藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分為氧化鋁(Al2O3)，藍(lán)寶石材料具有高耐磨性、高硬度和優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、電絕緣性、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)異的物理、化學(xué)等特點，被廣泛應(yīng)用于高端智能手機、平板電腦、平板電視等電子顯示行業(yè)領(lǐng)域。由于藍(lán)寶石是硬脆性材料，傳統(tǒng)的機械加工存在易產(chǎn)生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷，又由于藍(lán)寶石化學(xué)穩(wěn)定性較好，使得傳統(tǒng)的化學(xué)加工方法對其難以加工。

而激光切割技術(shù)是一種高速度、高質(zhì)量的切割方法，對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，不僅具有加工速度快、切口質(zhì)量好并且可以對任意圖形進(jìn)行切割。QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量較好并且能量密度較大，對硬脆性材料切割相對于Nd∶YAG激光切割有明顯的優(yōu)勢，采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器結(jié)合保護(hù)氣體對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，熱影響區(qū)較小，在加工區(qū)域表面不會形成波紋，并且加工設(shè)備成本低，因此在藍(lán)寶石加工領(lǐng)域被廣泛采用。

切割藍(lán)寶石操作及注意事項

QCW切割藍(lán)寶石原理如圖1所示，激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡后通過聚焦鏡，最終在焦平面獲得聚焦光斑后作用于藍(lán)寶石表面實現(xiàn)切割；自動控制系統(tǒng)控制移動平臺能在X，Y方向移動。采用QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器切割光學(xué)級藍(lán)寶石基片，厚度為0.52mm、直徑為5mm。

應(yīng)用脈寬為0.15~0.18 ms、波長為1064 nm、光斑直徑為15μm、重復(fù)頻率為0~5 kHz、能量密度變化范圍為0~2.4 × 105J/cm2、切割速度變化范圍為0~50 mm/s。加工采用氮氣作為輔助氣體，噴嘴直徑為0.5-1 mm。

用于切割藍(lán)寶石基片材料的

150W QCW準(zhǔn)連續(xù)激光器

起刀線位置選擇

首先要在藍(lán)寶石切割軟件中將起刀線的位置設(shè)置好，我們通過改變角度Θ（起刀線與材料邊緣的角度）來改變起刀線的位置，如圖3所示。并觀察和分析起刀線位置對切割質(zhì)量的影響Θ。依次選取15°、30°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行試驗，起刀線的長度為0.3mm。起刀線的位置確定好后，再進(jìn)行試驗。

起刀線示意圖

當(dāng)激光剛照射到藍(lán)寶石材料表面時，將會發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割開始時的不利影響，在切割正式的圖形前添加的一段切割線，即起刀線，也稱為輔助線。起刀線的切入角度也是影響切割質(zhì)量的重要因素。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度為30°或90°時，濺射物長度基本消除。

切割結(jié)果及分析

使用氮氣作為輔助氣體，噴嘴直徑為0.5mm。切割藍(lán)寶石圓孔效果如下圖所示：

200倍顯微鏡觀察背面崩邊效果圖

200倍顯微鏡觀察正面崩邊效果圖

從最終的切割樣件照片可以看出：

1. 從顯微鏡上看切割后的藍(lán)寶石邊緣光滑、基本無掛渣、無毛刺；

2. 切割面幾乎無坡度，錐度在100以內(nèi)；

3. 藍(lán)寶石正面切割邊緣效果較好，崩邊尺寸的崩變量較背面崩邊尺寸小，背面崩邊量也控制在10μm以下。

注意事項

影響藍(lán)寶石崩邊量的一個很重要的因素為激光能量密度，激光能量密度越大，藍(lán)寶石背面的崩邊現(xiàn)象越明顯，崩邊尺寸越大，所以在保證藍(lán)寶石能被切穿的同時降低激光功率對藍(lán)寶石背面崩邊情況有一定改善，但是能量越小在背面存在的掛渣就越嚴(yán)重，且不易清除。若適當(dāng)增大激光能量可使得藍(lán)寶石背面熔融材料成為粉末狀，從而可以改變藍(lán)寶石背面切割效果。

影響藍(lán)寶石切割質(zhì)量的

幾個主要因素

要獲得較好的表面質(zhì)量等級，必須對激光功率、切割速度等工藝參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化處理。下面就說說影響藍(lán)寶石切割質(zhì)量的幾個主要因素。

（1）激光功率

激光能量是激光切割藍(lán)寶石基片過程中的主要能量來源，激光功率和切割速度決定了輸入到藍(lán)寶石基片上的能量，激光功率的大小會對切割產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數(shù)一定時，切口寬度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)一種線性正比關(guān)系。激光功率過小會出現(xiàn)切不透；增加功率，則切口寬度增加，端面粗糙度增大，激光切割時希望激光功率盡可能大，可以充分發(fā)揮激光器的功率優(yōu)勢，提高效率。

（2）切割速度

對給定的藍(lán)寶石材料和激光功率，切割速度一般符合于一個經(jīng)驗式，只要在閾值以上，材料的切割速度與激光功率成正比，即增加功率可以提高切割速度。對于切割藍(lán)寶石而言，在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下，激光切割速度可以有一個相對的調(diào)節(jié)范圍。

切割速度小，切口寬度大，切口粗糙度大；切割速度大，切口寬度和粗糙度小，超過最佳切割速度后粗糙度緩慢增加。切割速度過高，則切口刮渣較多或切不透；切割速度過低，則材料過燒，切口寬度和熱影響區(qū)較大。要提高切割質(zhì)量，當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時，要優(yōu)化切割速度。

（3）輔助氣體

輔助氣體除用于從切割區(qū)吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體外，對藍(lán)寶石材料，使用氮氣可以起到抑制切割區(qū)過度燃燒的作用。

激光切割對輔助氣體的基本要求是氣流量要大，以便有充足的氮氣與切口材料發(fā)生放熱反應(yīng)，并有足夠的動力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍(lán)寶石時，增加氣體壓力可以提高切割速度，防止切口背面產(chǎn)生掛渣。但壓力過大，切割面反而變得粗糙。在切割過程中，氮氣中含有的雜質(zhì)對切割質(zhì)量造成不良影響，因此氮氣的純度要高。