在過去十年間，作為越來越精密的結構和功能組件，玻璃在平板顯示器、汽車和建筑等各領域的應用廣泛。這推動著玻璃制造商改善玻璃自身的特性、研發(fā)更先進的玻璃涂料，以及改進玻璃切割工藝，具體而言包括提高切割精度、加快切割速度、減少對環(huán)境的影響，以及降低切割成本。本文概要介紹玻璃激光切割技術，并探究在某些應用環(huán)境中，激光切割相較于傳統(tǒng)機械加工法的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)方法
人們通過各種形式的傳統(tǒng)技術切割玻璃幾乎已有幾個世紀，也就是先用鋒利的堅硬工具（通常為金剛石或碳化物砂輪）刻劃玻璃表面，然后施加機械掰斷力，讓玻璃沿劃痕完全分離。在自動式系統(tǒng)中，玻璃分離往往是由壓到玻璃上的“閘刀桿”實現。
遺憾的是，這種方法有許多缺陷，尤其在如今平板顯示器 (FPD) 中越來越多采用超薄基板的環(huán)境中，這些缺陷更加明顯。主要缺陷在于刻劃工具施加的機械力會讓材料產生細微裂紋、后續(xù)掰斷步驟會造成小缺口和碎屑，而且切割邊緣也不一定與玻璃表面垂直。另外，機械切割會在成品邊緣留下相當大的機械應力。（實際上，當基板厚度小于 1 毫米時，由于玻璃特別容易斷裂，因此很難使用機械切割法。）為了防止玻璃在經受首道切割工序之后出現破裂或斷裂，可能必須對切割表面進行打磨或拋光。另外，加工后可能還必須安排清潔環(huán)節(jié)來清除可能對后續(xù)流程（例如電路形成）造成干擾的碎屑（當玻璃用作微電子制造中的基板時）。
對制造商而言，在加工后安排各種邊緣打磨和清潔環(huán)節(jié)無疑會額外增加制造工時和成本。這些環(huán)節(jié)也可能會對環(huán)境造成負面影響，包括產生不易處理的碎屑，或為了進行清潔需要耗用大量水資源。另外，如今對曲線邊緣（尤其是用于便攜式設備的 FPD）的需求量越來越大，而玻璃機械切割法對切割曲線邊緣的支持度卻不高。
鑒于當今的玻璃使用趨勢，上述這些局限顯得尤為嚴峻。具體來說，如今的市場發(fā)展趨勢包括：制造的零件的精度更高、零件的形狀和切口有時非常復雜、使用超?。ㄐ∮?1 毫米）基板，以及化學強化玻璃開始出現（機械法尚不支持切割這種玻璃）。
激光切割的優(yōu)點
目前，用于玻璃切割的激光技術有許多種，并且這些技術的實現方式多種多樣。不過，所有這些玻璃激光切割技術的主要優(yōu)點都有一些類似。
首先，所有激光切割法都采用非接觸式加工工藝，這就大大避免了細微裂紋和碎屑的問題。另外，激光切割法留在玻璃中的殘余應力極?。ú煌懈罘ǖ臍堄鄳τ兴煌蚨懈钸吘壍膹姸雀?。這一點非常重要，如果殘余應力太大，那么即使在玻璃板中心施力，往往也會導致玻璃邊緣發(fā)生破裂。因此，與采用機械法切割的玻璃相比，激光切割的玻璃能承受的力要大一到兩倍。
圖 1. 機械切割玻璃（左圖）與激光切割玻璃（右圖）比較。圖中顯示，機械切割玻璃存在相當大的殘余應力，并且切割過程留下了大量碎屑。
由于很少需要（或完全不需要）后續(xù)清潔或打磨階段的工作，因此激光切割還可以減少工藝環(huán)節(jié)的數量。因此，雖然激光切割工作臺的資本成本比機械系統(tǒng)高，但由于不需要額外配備打磨機，所以激光切割的總投資要比機械加工系統(tǒng)低。由于對后處理工作和清潔工作的需求下降，因此激光切割法比機械法更環(huán)保，耗用的水資源也更少（或完全不需要耗用水資源）。
最后，有些激光切割法支持玻璃曲線切割。如今對曲線切割的需求量越來越大，尤其在手機制造行業(yè)，制造商們希望生產幾何形狀更復雜的屏幕，包括在材料上打孔來容納按鍵、控制鍵、LED 和相機鏡頭。
CO2 和 CO 激光器
二氧化碳 (CO2) 激光器用于切割玻璃已有多年。相比之下，作為工業(yè)實用型工具的一氧化碳 (CO) 激光器直到 2015 年才由相干公司率先推出，可算是剛剛開始在這一應用領域的部署。不論是 CO2 激光器還是 CO 激光器，都有玻璃切割速度快、產量大的優(yōu)點。
