本發(fā)明涉及一種氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置及其方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展和進(jìn)步，陶瓷基片應(yīng)用也越來越廣泛，與金屬基片和樹脂基片相比較，陶瓷基片作為電子器件襯底具有許多較突出的電絕緣性能、優(yōu)異的高頻特性、較好的導(dǎo)熱率和較低的熱膨脹率，較強(qiáng)的硬度與電子元件兼容、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以未來陶瓷應(yīng)用將會(huì)不可估量。而作為陶瓷種類中的氧化鋁陶瓷基片是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的陶瓷之一，我國氧化鋁基片的年需求量已經(jīng)超過10⁷m²，并且每年以10～20％的幅度增長。同樣伴隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，氧化鋁基片的加工精度和加工效率也要求越來越高。傳統(tǒng)的氧化鋁基片加工方式很多，常用的有刻蝕法、金剛砂輪切割法、鋼絲切割法以及金剛石切割法，對(duì)于以上傳統(tǒng)的氧化鋁基片的切割加工方法都存在各自的問題，例如切割縫大，切割精度不高、加工區(qū)材料的變質(zhì)層大、容易對(duì)加工表面造成污染、加工表面易破碎生產(chǎn)成品合格率低，最大的問題是無法進(jìn)行異型切割和鉆孔。正是在這種情況下，激光應(yīng)用于陶瓷基片加工技術(shù)漸漸的被人們所青睞，激光切割陶瓷技術(shù)具有非接觸性、切縫小、切割速度快效果高、切割斷面光滑、切割損傷區(qū)域小成品率高、加工精度高，并且極易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制加工等一系列的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)激光還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋁基板的劃線半切后裂片成倍的提高了氧化鋁基片的加工效率。而作為激光加工必不可少的激光器類型很多，以加工成本低、激光束質(zhì)量，材料對(duì)激光的高吸收率，以及適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，CO₂激光器作為熱加工光源仍然是陶瓷激光加工的最主要選擇。氧化鋁陶瓷基板對(duì)于10.6μm波長的CO₂激光吸收率非常高，可以達(dá)到80％以上。

目前國內(nèi)常規(guī)CO₂激光陶瓷加工裝置都是單光束，只能實(shí)現(xiàn)單工位加工，加工裝置的加工效率有待進(jìn)一步提高以滿足量產(chǎn)的需求，激光切割頭無保護(hù)鏡片容易造成聚焦鏡片的污染損壞，變相增加了生產(chǎn)成本，切割頭安裝的噴嘴無法進(jìn)行水平位置調(diào)節(jié)，很難調(diào)試出良好的加工效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置及其方法，旨在提高氧化鋁陶瓷基片的加工效率，降低氧化鋁基板加工成本，同時(shí)改善氧化鋁基片切割和劃片工藝效果，提高氧化鋁陶瓷基片的加工品質(zhì)。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，特點(diǎn)是：包含光路結(jié)構(gòu)相同的兩套光路系統(tǒng)，每套光路系統(tǒng)均包含射頻CO₂激光器、圓偏振器、擴(kuò)束鏡、激光切割頭以及三只反射鏡，所述射頻CO₂激光器的光路輸出端布置圓偏振器，圓偏振器的輸出光路上依次布置有反射鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡、反射鏡以及激光切割頭，激光切割頭的光路輸出端正對(duì)于待加工工件的表面；所述激光切割頭內(nèi)設(shè)有CO₂激光聚焦鏡片，CO₂激光聚焦鏡片下方安裝有保護(hù)鏡片，激光切割頭的下部通過位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝有噴嘴，可通過調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整噴嘴的前后左右位置。

進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，其中，所述噴嘴的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)氣接口。

更進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，其中，所述進(jìn)氣接口連接輔助吹氣裝置。

更進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，其中，所述位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上設(shè)有四個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。

更進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，其中，所述光路系統(tǒng)的單邊光路設(shè)計(jì)長度為150cm～200cm。

更進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，其中，所述擴(kuò)束鏡距離射頻CO₂激光器出口的距離為20cm～50cm。

本發(fā)明氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工方法，每一套光路系統(tǒng)的射頻CO₂激光器發(fā)出激光，通過圓偏振器將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，繼而經(jīng)反射鏡入射到擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束鏡對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，改善激光的準(zhǔn)直度，使發(fā)射的光束直徑加大；再經(jīng)過反射鏡入射到激光切割頭，激光切割頭內(nèi)的CO₂激光聚焦鏡片使光束匯聚聚焦到待加工的氮化鋁陶瓷表面，以瞬間融化材料進(jìn)行加工；可通過調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整激光切割頭下方噴嘴的前后左右位置，噴嘴通過輔助吹氣將激光高溫熔融氣化氧化鋁陶瓷后形成的熔渣從盲孔中全部吹出。

再進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工方法，其中，所述射頻CO₂激光器發(fā)射出10.6μm波段的激光。

