CN108406139A - 激光在透明脆性材料上的钻孔装置及其钻孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光在透明脆性材料上的钻孔装置及其钻孔方法，其包括：激光光源、由激光光源发出的激光束、扫描振镜系统、位于扫描振镜系统下方的短焦聚焦镜系统、以及固定透明脆性材料的材料固定组件；所述短焦聚焦镜系统所在的焦点平面和材料固定组件所在的平面平行。本发明经过短焦聚焦镜系统精准聚焦在透明脆性材料下表面，聚焦激光光斑按照预先设定的图形轨迹快速循环运动，形成具有一定宽度和深度的钻孔切割缝隙；本发明主要利用快速变焦系统精准快速控制短焦聚焦镜系统聚焦深激光光斑，达到及时去除材料。

Description

激光在透明脆性材料上的钻孔装置及其钻孔方法
技术领域
本发明涉及到激光加工脆性材料领域，尤其涉及一种激光在透明脆性材料上的钻孔装置及其钻孔方法。
背景技术
透明脆性材料，如玻璃、蓝宝石、陶瓷、硅片、石英等，已经广泛应用于我们日常生活的方方面面。例如玻璃广泛应用于装饰、卫浴、消费类电子(手机盖板、平板电脑屏幕盖板)等等领域；蓝宝石广泛应用于摄像头保护片和指纹识别片，手表保护片，半导体LED衬底等高精密保护领域，同时广泛用于国防、医疗、电子通讯等重大研究商业应用领域。陶瓷除了用于传统的餐具、装饰领域，已经开始在消费类电子领域大展拳脚，例如近几年兴起的手机后壳，典型代表是小米系列手机，指纹识别模块保护片等。硅片、石英更是广泛应用于半导体行业。这些使用范围要求对透明脆性材料进行切割、钻孔、划片、打磨等系列加工工序。
透明脆性材料特殊稳定的化学和物理特性，使其具有重要的使用价值。优良的理化特性奠定了脆性材料使用地位，但是同时也带来了透明脆性材料加工工艺方面的难题。传统的加工方法，基本难于适应新兴材料的使用要求。例如：在透明脆性材料上面加工尺寸小于0.5mm以及要求精度在微米级别的产品时，传统的数控机床(CNC)基本无法加工；采用液体腐蚀工艺，制得的产品稳定性无法保证。即使有合适的加工方法，但是也牺牲掉了加工效率，或者增加了耗材，或者产品出品良率底，或者加工时附带的大量废液、废气等污染给环境带来极大的损坏。例如：蓝宝石硬度高(仅次于钻石的硬度)，熔点高(＞2000℃)。传统CNC(数控机床)加工容易损伤刀头，并且伴随有大量的废液产生，加工效率慢。硅片、陶瓷、石英一般也只停留在机械或激光划片，切条的加工工艺阶段。兴起的纳秒、光纤或皮秒激光加工工艺解决方案一般也只是处于对圆片进行切割，打标的阶段。其采用的方案一般是将聚焦激光光斑聚焦在透明脆性材料上表面或内部固定位置去除材料，这样制得的圆片方片或孔洞一般侧壁不垂直有锥度，透明脆性材料下表面容易产生黑色烧蚀损伤，同时向上飞溅的去除材料残渣容易污染光学镜头；对于厚度比较厚的透明脆性材料，一般加工效率慢，加工制得的产品的效果及尺寸不够精细，同时很容易在对应的材料下表面产生一圈激光烧蚀印记。
在激光行业中，涉及到透明脆性材料打孔方面的技术参考还比较有限，涉及到的激光钻孔也只是局限在有锥度钻孔或者喇叭形钻孔，很少有关于激光钻孔——孔圆、内壁光滑、孔内少粉尘、垂直孔——的技术发明论述。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在透明脆性材料进行高效钻垂直通孔、需要具有高的加工效率、方便操作的激光在透明脆性材料上的钻孔装置及其钻孔方法。
本发明提供一种激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其包括：激光光源、由激光光源发出的激光束、扫描振镜系统、位于扫描振镜系统下方的短焦聚焦镜系统、以及固定透明脆性材料的材料固定组件；所述短焦聚焦镜系统所在的焦点平面和材料固定组件所在的平面平行。
优选地，还包括对透明脆性材料进行除尘的除尘接口部分。
优选地，还包括至少两个反射镜片组件，所述至少两个反射镜片组件分别为相互垂直放置的第一反射镜片组件和第二反射镜片组件。
