氧化铝陶瓷的双光路CO2激光加工装置及其方法与流程

本发明涉及一种氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置及其方法，属于激光加工技术领域。

背景技术：

目前，随着现代科技的飞速发展和进步，陶瓷基片应用也越来越广泛，与金属基片和树脂基片相比较，陶瓷基片作为电子器件衬底具有许多较突出的电绝缘性能、优异的高频特性、较好的导热率和较低的热膨胀率，较强的硬度与电子元件兼容、化学性能稳定等优点，所以未来陶瓷应用将会不可估量。而作为陶瓷种类中的氧化铝陶瓷基片是现在应用最为广泛的陶瓷之一，我国氧化铝基片的年需求量已经超过10⁷m²，并且每年以10～20％的幅度增长。同样伴随着电子产业的发展和进步，氧化铝基片的加工精度和加工效率也要求越来越高。传统的氧化铝基片加工方式很多，常用的有刻蚀法、金刚砂轮切割法、钢丝切割法以及金刚石切割法，对于以上传统的氧化铝基片的切割加工方法都存在各自的问题，例如切割缝大，切割精度不高、加工区材料的变质层大、容易对加工表面造成污染、加工表面易破碎生产成品合格率低，最大的问题是无法进行异型切割和钻孔。正是在这种情况下，激光应用于陶瓷基片加工技术渐渐的被人们所青睐，激光切割陶瓷技术具有非接触性、切缝小、切割速度快效果高、切割断面光滑、切割损伤区域小成品率高、加工精度高，并且极易实现数字化控制加工等一系列的优势。同时激光还可以实现对氧化铝基板的划线半切后裂片成倍的提高了氧化铝基片的加工效率。而作为激光加工必不可少的激光器类型很多，以加工成本低、激光束质量，材料对激光的高吸收率，以及适应产业化发展需求的标准来衡量，CO₂激光器作为热加工光源仍然是陶瓷激光加工的最主要选择。氧化铝陶瓷基板对于10.6μm波长的CO₂激光吸收率非常高，可以达到80％以上。

目前国内常规CO₂激光陶瓷加工装置都是单光束，只能实现单工位加工，加工装置的加工效率有待进一步提高以满足量产的需求，激光切割头无保护镜片容易造成聚焦镜片的污染损坏，变相增加了生产成本，切割头安装的喷嘴无法进行水平位置调节，很难调试出良好的加工效果。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置及其方法，旨在提高氧化铝陶瓷基片的加工效率，降低氧化铝基板加工成本，同时改善氧化铝基片切割和划片工艺效果，提高氧化铝陶瓷基片的加工品质。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，特点是：包含光路结构相同的两套光路系统，每套光路系统均包含射频CO₂激光器、圆偏振器、扩束镜、激光切割头以及三只反射镜，所述射频CO₂激光器的光路输出端布置圆偏振器，圆偏振器的输出光路上依次布置有反射镜、扩束镜、反射镜、反射镜以及激光切割头，激光切割头的光路输出端正对于待加工工件的表面；所述激光切割头内设有CO₂激光聚焦镜片，CO₂激光聚焦镜片下方安装有保护镜片，激光切割头的下部通过位置调节机构安装有喷嘴，可通过调节位置调节机构调整喷嘴的前后左右位置。

进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，其中，所述喷嘴的两侧设有进气接口。

更进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，其中，所述进气接口连接辅助吹气装置。

更进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，其中，所述位置调节机构上设有四个调节旋钮。

更进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，其中，所述光路系统的单边光路设计长度为150cm～200cm。

更进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，其中，所述扩束镜距离射频CO₂激光器出口的距离为20cm～50cm。

本发明氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工方法，每一套光路系统的射频CO₂激光器发出激光，通过圆偏振器将线偏振光转换为圆偏振光，继而经反射镜入射到扩束镜，扩束镜对激光进行准直和扩束，改善激光的准直度，使发射的光束直径加大；再经过反射镜入射到激光切割头，激光切割头内的CO₂激光聚焦镜片使光束汇聚聚焦到待加工的氮化铝陶瓷表面，以瞬间融化材料进行加工；可通过调节位置调节机构调整激光切割头下方喷嘴的前后左右位置，喷嘴通过辅助吹气将激光高温熔融气化氧化铝陶瓷后形成的熔渣从盲孔中全部吹出。

