CN112171189B - 薄板钼金属的精密高效切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄板钼金属的精密高效切割方法，包括如下步骤：准备样品、预校平钼板、准备切割工装模具、切割。本发明选用光纤激光切割机对钼衬底进行切割，选用特定的参数，使切割效率、尺寸精度、翘曲度及毛刺情况的要求都得到了保证；激光切割前，对坯料进行预校平；同时，光纤激光切割方法切割工件时，对每一个独特形状的产品，必须有匹配的工装来配合该切割方法，从而保证切割产品的精度。

Description

薄板钼金属的精密高效切割方法

技术领域：

本发明涉及靶材加工技术领域，尤其涉及一种薄板钼金属的精密高效切割方法。

背景技术：

市场预测，未来Micro LED将快速成长。Micro LED的核心是P型和N型半导体以及中间的PN结，即发光二极管。制作发光二极管的关键，是在晶圆上通过液相外延、气相外延或MOCVD外延等方法生长出半导体GaAs，GaN等外延层。到目前为止，GaN器件主要是采用蓝宝石衬底，通过异质外延方法制作。但是，蓝宝石的缺点也很明显，与外延层的晶格失配达13.8％，不利于降低位错；同时蓝宝石是绝缘体，常温下的电阻率大于1000Ω.cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；导热性不好，不利于器件的热耗散，对制造大功率LED不利；毫无疑问，为了适应Micro LED的发展，蓝宝石衬底需要更好的产品来进行替代。作为高熔点金属钼，有很多优异的性能。如高温稳定性，较高的导热系数等，关键是其与GaN晶格失配小，热失配小。钼晶格常数，与氮化镓的晶格常数接近，晶格失配率小，远优于蓝宝石；同时两者的热膨胀系数相当，热失配率比蓝宝石更小；而且其导热系数大，解决了散热的问题；解决了蓝宝石衬底不导电的问题。

众所周知，在直径方向上，衬底要求的精度很高，要求在几十微米甚至几个微米以内，同时衬底的平整度要求高，切割后不能有明显的翘曲和变形，无大的毛刺等，而金属与蓝宝石不同，材质脆性小，不易断裂，因此不能用蓝宝石衬底的方法切割。钼衬底的初始厚度约0.1-0.2mm，直径50-100mm。钼衬底是一个新兴的产品，目前在市场上还没有成熟的大规模应用，各家都在研究阶段，所以，没有成熟的切割方法。一般情况下，切割厚板金属可以考虑大功率激光切割机，但是，该种方法精度差，纳秒或皮秒激光切割机的精度高，但是，切割效率低，不适合切割厚度在0.1mm以上，尺寸较大的工件；冲压成形的方法虽然效率高，但是，会有应力导致的变形产生。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：适合切割钼衬底的方法，同时得到合理的切割参数，提出了一种薄板钼金属的精密高效切割方法，通过这种方法切割效率高，切割质量好，满足了生产的需要。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种薄板钼金属的精密高效切割方法，基于光纤激光切割器，具体包括如下步骤：

步骤1、准备样品：准备宽度和长度大于钼衬底直径、厚度在0.05-0.2mm的钼板；

步骤2、预校平钼板：准备校平模具，将钼衬底放入校平模具内，送入校平炉内，进行升温、保温及降温处理，使钼衬底的翘曲度小于要求值；

步骤3、准备切割工装模具：选用光纤激光切割器，包括一切割工作台，制作切割模具，将切割模具固定在工作台上；

步骤4：切割：控制切割功率计切割速率，开启压缩空气对钼衬底进行切割，切割结束后，将钼衬底平铺在容器中，将液氮注入容器内，密封保存。

作为优选，首先采用轧制方式制得钼衬底，轧制后翘曲度大于180°，钼板表面有明显的波浪。

钼板轧制后，通常会有波浪纹，翘曲等，使得整体平整度比较差，这种情况下直接切割，会将波浪等缺陷保留在切割后的产品中，使得后续无法校平。因此切割之前必须预校平，使翘曲度小于要求值R，R一般在0-200μm之间。R的值太大，达不到该步骤校平的目的。

