CN110770180A - 激光加工脆性材料的可控分离 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于从由脆性材料制成的工件(12)切割和分离物品(102)的方法。该方法使用直形和圆形脱模特征(112A,112B)，其布置成在物品(102)轮廓中靠近每个内部曲线的废料(104)中引起受控的开裂。第一脉冲激光束(14)沿着物品(102)的轮廓并沿着脱模特征(112A,112B)削弱材料。第二激光束(40)选择性地加热脱模特征(112A,112B)足够的时间以引起熔化和变形，从而引发受控的开裂。

Description

激光加工脆性材料的可控分离
要求优先权
本申请要求2017年3月13日提交的美国临时申请序列号62/470,587的优先权，其公开内容以其整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及使用激光辐射束切割脆性材料。本发明特别涉及使用聚焦的脉冲激光辐射束切割脆性材料并使用激光辐射束控制切割材料的分离。
背景技术
激光材料加工越来越多地用于切割、钻孔、标记和划线各种材料，包括诸如玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石的脆性材料。传统的机械加工产生不需要的缺陷，例如当加工的脆性材料受到应力时可传播的微裂纹，从而降解和削弱加工的脆性材料。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工可以产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少这种不需要的缺陷的形成。科学研究和制造方面的进步正在导致越来越多的脆性材料的激光加工，同时要求提高加工速度和精度。
透明脆性材料通过激光辐射的非线性吸收与脉冲激光辐射的聚焦光束相互作用。脉冲激光辐射可包括一系列单独脉冲或快速脉冲突发。每个单独的脉冲或脉冲突发在光束焦点处的透明脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件切割制品，以沿工件中的切割线产生一行缺陷。
缺陷行通常会沿切割线削弱材料。为了使制品与工件的其余部分完全分离，需要在切割线上施加应力的附加步骤。施加机械应力有时足以引起沿切割线的分离。在需要高质量边缘的应用中应用热应力，没有诸如芯片和微裂纹之类的不必要的缺陷。已经使用具有被材料吸收的波长和相对高的平均功率的激光束证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率在切割线上产生热梯度，这导致裂缝在由脉冲激光辐射产生的离散缺陷之间传播，从而沿切割线形成连续断裂。
举例来说，高度聚焦的超短激光脉冲束在玻璃工件中产生自引导的“细丝”。这种细丝的传播通过工件以空隙的形式产生长的缺陷。通过沿着切割线平移聚焦的超短脉冲激光束来产生一行空隙。然后使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO2)激光器通过沿切割线平移CO2激光束来分离玻璃。这种激光切割工艺“SmartCleave”由Rofin-SinarTechnologies Inc.开发并描述于美国专利No.9,102,007和美国专利No.9,296,066中，每个专利均由本发明的受让人拥有，并且每个的完整公开内容在此引入作为参考。
在传统的“划线和断裂”切割和激光切割中，可需要“浮雕线”来分离具有圆形形状的物品。减压线是附加线，其从切割线的弯曲部分辐射到待报废的工件的一部分中。这种弯曲部分可以是凹形或凸形。可以以与切割线相同的方式划线或切割浮雕线。将要报废的部分牺牲破碎成由浮雕线限定的多个部分导致沿切割线更加可控和可靠的分离。
尽管施加应力的附加分离步骤破坏制品与工件其余部分之间的任何残留粘合，但在一些应用中，制品仍然在物理上被禁止与工件的其余部分分离。对于具有凹形弯曲部分的制品和用于切除相对较少材料并产生粗糙边缘的切割工艺，这是一个特别的问题。例如，聚焦超短激光脉冲光束可以精确切割玻璃。使用持续时间约为10皮秒(ps)的激光脉冲的细丝切割工艺的典型Rz表面粗糙度约为10μm。即使在切割边缘上的这种适度的表面粗糙度也会产生足够的静摩擦力以防止曲线部分的分离。
需要一种激光切割具有圆形形状的制品的方法，该方法由脆性材料制成，其提供了制品与工件其余部分的可靠和清洁的分离。优选地，该方法需要最小的附加孔径和最小的额外处理时间。
发明概述
