激光加工脆性材料的分离和释放制造技术

公开了用于从由脆性材料制成的工件(12)分离和释放闭合形式件的方法。第一脉冲激光束(14)沿闭合形式件(62)的轮廓产生缺陷。第二激光束(40)在第一时间内选择性地加热闭合形式件(62)，这足以在缺陷之间引发裂纹。停止加热的时间段足够长，以使裂纹在缺陷之间完全传播。在第二时间内施加第二激光束(40)，这导致闭合形式件(62)熔化和变形。该变形在闭合形式件(62)和工件(12)的其余部分之间打开了间隙，从而允许释放所述闭合形式件(62)。

【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分离和释放相关申请的交叉引用本申请要求于2018年7月26日提交的美国临时专利申请序号62/703,806的优先权，其全部公开内容通过引用合并于本文中。
本专利技术总体上涉及利用激光辐射束切割脆性材料。本专利技术尤其涉及使用激光辐射束从激光加工的脆性材料中分离和释放闭合形式。
技术介绍
激光材料加工越来越多地用于切割，钻孔，打标和划线各种材料，包括诸如玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石之类的脆性材料。传统的机械加工会产生不良缺陷，例如微裂纹，当加工的脆性材料受到应力时微裂纹可能会传播，从而使加工的脆性材料降级和弱化。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工会产生精确的切口和孔，这些切口和孔具有高质量的边缘和壁，同时最大程度地减少了此类不良缺陷的形成。科学研究和制造的进步正在导致对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高加工速度和精度。透明的脆性材料通过非线性吸收激光辐射而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的脉冲或快速的脉冲串。每个单独的脉冲或脉冲串都会在光束的焦点处在透明的脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件上切下物品，从而沿着工件中的切割线产生一排缺陷。通常，一排缺陷只会削弱沿着切割线的材料。为了将物品与工件的其余部分完全分开，需要在切割线上施加应力的额外步骤。有时施加机械应力足以引起沿切割线的分离。需要高质量边缘的应用中施加热应力，而没有诸如碎屑和微裂纹之类的不良缺陷。使用具有被材料吸收的波长和相对较高的平均功率的激光束已经证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率会在切割线上产生热梯度，从而导致裂纹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的断口。例如，高度聚焦的超短激光脉冲束会在玻璃工件中产生自导的“细丝”。这样的细丝的传播以空隙的形式在工件上产生长的缺陷。沿着切割线平移聚焦的超短脉冲激光束会产生一排空隙。然后，通过沿切割线平移CO2激光束，使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO2)激光来分离玻璃。这种激光切割工艺“SmartCleave”是由Rofin-SinarTechnologiesInc.开发的，并在美国专利第9,102,007号和美国专利第9,296,066号中进行了描述，它们各自是共有的，在此通过参考将其各自的完整公开内容并入本文。在工件的另一示例性方式是使用像差聚焦光学器件聚焦一束超短脉冲束，以沿聚焦光学器件的光轴产生扩展焦点。聚焦光束沿光轴具有足够的强度，以通过烧蚀去除玻璃并产生扩展的空隙。尽管施加应力的附加分离步骤破坏了制品与工件的其余部分之间的任何残余结合，但是在某些应用中，仍然在物理上阻止了制品与工件的其余部分分离。这对于具有凹形弯曲部分的制品和去除了相对较少的材料并产生了粗糙的边缘的切割过程来说是一个问题。例如，聚焦的超短激光脉冲束可对玻璃进行精确而精细的切割。使用持续时间约10皮秒(ps)的激光脉冲进行的细丝切割或烧蚀切割过程的典型Rz表面粗糙度约为10μm。即使在割边上这种适度的表面粗糙度也会引起足够的静摩擦，从而防止弯曲部分分离。对于具有小的闭合形状特征的制品，静摩擦是一个特殊的问题，其中切割线是要从工件上去除的材料的轮廓。例如，当在玻璃工件上形成期望形状的孔时，可以抑制要丢弃的孔件与工件的其余部分分离。在某些情况下，可以通过施加足够的机械力来移除孔件，但是该力会损坏工件的内边缘。如果在受力的同时孔件扭曲或卡住工件的内边缘，倾斜的孔件可能会束缚在物品内部。如果倾斜的孔件进一步受力，则释放会导致工件内边缘碎裂。需要一种从脆性材料中激光切割出闭合形状的特征的方法，该方法能够将物品与工件的其余部分可靠而干净地分离。优选地，该方法将需要最少的额外设备和最少的额外处理时间。专利技术概述在一个方面，公开了用于使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件分离和释放闭合形式件的方法。该方法包括提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件。激光辐射束在第一持续时间内被施加到闭合形式件上。激光辐射束会在缺陷之间引发裂纹。在裂纹在缺陷之间完全传播的同时，暂停了激光辐射束的施加。在第二持续时间内施加激光辐射束。激光辐射束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度。熔化导致变形。在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在闭合形式件和工件的其余部分之间打开了间隙。附图说明结合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方案，并且与以上给出的一般描述和以下给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。图1A和1B是局部剖视的侧视图，示意性地示出了用于实施本专利技术的分离和释放方法的激光切割设备的一个优选实施方案，该设备包括两个激光源，每个激光源均输送激光辐射束，激光辐射束被导向到要切割和分离的工件。