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激光技術(shù)挑戰(zhàn)薄脆性非金屬材料，細(xì)微之處造乾坤
激光作為一種先進(jìn)的加工工具，已經(jīng)越來越廣泛地在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著激光技術(shù)自身的不斷發(fā)展完善，其憑借著在加工質(zhì)量、加工復(fù)雜度、加工效率及清潔環(huán)保等優(yōu)勢，不但在不銹鋼、銅、合金等各類金屬材料加工中獲得青睞，而且也正在玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體硅晶圓、PCB板等各種非金屬材料加工中凸顯出獨(dú)特優(yōu)勢。
薄脆性材料的加工挑戰(zhàn)
在非金屬加工領(lǐng)域，薄脆性材料的激光加工備受關(guān)注。隨著智能手機(jī)、LED照明、平板電腦、以及可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展迭代，玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷等材料，憑借著自身具備的獨(dú)特優(yōu)質(zhì)屬性而獲得了廣泛應(yīng)用，比如堅(jiān)硬的鋼化玻璃用作于智能手機(jī)的顯示屏；堅(jiān)硬且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的陶瓷用于制作電子零部件襯底和絕緣材料；堅(jiān)硬耐劃的藍(lán)寶石用于LED襯底、手機(jī)攝像頭保護(hù)玻璃、智能手機(jī)顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。
在這些應(yīng)用中使用的玻璃、藍(lán)寶石或陶瓷等材料，厚度通常較薄，硬度越來越高，非常易碎。而在加工要求上，上述應(yīng)用通常需要在這些薄脆易碎的材料上實(shí)施非常精密的切割、鉆孔甚至開槽等加工過程，這使得傳統(tǒng)的銑、 鉆、 磨等機(jī)械加工工藝面臨著極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴牧蠘O薄極脆，加工過程中因接觸而施加到材料上的任何應(yīng)力，都可能導(dǎo)致材料碎裂，最終報(bào)廢。
然而，傳統(tǒng)機(jī)械加工方式所面臨的挑戰(zhàn)，卻為非接觸性的激光加工帶來了更多機(jī)會(huì)。
超快激光應(yīng)對加工挑戰(zhàn)
玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石等薄脆性非金屬材料的精密加工，通常使用超快激光。超快激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，在納秒、皮秒甚至是飛秒級別，將適度的激光能量作用在材料表面，通過打斷材料的化學(xué)鍵而實(shí)現(xiàn)材料去除目的，在這個(gè)過程中，激光能量還來不及向加工范圍周圍傳遞，加工過程便已結(jié)束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計(jì)，材料不會(huì)產(chǎn)生熱損傷。
隨著這些脆性材料在LED、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多，致力于這類脆性材料加工的激光器、激光系統(tǒng)及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也不斷增多，他們的努力也促進(jìn)了激光技術(shù)在脆性材料加工領(lǐng)域不斷突破。
（一）漢諾威中心的薄片玻璃鉆孔方案
2016年12月初，德國漢諾威激光中心（LZH）和德國巴伐利亞激光中心（BLZ）聯(lián)合舉辦了一場主題為“玻璃材料的激光加工”的研討會(huì)，主要探討激光玻璃加工領(lǐng)域的最新發(fā)展與趨勢。
當(dāng)前，激光玻璃加工領(lǐng)域的發(fā)展快速，一些創(chuàng)新的加工過程和系統(tǒng)，正在使薄片、平板和管狀玻璃產(chǎn)品的加工不斷進(jìn)步。