再进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工方法，其中，所述射频CO₂激光器发射出10.6μm波段的激光。

再进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工方法，其中，所述喷嘴两侧进气接口的气压为0.5MPa～1MPa。

再进一步地，上述的氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工方法，其中，所述光路系统的单边光路设计长度为150cm～200cm，扩束镜距离射频CO₂激光器出口的距离为20cm～50cm。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①双光路的设计结构相同，光学器件安装对称，加工两片氧化铝陶瓷基板是加工的基板的厚度及加工图形都相同，加工时双光路加工步调完全一致，可以实现加工效果完全一样，实现陶瓷基板的切割钻孔和划片；显著提高了氧化铝陶瓷基板的加工效率，同时改善氧化铝陶瓷基板的切割和划片效果；

②采用圆偏振器，圆偏振光的偏振面总是变化的，不会出现切割方向的变化导致的切割效果的不同，圆偏振器将线偏振光转换为圆偏振光，最终实现X轴和Y轴方向的切割和划片效果一致；

③合理的单边光路光程和扩束镜安装位置，达到最佳激光聚焦光斑效果，准直改善激光的准直度，扩束使激光器发射的光束直径加大，合理的设计使激光对氧化铝陶瓷基片的切割和划片的优良效果；

④将喷嘴设计成位置可调节可以方便快速的调试出优良的氧化铝基片的加工效果，调节好相对位置可以使得划片后激光高温熔融气化氧化铝陶瓷基片后形成的熔渣通过辅助吹气全部吹出盲孔，形成划片的外观孔径清晰均匀无堵孔现象，划片裂片断面外观光滑无发黑现象；

⑤双光路加工步调完全一致最终完成相同的加工工艺效果，从而使加工效率提高一倍以上。

附图说明

图1：本发明的光路结构示意图；

图2：激光切割头的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明具体实施方案。

如图1所示，氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工装置，包含光路结构相同的两套光路系统，第一套光路系统均包含第一射频CO₂激光器11、第一圆偏振器12、第一扩束镜14、第一激光切割头17以及第一反射镜13、第二反射镜15、第三反射镜16，第二套光路系统均包含第二射频CO₂激光器21、第二圆偏振器22、第二扩束镜24、第二激光切割头27以及第四反射镜23、第五反射镜25、第六反射镜26。

第一射频CO₂激光器11的光路输出端布置第一圆偏振器12，第一圆偏振器12的输出光路上依次布置有第一反射镜13、第一扩束镜14、第二反射镜15、第三反射镜16以及第一激光切割头17，第一激光切割头17的光路输出端正对于待加工工件18的表面。

第二射频CO₂激光器21的光路输出端布置第二圆偏振器22，第二圆偏振器22的输出光路上依次布置有第四反射镜23、第二扩束镜24、第五反射镜25、第六反射镜26以及第二激光切割头27，第二激光切割头27的光路输出端正对于待加工工件18的表面。

如图2所示，激光切割头内设有CO₂激光聚焦镜片101，CO₂激光聚焦镜片101下方安装有保护镜片102，激光切割头的下部通过位置调节机构103安装有喷嘴105，可通过调节位置调节机构103调整喷嘴105的前后左右位置。喷嘴105的两侧设有进气接口104，进气接口104连接辅助吹气装置，位置调节机构103上设有四个调节旋钮。

射频CO₂激光器发射出的10.6μm波段的激光是属于线偏振光，而激光偏振平面方向与切割方向平行和垂直时会出现不同的切割效果，本发明采用圆偏振器将CO2激光发射出的线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光的偏振面总是变化的，不会出现切割方向的变化导致的切割效果的不同，因此CO₂激光通过圆偏振器可以将线偏振光转换为圆偏振光，最终实现X轴和Y轴方向的切割和划片效果一致。