在一个方面，公开一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法。该方法包括：通过将所述第一束聚焦到所述工件上同时通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征。所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部。至少一个脱模特征在所述切割线内靠近内部曲线。所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件。将所述第二束引导到所述切割线上，并且沿着所述切割线平移引导的第二束。所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件。将所述第二束引导到所述至少一个脱模特征上的位置，并且在该位置加热所述工件一段时间。加热时间足以使所述工件变形和开裂。所述至少一个脱模特征被布置成在加热期间使裂缝在所述至少一个脱模特征和所述内部曲线之间传播。
附图简述
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A和1B示意性地描述用于实现本发明的激光切割和分离方法的激光切割孔径的一个优选实施方案，孔径包括两个激光源，每个激光源递送一束激光辐射，该激光辐射被引导到待切割和分离的工件。
图2A示意性地描述用于从由脆性材料制成的工件中激光切割和分离物品的现有技术解决方案。
图2B–2E示意性地描述根据本发明的激光切割和分离方法的一个优选实施方案，用于从由脆性材料制成的工件切割物品并用于从切割物品中控制废料的分离。
图3A–3C示意性地描述根据本发明的用于切割和分离物品的示例性创造性脱模特征。
图4A–10B示意性地描述用于从具有内部曲线的切割物品中分离废料的示例性创造性脱模特征。
发明详述
现在参照附图，其中相同的部件用相同的标号表示，图1A和1B示意性地描述在现有技术的激光切割方法中使用的孔径10，并且它也用于本发明的激光切割方法中。在现有技术和现有方法中，由脆性材料制成的工件12暴露于脉冲激光辐射14的聚焦光束。脉冲激光辐射14的聚焦由会聚光线16A和16B表示，表示激光辐射的聚焦光束的边界光线。脉冲激光辐射14的光束由脉冲激光辐射源18产生，并且具有脆性材料透明的波长。脉冲激光辐射14的光束是重复的单个激光脉冲(这里仅示出三个)或重复的激光脉冲突发的光束。每个脉冲或每个脉冲突发在工件中产生缺陷20。如箭头所示，通过相对于脉冲激光辐射14的光束横向平移工件12来产生缺陷20的线性阵列22。聚焦光束跟踪切割线24，其遵循要从工件切割的物品的轮廓。
孔径10还包括可选的光束控制光学元件26、可选的光束调节光学元件28和聚焦透镜30。图1A示出光束控制光学器件26作为平面镜，其被布置成从激光源18截取脉冲激光辐射14的光束并将其引向工件12。光束调节光学器件28被描绘为无焦光束扩展器，其被布置成截取脉冲激光辐射14的定向光束并将其扩展以主要填充聚焦透镜30的通光孔径CA。聚焦透镜30被描绘为平凸透镜，其被布置成拦截脉冲激光辐射14的扩展光束并使其聚焦在工件12中。光束控制光学器件和光束调节光学器件在光学设计领域中是公知的，并且其描述对于理解本发明的原理不是必需的。
聚焦透镜30可以是所示的单元件透镜或多元件透镜组件。工件12被描绘为相对于脉冲激光辐射14的静止聚焦光束平移。或者，检流计驱动的反射镜可以包括在光束调节光学器件28和用于聚焦透镜30的平场物镜中，从而使得脉冲激光辐射14的聚焦光束能够相对于固定工件12平移。
脉冲激光辐射14的聚焦光束会聚到细长焦点32。从聚焦透镜28的中心附近出射的光线比边界光线16A和16B更远地聚集。工件12定位成使得细长焦点32与工件12重叠或至少部分地重叠。细长焦点在激光切割过程中具有优势，特别是在产生细丝以形成空隙的过程中，因为聚焦的激光辐射被分布以有利于产生延伸穿过工件厚度的长空隙。举例来说，可以通过填充具有球面像差的聚焦透镜的通光孔径来产生细长焦点。
现有技术的方法和本发明的方法都包括将工件12暴露于由激光辐射源42产生的激光辐射40的光束，其在图1B中描绘并且不同于激光源18，图1A。激光辐射40的光束具有被脆性材料吸收的波长。工件12相对于激光辐射40的光束横向平移，使得光束沿着先前由脉冲激光辐射14的光束产生的缺陷20的线性阵列22描绘。激光辐射40的光束加热由缺陷20削弱的脆性材料，使其完全破裂并产生切边44，如图中阴影所示。
孔径10还包括激光源42、可选的光束转向光学器件46、可选的光束形成光学器件48和可选的聚焦透镜50。在一些应用中，光束形成光学器件48将激光辐射40的光束从高斯模式转换为顶帽横向模式。在一些应用中，激光辐射40的未聚焦光束可足以完全切割工件12。否则，需要激光辐射40的聚焦光束以照射工件12的表面上的较小区域。如图所示，工件12可以相对于激光辐射40的固定光束平移。同样地，可以在固定工件上扫描激光束。