为了保证校平效果，需要严格控制温度升降规律，步骤2中，首先将校平炉的温度升至800-900℃，保温1h-3h，最后降温至30-80℃。

切割时，如果功率太小，激光能量不足，钼板切割不透；如果功率太大，切割后的钼板边缘出现过烧现象，毛刺过多，边缘有切割瘤。因此，步骤4中，切割功率为20-60W，切割速率为5-20mm/s。

本发明具有如下优点：本发明选用光纤激光切割机对钼衬底进行切割，选用特定的参数，使切割效率、尺寸精度、翘曲度及毛刺情况的要求都得到了保证；激光切割前，对坯料进行预校平；同时，光纤激光切割方法切割工件时，对每一个独特形状的产品，必须有匹配的工装来配合该切割方法，从而保证切割产品的精度。

附图说明：

图1为本发明的激光切割模具的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种薄板钼金属的精密高效切割方法，基于光纤激光切割器，具体包括如下步骤：

一、准备样品。

准备宽度和长度大于钼衬底直径(此处假定直径为100mm)，厚度在0.05-0.2mm的钼板。

二、预校平钼板。

上述步骤一中的钼板，是通过轧制得来的，钼板轧制后，通常会有波浪纹，翘曲等，使得整体平整度比较差，这种情况下直接切割，会将波浪等缺陷保留在切割后的产品中，使得后续无法校平。因此切割之前必须预校平，使翘曲度小于要求值R，R一般在0-200μm之间。R的值太大，达不到该步骤校平的目的。

准备校平模具：校平钼板时，需要准备翘曲度小于钼板目标翘曲度值R的模具。

进校平炉：将钼板放入上述模具，将模具及钼板一起进入校平炉。模具的材料及加工方法是保证钼板平整度的前提。该处，模具的材料需要低的高温弹性系数，如钼、石英玻璃等。

校平：模具及钼板进炉后，炉子按一定的步骤升温、保温及降温，升温的速度必须严格遵守一定温度升降规律,首先将校平炉的温度升至800-900℃，保温1h-3h。

出炉：，当炉温降温至30-80℃后，将钼板随模具出炉。

(三)准备切割工装模具。

本发明所用的是光纤激光切割器，包括一切割工作台，该工作台为平面，该工作台的作用为放置所切割的样品。该工作台为一圆形中空的形状，所以，当样品放置在工作台上后，由于该钼板样品的厚度较薄，样品将会变形，必须制作一个和该工件匹配的切割模具，保证在切割的过程中，模板样品不会出现变形。

支撑结构为切割模具的骨架部分，激光切割设备的工作台上，有一个边长200mm的正方形的槽孔，用来放置切割模具，因此激光切割模具1的主体部分为边长200mm的正方形，如图1所示，在该圆之上分布着激光光路区域，中心定位孔，边缘固定孔，放射型辅助孔，工作区域外固定孔等。主体支撑结构的材料可以为结构钢，树脂等。本发明中主体支撑结构的材料为不锈钢，厚度2-5mm。

激光光路区域，与切割过程中激光光路切割路线一致，与工件的形状一致，位于模具的边缘位置。激光器的光源直径约0.05mm，激光光路区域的宽度至少大于光源直径，即大于0.05mm，一般情况下，为了方便操作和保证产品的安全，激光光路区域的宽度一般大于10mm，本发明中，光路区域的宽度为10-20mm。

