[发明专利]光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法。

背景技术

随着科技的发展，陶瓷在电子产品和LED照明等行业中的应用也越来越广泛。根据陶瓷的应用范围，可将其分为两种：一种是功能陶瓷，因其具有特殊的本征物理特性(导电性、磁性、介电性、铁电性和光学性等)，可作为元器件应用于电子工程领域；另一种是结构陶瓷，因其熔点高、强度、化学稳定性、力学热学性能，以及使用寿命和可靠性等多个方面具有显著优势，被广泛作为结构件来用。

对于烧结后陶瓷，机械加工(金刚石磨削加工)至今被认为是最为可靠和理想的加工手段，可以满足高尺寸精度以及高表面光洁度的成品要求。但是对于硬度仅次于金刚石的陶瓷来说，高额的加工成本(约占总加工成本的60～90％)以及较长加工周期导致高质量高精度陶瓷成本的价格居高不下；而机械磨削加工后，陶瓷表面残余应力以及塑性变形已经成为影响陶瓷成品质量的主要问题。

当今学者对烧结后的硬脆性陶瓷进行成形加工成为近年来的研究热点，其加工方式包括超声速振动磨削、水射流加工、化学加工、电化学加工、等离子束加工以及激光加工等。相比其他加工方式，激光加工采用聚焦获得高功率光能量到材料表面，使局部材料加热、熔化、分解、气化实现对材料的去除，对外界环境要求不高，其加工质量取决于使用的工艺参数、材料的光学和热学特性。激光加工具有非接触性、柔性化，高效率、易实现数字化控制点，易于CNC机床集成实现三维加工，基本无损耗，低成本。

随着器件朝着微型化、便携式的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求。例如，在陶瓷基板的线宽在50um以下，小孔的精度在20um以下，钻孔孔径在80um以下。相比CO2激光器加工，由于其波长较长、受到透镜像差、衍射等因素的制约，加工出来的光斑(含热影响区)都将近100um，很难满足陶瓷的应用；而对于波长加工较短紫外激光(355nm)和绿光(532nm)虽然光斑较小，但是受到纳秒脉宽，高频率，较低激光器功率(＜50W)以及激光器价格昂贵等因素制约，使得其在陶瓷加工的效率大幅降低以及无法开展工业级应用。对于以上要求，传统的加工方法与装置难以胜任。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，特点是：包含沿光路依次布置的激光器、扩束镜、旋光系统和聚焦镜，激光器是1064nm红外光纤激光器，旋光系统安装于角度调整架之下，聚焦镜输出端正对于用于放置氧化铝陶瓷的三维平台，所述三维平台上方设有吸收剂涂覆装置。

进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述激光器是1064nm红外光纤QCW激光器。

更进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述旋光系统包含两片楔形镜片，其中每片楔形镜片的两面分别是平面和倾斜面，两片楔形镜片的平面向外，倾斜面向内，由机械部件固定楔形镜片位置，电机与安装在楔形镜片上的皮带驱动连接。

更进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述三维平台上方布置有辅助定位影像系统。

本发明光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，激光器发出激光，经过准直镜获得均匀的平行光束；准直后的光束经旋光系统进行整形，旋光系统将平行光光束形成能量均匀分布的圆形光圈；整形后光束进入聚焦镜实现激光汇聚；吸收剂涂覆装置将吸收剂涂覆在氧化铝陶瓷面位置，增加加工所在陶瓷表面区域对激光的吸收性，使加工过程中无跳点。

再进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，通过调整旋光系统的两片楔形镜片角度实现获得不同孔径的圆形光圈。

再进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，由辅助定位影像系统配合控制激光打孔位置。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①采用1064nm红外光纤QCW激光器与普通的连续激光器相比，具有很高的峰值功率和比较长的脉宽，尤其是在与材料作用时通过瞬间高峰值功率热，较低占空比与材料发生高温烧蚀去除物质，使用这种方式可以极大地减小热影响区域；可以获得很好的边缘效果；

②旋光系统将能量分布为高斯分布的激光光束通过其内部的楔形镜片改变角度，即获得截面能量密度均匀的不同直径圆形光斑(D≤1mm)，经过整形后的光束可以获得更好的打孔效果及效率；加工的小孔不仅圆度优良，而且效率很高(无需使用平台插补)；