CN110560923A - 一种氮化铝陶瓷激光加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，提供一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，解决现有技术氮化铝陶瓷激光加工过程中产生的熔渣难以清除，影响切割质量的问题。包括以下步骤：(1)配制涂层浆料；(2)对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行表面处理，增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；(3)将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成表面涂层；(4)对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面；(5)将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。

Description

一种氮化铝陶瓷激光加工工艺
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种氮化铝陶瓷激光加工工艺。
背景技术
氮化铝(AlN)陶瓷是以氮化铝粉末为主晶相的陶瓷，具有热导率高、热膨胀系数低、电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)和机械性能优良、无毒、耐高温、耐化学腐蚀等优点，是大规模和超大规模集成电路的散热基板和封装的最佳材料。
根据不同尺寸形状的需求，需要对氮化铝陶瓷进行加工，常见的陶瓷加工方式主要有：金刚砂轮切割法、金刚石划片法、激光加工等方式。用金刚砂轮切割的噪音大、污染环境，只能对工件外部进行简单形状的切割，工艺很受限制，且在加工区附近材料的变质层大，严重影响材料的物理性能；金刚石划片法速度快，设备简单，但其精度差，切割边缘不易成直角，且加工表面破碎严重，生产成品率低。激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为热源，通过激光器光路整合聚焦在材料表面，在陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，发生熔融、汽化，从而达到对其进行划线、切割或打孔的目的。激光加工过程中不需要模具，通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置，即可实现三维复杂形状的加工。与其他陶瓷加工方法相比，激光加工采用非接触式加工，工件无机械应力和机械变形，且不必考虑刀具磨损和替换问题，加工效率高、能够加工复杂形状产品等优点。中国专利号：200910227419.X公开了一种高导热AlN电子陶瓷基片的生产方法，所述的以AIN粉体为基本原料，经过混合球磨、除泡过筛、流延成型、排胶、烧成，烧成后的高导热AIN电子陶瓷基片用激光切割成各种所需形状和大小，并按照要求进行划线处理。
当高功率密度的激光束照射到氮化铝陶瓷表面时，氮化铝陶瓷表面待切割部位在极短时间内发生熔化或汽化，切割部位材料发生熔化，通过辅助气体将熔化物质(熔渣)吹除，熔渣很难彻底去除，部分未能吹除的熔渣重新凝固，牢固地附着在切割口及两侧形成熔凝层，造成陶瓷表面的不平整，影响切割的质量以及成品的使用效果。
发明内容
因此，针对以上内容，本发明提供一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，解决现有技术氮化铝陶瓷激光加工过程中产生的熔渣难以清除，影响切割质量的问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，包括以下步骤：
(1)：配制涂层浆料，所述涂层浆料包括以下重量份的原料：酚醛树脂25～35份、成膜助剂1～3份、分散剂1.2～1.8份、增稠剂0.6～1.2份、硅烷偶联剂0.4～0.8份、水30～50份、碳纤维9～15份；
(2)：对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行表面处理，增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；
(3)：将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成表面涂层；
(4)：对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面；
(5)：将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
进一步的改进是：所述步骤(1)中的分散剂为N,N-二甲基十二烷基胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚羧酸盐分散剂中的任意一种。
进一步的改进是：所述步骤(1)中成膜助剂为二乙二醇丁醚、丙二醇单甲醚、十二碳醇酯中的任意一种，增稠剂为羧甲基纤维素、聚氨酯类增稠剂中的任意一种。
进一步的改进是：所述涂层浆料还包括颜料4～8份。
进一步的改进是：所述颜料为有机颜料。
进一步的改进是：所述涂层浆料还包括聚乙烯醇缩丁醛3～6份。
进一步的改进是：所述步骤(2)中表面处理是指对氮化铝陶瓷进行清洗、脱脂除油，然后采用喷砂、机械表面打磨、等离子体技术或电晕处理法中的任意一种方法改善氮化铝陶瓷表面粗糙度。
进一步的改进是：所述步骤(3)中表面涂层的厚度为160～300μm。
进一步的改进是：所述步骤(4)中激光切割采用CO2激光器、光纤激光器、Nd：YAG激光器中的任意一种。
进一步的改进是：所述激光加工具体工艺参数为：脉冲输出，激光功率100～250W，切割速度为5～50mm/s。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
1、激光在入射到陶瓷材料表面后，激光束会与材料作用发生反射、吸收和透射，只有被材料吸收的激光才能够作用于切割过程。在氮化铝陶瓷表面涂覆上涂层浆料形成表面涂层，可以促进波长吸收，更好地吸收激光束能量，提高切割的速度和质量。切割过程中飞溅的熔渣粘附在表面涂层上，熔渣携带的热量被表面涂层传导，避免熔渣下方氮化铝陶瓷温度过高使熔渣与氮化铝陶瓷紧密结合，难以去除。激光加工后表面涂层易除去，使用乙醇等有机溶剂即可，后期处理简单。氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
2、涂层浆料中分散剂起到分散和稳定作用，能够降表面张力，缩短颜料在体系中的分散时间；同时分散剂吸附在颜料颗粒的表面，利用分散剂的电荷排斥作用和空间位阻效应，使颜料颗粒间保持一定距离，阻止颗粒之间聚集而产生团聚或沉降现象。保持涂层浆料的稳定性。添加适量的增稠剂可以增大浆料的粘度，与硅烷偶联剂相互配合提高了表面涂层与氮化铝陶瓷的结合强度，不易脱落；浆料粘度增加还可以防止浆料中已分散的颗粒发生聚集团聚，使浆料储存稳定。酚醛树脂与成膜助剂配合使用，能够增强涂层浆料的成膜性能，在氮化铝陶瓷表面形成牢固的表面涂层，并加快表面涂层的干燥速度。进一步添加聚乙烯醇缩丁醛，该物质与酚醛树脂有良好的相容性，可以增强表面涂层的附着力。
