激光加工脆性材料的可控分离制造技术

公开一种用于从由脆性材料制成的工件(12)切割和分离物品(102)的方法。该方法使用直形和圆形脱模特征(112A,112B)，其布置成在物品(102)轮廓中靠近每个内部曲线的废料(104)中引起受控的开裂。第一脉冲激光束(14)沿着物品(102)的轮廓并沿着脱模特征(112A,112B)削弱材料。第二激光束(40)选择性地加热脱模特征(112A,112B)足够的时间以引起熔化和变形，从而引发受控的开裂。

Controllable separation of brittle materials in laser processing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光加工脆性材料的可控分离要求优先权本申请要求2017年3月13日提交的美国临时申请序列号62/470,587的优先权，其公开内容以其整体并入本文。
本专利技术一般涉及使用激光辐射束切割脆性材料。本专利技术特别涉及使用聚焦的脉冲激光辐射束切割脆性材料并使用激光辐射束控制切割材料的分离。
技术介绍
激光材料加工越来越多地用于切割、钻孔、标记和划线各种材料，包括诸如玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石的脆性材料。传统的机械加工产生不需要的缺陷，例如当加工的脆性材料受到应力时可传播的微裂纹，从而降解和削弱加工的脆性材料。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工可以产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少这种不需要的缺陷的形成。科学研究和制造方面的进步正在导致越来越多的脆性材料的激光加工，同时要求提高加工速度和精度。透明脆性材料通过激光辐射的非线性吸收与脉冲激光辐射的聚焦光束相互作用。脉冲激光辐射可包括一系列单独脉冲或快速脉冲突发。每个单独的脉冲或脉冲突发在光束焦点处的透明脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件切割制品，以沿工件中的切割线产生一行缺陷。缺陷行通常会沿切割线削弱材料。为了使制品与工件的其余部分完全分离，需要在切割线上施加应力的附加步骤。施加机械应力有时足以引起沿切割线的分离。在需要高质量边缘的应用中应用热应力，没有诸如芯片和微裂纹之类的不必要的缺陷。已经使用具有被材料吸收的波长和相对高的平均功率的激光束证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率在切割线上产生热梯度，这导致裂缝在由脉冲激光辐射产生的离散缺陷之间传播，从而沿切割线形成连续断裂。举例来说，高度聚焦的超短激光脉冲束在玻璃工件中产生自引导的“细丝”。这种细丝的传播通过工件以空隙的形式产生长的缺陷。通过沿着切割线平移聚焦的超短脉冲激光束来产生一行空隙。然后使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO2)激光器通过沿切割线平移CO2激光束来分离玻璃。这种激光切割工艺“SmartCleave”由Rofin-SinarTechnologiesInc.开发并描述于美国专利No.9,102,007和美国专利No.9,296,066中，每个专利均由本专利技术的受让人拥有，并且每个的完整公开内容在此引入作为参考。在传统的“划线和断裂”切割和激光切割中，可需要“浮雕线”来分离具有圆形形状的物品。减压线是附加线，其从切割线的弯曲部分辐射到待报废的工件的一部分中。这种弯曲部分可以是凹形或凸形。可以以与切割线相同的方式划线或切割浮雕线。将要报废的部分牺牲破碎成由浮雕线限定的多个部分导致沿切割线更加可控和可靠的分离。尽管施加应力的附加分离步骤破坏制品与工件其余部分之间的任何残留粘合，但在一些应用中，制品仍然在物理上被禁止与工件的其余部分分离。对于具有凹形弯曲部分的制品和用于切除相对较少材料并产生粗糙边缘的切割工艺，这是一个特别的问题。例如，聚焦超短激光脉冲光束可以精确切割玻璃。使用持续时间约为10皮秒(ps)的激光脉冲的细丝切割工艺的典型Rz表面粗糙度约为10μm。即使在切割边缘上的这种适度的表面粗糙度也会产生足够的静摩擦力以防止曲线部分的分离。需要一种激光切割具有圆形形状的制品的方法，该方法由脆性材料制成，其提供了制品与工件其余部分的可靠和清洁的分离。优选地，该方法需要最小的附加孔径和最小的额外处理时间。专利技术概述在一个方面，公开一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法。该方法包括：通过将所述第一束聚焦到所述工件上同时通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征。所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部。至少一个脱模特征在所述切割线内靠近内部曲线。所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件。将所述第二束引导到所述切割线上，并且沿着所述切割线平移引导的第二束。所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件。将所述第二束引导到所述至少一个脱模特征上的位置，并且在该位置加热所述工件一段时间。加热时间足以使所述工件变形和开裂。所述至少一个脱模特征被布置成在加热期间使裂缝在所述至少一个脱模特征和所述内部曲线之间传播。附图简述包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。图1A和1B示意性地描述用于实现本专利技术的激光切割和分离方法的激光切割孔径的一个优选实施方案，孔径包括两个激光源，每个激光源递送一束激光辐射，该激光辐射被引导到待切割和分离的工件。图2A示意性地描述用于从由脆性材料制成的工件中激光切割和分离物品的现有技术解决方案。图2B–2E示意性地描述根据本专利技术的激光切割和分离方法的一个优选实施方案，用于从由脆性材料制成的工件切割物品并用于从切割物品中控制废料的分离。图3A–3C示意性地描述根据本专利技术的用于切割和分离物品的示例性创造性脱模特征。图4A–10B示意性地描述用于从具有内部曲线的切割物品中分离废料的示例性创造性脱模特征。专利技术详述现在参照附图，其中相同的部件用相同的标号表示，图1A和1B示意性地描述在现有技术的激光切割方法中使用的孔径10，并且它也用于本专利技术的激光切割方法中。在现有技术和现有方法中，由脆性材料制成的工件12暴露于脉冲激光辐射14的聚焦光束。脉冲激光辐射14的聚焦由会聚光线16A和16B表示，表示激光辐射的聚焦光束的边界光线。脉冲激光辐射14的光束由脉冲激光辐射源18产生，并且具有脆性材料透明的波长。脉冲激光辐射14的光束是重复的单个激光脉冲(这里仅示出三个)或重复的激光脉冲突发的光束。每个脉冲或每个脉冲突发在工件中产生缺陷20。如箭头所示，通过相对于脉冲激光辐射14的光束横向平移工件12来产生缺陷20的线性阵列22。聚焦光束跟踪切割线24，其遵循要从工件切割的物品的轮廓。孔径10还包括可选的光束控制光学元件26、可选的光束调节光学元件28和聚焦透镜30。图1A示出光束控制光学器件26作为平面镜，其被布置成从激光源18截取脉冲激光辐射14的光束并将其引向工件12。光束调节光学器件28被描绘为无焦光束扩展器，其被布置成截取脉冲激光辐射14的定向光束并将其扩展以主要填充聚焦透镜30的通光孔径CA。聚焦透镜30被描绘为平凸透镜，其被布置成拦截脉冲激光辐射14的扩展光束并使其聚焦在工件12中。光束控制光学器件和光束调节光学器件在光学设计领域中是公知的，并且其描述对于理解本专利技术的原理不是必需的。聚焦透镜30可以是所示的单元件透镜或多元件透镜组件。工件12被描绘为相对于脉冲激光辐射14的静止聚焦光束平移。或者，检流计驱动的反射镜可以包括在光束调节光学器件28和用于聚焦透镜30的平场物镜中，从而使得脉冲激光辐射14的聚焦光束能够相对于固定工件12平移。脉冲激光辐射14的聚焦光束会聚到细长焦点32。从聚焦透镜28的中心附近出射的光线比边界光线1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法，该方法包括：/n将所述第一束聚焦到所述工件上；/n通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征，所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部，至少一个脱模特征在所述切割线内靠近内部曲线，所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件；/n将所述第二束引导到所述切割线上；/n沿着所述切割线平移引导的第二束，所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件；/n将所述第二束引导到所述至少一个脱模特征上的位置；和/n在该位置加热所述工件一段时间，加热时间足以使所述工件变形和开裂；/n其中所述至少一个脱模特征被布置成在加热步骤期间使裂缝在所述至少一个脱模特征和所述内部曲线之间传播。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170313 US 62/470,5871.一种使用第一束脉冲激光辐射和第二束激光辐射从由脆性材料制成的工件切割和分离物品的方法，该方法包括：
将所述第一束聚焦到所述工件上；
通过沿着所述物品的轮廓和脱模特征的路径平移聚焦的第一束来制作切割线和多个脱模特征，所述脱模特征位于所述工件内和所述物品外部，至少一个脱模特征在所述切割线内靠近内部曲线，所述聚焦的第一束沿着所述切割线并沿着所述脱模特征削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述切割线上；
沿着所述切割线平移引导的第二束，所述引导的第二束沿着所述切割线进一步削弱所述工件；
将所述第二束引导到所述至少一个脱模特征上的位置；和
在该位置加热所述工件一段时间，加热时间足以使所述工件变形和开裂；
其中所述至少一个脱模特征被布置成在加热步骤期间使裂缝在所述至少一个脱模特征和所述内部曲线之间传播。


