本發(fā)明涉及一種氮化鋁陶瓷的激光加工裝置及其方法，屬于激光加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的新型陶瓷材料，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、可靠的電絕緣性、低的介電常數(shù)和介電損耗、無(wú)毒以及與硅相匹配的熱膨脹系統(tǒng)等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)所用材料的性能提出了更高的要求。氮化鋁陶瓷也必將在許多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。雖然多年來(lái)通過(guò)許多研究者的不懈努力，在粉末的制備、成形、燒結(jié)等方面的研究均取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。氮化鋁硬度高,超過(guò)傳統(tǒng)氧化鋁,是新型的耐磨陶瓷材料,但由于造價(jià)高，只能用于磨損嚴(yán)重的部位.利用ALN陶瓷耐熱耐熔體侵蝕和熱震性，可制作GaAs晶體坩堝、Al蒸發(fā)皿、磁流體發(fā)電裝置及高溫透平機(jī)耐蝕部件，利用其光學(xué)性能可作紅外線窗口。氮化鋁薄膜可制成高頻壓電元件、超大規(guī)模集成電路基片等。氮化鋁耐熱、耐熔融金屬的侵蝕，對(duì)酸穩(wěn)定，但在堿性溶液中易被侵蝕。AIN新生表面暴露在濕空氣中會(huì)反應(yīng)生成極薄的氧化膜。利用此特性，可用作鋁、銅、銀、鉛等金屬熔煉的坩堝和燒鑄模具材料。ALN陶瓷的金屬化性能較好，可替代有毒性的氧化敏瓷在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種氮化鋁陶瓷的激光加工裝置及其方法。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，特點(diǎn)是：包含準(zhǔn)連續(xù)激光器、具有保護(hù)層的光纖、玻璃器皿以及恒溫超聲清洗裝置，所述準(zhǔn)連續(xù)激光器的光路輸出端通過(guò)具有保護(hù)層的光纖與激光頭傳導(dǎo)連接，激光頭的輸出光路上依次布置有準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡，聚焦鏡的光路輸出端正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)升降機(jī)構(gòu)安裝于玻璃器皿之上，玻璃器皿置于恒溫超聲清洗裝置中。
進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上方布置有影像系統(tǒng)。
更進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述聚焦鏡上安裝有噴嘴，噴嘴正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，噴嘴連接輔助吹氣裝置。
更進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述準(zhǔn)連續(xù)激光器為1064nm光纖準(zhǔn)連續(xù)激光器。
更進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述光纖的保護(hù)層由橡膠或者鋁制薄膜纏繞形成。
更進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述玻璃器皿中盛放有溶液，溶液為鹽酸溶液或者丙酮溶液。
更進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述影像系統(tǒng)為高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)。
再進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，控制系統(tǒng)與X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制連接。
再進(jìn)一步地，上述的氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，其中，所述X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方的一側(cè)布置有真空吸附裝置。
本發(fā)明氮化鋁陶瓷的激光加工方法，待加工的氮化鋁陶瓷固定于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，準(zhǔn)連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)具有保護(hù)層的光纖傳導(dǎo)到激光頭，激光頭的光路輸出發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直鏡將自然光調(diào)整為平行光，平行光通過(guò)聚焦鏡匯聚，與影像系統(tǒng)配合，進(jìn)而控制激光加工位置，激光按照加工圖形以坐標(biāo)系的方式反饋到X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，基于平臺(tái)位置觸發(fā)信號(hào)，輸出激光，聚焦到待加工的氮化鋁陶瓷表面，以瞬間融化材料進(jìn)行加工，待加工完成的氮化鋁陶瓷置入盛放溶液的玻璃器皿中，由恒溫超聲清洗裝置進(jìn)行加熱與超聲，去除加工過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體體現(xiàn)在以下方面：
