透明硬脆材料厚基板及其激光钻孔方法和应用与流程

本发明涉及激光加工，特别是涉及透明硬脆材料厚基板及其激光钻孔方法和应用。

背景技术：

1、在玻璃、蓝宝石、石英、透明陶瓷等透明硬脆材料基板上制备微孔，是光通信、三维封装、mems器件、生物医疗检测等领域的关键工艺需求。

2、目前，在透明硬脆材料基板上制备微孔，最常用的方法之一是利用皮秒或飞秒激光等超快激光对透明硬脆材料基板进行改性处理，然后将改性区域放入酸液中进行化学蚀刻，利用酸液对改性区域的优先腐蚀作用形成微孔。该方法可以制作直径在几十微米至几百微米范围的微孔，具有加工效率高、孔壁质量好等优点。然而，由于透明硬脆材料在酸蚀过程中侵蚀行为在各个方向上的速率相近，当基板厚度较大时，孔的尺寸控制变得非常困难。因此，该方法目前仅能适用于厚度为300μm及以下的薄基板，对于厚基板，几乎无法制作出满足精度要求的微孔，存在明显局限性。

3、而随着算力中心光电互连技术的发展，带有微孔阵列的厚基板被用于插入标准通信光纤形成光纤阵列。相比薄基板，厚基板具有更高的机械强度和优异的光路稳定性，能够保证光纤阵列在长期工作中保持可靠的光学对准和机械固定。但是，这类应用对微孔的尺寸精度和位置精度有极高要求：以标准通信光纤为例，孔的出口端直径需精确控制在光纤直径加预定余量的范围内，误差不超过±0.5μm，以确保光纤的精密固定。

4、针对上述厚基板上微孔的加工需求，目前主要采用激光直接进行钻孔加工。由于纳秒激光与透明硬脆材料相互作用时以热效应为主导机制，热影响区和崩边尺寸通常在数微米至数十微米量级；而超快激光（皮秒或者飞秒）则依赖多光子吸收和雪崩电离等非线性效应，要求极高的峰值功率和严格的能量阈值，两者在物理机制上存在本质差异。基于上述物理机制的差异，业内普遍认为在同一孔道中先后使用纳秒激光和超快激光时，纳秒激光残留的热裂纹和变质层将破坏超快激光的精密加工效果，无法获得高精度的出射面孔径。受限于这一认知，现有技术通常采用单一激光方案，即全程采用纳秒激光或全程使用超快激光。

5、然而，采用超快激光钻孔时，激光能量首先作用于基板入射面，孔道从入射面向内部延伸。随着钻孔深度的增加，激光能量在穿过孔道时不断被孔壁吸收和散射，到达出射面的能量大幅衰减，导致孔道呈现出入射面大、出射面小的锥度特征。因此，该方法虽能较好控制入射面孔径，但出射面孔径难以精确控制在±0.5μm以内。

6、而采用纳秒激光钻孔时，钻孔深度与孔径控制之间存在固有矛盾。随着钻孔深度增加，激光束在孔道内的多次反射和散射效应显著加剧，导致孔底部实际作用光斑尺寸和能量密度分布发生波动。当钻孔深度接近基板总厚度时，该效应尤为突出，使得孔底部孔径的精确控制极为困难，难以满足出射面孔径误差不超过±0.5μm的精度要求。

7、由此可见，无论是采用超快激光还是纳秒激光进行单一激光钻孔，均无法在透明硬脆材料厚基板上实现出射面孔径误差不超过±0.5μm的精度要求。该苛刻的精度要求与厚基板的固有加工难度形成了尖锐矛盾，成为本领域长期未能解决的技术难题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种透明硬脆材料厚基板及其激光钻孔方法和应用，能够使透明硬脆材料厚基板上第二表面侧孔径的误差不超过±0.5μm。

2、一种透明硬脆材料厚基板的激光钻孔方法，包括以下步骤：

3、提供透明硬脆材料厚基板，所述厚基板具有相对的第一表面和第二表面；

4、采用纳秒激光器自所述第一表面向所述第二表面方向钻孔，先形成由所述第一表面向内部孔径逐渐减小的锥形段，当未钻孔的剩余厚度为0.2mm~0.9mm时，将孔径调至预设孔径并转为垂直于所述厚基板方向继续钻孔，形成与所述锥形段相连通的垂直孔段，构成预制孔道，其中，所述锥形段在所述第一表面的入口孔径比所述预设孔径大10μm以上；

