用于使用多种气体介质激光切割蓝宝石的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于制造蓝宝石部件的系统和方法。获取蓝宝石基材300用于执行激光切割操作。使用激光器402和由气体递送装置404提供的第一气体介质沿切割轮廓302切割蓝宝石基材。第一气体介质基本上由惰性气体组成。然后在切割轮廓处或切割轮廓附近使用激光器和第二气体介质照射蓝宝石基材。第二气体介质与第一气体介质不同并包括氧气。
【专利说明】用于使用多种气体介质激光切割蓝宝石的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利合作条约专利申请要求于2014年I月30日提交的名称为“System andMethod for Laser Cutting Sapphire Using Multiple Gas Media” 的美国非临时性专利申请14/168,285的优先权，其内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
[0003]本公开的主题整体涉及制造蓝宝石部件，并且具体地涉及使用激光器和多于一种气体介质来切割蓝宝石基材并生产蓝宝石部件。蓝宝石部件可被用作便携式电子设备的保护盖。
【背景技术】
[0004]金刚砂是氧化铝的结晶形式并且被发现具有各种颜色，其大多数通常被称为蓝宝石。蓝宝石是硬且结实的材料，具有9.0莫氏硬度的硬度，并且因此，能够划伤几乎所有其他材料。因为其硬度和强度，蓝宝石可以是其他半透明材料如玻璃或聚碳酸酯的有吸引力的替代。然而，由于其易碎性质，由于部件的表面或者边缘的小缺陷，蓝宝石易受明显的强度降低。通常期望最小化在制造期间可能发生的小缺陷以生产耐用且持久的蓝宝石部件。
[0005]制造接近无缺陷的蓝宝石部件可存在独特的挑战。由于部件的表面或边缘上的缺陷群体，易碎材料诸如蓝宝石的强度受到限制。不一致或不充分的表面或边缘抛光可导致微裂纹的增长并导致弱化的部件。常规的半透明材料如硅酸盐玻璃能够被化学强化到显著深度以最小化这些缺陷的影响，但是对于极硬的材料诸如蓝宝石，类似的工艺不容易可用。另外，当实施常规的加工技术时，蓝宝石的硬度使得切割和抛光该材料既困难又费时。另夕卜，当用于蓝宝石时，常规的加工工具诸如切割器经受相对快速的磨损。在对蓝宝石部件进行表面抛光时这进一步增加了资源需求。
[0006]总之，需要一种用于生产在部件的边缘和表面上具有最小微缺陷的蓝宝石部件以得到随着时间的改善的强度和可靠性的系统和方法。还需要一种用于以快速、可重复的方式在蓝宝石部件上产生高质量边缘切割同时使用有效量的资源的系统和方法。
【发明内容】
[0007]—个示例性实施方案涉及制造蓝宝石部件的方法。获取蓝宝石基材用于执行激光切割操作。蓝宝石基材被沿切割轮廓使用激光器和第一气体介质切割。第一气体介质基本上由惰性气体组成。然后在切割轮廓处或者切割轮廓附近使用激光器和第二气体介质照射蓝宝石基材。第二气体介质与第一气体介质不同并且包括至少15体积％的氧气。蓝宝石部件最终与蓝宝石基材分开。在一些实施方案中，惰性气体是氮气。在一些情况下，第一气体介质包括至少99体积％的惰性气体。
[0008]在一些实施方案中，使用激光器对蓝宝石基材执行最终切割。最终切割可导致蓝宝石部件与蓝宝石基材分开，或者另选地，最终切割可将附加材料从蓝宝石部件移除。在一些情况下，在已使用第二气体介质照射蓝宝石基材之后执行最终切割。在其他情况下，在已使用第二气体介质照射蓝宝石基材之前执行最终切割。
[0009]在一些实施方案中，以比用于使用第一气体介质切割蓝宝石基材的切割激光功率小的照射激光功率执行使用第二气体介质的照射。在一些情况下，切割激光功率小于950瓦，并且照射激光功率比切割激光功率小至少500瓦。
[0010]在一些实施方案中，使用比用于使用第一气体介质切割蓝宝石基材的切割激光功率大的最终切割激光功率来执行最终切割。
[0011]在一个示例性实施方案中，沿切割轮廓切割蓝宝石基材包括(I)使用激光器沿切割轮廓熔化蓝宝石基材的一部分，以及(2)通过在蓝宝石基材的已熔化的一部分上鼓吹第一气体介质流来沿切割轮廓移除蓝宝石基材的一部分。
[0012]在一个示例性实施方案中，沿切割轮廓照射蓝宝石基材包括(I)使用激光器沿切割轮廓加热蓝宝石基材的一部分，以及(2)将蓝宝石基材的被加热的一部分浸没在第二气体介质中。
