激光加工材料来形成分离的零件的方法，以及包含蓝宝石的制品。所述方法包含将脉冲激光束(2a)聚焦成激光束聚焦线(2b),沿着束传播方向观察时,所述激光束聚焦线被引导进入材料(1),所述激光束聚焦线(7)在材料(1)之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料(1)之内沿着激光束聚焦线(2b)形成孔或开裂线，并在多个孔上将散焦二氧化碳(CO2)激光从材料(1)的远端边缘引导至材料(1)的近端边缘。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求下述的优先权：2013年12月17日提交的美国临时专利申请号61/917,082，2014年07月10日提交的美国临时专利申请号62/022,890，和2014年10月31日提交的美国专利申请号14/529976，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。背景材料的激光加工领域包括各种应用和不同种类的材料，该应用涉及切割、钻孔、研磨、焊接、熔融等。在这些应用中，特别感兴趣的一种应用是从不同类型的基材材料切割或分离零件，例如从蓝宝石分离出任意形状。蓝宝石具有非同寻常的硬度和韧度，这些性质使得它具有非常高的耐刮擦性，且其对150纳米-5500纳米的光波长是非常透明的。蓝宝石用于多种应用中，其依赖于蓝宝石的电学、机械、热学和光学性质的独特和非同寻常的组合。这些应用包括红外光学组件例如用于科学仪器、高耐久性窗户、条形码扫描仪、腕表晶体和移动轴承、和非常薄的电子晶片，其用作特殊目的的固态电子件(大多数是集成电路)的绝缘基材。在半导体工业中，蓝宝石也用作基于氮化镓(GaN)的装置的生长的非导电基材。具体来说，蓝宝石具有低电导率，但具有较高的热导率。因此，蓝宝石提供良好的电气绝缘，其同时有助于带走在所有操作集成电路时产生的大量热量。最近，其已提供作为用于智能手机摄影窗口、屏幕保护和消费者电子产品中的触摸应用的替代材料。因为蓝宝石非常硬，从这种基材材料制造零件的一个主要挑战是切割过程。通常，通过首先使用尖端含金刚石的刀片在基材中划割图案来实现切割。然后，使划割的轮廓经受将裂纹蔓延进入基材并沿着痕迹的轮廓完全分离零件的机械力，或者在划割之后进行第二遍的圆形金刚石刀片来切穿基材。金刚石刀片具有较小但有限的宽度，且这种分离过程在待分离的两个零件之间保留“街道”(通常大于约40微米)，以容纳金刚石刀片的宽度。为了保持从基材分离的零件边缘的质量，避免基材的毁灭性和不受控的裂纹化，金刚石尖端刀片必须在低速下操作，这延长了分离过程。此外，因为磨损，刀片上的金刚石尖端磨损掉并必须常常更换-频繁到一刀片/晶片，这减慢了制造过程并增加了成本。最后，机械划割过程形成裂纹，其可损坏基材并降低产率(所宣称的典型产率是约70％)。涉及蓝宝石切割和加工的另一挑战涉及分离的零件的形状。因为蓝宝石的晶体性质，解离和分离优先在与晶面之一对齐的直线上进行。但是，这个相同的特征使得难以切割和分离具有更复杂形状的蓝宝石零件。例如，但从正方形基材分离圆形形状时，取决于诱导的应力和与圆形形状的晶体对齐，裂纹蔓延可能偏离预期的圆形路径，而是沿着阻力最小的路径进行，其遵循结构化晶面之一。从工艺开发和成本角度看，有许多机会来改善蓝宝石基材的切割和分离。提供比当今市场中所实施的更快、更干净、更便宜、更可重复和更可靠的蓝宝石分离方法是非常有意义的。在几种替代技术中，已使用不同方法尝试和验证了激光分离。所述技术包括：1)实际地除去在所需的零件(或多个零件)的边界之间的材料和其周围的基材基质；2)在材料的本体之内形成缺陷，以沿着所需形状轮廓的周界弱化材料或为材料接种裂纹引发点，然后进行辅助的破碎步骤；和3)通过热应力分离使得初始裂纹扩展。与竞争性技术(机械划割和破裂，高压水喷射和超声研磨等)相比，这些激光切割过程证明了潜在的经济和技术优势，例如精确性、良好的边缘精磨和低残留应力。然后，仍然需要改善的用于切割和分离蓝宝石的任意形状的方法。概述本文所述的实施方式涉及用于从蓝宝石和其它基材材料切割和分离任意形状的激光方法。开发的激光方法可定制用于手动从基材分离零件，或者通过对所需的轮廓施加热应力来进行完全激光分离。所述方法涉及利用超短脉冲激光来在基材中形成开裂线(fault line)，其与所需的从基材分离的零件的形状一致。开裂线限定优选的裂纹扩展路径，其促进分离具有所需形状的零件的分离，同时避免在其它方向上的错误的裂纹扩展和损坏。任选地，在超短脉冲激光之后可使用CO2激光或其它热应力源，以实施完全自动化地从基材分离所述零件。在一种实施方式中，激光切割材料来形成分离的零件的方法包括将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线,将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成孔或缺陷线,使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光在材料之内形成多个缺陷线,和在所述多个孔或缺陷线上引导IR激光束。激光束聚焦线可沿着束传播方向进行取向。材料可为蓝宝石。脉冲激光束的脉冲持续时间可为大于约1皮秒且小于约100皮秒,或大于约5皮秒且小于约20皮秒。脉冲激光束的重复率可为1kHz-2MHz,或10kHz-650kHz。在材料处测量的脉冲激光束的平均激光功率可大于40微焦耳/毫米材料厚度。可以至少两个脉冲的脉冲群(burst)的形式来产生脉冲。脉冲群之内的脉冲可相隔1纳秒-50纳秒,或10纳秒-30纳秒,或15纳秒-25纳秒的持续时间。可将多个脉冲群施加到材料,其中每一脉冲群包含两个或更多个脉冲，且脉冲群重复频率是约1kHz-约2000kHz。脉冲激光束可具有选定的波长，从而材料在该波长下是基本上透明的。