一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置及方法与流程

本发明属于激光切割领域，具体涉及一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置及方法。

背景技术：

近年来，随着军用电子整机、通讯类电子产品及消费类电子产品迅速向短、小、轻、薄方向发展，微波多芯片组件(mmcm)技术因具有重量轻、体积小(尤其受到天线网格间距的限制)，成本低和可靠性高的技术特点而被广泛应用。多层片式元件是实现这一技术的有效途径，从经济和环保角度考虑，微波元器件的片式化，需要微波介质材料与熔点较低、电导率高的金属cu和ag的电极共烧，为此人们开发出新型的低温共烧陶瓷(lowtemperaturecofiredceramics，ltcc)技术。ltcc技术提供了比传统的厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷(htcc)技术更加灵活的设计方法，正成为目前宇航、军事、汽车、微波以及射频通讯领域多芯片组件(mcm)最常用的技术之一。而ltcc技术的整个制程中有切片这一主要的工艺环节，切片是指烧结前将热压后的基板按照设计尺寸(考虑收缩率)切割成单体器件。

常规的ltcc低温共烧陶瓷切片设备采用的是传统的刀片切割方法，由于切割过程中机械力挤压作用导致切割道对位偏移以及整片粘片导致的整片报废问题使其加工良率较低(约50％)，耗材费用较高(刀片需定期更换)，在切割道尺寸＜30um的情况下，刀片切割已不满足切片尺寸需求。激光切割方法属于非接触类加工方法，可快速高效的对生陶瓷基板进行精准定位切割，切割精度高，效果好；在5g时代即将到来之际，mmcm技术需要提升到更小尺寸，传统的刀片切割方法已不能满足需求加工需求，激光加工将成为切割生陶瓷片的主要加工方式。

目前，传统的紫外纳秒激光+平台运动方式切割ltcc低温共烧陶瓷片有两个问题：1、纳秒激光与材料作用形式包括融化和气化两种，这使得该种激光加工方式会影响切割质量，包括截面电极区域发黑问题以及端面切割锥度问题；2、平台加工方式的加工速度较慢，在保证切割质量前提下，需要用较低能量的激光来回切割数次，这使得平台加工的效率较慢，无法满足加工需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置及方法，解决现有的激光加工低温共烧陶瓷时，出现加工质量差以及加工速度较慢等问题。

为解决该技术问题，本发明提供一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置，包括激光器、扩束镜、双轨光学衍射元件、扫描振镜、远心场镜、用于固定待切割工件的x-y运动载台，其中，所述激光器发出第一光束，第一光束经扩束镜准直后到达双轨光学衍射元件，所述双轨光学衍射元件将入射的第一光束转化为两束光斑能量分布一致的第二光束射出，到达扫描振镜，所述第二光束经扫描振镜调整方向后由远心场镜聚焦，再对x-y运动载台上的待切割工件进行切割。

本发明的更进一步优选方案是：所述装置还包括设置在双轨光学衍射元件与扫描振镜之间的多光点光学衍射元件，所述多光点光学衍射元件可将双轨光学衍射元件整形后的两束第二光束转换为多束光斑能量分布一致的多光束。

本发明的更进一步优选方案是：所述装置还包括设置在x-y运动载台一侧的用于与激光器配合完成切割的ccd同步影像监控系统。

本发明的更进一步优选方案是：所述装置还包括设置在激光器与扫描振镜之间的多个用于连接光路的反射镜。

本发明的更进一步优选方案是：所述装置还包括设置在x-y运动载台一侧的旁轴吹气装置。

本发明的更进一步优选方案是：所述激光器为紫外皮秒激光器，激光波长为343nm，最大输出功率为30w，脉冲宽度＜10ps，重复频率为400khz～800khz，最大脉冲能量为75uj。

