[发明专利]用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置

说明书

技术领域

本发明总体上涉及激光加工领域，具体而言涉及用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置。

背景技术

激光加工由于其精准性以及极小的加工器具磨损而被越来越普遍地使用。近年来，随着手机、平板计算机等大屏幕设备的兴起，激光加工被越来越多地加工诸如薄玻璃之类的脆硬材料。

名称为“一种自动冷却激光切割机床”的中国专利申请CN201510516684.5公开了一种激光切割方法，其中利用激光的热效应沿切割路径加热材料并使其快速冷却，使得在材料中沿切割路径产生强撕裂内应力，从而使材料沿切割路径分离。然而，由于激光加工时的热效应以及之后的冷却处理，常常在材料中产生内应力、甚至裂纹，从而使得经加工的材料、尤其是脆硬材料易于产生脆裂等质量问题。此外，该方法也不适于切割曲线路径、尤其是曲率半径小于20毫米的路径。

名称为“一种全自动激光划片设备”的中国专利申请CN201520297677公开了另一种激光切割方法，其中首先在借助于激光辐射在材料表面烧蚀划片，然后利用机械方法施加外力，使得材料沿激光烧蚀划片路径分离。该方法同样容易在材料中产生内应力、甚至裂纹，而且该方法也不适于切割曲线路径。

名称为“用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法”的国际公开“WO2014/154337A3”公开了又一种激光切割方法，其中基于克尔效应在脆硬材料中自聚焦，使得在脆硬材料中造成高宽比极高的丝状烧蚀。但是，该方法仍然会造成内应力、甚至裂缝。而且，当切割曲线路径、尤其是曲率半径小于10毫米的曲线路径时，这些丝状烧蚀必须靠得很近，使得脆硬材料沿着去线切割路径分离，这显著增加了加工成本并降低了良品率。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于借助于激光辐射去蚀(例如裁切、刮削或钻孔)脆硬材料的方法和装置，其中借助于该方法或该装置能够在脆硬材料上(表面及内部)产生能够提高切割效率的内应力或微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。

在本发明的第一方面，该任务通过一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法来解决，该方法包括下列步骤：

将激光辐射入射到脆硬材料上以形成非圆形光斑，其中从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看，非圆形光斑的长度方向与激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及

沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。

在此应当指出，“将激光辐射入射到脆硬材料上”应当广义地理解，其涵盖了将激光辐射入射到脆硬材料的表面上以及脆硬材料中这两种情况。

该方法所基于的思想和优点如下。发明人独到地发现，在激光加工中通常使用的圆形激光束的各向同性将导致微裂纹随机产生。参见图1，沿着去蚀路径102前进的圆形激光光斑103将产生随机分布的微裂纹101，这些微裂纹101将随机地分布在各个方向上，使得微裂纹的方向将有极大的几率与切割或裂片方向不重合，因此在切割或划片完成后仍然残留在经加工的脆硬材料中，从而可能降低产品的强度和切割质量、甚至导致产品裂损；同时随机的微裂纹有可能使得分离方向偏离划片方向，使得难以尤其是沿曲线路径切割脆硬材料。同时，发明人还独到地发现，通过根据本发明利用激光束的非圆形光斑切割脆硬材料并使非圆形光斑的主轴与切割路径从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看重合，可以使非圆形光斑在脆硬材料中产生的非对称应力基本上沿切割方向分布，从而有利于最大限度的降低微裂纹沿切割方向以外的方向或划片方向以外的方向的产生及传播，进而精确控制裂片方向沿非对称应力施加方向传播。因此，利用根据本发明的方法，也可以精确控制脆硬材料的曲线去蚀。简言之，利用根据本发明的方法，能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或裂缝，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从 而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。

在本发明的一个扩展方案中规定，通过多轴联动来实现非圆形光斑的长度方向与去蚀方向的重合。通过多轴联动，可以较好地使非圆形光斑的长度方向与去蚀方向重合。

在本发明的另一扩展方案中规定，非圆形光斑为下列各项之一：椭圆形光斑、矩形光斑、以及条形光斑。这些形状的光斑是易于通过常规光学手段产生的，因此可以以较低成本来实现。

在本发明的一个优选方案中规定，非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。通过非圆形光斑的该长宽比，可以实现微裂纹更多地沿去蚀方向分布。