中各装置的相对位置，气瓶用于提供海绵压力装置和激光器装置中所需要的气体，气瓶与气管之间设有气阀，可控制气体的开关；所述计算机控制系统分别与二维运动组件、基板送膜组件的卧式电机、切割平台组件的立式电机、切割平台组件的海绵压力固定装置、激光光源与计算机组件的激光器装置和气瓶相连接，通过控制激光束的参数、基板的位置和相对运动，对基板切割进行全程调控，并在显示屏上显示整个切割过程。所述激光器装置包括外层保护罩、激光光源、追踪激光器光源、光学组件、辅助送气组件、激光罩和CCD相机；所述追踪激光器光源和激光光源安装在同一轴线上，追踪激光器光源和激光光源共用一个光学组件，经聚焦后穿过激光罩能射到基板的同一位置上；所述追踪激光器发出较微弱的激光，通过计算机设定运动轨迹，控制二维运动组件的运动，进而控制切割平台组件的移动，进行模拟激光切割过程；所述辅助送气组件是在激光切割的同时将切割辅助气体与激光同轴送出的装置，辅助送气组件主要包括气管、保护镜片和喷嘴口。切割时，切割辅助气体经由辅助送气组件的气管进入喷嘴口内，再从喷嘴口吹出，与聚焦后射出的切割激光束同轴射到待切割的基板上。大功率激光光源发出的高能激光束，配合辅助送气组件可对基板进行激光切割；

所述基板出料组件包括已切割完成的基板、基板传送带、电机、电机控制系统和支架；所述基板传送带至少可并排容纳10条已切割完成的基板。切割结束后，已切割完成的基板从切割平台组件的链板上被运送到基板传送带上，在电机的带动下被运送至其他平台，等待下一步加工。

当卧式电机工作时，基板卷盘随着卧式电机转轴的转动而转动。所述基板卷盘的内径与转轴直径相当，基板卷盘内径最好为20mm，基板卷盘外径最好为100mm，基板卷盘外径两侧各有一个高为20mm，厚为1.5mm的侧壁，用于将成卷的基板卡在两个侧壁之间使之固定并保证基板卷盘转动时基板送出位置固定。所述碳化硅薄膜陶瓷基板由先驱体熔融纺膜法制得，后经丝网印刷在表面获得电极或电路得到基板。薄膜基板厚度为200um，宽度受纺膜装置的喷膜口宽度调控，宽度可为1～8mm。基板卷盘的厚度可根据基板宽度进行调整，基板卷盘的整体厚度可为4～11mm，其材质最好为塑料。

所述定位机构中轨道间距固定可为3mm，轨道高度最好为5mm，轨道长度可设定为100mm，轨道宽度和可根据基板的宽度进行设定，在1～8mm之间。

所用的链板长度和宽度可根据要求切割处的基板长度和基板宽度进行设定。链板的宽度应大于基板的总宽度，最好比基板总宽度多出30mm以上；如要切割成长度为kmm的基板，则链板的长度应为(k-2)mm。链板间距固定为2mm；海绵垫的大小可根据基板宽度进行调整，设定成不同规格。海绵垫的厚度可设定为25mm。此外，两块海绵垫之间的间距可以设定为10mm。海绵垫底部与基板的垂直距离最好保持为5mm。切割前，气体通过气管吹出，在气压的作用下，运动活塞向下运动使得海绵垫向下运动5mm与基板紧贴。切割后，气阀关闭，活塞向上运动使得海绵垫向上运动5mm与基板分离；

同时，通过计算机控制系统控制二维运动组件的运动，进而控制切割平台组件的运动，可对任意部分的基板进行切割。激光光源和切割辅助气体可根据实际切割样品需要进行选择，切割连续碳化硅薄膜陶瓷基板最好选用50W以上的光纤激光器作为激光光源，切割辅助气体可根据实际需要选用二氧化碳、氮气等。

所述陶瓷基板连续化激光切割方法包括以下步骤：

安装和使用基板送膜组件与切割平台组件进行基板的运输，使用二维运动组件、切割平台组件和激光光源与计算机组件进行基板的切割，使用基板出料组件运输已切割完成的基板以备下一步加工，具体步骤如下：

在安装和使用基板送膜组件与切割平台组件进行基板的输送中，调节基板送膜组件与切割平台组件的工作区域在同一水平线上。10个基板卷盘可同时套插在卧式电机的转轴上，用螺母紧固基板卷盘，基板卷盘之间紧靠在一起，确认其相互之间不会滑动。用镊子将10条基板分别从10个基板卷盘拉出后，准确地卡入定位机构的每个轨道内，小心地拉动基板使其水平通过定位机构，确保基板不发生歪斜、扭曲或弯折，从而使基板水平进入链板输送组件中的链板上，并将10条基板水平拉至第一块链板的最前端。待基板固定后，在计算机控制系统的控制下，同时开启基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，设定两台电机均以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条基板同时缓慢在链板上做无滑动的前进运动；

在使用二维运动组件、切割平台组件和激光光源与计算机组件进行基板的切割中，基板被缓慢传送至切割处以待切割，切割前两块海绵垫与基板的垂直距离为5mm，CCD相机全程处于开启状态，可在计算机控制系统的显示屏上显示实时的切割过程。当覆盖基板的两块链板间隙的中轴线与切割激光束的延长线在同一平面时，立即同时停止基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，打开追踪激光器光源。确认该光源发出的激光经光学组件聚焦恰好射在链板间隙的中轴线上后，计算机控制系统控制二维运动组件，使切割平台组件沿x轴运动。在显示屏中确认追踪激光器发出的激光与基板一侧的切割起点重合后，切割平台组件立即停止运动。此时通过追踪激光器的行进路线进行激光切割的模拟：第一，计算机控制系统开启海绵压力固定装置：开启气阀，运动活塞在气压的作用下将海绵垫向下运动5mm，使得两块海绵垫与基板紧紧地贴在一起。第二，通过计算机控制系统控制二维运动组件，使切割平台组件沿x轴负方向以一定的速度运动，速度可设定为10mm/s。第三，经过一段时间后，追踪激光器发出的激光与基板另一侧的切割终点重合。第四，经显示屏中CCD相机拍摄的影像确认两点重合后，切割平台回到切割初始位置，此时追踪激光器发出的激光再次重新与基板一侧的切割起点重合。确认切割路线后，关闭追踪激光器，根据上述的模拟过程进行基板的激光切割：1)通过计算机控制系统设置切割参数：激光光源在使用时可根据光源的型号结合所切割基板的样式选择百分比功率、脉宽和频率，以此调节切割深度、精度和毛边。对于所述连续碳化硅薄膜陶瓷基板可选用实际切割功率为40～50W，脉宽宜为0.4ms，频率宜为350Hz；2)同时开启激光光源、切割辅助气体和二维运动组件，激光光源发出的切割激光束与切割辅助气体同轴射到基板一侧的切割起点处开始进行激光切割，切割平台组件沿x轴负方向以一定速度运动，速度可设定为3mm/s；3)经过一段时间后，当显示屏确认切割激光束与基板另一侧的切割终点重合时，立即关闭激光光源和切割辅助气体，切割平台以一定的速度回到上述切割初始位置，此时10条基板的前段已经被切割成10段定长为kmm的基板；4)关闭海绵压力固定装置的气阀，运动活塞缓慢往上运动带动两块海绵垫向上提起至初始位置，与基板的垂直距离保持为5mm，切割过程结束。同时开启基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，两台电机继续以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条待切割的基板和已切割完成的基板缓慢在链板上做前进运动，待切割的基板经传送进入切割区域进行下一步切割，已切割完成的基板经传送进入基板出料组件。

在使用基板出料组件运输已切割完成的基板中，电机保持开启，基板传送带以5mm/s的速度做向前的传送。当已切割完成的基板在切割平台组件的链板上做无滑动的前进运动到达切割平台组件和基板出料组件的交界处时，链板沿滑轮向前向下做圆周运动，链板上的基板会因为惯性保持往前运动而落到基板传送带上。此时，已切割完成的基板便由切割平台组件被运送到基板传送带上，并在电机的带动下被运送至其他平台，等待下一步加工。

完成上述切割过程以后，将得到一系列切割成定长为kmm的碳化硅陶瓷薄膜基板，这些基板被运送至基板出料组件，等待下一步加工。若要继续对碳化硅陶瓷薄膜基板进行切割，则需要更换新的基板卷盘，并重复此激光切割装置的切割方法。