本发明的更进一步优选方案是：所述反射镜与扩束镜之间设有用于防止激光束漏光的光闸。

本发明还提供一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置的激光切割方法，包括步骤：

a、激光器出光，射出第一光束到达扩束镜；

b、第一光束经扩束镜准直后到达双轨光学衍射元件；

c、所述双轨光学衍射元件将第一光束转化为两束光斑能力分布一致的第二光束后，两束第二光束射向多光点光学衍射元件；

d、所述两束第二光束经多光点光学衍射元件整形为多光束后射向扫描振镜；

e、扫描振镜调整多光束的方向后，由远心场镜聚焦对x-y台上的陶瓷片进行切割。

本发明的更进一步优选方案是：所述步骤c还包括步骤；调节双轨光学衍射元件与远心场镜的距离，以改变两个第二光束光斑之间的距离。

本发明的更进一步优选方案是：所述步骤d还包括步骤；旋转多光点光学衍射元件，以改变多光束的光斑之间的距离。

本发明的有益效果在于，所述激光器发出第一光束，第一光束经扩束镜准直后到达双轨光学衍射元件，所述双轨光学衍射元件将入射的第一光束转化为两束光斑能量分布一致的第二光束射出，到达扫描振镜，所述第二光束经扫描振镜调整方向后由远心场镜聚焦至待切割工件(低温共烧陶瓷)表面上，进行低温共烧陶瓷的切割，通过双轨光学衍射元件将入射光束进行分为两束光斑能量分布一致的第二光束对低温共烧陶瓷进行切割，可有效的提高切割速度，以及切割质量，提高工作效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明用于激光切割低温共烧陶瓷的装置结构示意图；

图2是本发明双轨光学衍射元件工作原理图；

图3是本发明多光点光学衍射元件工作原理图；

图4是本发明光束整形效果图；

图5是本发明激光切割效果示意图；

图6是本发明另一激光切割效果示意图；

图7是本发明激光切割低温共烧陶瓷的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本发明较佳实施例的一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置，包括激光器1、扩束镜2、双轨光学衍射元件3、扫描振镜4、远心场镜5、用于固定待切割工件的x-y运动载台6，其中，所述激光器1发出第一光束，第一光束经扩束镜2准直后到达双轨光学衍射元件3，所述双轨光学衍射元件3将入射的第一光束转化为两束光斑能量分布一致的第二光束射出，到达扫描振镜4，所述两束第二光束经扫描振镜4调整方向后由远心场镜5聚焦，再对x-y运动载台6上的待切割工件(低温共烧陶瓷)进行切割。通过双轨光学衍射元件3将入射光束进行分为两束光斑能量分布一致的第二光束对低温共烧陶瓷进行切割，可有效的解决端面切割锥度过大的问题，同时两光束同时进行切割，可有效的提高切割速度，提高工作效率。

更进一步的，所述扩束镜2将具有一定发散角的高斯光束准直，而且可将光束半径扩大，从而减小最终聚焦光斑直径，增大切割精度。

更进一步的，如图1所示，所述x-y运动载台6设有真空吸附装置，通过增加一个真空吸附装置可以有效的固定放置在x-y运动载台上的待切割工件，保证切割工作的正常进行。所述扫描振镜包含两个旋转电机，其中每个旋转电机上设有一片反射镜片，加工的孔型通过旋转电机控制反射镜片的旋转进而控制出射光束的运动轨迹而实现。射入扫描振镜的光束，经扫描振镜内部两个反射镜片的角度调整，将所需直线由切割软件快速转换为电信号拟合出运动轨迹，最后光束经由远心场景聚焦至生陶瓷样品表面上，实现不同形状的切割。

更进一步的，如图1、图3、图5所示，所述装置还包括设置在双轨光学衍射元件3与扫描振镜4之间的多光点光学衍射元件7，所述多光点光学衍射元件7可将双轨光学衍射元件3整形后的两束第二光束转换为多束光斑能量分布一致的多光束。通过增加一个多光点光学衍射元件7，将双轨光学衍射元件3整形后的两束第二光束转换为多束光斑能量分布一致的多光束，在保证切割质量较高的前提下，将高能量的光束转化为低能量的多光束在同一切割道上实现多个光点同时切割，可有效的减少来回切割次数，极大的提高了加工效率。

更进一步的，如图1所示，所述装置还包括设置在x-y运动载台6一侧的用于与激光器1配合完成切割的ccd同步影像监控系统8。通过增加一个ccd同步影像监控系统8与激光器1配合进行切割，可以精确的控制激光切割位置，保证切割的准确性，提高切割质量。

更进一步的，如图1所示，所述装置还包括设置在激光器1与扫描振镜4之间的多个用于连接光路的反射镜。在本实施例中，所述激光器1发出光束后，依次穿过扩束镜2、双轨光学衍射元件3、多光点光学衍射元件7后再到达扫描振镜4后对工件进行切割，在理论上光路是可以实现。但实际装配时，由于空间的限制，激光器1、扩束镜2、双轨光学衍射元件3、多光点光学衍射元件7、扫描振镜4很难设置在特定的位置，且各个光学元件之间的相对放置位置精度要求很高。因此需要增加反射镜去调整各个光学元件之间的位置，以满足实际生产的装配需求。在本实施例中，所述激光切割低温共烧陶瓷片的激光切割系统设置有第一反射镜91、第二反射镜92，所述第一反射镜91设置在激光器1、扩束镜2之间，所述第二反射镜92、设置在双轨光学衍射元件3、多光点光学衍射元件7之间。所述激光器1的出光经由第一反射镜91接至扩束镜2，扩束镜2连接双轨光学衍射元件3，所述双轨光学衍射元件3输出端设有第二反射镜92，第二反射镜92的光路输出端连接多光点光学衍射元件7，光束经多光点光学衍射元件7射入扫描振镜4。当然，本发明不对反射镜的使用个数进行限定，反射镜的使用个数可根据实际需要进行更改。

