1 引 言
藍(lán)寶石具有高耐磨性、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)特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高端智能手機(jī)、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(jī)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(duì)其難以加工。然而激光切割技術(shù)是一種高速度、高質(zhì)量的切割方法，對(duì)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(duì)任意圖形進(jìn)行切割。通常用于藍(lán)寶石切割的激光器主要有超短脈沖激光、Nd：YAG激光、紫外激光；皮秒、飛秒超短脈沖激光加工藍(lán)寶石熱影響區(qū)較小，但光子能量損失大，材料去除率低，且在加工區(qū)域周圍形成無規(guī)則的納米晶體形態(tài)和裂紋以及在作用區(qū)域表面形成波紋，并且加工設(shè)備成本較高；由于藍(lán)寶石對(duì)1070 nm Nd∶YAG紅外激光的吸收率很低，要加工藍(lán)寶石就需要提高激光能量密度，故很難加工且存在熱效應(yīng)明顯、重凝嚴(yán)重等現(xiàn)象；目前紫外激光( λ =355 nm)切割藍(lán)寶石基片時(shí)，由于激光功率較低且焦深較短，藍(lán)寶石去除率較低，只能通過多次切割的同時(shí)焦點(diǎn)位置不斷改變才能實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石的切割，這樣使得采用紫外激光器切割藍(lán)寶石的切割效率較低。光纖激光的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量較好并且能量密度較大，對(duì)硬脆性材料和較厚板材切割相對(duì)于Nd∶YAG激光切割都有明顯的優(yōu)勢(shì)，采用光纖激光結(jié)合保護(hù)氣體對(duì)藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，并對(duì)切割過程中工藝參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。
2 實(shí)驗(yàn)裝置和材料
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡后通過聚焦鏡， 最終在焦平面獲得直徑為20μm的激光光斑；自動(dòng)控制系統(tǒng)控制移動(dòng)平臺(tái)能在X，Y方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用光纖激光器的脈寬為0.13~0.2 ms、波長(zhǎng)為1070 nm、光斑直徑為20μm、重復(fù)頻率為0~5 kHz、能量密度變化范圍為0~2.4 × 10^5J/cm2、切割速度變化范圍為0~100 mm/s。加工采用N2作為輔助氣體，噴嘴直徑為2 mm。
實(shí)驗(yàn)樣件為光學(xué)級(jí)C-面(0001)藍(lán)寶石基片，直徑2 inches(1 inch=2.54 cm)、厚度0.31 mm。具體藍(lán)寶石基片的熱學(xué)性能參數(shù)見表1。
實(shí)驗(yàn)前對(duì)樣件依次進(jìn)行丙酮超聲波清洗和去離子水清洗和無塵環(huán)境下烘干環(huán)節(jié)處理；實(shí)驗(yàn)后同樣需要嚴(yán)格的清洗：先用KOH溶液超聲清洗5 min，然后依次用丙酮溶液、 無水乙醇、去離子水超聲清洗5 min，最后在無塵環(huán)境下烘干。激光切割樣件邊緣都是通過基恩士(VK-8700)三維(3D)彩色激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察。
3 結(jié)果與討論
3.1 激光能量密度對(duì)藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響
圖2表示的是激光能量密度對(duì)激光切割藍(lán)寶石崩邊尺寸的影響，激光重復(fù)頻率為1 kHz，切割速度為10 mm/s，輔助氣體為N2，氣壓為1 MPa，脈寬為0.13 ms，激光能量密度從5.6~11.3 ×10^3J/cm2變化。
從圖2可以看出，隨著激光能量密度的增加，藍(lán)寶石的正面崩邊尺寸和背面崩邊尺寸都有所增加，但是正面崩邊尺寸的變化較小，基本都在5 μm以下。圖3表示的是激光能量密度對(duì)藍(lán)寶石正面影響效果圖，從圖3可以看出正面加工形貌多存在鋸齒狀，主要是由于激光頻率較低造成光斑分離現(xiàn)象所致，改變鋸齒狀現(xiàn)象的途徑可通過改變激光切割速度和重復(fù)頻率對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，并且在激光能量密度增加到一定大小時(shí)，正面崩邊尺寸達(dá)到飽和。這是因?yàn)楫?dāng)激光脈沖能量密度達(dá)到去除閾值后，鋸齒形狀逐漸趨近于光斑輪廓；能量密度繼續(xù)增加，在脈沖的作用時(shí)間內(nèi)，材料的熱擴(kuò)散以及等離子體的形成使得材料表面的去除量增加，形成的鋸齒有擴(kuò)大趨勢(shì)。
