激光切割蓝宝石技术应用讲义
光电与显示
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2020-05-25
激光切割蓝宝石技术应用讲义
蓝宝石是一种氧化铝的单晶，晶格结构独特，耐磨且抗风蚀，硬度仅次于金刚石，具有良好的透光性、特传导性、电气绝缘性，是LED、SOS等理想的衬底材料。早期由于其高硬度，耐磨性，光泽度透光性，及其加工水平要求较高而产量不足导致的稀缺性，蓝宝石最早作为珠宝首饰和手表表面出现，售价昂贵。自90年代后，LED照明逐渐渗透进人类生活，蓝宝石开始广泛应用于LED衬底材料。
蓝宝石具有耐磨、耐划，透光性好，硬度高等优势，在航空、国防、LED、医疗、消费电子等领域都有很广泛的应用。LED衬底是蓝宝石下游最主要的应用，市场占比超过50%。而消费电子则给蓝宝石材料带来了更广阔的增量空间。
据前瞻产业研究院发布的《2015-2018年全球蓝宝石行业市场规模统计情况及预测》显示，2015-2018年全球蓝宝石需求量逐年增加，2018年预计是46亿元。随着苹果公司采用蓝宝石作为摄像头的保护玻璃和Home键保护玻璃，自此，蓝宝石正式进入消费电子市场。目前，蓝宝石材料已在智能手机和可穿戴设备上得到广泛应用。
但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，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等难题让众多厂家为难。直到激光切割技术的出现及推广，他们看到了希望。
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。
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（15°、30°、45°、60°、75°和90°）来改变起刀线的位置。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30°或90°时，溅射物长度基本消除。
起刀线示意图
影响蓝宝石切割质量的因素
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。
1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。
2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。
3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。
来源:正天激光
