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光纤激光器切割蓝宝石基片工艺研究

2016-01-06 16:03
九一隐士
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  1 引 言

  蓝宝石具有高耐磨性、高硬度和优良的热传导性、电绝缘性、化学性能稳定等优异的物理、化学特点,被广泛地应用于高端智能手机、平板电脑、平板电视等电子显示行业领域。由于蓝宝石是硬脆性材料,传统的机械加工存在易产生裂纹、碎片、分层、崩边、边缘破裂和刀具易磨损等缺陷,又由于蓝宝石化学稳定性较好,使得传统的化学加工方法对其难以加工。然而激光切割技术是一种高速度、高质量的切割方法,对蓝宝石晶片进行切割,不仅具有加工速度快、切口质量好并且可以对任意图形进行切割。通常用于蓝宝石切割的激光器主要有超短脉冲激光、Nd:YAG激光、紫外激光;皮秒、飞秒超短脉冲激光加工蓝宝石热影响区较小,但光子能量损失大,材料去除率低,且在加工区域周围形成无规则的纳米晶体形态和裂纹以及在作用区域表面形成波纹,并且加工设备成本较高;由于蓝宝石对1070 nm Nd∶YAG红外激光的吸收率很低,要加工蓝宝石就需要提高激光能量密度,故很难加工且存在热效应明显、重凝严重等现象;目前紫外激光( λ =355 nm)切割蓝宝石基片时,由于激光功率较低且焦深较短,蓝宝石去除率较低,只能通过多次切割的同时焦点位置不断改变才能实现蓝宝石的切割,这样使得采用紫外激光器切割蓝宝石的切割效率较低。光纤激光的稳定性和光束质量较好并且能量密度较大,对硬脆性材料和较厚板材切割相对于Nd∶YAG激光切割都有明显的优势,采用光纤激光结合保护气体对蓝宝石晶片进行切割,并对切割过程中工艺参数的影响规律进行分析。

  2 实验装置和材料

  实验装置如图1所示,激光经过光纤传导到准直镜后通过聚焦镜, 最终在焦平面获得直径为20μm的激光光斑;自动控制系统控制移动平台能在X,Y方向移动。实验采用光纤激光器的脉宽为0.13~0.2 ms、波长为1070 nm、光斑直径为20μm、重复频率为0~5 kHz、能量密度变化范围为0~2.4 × 10^5J/cm2、切割速度变化范围为0~100 mm/s。加工采用N2作为辅助气体,喷嘴直径为2 mm。

  实验样件为光学级C-面(0001)蓝宝石基片,直径2 inches(1 inch=2.54 cm)、厚度0.31 mm。具体蓝宝石基片的热学性能参数见表1。

  实验前对样件依次进行丙酮超声波清洗和去离子水清洗和无尘环境下烘干环节处理;实验后同样需要严格的清洗:先用KOH溶液超声清洗5 min,然后依次用丙酮溶液、 无水乙醇、去离子水超声清洗5 min,最后在无尘环境下烘干。激光切割样件边缘都是通过基恩士(VK-8700)三维(3D)彩色激光共聚焦显微镜进行观察。

  3 结果与讨论

  3.1 激光能量密度对蓝宝石加工质量的影响

  图2表示的是激光能量密度对激光切割蓝宝石崩边尺寸的影响,激光重复频率为1 kHz,切割速度为10 mm/s,辅助气体为N2,气压为1 MPa,脉宽为0.13 ms,激光能量密度从5.6~11.3 ×10^3J/cm2变化。

  从图2可以看出,随着激光能量密度的增加,蓝宝石的正面崩边尺寸和背面崩边尺寸都有所增加,但是正面崩边尺寸的变化较小,基本都在5 μm以下。图3表示的是激光能量密度对蓝宝石正面影响效果图,从图3可以看出正面加工形貌多存在锯齿状,主要是由于激光频率较低造成光斑分离现象所致,改变锯齿状现象的途径可通过改变激光切割速度和重复频率对其进行调整,并且在激光能量密度增加到一定大小时,正面崩边尺寸达到饱和。这是因为当激光脉冲能量密度达到去除阈值后,锯齿形状逐渐趋近于光斑轮廓;能量密度继续增加,在脉冲的作用时间内,材料的热扩散以及等离子体的形成使得材料表面的去除量增加,形成的锯齿有扩大趋势。

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