CN110549012A - 一种多色超短脉冲光丝隐切方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多色超短脉冲光丝隐切方法，由激光光源部件同时产生多条不同波长的激光束，调整激光束的方向和光斑大小，使得激光束从待切割材料的上表面垂直入射，通过自聚焦作用和等离子体形成的散焦效应，形成一条动态平衡的激光通道，在激光通道中的不同位置形成多段超短脉冲光丝，所述多段超短脉冲光丝在空间上相连且在相连位置发生相干叠加，延长在待切割材料中的整体光丝长度。其能够提高切割效率，减小对材料的损伤，增加切割面的平整度。本发明还公开了一种实现上述多色超短脉冲光丝隐切方法的装置。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术，具体涉及一种多色超短脉冲光丝隐切方法及装置。
背景技术
随着激光技术的快速发展，激光隐切技术作为一种新型切割材料的有效方式变得越来越重要，相比于传统的激光切割技术具有高效率，低损伤，切割面平整等优点。
激光隐切技术，是利用穿透率较高的激光束聚焦在晶片内部，并扫描晶片划片槽位置，使晶片划片槽内部的单晶硅材料结构发生变化，形成一个分割点的起点，成为改质层，再对晶片施以外力将其分开一颗颗的小芯片的切割技术。现有的激光隐切技术，切割手段很大程度上决定了材料的切割效果。当前大多数是采用大功率的单色激光聚焦在待切割材料上，通过反复扫描实现材料纵向改质。由于需要多次扫描，切割效率较低，切割面平整度无法达到理想状态，当前技术无法满足当前“中国制造2025”对高精密芯片量产化的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多色超短脉冲光丝隐切方法及装置，其能够提高切割效率，减小对材料的损伤，增加切割面的平整度。
本发明所述的多色超短脉冲光丝隐切方法，由激光光源部件同时产生多条不同波长的激光束，调整激光束的方向和光斑大小，使得激光束从待切割材料的上表面垂直入射，通过自聚焦作用和等离子体形成的散焦效应，形成一条动态平衡的激光通道，在激光通道中的不同位置形成多段超短脉冲光丝，所述多段超短脉冲光丝在空间上相连且在相连位置发生相干叠加，延长在待切割材料中的整体光丝长度。
进一步，所述超短脉冲光丝的脉冲宽度≤2皮秒。
进一步，由激光光源部件产生的激光束的数量为四条，分别为蓝激光、绿激光、黄激光和红激光。
进一步，所述蓝激光的波长为400nm，所述绿激光的波长为532nm，所述黄激光的波长为600nm，所述红激光的波长为700nm。
进一步，所述待切割材料为硅、碳化硅、蓝宝石或半导体。
一种实现上述的多色超短脉冲光丝隐切方法的装置，包括：激光光源部件，用于产生多条不同波长的激光束；光束调节***，包括光学元件组和聚焦元件组，所述光学元件组的输入端与激光光源部件的输出端通过光纤连接，用于调整激光束的传递方向，所述聚焦元件组的输入端与光学与光学元件组的输出端连接，用于调整激光束的光斑大小；移动工作台，用于固定待切割材料且能够作多向运动；控制***，通过计算机分别与激光光源部件和移动平台连接，控制激光光源部件和移动平台的相互通信和协调工作。
进一步，所述激光光源部件为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200～400nm、可见400～700nm或红外700～10000nm。
进一步，还包括冷却***，该冷却***分别与激光光源部件、光束调节***和待切割材料连接。冷却***与激光光源部件连接，避免了激光束受温度影响。冷却***与光束调节***连接，保护光学元件组和聚焦元件组不受热效应而发生形变。冷却***与待切割材料连接，避免了待切割材料受温度影响发生性质变化。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明以多条不同波长的激光束作为入射光源，通过自聚焦作用在待切割材料内形成多条超短脉冲光丝，形成的光丝能量密度高，光束直径几乎不变，光丝位置强度钳制且传播长度大于瑞利长度，能够作为切割材料的光源。所述多段超短脉冲光丝在空间上重叠相连且在重叠位置发生相干叠加，延长在待切割材料中的整体光丝长度，提高了单次切割加工的有效长度，从而能够切割更大、更厚的硬性材料，实现“一刀切”，无需多次反复扫描，提高了切割效率，减小了对材料的损伤，增加了切割面的平整度。
2、本发明的多条超短脉冲光丝在空间重叠区域中，每道光丝电离形成的等离子体，受到前后光丝影响，发生级联电离和碰撞电离，进而能够在更低功率下实现较厚材料的切割。
附图说明
图1是本发明多条超短脉冲光丝示意图；