图2A是截面侧视图，而图2B是示意性地示出通过平移脉冲激光辐射束而沿着切割线产生多个缺陷来制备用于本专利技术的分离和释放方法的工件的平面图。图2C是截面侧视图，而图2D是示意性地示出了制备后的图2A和图2B的工件的平面图，其中多个缺陷勾勒出工件内的闭合形式件。图3A是截面侧视图，而图3B是平面图，示意性地示出了将激光辐射束第一次施加到图2C和图2D的闭合形式件上，这在多个缺陷之间引发裂纹。图4A是截面侧视图，而图4B是示意性地示出了在图3A和图3B中暂停施加激光辐射束之后的工件的平面图，裂纹完全通过多个缺陷传播，以将闭合形式件与工件的其余部分分开。图5A是截面侧视图，而图5B是平面图，示意性地示出了将激光辐射束第二次施加到图4A和图4B的分离的闭合形式件上。图6A是截面侧视图，而图6B是平面图，示意性地示出在第二次施加图5A和图5B的激光辐射束之后冷却之后的工件，冷却在闭合形式件与工件的其余部分之间打开了足以释放工件的间隙。专利技术详述现在参考附图，其中相似的部件由相似的数字表示，图1A和1B示意性地示出了在现有技术的激光切割方法中使用的设备10，并且该设备10也在本专利技术的分离和释放方法中使用。在现有技术方法和当前方法中，由脆性材料制成的工件12都暴露在聚焦的脉冲激光辐射束14中。脉冲激光辐射束14的聚焦由会聚光线16A和16B指示，代表聚焦的激光辐射束的边界射线。脉冲激光辐射束14由脉冲激光辐射源18产生，并具有使脆性材料透明的波长。脉冲激光辐射束14是重复的单个激光脉冲(这里仅示出三个)或重复的激光脉冲串的束。每个脉冲或每个脉冲串在工件中产生缺陷20。如箭头所示，通过相对于脉冲激光辐射束14横向地平移工件12来产生缺陷20的阵列22。聚焦的光束描绘出切割线24，该切割线24遵循要从工件上切割的物品的轮廓。在此，为了便于说明，在横截面中描绘了这种物品的直截面。设备10进一步包括任选的光束转向光学器件26、任选的光束调节光学器件28和聚焦透镜30。图1A将光束转向光学器件26描绘为平面镜，其布置成拦截来自激光源18的脉冲激光辐射束14并将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件上分离和释放闭合形式件的方法，该方法包括：/n提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件；/n在第一持续时间内将激光辐射束施加到闭合形式件上，所述激光辐射束在缺陷之间引发裂纹；/n在裂纹在缺陷之间完全传播的同时，暂停施加激光辐射束；以及/n在第二持续时间内施加激光辐射束，所述激光辐射束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度，该熔化导致变形；/n其中在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在闭合形式件与工件的其余部分之间打开了间隙。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180726 US 62/703,8061.使用激光辐射束从由脆性材料制成的工件上分离和释放闭合形式件的方法，该方法包括：
提供沿着由激光加工产生的闭合形式件的轮廓具有多个缺陷的工件；
在第一持续时间内将激光辐射束施加到闭合形式件上，所述激光辐射束在缺陷之间引发裂纹；
在裂纹在缺陷之间完全传播的同时，暂停施加激光辐射束；以及
在第二持续时间内施加激光辐射束，所述激光辐射束将闭合形式件的至少一部分加热到高于脆性材料的熔化温度，该熔化导致变形；
其中在第二持续时间之后的冷却期间，变形的闭合形式件的收缩在闭合形式件与工件的其余部分之间打开了间隙。


2.根据权利要求1所述的分离和释放方法，其中，所述缺陷是由通过聚焦脉冲激光辐射束而形成的激光细丝产生的。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的分离和释放方法，其中，所述缺陷为空隙的形式。


4.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述激光辐射束由CO2激光器产生。


5.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述第一持续时间为至少0.1秒。


6.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述暂停步骤的持续时间为至少一秒。


7.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述第二持续时间为至少0.1秒。


8.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，在所述第一持续时间和所述第二持续时间期间，所述激光辐射束沿着所述闭合形式件内的辐射路径平移。


9.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述第二持续时间长于所述第一持续时间。


10.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，在所述第二持续时间期间比在所述第一持续时间期间施加更多的激光辐射能量。


11.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，在所述第二持续时间期间施加的激光辐射能量比在所述第一持续时间期间施加的激光辐射能量大大于或等于1.5的倍数。


12.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述闭合形式件的最大线性尺寸小于5毫米。


13.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，所述脆性材料是玻璃。


14.根据前述权利要求中任一项所述的分离和释放方法，其中，在打开所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·格罗宁格，M·沙迪，L·穆勒尔斯，J·塞宾，
申请(专利权)人：相干慕尼黑有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE