本发明涉及半导体切割技术领域，具体涉及一种激光切割装置及方法。
背景技术：
随着消费电子产品市场的不断拓展，人们对电子产品性能的需求在不断提升，生产过程中现有生产工艺面临多方面挑战。切割质量和性能的需求使得生产商使用激光切割技术替代制程中原有机械切割方式。
随着近年来超快激光技术的不断成熟，多家激光器供应商推出了工业级的超快激光光源，推动了激光切割技术在泛半导体领域的运用。超快激光之所以会引起人们的广泛兴趣是由于光在材料中传播时，热扩散深度与脉宽的平方根成正比，因此采用超快激光可以极大地减小加工过程中的热扩散区域，从而避免热对加工质量的影响。同时，超快激光会引起材料很强的非线性吸收从而增加材料对激光的吸收，降低加工阈值和能量在材料中的沉积体积，提升加工质量。
在透明材料切割中，由于切割基板的厚度不一，因此对于切割深度的控制、切割效率和切割质量的控制显得尤为重要，然而改变普通高斯激光焦深无法一次性改变切割现状，提高加工效率以及优化切割工艺的目的。
技术实现要素：
本发明提供了一种激光切割装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光切割装置，包括：系统控制器以及沿光路依次设置的激光器、准直扩束单元、光束整形单元和工件台；所述工件台上设有吸盘机构和光束轮廓测量单元，所述吸盘机构吸附待切割对象，所述光束轮廓测量单元的探测面与所述吸盘机构表面的垂向高度相同；所述系统控制器接收所述光束轮廓测量单元的信号，并控制所述激光器、准直扩束单元、工件台以及光束轮廓测量单元工作；所述准直扩束单元包括倍率连续可调的镜组，所述系统控制器接收的所述光束轮廓测量单元反馈的光束能量强度，同时根据所述待切割对象的厚度，调节所述镜组的倍率。
进一步的，还包括调节机构，所述系统控制器通过控制所述调节机构的驱动来调节所述镜组的倍率。
进一步的，还包括工件台控制器，所述系统控制器通过发送信号至所述工件台控制器来控制所述工件台沿垂向和水平向运动。
进一步的，还包括激光控制器，所述系统控制器通过发送信号至所述激光控制器来控制所述激光器工作。
进一步的，还包括电动机构控制器，所述系统控制器通过发送信号至所述电动机构控制器来控制所述调节机构的动作，驱动所述调节机构调节所述镜组的倍率。
进一步的，所述光束整形单元包括锥形棱镜。
本发明还提供一种激光切割装置的激光切割方法，包括以下步骤：
s1：所述激光器发出的光束经准直扩束单元进行扩束，并通过光束整形单元形成bessel光束，入射到所述工件台的被切割对象和光束轮廓测量单元上；
s2：所述光束轮廓测量单元对bessel光束在垂向上的三维能量强度进行探测，并将探测到的数据上传至系统控制器；
s3：所述系统控制器根据光束轮廓测量单元探测到的数据和待切割对象的厚度控制调节机构对准直扩束单元中镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元入射光束的直径。
进一步的，所述系统控制器通过电动机构控制器驱动调节机构对准直扩束单元中镜组的倍率进行调节。
进一步的，所述系统控制器通过工件台控制器带动工件台沿垂向运动，从而使光束轮廓测量单元进行垂向扫描，实现垂向上bessel光束三维能量强度探测。
本发明提供的激光切割装置及方法，该装置包括系统控制器以及沿光路依次设置的激光器、准直扩束单元、光束整形单元和工件台；所述工件台上设有吸盘机构和光束轮廓测量单元，所述吸盘机构吸附待切割对象，所述光束轮廓测量单元的探测面与所述吸盘机构表面的垂向高度相同；所述系统控制器接收所述光束轮廓测量单元的信号，并控制所述激光器、准直扩束单元、工件台以及光束轮廓测量单元工作；所述准直扩束单元包括倍率连续可调的镜组，所述系统控制器接收的所述光束轮廓测量单元反馈的光束能量强度，同时根据所述待切割对象的厚度，调节所述镜组的倍率。通过在工件台上设置光束轮廓测量单元，实现垂向上bessel光束三维能量强度探测，并将探测到的数据上传至系统控制器，系统控制器根据探测到的数据和待切割对象的厚度控制调节机构对准直扩束单元中镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元入射光束的直径，实现切割作用光束的长度控制，以适应待切割对象厚度变化，充分利用激光能量，提高加工效率，优化切割工艺。
附图说明
图1是本发明激光切割装置的结构示意图；
图2是本发明bessel光束的原理；
图3是本发明归一化光轴中心能量密度随传播距离的变化图。
图中所示：1、激光器；2、准直扩束单元；3、光束整形单元；31、锥形棱镜；4、工件台；5、光束轮廓测量单元；6、系统控制器；7、调节机构；8、被切割对象；9、吸盘机构；10、工件台控制器；11、激光控制器；12、电动机构控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
如图1所示，本发明提供了一种激光切割装置，包括：沿光路依次设置的激光器1、准直扩束单元2、光束整形单元3和工件台4、设于所述工件台4上的光束轮廓测量单元5，以及分别与所述激光器1、准直扩束单元2、工件台4和光束轮廓测量单元5连接的系统控制器6，所述准直扩束单元2包括一倍率连续可调的镜组，所述系统控制器6和所述镜组之间设有一调节机构7。所述工件台4上设有吸盘机构9，吸附待切割对象8，优选的，所述光束轮廓测量单元5的探测面与所述吸盘机构9表面的垂向高度相同。具体的，待切割对象8可以为透明材料，如玻璃材质材料，但不局限于此，设于工件台4上，所述激光器1为超快激光器，脉宽小于10ps，波长范围为1000nm～1100nm，发出高斯激光束经准直扩束单元2进行扩束，并通过光束整形单元3形成bessel(贝塞尔)光束，入射到所述工件台4的被切割对象8上，所述光束轮廓测量单元5对bessel光束在垂向上的三维能量强度进行探测，并将探测到的数据上传至系统控制器6；所述系统控制器6根据光束轮廓测量单元5探测到的数据和待切割对象8的厚度控制调节机构7对准直扩束单元2中镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元3的入射光束的直径，实现对bessel光束的长度控制，以适应切割对象8厚度变化，充分利用激光能量，提高加工效率，优化切割工艺。
优选的，所述系统控制器6与所述工件台4之间设有工件台控制器10，所述系统控制器6通过发送信号至所述工件台控制器10来控制所述工件台4沿垂向和水平向运动，其中，工件台4沿垂向运动带动光束轮廓测量单元5进行垂向扫描，实现垂向上bessel光束三维能量强度探测；工件台4沿水平向运动带动被切割对象8沿预定轨迹运动，从而进行激光切割。
优选的，所述系统控制器6与所述激光器1之间设有激光控制器11，控制激光器1发射用于切割的光束。
优选的，所述系统控制器6与所述调节机构7之间设有电动机构控制器12，所述系统控制器6通过发送信号至所述电动机构控制器12来控制所述调节机构7的动作，驱动所述调节机构7调节所述镜组的倍率，从而调节光束整形单元3的入射光束的直径。
优选的，所述光束整形单元3包括锥形棱镜31，bessel光束的原理如图2所示，高斯激光束从锥形棱镜的前端(左侧)入射后，自相干后形成右侧的bessel光束，bessel光束的关键参数包括中心光斑直径df和传播距离zr，定义如下：
上述公式中，k为激光波长相关的参数，d为入射光束束腰尺寸，即入射光束的直径，n为锥形棱镜31的折射率，α为锥形棱镜31的楔角，当激光器1选定后，激光波长为定值，因此k为定值，锥形棱镜31的折射率n为定值，中心光斑的直径df由锥形棱镜31的楔角α决定，当锥形棱镜31选定之后楔角α也确定了，因此，bessel光束中心光斑直径df在楔角α和激光器1波长确定后为一定值；而传播距离zr方面还受到入射光束直径的影响，因此通过改变输入光束的直径可改变bessel光束的传播距离，切割处的轴向作用光束长度与该传播距离成正比，从而达到改变切割作用光束长度的作用。
归一化光轴中心能量密度随传播距离的变化如图3所示。相关参数设置如下：楔角α为1°，锥形棱镜31缩放15倍，n取1.5。根据公式(2)可知bessel光束的传播距离随着入射光束尺寸增大，线性递增。以束腰尺寸d分别为2.2mm，3.2mm，4.2mm进行实验，并假设以归一化能量密度0.5为分界线，大于0.5表示可有效发生切割作用。由图3中可以看出，通过调节锥形棱镜31入射光束的直径，能够有效地调节有效切割作用区域的长度，即通过调节光束的束腰尺寸来适应不同厚度的切割对象；传播方向上发生切割作用边界位置以及能量密度最高位置也随着光束尺寸的反射改变，因此，通过光束轮廓测量单元5予以调节校准，以适应工艺需求。
本发明还提供了一种如上所述的激光切割装置的激光切割方法，包括以下步骤：
s1：所述激光器1发出的光束经准直扩束单元2进行扩束，并通过光束整形单元3后形成bessel光束，入射到所述工件台4的被切割对象8和光束轮廓测量单元5上进行激光切割。
s2：所述光束轮廓测量单元5对bessel光束在垂向上的三维能量强度进行探测，并将探测到的数据上传至系统控制器6；具体的，所述系统控制器6通过工件台控制器10带动工件台4沿垂向运动，从而使光束轮廓测量单元5进行垂向扫描，实现垂向上bessel光束三维能量强度探测。
s3：所述系统控制器6根据光束轮廓测量单元5探测到的数据和待切割对象的厚度控制调节机构7对准直扩束单元2中的镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元3入射光束的直径。具体的，所述系统控制器6通过电动机构控制器12驱动调节机构7对准直扩束单元2中镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元3的入射光束的直径，实现对bessel光束的长度控制，以适应被切割对象8厚度变化，充分利用激光能量，提高加工效率，优化切割工艺。
综上所述，本发明提供的激光切割装置及方法，该装置包括系统控制器6以及沿光路依次设置的激光器1、准直扩束单元2、光束整形单元3和工件台4；所述工件台4上设有吸盘机构9和光束轮廓测量单元5，所述吸盘机构9吸附待切割对象8，所述光束轮廓测量单元5的探测面与所述吸盘机构9表面的垂向高度相同；所述系统控制器6接收所述光束轮廓测量单元5的信号，并控制所述激光器1、准直扩束单元2、工件台4以及光束轮廓测量单元5工作；所述准直扩束单元2包括倍率连续可调的镜组，所述系统控制器6接收的所述光束轮廓测量单元5反馈的光束能量强度，同时根据所述待切割对象8的厚度，调节所述镜组的倍率。通过在工件台4上设置光束轮廓测量单元5，实现垂向上bessel光束三维能量强度探测，并将探测到的数据上传至系统控制器6，系统控制器6根据探测到的数据和待切割对象8的厚度控制调节机构7对准直扩束单元2中镜组的倍率进行调节，从而调节光束整形单元3入射光束的直径，实现切割作用光束的长度控制，以适应被切割对象厚度变化，充分利用激光能量，提高加工效率，优化切割工艺。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。