更进一步的，如图1所示，所述装置还包括设置在x-y运动载台6一侧的旁轴吹气装置61。所述旁轴吹气装置61一旁还设置有正对x-y运动载台的喷嘴，所述喷嘴与旁轴吹气装置61连通。通过增加一个旁轴吹气装置61以及喷嘴，可通过喷嘴吹气将切割过程中生成的残渣、粉尘吹散，从而可以防止残渣、粉尘对激光强度的吸收后影响激光能量分布的均匀性，继而可以优化切割效果以及切割效率进而提高激光切割的质量。本实施例中，旁轴吹气装置61可以实现在相同加工生陶瓷片上运用两种以上不同气源的打孔需求，也可以实现单一气源不同气压同步打孔需求，大大的提高切割的通用性，可适用于多种不同的要求。

所述激光器1为紫外皮秒激光器，激光波长为343nm，最大输出功率为30w，脉冲宽度＜10ps，重复频率为400khz～800khz，最大脉冲能量为75uj。本实施例中使用的激光器为紫外波段皮秒激光器，具有较短脉冲宽度、较高的单脉冲能量和调节范围较大的重复频率。尤其是在与陶瓷材料作用时，通过高峰值功率，较小的脉冲宽度将陶瓷材料直接气化，可极大地减小热影响区域，获得较好的上、下表面以及内壁边缘效果。

所述反射镜与扩束镜2之间设有用于防止激光束漏光的光闸。通过增加关闸防止光束漏光，可保证激光器焊接工作时的输出效率。

更进一步的，如图7所示，本发明实施例还提供一种用于激光切割低温共烧陶瓷的装置的激光切割方法，包括步骤：

步骤s100、激光器出光，射出第一光束到达扩束镜；

步骤s200、、第一光束经扩束镜准直后到达双轨光学衍射元件；

步骤s300、、所述双轨光学衍射元件将第一光束转化为两束光斑能力分布一致的第二光束后，两束第二光束射向多光点光学衍射元件；

步骤s400、、所述两束第二光束经多光点光学衍射元件整形为多光束后射向扫描振镜；

步骤s500、、扫描振镜调整多光束的方向后，由远心场镜聚焦对x-y台上的陶瓷片进行切割。

更进一步的，所述步骤步骤s300还包括步骤；调节双轨光学衍射元件与远心场镜的距离，以改变两个第二光束光斑之间的距离。可根据实际的切割需求，对两第二光束的距离进行调整，实现激光双轨道同时切割作业，使切割效率提升一倍。

更进一步的，所述步骤步骤s400还包括步骤；旋转多光点光学衍射元件，以改变多光束的光斑之间的距离。在保证单光点功能足够大的情况下，在同一切割道上实现多个光点同时切割，极大提高切割效率。

更进一步的，如图5、图6所示，激光加工为非接触加工，可减小因接触加工(刀片)导致对位偏离问题而附加的人工对位时间(每5刀对位一次)；切割精度≤±5um、远高于刀片的切割精度(＞30um)；切割线长可调，能满足不同线宽、线长的微细化尺寸切割的需求；在大幅提升切割良率(＞99％，刀片切割良率不足50％)，还可保持较高的切割效率(≤12min/per)。

本发明专利适用于军事、航空航天、汽车、计算机以及医疗的电子元件集成化、模组化领域，应用十分广泛。相比于传统的刀片切割设备，本发明采用紫外皮秒激光器+doe光束整形装置+振镜扫描+旁轴吹气装置的切割方式，可获得≤12min/piece左右的加工效率，同时还可以实现传统刀片切割无法达到的宽度＜30um的切割道，并且可明显提升切割良率，，加工幅面可调(最大可达150mm×150mm)，切割精度≤±5um，良率可保持在99％以上，为切割低温共烧陶瓷片提供新的思路方案，适用于工业级量产，解决了生陶瓷片切割过程中的良率以及精度问题，同时扩大了激光切割在微制造领域的新应用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。