光路系统的单边光路设计长度为150cm～200cm，扩束镜距离射频CO₂激光器出口的距离为20cm～50cm。单边光路的光程长度非常关键，会影响整体光学系统的激光聚焦光斑效果，同样激光扩束镜安装位置也有讲究，不同的安装位置会有不同的激光聚焦光斑效果。扩束镜是实现对激光器发射的激光进行准直和扩束，准直是二次改善激光的准直度，扩束是将激光器发射的光束直径加大，激光光束经过准直扩束和聚焦后可以得到良好的激光光斑质量，上述合理的设计才能得到激光对氧化铝陶瓷基片的切割和划片的优良效果。

激光切割头内安装有CO₂激光聚焦镜片101，CO₂激光聚焦镜片101下方安装有保护镜片102，在陶瓷切割和划片过程中会产生大量的粉尘，特别是对于连续批量生产加工，加工氧化铝陶瓷基片的粉尘会容易污染CO₂激光聚焦镜片101，保护镜片102对聚焦镜片起到保护作用，延长了聚焦镜片的使用寿命，变相降低了加工成本。

喷嘴可以通过四个调节旋钮调节其前后左右位置。将喷嘴设计成位置可调节可以方便快速的调试出优良的氧化铝基片的加工效果。特别是对于划片半切加工工艺，划片是激光作用到氧化铝陶瓷基板上面形成一条直线盲孔，盲孔直径60μm～70μm，孔间距在0.1mm～0.15mm，喷嘴口径为2mm～3mm，激光聚焦后在喷嘴口处与喷嘴口中心的相对位置会影响划片的效果，调节好相对位置可以使得划片后激光高温熔融气化氧化铝陶瓷基片后形成的熔渣通过辅助吹气(氧气或氮气)全部吹出盲孔，形成划片的外观孔径清晰均匀无堵孔现象，划片裂片断面外观光滑无发黑现象。如果调节不适当，划片外观容易造成堵孔，裂片后断面粗糙发黑影响加工品质。

喷嘴的左右两侧对称设计有两进气接口(进气端气压为0.5MPa～1MPa)，氧化铝陶瓷基片在切割或划片的过程中需要提供辅助吹气，对称两个进气口的设计使得喷嘴内部的气流更为均匀平衡的通过喷嘴喷出作用到氧化铝陶瓷基板上，从而实现更优良的切割划片加工效果。

通过同一套控制系统同时控制整个双光路系统，实现加工两片氧化铝陶瓷基板，切割加工图形可以是直线或异型切割，包括不同尺寸的圆孔(孔径大于0.15mm)钻孔，加工相同的图形和相同厚度和尺寸的氧化铝陶瓷基片，加工时双光路加工步调完全一致最终完成相同的加工工艺效果，从而使加工效率提高一倍以上。

氧化铝陶瓷的双光路CO₂激光加工工艺为：每一套光路系统的射频CO₂激光器发射出10.6μm波段的激光，如，第一射频CO₂激光器11通过第一圆偏振器12将线偏振光转换为圆偏振光，继而经第一反射镜13入射到第一扩束镜14，第一扩束镜14对激光进行准直和扩束，改善激光的准直度，使发射的光束直径加大；再经过第二反射镜15和第三反射镜16入射到第一激光切割头17，第一激光切割头17内的CO₂激光聚焦镜片101使光束汇聚聚焦到待加工的氮化铝陶瓷表面，以瞬间融化材料进行加工；可通过调节位置调节机构103调整激光切割头下方喷嘴105的前后左右位置，喷嘴105通过辅助吹气将激光高温熔融气化氧化铝陶瓷后形成的熔渣从盲孔中全部吹出，喷嘴105两侧进气接口104的气压为0.5MPa～1MPa。光路系统的单边光路设计长度为150cm～200cm，扩束镜距离射频CO₂激光器出口的距离为20cm～50cm。

双光路的设计结构相同，光学器件安装对称，加工两片氧化铝陶瓷基板是加工的基板的厚度及加工图形都相同，加工时双光路加工步调完全一致，可以实现加工效果完全一样。实现陶瓷基板的切割钻孔和划片。较传统的单光路装置，显著提高了氧化铝陶瓷基板的加工效率，同时改善氧化铝陶瓷基板的切割和划片效果。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。