CN117817136A - 一种微沟槽的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微沟槽的加工方法，涉及激光加工技术领域，所述微沟槽的加工方法包括以下步骤：S10、预设多个预加工槽的深度，至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同；S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；S30、对所述具有多个预加工槽的基材进行蚀刻，得到微沟槽。本发明通过预设多个预加工槽的深度，并采用贝塞尔激光加工的方法同时结合蚀刻，能够实现在玻璃基材表面上同时加工多种深宽比的微沟槽，且具有高定位精度，成本低，易于实现的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种微沟槽的加工方法。
背景技术
表面微沟槽是一种重要的表面功能结构，特别是在玻璃材料上。获得表面微沟槽的典型加工方式包括切削加工、磨削加工、电解加工、电火花加工、激光加工以及化学腐蚀。
切削加工和磨削加工可以获得高质量的加工表面，可在同一表面上加工不同深度的沟槽，但受到刀具的限制，难以实现0.5mm宽度以下的高深宽比微沟槽加工；电解加工和电火花加工可在导电材料上实现非接触式、无宏观切削力、高精度、高深宽比的微沟槽加工，但无法加工玻璃等绝缘材料；激光加工由于聚焦问题难以在玻璃上加工高深宽比的微沟槽；化学腐蚀方法能够实现高深宽比的微沟槽，但光刻掩膜等工艺复杂，无法在同一表面上实现多深度沟槽加工，且成本较高。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种微沟槽的加工方法，旨在提供一种能够实现在玻璃基材表面上同时加工多种深宽比的微沟槽的加工方法。
为实现上述目的，本发明提出一种微沟槽的加工方法，所述微沟槽的加工方法包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度，至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、对所述具有多个预加工槽的基材进行蚀刻，得到微沟槽。
可选地，所述步骤S20包括：根据所述多个预加工槽的深度，调节激光加工装置的Z轴高度，使贝塞尔激光对焦至所述基材上的预设的多个预加工槽的深度位置，以对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个深度的预加工槽。
可选地，所述预加工槽的深度为100～800μm。
可选地，所述预加工槽的宽度为10～150μm。
可选地，在步骤S40中，所述蚀刻过程中蚀刻液对基材的蚀刻速率为2～2.5μm/min。
可选地，在步骤S40中，所述蚀刻的时间为30～60min。
可选地，在步骤S40中，所述蚀刻的温度为30～35℃。
可选地，在步骤S40中，所述蚀刻的蚀刻液包括氢氟酸和无机酸。
可选地，所述无机酸包括盐酸、硝酸、硫酸以及磷酸中的至少一种。
可选地，在步骤S10之前还包括：依次使用无水乙醇和去离子水对基材进行清洗后，采用氮气流干燥。
本发明提供的技术方案中，通过预设多个预加工槽的深度，并采用贝塞尔激光加工的方法能够在基材上加工出从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽，所述多个预加工槽的内表面相对于其他未经激光加工的区域，对于某些化学溶液会显示出明显的溶解度的差别，因此将具有多个预加工槽的基材放入蚀刻液中进行蚀刻时，蚀刻液对所述多个预加工槽的内表面进行溶解，能够得到预设的深宽比的微沟槽，由于至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同，得到的基材上的微沟槽具有不同的深宽比。因此本发明提供的技术方案能够实现在玻璃基材表面上同时加工多种深宽比的微沟槽，且具有高定位精度，成本低，易于实现的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提出的微沟槽的加工方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例中贝塞尔光束对加工玻璃材料的加工示意图；
图3为本发明一实施例中贝塞尔激光束对玻璃材料进行不同深度加工的结果示意图；
