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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、LED照明、平板電腦、以及可穿戴設(shè)備等消費電子產(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特優(yōu)質(zhì)屬性而獲得了廣泛應(yīng)用,比如堅硬的鋼化玻璃用作于智能手機的顯示屏;堅硬且化學(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;堅硬耐劃的藍(lán)寶石用于LED襯底、手機攝像頭保護(hù)玻璃、智能手機顯示屏、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、 磨等機械加工工藝面臨著極大的挑戰(zhàn),因為材料極薄極脆,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,最終報廢。
然而,傳統(tǒng)機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會。
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)鍵而實現(xiàn)材料去除目的,在這個過程中,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,材料不會產(chǎn)生熱損傷。
隨著這些脆性材料在LED、智能手機、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,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。
研討會上,漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團隊介紹了一種新穎的薄片玻璃鉆孔方案,其將單個脈沖與不同的脈沖持續(xù)時間相結(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)強化薄片玻璃的鉆孔,如用于手機屏中的強化玻璃。
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,為消費電子等產(chǎn)品提供了有價值的推動力。
(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,萬機儀器(MKS Instruments)旗下的光譜物理業(yè)務(wù)部門(Spectra-Physics)在這方面實力不俗。早在2015年12月,光譜物理就針對化學(xué)強化玻璃、非強化玻璃和藍(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的表現(xiàn),幾年前其LED芯片劃片機曾在國內(nèi)市場占據(jù)大量份額。最近幾年,智能手機等消費電子產(chǎn)品的發(fā)展,驅(qū)動藍(lán)寶石和強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適用于切割各種強化玻璃及藍(lán)寶石等脆性材料,切割0.5mm厚的玻璃時,切割速度可達(dá)1m/s;不會產(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)域自動分離。對于非強化玻璃、藍(lán)寶石或陶瓷,可以借助較低的機械力或熱力很容易地實現(xiàn)分離。 2017年3月14日下午15:30分,在慕尼黑上海光博會現(xiàn)場,羅芬將舉辦展臺活動,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現(xiàn)的ra?100nm的切割面粗糙度,這項工藝能實現(xiàn)ra?0.005?(即?5nm)的側(cè)壁粗糙度,在切割面上實現(xiàn)“鏡面”般的光滑質(zhì)量,同時還能保持優(yōu)異的強度,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)
強化玻璃、藍(lán)寶石和其他脆性、透明材料的獨特性能,將促使其在消費電子、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、可穿戴設(shè)備為首的消費電子產(chǎn)品中,對強化玻璃和藍(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??春?。
在市場高需求的同時,來自市場要求減少加工步驟、減少材料浪費以及干性制程等因素的持續(xù)驅(qū)動,也正在強烈地推動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。