图2是本发明多色超短脉冲光丝隐切装置的结构示意图。
图中，1—激光光源部件，2—光束调节***，21—光学元件组，22—聚焦元件组，3—移动平台，4—控制***，5—冷却***，6—待切割材料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
一种多色超短脉冲光丝隐切方法，由激光光源部件同时产生多条不同波长的激光束，调整激光束的方向和光斑大小，使得激光束从待切割材料的上表面垂直入射，通过自聚焦作用和等离子体形成的散焦效应，形成一条动态平衡的激光通道，在激光通道中的不同位置形成多段超短脉冲光丝，所述超短脉冲光丝的脉冲宽度≤2皮秒，在空间上局部重叠相连且在相连重叠位置发生相干叠加，延长在待切割材料中的整体光丝长度。
作为本发明的一种优选实施例，由激光光源部件产生的激光束的数量为四条，分别为蓝激光、绿激光、黄激光和红激光。且所述蓝激光的波长为400nm，所述绿激光的波长为532nm，所述黄激光的波长为600nm，所述红激光的波长为700nm。
激光脉冲在空气介质中传输时，由于自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用而达到一种动态平衡，使得激光脉冲在空气中形成很长的、较为稳定的激光通道。由于入射激光具有多条不同波长的光源，在激光通道中的不同位置形成超短脉冲光丝，该光丝能量密度高，光束直径长距离保持不变，能够作为切割材料的光源。
参见图1，不同波长的激光束在材料中形成光丝的阈值功率不同，进而光丝在待切割材料中的起始位置也不同，由公式计算光丝在待切割材料中的起始位置Zf：
式中，k为激光波数，a0为激光束在1/e强度下的半径，P为激光束的峰值功率，Pc为激光束在待切割材料中形成光丝的阈值功率。
波长为400nm的蓝激光、532nm的绿激光、600nm的黄激光和700nm的红激光在传播路径的前后不同区域产生光丝，由于不同起始位置的光丝在空间上彼此相连，从而能够延长光丝长度，实现了“一刀切”。
参见图2，所示的多色超短脉冲光丝隐切装置，包括激光光源部件1、光束调节***2、移动工作台3、控制***4和冷却***5五个部分。所述激光光源部件1用于提供待切割材料6所需的不同波长的光源；光束调节***2用于调整激光束的传播方向及控制光斑的大小；移动平台3用于提供安置待切割材料6的平台和控制待切割材料与平台的相对位移，切割出直线、曲线等图案；控制***4用于控制激光光源部件1的输出功率和移动平台3的精密控制；冷却***用于实现整个装置的温控，保持各个部分长时间稳定工作。所述激光光源部件1为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200～400nm、可见400～700nm或红外700～10000nm，能够用于产生多条不同波长的激光束。
所述光束调节***2包括光学元件组21和聚焦元件组22，所述光学元件组21包括多个折射镜和发射经，其输入端与激光光源部件1的输出端通过光纤连接，用于调整激光束的传递方向。所述聚焦元件组包括多个聚焦透镜和抛物面镜，其输入端与光学与光学元件组的输出端连接，用于调整激光束的光斑大小，将激光光束汇聚成极小点，提高光功率密度。
所述移动工作台3用于固定待切割材料6且能够作上下、左右、前后等多向运动，通过移动工作台的位移来调整待切割材料的空间位置，实现不同图案的切割。
所述控制***4通过计算机分别与激光光源部件1和移动平台3连接，控制激光光源部件1的开关和输出功率、移动平台3的运动，使得整个装置各个部分相互协调工作。
所述冷却***5与激光光源部件1连接，避免了激光束受温度影响。冷却***5与光束调节***2连接，保护光学元件组21和聚焦元件组22不受热效应而发生形变。冷却***5与待切割材料6连接，避免了待切割材料6受温度影响发生性质变化。冷却***5能够将多余的温度带走，保证了装置各个部分的温度保持不变，实现了装置的长时间工作。
为了更好地说明本发明的有益效果，下面进行对比实验。
对比例1采用波长为1030nm的单色红外激光作为入射光源，对比例2采用波长为400nm单色紫外激光作为入射光源，对比例3采用波长为400nm的单色紫外多焦点激光作为入射光源。
实验例采用波长为400nm的蓝激光、532nm的绿激光、600nm的黄激光和700nm的红激光作为入射光源。
将对比例和实施例分别切割长2cm、宽1.5cm、厚1cm的蓝宝石片，采集切割时间和激光功率数据，结果参见表1。
表1对比例和试验例的切割数据
| 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 实验例 | |