[0013]在一个实施方案中，蓝宝石部件可作为保护盖安装在便携式电子设备上。在一些情况下，便携式电子设备是以下各项中的任一者:移动电话、便携式媒体播放器、可穿戴设备或者平板计算设备。
[0014]—个示例性实施方案涉及一种用于生产蓝宝石部件的系统。该系统包括气体递送装置，该气体递送装置被配置为向被激光束照射的蓝宝石基材的一部分提供气体流。该系统还包括被配置为产生入射到蓝宝石基材的一部分上的激光束的激光器。在一些情况下，激光器被进一步配置为在气体递送装置提供第一气体介质时沿切割轮廓照射蓝宝石基材。第一气体介质基本上由惰性气体组成。激光器被进一步配置为在气体递送装置提供第二气体介质时沿切割轮廓照射蓝宝石基材。第二气体介质与第一气体介质不同并且包括至少15体积％的氧气。在一些实施方案中，激光器是具有1,500瓦的最大功率以及0.2ms至1ms范围内的可变脉冲持续时间的红外线激光器。
【附图说明】
[0015]图1A不出了样本电子设备的前部。
[0016]图1B不出了样本电子设备的后部。
[0017]图2示出了用于制造蓝宝石部件的示例性过程。
[0018]图3A示出了已经被切割的蓝宝石基材。
[0019]图3B示出了已经被切割和照射的蓝宝石基材。
[0020]图3C示出了从蓝宝石基材移除的蓝宝石部件。
[0021 ]图4示出了用于生产蓝宝石部件的示例性系统的示意图。
【具体实施方式】
[0022]多种消费类和非消费类设备利用由类似于蓝宝石的硬材料形成的保护盖、窗口和/或表面。相比于其他光学透明材料诸如硅酸盐玻璃，蓝宝石提供改善的耐刮擦性和强度。然而如前所提及的，蓝宝石也是相对易碎的并且如果在制造期间引入小的缺陷可能失效。另外，由于材料的高强度和硬度，切割和抛光工艺应该被优化，以降低制造成本和难度。如本文所述，根据各种实施方案，可使用激光切割工艺制造蓝宝石部件，该激光切割工艺使用多于一种气体介质来有助于移除材料并且还控制在切割工艺期间可能发生的褪色。
[0023]具体地，融合激光切割工艺可被用于生产具有可接受的边缘和表面光洁度的蓝宝石部件。在融合切割期间，激光束可被用于加热以及部分地熔化蓝宝石材料的一部分。指向的气体流然后被用于移除熔化的材料，以在蓝宝石材料中留下空隙或者凹陷。融合切割所生产的效率和边缘抛光可优于其他类型的激光切割技术，包括例如消融激光切割技术或者激光划线。
[0024]激光融合切割中使用的气体介质的类型可影响边缘的质量并且还可有助于控制与蓝宝石材料的化学反应诸如氧化。例如，惰性气体(例如，氮)在融合激光切割期间的使用可导致边缘抛光具有少的微裂纹、碎片或者其他物理间断点。然而，惰性气体的使用还可在部件的边缘附近产生褐色的或者暗的色调，出于视觉透明度或光学透明度的原因这可为不可取的。其他气体，诸如氧气，可在融合激光切割工艺期间被使用以增加氧化并增加生成的热的量，这可导致增加的切割速度。另外，氧气的使用可移除使用氮气执行的先前的激光切割所产生的褐色的或暗的色调。然而，由于可产生的热的增加的水平，使用氧气还可增加在部件的边缘处的微裂纹、碎片或者其他物理间断点的风险。本文所述的技术可被用于利用不同类型的气体介质的优点，同时最小化可能的缺点。根据下面描述的各种实施方案，蓝宝石部件制造工艺可使用激光和多于一种气体介质来生产具有可接受的边缘抛光和视觉外观的蓝宝石部件。
[0025]1.具有蓝宝石保护盖板的设备
[0026]根据各种实施方案，图1A-B示出了在设备的外部上具有多个硬的保护板的设备。在当前的实施例中，保护板由一个或多个蓝宝石部件形成，其提供显著的耐刮擦性并增强设备的机械完整性。保护板还可用作具有光传输性质的窗口并提供对下面的部件的可视性，诸如显示屏或图形元素。在典型的具体实施中，保护板的光学性能和机械性能两者对于设备的质量和性能的感知可均为重要的。
[0027]如图1A所示，设备100包括由蓝宝石部件形成并且被用作具有光传输性质的保护层的保护盖板101。通常使用具有光传输性质的粘合剂或者其他粘结技术将盖板101附接到设备100。在该实施例中，使用压敏粘合剂(PSA)膜附接盖板101。盖板101可被附接到显示屏110的表面并保护显示屏110不受划伤或者其他物理损害。显示屏110可包括液晶显示屏(IXD)、有机LED显示屏或者类似的显示屏元件。因为盖板101覆盖显示屏110，光学透明性和物理强度是盖板101的功能性的重要方面。盖板101还可被附接到覆盖显示屏110的透明电子传感器或者与其集成。在一些情况下，电子传感器覆盖整个显示屏110并被用作用户的主输入设备。在一些具体实施中，盖板101可与用于检测盖板101的表面上的手指或触笔触摸的电容式触摸传感器集成。
