一种用于透明材料三维轮廓加工的方法与流程

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种用于透明材料三维轮廓加工的方法。

背景技术：

随着电子产品的迅猛发展，尤其是智能手机、平板电脑等都在朝着体积更薄、重量更轻的方向发展。这些电子产品都离不开玻璃薄板，目前，电子产品上的玻璃薄板的厚度已经由原来的1.1mm降低至0.6-0.7mm，手机屏幕的玻璃薄板已经降低至0.3mm甚至更低。厚度越薄的玻璃薄板对作用力越敏感，越容易受冲击后发生脆断，这无疑增加了加工的难度。硅作为重要的衬底材料被广泛应用于led行业，虽然它有导热性好、稳定性高的特点，但其脆硬的特性也给加工带来了不小的难度。

现有的玻璃、硅的加工方法主要是机械方法，机械方法是采用硬质合金和金刚石刀具对玻璃、硅进行磨削加工。然而，这种机械方法存在诸多问题，例如玻璃材料的去除会导致碎屑及微裂纹并需要增加清洗工序，最大问题是玻璃产品稳定性不好，良品率不高。又例如利用金刚石刀具切割硅片，一方面刀具损坏更换成本高，另一方面加工碎屑及机械加工残余应力，产品品质不如激光加工。

激光切割透明脆性材料有多种机理，主要机理可以分为以下几种：常规连续和纳秒脉冲激光熔化切割分离机理，激光隐形切割(或叫做内部改性切割)分离机理，激光热应力切割(或叫做热裂法切割、裂纹控制法切割)分离机理，超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离机理。针对的透明脆性材料主要包括各种性能的玻璃，光学晶体材料和蓝宝石材料以及硅晶材料等。如公开号cn105948476a的中国专利于2016年9月21日公开了一种利用激光实现玻璃倒边的方法，采用超短脉冲激光烧蚀切割分离机理，通过激光束与振镜扫描相配合实现材料去除。

对于激光隐形切割(或叫做内部改性切割)分离，需要对激光加工后的材料进行分离，现有的分离大部分都是利用局部加热冷却方式，例如，利用激光脉冲对轮廓线部分进行局部加热，然后对加热部位喷射冷却流体进行冷却，使加工件与废料分离。这种分离方式适用于轨迹比较简单的加工轮廓，但对于轨迹更复杂的三维轮廓，由于其对分离裂片的要求更高，采用传统的局部分离方式达不到分离效果，不能保证分离时沿着三维轮廓裂开，容易出现有裂纹存在而加工材料并未分离的现象，需要借助其他手段实现分离。因此，如何解决透明材料三维轮廓成型过程中容易产生崩边、微裂纹等损伤，提高透明材料产品稳定性和良品率，成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于透明材料三维轮廓加工的方法，以解决透明材料三维轮廓成型过程中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

根据本说明书一个实施例或多个实施例的一方面，提供一种用于透明材料三维轮廓加工的方法，包括：

使激光束聚焦于透明材料的下表面，所述激光束具有超短脉冲宽度；

调整z轴高度，配合设计好的加工轨迹，使激光束从透明材料的下表面往上表面逐层加工，根据不同加工深度调整激光加工能量，在透明材料上形成三维轮廓；

对形成的三维轮廓进行“冷热法”成型处理，进一步包括：

将激光加工后的透明材料整体放入加热炉中，加热到预定温度，保温第一预定时间后停止加热；

将加热后的透明材料整体放置于空气中持续第二预定时间；

将放置第二预定时间后的透明材料整体放置于水中冷却第三预定时间；

将冷却第三预定时间后的透明材料的三维轮廓与废料分离。

上述技术方案中，激光束针对整个透明材料按照预先设定的路径进行加工，根据不同加工深度连续式调整激光加工能量，通过改变z轴高度和其对应的加工轨迹，形成透明材料三维轮廓；透明材料三维轮廓形成后，再利用“冷热法”进行成型处理，使透明材料三维轮廓与废料分离而最终成型；本发明通过激光束作用于整个透明材料厚度方向，利用超短脉冲宽度实现对透明材料的改质，通过特有的处理方法进行透明材料成型分离，以获得无裂纹无损伤的工件，避免了细小碎屑的产生，提高了产品良率。

上述技术方案中，对激光加工后透明材料进行整体的冷热法处理，通过限定加热和冷却的组合顺序、加热和冷却的具体参数，实现透明材料三维轮廓与废料的有效分离，避免透明材料三维轮廓成型过程中产生崩边、微裂纹等损伤。本发明通过对加热和冷却的组合顺序、加热和冷却的具体参数的限定，可以避免透明材料整体因为热胀冷缩太剧烈产生三维轮廓外的裂纹，或者因为热胀冷缩太平缓导致材料无法分离，从而保证透明材料沿着三维轮廓分离且不产生崩边、微裂纹等损伤。

