氧化鋁陶瓷的力、熱、電性能優(yōu)異,且價(jià)格低廉,原料豐富,是目前電子工業(yè)最常用的基板材料。應(yīng)用于電子集成模塊封裝基板的氧化鋁陶瓷同時(shí)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(zhì)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(xué)及物理模型并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí),對(duì)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(yù)測與觀測分析并作為切割質(zhì)量評(píng)價(jià)手段,從機(jī)理上解釋了材料的去除過程對(duì)切割質(zhì)量的影響,獲得了以下主要研究結(jié)果:針對(duì)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(duì)激光能量的吸收、傳導(dǎo)以及熔融材料在重力和輔助吹氣壓力作用下的質(zhì)量流動(dòng),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(zhì)量流動(dòng)狀態(tài),并結(jié)合輔助吹氣壓力的動(dòng)力學(xué)模型,建立了氧化鋁陶瓷激光切割的氣熔比數(shù)學(xué)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(duì)加工陶瓷板的形貌觀察及分析,闡明了氣熔比對(duì)切割質(zhì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明(以2.0mm板為例)氣熔比值在0.1左右時(shí)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(xì)致光滑,符合質(zhì)量要求。針對(duì)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(yù)測了熔化去除顆粒尺寸及其分布,并通過觀測實(shí)驗(yàn)獲得了顆粒物形貌與熔化層材料狀態(tài)的關(guān)系。結(jié)果表明氣熔比對(duì)熔化去除顆粒物直徑的影響存在動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)的拮抗關(guān)系,顆粒物尺寸及分布與切割質(zhì)量對(duì)應(yīng)。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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均顆粒直徑達(dá)到動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)去除效應(yīng)的臨界點(diǎn)(氣熔比值約0.1)時(shí)達(dá)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(shí)熔融材料離開熔化層時(shí)拖曳的材料達(dá)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(zhì)量較好。條紋寬度與顆粒物平均直徑密切相關(guān),二者數(shù)值上相近并且變化趨勢基本一致。針對(duì)切縫壁面在熔化和凝固過程中由于不同形核與結(jié)晶方式造成的物相轉(zhuǎn)變,通過形核驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(jié)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(jié)果表明在個(gè)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(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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?qū)η懈畋诿娈a(chǎn)生增韌效果;當(dāng)相變層厚度過大時(shí),切割壁面斷裂韌性迅速降低。為平衡產(chǎn)品強(qiáng)度與韌性,氣熔比為0.1左右時(shí)切割效果較好,符合質(zhì)量要求。相對(duì)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(jī)理對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)材料作用的效果,可以作為切割的控制因素,對(duì)評(píng)價(jià)和提高切割質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.6
【部分圖文】：

會(huì)從躍遷到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光。若光子能逡逑量等于對(duì)應(yīng)的能級(jí)差，就會(huì)產(chǎn)生“受激輻射的光放大”效應(yīng)，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(diǎn)處的功率密度高達(dá)ｌ0２？１０１ＱＷ／ｃｍ２，產(chǎn)生的溫度超過１０４°Ｃ，足以瞬時(shí)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(zhuǎn)化成為材料內(nèi)能以輻逡逑射、傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移能量，造成材料的熔化、氣化。材料的密度、熱導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)、熔逡逑沸點(diǎn)、比熱容、相變潛熱、幾何形狀影響能量的吸收和轉(zhuǎn)化，對(duì)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(shù)是由激光、計(jì)算機(jī)、數(shù)控和精密機(jī)床等相結(jié)合的綜合高新技術(shù)，逡逑特點(diǎn)是高效、清潔與便利。激光切割技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)［２２］４２４］，能逡逑夠克服許多傳統(tǒng)加工手段無法解決的技術(shù)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(jié)構(gòu)（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(dá)到良好的加工質(zhì)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(zhì)量評(píng)價(jià)等方面成為熱點(diǎn)，從不同的角度上推動(dòng)了激光切逡逑割技術(shù)的縱深研宄。逡逑＿逡逑圖１．３激光切割產(chǎn)品實(shí)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(jī)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(shí)較大的溫度梯度及熱應(yīng)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(jié)構(gòu)（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(dá)到良好的加工質(zhì)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(xiàn)】

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