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激光技术挑战薄脆性非金属材料,细微之处造乾坤

时间:2017-04-11 10:55  阅读:3767

    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凸显出独特优势。

 

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激光技术在脆性材料加工领域不断突破。

(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。

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,为消费电子等产品提供了有价值的推动力。

(二)堪称改变行业规则的皮秒混合光纤激光器IceFyre?

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。

今年2月Spectra-Physics首次亮相的紧凑型高功率工业皮秒混合光纤激光器IceFyre,堪称是一款改变游戏规则的产品——集高功率、超短脉冲、前所未有的通用性、重复频率可调、可编程灵活调节脉宽、脉冲可按需触发等诸多功能及成本优势于一身。IceFyre在1064nm波长处提供> 50W的平均功率和高达> 200μJ的脉冲能量,脉冲重复频率可调节范围从单发脉冲到8MHz,是精密加工蓝宝石、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现,是否如其所愿能够改变工业微加工激光器市场的游戏规则?我们拭目以待。

国内厂商德龙激光,凭借着其自主研发的激光应力诱导切割技术,在非金属精密加工方面也有着不错的表现,几年前其LED芯片划片机曾在国内市场占据大量份额。最近几年,智能手机等消费电子产品的发展,驱动蓝宝石和强化玻璃加工市场走俏,德龙激光的业务领域也随之拓展。

德龙激光总经理赵裕兴博士详细介绍了激光应力诱导切割技术。它将短脉冲激光光束透过材料表面聚焦在材料中间,短脉冲激光极高的瞬时能量,在材料中间形成改质层,从而使被切产品达到断裂效果。这是一种全新的激光切割工艺,具有速度快、不产生粉尘、无基材耗损、所需切割道小、完全干制程等优势。

德龙激光自主研发的皮秒激光应力诱导加工设备,在蓝宝石和玻璃等材料的切割方面,收获了成功,相比于传统的机械切割,在切割效率、切割成本上、材料损耗、产品产出和产品性能方面都有稳步提升。

M-Cut是亚智科技开发出的一种改性切割工艺,其以类似穿孔的方式修改材料基板。M-Cut工艺的光源中具有特别调整的光学系统,形成改良的光束源,能够纵向聚焦形成线性的切割痕迹。这种切割工艺产生的切割界面的粗糙度低于0.5μm,可免去对切割边缘的昂贵研磨抛光工作。

M-Cut适用于切割各种强化玻璃及蓝宝石等脆性材料,切割0.5mm厚的玻璃时,切割速度可达1m/s;不会产生崩边、破裂,切割边缘粗糙度值低于0.5µm,不需要抛光。此外还能提高切割后玻璃的抗裂度。M-Cut工艺可以切割不同几何形状的工件,甚至能以90°角切割转角,是一把灵活的激光刀。

罗芬针对蓝宝石和陶瓷等脆性材料加工,除了其使用脉冲光纤激光器的熔融切割技术之外, 其SmartCleave FI激光切割工艺,自从2014年推出以来,已经在工业生产和一些利基市场中获得了成功应用。这种切割工艺,能在加工过程中在工件上产生足够的内应力,从而达到加工区域自动分离。对于非强化玻璃、蓝宝石或陶瓷,可以借助较低的机械力或热力很容易地实现分离。 2017年3月14日下午15:30分,在慕尼黑上海光博会现场,罗芬将举办展台活动,这是Coherent收购Rofin在国内的首次亮相,相信合并之后的战略发展一定会紧抓眼球。

SmartCleave FI工艺可以切割任意形状,如直线、曲线、有角度的或倒角切割,可切割管状或曲面件;表面光洁,基本没有碎屑,典型的表面粗糙度值小于1μm;切割速度大于300mm/s;切割玻璃的厚度范围在100μm~10mm之间;适用于玻璃、蓝宝石、水晶、陶瓷等脆性材质。

最近Photonics Industries (PI)公司新推出的RGH 1064系列高脉冲能量皮秒(10~15ps)激光器,被ATTON Eng 公司用于切割平板显示器和移动设备上使用的薄片玻璃,在切割表面上获得了镜面般的光洁度。

据悉ATTON Eng 利用PI的RGH激光器开发出了一种称为“镜面专利”切割工艺,该工艺已经获取专利。相比于其他超快激光玻璃切割方案所实现的ra〜100nm的切割面粗糙度,这项工艺能实现ra〜0.005㎛(即〜5nm)的侧壁粗糙度,在切割面上实现“镜面”般的光滑质量,同时还能保持优异的强度,这无疑又是玻璃、蓝宝石和陶瓷等脆性材料切割领域的一把新利器。

RGH系列激光器体积小巧,脉冲可控,可按需单独触发,重复频率范围从单发到8MHz。用户可以改变工作功率或脉冲能量,以最大限度地提高工艺灵活性。RGH系列可在1064nm输出功率高达70W的功率,可提供700uJ的脉冲能量。

 小结

强化玻璃、蓝宝石和其他脆性、透明材料的独特性能,将促使其在消费电子、医疗设备、集成电路、建筑、汽车、航空航天等市场领域获得不断增长的用途。特别是在以智能手机、可穿戴设备为首的消费电子产品中,对强化玻璃和蓝宝石的应用,将具有很大增长空间。因此,市场对脆性材料激光加工的需求非常看好。

在市场高需求的同时,来自市场要求减少加工步骤、减少材料浪费以及干性制程等因素的持续驱动,也正在强烈地推动着激光器制造商和激光系统集成商提供不断探讨,要求他们不但能提供传统机械加工的替代方案,而且还要不断提升激光加工方案的综合性能,以在加工质量、产品良率、加工速度及量产化方面有所突破。上文提及的厂商仅是活跃在非金属加工领域的少数几家,这个领域发展的背后是更多厂商的努力,其他像华工激光、通快、武汉华日激光等众多国内外厂商,都为激光非金属加工、特别是强化玻璃和蓝宝石等脆性材料加工的发展,贡献了不小力量。