本发明根据连续碳化硅薄膜基板的特性，利用传动装置和激光切割装置相结合的模式，在激光的照射下对基板进行切割。同时合陶瓷薄膜的特征，通过海绵在基板切割处两边施加一定的压力，给予基板一定的强度的同时起到应力缓冲的作用，不仅解决了薄膜基板在割断瞬间的碎裂问题，还保证基板在切割时不易位，切割痕无毛刺。同时在传动装置的带动下可对连续化基板进行连续切割，实现自动化机械化操作，大大提高了切割效率。利用本发明通过更换不同长度的链板即可将多条连续碳化硅陶瓷薄膜基板切割成器件要求的不同尺寸，实现其在功率型半导体器件封装的应用。

附图说明

图1是本发明所述陶瓷基板连续化激光切割装置的主视图。

图2是图1中基板送膜组件中基板卷盘和待切割基板的示意图。

图3是图1中基板送膜组件中定位机构的俯视图。

图4是图1中基板送膜组件中部分结构的放大图。

图5是图4中海绵压力固定装置中海绵垫的俯视图。

图6是图1中激光光源与计算机组件中激光器装置的局部放大图。

图7是已切割完成的基板运输工作示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的陶瓷基板连续化激光切割装置，如图1～7所示，包括：二维运动组件1、基板送膜组件2、切割平台组件3、激光光源与计算机组件4和基板出料组件5。在二维运动组件1中，包括可沿着x轴方向运动的移动平台11和可沿着y轴方向运动的移动平台12。在基板送膜组件2中，包括待切割的碳化硅薄膜陶瓷基板20，驱动基板卷盘21转动的卧式电机22和固定在二维运动组件1上的支架23。在切割平台组件3中，包括用于确定基板20进入切割平台3位置的定位机构31、带动链板输送组件32运动的立式电机33和用于固定基板20的海绵压力固定装置34、电机控制系统35以及电机支架36。在激光光源与计算机组件4中，包括激光器装置41、计算机控制系统42、气瓶43和固定支架44。在基板出料组件5中，包括已切割完成的基板50、带动基板传送带51运动的电机52、电机控制系统53以及支架54。

其中，二维运动组件1承载着基板送膜组件2和切割平台组件3，可使上述两个组件同时进行x轴和y轴两个方向的移动。同时，激光光源与计算机组件4中的计算机控制系统42对二维运动组件1的运动进行控制。

所述属于基板送膜组件2的碳化硅薄膜陶瓷基板卷盘21由塑料制成，内径为20mm，外径为100mm，厚度根据基板20的宽度在1～8mm内可变，用于固定基板20层叠成卷的两个侧壁壁高固定为20mm，壁厚固定为1.5mm。所述基板20宽度应在1～8mm之间，使其正好卡在基板卷盘21的两个侧壁之间。一般来说，一个完整的基板卷盘21所含的基板20应在200m以上。使用本发明进行基板的运输时，可将至多10个厚度一致的基板卷盘21同时套插在卧式电机22的转轴上，使用前必须确基板卷盘21用螺母紧固，基板卷盘之间紧靠在一起，使其相互之间不会滑动。在本实施例中，碳化硅薄膜陶瓷基板的宽度设定为3mm。

如图3所示，所述切割平台组件的定位机构31由10条轨道构成，轨道总长为100mm，宽为63mm，高为5mm，轨道之间距离为3mm，每条轨道宽度与基板的宽度相同。由于本示例性实施例中的碳化硅薄膜陶瓷基板宽度为3mm，故每条轨道宽度为3mm，轨道间距调整为3mm，轨道总宽度即为63mm。在图3中，标记A为基板运输方向。

如图4所示，所述切割平台组件3中的链板输送组件32包括链板321、支架322和支腿323。其中，链板间距可根据不同的使用情况进行适当的调整，在本实施例中设定链板间距为2mm。链板321的长度和宽度可根据要求切割出的基板长度和基板的宽度进行设定，在本实施例中设定基板的切割长度为50mm，故对应的链板长度为48mm；每条基板宽度为3mm，基板间距为3mm，基板总宽度为57mm，故对应的链板宽度应大于基板总宽度，可以设定为100mm。

如图4和5所示，所述切割平台组件3中的海绵压力固定装置34包括两块海绵垫341、运动活塞342、气管343和支架344。所述运动活塞342紧密连接海绵垫341与气管343，支架344通过螺母将海绵压力固定装置34与链板输送组件32中的支架322紧锁。海绵垫的大小可根据基板宽度进行调整，设定成不同规格。海绵垫的长度应小于切割长度，海绵垫的宽度应大于所有基板的总宽度，使其能够覆盖所切割的基板。在本实施例中，海绵垫的长度可以设定为40mm，基板总宽度为57mm，故海绵垫的宽度可以设定为70mm，海绵垫的厚度可以设定为25mm。此外，两块海绵垫341之间的间距可以设定为10mm。工作时，气体通过气管343吹出，在气压的作用下，运动活塞341向下运动使得两块海绵垫341与基板20紧贴。