图4为本发明实施例1中不同深宽比的微沟槽显微示意图；
图5为本发明实施例2中不同深宽比的微沟槽显微示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
表面微沟槽是一种重要的表面功能结构，特别是在玻璃材料上。获得表面微沟槽的典型加工方式包括切削加工、磨削加工、电解加工、电火花加工、激光加工以及化学腐蚀。
切削加工和磨削加工可以获得高质量的加工表面，可在同一表面上加工不同深度的沟槽，但受到刀具的限制，难以实现0.5mm宽度以下的高深宽比微沟槽加工；电解加工和电火花加工可在导电材料上实现非接触式、无宏观切削力、高精度、高深宽比的微沟槽加工，但无法加工玻璃等绝缘材料；激光加工由于聚焦问题难以在玻璃上加工高深宽比的微沟槽；化学腐蚀方法能够实现高深宽比的微沟槽，但光刻掩膜等工艺复杂，无法在同一表面上实现多深度沟槽加工，且成本较高。
鉴于此，本发明提出一种微沟槽的加工方法，旨在提供一种能够实现在玻璃基材表面上同时加工多种深宽比的微沟槽的加工方法。
请参阅图1，本发明提供的微沟槽的加工方法包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度，至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、对所述具有多个预加工槽的基材进行蚀刻，得到微沟槽。
本发明提供的技术方案中，通过预设多个预加工槽的深度，并采用贝塞尔激光加工的方法能够在基材上加工出从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽，所述多个预加工槽的内表面相对于其他未经激光加工的区域，对于某些化学溶液会显示出明显的溶解度的差别，因此将具有多个预加工槽的基材放入蚀刻液中进行蚀刻时，蚀刻液对所述多个预加工槽的内表面进行溶解，能够得到预设的深宽比的微沟槽，由于至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同，得到的基材上的微沟槽具有不同的深宽比。因此本发明提供的技术方案能够实现在玻璃基材表面上同时加工多种深宽比的微沟槽，且具有高定位精度，成本低，易于实现的技术效果。
在本申请的一些实施例中，结合参阅图2，所述步骤S20包括：根据所述多个预加工槽的深度，调节激光加工装置的Z轴高度，使贝塞尔激光束对焦至所述基材上的预设的多个预加工槽的深度位置，以对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个深度的预加工槽。通过调节激光加工装置的Z轴高度从而调整贝塞尔激光束焦点与玻璃材料的相对位置，以得到预设深度的与加工槽。贝塞尔激光束加工后的预加工槽示意图如图3所示。
蚀刻液能够蚀刻激光破坏的预加工槽是因为在这些激光破坏区域中存在微裂纹。对激光破坏区域和未破坏区域同时进行蚀刻，但是以不同的蚀刻速率进行蚀刻。激光破坏区域中的微裂纹使化学键断裂，并且为蚀刻剂提供了通道以更加深入地渗透到玻璃基材片中。因此，在激光破坏区域处的蚀刻速率比未破坏区域快得多。
进一步地，所述微沟槽的深度为100～800μm，具体地，所述微沟槽的深度可以为100μm、300μm、500μm、800μm等，在这个范围内，预加工槽在进行蚀刻加工时，蚀刻液能够更均匀地对所述预加工槽的内壁进行蚀刻。
进一步地，所述微沟槽的宽度为10～150μm。具体地，所述微沟槽的宽度可以为10μm、50μm、100μm、150μm等，所述预加工槽的宽度主要受蚀刻的温度与时间的影响，在一定温度范围内，蚀刻的时间一定的情况下，蚀刻的温度越高，所述微沟槽的宽度越大；蚀刻的温度一定的情况下，蚀刻的时间越久，所述微沟槽的宽度越大，因此可以通过控制蚀刻的温度和时间，控制微沟槽的加工宽度。
进一步地，在步骤S40中，所述蚀刻液对基材的蚀刻速率为2～2.5μm/min。具体地，所述蚀刻液对基材的蚀刻速率可以为2μm/min、2.2μm/min、2.5μm/min等，蚀刻速率在此范围内得到的微沟槽内壁更光滑。
在对玻璃进行微沟槽的加工之前，可以对玻璃进行清洗，防止表面污渍对加工造成影响，优选的，可以依次使用无水乙醇和去离子水对玻璃材料进行超声波振动清洗，并用氮气流干燥。