作为进一步的技术方案，通过设置激光切割速度、激光点间距、激光单脉冲大小来控制三维轮廓每层加工深度，根据加工深度调整激光加工能量，同时配合每层对应的加工轨迹，形成一定形状的三维轮廓；三维轮廓的加工过程采用单点激光与z轴配合加工，或者采用分段加工。

进一步地，所述激光束对透明材料进行从下表面到上表面逐层激光改质，每层的改质轨迹可根据其z轴高度和三维轮廓尺寸确定，从而形成特定三维轮廓形状。

进一步地，所述透明材料包括玻璃、蓝宝石、硅片。

进一步地，本发明采用具有pso功能的xy直线电机作为驱动，带动透明材料移动，利用pso技术在加工三维轮廓图形时，能够有效保证直线与圆弧激光作用的点与点之间的绝对均匀性，从而保证直线与圆弧加工效果的一致性。

进一步地，采用分段加工方式进行加工，将加工轨迹中的单次加工轨迹分成多段进行加工，可以大大提高加工效率。如单次加工轨迹需要通过十几个点完成加工，但是采用分段加工方式，可将该单次加工轨迹划分成2段或3段进行加工，提高加工效率。采用分段加工时，针对直线部分，可以从10-20次加工缩短到2-3次加工完成，提高三维轮廓整体加工效率。

作为进一步的技术方案，所述第一预定时间为1min-2min；所述第二预定时间为3s-5s；所述第三预定时间为5s-10s；所述预定温度为160℃-200℃。将透明材料整体放到加热炉中进行加热，其加热温度及加热时间的限定是以不破坏材料内部结构为前提，目的是使激光加工区域发生一定膨胀。通过加热温度、加热时间、空气中放置时间和冷却时间的相互配合，保证了材料可以沿着三维轮廓分离且不产生崩边、微裂纹等损伤。

作为优选技术方案，所述“冷热法”是把激光加工后的透明材料放到加热炉中，加热到预先设置好的温度160℃，保温1min-2min后停止加热，把透明材料置于空气中3s-5s后，将透明材料放置h2o冷却5s-10s（h2o置于常温），最后把透明材料从h2o中取出，透明材料三维轮廓与废料分离（亦可借助机械外力分离）。

进一步地，激光加工后的透明材料在加热炉中的加热温度最佳是160℃，从160℃到200℃，其分离效果是逐渐劣化的；当超过200℃时，透明材料经受的热胀冷缩过程太剧烈，产生裂纹较多，不能保证沿着三维轮廓分离，分离效果不可接受；当低于160℃时，透明材料经受的热胀冷缩过程太平缓，导致材料无法分离。

作为进一步的技术方案，采用“泡酸法”对形成的三维轮廓进行成型处理，包括：

将激光加工后的透明材料整体放入酸中进行腐蚀，根据透明材料腐蚀深度设置泡酸时间；

在透明材料的三维轮廓与废料之间形成明显沟槽后，取出透明材料；

将透明材料放入清洗机中进行超声清洗；

超声清洗完成后，透明材料三维轮廓与废料分离。

上述技术方案中，使用特定浓度配比的酸进行透明材料的整体腐蚀，所述特定浓度配比的酸包括质量分数25%hf或hf：hno3：h2o=1：1：100或hf：hno3：h2o=1:3:4。

作为进一步的技术方案，所述激光束的波长范围为400nm-2500nm；所述激光束的脉冲宽度范围为100fs-10ps；所述激光束的单点能量范围为5uj-10uj。

具体地，1550nm-2500nm波长是针对硅片的加工波段，532nm-1064nm是针对玻璃和蓝宝石的加工波段。

作为进一步的技术方案，所述透明材料的厚度范围为0.2mm-1.1mm。透明材料上不同加工深度对应的激光加工能量连续可调。

作为进一步的技术方案，建立透明材料不同厚度与激光加工能量之间的对应关系，根据所述对应关系针对不同的加工深度进行激光加工能量的连续调整，使得在透明材料厚度范围内激光聚焦的整体能量集中度趋于一致。因为加工深度不同时，存在物镜相差问题，影响激光加工能量的有效利用，所以建立不同材料厚度与激光加工能量之间的对应关系，基于该对应关系，针对不同的加工深度进行连续的能量调整，保证整个透明材料厚度方向上的加工效果一致性。