再進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工方法，其中，所述噴嘴兩側(cè)進(jìn)氣接口的氣壓為0.5MPa～1MPa。

再進(jìn)一步地，上述的氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工方法，其中，所述光路系統(tǒng)的單邊光路設(shè)計(jì)長度為150cm～200cm，擴(kuò)束鏡距離射頻CO₂激光器出口的距離為20cm～50cm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體體現(xiàn)在以下方面：

①雙光路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，光學(xué)器件安裝對(duì)稱，加工兩片氧化鋁陶瓷基板是加工的基板的厚度及加工圖形都相同，加工時(shí)雙光路加工步調(diào)完全一致，可以實(shí)現(xiàn)加工效果完全一樣，實(shí)現(xiàn)陶瓷基板的切割鉆孔和劃片；顯著提高了氧化鋁陶瓷基板的加工效率，同時(shí)改善氧化鋁陶瓷基板的切割和劃片效果；

②采用圓偏振器，圓偏振光的偏振面總是變化的，不會(huì)出現(xiàn)切割方向的變化導(dǎo)致的切割效果的不同，圓偏振器將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，最終實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸方向的切割和劃片效果一致；

③合理的單邊光路光程和擴(kuò)束鏡安裝位置，達(dá)到最佳激光聚焦光斑效果，準(zhǔn)直改善激光的準(zhǔn)直度，擴(kuò)束使激光器發(fā)射的光束直徑加大，合理的設(shè)計(jì)使激光對(duì)氧化鋁陶瓷基片的切割和劃片的優(yōu)良效果；

④將噴嘴設(shè)計(jì)成位置可調(diào)節(jié)可以方便快速的調(diào)試出優(yōu)良的氧化鋁基片的加工效果，調(diào)節(jié)好相對(duì)位置可以使得劃片后激光高溫熔融氣化氧化鋁陶瓷基片后形成的熔渣通過輔助吹氣全部吹出盲孔，形成劃片的外觀孔徑清晰均勻無堵孔現(xiàn)象，劃片裂片斷面外觀光滑無發(fā)黑現(xiàn)象；

⑤雙光路加工步調(diào)完全一致最終完成相同的加工工藝效果，從而使加工效率提高一倍以上。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說明具體實(shí)施方案。

如圖1所示，氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工裝置，包含光路結(jié)構(gòu)相同的兩套光路系統(tǒng)，第一套光路系統(tǒng)均包含第一射頻CO₂激光器11、第一圓偏振器12、第一擴(kuò)束鏡14、第一激光切割頭17以及第一反射鏡13、第二反射鏡15、第三反射鏡16，第二套光路系統(tǒng)均包含第二射頻CO₂激光器21、第二圓偏振器22、第二擴(kuò)束鏡24、第二激光切割頭27以及第四反射鏡23、第五反射鏡25、第六反射鏡26。

第一射頻CO₂激光器11的光路輸出端布置第一圓偏振器12，第一圓偏振器12的輸出光路上依次布置有第一反射鏡13、第一擴(kuò)束鏡14、第二反射鏡15、第三反射鏡16以及第一激光切割頭17，第一激光切割頭17的光路輸出端正對(duì)于待加工工件18的表面。

第二射頻CO₂激光器21的光路輸出端布置第二圓偏振器22，第二圓偏振器22的輸出光路上依次布置有第四反射鏡23、第二擴(kuò)束鏡24、第五反射鏡25、第六反射鏡26以及第二激光切割頭27，第二激光切割頭27的光路輸出端正對(duì)于待加工工件18的表面。

如圖2所示，激光切割頭內(nèi)設(shè)有CO₂激光聚焦鏡片101，CO₂激光聚焦鏡片101下方安裝有保護(hù)鏡片102，激光切割頭的下部通過位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)103安裝有噴嘴105，可通過調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)103調(diào)整噴嘴105的前后左右位置。噴嘴105的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)氣接口104，進(jìn)氣接口104連接輔助吹氣裝置，位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)103上設(shè)有四個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。

射頻CO₂激光器發(fā)射出的10.6μm波段的激光是屬于線偏振光，而激光偏振平面方向與切割方向平行和垂直時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的切割效果，本發(fā)明采用圓偏振器將CO2激光發(fā)射出的線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光的偏振面總是變化的，不會(huì)出現(xiàn)切割方向的變化導(dǎo)致的切割效果的不同，因此CO₂激光通過圓偏振器可以將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，最終實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸方向的切割和劃片效果一致。

光路系統(tǒng)的單邊光路設(shè)計(jì)長度為150cm～200cm，擴(kuò)束鏡距離射頻CO₂激光器出口的距離為20cm～50cm。單邊光路的光程長度非常關(guān)鍵，會(huì)影響整體光學(xué)系統(tǒng)的激光聚焦光斑效果，同樣激光擴(kuò)束鏡安裝位置也有講究，不同的安裝位置會(huì)有不同的激光聚焦光斑效果。擴(kuò)束鏡是實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器發(fā)射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，準(zhǔn)直是二次改善激光的準(zhǔn)直度，擴(kuò)束是將激光器發(fā)射的光束直徑加大，激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束和聚焦后可以得到良好的激光光斑質(zhì)量，上述合理的設(shè)計(jì)才能得到激光對(duì)氧化鋁陶瓷基片的切割和劃片的優(yōu)良效果。