优选地，还包括快速变焦系统，所述快速变焦系统为机械式快速变焦系统，机械式快速变焦系统包括升降轴和驱动升降轴上下运动的直流电机，所述升降轴由软件控制并带着扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统一起同步运动。
优选地，还包括快速变焦系统，所述快速变焦系统为光学式快速变焦系统，光学式快速变焦系统包括直流电机、导轨和镜片组，所述直流电机控制镜片组在所述导轨上运动以改变激光束发散角或光程。
本发明还提供一种激光在透明脆性材料上的钻孔方法，包括如下步骤：
步骤S1：调节短焦聚焦镜系统聚焦激光束所形成的激光聚焦光斑焦点平面与透明脆性材料平面平行，使激光束垂直入射在透明脆性材料平面；
步骤S2：激光光源发出的激光束经过扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统；
步骤S3：激光束经短焦聚焦镜系统，短焦聚焦镜系统在透明脆性材料的下表面聚焦并形成位于透明脆性材料的下表面的聚焦光斑；
步骤S4：快速变焦系统和扫描振镜系统的一起运动控制聚焦激光光斑在透明脆性材料内部按照预先设定的运动轨迹运动，聚焦光斑从下至上逐步逐层的去除透明脆性材料并使透明脆性材料贯穿形成孔洞。
优选地，所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S211：激光光源发出的激光束经过扩束镜处理后，被第一反射镜片组件改变传输轨迹方向并进入第二反射镜片组件；
步骤S212：激光束经第二反射镜片组件入射穿过快速变焦系统、扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统。
优选地，所述孔洞是直径范围为25μm～50mm的圆孔或边长范围为25μm～50mm方孔和不规则形状的孔。
优选地，快速变焦系统改变激光束的发散角、光程或者升降轴带着扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统一起同步运动进而改变聚焦激光光斑的位置。
优选地，所述预先设定的运动轨迹是指螺旋线、同心圆、摆动的曲线或者是螺旋线、同心圆、摆动的曲线的组合曲线
本发明经过短焦聚焦镜系统精准聚焦在透明脆性材料下表面，聚焦激光光斑按照预先设定的图形轨迹快速循环运动，形成具有一定宽度和深度的钻孔切割缝隙，同时快速变焦系统控制聚焦激光光斑逐步递增向上运动，聚焦激光光斑迅速及时的熔融气化脆性材料，去除的材料残渣在重力和激光产生的高温高压环境的作用下快速喷射出切割缝隙，钻孔切割缝隙深度随着聚焦激光光斑的运动逐步加深，最终贯穿透明脆性材料形成孔洞；本发明主要利用快速变焦系统精准快速控制短焦聚焦镜系统聚焦深激光光斑，达到及时去除材料。
附图说明
图1为本发明激光在透明脆性材料上快速钻孔的装置的部分示意图；
图2为图1所示钻孔装置的快速变焦系统示意图；
图3为图1所示钻孔装置的聚焦光斑在透明脆性材料内部轨迹组成。
具体实施方式
本发明一种激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其中，透明脆性材料是指厚度范围在0.1mm～8mm的玻璃、蓝宝石、陶瓷、硅片、石英等。透明脆性材料可以是双面抛光的平板，或者是单面抛光的平板。平板形状可以是圆形、星形、多边形或者其他不规则的图形。
本发明在于解决透明脆性材料切割钻孔中出现的效率低的问题，同时能够实现小崩边(＜20μm)、小微裂纹(＜5μm)、没有锥度高质量钻孔。
如图1所示为本发明钻孔装置的结构示意图，激光在透明脆性材料上的钻孔装置对透明脆性材料19进行钻孔，其包括：激光光源11、由激光光源11发出的激光束12、扩束镜13、第一45°反射镜片组件141、第二45°反射镜片组件142、快速变焦系统15、扫描振镜系统16、短焦聚焦镜系统17、固定透明脆性材料19的材料固定组件18、作用在透明脆性材料19上的聚焦光斑20、以及对透明脆性材料19进行除尘的除尘接口部分22。