CO2 和 CO 激光源加工玻璃的原理都是在局部密集加熱。具體來說，所有玻璃都極易吸收 CO2 激光器產生的 10.6 微米波長，因此聚焦的激光束能夠快速加熱玻璃表面或近表面區(qū)域。為了實現切割效果，玻璃需要相對激光束平移，并且由玻璃上方的噴液或噴氣口對玻璃進行快速冷卻。由此帶來的熱沖擊會讓玻璃形成連續(xù)切縫。如果玻璃較薄，切縫可以完全穿透基板，從而直接完成切割，這叫做“整體切割”。如果玻璃比較厚，那么還需要額外通過一個激光或機械式掰斷環(huán)節(jié)才能完成切割，這叫做“激光劃線”。
圖 2. CO2 激光器劃線示意圖。
CO 激光器的總體加工過程大致同上。不過，玻璃對 CO 激光器輸出的 5 微米到 6 微米激光的吸收率顯著降低，這讓激光照射大塊材料時能夠穿透得更深。因此，熱量能夠直接深入大塊玻璃，而無需依靠從表面?zhèn)鞑?。相干公司開展的測試表明，這能比使用 CO2 激光器進一步降低殘余應力，從而提高切割工件的強度，同時讓制造商能夠擴大加工區(qū)間。
CO 激光器還有一個吸引人的優(yōu)點是支持曲線切割。CO2 激光器往往局限于以直線切割玻璃，因為其圓形輸出光束必須重塑為細長光線，才能更好地發(fā)散表面產生的高溫。相比之下，CO 激光器吸收率較低的特點讓它能直接使用圓形光束，而且不會產生不利的熱影響。另外，CO 激光器還支持切割化學強化玻璃。
圖 3. 輸出功率僅 9 瓦的 CO 激光器以 140 毫米/秒的加工速率，在超薄玻璃（厚度 50 微米）上實現平滑整齊的曲線切割效果（半徑 6 毫米的圓）。
激光燒蝕
激光燒蝕的玻璃加工機制與通過熱沖擊形成切縫的 CO2 和 CO 激光器完全不同。激光燒蝕實現劃線的方式是通過精準燒蝕真正去除材料。當施加功率足夠大的激光，從而在玻璃中激發(fā)非線性吸收時，就會實現燒蝕。這樣一來，就能通過局部密集加熱（熱燒蝕）或通過極高峰值功率直接破壞原子間化學鍵（光燒蝕）來去除材料。
用于激光燒蝕的激光器要么是脈寬在納秒級的 Q 開關半導體泵浦固體激光器，要么是脈寬在皮秒乃至飛秒級的工業(yè)超快激光器。這些工業(yè)超快激光器往往使用鎖模半導體泵浦固體激光器作為種子來實現后續(xù)的一級或多級放大。
通過激光燒蝕來切割玻璃存在許多不同形式，不過所有這些形式有個共同點，那就是激光脈沖會從基板上打下微小碎屑。通常，脈寬與去除的顆粒的大小有直接關聯。脈寬為納秒級的激光器產生的碎屑大小以數微米為單位，超快激光器產生的顆粒以數百納米為單位。
納秒脈寬激光器發(fā)射的綠光（532 納米）或紫外光（355 納米）往往會穿透透明基板頂層，并且最初聚焦于底部表面。在這種所謂的“自下而上”方法中，燒蝕下來的碎屑會受重力作用從材料相互作用區(qū)域掉落。通過沿預期輪廓移動貫穿基板的聚焦光束，刻劃或切割邊緣幾乎可以是任何邊緣輪廓，包括曲線切割、槽、孔、溝槽、斜面和切面。
與其他方法相比，這類燒蝕方法的加工速度比較慢。舉例來說，用這種方法在厚度 3 毫米的鈉鈣玻璃上鉆一個直徑 1 毫米的孔大約需要 1 秒鐘。切割自由輪廓的速度為每秒鐘幾毫米。這種方法的缺陷還包括無法加工強化玻璃，而且加工邊緣往往存在大小約在 10 微米到 50 微米的較大碎屑。
圖 4. 采用“自下而上”方法加工的通孔
超快激光器的劃線過程通常是激光首先聚焦于基板上表面，然后通過調整光束聚焦點讓加工深度達到穿透整個材料。由于切割過程中產生的微小顆粒不能自動從劃片掉落（雖然通過一定方法可以去除這些顆粒），因此超快激光器難以實現“自下而上”的鉆孔或切割。除了切割速度較慢和邊緣較粗糙這兩個局限性之外，使用超快激光器進行頂部劃線的局限性還包括劃片和孔始終會存在范圍通常在 8° 到 12° 的錐度。
在超快激光器中，飛秒激光器的切割質量已被證明優(yōu)于皮秒激光器，不過由于工業(yè)激光器提供的平均功率較低，飛秒激光器的切割速度往往更慢。
SmartCleave 成絲切割
