激光作為一種先進(jìn)的加工工具,已經(jīng)越來(lái)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(shì),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突顯出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
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(lái)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(kāi)槽等加工過(guò)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(guò)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(lái)了更多機(jī)會(huì)。
超快激光應(yīng)對(duì)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(jí)別,將適度的激光能量作用在材料表面,通過(guò)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(guò)程中,激光能量還來(lái)不及向加工范圍周圍傳遞,加工過(guò)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(lái)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)了這類脆性材料激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展。以下簡(jiǎn)單整理了一些相關(guān)方案,希望對(duì)讀者有一定參考。
(一)漢諾威中心的薄片玻璃鉆孔方案
2016 年 12 月初,德國(guó)漢諾威激光中心(LZH)和德國(guó)巴伐利亞激光中心(BLZ)聯(lián)合舉辦了一場(chǎng)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(shì)。
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(guò)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。
圖1:利用激光實(shí)現(xiàn)薄片強(qiáng)化玻璃的精密鉆孔(圖片來(lái)源:LZH)
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(guò)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(kāi)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,將為消費(fèi)電子等產(chǎn)品提供有價(jià)值的推動(dòng)力。
(二)萬(wàn)機(jī)儀器的皮秒混合光纖激光器IceFyre將改變行業(yè)游戲規(guī)則?
在玻璃 / 藍(lán)寶石加工方面,萬(wàn)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(duì)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(wú)毛邊碎屑,邊緣粗糙度Ra <0.1μm。
圖2:Spectra-Physics的高功率工業(yè)皮秒混合光纖激光器IceFyre(圖片來(lái)源:MKS Instruments)
在今年 2 月的 Photonics West 展會(huì)上,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、短皮秒脈沖以及前所未有的通用性、重于一身復(fù)頻率可調(diào)、可編程的皮秒脈寬靈活性和脈沖按需觸發(fā)等諸多功能及成本優(yōu)勢(shì)于一身。IceFyre 在 1064nm 波長(zhǎng)處提供> 50W 的平均功率和高達(dá) > 200μJ 的脈沖能量,可調(diào)節(jié)的重復(fù)頻率范圍從單發(fā)脈沖到 8MHz,加之靈活的脈沖編程能力,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(chǎng)的游戲規(guī)則?我們拭目以待。
(三)德龍激光的激光應(yīng)力誘導(dǎo)切割技術(shù)
國(guó)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(chǎng)走俏,德龍激光的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也隨之拓展。
在對(duì)德龍激光總經(jīng)理趙裕興博士的一次采訪中,趙博士詳細(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(guò)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(wú)基材耗損、所需切割道小、完全干制程等優(yōu)勢(shì)。
圖3:德龍激光的皮秒激光應(yīng)力誘導(dǎo)加工設(shè)備,在藍(lán)寶石切割過(guò)程中累積的光強(qiáng)的分布。(圖片來(lái)源:德龍激光)
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。
(四)亞智科技的 M-Cut 切割工藝
M-Cut 是亞智科技開(kāi)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(duì)切割邊緣的昂貴研磨拋光工作。
圖4:亞智科技的M-Cut激光切割工藝,基底材料能被線性地“穿透”。(圖片來(lái)源:亞智科技)
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。
(五)羅芬的 SmartCleave FI切割工藝
羅芬針對(duì)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(lái),已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和一些利基市場(chǎng)中獲得了成功應(yīng)用。這種切割工藝,能在加工過(guò)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(duì)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。
圖5:羅芬SmartCleave FI激光加工工藝實(shí)現(xiàn)的薄片玻璃切割與鉆孔。(圖片來(lái)源:羅芬激光)
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(méi)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)。
強(qiáng)化玻璃、藍(lán)寶石和其他脆性、透明材料的獨(dú)特性能,這將促使這些材料在消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、集成電路、建筑、汽車、航空航天等市場(chǎng)領(lǐng)域涌現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的用途。特別是在以智能手機(jī)、可穿戴電子產(chǎn)品為首的消費(fèi)電子產(chǎn)品中,對(duì)強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石的應(yīng)用,具有很大的增長(zhǎng)空間。因此,市場(chǎng)對(duì)脆性材料激光加工的需求非常看好。
在市場(chǎng)高需求的同時(shí),來(lái)自市場(chǎng)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)域的發(fā)展背后,是更多廠商的努力,其他像華工激光、通快、武漢華日激光、等國(guó)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)寶石等脆性材料的加工的發(fā)展,貢獻(xiàn)了不小力量。