一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法技术

本发明专利技术提供一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，本发明专利技术通过液体、固体等介质冷却协同激光加工的方式，可减小甚至避免激光加工热损伤区的形成，提高加工质量，特别是可以提高阵列结构的密集程度，获得含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。成度阵列结构的陶瓷成品。成度阵列结构的陶瓷成品。

【技术实现步骤摘要】
一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法


[0001]本专利技术属于激光加工
，具体涉及一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法。

技术介绍

[0002]陶瓷作为电子器件中不可或缺的基础材料，其阵列结构的加工质量会直接影响到产品的性能，传统的机械加工方式已难以满足制造需求。激光加工技术因具有非接触加工特性，不存在工具磨损，且可将高能量聚焦于材料去除区域，尤其适用于硬脆陶瓷材料的加工。当今制造工业朝着微纳领域快速发展，对于阵列结构的间距也提出了更高的加工要求。然而，激光的热效应将会引起材料的热损伤，很大程度上限制了微细阵列结构的加工效果。
[0003]现有技术中，专利CN202010394274.9提出了陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法，通过振镜光束对陶瓷基板逐层精密钻孔，然后移动工件至下个加工位置继续加工，直至加工完成。
[0004]但是，采用现有激光技术加工阵列结构会对材料形成热损伤区，特别是在加工高集成度阵列结构时，热损伤区几乎会涵盖整个加工表面，不仅会降低阵列结构的加工质量，而且热损伤区也会对材料性能造成负面影响，严重阻碍了高集成度陶瓷电子器件的发展。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，通过液体、固体等介质冷却协同激光加工的方式，可减小甚至避免激光加工热损伤区域的形成，提高加工质量，特别是可以提高阵列结构的密集程度，获得含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，包括以下步骤：将待加工的陶瓷固定于夹具上，夹具固定于容器中，容器固定于超精密运动平台上；移动超精密运动平台，选定加工区域，并开启激光器发射激光束经聚焦后作用于材料表面，此为激光当前加工区域；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为激光待加工区域；开启并移动喷嘴于激光已加工区域上方，以10
°
~90
°
方向于激光已加工区域注入液体，对激光已加工区域进行材料熔渣清洗以提高加工质量，此为液体填充区域；待液体填充满激光已加工区域后，停止液体注入，再通过喷嘴注入冷却液体于液体填充区域，以使注入的液体迅速凝固，以对激光已加工区域形成冷却保护区，减小甚至避免后续周边激光加工区域在该区域形成热损伤区；与此同时，激光束作用于陶瓷表面，激光待加工区域变为激光当前加工区域；冷却保护区还可对激光待加工区域进行降温，减小甚至避免该区域在后续激光加工时形成热损伤区；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；
需注意的是，本专利技术中的冷却介质，是通过液体凝固与固体关联，固体通过液化进而气化与气体关联，实现降温。
[0007]继续移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为下一个激光待加工区域；开启并移动喷嘴，重复上述液体及冷却液体注入步骤，将上一个激光已加工区域用冷却介质保护；与此同时，激光束继续在激光待加工区域、激光当前加工区域作用陶瓷表面；对于前述激光已加工区域中由注入液体凝固所形成的固体，随着后续结构的加工，固体逐渐液化为液体再蒸发为气体，进而带走激光当前加工区域传递过来的热量；在激光已加工区域形成的冷却保护区在减小甚至避免后续周边激光加工区域对该区域形成热损伤区的同时，由于周边激光加工区域形成的热损伤区会扩散至具有冷却保护区的激光已加工区域，冷却保护区逐渐升温可通过液化、蒸发的方式对该区域继续保护；当所需的结构全部加工完成，即可得到含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。
[0008]本专利技术的创新点在于：激光加工当前区域后，采用液体注入可冲洗该区域残留的材料熔渣，并起到冷却的作用；注入的液体被凝固后，该区域即受到冷却保护；周边区域在加工时，冷却保护区逐渐升温可通过液化、蒸发的方式对该区域继续保护，激光形成的热损伤区将被限制，加工质量有所保证，故可提高阵列结构的集成度；如此循环，可得到具有高集成度的阵列结构。特别是在有冷却保护时，已加工区域周边的结构可采用更高功率的激光束以提高加工效率，因为此时激光加工过程中形成的热损伤区将不会作用到已加工区域，与此同时，冷却保护区还可对激光待加工区域进行降温，减小甚至避免后续激光对该加工区域形成热损伤区，加工质量有所保证。
