CN112839908B - 激光加工脆性材料的分离和释放 - Google Patents

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Abstract

公开了用于从由脆性材料制成的工件(12)分离和释放闭合形式件的方法。第一脉冲激光束(14)沿闭合形式件(62)的轮廓产生缺陷。第二激光束(40)在第一时间内选择性地加热闭合形式件(62)，这足以在缺陷之间引发裂纹。停止加热的时间段足够长，以使裂纹在缺陷之间完全传播。在第二时间内施加第二激光束(40)，这导致闭合形式件(62)熔化和变形。该变形在闭合形式件(62)和工件(12)的其余部分之间打开了间隙，从而允许释放所述闭合形式件(62)。

Description

激光加工脆性材料的分离和释放
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月26日提交的美国临时专利申请序号62/703,806的优先权，其全部公开内容通过引用合并于本文中。
技术领域
本发明总体上涉及利用激光辐射束切割脆性材料。本发明尤其涉及使用激光辐射束从激光加工的脆性材料中分离和释放闭合形式。
背景技术
激光材料加工越来越多地用于切割，钻孔，打标和划线各种材料，包括诸如玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石之类的脆性材料。传统的机械加工会产生不良缺陷，例如微裂纹，当加工的脆性材料受到应力时微裂纹可能会传播，从而使加工的脆性材料降级和弱化。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工会产生精确的切口和孔，这些切口和孔具有高质量的边缘和壁，同时最大程度地减少了此类不良缺陷的形成。科学研究和制造的进步正在导致对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高加工速度和精度。
透明的脆性材料通过非线性吸收激光辐射而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的脉冲或快速的脉冲串。每个单独的脉冲或脉冲串都会在光束的焦点处在透明的脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件上切下物品，从而沿着工件中的切割线产生一排缺陷。
通常，一排缺陷只会削弱沿着切割线的材料。为了将物品与工件的其余部分完全分开，需要在切割线上施加应力的额外步骤。有时施加机械应力足以引起沿切割线的分离。需要高质量边缘的应用中施加热应力，而没有诸如碎屑和微裂纹之类的不良缺陷。使用具有被材料吸收的波长和相对较高的平均功率的激光束已经证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率会在切割线上产生热梯度，从而导致裂纹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的断口。
例如，高度聚焦的超短激光脉冲束会在玻璃工件中产生自导的“细丝”。这样的细丝的传播以空隙的形式在工件上产生长的缺陷。沿着切割线平移聚焦的超短脉冲激光束会产生一排空隙。然后，通过沿切割线平移CO2激光束，使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO2)激光来分离玻璃。这种激光切割工艺“SmartCleave”是由Rofin-Sinar TechnologiesInc.开发的，并在美国专利第9,102,007号和美国专利第9,296,066号中进行了描述，它们各自是共有的，在此通过参考将其各自的完整公开内容并入本文。在工件的另一示例性方式是使用像差聚焦光学器件聚焦一束超短脉冲束，以沿聚焦光学器件的光轴产生扩展焦点。聚焦光束沿光轴具有足够的强度，以通过烧蚀去除玻璃并产生扩展的空隙。
尽管施加应力的附加分离步骤破坏了制品与工件的其余部分之间的任何残余结合，但是在某些应用中，仍然在物理上阻止了制品与工件的其余部分分离。这对于具有凹形弯曲部分的制品和去除了相对较少的材料并产生了粗糙的边缘的切割过程来说是一个问题。例如，聚焦的超短激光脉冲束可对玻璃进行精确而精细的切割。使用持续时间约10皮秒(ps)的激光脉冲进行的细丝切割或烧蚀切割过程的典型Rz表面粗糙度约为10μm。即使在割边上这种适度的表面粗糙度也会引起足够的静摩擦，从而防止弯曲部分分离。
对于具有小的闭合形状特征的制品，静摩擦是一个特殊的问题，其中切割线是要从工件上去除的材料的轮廓。例如，当在玻璃工件上形成期望形状的孔时，可以抑制要丢弃的孔件与工件的其余部分分离。在某些情况下，可以通过施加足够的机械力来移除孔件，但是该力会损坏工件的内边缘。如果在受力的同时孔件扭曲或卡住工件的内边缘，倾斜的孔件可能会束缚在物品内部。如果倾斜的孔件进一步受力，则释放会导致工件内边缘碎裂。