研討會(huì)上，漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種新穎的薄片玻璃鉆孔方案，其將單個(gè)脈沖與不同的脈沖持續(xù)時(shí)間相結(jié)合，成功避免了鉆孔過程中在玻璃邊緣出現(xiàn)碎片，加工出的表面非常光滑，能力成功化學(xué)強(qiáng)化薄片玻璃的鉆孔，如用于手機(jī)屏中的強(qiáng)化玻璃。
漢諾威激光中心新開發(fā)的玻璃鉆孔工藝，比水射流方式更具成本效益，并且還能加工厚度4mm的玻璃。漢諾威激光中心在玻璃加工方面的創(chuàng)新，為消費(fèi)電子等產(chǎn)品提供了有價(jià)值的推動(dòng)力。
（二）堪稱改變行業(yè)規(guī)則的皮秒混合光纖激光器IceFyre？
在玻璃/藍(lán)寶石加工方面，萬機(jī)儀器（MKS Instruments）旗下的光譜物理業(yè)務(wù)部門（Spectra-Physics）在這方面實(shí)力不俗。早在2015年12月，光譜物理就針對化學(xué)強(qiáng)化玻璃、非強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石的快速高質(zhì)量切割應(yīng)用，推出了ClearShape飛秒激光器，其能夠達(dá)到1m/s的切割速度，并且切割邊緣無毛邊碎屑，邊緣粗糙度Ra <0.1μm。
今年2月Spectra-Physics首次亮相的緊湊型高功率工業(yè)皮秒混合光纖激光器IceFyre，堪稱是一款改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品——集高功率、超短脈沖、前所未有的通用性、重復(fù)頻率可調(diào)、可編程靈活調(diào)節(jié)脈寬、脈沖可按需觸發(fā)等諸多功能及成本優(yōu)勢于一身。IceFyre在1064nm波長處提供> 50W的平均功率和高達(dá)> 200μJ的脈沖能量，脈沖重復(fù)頻率可調(diào)節(jié)范圍從單發(fā)脈沖到8MHz，是精密加工藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。
IceFyre在性能、成本、尺寸和可靠性方面的表現(xiàn)，是否如其所愿能夠改變工業(yè)微加工激光器市場的游戲規(guī)則？我們拭目以待。
國內(nèi)廠商德龍激光，憑借著其自主研發(fā)的激光應(yīng)力誘導(dǎo)切割技術(shù)，在非金屬精密加工方面也有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，幾年前其LED芯片劃片機(jī)曾在國內(nèi)市場占據(jù)大量份額。最近幾年，智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)藍(lán)寶石和強(qiáng)化玻璃加工市場走俏，德龍激光的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也隨之拓展。
德龍激光總經(jīng)理趙裕興博士詳細(xì)介紹了激光應(yīng)力誘導(dǎo)切割技術(shù)。它將短脈沖激光光束透過材料表面聚焦在材料中間，短脈沖激光極高的瞬時(shí)能量，在材料中間形成改質(zhì)層，從而使被切產(chǎn)品達(dá)到斷裂效果。這是一種全新的激光切割工藝，具有速度快、不產(chǎn)生粉塵、無基材耗損、所需切割道小、完全干制程等優(yōu)勢。
德龍激光自主研發(fā)的皮秒激光應(yīng)力誘導(dǎo)加工設(shè)備，在藍(lán)寶石和玻璃等材料的切割方面，收獲了成功，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械切割，在切割效率、切割成本上、材料損耗、產(chǎn)品產(chǎn)出和產(chǎn)品性能方面都有穩(wěn)步提升。
M-Cut是亞智科技開發(fā)出的一種改性切割工藝，其以類似穿孔的方式修改材料基板。M-Cut工藝的光源中具有特別調(diào)整的光學(xué)系統(tǒng)，形成改良的光束源，能夠縱向聚焦形成線性的切割痕跡。這種切割工藝產(chǎn)生的切割界面的粗糙度低于0.5μm，可免去對切割邊緣的昂貴研磨拋光工作。
M-Cut適用于切割各種強(qiáng)化玻璃及藍(lán)寶石等脆性材料，切割0.5mm厚的玻璃時(shí)，切割速度可達(dá)1m/s；不會(huì)產(chǎn)生崩邊、破裂，切割邊緣粗糙度值低于0.5μm，不需要拋光。此外還能提高切割后玻璃的抗裂度。M-Cut工藝可以切割不同幾何形狀的工件，甚至能以90°角切割轉(zhuǎn)角，是一把靈活的激光刀。