如图6所示，所述激光光源与计算机组件4中的激光器装置41包括外层保护罩411、激光光源412、追踪激光器光源413、光学组件414、辅助送气组件415、激光罩416和CCD相机417。其中，CCD相机417可对整个切割过程前后进行实时拍摄监控，并显示在计算机控制系统42的显示屏上。辅助送气组件415是在激光切割的同时将切割辅助气体与激光同轴送出的装置，主要包括保护镜片4151、气管4152和喷嘴口4153。切割前，追踪激光器光源413发出弱激光，经过光学组件414聚焦后射到待切割的基板上，可结合计算机控制系统42进行切割过程的模拟。切割时，激光光源412发出激光，经光学组件42聚焦后射到待切割的基板20进行切割；同时，切割辅助气体经由辅助送气组件415的气管4152进入喷嘴口4153内，再从喷嘴口4153吹出，与聚焦后射出的切割激光束同轴射到待切割的基板20上。激光光源412和切割辅助气体可根据实际切割样品需要进行选择。在本实施例中，激光光源412最好选用150W的光纤激光器，切割辅助气体最好选用氮气。

计算机控制系统42分别与二维运动组件1、卧式电机22、立式电机33、海绵压力固定装置34、激光光源411、追踪激光器光源413和CCD相机417相连，通过控制激光束的参数、基板的位置和相对运动，对整个切割过程进行调控，并在显示屏上显示整个切割过程。

如图7所示，切割结束后，链板输送组件32中的链板321向前运动，已切割完成的基板50由链板321被运送到基板出料组件5中的基板传送带51，并在电机52的带动下被运送至其他平台，等待下一步加工。一般来说，基板传送带51可并排容纳10条已切割完成的基板50，在本实施例下，其宽度可以设定为200mm。

本发明所述一种陶瓷基板连续化激光切割方法，具体包括：安装和使用基板送膜组件2与切割平台组件3进行基板20的运输，使用二维运动组件1、切割平台组件3和激光光源与计算机组件4进行基板的切割，使用基板出料组件5运输已切割完成的基板50以备下一步加工。具体步骤如下：

在安装和使用基板送膜组件2与切割平台组件3进行基板的输送中，将10个厚度一致为3mm的基板卷盘21同时套插在卧式电机22的转轴上，转轴的直径为20mm且前段有螺纹，用螺母来紧固这些基板卷盘21，基板卷盘21之间紧靠在一起，确认其相互之间不会滑动。用镊子将10条基板20分别从10个基板卷盘21拉出后，准确地卡入定位机构31的每个轨道内，小心地拉动基板20水平通过定位机构31，确保基板20不发生歪斜、扭曲或弯折，从而使基板水平进入链板输送组件32中的链板321上，并将10条基板20水平拉至第一块链板321的最前端。待基板固定后，在计算机控制系统42的控制下，同时开启基板送膜组件2的卧式电机22和切割平台组件3的立式电机33，设定两台电机均以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条基板20同时缓慢在链板321上做无滑动的前进运动。