作为进一步的技术方案，所述激光束的聚焦光斑的直径范围为1um-5um，根据聚焦光斑大小，xy轴的偏移距离δx、δy是对应聚焦光斑的1.5倍-2.5倍，z轴移动距离δz是对应聚焦光斑的2倍-8倍。聚焦光斑越小，能量密度越高，对透明材料加工带来的热影响越小，加工后的产品强度越高。

具体地，可通过设置不同的偏移距离实现不同三维轮廓形状的加工。

进一步地，选用聚焦物镜f为4mm-50mm。聚焦物镜的聚焦光斑小，可以实现透明材料的改质，对加工材料的损伤小，加工后成品的强度高。

根据本说明书一个实施例或多个实施例的另一方面，提供一种用于透明材料三维轮廓加工的系统，采用所述的方法实现，所述系统包括激光器、扩束准直镜、显微物镜、z轴升降台、xy直线电机和控制系统，其中，所述激光器的输出端连接扩束准直镜的输入端，所述扩束准直镜的输出端连接显微物镜的输入端，所述显微物镜的输出端对准透明材料工件，所述透明材料工件置于xy直线电机上方且与xy直线电机同步运动；所述显微物镜与z轴升降台连接；所述控制系统分别与激光器、xy直线电机和z轴升降台连接。

上述技术方案中，利用超短脉冲宽度的激光对透明材料进行从下表面到上表面逐层激光改质，每层的改质轨迹可根据其z轴高度和三维轮廓尺寸确定，从而形成特定三维轮廓形状。

所述透明材料包括玻璃、蓝宝石、硅片。

所述xy直线电机和z轴升降台的电机精度均在5um以内，并且xy直线电机自带pso功能，确保激光加工直线和圆弧的效果一致性。

所述激光束的波长范围为400nm-2500nm；所述激光束的脉冲宽度范围为100fs-10ps；所述激光束的单点能量范围为5uj-10uj。

所述透明材料的厚度范围为0.2mm-1.1mm。透明材料上不同加工深度对应的激光加工能量可调。

激光束聚焦于透明材料厚度方向的任意位置，选用聚焦物镜f为4mm-50mm，所述激光束的聚焦光斑的直径范围为1um-5um，根据聚焦光斑大小，xy轴的偏移距离δx、δy是对应聚焦光斑的1.5倍-2.5倍，z轴移动距离δz是对应聚焦光斑的2倍-8倍。聚焦光斑越小，能量密度越高，对透明材料加工带来的热影响越小，加工后的产品强度越高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）本发明通过超短脉冲宽度的激光束对整个透明材料按照预先设定的路径进行加工，对不同的加工深度进行连续式激光加工能量调整，通过改变z轴高度和其对应的加工轨迹，形成具有一定形状的透明材料三维轮廓；透明材料三维轮廓形成后，再利用“冷热法”或“泡酸法”进行成型处理，使透明材料三维轮廓与废料分离而最终成型；本发明通过激光束作用于整个透明材料厚度方向，利用超短脉冲宽度实现对透明材料的改质，通过特有的处理方法进行透明材料成型分离，以获得无裂纹无损伤的工件，避免了细小碎屑的产生，提高了透明材料产品稳定性及产品良率。

（2）本发明采用“冷热法”对激光加工后的透明材料整体进行成型分离，通过对加热和冷却的组合顺序、加热和冷却的具体参数的限定，避免透明材料整体因为热胀冷缩太剧烈产生三维轮廓外的裂纹，或者因为热胀冷缩太平缓导致材料无法分离，保证透明材料沿着三维轮廓分离且不产生崩边、微裂纹等损伤，提高了产品良率。

（3）本发明通过建立透明材料不同厚度与激光加工能量之间的对应关系，根据所述对应关系针对不同的加工深度进行激光加工能量的连续调整，使得在透明材料厚度范围内激光聚焦的整体能量集中度趋于一致；针对不同的加工深度，能够有针对性的进行连续式能量调整，保证整个透明材料厚度方向上的加工效果一致性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的透明材料厚度与激光加工能量之间的对应关系图。