其中，在本实施例中，反射镜片组件141和第二反射镜片组件142均为45°反射镜片组件，在其他实施例中，也可以为其他角度，如30°或60°反射镜片组件。
其中，第一45°反射镜片组件141和第二45°反射镜片组件142相互垂直放置。在其他实施了中，根据设计的需要，也可以仅设置一个45°反射镜片组件；当然有时光路比较复杂，简单的两个反射镜片组件无法满足光路的改变，对于复杂光路，需要设置多个45°反射镜片组件。短焦聚焦镜系统17位于扫描振镜系统16的下方。材料固定组件18为载台，透明脆性材料19固定在夹持式、吸附式或粘连式的载台18上面。
本发明还揭示一种激光在透明脆性材料上的钻孔方法，包括如下步骤：
步骤S1：调节短焦聚焦镜系统17聚焦激光束12所形成的激光聚焦光斑焦点平面与透明脆性材料平面平行，使激光束垂直入射在透明脆性材料平面；
步骤S2：激光光源11发出的激光束12经过扩束镜13处理后，被45°反射镜片组件改变传输轨迹方向并穿过快速变焦系统15、扫描振镜系统16和短焦聚焦镜系统17；
步骤S3：激光束12经短焦聚焦镜系统17，短焦聚焦镜系统17在透明脆性材料19的下表面聚焦并形成位于透明脆性材料的下表面的聚焦光斑；
步骤S4：快速变焦系统15和扫描振镜系统16的一起运动控制聚焦激光光斑20在透明脆性材料内部按照预先设定的运动轨迹运动，聚焦光斑20从下至上逐步逐层的去除透明脆性材料19并使透明脆性材料贯穿形成孔洞。
其中，步骤S2：激光光源发出的激光束经过扩束镜处理后，被45°反射镜片组件改变传输轨迹方向并穿过快速变焦系统、扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统；
其中，步骤S2包括如下步骤：
步骤S211：激光光源11发出的激光束12经过扩束镜13处理后，被第一45°反射镜片组件141改变传输轨迹方向并进入第二45°反射镜片组件142；
步骤S212：激光束12经第二45°反射镜片组件142入射穿过快速变焦系统15、扫描振镜系统16和短焦聚焦镜系统17。
本发明快速变焦系统15控制聚焦激光光斑20逐步递增向上运动，聚焦激光光斑20迅速及时的熔融气化脆性材料，去除的材料残渣在重力和激光产生的高温高压环境的作用下快速喷射出切割缝隙211，钻孔切割缝隙211深度随着聚焦激光光斑的运动逐步加深，最终贯穿透明脆性材料形成孔洞。
其中，所述预先设定的运动轨迹是指螺旋线、同心圆、摆动的曲线或者是三者(螺旋线、同心圆、摆动的曲线)的组合曲线等。
其中，所述孔洞的形状可以是圆形、多边形或者是圆弧和直边相结合的图形，所述孔洞的孔侧壁剖面可以是垂直无锥度的形貌，也可以是部分垂直和部分剖面成角度衔接过渡的形貌。所述孔洞的直径范围为25μm～50mm的圆孔或边长范围为25μm～50mm方孔和不规则形状的孔。
采用本发明的钻孔的方法，达到快速、高效去除脆性材料19，贯穿形成孔洞的目的。
进一步地，激光光源11是指发射单脉冲能量范围为10μJ～500μJ、波长范围为532纳米～1064纳米激光束12的固体或光纤或碟片式激光器。激光束12的脉冲宽度范围为100fs～30ps。飞秒(fs)是时间单位，1飞秒(1fs)为一万亿分之一秒。皮秒(ps)也是时间单位，1皮秒为十亿分之一秒。采用该脉冲宽度范围的激光器具有很高的能量密度。例如：脉冲宽度为100fs，单脉冲能量为40μJ时，其具有的激光能量密度高达4亿瓦。该级别的能量密度能够用来加工透明脆性材料。
如图2所示，快速变焦系统15为机械式快速变焦系统，机械式快速变焦系统包括升降轴151和驱动升降轴151上下运动的直流电机152，快速变焦系统15是指软件控制扫描振镜系统16以及带着扫描振镜系统16和短焦聚焦镜系统17一起同步运动的升降轴151，或者软件给出指令通过电信号传达给连接有导轨和镜片组的直流电机152，直流电机152带动镜片组做出反馈运动，从而改变激光束发散角或光程。进一步地，镜片组是具有很高光学透过率的凹凸透镜组合或者高反射率的反射式镜片组或者透射式和反射式镜片组成的镜片组件。快速变焦系统15的作用方式可以避免激光束12的开关跳变控制，使激光束12的控制和聚焦光斑20位置变化同时同步进行，达到节省时间快速高效率控制聚焦激光光斑去除材料的目的。