激光束聚焦线的长度可为约0.1mm-约100mm,或约0.1mm-约10mm。激光束聚焦线的平均光斑直径可为约0.1微米-约5微米。所述方法还可包含将IR激光从材料的近端边缘引导至零件的相切边缘，或者将IR激光从材料的远端边缘引导至零件的相切边缘，从而从材料分离所述零件。引导IR激光束还可包含引导CO2激光束。IR激光束可散焦(defocused)到约2mm-约20mm的光斑尺寸。IR激光束可从材料的远端边缘引导至材料的近端边缘。一种制品，其包含具有一系列缺陷线的边缘,其中每一缺陷线延伸至少250微米,所述缺陷线的直径小于5微米,所述边缘的表面粗糙度Ra＜0.5微米,且玻璃边缘的表面下损坏是＜100微米。玻璃边缘的表面下损坏还可为＜75微米。缺陷线可延伸穿过制品的全部厚度。缺陷线之间的距离可为大于0.5微米且小于或等于约15微米,且制品厚度可小于1.5mm。所述制品可包含蓝宝石。所述制品还可为圆形盘，或包含上面连接有蓝宝石层的玻璃基材。玻璃基材厚度可为100微米-1mm,蓝宝石层厚度可为1微米-600微米。又在另一种实施方式中，激光切割材料的方法包括：(i)将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；(ii)将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；(iii)重复地执行(i)和(ii)，从而在材料之内形成开裂线,所述开裂线包括多个缺陷线；和(iv)在所述开裂线上引导IR激光束。开裂线可为线性的、弯曲的或圆形的。引导IR激光束可沿着开裂线使材料断裂。这些实施方式具有许多优势，包括使用降低的激光功率来完全分离被切割的零件，减少的表面下缺陷，增加的工艺清洁度，形成不同尺寸的复杂轮廓和形状，和省略工艺步骤。本专利技术延伸至：一种激光切割材料的方法，该方法包括：将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光切割材料的方法，该方法包括：将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；将所述激光束聚焦线引导进入所述材料,所述激光束聚焦线在该材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光在材料之内形成多个缺陷线；和在所述多个缺陷线上引导IR激光束。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.17 US 61/917,082;2014.07.10 US 62/022,890;1.一种激光切割材料的方法，该方法包括：将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；将所述激光束聚焦线引导进入所述材料,所述激光束聚焦线在该材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光在材料之内形成多个缺陷线；和在所述多个缺陷线上引导IR激光束。2.一种激光切割材料的方法，该方法包括：(i)将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；(ii)将所述激光束聚焦线引导进入所述材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；(iii)重复地执行(i)和(ii)，从而在材料之内形成开裂线,所述开裂线包括多个缺陷线；和(iv)在所述开裂线上引导IR激光束。3.一种含蓝宝石的制品，所述制品包含具有一系列缺陷线的边缘,其中每一缺陷线延伸至少250微米,所述缺陷线的直径小于5微米,所述边缘的表面粗糙度Ra＜0.5微米,且玻璃边缘的表面下损坏是＜100微米。4.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述材料或制品是蓝宝石。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲持续时间是大于约1皮秒且小于约100皮秒。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲持续时间是大于约5皮秒且小于约20皮秒。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的重复率是1kHz-2MHz。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的重复率是10kHz-650kHz。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲激光束具有波长，且在所述波长下所述材料是基本上透明的。10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束聚焦线的长度是约0.1mm-约100mm。11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束聚焦线的平均光斑直径是约0.1微米-约5微米。12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将IR激光...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·马加诺维克，G·A·皮切，S·楚达，R·S·瓦格纳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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