在使用二维运动组件1、切割平台组件3和激光光源与计算机组件4进行基板的切割中，CCD相机417全程处于开启状态，可在计算机控制系统42的显示屏上显示实时的切割过程。切割前两块海绵垫341与基板20的垂直距离为5mm，同时基板被缓慢传送至切割处以待切割。当运输基板的两块链板321间隙的中轴线与切割激光束延长线在同一平面时，在计算机控制系统42的控制下，卧式电机22和立式电机33立即同时停止，同时打开追踪激光器光源413，确认该光源发出的激光经光学组件414聚焦恰好射在链板间隙的中轴线上。通过计算机控制系统42控制二维运动组件1，使切割平台组件3沿x轴运动。如图5所示，当CCD相机417拍摄在显示屏的影像确认追踪激光器413发出的激光与待切割基板20的切割起点a点重合后，切割平台组件3立即停止运动。此时通过追踪激光器413的行进路线进行激光切割的模拟：第一，通过计算机控制系统42开启海绵压力固定装置34：开启气阀，运动活塞342在气压的作用下将海绵垫341往下压，使得两块海绵垫341与待切割基板20紧紧地贴在一起。第二，通过计算机控制系统42控制二维运动组件1，使切割平台组件3沿x轴负方向以10mm/s运动，经过5.7s后追踪激光器413发出的激光与基板20的切割终点b点重合。第三，经显示屏中CCD相机417拍摄的影像确认两点重合后，切割平台组件3回到切割初始位置，此时追踪激光器413发出的激光重新与基板20的切割起点a重合。确认切割路线后，关闭追踪激光器413，根据上述的模拟过程进行基板的激光切割：第一，通过计算机控制系统42设置切割参数：激光光源412在使用时选择百分比功率为30％，脉宽为0.4ms，频率为350Hz。第二，同时开启激光光源412、切割辅助气体415和二维运动组件1，使激光光源412发出的切割激光束在切割起点a处开始进行基板切割，切割平台组件3沿x轴负方向以3mm/s运动。第三，经过19s后，当切割激光束与基板20的切割终点b点重合时，立即关闭激光光源412和切割辅助气体415，切割平台组件3回到上述切割初始位置，此时10条基板20的前段已经被切割成10段定长为50mm的基板50。第四，关闭海绵压力固定装置34的气阀，运动活塞342缓慢往上运动带动两块海绵垫341向上提起至初始位置，与基板20的垂直距离保持为5mm，切割过程结束。同时开启基板送膜组件2的卧式电机22和切割平台组件3的立式电机33，设定两台电机均以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条待切割的基板20和已切割完成的基板50同时缓慢在链板321上做前进运动，基板20进入切割区域进行下一步切割，基板50运输进入基板出料组件5。

在使用基板出料组件5运输已切割完成的基板50中，如图7所示，当基板在链板321上做无滑动的前进运动到达切割平台组件3和基板出料组件5的交界处时。电机52保持开启，基板传送带51以5mm/s的速度做向前的传送。当链板321沿滑轮向前向下做圆周运动时，链板321上的基板50会因为惯性保持往前运动而落到基板传送带51上。此时，已切割完成的基板50便由链板321被运送到基板传送带51上，并在电机52的带动下被运送至其他平台，等待下一步加工。

完成上述切割过程以后，将得到一系列切割成定长为50mm的碳化硅陶瓷薄膜基板50，这些基板被运送至基板出料组件5，等待下一步加工。若要继续对碳化硅陶瓷薄膜基板20进行切割，则需要更换新的基板卷盘21，并重复此激光切割装置的切割方法。

Claims (5)

1.一种陶瓷基板连续化激光切割装置，其特征在于设有二维运动组件、基板送膜组件、基板出料组件、切割平台组件、激光光源与计算机组件；所述基板送膜组件将基板送至切割平台后，在二维运动组件和激光光源与计算机组件的控制下进行激光切割，最终通过基板出料组件将切割成定长的基板送出；

所述基板送膜组件包括待切割的碳化硅薄膜陶瓷基板、基板卷盘、卧式电机和支架；所述支架高度可调，支架底部和顶部通过螺母分别与二维运动组件和卧式电机紧固；所述卧式电机转轴带有螺纹，卧式电机在转轴上同时插入至多10个基板卷盘，基板卷盘之间紧靠在一起并用螺母紧固；所述陶瓷基板缠绕在基板卷盘外径上；

所述基板出料组件包括已切割完成的基板、基板传送带、电机、电机控制系统和支架；所述基板传送带至少并排容纳10条已切割完成的基板；

所述激光光源与计算机组件包括激光器装置、计算机控制系统、气瓶和固定支架；所述固定支架用于固定组件中各装置的相对位置，气瓶用于提供海绵压力装置和激光器装置中所需要的气体，气瓶与气管之间设有气阀，可控制气体的开关；所述计算机控制系统分别与二维运动组件、基板送膜组件的卧式电机、切割平台组件的立式电机、切割平台组件的海绵压力固定装置、激光光源与计算机组件的激光器装置和气瓶相连接，通过控制激光束的参数、基板的位置，对基板切割进行全程调控，并在显示屏上显示整个切割过程；