羅芬針對藍(lán)寶石和陶瓷等脆性材料加工，除了其使用脈沖光纖激光器的熔融切割技術(shù)之外， 其SmartCleave FI激光切割工藝，自從2014年推出以來，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和一些利基市場中獲得了成功應(yīng)用。這種切割工藝，能在加工過程中在工件上產(chǎn)生足夠的內(nèi)應(yīng)力，從而達(dá)到加工區(qū)域自動(dòng)分離。對于非強(qiáng)化玻璃、藍(lán)寶石或陶瓷，可以借助較低的機(jī)械力或熱力很容易地實(shí)現(xiàn)分離。 2017年3月14日下午15:30分，在慕尼黑上海光博會(huì)現(xiàn)場，羅芬將舉辦展臺活動(dòng)，這是Coherent收購Rofin在國內(nèi)的首次亮相，相信合并之后的戰(zhàn)略發(fā)展一定會(huì)緊抓眼球。
SmartCleave FI工藝可以切割任意形狀，如直線、曲線、有角度的或倒角切割，可切割管狀或曲面件；表面光潔，基本沒有碎屑，典型的表面粗糙度值小于1μm；切割速度大于300mm/s；切割玻璃的厚度范圍在100μm~10mm之間；適用于玻璃、藍(lán)寶石、水晶、陶瓷等脆性材質(zhì)。
最近Photonics Industries (PI)公司新推出的RGH 1064系列高脈沖能量皮秒（10~15ps）激光器，被ATTON Eng 公司用于切割平板顯示器和移動(dòng)設(shè)備上使用的薄片玻璃，在切割表面上獲得了鏡面般的光潔度。
據(jù)悉ATTON Eng 利用PI的RGH激光器開發(fā)出了一種稱為“鏡面專利”切割工藝，該工藝已經(jīng)獲取專利。相比于其他超快激光玻璃切割方案所實(shí)現(xiàn)的ra?100nm的切割面粗糙度，這項(xiàng)工藝能實(shí)現(xiàn)ra?0.005?（即?5nm）的側(cè)壁粗糙度，在切割面上實(shí)現(xiàn)“鏡面”般的光滑質(zhì)量，同時(shí)還能保持優(yōu)異的強(qiáng)度，這無疑又是玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷等脆性材料切割領(lǐng)域的一把新利器。
RGH系列激光器體積小巧，脈沖可控，可按需單獨(dú)觸發(fā)，重復(fù)頻率范圍從單發(fā)到8MHz。用戶可以改變工作功率或脈沖能量，以最大限度地提高工藝靈活性。RGH系列可在1064nm輸出功率高達(dá)70W的功率，可提供700uJ的脈沖能量。
小結(jié)
強(qiáng)化玻璃、藍(lán)寶石和其他脆性、透明材料的獨(dú)特性能，將促使其在消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、集成電路、建筑、汽車、航空航天等市場領(lǐng)域獲得不斷增長的用途。特別是在以智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備為首的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，對強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石的應(yīng)用，將具有很大增長空間。因此，市場對脆性材料激光加工的需求非常看好。
在市場高需求的同時(shí)，來自市場要求減少加工步驟、減少材料浪費(fèi)以及干性制程等因素的持續(xù)驅(qū)動(dòng)，也正在強(qiáng)烈地推動(dòng)著激光器制造商和激光系統(tǒng)集成商提供不斷探討，要求他們不但能提供傳統(tǒng)機(jī)械加工的替代方案，而且還要不斷提升激光加工方案的綜合性能，以在加工質(zhì)量、產(chǎn)品良率、加工速度及量產(chǎn)化方面有所突破。上文提及的廠商僅是活躍在非金屬加工領(lǐng)域的少數(shù)幾家，這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的背后是更多廠商的努力，其他像華工激光、通快、武漢華日激光等眾多國內(nèi)外廠商，都為激光非金屬加工、特別是強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石等脆性材料加工的發(fā)展，貢獻(xiàn)了不小力量。
