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激光技術挑戰薄脆性非金屬材料,細微之處造乾坤

時間:2017-04-11 10:55  閱讀:2089

    激光作為一種先進的加工工具,已經越來越廣泛地在工業生產中發揮著舉足輕重的作用。隨著激光技術自身的不斷發展完善,其憑借著在加工質量、加工復雜度、加工效率及清潔環保等優勢,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、藍寶石、半導體硅晶圓、PCB板等各種非金屬材料加工中凸顯出獨特優勢。

 

薄脆性材料的加工挑戰

在非金屬加工領域,薄脆性材料的激光加工備受關注。隨著智能手機、LED照明、平板電腦、以及可穿戴設備等消費電子產品的不斷發展迭代,玻璃、藍寶石和陶瓷等材料,憑借著自身具備的獨特優質屬性而獲得了廣泛應用,比如堅硬的鋼化玻璃用作于智能手機的顯示屏;堅硬且化學性質穩定的陶瓷用于制作電子零部件襯底和絕緣材料;堅硬耐劃的藍寶石用于LED襯底、手機攝像頭保護玻璃、智能手機顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。

在這些應用中使用的玻璃、藍寶石或陶瓷等材料,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,這使得傳統的銑、 鉆、 磨等機械加工工藝面臨著極大的挑戰,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力,都可能導致材料碎裂,最終報廢。

然而,傳統機械加工方式所面臨的挑戰,卻為非接觸性的激光加工帶來了更多機會。

 

超快激光應對加工挑戰

玻璃、陶瓷、藍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鍵而實現材料去除目的,在這個過程中,激光能量還來不及向加工范圍周圍傳遞,加工過程便已結束,因此產生的熱量幾乎可以忽略不計,材料不會產生熱損傷。

隨著這些脆性材料在LED、智能手機、可穿戴設備等產品中的應用越來越多,致力于這類脆性材料加工的激光器、激光系統及相關科研機構也不斷增多,他們的努力也促進了激光技術在脆性材料加工領域不斷突破。

(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域的最新發展與趨勢。

當前,激光玻璃加工領域的發展快速,一些創新的加工過程和系統,正在使薄片、平板和管狀玻璃產品的加工不斷進步。

研討會上,漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff領導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時間相結合,成功避免了鉆孔過程中在玻璃邊緣出現碎片,加工出的表面非常光滑,能力成功化學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新,為消費電子等產品提供了有價值的推動力。

(二)堪稱改變行業規則的皮秒混合光纖激光器IceFyre?

在玻璃/藍寶石加工方面,萬機儀器(MKS Instruments)旗下的光譜物理業務部門(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強化玻璃、非強化玻璃和藍寶石的快速高質量切割應用,推出了ClearShape飛秒激光器,其能夠達到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皮秒混合光纖激光器IceFyre,堪稱是一款改變游戲規則的產品——集高功率、超短脈沖、前所未有的通用性、重復頻率可調、可編程靈活調節脈寬、脈沖可按需觸發等諸多功能及成本優勢于一身。IceFyre在1064nm波長處提供> 50W的平均功率和高達> 200μJ的脈沖能量,脈沖重復頻率可調節范圍從單發脈沖到8MHz,是精密加工藍寶石、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,是否如其所愿能夠改變工業微加工激光器市場的游戲規則?我們拭目以待。

國內廠商德龍激光,憑借著其自主研發的激光應力誘導切割技術,在非金屬精密加工方面也有著不錯的表現,幾年前其LED芯片劃片機曾在國內市場占據大量份額。最近幾年,智能手機等消費電子產品的發展,驅動藍寶石和強化玻璃加工市場走俏,德龍激光的業務領域也隨之拓展。

德龍激光總經理趙裕興博士詳細介紹了激光應力誘導切割技術。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層,從而使被切產品達到斷裂效果。這是一種全新的激光切割工藝,具有速度快、不產生粉塵、無基材耗損、所需切割道小、完全干制程等優勢。

德龍激光自主研發的皮秒激光應力誘導加工設備,在藍寶石和玻璃等材料的切割方面,收獲了成功,相比于傳統的機械切割,在切割效率、切割成本上、材料損耗、產品產出和產品性能方面都有穩步提升。

M-Cut是亞智科技開發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整的光學系統,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寶石等脆性材料,切割0.5mm厚的玻璃時,切割速度可達1m/s;不會產生崩邊、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°角切割轉角,是一把靈活的激光刀。

羅芬針對藍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之外, 其SmartCleave FI激光切割工藝,自從2014年推出以來,已經在工業生產和一些利基市場中獲得了成功應用。這種切割工藝,能在加工過程中在工件上產生足夠的內應力,從而達到加工區域自動分離。對于非強化玻璃、藍寶石或陶瓷,可以借助較低的機械力或熱力很容易地實現分離。 2017年3月14日下午15:30分,在慕尼黑上海光博會現場,羅芬將舉辦展臺活動,這是Coherent收購Rofin在國內的首次亮相,相信合并之后的戰略發展一定會緊抓眼球。

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、藍寶石、水晶、陶瓷等脆性材質。

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。

據悉ATTON Eng 利用PI的RGH激光器開發出了一種稱為“鏡面專利”切割工藝,該工藝已經獲取專利。相比于其他超快激光玻璃切割方案所實現的ra?100nm的切割面粗糙度,這項工藝能實現ra?0.005?(即?5nm)的側壁粗糙度,在切割面上實現“鏡面”般的光滑質量,同時還能保持優異的強度,這無疑又是玻璃、藍寶石和陶瓷等脆性材料切割領域的一把新利器。

RGH系列激光器體積小巧,脈沖可控,可按需單獨觸發,重復頻率范圍從單發到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70W的功率,可提供700uJ的脈沖能量。

 小結

強化玻璃、藍寶石和其他脆性、透明材料的獨特性能,將促使其在消費電子、醫療設備、集成電路、建筑、汽車、航空航天等市場領域獲得不斷增長的用途。特別是在以智能手機、可穿戴設備為首的消費電子產品中,對強化玻璃和藍寶石的應用,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常看好。

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驅動,也正在強烈地推動著激光器制造商和激光系統集成商提供不斷探討,要求他們不但能提供傳統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,以在加工質量、產品良率、加工速度及量產化方面有所突破。上文提及的廠商僅是活躍在非金屬加工領域的少數幾家,這個領域發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外廠商,都為激光非金屬加工、特別是強化玻璃和藍寶石等脆性材料加工的發展,貢獻了不小力量。


 

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