3、氮化铝陶瓷属于硬脆性材料，采用脉冲输出的方式可以控制激光能量的输入，避免切割过程中因大量的热积累使氮化铝陶瓷内部产生热损伤，进而在陶瓷表面呈现裂纹。切割速度设为为5～50mm/s，切割速度过快时，激光能量与氮化铝陶瓷切割位置的作用时间短，不能很好地产生瞬时高温，使切割部位发生熔融或汽化，切割质量不佳。进一步将激光功率设置为100～250W，可以有效减少切割过程中的热应力，降低陶瓷发生断裂的可能。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
若未特别指明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所采用的试剂和产品也均为可商业获得的。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明。
实施例一
一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)：配制涂层浆料，所述涂层浆料包括以下重量份的原料：4份酞菁蓝BGS、30份酚醛树脂、3份二乙二醇丁醚、1.2份N,N-二甲基十二烷基胺、0.6份羧甲基纤维素、0.4份硅烷偶联剂、30份水、9份碳纤维、4.5份聚乙烯醇缩丁醛；
(2)：对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行清洗、脱脂除油，然后采用喷砂方式增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；
(3)：将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成厚度为160μm的表面涂层；
(4)：对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面，激光切割采用CO2激光器，具体工艺参数为：脉冲输出，激光功率100W，切割速度为30mm/s；
(5)：将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
实施例二
一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)：配制涂层浆料，所述涂层浆料包括以下重量份的原料：6份永固紫RL、35份酚醛树脂、2份丙二醇单甲醚、1.8份聚乙烯吡咯烷酮、0.9份聚氨酯增稠剂RM8W、0.8份硅烷偶联剂、50份水、12份碳纤维、6份聚乙烯醇缩丁醛；
(2)：对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行清洗、脱脂除油，然后采用机械表面打磨方式增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；
(3)：将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成厚度为200μm的表面涂层；
(4)：对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面，激光切割采用光纤激光器，具体工艺参数为：脉冲输出，激光功率180W，切割速度为10mm/s；
(5)：将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
实施例三
一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)：配制涂层浆料，所述涂层浆料包括以下重量份的原料：8份永固橘黄G、25份酚醛树脂、1份十二碳醇酯、1.5份聚羧酸盐分散剂、1.2份羧甲基纤维素、0.6份硅烷偶联剂、40份水、15份碳纤维、3份聚乙烯醇缩丁醛；
(2)：对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行清洗、脱脂除油，然后采用等离子体技术增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；
(3)：将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成厚度为300μm的表面涂层；
(4)：对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面，激光切割采用Nd：YAG激光器，具体工艺参数为：脉冲输出，激光功率250W，切割速度为50mm/s；
(5)：将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1.一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)：配制涂层浆料，所述涂层浆料包括以下重量份的原料：酚醛树脂25～35份、成膜助剂1～3份、分散剂1.2～1.8份、增稠剂0.6～1.2份、硅烷偶联剂0.4～0.8份、水30～50份、碳纤维9～15份；
(2)：对氮化铝陶瓷待涂覆涂层浆料的一面进行表面处理，增加其表面粗糙度，增加氮化铝陶瓷表面与涂层浆料之间的附着力；
(3)：将步骤(1)配制好的涂层浆料均匀地涂覆于氮化铝陶瓷表面上并进行烘干，形成表面涂层；
(4)：对步骤(3)烘干后的氮化铝陶瓷进行激光切割，激光切割面为涂覆有涂层浆料的氮化铝陶瓷表面；
(5)：将氮化铝陶瓷表面打磨、抛光、超声清洗和干燥，除去残留的涂层浆料和激光切割过程产生的熔渣。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述步骤(1)中的分散剂为N,N-二甲基十二烷基胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚羧酸盐分散剂中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述步骤(1)中成膜助剂为二乙二醇丁醚、丙二醇单甲醚、十二碳醇酯中的任意一种，增稠剂为羧甲基纤维素、聚氨酯类增稠剂中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述涂层浆料还包括颜料4～8份。
5.根据权利要求4所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述颜料为有机颜料。
6.根据权利要求4所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述涂层浆料还包括聚乙烯醇缩丁醛3～6份。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述步骤(2)中表面处理是指对氮化铝陶瓷进行清洗、脱脂除油，然后采用喷砂、机械表面打磨、等离子体技术或电晕处理法中的任意一种方法改善氮化铝陶瓷表面粗糙度。
8.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述步骤(3)中表面涂层的厚度为160～300μm。
9.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述步骤(4)中激光切割采用CO2激光器、光纤激光器、Nd：YAG激光器中的任意一种。
10.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种氮化铝陶瓷激光加工工艺，其特征在于：所述激光加工具体工艺参数为：脉冲输出，激光功率100～250W，切割速度为5～50mm/s。
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