[0028]图1A中所示的盖板101由具有小于3mm的总体厚度的蓝宝石部件形成。通常，覆盖玻璃101的总体厚度为约1mm，尽管该厚度可在设备和/或实施方案之间变化。覆盖玻璃101可由蓝宝石材料的单个板形成，或者另选地，由多个层制成并且具有由蓝宝石板形成的至少一个层的层合材料形成。在当前的实施例中，盖板101的一侧围绕周边部分印有固体的、不透明的边界。盖板101的中心部分保持具有光传输性质。盖板101的印刷的侧面通常为与设备100的外部表面相对的侧面，以防止印刷的部分被划伤或者损坏。在设备的外部的盖板101的侧面可包括抗反射的或者其他类型的涂层，以增强覆盖玻璃101的光学特性。
[0029]如图1A所示，设备100的前表面还包括按钮板102，用于保护控制按钮112的表面。在该实施例中，按钮板102由蓝宝石部件形成并被用作具有光传输性质的保护层。按钮板102保护控制按钮112的表面并允许印刷在控制按钮112上的任何图形元素的可视性。在一些情况下，按钮板不必为具有光传输性质的。例如，按钮板102可为不透明的并且自身印有图形元素或符号。在这种情况下，按钮板102是平板，但是在其他实施方案中，按钮板可形成为具有轮廓的或者弯曲的表面。
[0030]按钮板102可增强控制按钮112的机械强度，该控制按钮用作设备100的输入。在当前的实施例中，控制按钮112包括通过按压控制按钮112而操作的触觉开关。控制按钮112还可包括电子触摸传感器诸如电容式触摸传感器或者生物特征传感器或与其相关联。按钮板102可被直接附接到控制按钮112的外壳并且可另选地与控制按钮112的电子触摸传感器附接或集成。
[0031]在某些实施方案中，图1A中所示的按钮板102由具有小于3mm并且通常约Imm的总体厚度的蓝宝石部件形成。类似于盖板101，按钮板102可由蓝宝石材料的单个板形成，或者另选地，由具有由蓝宝石的板形成的至少一个层的层合材料形成。在一些情况下，按钮板102由与盖板102相同的材料形成，尽管这不是必须的。按钮板102的一侧或双侧还可被印刷或者涂覆，以增强蓝宝石部件的光学性能。
[0032]如图1B所示，设备100的后表面由后板103保护。类似于盖板101，后板103也由蓝宝石部件形成并被用作具有光传输性质的保护层。在这种情况下，后板103提供印刷在设备100的背面上的图形元素的可视性。另外类似于盖板101，后板103可由蓝宝石材料的单个板形成，或者另选地，由具有由蓝宝石的板形成的至少一个层的层合材料形成。在这种情况下，后板103覆盖设备100的整个后部，除了相机镜头114附近的区域。独立的蓝宝石部件可被用于保护相机镜头114。在另选的实施方案中，后板103还覆盖相机镜头114，并且没有使用单独的蓝宝石部件。
[0033]在该实施例中，保护盖板(101，102，103)由结晶形式的氧化铝(Al2O3),也称为金刚砂制成的蓝宝石板部件形成。蓝宝石板的厚度可在3mm至0.1mm范围内并且可具有约9.0莫氏硬度的硬度，尽管另选的实施方案可具有不同厚度的板。如上所述，保护盖板(101，102，103)中的任一个板可形成为材料的多个板的层合体并且还可涂覆有一种或多种材料以增强部件的光学特性或机械特性。在一些情况下，从相同的蓝宝石基材形成所有的保护盖板(101，102，103)以简化制造工艺可为有利的。然而，不同类型的蓝宝石基材可被用于每个盖板，取决于每个板所期望的光学特性和/或机械特性。
[0034]如图1A-B中所示，设备100是便携式电子设备。设备100可为利用硬的基材作为覆盖件、窗口和/或表面的各种设备中的任一种。例如，设备100可为便携式电子设备，诸如移动电话、便携式媒体播放器或者其他手持设备。类似类型的保护盖可被应用于其他电子设备，包括例如平板计算机、笔记本计算机和可穿戴设备。另外，保护盖可被应用于其他类型的设备，包括非电子设备，诸如在刻度盘上方使用具有光传输性质的表面的机械手表。另选地，保护盖可与包括硬的外部表面的任何设备集成，特别地如果该表面包括显示屏、相机或其他光学元件。
_5] 2.用于制造蓝宝石部件的方法