图2为根据本发明实施例的透明材料三维轮廓加工方法的系统框架图。

图3为根据本发明实施例的硅片三维轮廓加工的加工轨迹示意图。

图4为根据本发明实施例的硅片“冷热法”分离示意图。

图5为根据本发明实施例1的硅片“冷热法”分离效果示意图。

图6为根据本发明对比例1的硅片“冷热法”分离效果示意图。

图7为根据本发明对比例2的硅片“冷热法”分离效果示意图。

图8为根据本发明对比例3的硅片“冷热法”分离效果示意图。

图9为根据本发明实施例的玻璃三维轮廓加工的加工轨迹示意图。

图10为根据本发明实施例的玻璃“泡酸法”分离示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

本发明提供一种用于透明材料三维轮廓加工的方法，包括：使激光束聚焦于透明材料的下表面，所述激光束具有超短脉冲宽度；调整z轴高度，配合设计好的加工轨迹，使激光束从透明材料的下表面往上表面逐层加工，根据不同加工深度调整激光加工能量，在透明材料上形成三维轮廓；对形成的三维轮廓进行成型处理。本发明通过激光束作用于整个透明材料厚度方向，利用超短脉冲宽度实现对透明材料的改质，通过特有的处理方法进行透明材料成型分离，以获得无裂纹无损伤的工件，避免了细小碎屑的产生，提高了产品良率。

本发明建立了透明材料不同厚度与激光加工能量之间的对应关系，基于所述对应关系，可以根据不同加工深度进行连续式激光加工能量调整，使得在透明材料厚度范围内激光聚焦的整体能量集中度趋于一致，保证整个透明材料厚度方向上的加工效果一致性。

本发明所使用的透明材料的厚度范围为0.2mm-1.1mm。为了保证整个透明材料厚度方向上的加工效果一致性，需要使整个1.1mm厚度范围内的整体能量集中度趋于一致。本发明基于不同厚度及其对应的归一化能量集中度，建立0~1.1mm范围内不同材料厚度与激光加工能量的能量集中度之间的对应关系。请参阅图1，图1给出了不同镜头数值孔径下透明材料厚度与激光加工能量的归一化能量集中度之间的对应关系，其中，曲线的横坐标是玻璃厚度tc，纵坐标是归一化的能量集中度j，曲线代表了在玻璃内部，不同加工深度位置进行加工所需要的能量集中度的理论归一化值，沿着光轴的方向，达到材料内部的时候厚度越厚，加工深度越深，激光聚焦的能量集中度越低，加工的时候需要的能量就越高。同时在不同的镜头的数值孔径（na）下，激光在相同厚度的材料内部的能量集中度也是不同的，na越大，能量集中度越低；在相同的na下，在不同的材料厚度中的能量集中度也不同，na越小，能量集中度越高，实际加工的时候需要的能量越低。图1中，不同数值孔径下，激光加工能量在整个1.1mm厚度范围内的整体能量集中度趋于一致：

na=0.3时，j（glass）0-j（glass）1.1=0.052,

na=0.4时，j（glass）0-j（glass）1.1=0.467,

na=0.5时，j（glass）0-j（glass）1.1=0.835,

na=0.6时，j（glass）0-j（glass）1.1=0.932。

实际加工时，能量集中度越高，越能保证在整个1.1mm厚度范围内的整体能量集中度趋于一致。本领域技术人员可参照图1的对应关系，选取物镜镜头的数值孔径，并基于该对应关系对不同加工深度的激光加工能量进行适应性的连续调整。

图1中，归一化的能量集中度j计算如下所示：

其中，以及是光学系统参考球面点的极坐标,为光学系统像方焦距，s0为纵向离焦值，为视场角最大值，n为材料折射率，tc为材料的中心厚度，h为刚入射到材料的半直径，s1为三阶球差系数，s2为三阶彗差系数，s3为子午场曲，s4为弧矢场曲，k为波矢量，w为波像差，na为光学系统数值孔径，f为光学系统的f数，a00为常数。

实施例1

请同时参照图2和图3、图4，本实施例提供一种硅片三维轮廓加工的方法，所述透明材料工件6选用硅片，所述方法包括以下步骤：采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒，激光波长1550nm的激光器1；激光器1产生的聚焦激光束5从硅片的下表面到上表面进行逐层激光改质，改质焦点位置由高精度z轴升降台4带动显微物镜3实现，不同焦点位置对应的运动轨迹由控制系统8计算生成，并通过控制xy直线电机7实现；通过设置激光切割速度、pso激光点间距、激光单脉冲大小来控制硅片三维轮廓9上s1到sn每层加工深度，同时配合每层对应的轨迹从而形成一定形状的三维轮廓。最后把形成三维轮廓硅片利用“冷热法”，产生冷热分离区12，机械外力作用下使得成品10与废料11彻底分离。