2.如权利要求1所述的切割和分离方法，其中所述聚焦产生至少部分地与所述工件重叠的所述第一束的细长焦点。


3.如权利要求2所述的切割和分离方法，其中通过填充具有球面像差的聚焦透镜的通光孔径来产生所述细长焦点。


4.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述聚焦的第一束产生细丝从而在所述工件内产生缺陷。


5.如权利要求4所述的切割和分离方法，其中所述缺陷是空洞的形式。


6.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述第一束由超短脉冲激光产生。


7.如前述任一权利要求1所述的切割和分离方法，其中所述第二束由CO2激光器产生。


8.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述加热时间在0.5秒至1.0秒的范围内。


9.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述至少一个脱模特征具有直形形式。


10.如权利要求9所述的切割和分离方法，其中所述裂缝的传播由所述直形脱模特征引导。


11.如权利要求9或10所述的切割和分离方法，其中所述直形脱模特征与所述内部曲线相切。


12.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中至少一个脱模特征具有圆形形式。


13.如权利要求12所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征具有包括圆形、半圆形、椭圆形和椭圆形的一组形式中的一种。


14.如权利要求12或13所述的切割和分离方法，其中所述裂缝的传播在某种程度上由位于所述圆形脱模特征的与所述裂缝相对的一侧的互补直形脱模特征引导。


15.如权利要求12至14所述的切割和分离方法，其中所述圆形脱模特征的半径范围为约0.2毫米至约1.0毫米。


16.如前述任一权利要求所述的切割和分离方法，其中所述脱模特征被布置成以小角度将所述裂缝传播到所述切...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·穆勒斯，
申请(专利权)人：相干激光系统有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE