基于气熔比控制的氧化铝陶瓷薄板激光切割工艺基础

发布时间：2020-08-31 12:14

　　 氧化铝陶瓷的力、热、电性能优异,且价格低廉,原料丰富,是目前电子工业最常用的基板材料。应用于电子集成模块封装基板的氧化铝陶瓷同时具有高硬度与脆性,使得密排缝阵类薄板零件的加工变得十分困难。激光切割因其精度高、损伤小、效率高、易控制成为氧化铝陶瓷板的重要加工手段之一。从氧化铝陶瓷在激光切割过程中的材料去除方面,集中研究材料去除方式与切割质量之间的内在联系,以解释材料在切割过程中伴随能量输入发生的熔化、气化等变化,建立材料去除方式的数学及物理模型并加以实验验证。同时,对激光加工过程中材料熔化物的尺寸形貌及相态变化做出了模型预测与观测分析并作为切割质量评价手段,从机理上解释了材料的去除过程对切割质量的影响,获得了以下主要研究结果:针对材料在激光能量与辅助吹气共同作用下发生的材料去除过程,包括材料对激光能量的吸收、传导以及熔融材料在重力和辅助吹气压力作用下的质量流动,采用材料去除状态的物理模型,分析激光加工区域内材料气化和熔化去除的形式,研究熔化层能量与质量流动状态,并结合辅助吹气压力的动力学模型,建立了氧化铝陶瓷激光切割的气熔比数学模型,得到气熔比数值与残留熔融层厚度随加工参数(激光功率、扫描速度与陶瓷板厚)的变化规律。对加工陶瓷板的形貌观察及分析,阐明了气熔比对切割质量缝宽及均一度、切口锥度、壁面条纹及粗糙度等)的影响规律。实验验证表明(以2.0mm板为例)气熔比值在0.1左右时获得了最佳的切割效果,平均缝宽250 μm,均一度良好,粗糙度Ra3.2μm,壁面条纹较细致光滑,符合质量要求。针对激光切割氧化铝陶瓷产生的熔化去除物形貌,采用同轴气液分层射流雾化模型,预测了熔化去除颗粒尺寸及其分布,并通过观测实验获得了颗粒物形貌与熔化层材料状态的关系。结果表明气熔比对熔化去除颗粒物直径的影响存在动力学与热力学的拮抗关系,颗粒物尺寸及分布与切割质量对应。壁面条纹和挂渣去除物中的膜状部分反映去除颗粒物的平均直径,瘤状部分反映颗粒物的最大直径。实验发现当平均颗粒直径达到动力学与热力学去除效应的临界点(气熔比值约0.1)时达到最大值85 μm,粒径分布范围最窄,颗粒物总体球形比例超过90%并具有最佳的平均球形度0.943,此时熔融材料离开熔化层时拖曳的材料达到最大值,但去除效果良好,挂渣的瘤状部分比例较低,挂渣较易去除,下表面切割质量较好。条纹宽度与颗粒物平均直径密切相关,二者数值上相近并且变化趋势基本一致。针对切缝壁面在熔化和凝固过程中由于不同形核与结晶方式造成的物相转变,通过形核驱动力的计算和比较不同晶面上氧化铝的成核势垒,发现α-Al2O3晶胞中的(1120)面与γ-Al2O3晶胞中的(100)面具有最低的形核势垒,是两种晶型形核生长的主要趋向,显微观测与物相分析结果提供了熔凝层在不同的气熔比下激光切割前后从α-Al203到γ-Al2O3相变的观测依据以及氧化铝组分变化。结果表明在个各气熔比下γ-Al2O3相变产物不存在于去除颗粒物中,但存在于挂渣及残留熔融层中,并且相变质量分数随着气熔比的增大而减小,α→γ-Al203相变的产生主要发生在熔化过程中,而相变结果的维持主要发生在冷却过程中。随着相变层厚度的增加,切割壁面的密度、硬度均减小,但较薄的相变层能够对切割壁面产生增韧效果;当相变层厚度过大时,切割壁面断裂韧性迅速降低。为平衡产品强度与韧性,气熔比为0.1左右时切割效果较好,符合质量要求。相对于加工参数的控制,气熔比从宏观角度反映出材料去除机理对激光切割氧化铝陶瓷的影响,为陶瓷类板材的激光精密切割提供了重要的理论支持与实验依据;熔化物与相变层则从微观角度反映了切割过程中激光对材料作用的效果,可以作为切割的控制因素,对评价和提高切割质量有着重要的指导意义。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.6
【部分图文】：

