控制断裂激光切割厚的陶瓷基板技术Word格式文档下载.docx

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1.简介

Lambert[1]等最初开发的激光切割技术可以切断了玻璃或陶瓷结构。

在此过程中使用的激光起器有2个，其中第一个有一个波长，至少有50％的激光能量在0.2毫米的深沟裂纹的融化。

第二个激光束产生在裂纹尖端的热应力使材料分离可控。

这种方法是控制断裂激光切割和激光划片的方法的扩展，以前是由Garibotti[2]和Lumley[3]提出的。

切割厚度可大于5毫米玻璃体或陶瓷材料。

Garibotti提出的刻划晶圆的方法是用激光划线一种脆性材料，激光用于划晶圆沿所需的隔离线，然后是浸入在超声波细胞破碎沿超声波能量的刻线。

要集中照射在焦平面上放置工件上的窄行激光能量。

通过应用机械力使得刻划基板沿着划线发生破碎。

Lumley[3]的控制断裂脆激光切割脆性材料的方法具有很大的潜力。

他的发明只有一个单一的激光。

应用激光能量产生的机械应力，导致材料沿激光束路径分开。

该材料分离是类似的一个裂纹扩展和的断裂增长是可控的。

Lumley[3]成功地应用在氧化铝陶瓷基板和玻璃等脆性材料切割技术通过使用CO2激光。

所需的激光功率是比传统激光蒸发切割和激光划片少，切割速度高得多。

格罗夫等人[4]提出了相关的方法在较高切削速度控制断裂切割玻璃。

近年来，Kondratenko[5]和Unger和Wittenbecher[6]使用低功耗激光切割的玻璃有水做冷却液沿着切割路径。

这些改进的控制断裂的方法已被确认为它在未来有良好前景。

蔡和刘[7]提出了一种解释为什么物质的分离是通过使用一个单一的激光控制断裂技术可控。

他们提到切割过程可以分为三个阶段首先是启蒙阶段，由于试样的边缘拉应力的断裂发起。

二是稳定增长阶段，激光点附近的压力是高度压缩蠕变变形。

通过激光束后，将放宽压应力，然后诱导残余拉应力，使断裂增长从上表面，以降低基材表面的应力。

最后一个阶段是不稳定断裂，裂纹尖端附近的应力是一个完全通过厚度方向的拉应力，裂纹扩展不稳定。

控制断裂的现象，并原则通过使用一个单一的激光。

但该方法是非常受限制的的用于切割厚的基板。

举例来说，强度很高的的氧化铝基板，可被切割厚度约1毫米。

比较传统的蒸发法切割厚陶瓷基片，激光切割是更有效和更昂贵。

根据Black和Chua[9]，对于厚度为9.2毫米氧化铝陶瓷，切割速度不超过1毫米/秒和输出功率500瓦。

然而，高功率激光会诱使许多裂缝和倦怠的切割面，降低了表面质量。

然而，目前的法切割需要更少，激光功率，造成缺陷少。

Lambert等技术[1]，可以用来切割厚，陶瓷基板，由两个激光器的同步应用。

但原理和厚基板切割的现象和切割薄基板不同。

断裂机制尚未详细分析，并针对不同的切削条件下的现象尚未很好的研究此外，断裂是可控的机制尚未被了解。

在本文中，我们专注于厚的陶瓷基板切割控制断裂技术的断裂机制的调查我们还讨论了加工参数，如切割速度和试样尺寸温度和应力分布进行了分析的利用有限元软件ANSYS5.4。

2．激光切割的实验与控制断裂

2.1激光切割系统和标本

激光切割系统，如图1是由二氧化碳激光，ND：

YAG激光，XYZ定位表，和一台个人电脑整个工件的上表面激光束移动安装在一个平台上，可以移动的X，Y，和Z方向CO2激光和Nd：

YAG激光的波长，分别的10.6和1.06毫米。

激光的输出功率可同步XYZ定位表CO2激光和Nd的聚焦点最小直径：

YAG激光分别的73和32毫米。

图1激光切割系统的配置与控制断裂技术

本文所用的实验标本的和由京瓷公司（日本）生产的氧化铝（Al2O3）陶瓷基板氧化铝陶瓷基片的纯度为99.6％的密度3960kg/m3的，青年鈥檚模量400GPa时，8:

2106C1，导热系数为33.5W/M8C的热膨胀系数，和热扩散1:

06105平方米/秒。

原始尺寸的基板108毫米108毫米10毫米，101:

6101:

6毫米毫米2毫米，101:

6毫米毫米1毫米。

焦平面的Nd：

YAG激光器放置在基材表面激光束垂直的基材表面CO2激光焦平面放8毫米处，激光光斑直径约373毫米的距离上表面CO2激光束倾斜的Nd：

YAG激光束在158两束激光和同步应用在基板上，输出功率CW模式。

2.2对称切割的断裂扩展模型

沿正中平面切割一条直线对称的切削条件如图四件108毫米

108

毫米10毫米大小的基板氧化铝基板切割的照片2。

为了理解对称的切割机制控制断裂技术，沿着切割路径的分离表面进行了调查。

的虽然使用的激光切割氧化铝基板厚度为10毫米，激光束穿过距离的但不完全通过基板，然后停止切割和标本拿起试样的分离是类似沿切割路径的裂纹扩展，肉眼看不见的裂纹。

图2沿对称的直线切割的照片

为了区分不同断裂地区分离表面上，深色油墨画沿着切割路径的激光光斑的最后位置，和墨水渗透到分离表面然后被剥离试样破两片沿切割路径，深色油墨只对已分离的表面分离表面的照片显示在图的3，显示切割速度1和2毫米/秒，和50瓦的激光功率为CO2激光和Nd：

YAG激光器

图3分离表面沿切削速度切削路径

（一）1毫米/s和（B）2毫米/秒。

图片3，可分为三个区域：

（1）裂沟地区由于聚焦的Nd：

YAG激光（黑线），

（2）控制断裂地区的散焦的CO2激光（灰面），和（3）背面地区（白色表面）表面地区深处发现1切削速度约分别为0.63毫米/秒、0.43毫米/秒和2毫米/秒，有些激光热处理吸收融化的物质，从而减少了粘接强度，然后将物料巩固和诱导主短沟裂纹，紧跟激光光斑路径由于短沟裂纹扩展从上到下后已通过激光光斑的控制断裂地区。

这是显而易见的尖端前沿的传播裂纹速度始终是大于的激光光斑运动速度。

裂纹尖端的激光光斑之间距离分别为3.8厘米和2.3厘米而对应的切屑速度为1毫米/秒和2毫米/秒。

然而激光光斑的距离与切屑速度没有明显的关系。

这种现象与薄基板控制断裂技术不同，即激光光斑的距离与较高的切削速度没有关系。

最重要现象是断裂地区的高速切削整个厚度切割前完成。

在最后阶段基材部分分开并形成一种裂缝，诱发失稳断裂和裂纹地区分开。

失稳断裂的完成，一个响亮的声音可以听到表示切割实验结束。

2.3.断裂的不对称切割扩展模型

直线切割不仅沿着中位平面直线，而且还沿着切割曲线包括不对称切割。

在裂纹尖端的应力状态不是不对称切割。

如图直线切割的图片4A为108毫米

108毫米

10毫米的试样尺寸切割路径，沿试样的一部份。

据蔡和刘薄基板切割的研究[7]，如果压力不是对称的裂缝，断裂的实际轨迹将偏离所需的切割路径。

但在本实验切割厚基板，断裂的实际轨迹与上表面所需的切割路径一致的，底部表面上的偏差而严重。

因此，沿厚度方向的分离表面变得扭曲的表面这样做的原因，存在应力集中在最初的沟裂生产集中的Nd：

YAG激光，使裂纹扩展将按照初始裂纹。

由于在槽由于在槽裂纹尖端应力沿厚度方向纯模式，沿厚度槽裂纹扩展会偏离垂直线远离。

切割曲线的过程在几何不对称这种情况下，裂纹尖端的沟裂的将表现为混合模式应力状态和裂纹增长不会完全按照激光光斑的路径沿切削方向的断裂前的行为也将作为混合模式应力状态，使断裂的实际轨迹将偏离激光束的运动轨迹正弦曲线切割的图片见图4b中，显示断裂轨迹略有偏离所需的正弦曲线。

当使用控制断裂的激光切割技术切开一个直角，实际断裂轨迹将偏离所需的直角，成为一个圆形的角度这种偏差由于分离裂纹尖端的激光光斑的滞后。

当激光光斑在到达转折点，裂纹尖端还没有达到转折点在这瞬间，激光束以及裂纹尖端在垂直方向转动由于裂纹尖端还没有达到直角的转折点，实际断裂轨迹严重偏离所需的直角。

见图直角切割氧化铝基板的图片4c。

CO2激光功率53瓦，在Nd：

YAG激光功率63瓦，切割速度1毫米/秒转折点滞后距离为5毫米研究还发现，更高的切削速度会诱发更大的滞后距离此外，陶瓷碎片的有时会被诱导间断裂的实际轨迹和应用激光路径对于大多数情况下，沿路径的激光光斑的断裂弱于实际断裂轨迹曲线切割。

图4不对称裁剪的照片

（一）直线，

（二）曲线，（三）直角

2.4切割速度，激光功率和试样宽度

为了研究的切割速度，激光功率和试样宽度之间的关系，三种尺寸的氧化铝陶瓷基片的选择作为标本其尺寸是：

更广泛的样本108毫米

10毫米，中间标本54毫米

10毫米，和狭窄的标本27毫米

10毫米最大切割速度快，可达到没有关系的输出功率CO2激光，实验结果显示在图5。

Nd：

YAG激光功率是恒定在60和80瓦，它可以诱发槽裂纹的不断深入由此可以看出，如果试样宽度较窄，最大切割速度可以达到更高可以解释的现象在第4节分析的压力槽裂纹由Nd：

YAG激光，Nd：

YAG激光功率，使槽裂纹的深度，沟裂深度较大的可提供更高的的切削速度。

CO2激光功率与最大可达到切割速度切割基板厚度1毫米和2毫米之间的关系见图6。

实线表示为1毫米的厚度和35瓦的恒定的Nd：

YAG激光功率的情况下，虚线表示为2毫米厚度和45瓦恒定的Nd的情况的：

YAG激光功率。

YAG激光功率和强度很高的切割速度之间关系可达到不同的的基板尺寸见图7。

实线表示为1毫米厚度和15W的恒定的CO2激光功率的情况的虚线表示为2毫米厚度和37W恒定的CO2激光功率的情况的。

厚基板的切割控制断裂的原则是基于槽裂纹尖端的应力集中最大分离速度和恒定输出功率的CO2激光下的凹槽，裂纹深度之间的关系见图8。

对于更深的的凹槽，裂纹，最大切割速度可以达到更高。

槽裂纹产生聚焦的Nd：

YAG激光，使沟裂纹深度与输出功率的Nd：

2.5切割质量

激光切割控制断裂所产生的表面非常光滑，很少有缺陷。

算术平均表面粗糙度Ra的为2毫米。

对于激光切割条件包括60瓦的输出功率为CO2激光和Nd：

YAG激光，激光的移动速度是1毫米/秒。

表面蒸发材料远高于传统激光切割更好。

如图9打破表面的粗糙度轮廓。

图5CO2激光功率与最大切割速度不同的试样宽度不断的Nd：

YAG激光功率60瓦（实线）和80瓦（虚线）基板厚度为10毫米

图6CO2激光功率与最大切割速度不同的试样宽度实线表示为1毫米的厚度和35瓦的恒定的Nd：

YAG激光功率的情况下虚线表示为2毫米厚度和45瓦的恒定的Nd：

YAG激光功率的情况下

图7Nd：

YAG激光功率与不同的试样宽度最大切割速度实线表示为1毫米厚度和15W的恒定的CO2激光功率的情况下虚线表示为2毫米厚度和37W恒定的CO2激光功率的情况下

图8要求沟裂纹深度与切割速度为基板2毫米厚，108毫米宽CO2激光功率为37W。

图9断表面的粗糙度轮廓

3.断口表面的断纹

断口观察，氧化铝陶瓷基片切割与激光功率60瓦CO2激光和Nd：

YAG激光散焦的CO2激光光斑直径373毫米，集中的Nd：

YAG激光器是32毫米，切割速度是1毫米/秒。

沿着切割路径的断裂面的扫描电子显微镜照片如图10。

很明显，断裂面可以划分成四个区域，激光蒸发区，柱状晶区，沿晶断裂地区和穿晶断裂地区四个地区的深度分别约80，220，280和9420毫米。

显示在图11的是柱状晶区和沿晶断裂区域的放大图像。

空洞存在在两个地区之间的的交叉点。

高能激光的输出功率产生的高温，使材料蒸发形成空洞，是由于来不及逃的气氛形成的气泡蒸发。

这种现象是从不同的激光功率低切割薄的基板。

激光热处理应用激光基材表面后。

将蒸发的物质，并产生一个浅槽。

这是约80毫米深。

激光蒸发区域。

这个槽底相邻，材料融化，但不蒸发。

通过激光束后快速凝固。

随后在固态冷却的地方。

柱状晶生长从一个单独的核在熔融层和固体区域接口，停留方向与温度梯度方向平行。

在瞬间凝固主裂缝沿厚度方向在柱状晶界形成。

在截面上表面产生细微裂缝。

裂纹的深度是柱状晶在长度相等。

柱状晶区的相近，是沿晶断裂地区。

这个地区是遭受高温在但还没有达到熔点。

晶粒粘接强度在高温下减少。

各向异性热变形使裂纹沿晶界扩展。

最后的地区是穿晶断裂的地区，这是断纹表面在最大部分。

由于激光热处理有穿晶断裂地区在晶界上在亲情无法被摧毁晶粒粘结。

裂纹扩展渗透粮食。

穿晶断裂在不稳定骨折发生后，沿晶断裂。

有轻微裂缝尖端产生，如图11所示。

细微裂缝是由于重新凝固。

晶体各向异性，他们会从柱状晶区域扩展到沿晶断裂地区。

图10断裂氧化铝基板表面在SEM照片马克1激光蒸发区2柱状晶区，3晶断裂地区和4个是穿晶断裂

图11柱状晶区。

沿晶断裂区在SEM照片箭头指示的空隙。

细微裂缝分支

图12熔融槽在SEM照片箭头指示的细微裂缝分支

如图12熔化槽顶面的沟槽的形成是由于在Nd：

YAG激光。

熔化槽在宽度约为330毫米细微裂缝成长打破表面在边缘诱导凝固，过程中的开裂是热输入和切割速度在影响

4有限元分析

4.1。

基本假设

为了分析实际在断裂现象，有限元软件ANSYS5.4是用来解决温度是应力分布对于厚在基板，温度和应力场三维分布。

激光束穿过表面像在三维人体运动在一个点热源大部分集中的Nd：

YAG激光的能量会被吸收，形成沟裂是激光能量在一部分将体现出来。

然而，散焦在CO2激光能量被吸收的物质引起的热应力CO2激光能量不会融化的材料是将体现出它的一部分由于反射在激光能量是难以估量的，下面的结果将包含一个未知因素A。

该因素在一个代表总能量激光产生的热应力的激光能量在比例。

形成凹槽，裂纹在由于集中的Nd：

YAG激光涉及的相变这是不考虑这一分析因此在有限元分析计算在凹槽裂缝被认为是预先存在的由于激光功率少用可只限于应力分析的弹性变形如传热性能和力学性能的材料属性被假定为温度无关。

即使以下在结果在不能提供实际的应力的解决方案，结果仍然提供有价值的参考标本是坐标系统在配置如图13。

分离面位于xz平面是沿正x方向的激光移动。

4.2更广泛的基材

试样尺寸为108毫米

10毫米是厚度为10毫米CO2激光在输出功率为80瓦。

YAG激光为60W。

在时间t=0时两束激光在试样边缘应用（即x=y=0，Z=10毫米）然后以恒定的速度V的四分之一次方在X方向移动即1毫米/秒。

对于这种负载条件下的一个深度约1毫米的小槽裂纹是由Nd：

YAG激光诱导基材的分离比的激光光斑的移动，在这种落后的距离为4毫米的裂纹。

ANSYS5.4软件是用来计算t=0-30秒的时间间隔在切割过程中的瞬态温度是应力分布热源的输入功率是140W。

沿破裂面的压力SYY分布在z=8.5，8，6，4，0毫米为t=30秒如图14。

此时，在x=30毫米的激光束到达的是在x=26毫米，是分离的前沿强调SYY附近的分离边界（x=26-27毫米，Z=4-9毫米）强烈的拉伸强度和其他地区的应力压缩。

拉应力可能引起断裂，沿z方向的厚度是沟裂的边缘开始打破压应力可以使切割失稳断裂。

通过厚的基板，薄基板切割不同厚度的应用激光热处理会产生拉应力与控制断裂技术的薄基板的激光切割会诱发压应力，通过激光束后，将被释放的压应力诱发残余拉应力。

4.3中层基材

在本节中，最大切割速度和试样尺寸之间的关系进行了研究，使用中54毫米

10毫米大小的标本激光切割条件为上一节相同这些讲=8.5，8，6，4，0毫米为T=30秒，如图15SYY分布在z沿破裂面。

此时，在x=30毫米的激光束到达的是在x=26毫米，是分离的前沿强调SYY附近的分离前沿（x=2627:

5毫米，Z=9毫米）有强烈的拉伸是压缩上其他地区的应力。

边缘附近的压力是积极的是大于广泛标本的情况的中间试样的拉伸应力区域面积大于广泛标本这一结果可以解释为什么狭窄标本的切割速度比更广泛的更快。

5结论

控制断裂的激光切割技术成功地应用在切割厚的氧化铝基板两个重点的Nd激光束：

YAG激光是散焦CO2激光同步应用在基板上。

YAG激光用于隶凹槽裂缝在基材表面是CO2激光产生的热应力热槽裂纹尖端的应力集中将使其延长至基板，然后将基板沿激光束移动路径分隔可控。

对于狭窄的标本，10毫米厚，27毫米宽，最大切割速度可以达到3毫米/秒下60瓦的Nd：

YAG和44W的CO2激光输出试样的宽度的切割速度影响较大狭窄的标本可以达到的最高切割速度高于为更广泛的标本。

在槽裂纹边缘拉应力会诱发，使沟裂纹将沿厚度方向（z方向）的传播和基板将被分离在厚度方向的断裂增长是不稳定的，但断裂在横向扩展（x方向）是稳定的。

最重要的现象是断裂区域不会是统一的，整个厚度为高速切削的切削前完成。

基材部分分开，并形成不可见的裂纹是在最后阶段，在瞬间将单独诱发失稳断裂在断裂地区。