提升藍寶石雷射切割質量的技巧總結

藍寶石

藍寶石是一種氧化鋁的單晶，晶格結構獨特，耐磨且抗風蝕，硬度僅次於金剛石，具有良好的透光性、特傳導性、電氣絕緣性，是LED、SOS等理想的襯底材料。早期由於其高硬度，耐磨性，光澤度透光性，及其加工水平要求較高而產量不足導致的稀缺性，藍寶石最早作為珠寶首飾和手錶表面出現，售價昂貴。自90年代後，LED照明逐漸滲透進人類生活，藍寶石開始廣泛應用於LED襯底材料。

藍寶石具有耐磨、耐劃，透光性好，硬度高等優勢，在航空、國防、LED、醫療、消費電子等領域都有很廣泛的應用。LED襯底是藍寶石下遊最主要的應用，市場佔比超過50%。而消費電子則給藍寶石材料帶來了更廣闊的增量空間。

據前瞻產業研究院發布的《2015-2018年全球藍寶石行業市場規模統計情況及預測》顯示，2015-2018年全球藍寶石需求量逐年增加，2018年預計是46億元。隨著蘋果公司採用藍寶石作為攝像頭的保護玻璃和Home鍵保護玻璃，自此，藍寶石正式進入消費電子市場。目前，藍寶石材料已在智慧型手機和可穿戴設備上得到廣泛應用。

但由於藍寶石是硬脆性材料，傳統的機械加工存在易產生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損，又由於藍寶石化學穩定性較好，使得傳統的化學加工方法對其難以加工等難題讓眾多廠家為難。直到雷射切割技術的出現及推廣，他們看到了希望。

雷射切割技術是一種高速度、高質量的切割方法，對藍寶石晶片進行切割，不僅具有加工速度快、切口質量好並且可以對任意圖形進行切割。QCW準連續光纖雷射器的穩定性和光束質量較好並且能量密度較大，對硬脆性材料切割相對於Nd∶YAG雷射切割有明顯的優勢，採用QCW準連續光纖雷射器結合保護氣體對藍寶石晶片進行切割，熱影響區較小，在加工區域表面不會形成波紋，並且加工設備成本低，因此在藍寶石加工領域被廣泛採用。

切割藍寶石操作及注意事項

QCW切割藍寶石原理如圖1所示，雷射經過光纖傳導到準直鏡後通過聚焦鏡，最終在焦平面獲得聚焦光斑後作用於藍寶石表面實現切割；自動控制系統控制移動平臺能在X，Y方向移動。

起刀線位置選擇

首先要在藍寶石切割軟體中將起刀線的位置設置好，我們通過改變角度（15°、30°、45°、60°、75°和90°）來改變起刀線的位置。當雷射剛照射到藍寶石材料表面時，將會發生劇烈的反應。為了消除切割開始時的不利影響，在切割正式的圖形前添加的一段切割線，即起刀線，也稱為輔助線。起刀線的切入角度也是影響切割質量的重要因素。通過實驗發現，當角度為30°或90°時，濺射物長度基本消除。

起刀線示意圖

影響藍寶石切割質量的因素

要獲得較好的表面質量等級，必須對雷射功率、切割速度等工藝參數進行多次優化處理。下面就說說影響藍寶石切割質量的幾個主要因素。

1

雷射功率

雷射能量是雷射切割藍寶石基片過程中的主要能量來源，雷射功率和切割速度決定了輸入到藍寶石基片上的能量，雷射功率的大小會對切割產生重要的影響。當切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數一定時，切口寬度隨著雷射功率的增加呈現一種線性正比關係。雷射功率過小會出現切不透；增加功率，則切口寬度增加，端面粗糙度增大，雷射切割時希望雷射功率儘可能大，可以充分發揮雷射器的功率優勢，提高效率。

2

切割速度

對給定的藍寶石材料和雷射功率，切割速度一般符合於一個經驗式，只要在閾值以上，材料的切割速度與雷射功率成正比，即增加功率可以提高切割速度。對於切割藍寶石而言，在其他工藝參數保持不變的情況下，雷射切割速度可以有一個相對的調節範圍。

切割速度小，切口寬度大，切口粗糙度大；切割速度大，切口寬度和粗糙度小，超過最佳切割速度後粗糙度緩慢增加。切割速度過高，則切口刮渣較多或切不透；切割速度過低，則材料過燒，切口寬度和熱影響區較大。要提高切割質量，當其他工藝參數不變時，要優化切割速度。

3

輔助氣體

輔助氣體除用於從切割區吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體外，對藍寶石材料，使用氮氣可以起到抑制切割區過度燃燒的作用。

雷射切割對輔助氣體的基本要求是氣流量要大，以便有充足的氮氣與切口材料發生放熱反應，並有足夠的動力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍寶石時，增加氣體壓力可以提高切割速度，防止切口背面產生掛渣。但壓力過大，切割面反而變得粗糙。在切割過程中，氮氣中含有的雜質對切割質量造成不良影響，因此氮氣的純度要高。