会从跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光。若光子能逡逑量等于对应的能级差，就会产生“受激辐射的光放大”效应，即激光，激光切割逡逑系统的基本工作原理如图１．２所示。逡逑／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／逦ｙ／－激光器逦激光束／＾全反射棱镜逡逑）逦７邋Ｉ邋／邋Ｘ．邋／逡逑光洰逦儿无辐射}逦￣逡逑过程逦Ｖ逦ｒ逡逑＼逦；邋ｕ逦Ｕ逦—逦＿聚焦透镜逡逑＼逦光子能量受激Ｍ射跃迁逦＂／逡逑ｈｖ逦ｈｖ逦１邋１邋／逦工件逡逑ＮＴ逦—＂３／？＾逡逑逦Ｕ逦Ｙ逦邋Ｅｉ逦卜ｘ邋Ｘ丨丨NB以１逡逑图１．２激光加工基本工作原理［丨９叩0］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋Ｌａｓｅｒ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ逡逑激光焦点处的功率密度高达ｌ0２？１０１ＱＷ／ｃｍ２，产生的温度超过１０４°Ｃ，足以瞬时熔逡逑化或者气化任何材料。激光切割的基本热过程描述如下：在高功率聚焦激光束照射下，逡逑被切割材料表面吸收部分光能，另一部分光能被反射或者透射，转化成为材料内能以辐逡逑射、传导方式转移能量，造成材料的熔化、气化。材料的密度、热导率、扩散系数、熔逡逑沸点、比热容、相变潜热、几何形状影响能量的吸收和转化，对于激光切割过程来说，逡逑最主要的影响因素是材料的熔化和气化潜热［２１］。逡逑现代激光切割技术是由激光、计算机、数控和精密机床等相结合的综合高新技术，逡逑特点是高效、清洁与便利。激光切割技术与传统加工技术相比具有很多优点［２２］４２４］，能逡逑够克服许多传统加工手段无法解决的技术难题

易产生裂纹。而封装材料使用的氧化铝陶瓷板件需要在其表面很小的范围内逡逑加工出较为密集的缝、槽等结构（宽度为１００？２５０邋Ｈｍ±１０？２５邋ｐｍ，间距为０．５？２逡逑ｍｍ±０．０１？０．０２５邋ｍｍ，如图１．４）邋［４９］，若不能以材料气化与熔化为主要去除方式，贝ｌｊ不能逡逑够控制切割缝宽、深度以及切断面粗糙度，不能达到良好的加工质量与精度要求。逡逑＂＾１宝－化培找逦ｒ＾ｉ逦．沟槽、逡逑７＾４／－＿邋－ａＳｓｓＳｔｆ－＾邋—逡逑－ｆ逦＝逦ｉｎｚｚｉｚ邋ｚｚ逡逑．删逡逑－５－逡逑

优化［３７＞［４２］及切割效率与质量评价等方面成为热点，从不同的角度上推动了激光切逡逑割技术的纵深研宄。逡逑＿逡逑图１．３激光切割产品实例逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋３邋Ｔｈｅ邋Ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｏｆ邋Ｌａｓｅｒ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ逡逑氧化铝陶瓷属于典型的高硬脆类无机非金属材料，激光切割过程中高能量密度将在逡逑材料中产生瞬时较大的温度梯度及热应力，使得陶瓷材料在很大的温度范围内都是弹性逡逑形变为主，易产生裂纹。而封装材料使用的氧化铝陶瓷板件需要在其表面很小的范围内逡逑加工出较为密集的缝、槽等结构（宽度为１００？２５０邋Ｈｍ±１０？２５邋ｐｍ，间距为０．５？２逡逑ｍｍ±０．０１？０．０２５邋ｍｍ，如图１．４）邋［４９］，若不能以材料气化与熔化为主要去除方式，贝ｌｊ不能逡逑够控制切割缝宽、深度以及切断面粗糙度，不能达到良好的加工质量与精度要求。逡逑＂＾１宝－化培找逦ｒ＾ｉ逦．沟槽、逡逑７＾４／－＿邋－ａＳｓｓＳｔｆ－＾邋—逡逑－ｆ逦＝逦ｉｎｚｚｉｚ邋ｚｚ逡逑．删逡逑－５－逡逑

【参考文献】

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本文编号：2808781