激光切割頭內(nèi)安裝有CO₂激光聚焦鏡片101，CO₂激光聚焦鏡片101下方安裝有保護(hù)鏡片102，在陶瓷切割和劃片過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，特別是對(duì)于連續(xù)批量生產(chǎn)加工，加工氧化鋁陶瓷基片的粉塵會(huì)容易污染CO₂激光聚焦鏡片101，保護(hù)鏡片102對(duì)聚焦鏡片起到保護(hù)作用，延長了聚焦鏡片的使用壽命，變相降低了加工成本。

噴嘴可以通過四個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)其前后左右位置。將噴嘴設(shè)計(jì)成位置可調(diào)節(jié)可以方便快速的調(diào)試出優(yōu)良的氧化鋁基片的加工效果。特別是對(duì)于劃片半切加工工藝，劃片是激光作用到氧化鋁陶瓷基板上面形成一條直線盲孔，盲孔直徑60μm～70μm，孔間距在0.1mm～0.15mm，噴嘴口徑為2mm～3mm，激光聚焦后在噴嘴口處與噴嘴口中心的相對(duì)位置會(huì)影響劃片的效果，調(diào)節(jié)好相對(duì)位置可以使得劃片后激光高溫熔融氣化氧化鋁陶瓷基片后形成的熔渣通過輔助吹氣(氧氣或氮?dú)?全部吹出盲孔，形成劃片的外觀孔徑清晰均勻無堵孔現(xiàn)象，劃片裂片斷面外觀光滑無發(fā)黑現(xiàn)象。如果調(diào)節(jié)不適當(dāng)，劃片外觀容易造成堵孔，裂片后斷面粗糙發(fā)黑影響加工品質(zhì)。

噴嘴的左右兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)有兩進(jìn)氣接口(進(jìn)氣端氣壓為0.5MPa～1MPa)，氧化鋁陶瓷基片在切割或劃片的過程中需要提供輔助吹氣，對(duì)稱兩個(gè)進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)使得噴嘴內(nèi)部的氣流更為均勻平衡的通過噴嘴噴出作用到氧化鋁陶瓷基板上，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的切割劃片加工效果。

通過同一套控制系統(tǒng)同時(shí)控制整個(gè)雙光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工兩片氧化鋁陶瓷基板，切割加工圖形可以是直線或異型切割，包括不同尺寸的圓孔(孔徑大于0.15mm)鉆孔，加工相同的圖形和相同厚度和尺寸的氧化鋁陶瓷基片，加工時(shí)雙光路加工步調(diào)完全一致最終完成相同的加工工藝效果，從而使加工效率提高一倍以上。

氧化鋁陶瓷的雙光路CO₂激光加工工藝為：每一套光路系統(tǒng)的射頻CO₂激光器發(fā)射出10.6μm波段的激光，如，第一射頻CO₂激光器11通過第一圓偏振器12將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，繼而經(jīng)第一反射鏡13入射到第一擴(kuò)束鏡14，第一擴(kuò)束鏡14對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，改善激光的準(zhǔn)直度，使發(fā)射的光束直徑加大；再經(jīng)過第二反射鏡15和第三反射鏡16入射到第一激光切割頭17，第一激光切割頭17內(nèi)的CO₂激光聚焦鏡片101使光束匯聚聚焦到待加工的氮化鋁陶瓷表面，以瞬間融化材料進(jìn)行加工；可通過調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)103調(diào)整激光切割頭下方噴嘴105的前后左右位置，噴嘴105通過輔助吹氣將激光高溫熔融氣化氧化鋁陶瓷后形成的熔渣從盲孔中全部吹出，噴嘴105兩側(cè)進(jìn)氣接口104的氣壓為0.5MPa～1MPa。光路系統(tǒng)的單邊光路設(shè)計(jì)長度為150cm～200cm，擴(kuò)束鏡距離射頻CO₂激光器出口的距離為20cm～50cm。

雙光路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，光學(xué)器件安裝對(duì)稱，加工兩片氧化鋁陶瓷基板是加工的基板的厚度及加工圖形都相同，加工時(shí)雙光路加工步調(diào)完全一致，可以實(shí)現(xiàn)加工效果完全一樣。實(shí)現(xiàn)陶瓷基板的切割鉆孔和劃片。較傳統(tǒng)的單光路裝置，顯著提高了氧化鋁陶瓷基板的加工效率，同時(shí)改善氧化鋁陶瓷基板的切割和劃片效果。

需要說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利范圍；同時(shí)以上的描述，對(duì)于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專門人士應(yīng)可明了及實(shí)施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在申請(qǐng)專利范圍中。