QCW光纖激光切割藍寶石技巧

藍寶石晶體的化學成分為氧化鋁(Al2O3)，藍寶石材料具有高耐磨性、高硬度和優良的熱傳導性、電絕緣性、化學性能穩定等優異的物理、化學等特點，被廣泛應用於高端智能手機、平板電腦、平板電視等電子顯示行業領域。由於藍寶石是硬脆性材料，傳統的機械加工存在易產生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷，又由於藍寶石化學穩定性較好，使得傳統的化學加工方法對其難以加工。而激光切割技術是一種高速度、高質量的切割方法，對藍寶石晶片進行切割，不僅具有加工速度快、切口質量好並且可以對任意圖形進行切割。QCW准連續光纖激光器的穩定性和光束質量較好並且能量密度較大，對硬脆性材料切割相對於Nd∶YAG激光切割有明顯的優勢，採用QCW准連續光纖激光器結合保護氣體對藍寶石晶片進行切割，熱影響區較小，在加工區域表面不會形成波紋，並且加工設備成本低，因此在藍寶石加工領域被廣泛採用。

切割藍寶石操作及注意事項

QCW切割藍寶石原理如圖1所示，激光經過光纖傳導到準直鏡後通過聚焦鏡，最終在焦平面獲得聚焦光斑後作用於藍寶石表面實現切割；自動控制系統控制移動平台能在X，Y方向移動。採用QCW准連續光纖激光器切割光學級藍寶石基片，厚度為0.52mm、直徑為5mm。

應用脈寬為0.15~0.18 ms、波長為1070 nm、光斑直徑為15μm、重複頻率為0~5 kHz、能量密度變化範圍為0~2.4 × 105J/cm2、切割速度變化範圍為0~50 mm/s。加工採用氮氣作為輔助氣體，噴嘴直徑為0.5-1 mm。

圖1 裝置示意圖

使用銳科激光150W QCW准連續激光器切割藍寶石基片材料，如圖2所示：

圖2 銳科150W QCW准連續光纖激光器

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起刀線位置選擇

首先要在藍寶石切割軟體中將起刀線的位置設置好，我們通過改變角度θ（起刀線與材料邊緣的角度）來改變起刀線的位置，如圖3所示。並觀察和分析起刀線位置對切割質量的影響。θ依次選取15o、30o、45o、60o、75o和90o進行試驗，起刀線的長度為0.3mm。起刀線的位置確定好後，再進行試驗。

圖3 起刀線示意圖

當激光剛照射到藍寶石材料表面時，將會發生劇烈的反應。為了消除切割開始時的不利影響，在切割正式的圖形前添加的一段切割線，即起刀線，也稱為輔助線。起刀線的切入角度也是影響切割質量的重要因素。通過實驗發現，當角度為30o或90o時，濺射物長度基本消除。

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切割結果及分析

使用氮氣作為輔助氣體，噴嘴直徑為0.5mm。切割藍寶石圓孔效果如下圖所示：

從最終的切割樣件照片可以看出：

1. 從顯微鏡上看切割後的藍寶石邊緣光滑、基本無掛渣、無毛刺；

2.切割面幾乎無坡度，錐度在100以內；

3.藍寶石正面切割邊緣效果較好，崩邊尺寸的崩變數較背面崩邊尺寸小，背面崩邊量也控制在10μm以下。

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注意事項

影響藍寶石崩邊量的一個很重要的因素為激光能量密度，激光能量密度越大，藍寶石背面的崩邊現象越明顯，崩邊尺寸越大，所以在保證藍寶石能被切穿的同時降低激光功率對藍寶石背面崩邊情況有一定改善，但是能量越小在背面存在的掛渣就越嚴重，且不易清除。若適當增大激光能量可使得藍寶石背面熔融材料成為粉末狀，從而可以改變藍寶石背面切割效果。

銳科150W QCW准連續光纖激光器技術參數

QCW切割藍寶石材料工藝參數

影響藍寶石切割質量的幾個主要因素

要獲得較好的表面質量等級，必須對激光功率、切割速度等工藝參數進行多次優化處理。下面就說說影響藍寶石切割質量的幾個主要因素。

01

激光功率

激光能量是激光切割藍寶石基片過程中的主要能量來源，激光功率和切割速度決定了輸入到藍寶石基片上的能量，激光功率的大小會對切割產生重要的影響。當切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數一定時，切口寬度隨著激光功率的增加呈現一種線性正比關係。激光功率過小會出現切不透；增加功率，則切口寬度增加，端面粗糙度增大，激光切割時希望激光功率儘可能大，可以充分發揮激光器的功率優勢，提高效率。

2

切割速度

對給定的藍寶石材料和激光功率，切割速度一般符合於一個經驗式，只要在閾值以上，材料的切割速度與激光功率成正比，即增加功率可以提高切割速度。對於切割藍寶石而言，在其他工藝參數保持不變的情況下，激光切割速度可以有一個相對的調節範圍。

切割速度小，切口寬度大，切口粗糙度大；切割速度大，切口寬度和粗糙度小，超過最佳切割速度後粗糙度緩慢增加。切割速度過高，則切口刮渣較多或切不透；切割速度過低，則材料過燒，切口寬度和熱影響區較大。要提高切割質量，當其他工藝參數不變時，要優化切割速度。

3

輔助氣體

輔助氣體除用於從切割區吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體外，對藍寶石材料，使用氮氣可以起到抑制切割區過度燃燒的作用。

激光切割對輔助氣體的基本要求是氣流量要大，以便有充足的氮氣與切口材料發生放熱反應，並有足夠的動力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍寶石時，增加氣體壓力可以提高切割速度，防止切口背面產生掛渣。但壓力過大，切割面反而變得粗糙。在切割過程中，氮氣中含有的雜質對切割質量造成不良影響，因此氮氣的純度要高。（本文經銳科激光允許，由我網首發，來源：激光製造網）

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