5、采用超快激光器自所述第二表面沿所述预制孔道进行扩孔，聚焦焦点直径小于5μm，将所述垂直孔段的孔径扩大至目标孔径，得到微孔，其中，所述目标孔径比所述预设孔径大2μm~20μm，且所述目标孔径小于所述第一表面的入口孔径。

6、本发明将厚基板的钻孔过程分解为纳秒激光粗加工与超快激光精加工两个阶段，纳秒激光自第一表面入射，负责材料去除量大的锥形段和垂直孔段预制，超快激光自第二表面沿预制孔道扩孔，仅负责第二表面侧孔径的精加工，两种激光在同一孔道上分别承担不同功能，实现了功能解耦与扬长避短，兼顾了加工效率与精度。纳秒激光钻孔时，锥形段在第一表面的入口孔径比预设孔径大10μm以上，使锥形段侧壁具有足够的倾斜度，入射激光束在锥形段内壁反射时大倾斜度使反射光倾向于向第二表面方向传播，减少能量损耗，保证垂直孔段的形成质量；当未钻孔剩余厚度为0.2mm~0.9mm时转为垂直钻孔，使纳秒激光热影响区和崩边区被限定在远离第二表面的区域，为超快激光预留了未经热损伤的材料层；预设孔径与目标孔径的差值为2μm~20μm，超快激光扩孔时聚焦焦点直径小于5μm，确保材料去除被限制在亚微米级横向尺度内，使第二表面侧孔径的扩大量被精确控制在目标孔径。上述特征的确定综合考虑了纳秒激光热影响区纵深、超快激光有效作用深度、材料应力释放临界点以及深孔底部激光能量分布等多物理场耦合效应，各参数之间相互关联、相互制约，共同使本发明能够在厚基板上实现第二表面侧孔径误差不超过±0.5μm的微孔加工，克服了现有技术中精度与厚度之间的固有矛盾。

7、在其中一个实施例中，所述厚基板的厚度为2mm~5mm；

8、及/或，所述锥形段在所述第一表面的入口孔径比所述预设孔径大10μm~300μm；

9、及/或，当未钻孔的剩余厚度为0.2mm~0.5mm时，将孔径调至预设孔径并转为垂直于所述厚基板方向继续钻孔；

10、及/或，所述目标孔径比所述预设孔径大2μm~5μm。

11、在其中一个实施例中，所述垂直孔段相对于所述第二表面的垂直度大于或等于87°。

12、在其中一个实施例中，所述垂直孔段扩孔之前与扩孔之后的中心距离小于2μm。

13、在其中一个实施例中，所述锥形段的最小孔径等于所述垂直孔段的孔径，所述锥形段和所述垂直孔段在衔接处平滑过渡。

14、在其中一个实施例中，所述锥形段在所述第一表面的入口孔径为140μm~160μm；

15、及/或，所述预设孔径为121μm~124μm，所述目标孔径为126μm。

16、在其中一个实施例中，所述纳秒激光器使用激光波长为1.0μm~1.2μm的红外纳秒激光器或激光波长为510nm~550nm的绿光纳秒激光器，脉冲宽度均为1ns~100ns，重复频率均为10khz~2000khz；

17、及/或，所述超快激光器使用激光波长为320nm~360nm的紫外飞秒激光器、激光波长为320nm~360nm的紫外皮秒激光器、激光波长为510nm~550nm的绿光飞秒激光器或激光波长为510nm~550nm的绿光皮秒激光器，脉冲宽度均小于10ps，重复频率均为10khz~5mhz。

18、一种采用所述激光钻孔方法得到的透明硬脆材料厚基板，所述透明硬脆材料厚基板具有多个微孔，且所述微孔贯穿所述透明硬脆材料厚基板的第一表面和第二表面，所述微孔包括位于所述第一表面侧的锥形段和与所述锥形段相连通的垂直孔段，所述锥形段在所述第一表面的入口孔径大于所述垂直孔段的孔径。

19、在其中一个实施例中，所述微孔呈阵列排布。

20、一种光纤阵列，所述光纤阵列包括所述的透明硬脆材料厚基板以及光纤，所述光纤穿过并固定于所述透明硬脆材料厚基板的微孔中。

21、该光纤阵列中，透明硬脆材料厚基板上的微孔在第一表面侧具有较大的入口孔径，便于光纤顺畅插入；在第二表面侧具有高精度的出口孔径，光纤穿过微孔后能够被精确固定。同时，微孔的高精度孔径和优良的孔壁质量保证了光纤阵列中每根光纤的位置精度和角度一致性，有利于提高光纤阵列的光学对准精度和长期工作稳定性。