具体到本实施例，如图3、4所示，硅片厚度0.5mm：

a.先利用高精度z轴4把激光束5聚焦到硅片下表面；

b.利用控制系统8计算出s1-sn层每层的加工高度和对应的加工轨迹；

c.切割速度100mm/s、pso点间距1um、单脉冲能量5uj-10uj（单脉冲能量可根据实际工艺效果调整）、控制系统8通过控制高精度z轴升降台4和直线电机7完成s1-sn层的激光改质，最后形成图3所示硅片三维轮廓9；

d.利用“冷热法”对硅片三维轮廓9进行处理，如图4所示，产生冷热分离区12，机械外力作用下使得成品10与废料11彻底分离。

本实施例中，所述“冷热法”是把激光加工后的透明材料放到加热炉中，加热到预先设置好的温度160℃，保温1min-2min后停止加热，把透明材料置于空气中3s-5s后，将透明材料放置h2o冷却5s-10s（h2o置于常温），最后把透明材料从h2o中取出，透明材料三维轮廓与废料分离，分离效果如图5所示。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，区别在于“冷热法”处理时的加热温度和加热时间不同：激光加工后的透明材料整体放到加热炉中，加热到210℃，然后保温30s-50s后停止加热，把透明材料置于空气中3s-5s后，将透明材料放置h2o冷却5s-10s（h2o置于常温），最后把透明材料从h2o中取出，透明材料三维轮廓与废料分离。从图6中可以看出，此时透明材料三维轮廓附近裂纹较多，已不能保证分离时沿着三维轮廓裂开，分离后产品的稳定性和良品率较低。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，区别在于“冷热法”处理时的加热温度和加热时间不同：激光加工后的透明材料整体放到加热炉中，加热到150℃，然后保温3min-4min后停止加热，把透明材料置于空气中3s-5s后，将透明材料放置h2o冷却5s-10s（h2o置于常温），最后把透明材料从h2o中取出，借助机械外力使透明材料三维轮廓与废料分离。从图7中可以看出，此时透明材料三维轮廓附近存在毛刺现象，会导致虽有裂纹存在但加工材料并不能分离的问题，产品的稳定性和良品率较低。

对比例3

对比例3与实施例1基本相同，区别在于：激光加工后的透明材料整体放到加热炉中，加热到160℃，然后保温1min-2min后停止加热，把透明材料置于冷却空气中冷却15s-20s后，借助机械外力使透明材料三维轮廓与废料分离。从图8中可以看出，此时透明材料非正常裂开，崩边严重，已不能保证分离效果。

实施例2

请同时参照图2和图9、图10，本实施例提供一种玻璃三维轮廓加工的方法，所述透明材料工件6选用玻璃，所述方法包括以下步骤：采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒，激光波长1030-1080nm的激光器1；激光器1产生的聚焦激光束5从玻璃的下表面到上表面进行逐层激光改质，改质焦点位置由高精度z轴升降台4带动显微物镜3实现，不同焦点位置对应的运动轨迹由控制系统8计算生成，并通过控制xy直线电机7实现；通过设置激光切割速度、pso激光点间距、激光单脉冲大小来控制激光改质轨迹13上g1到gn每层加工深度，同时配合每层对应的轨迹从而形成一定形状的三维轮廓。最后把形成三维轮廓玻璃利用“泡酸法”，产生腐蚀沟槽16，经清洗机超声清洗后，使得成品14与废料15彻底分离。

具体到本实施例，如图9、10所示，玻璃厚度0.8mm：

e.先利用高精度z轴4把激光束5聚焦到玻璃下表面；

f.利用控制系统8计算出g1-gn层每层的加工高度和对应的加工轨迹；

g.切割速度200mm/s、pso点间距2-3um、单脉冲能量5uj-10uj（单脉冲能量可根据实际工艺效果调整）、控制系统8通过控制高精度z轴4和直线电机7完成g1-gn层的激光改质，最后形成图9所示玻璃三维轮廓13；

h.利用“泡酸法”对玻璃三维轮廓13进行处理，如图10所示，产生腐蚀沟槽16，经清洗机超声清洗后，成品14与废料15彻底分离。

本发明通过超短脉冲宽度的激光束对整个透明材料按照预先设定的路径进行加工，对不同的加工深度进行连续式激光加工能量调整，通过改变z轴高度和其对应的加工轨迹，形成具有一定形状的透明材料三维轮廓；透明材料三维轮廓形成后，再利用“冷热法”或“泡酸法”进行成型处理，使透明材料三维轮廓与废料分离而最终成型，获得无裂纹无损伤的工件，避免了细小碎屑的产生，提高了透明材料产品稳定性及产品良率。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。