图2A示意性地描述现有技术的解决方案100，其用于使用图1A和1B的孔径10激光切割和分离由脆性材料制成的工件。图2A描绘要切割示例性物品102(阴影)的工件12。将成为废料104(无阴影)的工件12的其余部分与物品102分离。切割线24遵循物品102的轮廓，其包括内部曲线106A和外部曲线106B。现有技术的浮雕线108(由长划线表示)从切割线24的弯曲部分延伸到废料104中。切割线24和浮雕线108通过将图1A的脉冲激光辐射14的聚焦光束聚焦到工件12上并沿着切割线24和浮雕线108的路径平移聚焦光束而制成。暴露于脉冲激光辐射14的聚焦光束产生缺陷，其沿着切割线和浮雕线削弱工件12。该图描绘在暴露于脉冲激光辐射14的光束之后的工件12。
图2B–2E示意性地描述根据本发明的激光切割和分离方法的一个优选实施方案110，并使用了图1A和1B的孔径。图2B描绘了要切割相同示例性物品102的工件12。除了切割线24和现有技术的浮雕线108之外，通过沿着脱模特征112A和112B的路径平移脉冲激光辐射14的聚焦光束，在废料104中制造本发明的脱模特征112A和112B(均由短划线表示)。脱模特征112A具有直形形式，而脱模特征112B具有圆形形式。浮雕线108和脱模特征112A和112B一起帮助废料104与物品102分离。
图2C描绘废料104与物品102的第一分离。方法110还包括将图1B的激光辐射40的光束引导到工件12上并沿着切割线24和浮雕线108平移光束。在该平移步骤中，脱模线112A和112B不暴露于激光辐射40。工件12沿着切割线裂开并且暴露于激光辐射束的浮雕线(在图中用实线表示)。
在下一个加热步骤中，激光辐射40的光束被引导并加热每个阴影圆形脱模特征112B足够的时间以在每个加热的圆形脱模特征内熔化和收缩脆性材料。由熔化和收缩引起的应力反过来导致废料104的受控裂化。裂缝沿直形脱模特征112A传播出来，其连接到加热的圆形脱模特征。另外的受控裂缝传播由直形脱模特征112A引导，其与附加裂缝114的预期方向对齐。图中的箭头表示裂纹碎片104与物品102的第一分离。
图2D描绘了剩余碎片材料104与物品102的第二分离。在图中阴影的剩余圆形脱模特征112B内，激光辐射40的光束被引导并加热一段时间脆性材料。如前所述，裂缝沿着剩余的直形脱模特征112A向外传播，并且另外的裂缝114由一些直形脱模特征112A引导。图中的箭头表示裂纹碎片104与物品102的第二分离。
图2E描绘了图2C中描绘的第一分离的进一步细节。圆形脱模特征112B的长时间加热引起熔化并且还可能导致每个加热的圆形脱模特征内的脆性材料开裂。除了在废料104中引起裂缝之外，延长的加热导致其变形，这进一步有助于废料104与物品102的分离。通常，较薄的工件会表现出更多的变形。例如，由厚度小于约1毫米(mm)的玻璃制成的工件容易变形。厚度约为2mm的玻璃仍然充分变形以有助于分离。
每个另外的裂缝114在某种程度上由位于加热的圆形脱模特征的相对侧的互补直形脱模特征112A引导。“某种程度引导”意味着附加裂缝从加热的圆形脱模特征径向和随意地传播，但是在图中描绘的可预测区域116内由两条虚线界定。加热的圆形特征具有最小半径，用于可预测的稍微指向的裂缝传播。例如，对于由厚度约为2mm的玻璃制成的工件，最小半径在约0.2mm至约1.0mm的范围内，这取决于所选择的脱模特征的特定图案和玻璃的类型。
图3A–3C示意性地描述用于切割和分离具有不同示例性内部曲线106A的物品102的示例性创造性脱模特征。图3A描绘与图2A和2D相同的脱模特征。附图中的箭头描绘了用于示例性内部曲线106A的可靠分离的临界直形脱模特征112A的取向。临界直形脱模特征与内部曲线相切，并且在直形部分和其弯曲部分之间的拐点处拦截切割线24。裂缝将沿箭头方向传播，沿着临界直形特征连续传播到内部曲线。图3B描绘另一个示例性内部曲线106A的临界直形脱模特征112A和裂缝传播，其以较浅的角度与切割线24的直形部分相遇。图3C描绘另一示例性内部曲线106A的临界直形脱模特征112A和裂缝传播，其与切割线24的直形部分形成尖锐边缘。同样，临界直形脱模特征与内部曲线相切。
图4A–10A示意性地描述用于从具有内部曲线106A的切割物品102中分离废料的示例性创造性脱模特征。图4B–10B示意性地描述在相应的示例性脱模特征选择性地加热一段时间后控制的裂缝产生和传播。图4A包括一个直形脱模特征112A和一个圆形脱模特征112B，其具有完整的圆形。这些脱模特征靠近内部曲线。图4B描绘通过加热圆形脱模特征112B产生的一个另外的裂缝114。
除了圆形脱模特征112B具有半圆形形状之外，图5A的脱模特征类似于图4A的脱模特征。图5B还具有通过在圆形脱模特征112B内加热产生的一个额外裂缝114。在图4B和5B的实例中，裂缝传播由直形脱模特征112A以上文所述的方式引导。而且，在两个示例中，沿切割线24的破裂足以在其传播到物品102中之前阻止另外的裂缝114。
