發(fā)布時間：2018-05-22 20:31

  本文選題：激光背面濕式刻蝕 + 藍寶石��； 參考：《廣東工業(yè)大學》2015年碩士論文

【摘要】：藍寶石具有高耐磨性、高硬度、高脆性和化學性能穩(wěn)定等特點,廣泛的應用在工業(yè)及國防領域,其作為藍光LED (Light-Emitting Diode)最主要產業(yè)化襯底、智能手機的面板、耐磨軸承材料和窗口材料。由于藍寶石的這些物理特性,使得傳統(tǒng)的金剛石加工方法難以加工,并存在崩邊、破裂和刀具磨損等問題。相比而言,激光背面濕式刻蝕是一種具有很大發(fā)展前景的加工方法,尤其是對加工透明材料如藍寶石、石英、玻璃等。激光背面濕式刻蝕過程是一個復雜的物理過程,涉及相變,對流換熱等,同時激光加工過程是個瞬態(tài)過程,實驗很難進行檢測,而數值模型方法為這種瞬態(tài)過程提供解決方法。本文實驗選用CuSO4為工作液體,采用1064nm激光背面濕式刻蝕藍寶石基片。首先,總結了激光背面濕式刻蝕技術的研究意義和國內外的研究現狀；其次,理論分析激光誘導液體相沉積機理,研究激光背面濕式刻蝕過程中熱效應,并結合實驗分析沉積層形成機理,研究藍寶石材料去除機理以及刻槽形成的過程；再次,采用有限元方法對激光背面濕式刻蝕藍寶石材料去除過程進行數值模擬,分析激光脈沖作用下溫度場的瞬態(tài)分布以及激光參數(掃描次數、掃描速度和能量密度)對刻蝕尺寸(刻槽深度和寬度)的影響,并進行實驗驗證,主要研究方法和結論如下：1.首先通過使用CuSO4為工作液體進行激光背面濕式刻蝕藍寶石基片實驗,在藍寶石基片的背面沿著激光的掃描方向會形成沉積層,厚度約為2μm；采用XPS、俄歇分析方法得到沉積層的主要成分為氧化亞銅和氧化銅,結合激光誘導液相沉積機理,推導出沉積層產生的光化學反應方程式。2.激光背面濕式刻蝕藍寶石基片過程中發(fā)現：激光背面濕式刻蝕藍寶石基片,并不是掃描一次就能發(fā)生刻蝕�？涛g初期,需要多次在同一位置重復掃描,材料表面改性后,刻蝕閾值降低后才能產生穩(wěn)定刻蝕。分析刻槽表面的微觀形貌認為：整個刻槽的形成過程存在點蝕--連續(xù)刻蝕的變化過程,點蝕現象導致藍寶石基片背面變得更為粗糙,有利于沉積層在藍寶石基片背面附著和后續(xù)去除材料。3.根據實驗測定的沉積層的幾何尺寸和沉積層的成分,基于三維熱傳導方程建立了激光與藍寶石--沉積層--液層的多介質層相互作用物理模型,采用ANSYS對多介質層模型進行數值模擬分析,得到激光輻照作用藍寶石的溫度場分布,研究刻槽輪廓尺寸與激光刻蝕工藝參數(激光能量密度、掃描速度和掃描次數)之間的關系。模擬結果發(fā)現：整個溫度云圖依賴光斑能量密度變化呈高斯分布；隨著激光脈沖數的增加,藍寶石材料背面達到的最高溫度也增加；熱傳導速度從高到低依次是沉積層、藍寶石基片、溶液層；隨著能量密度和掃描速度的降低,藍寶石基片的刻蝕深度、寬度逐漸增加；在刻槽截面可以看到,沿著激光的掃描方向,刻槽的底部出現等間距的波紋起伏,掃描速度的越小,這種現象越明顯。4.為了驗證理論模型的合理性和可靠性,進行了激光背面濕式刻蝕工藝實驗,結果發(fā)現：當激光能量密度達到26.5J/cm2,藍寶石材料發(fā)生熔化刻蝕；隨著激光能量密度的增加,刻蝕深度和寬度均增加；隨著掃描速度的減小,刻蝕深度和寬度增加；隨著掃描次數的增加,刻蝕深度和寬度均增加。這些變化規(guī)律與數值模擬結果相符合�？滩鄣臄嗝孑喞獔D與數值模擬的刻槽的截面的基本形狀和尺寸(深度和寬度)基本一致；在刻槽底部出現波浪起伏特征與實驗結果一致,說明建立的激光濕式刻蝕的多介質層模型的一定有效性和可靠性。
[Abstract]:The laser back wet etching is a complicated physical process , especially for processing transparent materials such as sapphire , quartz , glass and so on . In contrast , the laser back wet etching is a complicated physical process , which involves phase change , convection heat transfer and so on . In contrast , the laser back wet etching is a complicated physical process , which involves phase change , convection heat transfer and so on .
Secondly , the mechanism of laser induced liquid phase deposition is analyzed , and the thermal effect of laser back wet etching is studied .
The effects of laser parameters ( scanning times , scanning speed and energy density ) on etching size ( groove depth and width ) were analyzed by means of finite element method . The effects of laser parameters ( scanning times , scanning speed and energy density ) on etching size ( groove depth and width ) were analyzed .
On the basis of three - dimensional heat conduction equation , the physical model of multi - media layer interaction of laser and sapphire - sedimentary layer - liquid layer is established by using the XPS and Auger analysis methods .
As the number of laser pulses increases , the highest temperature on the back of the sapphire material increases .
the heat conduction speed is from high to low , in turn , a deposition layer , a sapphire substrate and a solution layer ;
With the decrease of energy density and scanning speed , the etching depth and width of sapphire substrate gradually increase ;
In order to verify the rationality and reliability of the theoretical model , the laser back wet etching technology experiment was carried out to verify the rationality and reliability of the theoretical model .
With the increase of laser energy density , the etching depth and width increase ;
the etching depth and the width increase as the scanning speed is reduced ;
As the number of scans increases , the depth and width of the etching increase . These changes are in agreement with the results of numerical simulation . The profile of the notch is basically consistent with the basic shape and dimension ( depth and width ) of the groove of the numerical simulation .
The wave fluctuation characteristics at the bottom of the groove are consistent with the experimental results , which indicates the validity and reliability of the multi - media layer model of laser wet etching .
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN249;TN305.7

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本文編號：1923508