微納懸浮顆粒輔助激光誘導(dǎo)背面濕式切割藍(lán)寶石基片的機(jī)理研究.pdf

1、藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分為單晶氧化鋁，該材料具有高耐磨、高硬度、高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，此外還具有良好的熱傳導(dǎo)性，化學(xué)穩(wěn)定性，絕緣性等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著3C消費(fèi)類電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，藍(lán)寶石晶體材料因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域，例如手機(jī)屏幕蓋板玻璃、指紋識(shí)別保護(hù)蓋板和鏡頭保護(hù)蓋，以及高檔手表的屏幕玻璃。目前藍(lán)寶石基片的加工技術(shù)主要應(yīng)用在劃片、鉆孔、切割和制造表面微結(jié)構(gòu)等方面。藍(lán)寶石是超硬脆材料（硬度僅次于金剛石），對(duì)藍(lán)寶石基片切割難度大，而市場(chǎng)需

2、求極大。金剛石切割法容易產(chǎn)生裂紋和碎片；化學(xué)刻蝕法刻蝕速度慢，使用強(qiáng)酸（氫氟酸、硫酸等）對(duì)環(huán)境污染。超短脈沖（飛秒或皮秒脈寬）加工成本過高、并存在一定的重凝層和熱應(yīng)力裂紋。激光背面濕式加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）切口齊整，少甚至無碎屑和重凝層；（2）熱應(yīng)力較小，可以避免對(duì)熱敏感的材料破壞；（3）加工過程中，在重力作用和微射流沖擊雙重作用下碎屑更易排出，減少崩邊和裂紋。因此，激光背面濕式加工有望實(shí)現(xiàn)較厚藍(lán)寶石基片的低損傷、高質(zhì)量的成形切割，是

3、一種應(yīng)用前景良好的加工方法。
　　本文首先配置含有微納顆粒的混合工作液體，分析微納顆粒的來源以及成分，研究微納顆粒對(duì)加工過程的影響規(guī)律；接著研究激光誘導(dǎo)含有微納顆粒工作液體產(chǎn)生溫和氣泡的特性，研究微納顆粒、溫和氣泡、沉積層之間的關(guān)系，分析微納懸浮顆粒輔助激光誘導(dǎo)背面濕式切割（LIBWD，Laser induced backside wet dicing）藍(lán)寶石基片的加工機(jī)理和材料去除過程；最后進(jìn)行激光誘導(dǎo)背面濕式切割藍(lán)寶石基片的工

4、藝實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石基片的激光背面濕式成形切割，主要研究方法和結(jié)論如下：
　　1.搭建激光誘導(dǎo)背面濕式切割及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由脈沖光纖激光加工平臺(tái)、高速攝像平臺(tái)、微夾具平臺(tái)三部分組成。配置含有顆粒的工作液體，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微納顆粒來源于化學(xué)反應(yīng)過程，其成分主要由硫酸銅、氫氧化銅和堿式硫酸銅組成，微納懸浮顆粒可以提高工作液體對(duì)激光的吸收率和避免大氣泡的產(chǎn)生。
　　2.研究激光誘導(dǎo)背面濕式切割藍(lán)寶石基片過程

5、中所誘導(dǎo)氣泡的動(dòng)態(tài)特征和形態(tài)特征和微射流的流場(chǎng)分布，研究溫和氣泡對(duì)加工過程的作用機(jī)制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的溫和氣泡主要是由于激光輻照微米懸浮顆粒而產(chǎn)生的，而且其持續(xù)時(shí)間和最大尺寸都小于硫酸銅水溶液作為工作液體時(shí)所誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣泡。
　　3．分析藍(lán)寶石切割過程中沉積層的形成機(jī)理和沉積層的成分，推導(dǎo)出相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式，研究材料去除機(jī)理和過程。沉積層的形成主要基于激光誘導(dǎo)的光化學(xué)反應(yīng)，其成分為硫酸銅、氫氧化銅和氧化銅。含有微納

6、懸浮顆粒的工作液體可以提高藍(lán)寶石對(duì)激光的吸收率，促進(jìn)沉積層的形成，微射流及其沖擊作用能起到輔助增強(qiáng)的作用，可以帶走加工產(chǎn)生的碎屑、更新加工作區(qū)域的工作液體、使得微納顆粒充分懸浮。
　　4．根據(jù)機(jī)理研究結(jié)果，對(duì)激光誘導(dǎo)背面濕式切割藍(lán)寶石基片加工系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)行工藝試驗(yàn)。使用磁力攪拌使微納顆粒充分懸浮，并設(shè)計(jì)夾具以實(shí)現(xiàn)工件的快速裝夾和取片。采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究激光脈沖寬度，激光能量密度，激光掃描速度對(duì)刻槽尺寸以及刻槽表面形貌的影響規(guī)

7、律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)激光脈沖寬度增加時(shí)，刻槽的深度以及寬度增加；激光能量密度增加時(shí)，刻槽的深度及寬度先增加然后趨于平穩(wěn)；激光掃描速度增加時(shí)，刻槽的深度以及寬度減??；多次重疊的掃描路徑可以顯著提升刻槽的深寬比，采用圓形排樣方案可以獲得較高的材料利用率。采用優(yōu)化的激光背面濕式切割工藝參數(shù)：脈寬200ns、激光能量密度為99.123 J/cm2、掃描速度150mm/s、重疊次數(shù)2次，重疊間距為0.0034mm，可以實(shí)現(xiàn)厚度430μm厚度藍(lán)寶石