[0036]具有如图1A-B中所示的一个或多个蓝宝石保护盖板的设备的一致或长效的频繁使用可导致对表面的损坏。甚至在不存在对保护盖板的环境损害时，如果盖板被制造的具有裂缝或微裂纹，这些裂缝或裂纹可随时间通过该部件蔓延，从而导致过早的机械失效。因此，以最小化部件的边缘或表面中的裂缝或微裂纹的方式制造蓝宝石部件作为盖板通常是有利的。下面描述的制造系统和方法可被用于生产具有足以用作设备上的保护盖的质量和可靠性的水平的蓝宝石部件。
[0037]图2示出了可被用于制造蓝宝石部件的示例性过程200。示例性过程200可例如在下面参考图4所描述的系统400上实现。另外，根据上面参考图1A-B提供的实施例所生产的蓝宝石部件可被用作设备上的保护盖板。过程200也可被用于生产用于各种其他应用的蓝宝石部件，包括结构层合体、光学板、光学透镜等等。
[0038]在操作202中，获取蓝宝石基材。在当前的实施例中，蓝宝石基材为约Imm厚的合成蓝宝石的板，从蓝宝石材料的圆柱形刚玉切割。参照图3A，蓝宝石基材300可形成为平盘形板。通常，蓝宝石基材300包括小于3mm厚的蓝宝石材料的板并且从各种来源，天然的和合成的获取。在一些情况下，蓝宝石300是具有多个层并且至少一个层由蓝宝石材料制成的层合复合材料。在蓝宝石基材层合体中的其他层可包括例如硅酸盐玻璃、聚合物片材或者蓝宝石材料的附加层。蓝宝石基材还可包括一个或多个涂层以改善基材的光学特性或机械特性。尽管当前的实施例的蓝宝石基材是平坦的，在另选的实施方案中，蓝宝石基材可具有成轮廓的或者其他非平坦的形状。
[0039]在操作204中，蓝宝石基材被切割。在该实施例中，使用具有气体协助的激光融合工艺来切割蓝宝石基材。在典型的激光融合工艺中，激光束被用于照射基材的表面的一部分。激光束加热并熔化在激光束入射到表面上的点处或附近的蓝宝石基材的部分。在当前的实施例中，使用具有I，500瓦的最大功率、1070nm的波长以及0.2至1ms范围内的脉冲宽度的红外线激光器来切割蓝宝石基材。在一个示例性切割操作中，使用至少950瓦的激光功率。通常，具有ΙΟμπι或更小的束宽度的激光器被用于切割蓝宝石基材的表面。这些参数通过举例的方式被提供。激光功率、激光波长、脉冲宽度和束宽度全部可在可接受的值的范围内变化并且可部分地取决于蓝宝石基材的厚度、期望的切割速度和质量。
[0040]另外，在操作204中，气体流被用于移除熔化的部分，以在蓝宝石基材的表面上形成切割部分。具体地，气体流被引导在基材的熔化的部分处并且被用于将蓝宝石基材的熔化的材料吹掉。在该实施例中，气体流基本上由惰性气体介质组成。在一些情况下，惰性气体包括用于切割蓝宝石基材的至少100体积％的气体介质。在一些情况下，惰性气体包括用于切割蓝宝石基材的至少99.99体积％的气体介质。在一些情况下，惰性气体包括用于切割蓝宝石基材的最少98体积％的气体介质。在当前的实施例中，使用包含99体积％氮气的气体介质。其他可接受的惰性气体包括氦气、氖气、氩气以及在激光切割条件下不容易与蓝宝石基材化学反应的其他气体。
[0041 ]在操作204中形成的切割的深度部分地取决于激光束的功率、激光束的移动(例如，进刀速度)以及用于移除材料的气体介质流的特性。在一些情况下，切割工艺导致蓝宝石基材的表面中的小的凹陷或空隙。在其他情况下，切割工艺导致切割完全地穿过蓝宝石基材。
[0042]在操作204中，沿具有大体与蓝宝石部件的期望形状对应的几何形状的切割轮廓来切割蓝宝石基材。参照图3A，用激光器和惰性气体介质沿切割轮廓302切割蓝宝石基材300，切割轮廓302大体与盖板101 (图1A中所示)的轮廓形状对应。因为单个蓝宝石基材300可足够大以形成多个蓝宝石部件，可形成多于一个切割轮廓。如图3A所示，根据操作204另一个切割轮廓304在蓝宝石基材300中形成。
[0043]在操作204中，可通过例如相对于蓝宝石基材的表面移动激光束来形成切割轮廓。在一些情况下，激光器和蓝宝石基材是固定的，并且通过操纵光学元件诸如镜子以引导激光束的路径来形成切割轮廓。下面更加详细地所述，图4提供了可被用于沿切割轮廓照射蓝宝石基材的示例性系统的示意图。
[0044]一般来讲，根据操作204，使用惰性气体的融合激光切割可导致具有可接受的低数量的缺陷或微裂纹的切口或凹陷。在一些情况下，融合激光切割导致基本上没有缺陷或微裂纹的切口或凹陷。因此，操作204可被用于形成具有可接受的边缘质量的蓝宝石部件。然而，在一些情况下，使用惰性气体介质用于融合激光切割导致蓝宝石基材在切割轮廓处或附近的褪色。在一些情况下，在切割轮廓附近形成颜色变深的区域或者褐色的色调。