此外，为了减少蚀刻剂导致的玻璃基材片的表面损失，可以向玻璃基材片的一个或多个表面施涂耐蚀刻溶液的涂层，所述蚀刻溶液例如氢氟酸与有机酸的混合物。在一些实施方式中，可以采用在激光处理之前将耐酸涂层施涂至玻璃表面，激光处理过得区域耐酸涂层脱落以使得蚀刻液能够在该区域进行蚀刻，其余表面区域未经激光处理具备耐酸涂层从而能够防止蚀刻液对该区域进行蚀刻。
提高的蚀刻溶液温度通常使蚀刻速率增加，因此，较高的蚀刻溶液温度可以用于减少蚀刻工艺的持续时间；较低的蚀刻溶液温度可以用于使蚀刻速率变慢，从而顾及到更多地控制由激光破坏区域形成的特征的尺寸。当蚀刻过程中的蚀刻溶液温度过高时，酸可能从蚀刻溶液中被蒸发出来。因此，在本发明一些实施例中，蚀刻溶液的温度为30～35℃，具体地，所述蚀刻的温度可以为30℃、32℃、34℃、35℃等。然而，应理解的是，可以使用更高或更低的温度，本发明在此不做限制。
随着蚀刻时间增加，蚀刻的量不断增加，微沟槽的深度和宽度也会增加，在本发明一些实施例中，所述蚀刻的时间为30～60min，具体地，所述蚀刻的时间可以为30min、35min、40min、50min、60min等。蚀刻剂溶液与玻璃接触的持续时间取决于所需要的微沟槽的宽度、蚀刻浓度和蚀刻喷洒的温度。
此外，在步骤S40中，所述蚀刻液包括氢氟酸和无机酸。氢氟酸作为主要蚀刻剂，无机酸可有助于蚀刻工艺并且使蚀刻速率加速或减速，以及改进玻璃制品的表面质量和减少淤渣的形成。在一些实施方式中，蚀刻剂溶液中氢氟酸的质量分数为8％～12％，蚀刻剂溶液中有机酸的质量分数为3％～6％，例如蚀刻剂溶液中氢氟酸的质量分数为10％，蚀刻剂溶液中有机酸的质量分数为5％时，蚀刻的效果更好。
其中，所述无机酸包括盐酸、硝酸、硫酸以及磷酸中的至少一种。采用盐酸、硝酸、硫酸以及磷酸中的至少一种无机酸可有助于蚀刻工艺并且使蚀刻速率加速或减速，能够减少淤渣的形成，以便能更好地改进微沟槽的内表面质量。
在蚀刻过程中，蚀刻剂溶液和副产物均需要通过激光加工后的微沟槽中的微裂纹的狭窄通道进行持续交换，而溶液的运动可以加速微裂纹内侧的物质传递，并且更新激光破坏区域表面用于连续蚀刻。因此一些物理辅助操作例如搅拌和超声波振动能够辅助提高蚀刻加工质量和蚀刻加工效率，有效的搅拌可增加激光破坏区域与未破坏区域之间的蚀刻比，这进而可以减少玻璃基材片的表面损失以及降低原料的成本。由于降低超声频率增加了每个单独脉冲的功率及提高了洗涤效果，因此，较低的频率和较高的振幅有利于蚀刻剂和副产物的快速交换，并且改进激光破坏区域处的蚀刻速率。
此外，在蚀刻结束之后需要将刻蚀加工后的玻璃材料需进行清洗，以清除化学残留等，可以采用去离子水并加以超声波振动辅助清洗，以更好地清除残留的蚀刻液以及耐酸涂层等。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种微沟槽的加工方法，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度分别为100μm、200μm、350μm、450μm、600μm、700μm；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、将所述具有多个预加工槽的基材置于蚀刻液中在30℃蚀刻30min，蚀刻液为10％HF、5％H2SO4，得到微沟槽。
微沟槽的深度分别为100.4μm、217.8μm、356.5μm、482.8μm、620.9μm、737.6μm，微沟槽的宽度为75.7μm。
微沟槽的显微示意图如图4所示。
实施例2
一种微沟槽的加工方法，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度分别为100μm、200μm、350μm、450μm、600μm、700μm；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、将所述具有多个预加工槽的基材置于蚀刻液中在30℃蚀刻60min，蚀刻液为10％HF、5％H2SO4，得到微沟槽。
微沟槽的深度分别为135.5μm、255.9μm、390.1μm、529.2μm、668.8μm、779.6μm，微沟槽的宽度为147μm。
微沟槽的显微示意图如图5所示。
实施例3
一种微沟槽的加工方法，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度分别为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、将所述具有多个预加工槽的基材置于蚀刻液中在35℃蚀刻40min，蚀刻液为10％HF、5％H2SO4，得到微沟槽。