玻璃切割也能通過特定形式的內部變形來實現。這個過程叫做“成絲”，同樣需要利用由超快激光器聚焦光束提供的超高功率密度。在這個過程中，受非線性克爾光學效應影響，超高密度的激光光束會產生自聚焦現象。這種自聚焦會進一步提高功率密度，直到達到某一閾值后在材料中產生低密度等離子體。這種等離子體會降低材料在光束路徑中間的折射率，并會造成光束散焦。通過適當配置光束聚焦光學部件，可以讓這種聚焦/散焦效應達到平衡，從而實現周期性重復并在光學透明材料中形成長達數毫米、較為穩(wěn)定的光絲。這種光絲的直徑通常在 0.5 微米到 1 微米之間。
圖 5. 激光光絲在厚度為 0.5 毫米的藍寶石中形成一系列平行空隙。
為了有效得到零間隙切割或穿孔線，需要移動工件與激光光束之間的相對位置，讓激光生成的光絲彼此靠近。根據材料厚度和需要的切割幾何圖形，切割速度可以達到 100 毫米/秒至 2000 毫米/秒。
Coherent | Rofin 利用成絲技術研發(fā)的代表性技術叫作 SmartCleave。這一技術由 Rofin 在采購的工藝技術基礎上進一步研發(fā)，然后搭配相干公司的高級工業(yè)超快激光器形成。最終形成的工藝可快速切割任意形狀、厚度為 0.05 毫米到 10 毫米的透明脆性材料（包括曲線切割、自由形式切割和內嵌切割），并且無錐度產生。SmartCleave 的切割面平滑，Ra 小于 1 微米，并且無缺口和碎屑。與機械式工藝相比，這樣得到的切割工件的彎曲強度更高。
對于非強化透明玻璃（例如鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃和鋁硅酸鹽玻璃）以及藍寶石，在成絲之后還需增加一個分離環(huán)節(jié)。這可以通過施加一個不大的機械力或溫差力來實現。例如，后者可以由 CO2 激光器加熱來提供。對于化學強化或熱強化玻璃，工件內部的應力可以實現自動沿外部輪廓分離，因此無需再額外增加其他環(huán)節(jié)。
圖 6. SmartCleave 支持快速對玻璃進行曲線切割和內嵌切割，例如切割用于顯示屏基板的玻璃。
實施 SmartCleave
隨著相干公司于 2016 年收購 Rofin，SmartCleave 技術現已融入相干公司的工業(yè)超快激光器系列，包括 HYPERRAPID 系列。這些產品提供了輸出功率、可靠性和操作靈活性的獨特組合，包括支持突發(fā)模式和按需脈沖操作。因此，在特定應用環(huán)境中有效實施成絲切割的能力達到了無以倫比的水平。
另外，Coherent | Rofin 提供各種產品以多種多樣的集成配置支持 SmartCleave 加工。首先是激光源，例如 HYPERRAPID 系列產品。我們還提供將激光器與光束傳輸光學部件和控制電子器件集成在一起的子系統(tǒng)。另外，可以將這些器件配置為所謂的“黑盒”子系統(tǒng)，也就是針對特定工藝提供現成的特定配置。這些配置已開發(fā)和編程完畢，能夠支持和優(yōu)化這一特定工藝。最后，Coherent | Rofin 還能提供完善、即時可用的系統(tǒng)來實現 SmartCleave 工藝，并且這些系統(tǒng)隨時能夠在生產環(huán)境中投入使用。
總之，實踐證明，激光器是能在廣泛應用環(huán)境中代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃切割技術的可行替代方案。一般來說，在機械法不能提供所需的切割質量或特征，或者舊方法因需要大量后期處理而變得過于昂貴時，激光器的優(yōu)勢最大。然而，玻璃激光切割涉及的范圍很廣，涵蓋多種不同的技術，并且每種技術都有其獨特的特征和優(yōu)點。作為唯一一家?guī)缀跄芴峁┧胁Ａ懈罴す馄鞯墓?，相干公司占據獨一無二的優(yōu)勢地位，能夠為具體應用環(huán)境提供最佳解決方案。對于 SmartCleave 成絲切割，相干公司將受專利保護的技術知識與卓越的激光技術相結合，滿足在生產環(huán)境中成功實現這一卓越技術的相關要求。
作者信息
Roland Mayerhofer，Coherent | ROFIN
George Oulundsen，相干公司
Rainer Paetzel，相干公司
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