需要一种从脆性材料中激光切割出闭合形状的特征的方法，该方法能够将物品与工件的其余部分可靠而干净地分离。优选地，该方法将需要最少的额外设备和最少的额外处理时间。
发明概述
在一个方面，公开了用于使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件分离和释放闭合形式件的方法。该方法包括提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件。激光辐射束在第一持续时间内被施加到闭合形式件上。激光辐射束会在缺陷之间引发裂纹。在裂纹在缺陷之间完全传播的同时，暂停了激光辐射束的施加。在第二持续时间内施加激光辐射束。激光辐射束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度。熔化导致变形。在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在闭合形式件和工件的其余部分之间打开了间隙。
附图说明
结合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方案，并且与以上给出的一般描述和以下给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A和1B是局部剖视的侧视图，示意性地示出了用于实施本发明的分离和释放方法的激光切割设备的一个优选实施方案，该设备包括两个激光源，每个激光源均输送激光辐射束，激光辐射束被导向到要切割和分离的工件。
图2A是截面侧视图，而图2B是示意性地示出通过平移脉冲激光辐射束而沿着切割线产生多个缺陷来制备用于本发明的分离和释放方法的工件的平面图。
图2C是截面侧视图，而图2D是示意性地示出了制备后的图2A和图2B的工件的平面图，其中多个缺陷勾勒出工件内的闭合形式件。
图3A是截面侧视图，而图3B是平面图，示意性地示出了将激光辐射束第一次施加到图2C和图2D的闭合形式件上，这在多个缺陷之间引发裂纹。
图4A是截面侧视图，而图4B是示意性地示出了在图3A和图3B中暂停施加激光辐射束之后的工件的平面图，裂纹完全通过多个缺陷传播，以将闭合形式件与工件的其余部分分开。
图5A是截面侧视图，而图5B是平面图，示意性地示出了将激光辐射束第二次施加到图4A和图4B的分离的闭合形式件上。
图6A是截面侧视图，而图6B是平面图，示意性地示出在第二次施加图5A和图5B的激光辐射束之后冷却之后的工件，冷却在闭合形式件与工件的其余部分之间打开了足以释放工件的间隙。
发明详述
现在参考附图，其中相似的部件由相似的数字表示，图1A和1B示意性地示出了在现有技术的激光切割方法中使用的设备10，并且该设备10也在本发明的分离和释放方法中使用。在现有技术方法和当前方法中，由脆性材料制成的工件12都暴露在聚焦的脉冲激光辐射束14中。脉冲激光辐射束14的聚焦由会聚光线16A和16B指示，代表聚焦的激光辐射束的边界射线。脉冲激光辐射束14由脉冲激光辐射源18产生，并具有使脆性材料透明的波长。脉冲激光辐射束14是重复的单个激光脉冲(这里仅示出三个)或重复的激光脉冲串的束。每个脉冲或每个脉冲串在工件中产生缺陷20。
如箭头所示，通过相对于脉冲激光辐射束14横向地平移工件12来产生缺陷20的阵列22。聚焦的光束描绘出切割线24，该切割线24遵循要从工件上切割的物品的轮廓。在此，为了便于说明，在横截面中描绘了这种物品的直截面。
设备10进一步包括任选的光束转向光学器件26、任选的光束调节光学器件28和聚焦透镜30。图1A将光束转向光学器件26描绘为平面镜，其布置成拦截来自激光源18的脉冲激光辐射束14并将其引导向工件12。将光束调节光学器件28描绘为无焦点光束扩展器，其布置成拦截定向的脉冲激光辐射束14，并使其扩展以大部分填充聚焦透镜30的净孔径CA。聚焦透镜30被描述为平凸透镜，其布置为拦截扩展的脉冲激光辐射束14并使其聚焦在工件12中。在光学设计领域中，光束转向光学器件和光束调节光学器件是众所周知的，并且对于理解本发明的原理而言，不需要对其进行描述。
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被描绘为相对于固定聚焦的脉冲激光辐射束14平移。可替代地，检流计致动的反射镜可被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，从而使得聚焦的脉冲激光辐射束14相对于固定工件12进行平移。
聚焦的脉冲激光辐射束14会聚到细长的焦点32。从聚焦透镜28的中心附近射出的光线比边界射线16A和16B从那里会聚得更远。工件12的位置使得细长的焦点32与工件12重叠或至少部分重叠。细长的焦点在激光切割工艺中，特别是在产生细丝以形成空隙的工艺中具有优势，因为聚焦激光辐射的分布有利于产生延伸穿过工件厚度的长空隙。在使用消融产生长空隙的工艺中，细长的焦点也是有利的。举例来说，可以通过填充具有球差的聚焦透镜的净孔径来产生细长的焦点。