①采用長(zhǎng)脈寬激光器(準(zhǔn)連續(xù)激光器)，產(chǎn)生ms量級(jí)的脈沖，能夠使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，更適宜對(duì)材料的切割、鉆孔與劃線，選用的光路輸出發(fā)散光，需要將激光頭連接到切割頭的進(jìn)口端，即準(zhǔn)直端口，將發(fā)散光調(diào)整為平行光，再通過(guò)切割頭內(nèi)置的聚焦鏡，將平光匯聚成能量最強(qiáng)的一個(gè)點(diǎn)，輔助吹氣，讓通過(guò)切割頭的光路輸出端正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，使用高清影像對(duì)材料進(jìn)行定位，確定具體的加工位置，激光按照加工圖形以坐標(biāo)系的方式反饋到勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器能量等參數(shù)的控制，以及運(yùn)動(dòng)速度的控制，保證加工過(guò)程中流暢性，能量加工的一致性；
②采用具有保護(hù)層的光纖進(jìn)行傳導(dǎo)，取代傳統(tǒng)意義的飛行光路，減少了粉塵對(duì)激光器等設(shè)備傷害，增加了光腔的密封性；
③通過(guò)光學(xué)搭配，采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的激光光路和光學(xué)模塊的應(yīng)用，綜合光纖激光在氧化鋁陶瓷方面劃線和打孔領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并改進(jìn)傳統(tǒng)的加工方式，實(shí)現(xiàn)劃線、切割和微孔加工，相比其他光源加工方式有了更快的加工速度和加工質(zhì)量，更適用于芯片封裝、LED照明等行領(lǐng)域；本發(fā)明保證了氮化鋁陶瓷又快又好的加工以及加工完成后材料表面雜質(zhì)的清洗。
④用于對(duì)散熱性能良好的氮化鋁陶瓷進(jìn)行劃線、切割等加工，適合芯片封裝、LED照明等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)劃線、切割和微孔加工，相比于傳統(tǒng)的激光設(shè)備打孔方式，加工速度更快，加工質(zhì)量更好。
附圖說(shuō)明
圖1：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明具體實(shí)施方案。
如圖1所示，氮化鋁陶瓷的激光加工裝置，包含準(zhǔn)連續(xù)激光器1、具有保護(hù)層的光纖2、玻璃器皿11以及恒溫超聲清洗裝置12，準(zhǔn)連續(xù)激光器1的光路輸出端通過(guò)具有保護(hù)層的光纖2與激光頭3傳導(dǎo)連接，激光頭3的輸出光路上依次布置有準(zhǔn)直鏡4和聚焦鏡6，聚焦鏡6的光路輸出端正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9通過(guò)升降機(jī)構(gòu)安裝于玻璃器皿11之上，玻璃器皿11置于恒溫超聲清洗裝置12中。X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9的上方布置有影像系統(tǒng)5，聚焦鏡6上安裝有噴嘴7，噴嘴7正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9，噴嘴7連接輔助吹氣裝置8。X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9上方的一側(cè)布置有真空吸附裝置?？刂葡到y(tǒng)10與X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9控制連接。
準(zhǔn)連續(xù)激光器1與激光頭3之間光路采用具有保護(hù)層的光纖進(jìn)行傳導(dǎo)，取代傳統(tǒng)意義的飛行光路，減少了粉塵對(duì)激光器等設(shè)備傷害，增加了光腔的密封性。光纖2的保護(hù)層由橡膠或者鋁制薄膜對(duì)纏繞形成，防止光纖折斷或者被外界的雜質(zhì)污染。
準(zhǔn)連續(xù)激光器1為1064nm光纖準(zhǔn)連續(xù)激光器。具有QCW出光模式，能夠使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，更適宜對(duì)材料的切割、鉆孔與劃線。
激光頭3輸出的無(wú)規(guī)則自然光通過(guò)準(zhǔn)直鏡4調(diào)整為有序的平行光束。
激光平行光束進(jìn)入聚焦鏡6，實(shí)現(xiàn)激光匯聚，并與影像系統(tǒng)5配合、進(jìn)而控制激光加工位置，激光按照加工圖形以坐標(biāo)系的方式反饋到勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，基于平臺(tái)位置觸發(fā)信號(hào)，輸出激光，聚焦到待加工工件表面，以瞬間融化材料進(jìn)行加工。
影像系統(tǒng)5為高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的準(zhǔn)備定位和自動(dòng)捕捉功能。
