[发明专利]激光加工脆性材料的分离和释放

说明书

公开了用于从由脆性材料制成的工件(12)分离和释放闭合形式件的方法。第一脉冲激光束(14)沿闭合形式件(62)的轮廓产生缺陷。第二激光束(40)在第一时间内选择性地加热闭合形式件(62)，这足以在缺陷之间引发裂纹。停止加热的时间段足够长，以使裂纹在缺陷之间完全传播。在第二时间内施加第二激光束(40)，这导致闭合形式件(62)熔化和变形。该变形在闭合形式件(62)和工件(12)的其余部分之间打开了间隙，从而允许释放所述闭合形式件(62)。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月26日提交的美国临时专利申请序号62/703,806的优先权，其全部公开内容通过引用合并于本文中。

技术领域

本发明总体上涉及利用激光辐射束切割脆性材料。本发明尤其涉及使用激光辐射束从激光加工的脆性材料中分离和释放闭合形式。

背景技术

激光材料加工越来越多地用于切割，钻孔，打标和划线各种材料，包括诸如玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石之类的脆性材料。传统的机械加工会产生不良缺陷，例如微裂纹，当加工的脆性材料受到应力时微裂纹可能会传播，从而使加工的脆性材料降级和弱化。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工会产生精确的切口和孔，这些切口和孔具有高质量的边缘和壁，同时最大程度地减少了此类不良缺陷的形成。科学研究和制造的进步正在导致对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高加工速度和精度。

透明的脆性材料通过非线性吸收激光辐射而与脉冲激光辐射的聚焦光束相互作用。脉冲激光辐射可包括一系列单独的脉冲或快速的脉冲串。每个单独的脉冲或脉冲串都会在光束的焦点处在透明的脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件上切下物品，从而沿着工件中的切割线产生一排缺陷。

通常，一排缺陷只会削弱沿着切割线的材料。为了将物品与工件的其余部分完全分开，需要在切割线上施加应力的额外步骤。有时施加机械应力足以引起沿切割线的分离。需要高质量边缘的应用中施加热应力，而没有诸如碎屑和微裂纹之类的不良缺陷。使用具有被材料吸收的波长和相对较高的平均功率的激光束已经证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率会在切割线上产生热梯度，从而导致裂纹在由脉冲激光辐射产生的离散缺陷之间传播，从而沿切割线形成连续的断口。

例如，高度聚焦的超短激光脉冲束会在玻璃工件中产生自导的“细丝”。这样的细丝的传播以空隙的形式在工件上产生长的缺陷。沿着切割线平移聚焦的超短脉冲激光束会产生一排空隙。然后，通过沿切割线平移CO₂激光束，使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO₂)激光来分离玻璃。这种激光切割工艺“SmartCleave”是由Rofin-Sinar TechnologiesInc.开发的，并在美国专利第9,102,007号和美国专利第9,296,066号中进行了描述，它们各自是共有的，在此通过参考将其各自的完整公开内容并入本文。在工件的另一示例性方式是使用像差聚焦光学器件聚焦一束超短脉冲束，以沿聚焦光学器件的光轴产生扩展焦点。聚焦光束沿光轴具有足够的强度，以通过烧蚀去除玻璃并产生扩展的空隙。

尽管施加应力的附加分离步骤破坏了制品与工件的其余部分之间的任何残余结合，但是在某些应用中，仍然在物理上阻止了制品与工件的其余部分分离。这对于具有凹形弯曲部分的制品和去除了相对较少的材料并产生了粗糙的边缘的切割过程来说是一个问题。例如，聚焦的超短激光脉冲束可对玻璃进行精确而精细的切割。使用持续时间约10皮秒(ps)的激光脉冲进行的细丝切割或烧蚀切割过程的典型Rz表面粗糙度约为10μm。即使在割边上这种适度的表面粗糙度也会引起足够的静摩擦，从而防止弯曲部分分离。

对于具有小的闭合形状特征的制品，静摩擦是一个特殊的问题，其中切割线是要从工件上去除的材料的轮廓。例如，当在玻璃工件上形成期望形状的孔时，可以抑制要丢弃的孔件与工件的其余部分分离。在某些情况下，可以通过施加足够的机械力来移除孔件，但是该力会损坏工件的内边缘。如果在受力的同时孔件扭曲或卡住工件的内边缘，倾斜的孔件可能会束缚在物品内部。如果倾斜的孔件进一步受力，则释放会导致工件内边缘碎裂。