现有技术的方法和本发明的方法都进一步包括将工件12暴露于由激光辐射源42产生的激光辐射束40，如图1B所描绘的，并且与图1A的激光源18不同。激光辐射束40具有被脆性材料吸收的波长。工件12相对于激光辐射束40横向地平移。通常，该光束的迹线沿着先前由脉冲激光辐射束14产生的缺陷20的阵列22。激光辐射束40加热被缺陷20弱化的脆性材料，使其完全破裂，并产生在图中用阴影表示的割边44。
设备10还包括任选的光束转向光学器件46、任选的光束形成光学器件48和任选的聚焦透镜50。在一些应用中，光束形成光学器件48将激光辐射束40从高斯横向模式转换为顶帽横向模式。在某些应用中，未聚焦的激光辐射束40足以完全切割工件12。否则，将需要聚焦激光辐射束40以照亮工件12表面上的较小区域。如图所示，工件12可以相对于固定的激光辐射束40平移。同样，可以在固定的工件上扫描激光辐射束。
图2A和2B示意性地示出了使用图1A的设备为本发明的分离和释放方法制备工件12的方法60。聚焦的脉冲激光辐射束14沿切割线24施加到工件12，产生多个缺陷20，这些缺陷大部分或全部延伸穿过工件的厚度。图2A和2B描绘了聚焦脉冲激光辐射束在其相对于工件沿切割线平移时的一瞬间。光束沿着示例性的圆形切割线顺时针平移。图2C和2D示意性地示出了在施加聚焦的脉冲激光辐射束14并沿着切割线24的整个长度平移之后的工件12。缺陷20限定了要从工件的其余部分分离并释放的示例性的闭合形式件62的轮廓。在此，闭合形式件62具有圆形形状，但是本发明的方法可以应用于具有任何期望形状的闭合形式件。
图3A和3B示意性地示出了使用图1B的设备的根据本发明的激光分离和释放方法70的一个优选实施方案。图3A和图3B描绘了通过图2A和图2B中描绘的方法60制备的工件12，示例性闭合形式件62将从工件12中分离并释放。激光辐射束40第一次施加到闭合形式件62，从而加热闭合形式件62并产生热诱导应力，从而引发缺陷20之间的裂纹。激光辐射束40具有第一功率，在第一持续时间内施加该第一功率。在该第一施加期间，描绘了激光辐射束相对于工件沿闭合形式件内的辐射路径72聚焦和平移。发明人发现沿着这种闭合的照射路径的快速连续平移有利于分离圆形的闭合形式件。然而，在本发明的许多应用中，位于闭合形式件的中心附近的固定光束或较大的未聚焦光束就足够了。
图4A和4B示意性地示出了在暂停施加图3A和图3B中所示的激光辐射束40之后的工件12。在此，“暂停”是指在一定的等待持续时间内使入射在闭合形式件62上的激光辐射束40的功率降低。暂停会使闭合形式件冷却，从而导致裂纹在缺陷之间完全传播。尽管闭合形式件和工件的其余部分可能仍处于物理接触，但在闭合形式件与工件的其余部分之间沿裂纹74存在分子分离。如果在第一次施加激光辐射束的过程中加热足以导致闭合形式件的至少一部分76熔化和变形，则由于冷却期间变形的闭合形式件的收缩，裂纹74可能包括小的间隙。这样的间隙可以沿着裂纹74部分地延伸。多个间隙可以沿着裂纹74完全地延伸。尽管分离，但是由于摩擦，闭合形式件仍保持约束在工件的其余部分内部。熔化通常发生在闭合形式件的受照射表面上，因为受照射表面是吸收大部分激光辐射的地方。
优选地，选择第一功率和第一持续时间以最小化在第一持续时间期间施加的激光辐射能量(第一功率×第一持续时间)以可靠地引发裂纹，从而使沿着裂纹74对工件12的内边缘的损坏最小。将第一功率、第一持续时间、功率降低和等待持续时间一起选择以加热闭合形式件，然后使其充分冷却以使裂纹可靠地在缺陷之间完全传播。在此，“降低激光辐射束40的功率”是指足以引起闭合形式件62的充分冷却的降低；优选地，与第一功率相比降低至少80％，更优选地与第一功率相比降低至少90％，并且最优选地在等待持续时间内完全不施加功率。在权利要求中，术语“暂停”旨在包括不施加功率和降低功率。第一持续时间优选为至少0.1秒，等待持续时间优选为至少1s。选择的加工参数将部分地取决于脆性材料和工件的厚度。
图5A和5B示意性地示出了在等待持续时间结束之后第二次将激光辐射束40施加到闭合形式件62上。激光辐射束40具有第二功率，在第二持续时间内施加该第二功率。选择第二功率和第二持续时间以使闭合形式件62的至少部分熔化和变形。第二持续时间优选为至少0.1s。激光辐射束的第二次施加类似于图3A和图3B所示的第一次施加，不同之处在于裂纹74提供了一定的热和物理隔离，特别是当闭合形式件与工件的其余部分之间的间隙较小时。因此，第二次施加通常比第一次施加更具攻击性。如有必要，可以在第二次施加过程中施加更多的激光辐射能量以产生更大的变形，而不会在工件的其余部分上造成微裂纹或任何其他损坏。举例来说，在第二持续时间期间施加的激光辐射能量超过在第一持续时间期间施加的激光辐射能量大于或等于1.5的倍数。在某些情况下，在等待持续时间之后，闭合形式件的温度仍可能高于环境温度，从而降低了在第二次施加过程中必须施加的激光辐射能量。