所述激光器装置包括外层保护罩、激光光源、追踪激光器光源、光学组件、辅助送气组件、激光罩和CCD相机；所述追踪激光器光源和激光光源安装在同一轴线上，追踪激光器光源和激光光源共用一个光学组件，经聚焦后穿过激光罩能射到基板的同一位置上；所述追踪激光器光源发出较微弱的激光，通过计算机设定运动轨迹，控制二维运动组件的运动，进而控制切割平台组件的移动，进行模拟激光切割过程；所述辅助送气组件是在激光切割的同时将切割辅助气体与激光同轴送出的装置，辅助送气组件主要包括气管、保护镜片和喷嘴口；切割时，切割辅助气体经由辅助送气组件的气管进入喷嘴口内，再从喷嘴口吹出，与聚焦后射出的切割激光束同轴射到待切割的基板上；大功率激光光源发出的高能激光束，配合辅助送气组件对基板进行激光切割；

所述卧式电机工作时，基板卷盘随着卧式电机转轴的转动而转动，所述基板卷盘的内径与转轴直径相当，基板卷盘内径为20mm，基板卷盘外径为100mm，基板卷盘外径两侧各有一个高为20mm，厚为1.5mm的侧壁，用于将成卷的基板卡在两个侧壁之间使之固定并保证基板卷盘转动时基板送出位置固定；陶瓷基板厚度为200um，宽度受纺膜装置的喷膜口宽度调控，宽度为1～8mm，基板卷盘的整体厚度为4～11mm。

2.如权利要求1所述一种陶瓷基板连续化激光切割装置，其特征在于所述二维运动组件承载着基板送膜组件和切割平台组件，二维运动组件包括两个移动平台，在计算机控制系统的控制下沿x轴和y轴方向运动；当二维运动组件在计算机控制系统控制下工作时，整个基板送膜组件和切割平台组件将同时往x轴和y轴方向移动。

3.如权利要求1所述一种陶瓷基板连续化激光切割装置，其特征在于所述切割平台组件包括定位机构、链板输送组件、海绵压力固定装置、立式电机、电机控制系统和电机支架；所述电机支架底部通过螺母与二维运动组件紧固，电机支架顶部固定有立式电机和电机控制系统；所述定位机构用螺母固定于立式电机上方与基板前进方向平行；所述定位机构由若干条轨道构成，基板紧贴轨道水平向前运动；所述链板输送组件包括链板、支架Ⅰ和支腿；所述支腿上下两端通过螺母分别与支架Ⅰ和二维运动组件紧固；链板的宽度应大于基板的总宽度，在支架的Ⅰ辅助支撑下呈履带状；当立式电机工作时，链板便随之向前运动形成循环，所述海绵压力固定装置包括两块海绵垫、运动活塞、气管和支架Ⅱ；所述支架Ⅱ通过螺母将海绵压力固定装置与链板输送组件中的支架Ⅰ紧锁；所述气管与外接气瓶相连，运动活塞连接气管和海绵垫，海绵垫的长度应小于切割长度，海绵垫的宽度应大于所有基板的总宽度。

4.如权利要求3所述一种陶瓷基板连续化激光切割装置，其特征在于所述定位机构中轨道间距固定为3mm，轨道高度为5mm，轨道长度设定为100mm，轨道宽度为1～8mm；链板的宽度应大于基板的总宽度，比基板总宽度多出30mm以上；链板间距固定为2mm；海绵垫的大小根据基板宽度进行调整，设定成不同规格；海绵垫的厚度设定为25mm，两块海绵垫之间的间距定为10mm；海绵垫底部与基板的垂直距离保持为5mm；切割前，气体通过气管吹出，在气压的作用下，运动活塞向下运动使得海绵垫向下运动5mm与基板紧贴；切割后，气阀关闭，活塞向上运动使得海绵垫向上运动5mm与基板分离；同时，通过计算机控制系统控制二维运动组件的运动，进而控制切割平台组件的运动，对任意部分的基板进行切割，激光光源和切割辅助气体根据实际切割样品需要进行选择，切割连续碳化硅薄膜陶瓷基板选用50W以上的光纤激光器作为激光光源，切割辅助气体选用二氧化碳或氮气。

5.一种陶瓷基板连续化激光切割方法，其特征在于包括以下步骤：安装和使用基板送膜组件与切割平台组件进行基板的运输，使用二维运动组件、切割平台组件和激光光源与计算机组件进行基板的切割，使用基板出料组件运输已切割完成的基板以备下一步加工，具体步骤如下：