微沟槽的深度分别为145.2μm、262.2μm、386.4μm、453μm、583.2μm，微沟槽的宽度为93.8μm。
实施例4
一种微沟槽的加工方法，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度分别为300μm、400μm、500μm、600μm、700μm；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、将所述具有多个预加工槽的基材置于蚀刻液中在32℃蚀刻20min，蚀刻液为10％HF、5％H2SO4，得到微沟槽。
微沟槽的深度分别为342.3μm、415.6μm、526.4μm、642.6μm、734.1μm，微沟槽的宽度为62.3μm。
实施例5
一种微沟槽的加工方法，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度分别为100μm、200μm、350μm、450μm、600μm、700μm；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、将所述具有多个预加工槽的基材置于蚀刻液中在38℃蚀刻25min，蚀刻液为10％HF、5％H2SO4，得到微沟槽。
微沟槽的深度分别为125.3μm、239.2μm、376.4μm、501.9μm、652.6μm、764.7μm，微沟槽的宽度为78.3μm。
由图4和图5可以看出，实施例1和实施例2通过预设的微沟槽的深度，采用贝塞尔激光加工和蚀刻加工后，在同一基材同时加工出7个深宽比不同的微沟槽，因此本发明能够实现在玻璃材料上加工特定深宽比的表面微沟槽结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微沟槽的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、预设多个预加工槽的深度，至少一个预加工槽的深度与其他预加工槽的深度不同；
S20、根据所述多个预设的预加工槽的深度，采用贝塞尔激光对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个预加工槽；
S30、对所述具有多个预加工槽的基材进行蚀刻，得到微沟槽。
2.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，所述步骤S20包括：根据所述多个预加工槽的深度，调节激光加工装置的Z轴高度，使贝塞尔激光对焦至所述基材上的预设的多个预加工槽的深度位置，以对基材进行加工，得到从基材表面延伸至基材内部的多个深度的预加工槽。
3.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，所述微沟槽的深度为100～800μm。
4.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，所述微沟槽的宽度为10～150μm。
5.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，在步骤S40中，所述蚀刻过程中蚀刻液对基材的蚀刻速率为2～2.5μm/min。
6.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，在步骤S40中，所述蚀刻的时间为30～60min。
7.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，在步骤S40中，所述蚀刻的温度为30～35℃。
8.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，在步骤S40中，所述蚀刻的蚀刻液包括氢氟酸和无机酸。
9.如权利要求8所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，所述无机酸包括盐酸、硝酸、硫酸以及磷酸中的至少一种。
10.如权利要求1所述的微沟槽的加工方法，其特征在于，在步骤S10之前还包括：依次使用无水乙醇和去离子水对基材进行清洗后，采用氮气流干燥。
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