中心定位孔，位于模具的中心区域，形状为圆形。中心的圆形孔，直径为φ15-20mm，该孔正对着钼板的中间，对钼板起到吸附定位的作用。定位孔的直径大小，将直接影响到定位的效果，直径太大，吸附力增加定位效果好，但是，过大的吸附力将会导致钼板中心位置塌陷，模具对钼板的支撑面积小支撑力不够，影响最终切割精度；如果定位孔直径过小，那么吸附力不够，将起不到固定的作用。本发明中，中心定位孔的直径为φ20mm。

边缘固定孔，位于中心定位孔和激光光路区域的中间，形状为菱形，菱形的边长为10-15mm。如果菱形的边长过大，吸附力增加定位效果好，但是，过大的吸附力将会导致该位置钼板塌陷，影响最终切割精度；如果定位孔直径过小，那么吸附力不够，将起不到固定的作用。固定孔的数量为6个，均匀的分布在模具的某直径为D的圆上。固定孔的数量过少，钼板与模具之间的贴合程度不够，钼板的平整度差，将影响切割的精度。固定孔与激光光路区域内径的距离为20-40mm，合理的距离是保证钼板与模具之间贴合程度的前提。

放射形辅助孔，位于圆心和2个近邻边缘固定孔组成的扇形区域的中心线上，每个扇形区域5个小辅助孔。辅助孔的作用是对中心定位孔和边缘固定孔之间的钼板起到加强吸附的作用，同时因为辅助孔的直径比较小，因此，不影响模具的支撑力。辅助孔的直径为φ3-5mm，从中心定位孔的外圆至边缘固定孔的内圆之间，平均分布。

工作区域外固定孔，工作区域外固定孔是为了固定钼衬底之外的钼板边角料材料，使边角料部分尽量平整，不影响最终的产品平整度。

(四)切割。

切割功率：切割时，如果功率太小，激光能量不足，钼板切割不透；如果功率太大，切割后的钼板边缘出现过烧现象，毛刺过多，边缘有切割瘤。本步骤中所采用的切割功率为20-60W。

切割速度：切割速率为5-20mm/s。

开启压缩空气：切割的过程中，为了尽量减少切割边缘的熔渣，需要在切割的过程中用压缩空气吹切割缝，使切割缝中的熔渣脱落，减少切割边缘的影响区。

液氮：切割结束后，将钼衬底平铺在容器中，将液氮注入容器内，密封保存10min以上。然后将钼衬底取出，迅速放置在大理石平台上，用无尘布擦拭切割边缘，将熔渣擦拭掉。液氮的低温性，使金属熔渣更易清理。

本发明的薄板钼金属的精密高效切割方法，其包括切割前的预校平，以及与之配合的切割工装，薄板金属的厚度为0-0.2mm，该薄板金属面积较大，切割精度要求高，≤50um；光纤激光切割的切割精度较高，但是一般用于切割尺寸在10mm以内的工件，因此光纤激光切割方法切割钼衬底是一种创新性的想法，对于切割大尺寸的工件，保证毛坯的原始平整度及合适的工装，是保证产品最终精度的必要条件，因此预校平和切割工装是该高精密切割方法必不可缺少的部分。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种薄板钼金属的精密高效切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、准备样品：准备宽度和长度大于钼衬底直径、厚度在0.05-0.2mm的钼板，采用轧制方式制得钼衬底，轧制后翘曲度大于180°，钼板表面有明显的波浪；

步骤2、预校平钼板：准备校平模具，将钼衬底放入校平模具内，送入校平炉内，首先将校平炉的温度升至800-900℃，保温1h-3h，最后降温至30-80℃，使钼衬底的翘曲度小于要求值，翘曲度的要求值为0-200μm；

步骤3、准备切割工装模具：选用光纤激光切割器，包括一切割工作台，制作切割模具，将切割模具固定在工作台上；

步骤4：切割：控制切割功率和切割速率，开启压缩空气对钼衬底进行切割，切割结束后，将钼衬底平铺在容器中，将液氮注入容器内，密封保存；

步骤4中，切割功率为20-60W，切割速率为5-20mm/s。

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