图6A和图6B示意性地示出了从第二次施加激光束40冷却后的闭合形式件62和工件12的其余部分。由于冷却过程中的横向收缩，闭合形式件62的熔化部分78中的变形在闭合形式件和工件的其余部分之间打开了间隙80。如果激光辐射束的第二次施加提供足够的能量，则熔化和变形可能会延伸到大部分闭合形式件，特别是对于小的闭合形式件。这在图6A中示出，其中，闭合形式件的受照射表面和相对表面都表现出一些变形。激光辐射束的第一次施加通过产生裂纹74而引起初始分离，从而实现了这种激进的加热而不会损坏工件的其余部分。
如果间隙80足够大，则闭合形式件可以自发释放。例如，由于重力而从工件的其余部分掉落。可靠的自发释放通常是优选的。否则，由于间隙80，可以通过施加相对适度的力来释放闭合形式件。引起释放的另一种方式是向闭合形式件和/或工件的其余部分施加超声波能量。
在使用设备10、方法60和方法70从钠钙玻璃中分离并释放圆形闭合形式件的本发明的实际实施例中，激光源18是“HyperRapid NX”超短脉冲激光器，并且激光源42是“SR15i”CO2激光器，均由加利福尼亚州圣克拉拉的Coherent公司提供。脉冲激光辐射束14由同样由Coherent公司提供的“SmartCleave”光学器件聚焦，其标称焦距为15mm。示例性的闭合形式件62的直径约为3.5mm，玻璃工件12的厚度约为0.3mm。激光源18产生持续时间在大约10和15ps之间的脉冲。脉冲激光辐射束14具有1064纳米(nm)的波长。选择以大约115千赫兹(kHz)的脉冲重复频率，具有大约850微焦(μJ)的脉冲串能量的八个单独脉冲的脉冲串。这些加工参数以玻璃工件中的空隙形式产生缺陷。缺陷的间距约为5μm。
激光源42具有约10,600nm的波长。第一功率和第二功率都选为大约28瓦(W)。激光辐射束40照亮直径约为2mm的闭合形式件62上的区域。激光辐射束的中心沿着围绕闭合形式件中心的圆形辐射路径72平移，该圆形辐射路径围的直径约为0.45mm。光束以大约1000mm/s的速度平移。该光束在第一次施加期间完成照射路径的约300个回路，在第二次施加期间完成约450个回路，对应于约0.4s的第一持续时间和约0.6s的第二持续时间。等待持续时间至少为2s，优选地约为4s。
本发明可以应用于由其他类型的玻璃制成的工件，例如铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或化学强化玻璃。本发明可以用于分离和释放具有其他形状的闭合形式件。对于分离和释放最大线性尺寸最大为5mm的闭合形式件特别有效。缺陷之间的间距距离优选为1μm至10μm，并且更优选为2μm至6μm。
以上根据优选实施方案和其他实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于在此描述和描绘的实施方案。而是，本发明仅由所附权利要求书限制。

Claims (22)

1.使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件上分离和释放闭合形式件的方法，该方法包括：
提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件；
在第一持续时间内将激光辐射束施加到闭合形式件上，所述激光辐射束在缺陷之间引发裂纹；
在第一持续时间之后，暂停施加激光辐射束，直到裂纹在缺陷之间完全传播；以及
在裂纹在缺陷之间完全传播之后，在第二持续时间内施加激光辐射束，所述激光辐射束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度，该熔化导致变形；
其中在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在闭合形式件与工件的其余部分之间打开了间隙；并且其中在所述第一持续时间和所述第二持续时间期间，激光辐射束的施加在闭合形式件内，并且与闭合形式件的轮廓间隔开。
2.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述缺陷是由通过聚焦脉冲激光辐射束而形成的激光细丝产生的。
3.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述缺陷为空隙的形式。
4.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述激光辐射束由CO2激光器产生。
5.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述第一持续时间为至少0.1秒。
