氧化鋁陶瓷的力、熱、電性能優(yōu)異,且價格低廉,原料豐富,是目前電子工業(yè)最常用的基板材料。應用于電子集成模塊封裝基板的氧化鋁陶瓷同時具有高硬度與脆性,使得密排縫陣類薄板零件的加工變得十分困難。激光切割因其精度高、損傷小、效率高、易控制成為氧化鋁陶瓷板的重要加工手段之一。從氧化鋁陶瓷在激光切割過程中的材料去除方面,集中研究材料去除方式與切割質量之間的內(nèi)在聯(lián)系,以解釋材料在切割過程中伴隨能量輸入發(fā)生的熔化、氣化等變化,建立材料去除方式的數(shù)學及物理模型并加以實驗驗證。同時,對激光加工過程中材料熔化物的尺寸形貌及相態(tài)變化做出了模型預測與觀測分析并作為切割質量評價手段,從機理上解釋了材料的去除過程對切割質量的影響,獲得了以下主要研究結果:針對材料在激光能量與輔助吹氣共同作用下發(fā)生的材料去除過程,包括材料對激光能量的吸收、傳導以及熔融材料在重力和輔助吹氣壓力作用下的質量流動,采用材料去除狀態(tài)的物理模型,分析激光加工區(qū)域內(nèi)材料氣化和熔化去除的形式,研究熔化層能量與質量流動狀態(tài),并結合輔助吹氣壓力的動力學模型,建立了氧化鋁陶瓷激光切割的氣熔比數(shù)學模型,得到氣熔比數(shù)值與殘留熔融層厚度隨加工參數(shù)(激光功率、掃描速度與陶瓷板厚)的變化規(guī)律。對加工陶瓷板的形貌觀察及分析,闡明了氣熔比對切割質量縫寬及均一度、切口錐度、壁面條紋及粗糙度等)的影響規(guī)律。實驗驗證表明(以2.0mm板為例)氣熔比值在0.1左右時獲得了最佳的切割效果,平均縫寬250 μm,均一度良好,粗糙度Ra3.2μm,壁面條紋較細致光滑,符合質量要求。針對激光切割氧化鋁陶瓷產(chǎn)生的熔化去除物形貌,采用同軸氣液分層射流霧化模型,預測了熔化去除顆粒尺寸及其分布,并通過觀測實驗獲得了顆粒物形貌與熔化層材料狀態(tài)的關系。結果表明氣熔比對熔化去除顆粒物直徑的影響存在動力學與熱力學的拮抗關系,顆粒物尺寸及分布與切割質量對應。壁面條紋和掛渣去除物中的膜狀部分反映去除顆粒物的平均直徑,瘤狀部分反映顆粒物的最大直徑。實驗發(fā)現(xiàn)當平均顆粒直徑達到動力學與熱力學去除效應的臨界點(氣熔比值約0.1)時達到最大值85 μm,粒徑分布范圍最窄,顆粒物總體球形比例超過90%并具有最佳的平均球形度0.943,此時熔融材料離開熔化層時拖曳的材料達到最大值,但去除效果良好,掛渣的瘤狀部分比例較低,掛渣較易去除,下表面切割質量較好。條紋寬度與顆粒物平均直徑密切相關,二者數(shù)值上相近并且變化趨勢基本一致。針對切縫壁面在熔化和凝固過程中由于不同形核與結晶方式造成的物相轉變,通過形核驅動力的計算和比較不同晶面上氧化鋁的成核勢壘,發(fā)現(xiàn)α-Al2O3晶胞中的(1120)面與γ-Al2O3晶胞中的(100)面具有最低的形核勢壘,是兩種晶型形核生長的主要趨向,顯微觀測與物相分析結果提供了熔凝層在不同的氣熔比下激光切割前后從α-Al203到γ-Al2O3相變的觀測依據(jù)以及氧化鋁組分變化。結果表明在個各氣熔比下γ-Al2O3相變產(chǎn)物不存在于去除顆粒物中,但存在于掛渣及殘留熔融層中,并且相變質量分數(shù)隨著氣熔比的增大而減小,α→γ-Al203相變的產(chǎn)生主要發(fā)生在熔化過程中,而相變結果的維持主要發(fā)生在冷卻過程中。隨著相變層厚度的增加,切割壁面的密度、硬度均減小,但較薄的相變層能夠對切割壁面產(chǎn)生增韌效果;當相變層厚度過大時,切割壁面斷裂韌性迅速降低。為平衡產(chǎn)品強度與韌性,氣熔比為0.1左右時切割效果較好,符合質量要求。相對于加工參數(shù)的控制,氣熔比從宏觀角度反映出材料去除機理對激光切割氧化鋁陶瓷的影響,為陶瓷類板材的激光精密切割提供了重要的理論支持與實驗依據(jù);熔化物與相變層則從微觀角度反映了切割過程中激光對材料作用的效果,可以作為切割的控制因素,對評價和提高切割質量有著重要的指導意義。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.6
【部分圖文】：

