[發明專利]減輕低表面質量

在審

• 申請號: 201980055240.2
• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN112996627A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: U·埃佩爾特;L·穆勒爾斯;A·S·李
• 申請（專利權）人: 相干慕尼黑有限公司
• 主分類號: B23K26/53
• 分類號: B23K26/53;B23K26/122;B23K26/146
• 代理公司: 余姚德盛專利代理事務所(普通合伙) 33239
• 代理人: 周積德

公開了用于激光加工的方法和設備。方法包括提供對工件(212A，212B)透明的激光束(214)。提供了表面質量優于工件表面的蓋(302)，該蓋與工件表面(213B)間隔開。在蓋(302)和工件表面(213B)之間提供了流體(306)并使流體與蓋和工件表面接觸。引導激光束(214)穿過蓋(302)和流體(306)，并引導至工件(212A，212B)。設備包括蓋(302)，該蓋與工件表面(213B)間隔開并具有比工件表面(213B)更好的表面質量，用于在蓋(302)和工件表面(213B)之間引入流體并使流體與蓋和工件表面接觸的流體分配器，以及引導激光束(214)穿過蓋(302)和流體(306)到達工件(212A，212B)的激光系統。

技術領域

本公開總體上涉及使用激光輻射加工材料。本發明尤其涉及對具有低表面質量的工件進行激光加工。

背景技術

激光材料加工越來越多地用于對各種材料進行切割，鉆孔，打標和劃線，包括玻璃、陶瓷、硅和藍寶石等脆性材料。傳統的機械加工會產生不希望有的缺陷，例如微裂紋，當加工的脆性材料受到應力時微裂紋可能會傳播，從而降解和削弱加工的脆性材料。使用聚焦的激光輻射束對脆性材料進行激光加工會產生精確的切口和孔，這些切口和孔具有高質量的邊緣和壁，同時最大程度地減少了此類不希望有的缺陷的形成。科學研究和制造的進步正在導致對越來越多的脆性材料進行激光加工，同時要求提高激光加工的速度和精度。

透明的脆性材料通過非線性吸收激光輻射，與脈沖激光輻射的聚焦光束相互作用。脈沖激光輻射可包括一系列單獨的脈沖或脈沖的快速突發。每個單獨的脈沖或脈沖突發都會在光束的焦點處在透明的脆性材料工件中產生缺陷。通過平移聚焦光束從工件上切下物品而沿著工件中的切割線產生一排缺陷。

通常，該排缺陷只會削弱沿著切割線的材料。為了將物品與工件的其余部分完全分開，需要在切割線上施加應力的額外步驟。施加機械應力或熱應力通常會導致沿切割線分離。已經使用具有被材料吸收的波長和相對較高的平均功率的激光束證明了精確和受控的分離。吸收的激光功率會在切割線上產生一個熱梯度，從而導致裂紋在由脈沖激光輻射產生的離散缺陷之間傳播，從而沿切割線形成連續的斷口。

例如，高度聚焦的超短激光脈沖束會在玻璃工件中產生自導的“細絲”。為了產生細絲，由于折射率的非線性成分，在材料中具有足夠高強度的脈沖激光輻射的聚焦束變得進一步聚焦。非線性自聚焦和高強度激光束之間的正反饋會產生等離子體。等離子體內較低的折射率和/或等離子體對聚焦光束的散射會導致散焦。聚焦和散焦之間的平衡使細絲內的等離子體得以維持，該細絲在玻璃工件中傳播，其直徑遠小于脈沖激光輻射聚焦束的衍射極限直徑。

這種細絲的傳播會以空隙、微裂紋或其他材料變形的形式在工件上產生長而細的缺陷。通過沿切割線平移聚焦的超短脈沖激光束會產生一行缺陷。然后，通過沿切割線平移CO₂激光束，可以使用波長約為10微米(μm)的二氧化碳(CO₂)激光來分離玻璃。在美國專利第9,102,007號和美國專利第9,296,066號中描述了這樣的激光切割工藝，各個專利與本申請共同擁有，并且出于各種目的通過引用將每個專利的完整公開內容并入本文。

發明概述

激光材料加工需要精確定位和嚴格控制的激光束焦點。材料屬性中相對較小的差異(例如正常的材料不均勻性)可能會導致失去焦點控制。非平面材料表面可能會由于折射而使激光束散焦，從而降低預期焦點處的激光束強度。可以將光束強度降低到低于預期材料加工的閾值。

本領域技術人員使用“表面質量”作為這些變化的量度。“表面質量”有兩個貢獻：小規模的表面結構，稱為“表面粗糙度”或“表面光潔度”；大型結構，稱為“表面不規則度”或“表面平整度”。

具有高空間頻率的小規模表面結構會導致光學損耗。通常，這些是散射損耗，這會降低激光束通過表面后到達加工位置的光功率。該“表面粗糙度”或“表面光潔度”可通過R_a(與表面平均平面的平均偏差)或R_RMS(在規定表面積上的平均最大峰谷偏差)來量化。