其中，镜片组包括透射式镜片组或者反射式镜片组或者透射式和反射式镜片组成的镜片组件。
其中，软件控制光学元件改变激光束12的发散角或者光程进而改变聚焦激光光斑20的位置。
快速变焦系统15也可以为光学式快速变焦系统，光学式快速变焦系统包括直流电机、导轨和镜片组，所述直流电机控制镜片组在所述导轨上运动以改变激光束发散角或光程。进一步地，聚焦激光光斑20是由焦距范围为30mm～100mm的短焦聚焦镜系统17。短焦聚焦镜系统17是焦距范围为30mm～100mm的聚焦透镜或反射式聚焦镜。该短焦聚焦镜系统17能够聚焦得到更小的聚焦光斑20，该聚焦激光光斑范围为5μm～35μm，同时聚焦光斑20具有很高的能量密度和很小的透明脆性材料19去除范围。这样快速变焦系统15能够准确的控制聚焦激光光斑20在透明脆性材料19内部的位置，达到只去除聚焦激光光斑20所在位置附近的透明脆性材料19的目的，制得的孔洞可以小崩边(＜20μm)、小微裂纹(＜5μm)、没有锥度。
采用本发明方法和装置，首先要保证短焦聚焦镜系统17所在的焦点平面和固定透明脆性材料19的材料固定组件18所在的平面平行，然后依据本发明中所述的激光束12传输控制方式进行透明脆性材料精准加工。
进一步地，快速变焦系统15能够准确的控制聚焦光斑20在透明脆性材料19内部的位置，首先要控制聚焦激光光斑20在透明脆性材料19的下表面，然后聚焦光斑20从下至上逐步逐层的去除透明脆性材料19。
进一步地，如图3所示，按照钻孔切割缝隙211路径从下往上的聚焦激光光斑20运动方式能够使去除的脆性材料19的残渣在重力和激光束气化材料产生的高温高压环境的作用下快速喷射出切割缝隙，并且通过除尘接口部分22及时被除尘机构吸附抽除，避免了透明脆性材料19残渣对激光束12传输的阻挡干扰的问题。
采用快速变焦系统15以及短焦聚焦镜系统17，使聚焦的激光束12在透明脆性材料19内部按照预先设定的图形轨迹循环快速运动，形成具有一定宽度和深度的钻孔切割缝隙211。快速变焦系统15精准快速的控制聚焦激光光斑20从下往上移动，钻孔切割缝隙211加深，最终贯穿材料形成无崩边(崩边宽度＜20μm)，垂直无锥度的高质量孔洞。
形成的具有一定宽度和深度的钻孔切割缝隙211，缝隙宽度D与透明脆性材料厚度T有着密切的联系：D＝1/4T～1/2T。
激光束12能量没有大的损耗衰减，透明脆性材料19的去除更加高效。
最终材料贯穿，达到快速钻垂直无锥度、圆滑、无崩边、内壁光滑少粉尘的高质量孔的目的。
从下至上逐步逐层的去除透明脆性材料19的方式，能够有效避免熔融气化的透明脆性材料19残渣污染扫描振镜系统16和短焦聚焦镜系统17。
通过在0.3mm厚度的蓝宝石进行激光钻孔，对钻孔的正面和反面进行观察，其孔径1.0mm；通过在1.3mm厚度的地强化层玻璃进行激光钻孔，对钻孔的正面和反面进行观察，其孔径0.5mm。
本发明创造的有益效果是：利用脉冲宽度为100fs～30ps、单脉冲能量范围10μJ～500μJ、波长范围为532纳米～1064纳米的激光光束的“冷”加工特性，快速变焦系统的快速、精准控制聚焦激光光斑在待加工透明脆性材料内部的位置，扫描振镜系统扫描速度快、改变激光运动轨迹方式灵活，同时预设的运动轨迹使得激光去除材料达到少量高效的目的；以上三者配合起来，可以使得激光束熔融气化去除的材料更少，激光与材料作用累计的时间更短，产生的余料残渣少，实现快速钻孔、孔垂直无锥度、孔圆无崩边的效果。
本发明的激光从材料下表面至上表面逐层去除材料的方式，可以方便去除脱落透明脆性材料残渣并且及时被除尘接口部件抽除，同时不容易污染光学元器件。
