基于气熔比控制的氧化铝陶瓷薄板激光切割工艺基础

摘要

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250μm，均一度良好，粗糙度Ra＜3.2μm，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85μm，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(11(2)0)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-Al2O3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-Al2O3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。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 应用于电子封装材料的氧化铝陶瓷基板

1．1．2 氧化铝陶瓷基板激光切割技术要求与质量评价

1．2 氧化铝陶瓷材料激光切割研究现状

1．2．1 工艺参数优化方法研究现状

1．2．2 切割工艺与方法研究现状

1．2．3 激光切割数值模拟与仿真研究现状

1．2．4 激光切割质量及机理研究现状

1．3 激光切割材料去除过程与去除物研究现状

1．3．1 基于材料去除方式的激光切割过程

1．3．2 基于去除物性状的激光切割研究现状

1．4 本文主要研究思路与内容

2．1 实验材料

2．2 激光切割实验

2．2．1 激光切割系统及主要参数

2．2．2 激光切割实验及气熔比检测装置

2．3 熔化去除物检测实验

2．3．1 超景深三维显微镜观测分析

2．3．2 熔化物比表面积分析

2．3．3 X射线衍射分析

2．3．4 扫描电子显微镜分析

2．3．5 透射电子显微镜分析

2．3．6 显微维氏硬度与断裂韧性分析

2．4 数学与物理模型

2．5 技术路线

3氧化铝陶瓷薄板激光切割气熔比模型及其切口质量分析

3．1 引言

3．2 氧化铝陶瓷薄板激光切割模型

3．2．1 激光切割过程中的材料流动

3．2．2 假设条件

3．2．3 基于质量流率与能量流的气熔比数学模型

3．2．4 残留熔融层厚度计算模型

3．3 模型求解及分析

3．3．1 切割半径回归修正

3．3．2 不同激光功率和扫描速度下的气熔比值

3．3．3 不同激光功率和扫描速度下的残留熔融层厚度

3．4 氧化铝陶瓷薄板激光切割实验验证与参数影响分析

3．4．1 激光功率参数与气熔比的关系

3．4．2 扫描速度参数与气熔比的关系

3．4．3 陶瓷板厚参数与气熔比的关系

3．4．4 模型误差分析

3．5 气熔比对切割质量的影响规律

3．5．1 气熔比对切缝宽度的影响

3．5．2 气熔比对切缝均一度的影响

3．5．3 气熔比对切口形貌的影响

3．5．4 气熔比对断面粗糙度的影响

3．6 本章小结

4基于气熔比的氧化铝陶瓷熔化物形貌与切割质量评价

4．1 引言

4．2 氧化铝陶瓷激光切割熔化物尺寸分布模型

4．2．1 熔化物去除的雾化过程物理模型

4．2．2 雾化基本模型与假设条件

4．2．3 雾化介质气化流率模型

4．2．4 雾化介质熔化流率模型

4．2．5 熔化去除颗粒直径预测

4．2．6 熔化去除颗粒直径分布

4．3 模型求解及分析

4．3．1 材料在高温情况下的表面张力与粘度修正

4．3．2 切口形貌与熔流宽度修正

4．3．3 去除颗粒物直径模型结果及分析

4．3．4 去除颗粒物直径分布模型结果及分析

4．4 基于去除颗粒物形态的氧化铝陶瓷薄板激光切割质量评价

4．4．1 去除颗粒物尺寸分布与质量判据

4．4．2 去除颗粒物轮廓平均球形度、球形率与质量判据

4．4．3 熔化去除物内部形貌、密度分布与质量判据

4．5 基于挂渣去除物形态的氧化铝陶瓷薄板激光切割质量评价

4．5．1 挂渣膜状部分与挂渣高度及条纹间距的关系

4．5．2 挂渣瘤状部分与挂渣高度及条纹间距的关系

4．6 本章小结

5基于气熔比的氧化铝陶瓷熔凝区相变及缝阵壁面性能分析

5．1 引言

5．2 氧化铝陶瓷激光切割熔化物形核趋向模型

5．2．1 氧化铝陶瓷熔化物形核驱动力

5．2．2 氧化铝陶瓷熔化物的形核趋向

5．3 氧化铝陶瓷激光切割熔化物相变模型

5．3．1 氧化铝晶体类型

5．3．2 氧化铝相变几何模型

5．4 氧化铝陶瓷激光切割熔化物形核与相变分析

5．4．1 氧化铝陶瓷激光切割熔化去除物截面微观形貌与生长机制

5．4．2 氧化铝陶瓷激光切割熔凝相变区形貌分析

5．4．3 氧化铝陶瓷激光切割熔化去除物相变含量分析

5．4．4 氧化铝陶瓷激光切割残留熔融层相变含量分析

5．5 基于相变层控制的氧化铝陶瓷激光切割质量分析

5．5．1 相变层厚度对切割壁面密度与硬度的影响

5．5．2 相变层厚度对切割壁面断裂韧性的影响

5．5．3 基于气熔比与相变层厚度控制的氧化铝陶瓷激光切割实例

5．6 本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介