[0009]本专利技术中，所述激光加工阵列包括超精密运动平台，所述超精密运动平台设有容器，所述容器内设有夹具，所述夹具用于固定待加工的陶瓷材料；还包括依次设置的激光器、扩束镜、反射镜、聚焦镜，激光器用于发出激光束，激光束依次通过扩束镜、反射镜、聚焦镜作用于待加工的陶瓷材料表面；还包括喷嘴，所述喷嘴面向待加工的陶瓷材料表面；所述待加工的陶瓷材料按加工的位置分为激光当前加工区域、激光待加工区域、激光已加工区域、液体填充区域、固体填充区域。
[0010]本专利技术中，经过液体填充的激光已加工区域，通过带走激光当前加工区域传递的热量，形成冷却保护区，可减小甚至避免后续孔加工对该区域造成热损伤影响。
[0011]本专利技术的激光加工阵列，具有灵活性和可扩展性，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。它为电子器件领域提供了一种高精度、高效率的加工技术，可以用于精确的电路板切割、微细焊接、封装孔加工等应用。进一步的，所述超精密运动平台沿X轴、Y轴、Z轴中的任一方向移动。本专利技术中，超精密运动平台是一种用于实现多轴精确定位和控制的设备。它由三个相互垂直的轴(X、Y和Z轴)组成，每个轴都带有驱动器和传感器，可以使平台在三个方向上进行运动。
[0012]本专利技术采用的超精密运动平台具有高度准确性和稳定性的特点，适用于激光加工。其优点包括：1、高精度：超精密运动平台具备非常高的定位精度和重复性。通过使用精密的线性导轨、高分辨率的传感器和精密控制算法，能够实现亚微米甚至纳米级别的运动控制；2、高刚性：为了保持稳定的运动和抗振能力，该平台通常采用坚固的结构设计和高刚
性材料制造。这有助于减小外界振动对系统的干扰，提高系统的稳定性和精度；3、高速运动：通过采用快速响应的驱动器和控制系统，能够实现快速而准确的定位和移动；4、多轴协调：超精密运动平台可以实现多轴之间的协同运动。通过精确的坐标转换和运动同步算法，能够实现复杂的加工和操作任务。
[0013]进一步的，冷却介质所述冷却介质包含液体、固体、气体的任一种，其中液体为水或液态酒精或液氮，固体为冰或固态酒精，气体为水蒸气或气态酒精或氮气。
[0014]特别的，本专利技术中冷却介质包括其本身不同物理形态的转换，包括液态
‑
固态、液态
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气态、固态
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气态的转换。
[0015]本专利技术中，采用的冷却介质在加工中具有以下作用：1、温度控制：冷却介质能够吸收和带走激光加工过程中产生的热量，有效地控制工件和设备的温度。通过保持适当的温度范围，可以避免材料过热导致的损伤、变形或不良加工效果；2、材料保护：冷却介质能够降低材料的表面温度，减少热影响区域，从而避免或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：将待加工的陶瓷固定于夹具上，夹具固定于容器中，容器固定于超精密运动平台上；移动超精密运动平台，选定加工区域，并开启激光器发射激光束经聚焦后作用于材料表面，此为激光当前加工区域；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为激光待加工区域；开启并移动喷嘴于激光已加工区域上方，以10
°
~90
°
方向于激光已加工区域注入液体，此为液体填充区域；待液体填充满激光已加工区域后，停止液体注入，再通过喷嘴注入冷却液体于液体填充区域，使激光已加工区域形成冷却保护区；与此同时，激光束作用于陶瓷表面，激光待加工区域变为激光当前加工区域；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；继续移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为下一个激光待加工区域；开启并移动喷嘴，重复上述液体及冷却液体注入步骤，将上一个激光已加工区域用冷却介质保护；与此同时，激光束继续在激光待加工区域、激光当前加工区域作用陶瓷表面；对于前述激光已加工区域中由注入液体凝固所形成的固体，随着后续结构的加工，固体逐渐液化为液体再蒸发为气体降温；当所需的结构全部加工完成，即可得到含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。2.根据权利要求1所述的一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，其特征在于，所述超精密运动平台沿X轴、Y轴、Z轴中的任一方向移动。3.根据权利要求1所述的一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，其特征在于，冷却介质所述冷却介质包含液体、固体、气体的任一种，其中液体为水或液态酒精或液氮，固体为冰或固态酒精，气体为水蒸气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏建，刘晔，郭奎奎，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：