QCW光纤激光切割蓝宝石技巧

来源:锐科激光    关键词:锐科激光, QCW光纤激光切割, 蓝宝石,    发布时间:2019-07-12

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蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(Al2O3),蓝宝石材料具有高耐磨性、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、化学等特点,被广泛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。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。QCW准连续光纤激光器的稳定性和光束质量较好并且能量密度较大,对硬脆性材料切割相对于Nd∶YAG激光切割有明显的优势,采用QCW准连续光纤激光器结合保护气体对蓝宝石晶片进行切割,热影响区较小,在加工区域表面不会形成波纹,并且加工设备成本低,因此在蓝宝石加工领域被广泛采用。


切割蓝宝石操作及注意事项

QCW切割蓝宝石原理如图1所示,激光经过光纤传导到准直镜后通过聚焦镜,最终在焦平面获得聚焦光斑后作用于蓝宝石表面实现切割;自动控制系统控制移动平台能在X,Y方向移动。采用QCW准连续光纤激光器切割光学级蓝宝石基片,厚度为0.52mm、直径为5mm。


应用脉宽为0.15~0.18 ms、波长为1070 nm、光斑直径为15μm、重复频率为0~5 kHz、能量密度变化范围为0~2.4 × 105J/cm2、切割速度变化范围为0~50 mm/s。加工采用氮气作为辅助气体,喷嘴直径为0.5-1 mm。

 

图1 装置示意图


使用锐科激光150W QCW准连续激光器切割蓝宝石基片材料,如图2所示:


图2 锐科150W QCW准连续光纤激光器


01起刀线位置选择


首先要在蓝宝石切割软件中将起刀线的位置设置好,我们通过改变角度θ(起刀线与材料边缘的角度)来改变起刀线的位置,如图3所示。并观察和分析起刀线位置对切割质量的影响。θ依次选取15º、30º、45º、60º、75º和90º进行试验,起刀线的长度为0.3mm。起刀线的位置确定好后,再进行试验。

 

图3 起刀线示意图


当激光刚照射到蓝宝石材料表面时,将会发生剧烈的反应。为了消除切割开始时的不利影响,在切割正式的图形前添加的一段切割线,即起刀线,也称为辅助线。起刀线的切入角度也是影响切割质量的重要因素。通过实验发现,当角度为30º或90º时,溅射物长度基本消除。


02切割结果及分析


使用氮气作为辅助气体,喷嘴直径为0.5mm。切割蓝宝石圆孔效果如下图所示: 


从最终的切割样件照片可以看出:

1. 从显微镜上看切割后的蓝宝石边缘光滑、基本无挂渣、无毛刺;

2.切割面几乎无坡度,锥度在100以内;

3.蓝宝石正面切割边缘效果较好,崩边尺寸的崩变量较背面崩边尺寸小,背面崩边量也控制在10μm以下。


03注意事项


影响蓝宝石崩边量的一个很重要的因素为激光能量密度,激光能量密度越大,蓝宝石背面的崩边现象越明显,崩边尺寸越大,所以在保证蓝宝石能被切穿的同时降低激光功率对蓝宝石背面崩边情况有一定改善,但是能量越小在背面存在的挂渣就越严重,且不易清除。若适当增大激光能量可使得蓝宝石背面熔融材料成为粉末状,从而可以改变蓝宝石背面切割效果。


锐科150W QCW准连续光纤激光器技术参数

QCW切割蓝宝石材料工艺参数


影响蓝宝石切割质量的几个主要因素


要获得较好的表面质量等级,必须对激光功率、切割速度等工艺参数进行多次优化处理。下面就说说影响蓝宝石切割质量的几个主要因素。

01激光功率


激光能量是激光切割蓝宝石基片过程中的主要能量来源,激光功率和切割速度决定了输入到蓝宝石基片上的能量,激光功率的大小会对切割产生重要的影响。当切割速度、辅助气体压力等其它工艺参数一定时,切口宽度随着激光功率的增加呈现一种线性正比关系。激光功率过小会出现切不透;增加功率,则切口宽度增加,端面粗糙度增大,激光切割时希望激光功率尽可能大,可以充分发挥激光器的功率优势,提高效率。


02切割速度


对给定的蓝宝石材料和激光功率,切割速度一般符合于一个经验式,只要在阈值以上,材料的切割速度与激光功率成正比,即增加功率可以提高切割速度。对于切割蓝宝石而言,在其他工艺参数保持不变的情况下,激光切割速度可以有一个相对的调节范围。


切割速度小,切口宽度大,切口粗糙度大;切割速度大,切口宽度和粗糙度小,超过最佳切割速度后粗糙度缓慢增加。切割速度过高,则切口刮渣较多或切不透;切割速度过低,则材料过烧,切口宽度和热影响区较大。要提高切割质量,当其他工艺参数不变时,要优化切割速度。


03辅助气体


辅助气体除用于从切割区吹掉熔渣以清除切缝的惰性气体和活性气体外,对蓝宝石材料,使用氮气可以起到抑制切割区过度燃烧的作用。


激光切割对辅助气体的基本要求是气流量要大,以便有充足的氮气与切口材料发生放热反应,并有足够的动力将切口处的熔融材料吹除。高速切割蓝宝石时,增加气体压力可以提高切割速度,防止切口背面产生挂渣。但压力过大,切割面反而变得粗糙。在切割过程中,氮气中含有的杂质对切割质量造成不良影响,因此氮气的纯度要高。(本文经锐科激光允许,由我网首发,来源:激光制造网)