本发明经过短焦聚焦镜系统精准聚焦在透明脆性材料下表面，聚焦激光光斑按照预先设定的图形轨迹快速循环运动，形成具有一定宽度和深度的钻孔切割缝隙，同时快速变焦系统控制聚焦激光光斑逐步递增向上运动，聚焦激光光斑迅速及时的熔融气化脆性材料，去除的材料残渣在重力和激光产生的高温高压环境的作用下快速喷射出切割缝隙，钻孔切割缝隙深度随着聚焦激光光斑的运动逐步加深，最终贯穿透明脆性材料形成孔洞；本发明主要利用快速变焦系统精准快速控制短焦聚焦镜系统聚焦深激光光斑，达到及时去除材料，避免激光没有去除材料做无效运动空跑的目的。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其包括：激光光源、由激光光源发出的激光束、扫描振镜系统、位于扫描振镜系统下方的短焦聚焦镜系统、以及固定透明脆性材料的材料固定组件；其特征在于：所述短焦聚焦镜系统所在的焦点平面和材料固定组件所在的平面平行。
2.根据权利要求1所述的激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其特征在于：还包括对透明脆性材料进行除尘的除尘接口部分。
3.根据权利要求1所述的激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其特征在于：还包括至少两个反射镜片组件，所述至少两个反射镜片组件分别为相互垂直放置的第一反射镜片组件和第二反射镜片组件。
4.根据权利要求1所述的激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其特征在于：还包括快速变焦系统，所述快速变焦系统为机械式快速变焦系统，机械式快速变焦系统包括升降轴和驱动升降轴上下运动的直流电机，所述升降轴由软件控制并带着扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统一起同步运动。
5.根据权利要求1所述的激光在透明脆性材料上的钻孔装置，其特征在于：还包括快速变焦系统，所述快速变焦系统为光学式快速变焦系统，光学式快速变焦系统包括直流电机、导轨和镜片组，所述直流电机控制镜片组在所述导轨上运动以改变激光束发散角或光程。
6.一种激光在透明脆性材料上的钻孔方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：调节短焦聚焦镜系统聚焦激光束所形成的激光聚焦光斑焦点平面与透明脆性材料平面平行，使激光束垂直入射在透明脆性材料平面；
步骤S2：激光光源发出的激光束经过扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统；
步骤S3：激光束经短焦聚焦镜系统，短焦聚焦镜系统在透明脆性材料的下表面聚焦并形成位于透明脆性材料的下表面的聚焦光斑；
步骤S4：快速变焦系统和扫描振镜系统的一起运动控制聚焦激光光斑在透明脆性材料内部按照预先设定的运动轨迹运动，聚焦光斑从下至上逐步逐层的去除透明脆性材料并使透明脆性材料贯穿形成孔洞。
7.根据权利要求6所述的激光在透明脆性材料上的钻孔方法，其特征在于：所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S211：激光光源发出的激光束经过扩束镜处理后，被第一反射镜片组件改变传输轨迹方向并进入第二反射镜片组件；
步骤S212：激光束经第二反射镜片组件入射穿过快速变焦系统、扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统。
8.根据权利要求6所述的激光在透明脆性材料上的钻孔方法，其特征在于：所述孔洞是直径范围为25μm～50mm的圆孔或边长范围为25μm～50mm方孔和不规则形状的孔。
9.根据权利要求6所述的激光在透明脆性材料上的钻孔方法，其特征在于：快速变焦系统改变激光束的发散角、光程或者升降轴带着扫描振镜系统和短焦聚焦镜系统一起同步运动进而改变聚焦激光光斑的位置。
10.根据权利要求6所述的激光在透明脆性材料上的钻孔方法，其特征在于：所述预先设定的运动轨迹是指螺旋线、同心圆、摆动的曲线或者是螺旋线、同心圆、摆动的曲线的组合曲线。
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