藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分是氧化鋁（Al2O3）。藍(lán)寶石材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高耐磨性，高硬度，優(yōu)良的導(dǎo)熱性，電絕緣性，穩(wěn)定的化學(xué)性能等。它廣泛用于高端智能手機(jī)，平板電腦，平板電視和其他電子產(chǎn)品展示行業(yè)。藍(lán)寶石是一種堅(jiān)硬脆弱的材料。傳統(tǒng)的機(jī)械加工存在諸如容易產(chǎn)生裂紋，碎片，分層，邊緣塌陷，邊緣破裂和易于工具磨損的缺陷。此外，由于藍(lán)寶石具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的化學(xué)處理方法難以處理。激光切割頭切割技術(shù)是一種高速，高質(zhì)量的切割方法。切割頭切割藍(lán)寶石晶圓不僅加工速度快，切割質(zhì)量好，而且可以切割任何圖案。

WSX準(zhǔn)連續(xù)光纖激光頭具有良好的穩(wěn)定性，光束質(zhì)量和高能量密度。與Nd：YAG激光相比，它在切削硬脆材料方面具有明顯的優(yōu)勢。WSX準(zhǔn)連續(xù)光纖激光頭與保護(hù)氣體相結(jié)合，因其熱影響區(qū)域小，加工區(qū)表面無波紋，加工設(shè)備成本低，廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石加工。

圖1WSX切割頭的 裝置示意圖

一、切割藍(lán)寶石的操作和注意事項(xiàng)

WSX切割頭切割藍(lán)寶石的原理如圖1所示。激光頭的激光通過光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡后，激光最終通過聚焦鏡作用于藍(lán)寶石表面，并在獲得焦平面上的聚焦點(diǎn)后進(jìn)行切割。自動(dòng)控制系統(tǒng)控制移動(dòng)平臺(tái)在X和Y方向上移動(dòng)。WSX準(zhǔn)連續(xù)光纖激光頭用于切割厚度為0.52mm，直徑為5mm的光學(xué)藍(lán)寶石襯底。

脈沖寬度0.15~0.18 ms，波長1070 nm，光斑直徑15μm，重復(fù)頻率0~5 kHz，能量密度變化范圍0~2.4×105J / cm2，切割頭的切割速度變化范圍0~50 mm /秒。氮?dú)庥米骷庸ぽo助氣體，噴嘴直徑為0.5-1mm。

使用WSX激光頭150W ，WSX準(zhǔn)連續(xù)激光切割藍(lán)寶石襯底材料。

01.切割頭線位置的選擇

首先，應(yīng)在藍(lán)寶石切割軟件中設(shè)置切割線的位置。我們通過改變角度θ（切割線和材料邊緣之間的角度）來改變切割線的位置，如圖2所示。觀察并分析切割線位置對切割質(zhì)量的影響。西塔。通過順序選擇15,30,45,60,75和90進(jìn)行測試，切割線的長度為0.3毫米。在確定切割線的位置之后，將進(jìn)行測試。

圖3切割頭的切割線示意圖

當(dāng)激光頭發(fā)出的激光剛剛撞擊藍(lán)寶石材料表面時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割頭切割開始時(shí)的不利影響，在切割正式圖形之前，添加一段切割線，即起始線，也稱為輔助線。切割線的切割角度也是影響切割質(zhì)量的重要因素。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度為30°或90°時(shí)，基本上消除了濺射長度。

02.切割頭的切割結(jié)果和分析

使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體，噴嘴直徑為0.5mm。切割頭的切割藍(lán)寶石圓孔的效果如下圖所示：

從最終切割樣本的照片可以看出：

1.在顯微鏡下，切割的藍(lán)寶石具有光滑的邊緣，基本上沒有結(jié)渣并且沒有毛刺。

2.切割面幾乎沒有傾斜平面，錐度在100以內(nèi);

3.藍(lán)寶石在前表面具有良好的切削刃效果，邊緣塌陷量小于后表面，并且后表面上的邊緣塌陷量也控制在10μm以下。

03.注意事項(xiàng)

影響藍(lán)寶石邊緣塌陷量的一個(gè)非常重要的因素是激光頭的激光能量密度。激光頭的激光能量密度越高，藍(lán)寶石背面的崩邊現(xiàn)象越明顯，崩邊尺寸越大。因此，在保證藍(lán)寶石能夠被切割的同時(shí)降低激光頭功率會(huì)在一定程度上改善藍(lán)寶石背面的邊緣塌陷，但是能量越小，背面掛渣越嚴(yán)重，不易去除。如果激光頭的激光能量適當(dāng)增加，藍(lán)寶石背面熔化的材料會(huì)變成粉末，從而改變藍(lán)寶石背面的切割效果。

WSX激光頭150W瓦。

WSX準(zhǔn)連續(xù)光纖激光頭技術(shù)參數(shù)

WSX切割頭切割藍(lán)寶石材料工藝參數(shù)

二、影響藍(lán)寶石切割質(zhì)量的幾個(gè)主要因素

為了獲得更好的表面質(zhì)量等級，必須多次優(yōu)化激光頭功率、切割頭的切割速度和其他工藝參數(shù)。讓我們來談?wù)動(dòng)绊懰{(lán)寶石切割質(zhì)量的主要因素。

01.激光頭功率

激光能量是激光切割藍(lán)寶石襯底過程中的主要能量來源。激光頭功率和切割頭的切割速度決定藍(lán)寶石襯底的能量輸入。激光頭的功率將對切割產(chǎn)生重要影響。當(dāng)切割速度、輔助氣壓和其他工藝參數(shù)恒定時(shí)，切口寬度與激光頭的功率的增加成線性比例。如果激光頭的功率太小，激光頭的激光就不能被切斷。如果功率增加，凹口寬度將增加，端面粗糙度將增加。在激光切割過程中，激光頭的功率應(yīng)盡可能大，充分發(fā)揮激光頭的功率優(yōu)勢，提高效率。

02.切割速度

對于給定的藍(lán)寶石材料和激光頭功率，切割速度通常符合經(jīng)驗(yàn)公式。只要它高于閾值，材料的切割速度就與激光頭功率成正比，也就是說，增加功率可以提高切割速度。對于藍(lán)寶石切割，激光切割頭的切割速度可以有相對調(diào)整范圍，而其他工藝參數(shù)保持不變。

切割速度小，切口寬度大，切口粗糙度大。切削速度大，切口寬度和粗糙度小，超過最佳切削速度后粗糙度緩慢增加。如果切割速度太高，切割會(huì)刮去更多的爐渣或無法切割。如果切割速度太低，材料會(huì)燃燒太多，切口寬度和熱影響區(qū)域會(huì)很大。為了提高切削質(zhì)量，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，應(yīng)優(yōu)化切削速度。

03.輔助氣體

輔助氣體用于從切割區(qū)域吹走爐渣，以從切割縫中去除惰性氣體和活性氣體。對于藍(lán)寶石材料，使用氮?dú)饪梢砸种魄懈顓^(qū)域的過度燃燒。

激光切割頭的輔助氣體的基本要求是氣體流速應(yīng)大，以便足夠的氮?dú)馀c切口材料放熱反應(yīng)，并在切口處從熔融材料中吹出足夠的能量。高速切割藍(lán)寶石時(shí)，增加氣壓可以提高切割速度，防止切割背面結(jié)渣。然而，如果壓力過高，切割頭的切割表面將變得粗糙。在切割過程中，氮?dú)庵械碾s質(zhì)會(huì)對切割頭的切割質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此氮?dú)獾募兌容^高。

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