[0045]根据本申请，可能不期望在最终的部件上具有颜色变深的区域。例如，如果蓝宝石部件将被用于白色设备上，颜色变深的区域可为视觉上不期望的并且使用印刷的边界或者其他图形元素难以隐藏。因此，根据过程200，使用不同的气体介质来二次照射蓝宝石基材以移除颜色变深的区域。
[0046]在操作206中，使用激光器和第二、不同的气体介质来照射蓝宝石基材。类似于先前的切割操作，激光束加热并熔化在激光束入射到表面上的点处或附近的蓝宝石基材的部分。然而，在该实施例中，激光器的功率是较低的以降低在照射的点处熔化的材料的量。在当前的实施例中，使用具有1070nm的波长和0.2至1ms范围内的脉冲宽度的红外线激光器来切割蓝宝石基材。通常，具有ΙΟμπι或更小的束宽度的激光器被用于切割蓝宝石基材的表面。以举例的方式提供这些参数，并且激光波长、脉冲宽度和束宽度全部可在值的范围内变化并且可部分地取决于所期望的照射的速度和照射的程度。
[0047]通常，用于照射操作206的激光器功率比用于切割操作204的激光器功率低约600瓦。在一些情况下，用于操作206的激光器功率比用于切割操作204的激光器功率低多达约750瓦。在一些情况下，用于照射操作206的激光器功率比用于切割操作204的激光器功率低约500瓦。
[0048]因为用于切割操作204的最大功率可变，以最大功率百分比的形式表达用于照射操作206的激光器功率可更加有用。例如，在一些情况下，用于照射操作206的激光器功率是用于切割操作204的激光器功率的约20%。在一些情况下，用于照射操作206的激光器功率是用于切割操作204的激光器功率的约35%。在一些情况下，用于照射操作206的激光器功率是用于切割操作204的激光器功率的约50 %。在一些情况下，用于操作206的激光器功率可与用于切割操作204的激光器功率相同或者比其大。在一些情况下，其他参数，诸如激光器的脉冲宽度，可针对照射操作206减小。
[0049]在操作206中，气流被用于浸没蓝宝石基材的被照射的部分。在该实施例中，包含约21体积％的氧气的第二气体介质在操作206期间被使用。通常，第二气体介质包含至少15%但不多于25体积％的氧气。在照射操作206期间，第二气体介质中的氧气促进蓝宝石基材表面上的氧化反应。通常，氧化反应去除在先前的操作204期间已经产生的颜色变深的区域。在一些情况下，产生褪色的区域的材料被氧化过程烧掉，以改善蓝宝石部件的视觉外观。氧化可在照射位置处产生白色的或朦胧的残余。然而，在一些应用中，白色的或朦胧的残余比颜色变深的区域更好，因为其可更加容易通过印刷的边界或者其他图形元素掩饰或隐藏。
[0050]在操作206中，沿在先前操作204的切割轮廓路径附近或者大概与先前操作204的切割轮廓路径对应的轮廓路径照射蓝宝石基材。在一些情况下，轮廓路径基本上与在操作204中产生的切割轮廓路径相同。在其他情况下，操作206的轮廓路径与切割轮廓路径偏移。参考图3B，轮廓路径312与切割轮廓302偏移并且另一个轮廓路径314与另一切割轮廓304偏移。通过偏移轮廓路径，操作206的照射过程和氧化过程可被更加直接地应用到蓝宝石基材上的变深的区域。
[0051 ]在操作208中，蓝宝石部件被从蓝宝石基材移除。在当前实施例中，最终的融合切割在蓝宝石基材上执行以完全移除基材与蓝宝石部件之间的材料。通常，激光器的功率在约1300瓦并且使用类似于用于切割操作204的第一气体介质的惰性气体介质来执行另一融合切割。在一些情况下，第二融合切割与操作204中执行的第一切割轮廓轻微偏移。尽管在一些情况下操作208涉及附加的融合切割，在其他情况下，蓝宝石部件可完全地或者几乎完全地被切割操作204分开。在这种情况下，蓝宝石部件已经与基材物理地分开并且仅需从基材移除。如果蓝宝石部件已经被切割操作204与基材分开，第二融合切割可将附加材料从蓝宝石部件的周边移除。
[0052]图3C示出了可使用过程200生产的示例性蓝宝石部件350。在该实施例中，蓝宝石部件350与盖板101 (图1A中所示)对应。在蓝宝石部件350作为盖板被安装在设备上之前，可在蓝宝石部件350上执行附加处理和激光器切割。例如，根据过程200的另一激光器切割还可在蓝宝石部件350上在控制按钮的位置处执行。因此，过程200的操作可在蓝宝石部件上执行多次以形成最终的产品。