6.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述暂停施加激光辐射束的持续时间为至少一秒。
7.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述第二持续时间为至少0.1秒。
8.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述第二持续时间长于所述第一持续时间。
9.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，在所述第二持续时间期间比在所述第一持续时间期间施加更多的激光辐射能量。
10.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，在所述第二持续时间期间施加的激光辐射能量比在所述第一持续时间期间施加的激光辐射能量大于或等于1.5的倍数。
11.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述闭合形式件的最大线性尺寸小于5毫米。
12.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述脆性材料是玻璃。
13.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，在打开所述间隙之后，所述闭合形式件自发地从所述工件的其余部分释放。
14.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，还包括以下步骤：将超声波能量施加到所述闭合形式件，从而使所述闭合形式件从所述工件的其余部分释放。
15.根据权利要求1所述的分离和释放闭合形式件的方法，还包括以下步骤：将超声波能量施加到所述工件的其余部分，从而使所述闭合形式件从所述工件的其余部分释放。
16.使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件上分离和释放闭合形式件的方法，该方法包括：
提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件；
在第一持续时间内将激光辐射束施加到所述闭合形式件上，所述激光辐射束在缺陷之间引发裂纹；
在第一持续时间之后，在至少一秒钟内暂停施加激光辐射束；以及
在暂停之后，第二持续时间内施加激光辐射束，该激光辐射束将所述闭合形式件的至少部分加热到高于脆性材料的熔化温度，熔化导致变形；
其中在第二持续时间期间比在第一持续时间期间施加更多的激光辐射能量，并且在第二持续时间之后进行冷却打开了闭合形式件与工件的其余部分之间的间隙；并且其中在所述第一持续时间和所述第二持续时间期间，激光辐射束的施加在闭合形式件内，并且与闭合形式件的轮廓间隔开。
17.根据权利要求16所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述缺陷是由聚焦的脉冲激光辐射束形成的激光细丝产生的。
18.根据权利要求16所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述缺陷是空隙的形式。
19.根据权利要求16所述的分离和释放闭合形式件的方法，其中，所述激光辐射束是由CO2激光器产生的。
20.用于从由脆性材料制成的工件上产生，分离和释放闭合形式件的方法，该方法包括：
使用来自第一激光器的脉冲第一激光束沿闭合形式件的轮廓在工件中形成多个缺陷；
在第一持续时间内将来自第二激光器的第二激光束施加到所述闭合形式件上，所述第二激光束在缺陷之间引发裂纹；
在第一持续时间之后，暂停施加所述第二激光束，直到裂纹在缺陷之间完全传播；以及
在裂纹在缺陷之间完全传播之后，在第二持续时间内将所述第二激光束施加到所述闭合形式件上，所述第二激光束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度，该熔化导致变形；
其中在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在所述闭合形式件与工件的其余部分之间打开了间隙；并且其中在所述第一持续时间和所述第二持续时间期间，第二激光束的施加在闭合形式件内，并且与闭合形式件的轮廓间隔开。
21.根据权利要求20所述的产生，分离和释放闭合形式件的方法，其中，暂停施加所述第二激光束的持续时间为至少一秒。
22.根据权利要求20所述的产生，分离和释放闭合形式件的方法，其中，在所述第二持续时间期间比在所述第一持续时间期间施加更多的激光能量。
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