| 所耗时间(秒) | 109 | 55 | 7 | 1.5 |
| 激光功率(微焦) | 100 | 34 | 65 | 107 |
实验例所耗时间远小于对比例所耗时间，由此可见，相较于单色红外激光隐切技术，多色超短脉冲光丝隐切能够将切割效率提升73倍。由于多色超短脉冲光丝隐切能够实现“一刀切”，无需多次反复扫描，减小了对材料的损伤，增加了切割面的平整度。
Claims (8)
1.一种多色超短脉冲光丝隐切方法，其特征在于：由激光光源部件同时产生多条不同波长的激光束，调整激光束的方向和光斑大小，使得激光束从待切割材料的上表面垂直入射，通过自聚焦作用和等离子体形成的散焦效应，形成一条动态平衡的激光通道，在激光通道中的不同位置形成多段超短脉冲光丝，所述多段超短脉冲光丝在空间上相连且在相连位置发生相干叠加，延长在待切割材料中的整体光丝长度。
2.根据权利要求1所述的多色超短脉冲光丝隐切方法，其特征在于：所述超短脉冲光丝的脉冲宽度≤2皮秒。
3.根据权利要求1或2所述的多色超短脉冲光丝隐切方法，其特征在于：由激光光源部件产生的激光束的数量为四条，分别为蓝激光、绿激光、黄激光和红激光。
4.根据权利要求3所述的多色超短脉冲光丝隐切方法，其特征在于：所述蓝激光的波长为400nm，所述绿激光的波长为532nm，所述黄激光的波长为600nm，所述红激光的波长为700nm。
5.根据权利要求1或2所述的多色超短脉冲光丝隐切方法，其特征在于：所述待切割材料为硅、碳化硅、蓝宝石或半导体。
6.一种实现权利要求1~5任一项所述的多色超短脉冲光丝隐切方法的装置，其特征在于包括：
激光光源部件，用于产生多条不同波长的激光束；
光束调节***，包括光学元件组和聚焦元件组，所述光学元件组的输入端与激光光源部件的输出端通过光纤连接，用于调整激光束的传递方向，所述聚焦元件组的输入端与光学与光学元件组的输出端连接，用于调整激光束的光斑大小；
移动工作台，用于固定待切割材料且能够作六向运动；
控制***，通过计算机分别与激光光源部件和移动平台连接，控制激光光源部件和移动平台的相互通信和协调工作。
7.根据权利要求6所述的多色超短脉冲光丝隐切装置，其特征在于：所述激光光源部件为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200~400nm、可见400~700nm或红外700~10000nm。
8.根据权利要求6所述的多色超短脉冲光丝隐切装置，其特征在于：还包括冷却***，该冷却***分别与激光光源部件、光学元件组、聚焦元件组和待切割材料连接。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210107 Address after: Room 4, 13 / F, 11 / F, 106 west section of Jinkai Avenue, Yubei District, Chongqing 401121 Applicant after: Chongqing Research Institute of East China Normal University Applicant after: SHANGHAI LANGYAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant after: EAST CHINA NORMAL University Applicant after: University of Shanghai for Science and Technology Address before: Room 4, 13 / F, 11 / F, 106 west section of Jinkai Avenue, Yubei District, Chongqing 401123 Applicant before: Chongqing Research Institute of East China Normal University Applicant before: EAST CHINA NORMAL University Applicant before: University of Shanghai for Science and Technology |
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| GR01 | Patent grant | ||
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