[0053]过程200的操作的顺序也可与参考图2上的流程图所述的不同。例如，在一些情况下，可在蓝宝石部件已经在操作208中被从基材移除之后执行照射过程206。即，蓝宝石部件可在操作206的氧化过程被执行以移除任何颜色变深的区域之前被从基材完全融合切割。
[0054]3.用于制造蓝宝石部件的系统
[0055]图4示出了可被用于制造蓝宝石部件的系统的示意图。具体地，图4所示的系统400可被用于根据上面参考图2所述的过程200来形成蓝宝石部件。如上面操作图1A-B所述的，蓝宝石部件可被用作便携式电子设备的保护盖，诸如移动电话。
[0056]如图4所示，系统400包括激光器402和包括同轴气体递送喷嘴404a和侧面气体递送喷嘴404b的气体递送装置404。系统400还包括用于控制激光器402、气体递送装置404的控制器410。系统400通常还包括支撑结构或者定位机构用于将蓝宝石基材300保持并定位在激光器402下方。尽管图4中所示的系统示出了定位在蓝宝石基材300上方的激光器402，激光器402相对于蓝宝石基材300的取向可根据具体实施变化。
[0057]在当前实施例中，激光器402是被配置为产生居中在约1070nm的波长以及0.2至I Oms范围内的脉冲持续时间的激光束的纤维激光器。因为，蓝宝石基材300可吸收1070nm附近的射线，激光器402被配置为加热并切割蓝宝石基材300。通常，激光器402可被配置为产生功率在10瓦至150瓦平均功率范围内(具有最大值I，500瓦的最大功率)的激光束。
[0058]系统400还包括用于引导激光器402产生的激光束到蓝宝石基材300的表面上的机构。机构可定位激光器402，定位蓝宝石基材300，调控激光束的路径，或者三者的任何组合。一般来讲，机构能够引导激光束沿蓝宝石基材300的表面上的一个或多个切割路径(302，304)。例如，蓝宝石基材300可被安装在二维伺服控制塔板上，该二维伺服控制塔板被配置为将蓝宝石基材300定位在几何平面内的不同位置处。另外，伺服控制光学元件，诸如镜子，可被配置为引导激光束在蓝宝石基材300的表面上的不同位置处。
[0059]如图4所示，系统400还包括具有同轴气体递送喷嘴404a和侧面气体递送喷嘴404b的气体递送装置404，用于将一个或多个气体介质流引导到蓝宝石基材300的表面上。通常，气体递送装置404被配置为引导气体流在激光束入射在蓝宝石基材300的表面上的位置处或附近。因此，激光束和蓝宝石基材300在入射激光束附近的表面被浸没在气体递送装置404提供的气体介质中。气体递送装置404通常可被配置为提供流动速度和质量流速的范围以有助于上面根据过程200所述的蚀刻操作、切割操作和照射操作。具体地，同轴气体递送喷嘴404a被配置为使用具有0.1mm至0.5mm范围内的直径的喷嘴产生具有5巴至15巴范围内的压力的气体介质流。在一个实施例中，气体递送装置404被配置为使用具有0.3mm的直径的同轴气体递送喷嘴404a产生8巴压力的同轴气流。
[0060]气体递送装置404还被配置为递送多种类型的气体介质流。具体地，气体递送装置404被配置为根据上面参考图2所述的操作204递送具有包含惰性气体的第一组成的气体介质。气体递送装置404还被配置为根据上面参考图2所述的操作204递送包含氧气的第二、不同的气体介质。气体递送装置404还被配置为递送具有与上面所述的不同组成的其他气体介质。
[0061]如图4所示。气体递送装置404可被配置为以与入射在基材上的激光束基本上相同的角度或者基本上同轴地递送气体流。具体地，气体递送装置404可使用同轴气体递送喷嘴404a来产生与激光束基本上同轴的气体流。另选地或除此之外，气体递送装置404可被配置为使用气体递送喷嘴404b以相对于入射在基材上的激光束的角度来递送气体的流。同轴气体递送喷嘴404a和侧面气体递送喷嘴404b可一前一后地使用或者另选地可单独地使用。即，在一些情况下，同轴气体递送喷嘴404a提供用于激光切割和照射操作的所有或者基本上所有的气体介质。
[0062]如图4所示，系统400还包括控制器410。在当前的实施方案中，控制器包括计算机处理器(例如，微控制器)和用于存储计算机可读指令的计算机存储器。计算机可读指令可在计算机处理器上被执行以使得系统400执行上面参考图2所述的过程200。控制器410还包括用于与系统400的其他元件通信的输入/输出(1/0)，包括激光器402和气体递送装置404。