图6A省略图4A的圆形脱模特征。通常，如图6B所示，通过在直形脱模特征112A上加热一段时间来产生一个额外的裂缝114。然而，发明人发现单独的直形脱模特征，没有任何圆形脱模特征，提供了较少控制和较不可预测的裂缝。因此，如图4A和5A的实施方案中那样，优选包括圆形脱模特征以用于可靠的裂化和分离。除了其他优点之外，圆形脱模特征还包含由激光辐射束长时间加热引起的高内应力。
图7A的脱模特征类似于图4A的脱模特征，但在圆形脱模特征112B和切割线24之间添加一个直形脱模特征112A。在一些情况下，附加的直形脱模特征在圆形脱模特征和切割线之间提供更可控的裂缝，如图7B所示。
在图8A中，圆形脱模特征具有图5A的半圆形形式，但是存在两个直形脱模特征112A而不是一个直接裂缝传播。圆形脱模特征内的加热产生了另外的裂缝114，如图8B所示，而沿着两个直形脱模特征的裂缝破坏了废料。比较图8B和图4A，两个直形脱模特征从废料中分出另外的楔形件，这在某些情况下可以改善分离。图9A和9B中描绘的脱模特征112A和112B实现相同，但圆形脱模特征112B具有完整圆的形式。
图10A的脱模特征与图9A的脱模特征相同。然而，图10A中的脱模特征被移位以产生裂缝，该裂缝以较浅的角度并且在靠近(但不在内)曲线106A处的位置处传播到切割线24，如图10B所示。这里，“浅角”是指小于45°的角度，优选小于30°的角度。在一些情况下，以高入射角直接传播到切割线24的裂缝可能产生不希望的碎裂。
在使用孔径10和方法110切割和分离钠钙玻璃的本发明的实际例子中，激光源18是“StarPico”超短脉冲激光器，而激光源42是“SR 25i”CO2激光器，两者都由德国汉堡的Coherent-Rofin GmbH公司提供。示例性玻璃具有约2mm的厚度。激光源18产生持续时间约为10ps且波长为1064纳米(nm)的脉冲。在选择约5千赫兹(kHz)的突发重复率时，四个单独脉冲的突发能量具有约650微焦耳(μJ)的突发能量。这些处理参数产生细丝，从而形成空隙形式的缺陷。在工件暴露于脉冲激光辐射14的光束期间，优选的平移速度为约20mm/s。
激光源42产生持续时间约为10μs且波长约为10,600nm的脉冲。脉冲重复率约为14kHz。激光辐射40的光束照射工件12上的区域，该区域的直径在2mm至12mm的范围内，优选地约为5mm。在切割线24和浮雕线108的暴露期间，优选的平移速度在100mm/s至250mm/s的范围内。加热脱模特征112A和112B的停留时间在0.5至1.0秒的范围内，这足以引起局部熔化并使废料104破裂。
尽管这里给出的实施例和附图切割和分离了具有仅沿着物品轮廓的一部分定位的废料的物品，但是本发明可以用于切割和分离完全被废料包封的物品。脱模特征的最佳数量和布置取决于工件的几何形状和要与其分离的物品，以及脆性材料的类型和工件的厚度。在大多数情况下，直形脱模特征优选用于引导裂缝形成。然而，弯曲脱模特征通常也适用于分离物品，并且对于具有复杂轮廓的物品可能是优选的。类似地，圆形脱模特征可具有不同的圆形形状，包括圆形、半圆形、椭圆形和椭圆形。
以上根据优选实施例和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于这里描述和描述的实施例。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (32)

1.一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法，该方法包括：
将所述第一束聚焦到所述工件上；
通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征，所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部，至少一个脱模特征在所述切割线内靠近内部曲线，所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述切割线上；
沿着所述切割线平移引导的第二束，所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述至少一个脱模特征上的位置；和
在该位置加热所述工件一段时间，加热时间足以使所述工件变形和开裂；
其中所述至少一个脱模特征被布置成在加热步骤期间使裂缝在所述至少一个脱模特征和所述内部曲线之间传播。
2.如权利要求1所述的切割和分离方法，其中所述聚焦产生至少部分地与所述工件重叠的所述第一束的细长焦点。
3.如权利要求2所述的切割和分离方法，其中通过填充具有球面像差的聚焦透镜的通光孔径来产生所述细长焦点。
4.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述聚焦的第一束产生细丝从而在所述工件内产生缺陷。
5.如权利要求4所述的切割和分离方法，其中所述缺陷是空洞的形式。