會從躍遷到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質的光。若光子能逡逑量等于對應的能級差，就會產(chǎn)生“受激輻射的光放大”效應，即激光，激光切割逡逑系統(tǒng)的基本工作原理如圖１．２所示。逡逑／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邋／邐ｙ／－激光器邐激光束／＾全反射棱鏡逡逑）邐７邋Ｉ邋／邋Ｘ．邋／逡逑光洰邐兒無輻射}邐￣逡逑過程邐Ｖ邐ｒ逡逑＼邐；邋ｕ邐Ｕ邐—邐＿聚焦透鏡逡逑＼邐光子能量受激Ｍ射躍遷邐＂／逡逑ｈｖ邐ｈｖ邐１邋１邋／邐工件逡逑ＮＴ邐—＂３／？＾逡逑邐Ｕ邐Ｙ邐邋Ｅｉ邐卜ｘ邋Ｘ丨丨NB以１逡逑圖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逡逑激光焦點處的功率密度高達ｌ0２？１０１ＱＷ／ｃｍ２，產(chǎn)生的溫度超過１０４°Ｃ，足以瞬時熔逡逑化或者氣化任何材料。激光切割的基本熱過程描述如下：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，轉化成為材料內(nèi)能以輻逡逑射、傳導方式轉移能量，造成材料的熔化、氣化。材料的密度、熱導率、擴散系數(shù)、熔逡逑沸點、比熱容、相變潛熱、幾何形狀影響能量的吸收和轉化，對于激光切割過程來說，逡逑最主要的影響因素是材料的熔化和氣化潛熱［２１］。逡逑現(xiàn)代激光切割技術是由激光、計算機、數(shù)控和精密機床等相結合的綜合高新技術，逡逑特點是高效、清潔與便利。激光切割技術與傳統(tǒng)加工技術相比具有很多優(yōu)點［２２］４２４］，能逡逑夠克服許多傳統(tǒng)加工手段無法解決的技術難題

易產(chǎn)生裂紋。而封裝材料使用的氧化鋁陶瓷板件需要在其表面很小的范圍內(nèi)逡逑加工出較為密集的縫、槽等結構（寬度為１００？２５０邋Ｈｍ±１０？２５邋ｐｍ，間距為０．５？２逡逑ｍｍ±０．０１？０．０２５邋ｍｍ，如圖１．４）邋［４９］，若不能以材料氣化與熔化為主要去除方式，貝ｌｊ不能逡逑夠控制切割縫寬、深度以及切斷面粗糙度，不能達到良好的加工質量與精度要求。逡逑＂＾１寶－化培找邐ｒ＾ｉ邐．溝槽、逡逑７＾４／－＿邋－ａＳｓｓＳｔｆ－＾邋—逡逑－ｆ邐＝邐ｉｎｚｚｉｚ邋ｚｚ逡逑．刪逡逑－５－逡逑

優(yōu)化［３７＞［４２］及切割效率與質量評價等方面成為熱點，從不同的角度上推動了激光切逡逑割技術的縱深研宄。逡逑＿逡逑圖１．３激光切割產(chǎn)品實例逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋３邋Ｔｈｅ邋Ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｏｆ邋Ｌａｓｅｒ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ逡逑氧化鋁陶瓷屬于典型的高硬脆類無機非金屬材料，激光切割過程中高能量密度將在逡逑材料中產(chǎn)生瞬時較大的溫度梯度及熱應力，使得陶瓷材料在很大的溫度范圍內(nèi)都是彈性逡逑形變?yōu)橹�，易產(chǎn)生裂紋。而封裝材料使用的氧化鋁陶瓷板件需要在其表面很小的范圍內(nèi)逡逑加工出較為密集的縫、槽等結構（寬度為１００？２５０邋Ｈｍ±１０？２５邋ｐｍ，間距為０．５？２逡逑ｍｍ±０．０１？０．０２５邋ｍｍ，如圖１．４）邋［４９］，若不能以材料氣化與熔化為主要去除方式，貝ｌｊ不能逡逑夠控制切割縫寬、深度以及切斷面粗糙度，不能達到良好的加工質量與精度要求。逡逑＂＾１寶－化培找邐ｒ＾ｉ邐．溝槽、逡逑７＾４／－＿邋－ａＳｓｓＳｔｆ－＾邋—逡逑－ｆ邐＝邐ｉｎｚｚｉｚ邋ｚｚ逡逑．刪逡逑－５－逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2808781