[0063]系统400的操作可被提供为可包括例如在其上存储有指令的计算机可读存储介质或非暂态机器可读介质的计算机程序产品或软件，其可用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以执行根据本公开的过程。非暂态机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式(例如软件、处理应用程序)存储信息的任何机制。非暂态机器可读介质可呈现以下形式但不限于:磁性存储介质(例如，软盘、录影带等等)；光学存储介质(例如，CD-R0M);磁光存储介质；只读存储器(ROM);随机存取存储器(RAM);可擦除可编程存储器(例如，EPROi^PEEPROM)；闪存存储器;等等。
[0064]虽然参照各种实施方案描述了本公开，但应当理解，这些实施方案为示例性的，并且本发明的范围并不限于这些实施方案。许多变型、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已在特定实施方案的上下文中描述了根据本公开的实施方案。在本公开的各种实施方案中可以不同方式在过程中将功能分开或组合在一起，或以不同术语加以描述。这些和其他变型、修改、添加和改进可落在以下权利要求所限定的本公开的范围内。
【主权项】
1.一种制造蓝宝石部件的方法，包括: 获取蓝宝石基材； 使用激光器和第一气体介质沿切割轮廓切割所述蓝宝石基材，其中所述第一气体介质基本上由惰性气体组成； 使用所述激光器和第二气体介质在所述切割轮廓附近照射所述蓝宝石基材，其中所述第二气体介质与所述第一气体介质不同并且包括至少15%的体积的氧气；以及将所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开。2.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，还包括: 使用所述激光器在所述蓝宝石基材上执行最终切割，从而使所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开，其中在已使用所述第二气体介质照射所述蓝宝石基材之后执行所述最终切割。3.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，还包括: 使用所述激光器在所述蓝宝石基材上执行最终切割，从而使所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开，其中在已使用所述第二气体介质照射所述蓝宝石基材之前执行所述最终切割。4.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，其中使用所述第二气体介质的所述照射以比用于使用所述第一气体介质切割所述蓝宝石基材的切割激光功率小的照射激光功率执行。5.根据权利要求4所述的制造蓝宝石部件的方法，其中所述切割激光功率小于950瓦，并且所述照射激光功率比所述切割激光功率小至少500瓦。6.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，其中使用比用于使用所述第一气体介质切割所述蓝宝石基材的切割激光功率大的最终切割激光功率来执行所述最终切割。7.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，其中所述惰性气体是氮气。8.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法， 其中沿所述切割轮廓切割所述蓝宝石基材包括: 使用所述激光器沿所述切割轮廓熔化所述蓝宝石基材的一部分；以及通过在所述蓝宝石基材的已被恪化的所述一部分上鼓吹所述第一气体介质的流来沿所述切割轮廓移除所述蓝宝石基材的所述一部分。9.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法， 其中沿所述切割轮廓照射所述蓝宝石基材包括: 使用所述激光器沿所述切割轮廓加热所述蓝宝石基材的一部分；以及 将所述蓝宝石基材的被加热的所述一部分浸没在所述第二气体介质中。