6.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述第一束由超短脉冲激光产生。
7.如前述任一权利要求1所述的切割和分离方法，其中所述第二束由CO2激光器产生。
8.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述加热时间在0.5秒至1.0秒的范围内。
9.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述至少一个脱模特征具有直形形式。
10.如权利要求9所述的切割和分离方法，其中所述裂缝的传播由所述直形脱模特征引导。
11.如权利要求9或10所述的切割和分离方法，其中所述直形脱模特征与所述内部曲线相切。
12.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中至少一个脱模特征具有圆形形式。
13.如权利要求12所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征具有包括圆形、半圆形、椭圆形和椭圆形的一组形式中的一种。
14.如权利要求12或13所述的切割和分离方法，其中所述裂缝的传播在某种程度上由位于所述圆形脱模特征的与所述裂缝相对的一侧的互补直形脱模特征引导。
15.如权利要求12至14所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征的半径范围为约0.2毫米至约1.0毫米。
16.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述脱模特征被布置成以小角度将所述裂缝传播到所述切割线中。
17.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述脆性材料是玻璃。
18.一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法，该方法包括：
将所述第一束聚焦到所述工件上；
通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征，所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部，至少一个脱模特征具有圆形形式，至少一个圆形脱模特征在所述切割线内位于靠近内部曲线，所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述切割线上；
沿着所述切割线平移引导的第二束，所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述圆形脱模特征内的位置；和
在该位置加热所述工件一段时间，加热时间使所述工件开裂；
其中所述圆形脱模特征靠近至少一个其他脱模特征，所述至少一个其他脱模特征被布置成在加热步骤期间使裂缝在所述圆形脱模特征和所述内部曲线之间传播。
19.如权利要求18所述的切割和分离方法，其中所述聚焦产生至少部分地与所述工件重叠的所述第一束的细长焦点。
20.如权利要求19所述的切割和分离方法，其中通过填充具有球面像差的聚焦透镜的通光孔径来产生所述细长焦点。
21.如权利要求18至20所述的切割和分离方法，其中所述聚焦的第一束产生细丝从而在所述工件内产生缺陷。
22.如权利要求21所述的切割和分离方法，其中所述缺陷是空洞的形式。
23.如权利要求18至22所述的切割和分离方法，其中所述第一束由超短脉冲激光产生。
24.如权利要求18至23所述的切割和分离方法，其中所述第二束由CO2激光器产生。
25.如权利要求18至24所述的切割和分离方法，其中所述加热时间在0.5秒至1.0秒的范围内。
26.如权利要求18至25所述的切割和分离方法，其中所述至少一个其他脱模特征具有直形形式。
27.如权利要求26所述的切割和分离方法，其中来自所述圆形脱模特征的裂缝的传播由所述直形脱模特征引导。
28.如权利要求26或27所述的切割和分离方法，其中所述直形脱模特征与所述内部曲线相切。
29.如权利要求18至28所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征具有包括圆形、半圆形、椭圆形和椭圆形的一组形式中的一种。
30.如权利要求18至29所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征的半径范围为约0.2毫米至约1.0毫米。
31.如权利要求18至30所述的切割和分离方法，其中所述脱模特征被布置成以小角度将所述裂缝传播到所述切割线中。
32.如权利要求18至31所述的切割和分离方法，其中所述脆性材料是玻璃。
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