X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9由控制系統(tǒng)10設(shè)置速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，操作簡(jiǎn)易方便。
玻璃器皿11中盛放有溶液，溶液為鹽酸溶液或者丙酮溶液，兩種溶液不能混合使用。但可以將氮化鋁陶瓷先在稀鹽酸溶液浸泡2～4小時(shí)后，再在丙酮溶液里繼續(xù)浸泡2小時(shí)即可。
采用長(zhǎng)脈寬激光器(也叫準(zhǔn)連續(xù)激光器)，產(chǎn)生ms量級(jí)的脈沖，能夠使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，更適宜對(duì)材料的切割、鉆孔與劃線，選用的光路輸出發(fā)散光，需要將激光頭連接到切割頭的進(jìn)口端，即準(zhǔn)直端口，將發(fā)散光調(diào)整為平行光，再通過(guò)切割頭內(nèi)置的聚焦鏡，將平光匯聚成能量最強(qiáng)的一個(gè)點(diǎn)，輔助吹氣，讓通過(guò)切割頭的光路輸出端正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，使用高清影像對(duì)材料進(jìn)行定位，確定具體的加工位置，激光按照加工圖形以坐標(biāo)系的方式反饋到勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器能量等參數(shù)的控制，以及運(yùn)動(dòng)速度的控制，保證加工過(guò)程中流暢性，能量加工的一致性。
本發(fā)明氮化鋁陶瓷的激光加工方法，待加工的氮化鋁陶瓷固定于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9上，準(zhǔn)連續(xù)激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)具有保護(hù)層的光纖2傳導(dǎo)到激光頭3，激光頭3的光路輸出發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直鏡4將自然光調(diào)整為平行光，平行光通過(guò)聚焦鏡6匯聚，與影像系統(tǒng)配合，進(jìn)而控制激光加工位置，激光按照加工圖形以坐標(biāo)系的方式反饋到X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9上，基于平臺(tái)位置觸發(fā)信號(hào)，輸出激光，聚焦到待加工的氮化鋁陶瓷表面，以瞬間融化材料進(jìn)行加工，待加工完成的氮化鋁陶瓷置入盛放溶液的玻璃器皿11中，由恒溫超聲清洗裝置12進(jìn)行加熱與超聲，去除加工過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
焦點(diǎn)位置位于噴嘴7以下，增加輔助吹氣功能8降低加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，光路輸出正對(duì)于X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9的上方布置有影像系統(tǒng)5，運(yùn)動(dòng)參數(shù)與激光器參數(shù)通過(guò)控制系統(tǒng)10進(jìn)行控制，確保加工的穩(wěn)定性。
X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9采用高精度、高分辨率為0.1um的光柵尺，讀數(shù)頭，直線電機(jī)，設(shè)備組裝好通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行補(bǔ)償，使設(shè)備位置精度控制在5um以內(nèi)。
加工完成的材料表面和背面存留一些熔渣，需要清洗的流程，選用10％濃度的稀鹽酸浸泡，適量丙酮溶液盛放分別在玻璃器皿11內(nèi)，將玻璃容器放在含有水的超聲波清洗儀內(nèi)，溫度保持在60°左右，這樣的做法能夠加速溶液對(duì)激光作用到氮化鋁陶瓷產(chǎn)生的雜質(zhì)。
通過(guò)光學(xué)搭配，采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的激光光路和光學(xué)模塊的應(yīng)用，綜合光纖激光在氧化鋁陶瓷方面劃線和打孔領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并改進(jìn)傳統(tǒng)的加工方式，實(shí)現(xiàn)劃線、切割和微孔加工，相比其他光源加工方式有了更快的加工速度和加工質(zhì)量，更適用于芯片封裝、LED照明等行領(lǐng)域。本發(fā)明保證了氮化鋁陶瓷又快又好的加工以及加工完成后材料表面雜質(zhì)的清洗。
本發(fā)明用于對(duì)散熱性能良好的氮化鋁陶瓷進(jìn)行劃線、切割等加工，適合芯片封裝、LED照明等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)劃線、切割和微孔加工，相比于傳統(tǒng)的激光設(shè)備打孔方式，加工速度更快，加工質(zhì)量更好。
需要說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利范圍；同時(shí)以上的描述，對(duì)于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專門人士應(yīng)可明了及實(shí)施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在申請(qǐng)專利范圍中。