10.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，其中所述蓝宝石基材包括具有多个层以及由蓝宝石制造的至少一个层的层合结构。11.根据权利要求1所述的制造蓝宝石部件的方法，其中所述第一气体介质包括至少99%的体积的惰性气体。12.—种制造蓝宝石部件的方法，包括: 获取蓝宝石基材； 使用激光器沿第一切割轮廓照射所述蓝宝石基材； 使用基本上由惰性气体组成的第一气体介质沿所述第一切割轮廓移除所述蓝宝石基材的至少一部分； 使用所述激光器和第二气体介质沿第二切割轮廓照射所述蓝宝石基材，其中 所述第二气体介质与所述第一气体介质不同， 所述第二气体介质包括至少15 %的体积的氧气，并且 所述第二切割轮廓与所述第一切割轮廓偏移；以及 将所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开。13.根据权利要求12所述的制造蓝宝石部件的方法，还包括: 使用所述激光器在所述蓝宝石基材上执行最终切割，从而使所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开，其中在所述蓝宝石基材已被沿所述第二切割轮廓照射之后执行所述最终切割。14.根据权利要求12所述的制造蓝宝石部件的方法，还包括: 使用所述激光器在所述蓝宝石基材上执行最终切割，从而使所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开，其中在所述蓝宝石基材已被沿所述第二切割轮廓照射之前执行所述最终切割。15.根据权利要求12所述的制造蓝宝石部件的方法， 其中沿所述第一切割轮廓的所述照射以比沿所述第二切割轮廓进行的所述照射的第二激光功率大的第一激光功率进行。16.根据权利要求12所述的制造蓝宝石部件的方法， 其中沿所述第一切割轮廓照射所述蓝宝石基材包括: 使用所述激光器沿所述第一切割轮廓熔化所述蓝宝石基材的一部分；以及通过在所述蓝宝石基材的已被熔化的所述一部分上鼓吹所述第一气体介质的流来移除所述蓝宝石基材的所述一部分。17.根据权利要求12所述的制造蓝宝石部件的方法， 其中沿所述第二切割轮廓照射所述蓝宝石基材包括: 使用所述激光器沿所述第二切割轮廓加热所述蓝宝石基材的一部分；以及 将所述蓝宝石基材的已被加热的所述一部分浸没在所述第二气体介质中。18.—种制造便携式电子设备的方法，所述方法包括: 获取蓝宝石部件，所述蓝宝石部件通过以下步骤形成: 获取蓝宝石基材； 使用激光器和第一气体介质沿切割轮廓照射所述蓝宝石基材，其中所述第一气体介质基本上由惰性气体组成； 使用所述激光器和第二气体介质沿所述切割轮廓照射所述蓝宝石基材，其中所述第二气体介质与所述第一气体介质不同并且包含至少15%的体积的氧气；以及将所述蓝宝石部件与所述蓝宝石基材分开；以及将所述蓝宝石部件附接到所述便携式电子设备的外部面。19.根据权利要求18所述的制造便携式电子设备的方法，其中所述便携式电子设备是以下各项中的任一者:移动电话、便携式媒体播放器、可穿戴设备或平板计算设备。20.根据权利要求18所述的制造便携式电子设备的方法，其中所述第一气体介质包含至少99%的体积的惰性气体。21.—种用于生产蓝宝石部件的系统，所述系统包括: 气体递送装置，其中所述气体递送装置被配置为将气体的流提供至蓝宝石基材的被激光束照射的一部分;和 激光器，所述激光器被配置为产生入射在所述蓝宝石基材的所述一部分上的所述激光束，其中所述激光器被进一步配置为， 在所述气体递送装置提供第一气体介质时，沿切割轮廓照射所述蓝宝石基材，其中所述第一气体介质基本上由惰性气体组成； 在所述气体递送装置提供第二气体介质时，沿所述切割轮廓照射所述蓝宝石基材，其中所述第二气体介质与所述第一气体介质不同并且包括至少15%的体积的氧气。22.根据权利要求21所述的系统，其中所述激光器是具有1500瓦的最大功率以及0.2ms至1ms范围内的可变脉冲持续时间的红外线激光器。
【文档编号】B23K26/38GK105980099SQ201580006432
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月28日
【发明人】M·M·李, A·J·里克特, D·N·梅默林
【申请人】苹果公司