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薄脆性非金属材料的激光加工

导读: 玻璃、陶瓷、蓝宝石等薄脆性非金属材料的精密加工,通常使用超快激光。

激光作为一种先进的加工工具,已经越来越广泛地在工业生产中发挥着举足轻重的作用。随着激光技术自身的不断发展完善,其凭借着在加工质量、加工复杂度、加工效率及清洁环保等优势,不但在不锈钢、铜、合金等各类金属材料加工中获得青睐,而且也正在玻璃、陶瓷、蓝宝石、半导体硅晶圆、PCB 板等各种非金属材料加工中突显出独特优势。

薄脆性材料的加工挑战

在非金属加工领域,薄脆性材料的激光加工备受关注。随着智能手机、LED 照明、平板电脑、以及可穿戴设备等消费电子产品的不断发展迭代,玻璃、蓝宝石和陶瓷等材料,凭借着自身具备的独特优质属性而获得了广泛应用,比如坚硬的钢化玻璃用作于智能手机的显示屏 ;坚硬且化学性质稳定的陶瓷用于制作电子零部件衬底和绝缘材料 ;坚硬耐划的蓝宝石用于 LED 衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等。

在这些应用中使用的玻璃、蓝宝石或陶瓷等材料,厚度通常较薄,硬度越来越高,非常易碎。而在加工要求上,上述应用通常需要在这些薄脆易碎的材料上实施非常精密的切割、钻孔甚至开槽等加工过程,这使得传统的铣、钻、磨等机械加工工艺面临着极大的挑战,因为材料极薄极脆,加工过程中因接触而施加到材料上的任何应力,都可能导致材料碎裂,最终报废。

然而,传统机械加工方式所面临的挑战,却为非接触性的激光加工带来了更多机会。

超快激光应对加工挑战

玻璃、陶瓷、蓝宝石等薄脆性非金属材料的精密加工,通常使用超快激光。超快激光脉冲持续时间极短,在纳秒、皮秒甚至是飞秒级别,将适度的激光能量作用在材料表面,通过打断材料的化学键而实现材料去除目的,在这个过程中,激光能量还来不及向加工范围周围传递,加工过程便已结束,因此产生的热量几乎可以忽略不计,材料不会产生热损伤。

随着这些脆性材料在 LED、智能手机、可穿戴设备等产品中的应用越来越多,致力于这类脆性材料加工的激光器、激光系统及相关科研机构也不断增多,他们的努力也促进了这类脆性材料激光加工技术的不断发展。以下简单整理了一些相关方案,希望对读者有一定参考。

(一)汉诺威中心的薄片玻璃钻孔方案

2016 年 12 月初,德国汉诺威激光中心(LZH)和德国巴伐利亚激光中心(BLZ)联合举办了一场主题为“玻璃材料的激光加工”的研讨会,主要探讨激光玻璃加工领域的最新发展与趋势。

当前,激光玻璃加工领域的发展快速,一些创新的加工过程和系统,正在使薄片、平板和管状玻璃产品的加工不断进步。

图1:利用激光实现薄片强化玻璃的精密钻孔(图片来源:LZH)

研讨会上,汉诺威激光中心由Philipp von Witzendorff 领导的一个研究团队介绍了一种新颖的薄片玻璃钻孔方案,其将单个脉冲与不同的脉冲持续时间相结合,成功避免了钻孔过程中在玻璃边缘出现碎片,加工出的表面非常光滑,能力成功化学强化薄片玻璃的钻孔,如用于手机屏中的强化玻璃。

汉诺威激光中心新开发的玻璃钻孔工艺,比水射流方式更具成本效益,并且还能加工厚度 4mm 的玻璃。汉诺威激光中心在玻璃加工方面的创新,将为消费电子等产品提供有价值的推动力。

(二)万机仪器的皮秒混合光纤激光器IceFyre将改变行业游戏规则?

在玻璃 / 蓝宝石加工方面,万机仪器(MKS Instruments)旗下的光谱物理业务部门(Spectra-Physics)在这方面实力不俗。早在 2015 年 12 月,光谱物理就针对化学强化玻璃、非强化玻璃和蓝宝石的快速高质量切割应用,推出了 ClearShape 飞秒激光器,其能够达到 1m/s 的切割速度,并且切割边缘无毛边碎屑,边缘粗糙度Ra <0.1μm。

图2:Spectra-Physics的高功率工业皮秒混合光纤激光器IceFyre(图片来源:MKS Instruments)

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