在安装和使用基板送膜组件与切割平台组件进行基板的输送中，调节基板送膜组件与切割平台组件的工作区域在同一水平线上；10个基板卷盘同时套插在卧式电机的转轴上，用螺母紧固基板卷盘，基板卷盘之间紧靠在一起，确认其相互之间不会滑动；用镊子将10条基板分别从10个基板卷盘拉出后，准确地卡入定位机构的每个轨道内，小心地拉动基板使其水平通过定位机构，确保基板不发生歪斜、扭曲或弯折，从而使基板水平进入链板输送组件中的链板上，并将10条基板水平拉至第一块链板的最前端；待基板固定后，在计算机控制系统的控制下，同时开启基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，设定两台电机均以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条基板同时缓慢在链板上做无滑动的前进运动；

在使用二维运动组件、切割平台组件和激光光源与计算机组件进行基板的切割中，基板被缓慢传送至切割处以待切割，切割前两块海绵垫与基板的垂直距离为5mm，CCD相机全程处于开启状态，在计算机控制系统的显示屏上显示实时的切割过程；当覆盖基板的两块链板间隙的中轴线与切割激光束的延长线在同一平面时，立即同时停止基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，打开追踪激光器光源；确认该光源发出的激光经光学组件聚焦恰好射在链板间隙的中轴线上后，计算机控制系统控制二维运动组件，使切割平台组件沿x轴运动；在显示屏中确认追踪激光器发出的激光与基板一侧的切割起点重合后，切割平台组件立即停止运动；此时通过追踪激光器的行进路线进行激光切割的模拟：第一，计算机控制系统开启海绵压力固定装置：开启气阀，运动活塞在气压的作用下将海绵垫向下运动5mm，使得两块海绵垫与基板紧紧地贴在一起；第二，通过计算机控制系统控制二维运动组件，使切割平台组件沿x轴负方向以一定的速度运动，速度设为10mm/s；第三，经过一段时间后，追踪激光器发出的激光与基板另一侧的切割终点重合；第四，经显示屏中CCD相机拍摄的影像确认两点重合后，切割平台回到切割初始位置，此时追踪激光器发出的激光再次重新与基板一侧的切割起点重合；确认切割路线后，关闭追踪激光器，根据模拟过程进行基板的激光切割：1)通过计算机控制系统设置切割参数：激光光源在使用时根据光源的型号结合所切割基板的样式选择百分比功率、脉宽和频率，以此调节切割深度、精度和毛边；对于连续碳化硅薄膜陶瓷基板选用实际切割功率为40～50W，脉宽设为0.4ms，频率设为350Hz；2)同时开启激光光源、切割辅助气体和二维运动组件，激光光源发出的切割激光束与切割辅助气体同轴射到基板一侧的切割起点处开始进行激光切割，切割平台组件沿x轴负方向以一定速度运动，速度设为3mm/s；3)经过一段时间后，当显示屏确认切割激光束与基板另一侧的切割终点重合时，立即关闭激光光源和切割辅助气体，切割平台以一定的速度回到上述切割初始位置，此时10条基板的前段已经被切割成10段定长的基板；4)关闭海绵压力固定装置的气阀，运动活塞缓慢往上运动带动两块海绵垫向上提起至初始位置，与基板的垂直距离保持为5mm，切割过程结束；同时开启基板送膜组件的卧式电机和切割平台组件的立式电机，两台电机继续以5mm/s的速度进行基板的传送，使10条待切割的基板和已切割完成的基板缓慢在链板上做前进运动，待切割的基板经传送进入切割区域进行下一步切割，已切割完成的基板经传送进入基板出料组件；

在使用基板出料组件运输已切割完成的基板中，电机保持开启，基板传送带以5mm/s的速度做向前的传送；当已切割完成的基板在切割平台组件的链板上做无滑动的前进运动到达切割平台组件和基板出料组件的交界处时，链板沿滑轮向前向下做圆周运动，链板上的基板会因为惯性保持往前运动而落到基板传送带上；此时，已切割完成的基板便由切割平台组件被运送到基板传送带上，并在电机的带动下被运送至其他平台，等待下一步加工；

完成上述切割过程以后，将得到一系列切割成定长的碳化硅薄膜陶瓷基板，这些基板被运送至基板出料组件，等待下一步加工；若要继续对碳化硅薄膜陶瓷基板进行切割，则需要更换新的基板卷盘，并重复此激光切割装置的切割方法。