用皮秒脉冲激光器进行精密玻璃加工

作者：Mathew Rekow

欢迎访问e展厅 展厅 4 激光切割机展厅 激光切割机, 激光切割机床, 激光加工机, 激光打孔机, ... 几个世纪以来，玻璃的加工工艺主要有机械法划片和断裂、磨削和切割。尽管微电子技术逐步发展，但这些古老的技术仍然在玻璃加工技术中占主导地位。随着高功率激光器在20 世纪60年代出现，玻璃切割很快就成为它的一个应用市场。尽管开发出许多创新的技术，但激光系统相对较高的复杂性和成本拖慢了它在该市场工业化的脚步。本世纪初，化学强化玻璃的普及给传统切割技术带来了更严苛的挑战，从而使得激光加入到更公平的竞争中来。结果显而易见：和玻璃深加工相关的新型激光器和激光技术呈现出爆炸式发展。有些技术例如ESI的Diamond Blaze技术可以实现非常快速的线切割，并且质量非常高。然而，在如今的微电子市场，弧形转角、内弧形的“Home”按钮、扬声器孔等部件需要的是不同的技术。例如， Eolite公司开发的一个专有工艺可以实现高化学强化玻璃的内弧形和外弧形的线切割，良品率很高。空气喷射的压力或者甚至只凭重力就可以移除被切除的部位，并且切割边缘的质量非常高，能减少或去掉后处理的步骤。 化学强化玻璃：结构 化学强化玻璃起源于20世纪6 0 年代，由康宁（Corning）开发，命名为“Chemcor”，可以应用于汽车、航空航天和制药行业，但是显然并未成为业内的主流。不过，在本世纪初，该项技术焕发了新的活力，改进产品被命名为“大猩猩玻璃”（Gorilla Glass），并迅速成为用于智能手机和平板电脑面板的主流材质。截止到2013年5月底，估计超过15亿台售出的设备使用了大猩猩玻璃。 生产大猩猩玻璃的工艺仍然利用了生产Chemcor 玻璃的基础原理。将钠玻璃浸入碱性溶液，使得玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换。正如图1所示， 因为钾离子大于钠离子，使得玻璃表面具有更大的残余压应力。该压应力反过来又可以阻止裂纹的产生，从而限制了任何裂纹末端的应力，可以减少瑕疵的诱发和蔓延。最终使得该玻璃的抗损坏性比未强化的玻璃高出很多倍，可以耐受智能手机日常使用中遇到的应力和应变。 这种表面压应力可以显著提高玻璃的力学性能，但是强化玻璃的强度也会呈下降趋势，这样的话如果采用传统的划片和锯切工艺会带来更多问题。不夸张地说，通过传统的方法来切割最高强度的玻璃是不可能实现的。虽然化学强化让玻璃变得结实，但是也让它难以用机械法切割。首先，为了切开一种材料，划痕会非常深，作用力也必须非常高。同时，一旦划痕深入到中间的拉应力区域，拉应力作用于裂纹尖端，使得裂纹迅速自发地在中心的拉应力层进行无序扩展。由此在中心层产生的不可控和不规则的裂纹扩展通常会破坏整个部件。所以需要一种新的切割方法。 激光技术的发展 激光加工玻璃技术相关的第一项专利发布于1969年，随后很短时间内陆续出现了其他几个专利。从那时开始，激光切割玻璃的技术发展日新月异。然而，对于大型工业化操作来说，切割、划片和断裂以及磨料切割等技术仍占主导地位。这些传统技术足以应付第一代的化学强化玻璃，但随着最新具有更高应力等级的玻璃被开发出来，继续使用传统技术变得不再现实。 新一代的激光技术例如ESI的Diamond Blaze的出现使得高质量的快速纵切得以实现。在这些工艺中，拉应力层和/或压应力层中受到的破坏变得可控。非常高的内部应力会使裂纹沿着激光加工的路径扩展开来，从而使得部件自动地沿着激光加工的路径分离开来。但是，通常情况下，这些技术仅限用于纵切。目前开发出的其他技术在某种程度上可以实现弧形切割。 Eolite激光切割玻璃技术使用皮秒脉冲激光器在玻璃中不断生成微观切屑，直到玻璃被有效切割。虽然这种技术的切割速度相对不高，但是适用于所有类型和厚度的化学强化玻璃。此外，切槽侧壁基本是垂直的；组件增加的作用力可以忽略不计；切口表面和切屑尺寸与精磨相当。 加工体系和设备 该工艺使用了Hegoa的30W、515nm皮秒光纤激光器。该激光器能产生15至50 ps脉冲、重复频率高达3MHz的激光束。准直激光束会扩束至12mm，在100mm焦距的F-theta远心扫描场镜作用下获得8mm直径的光斑。随后移除被扫描的焦点区域， 形成所需要的各种切割形状。扫描器安装在Z轴上，方便控制工件上的焦点深度。使用的最大脉冲能量是20μJ。 切割玻璃的过程 515nm激光束聚焦成约8μm直径的光斑，使用高速扫描器在工件表面上移除焦点区域，速度高达10m/s。小焦点和短皮秒脉冲持续结合在一起会在焦点处发生强烈的非线性作用。反过来又使得未聚焦的光束可自由通过玻璃，而不会产生有害的加热和热透镜效应，这样焦点作用区域可置于离材料表面很远的地方（通常是底部或背面）。然后每个激光脉冲移除掉形状与光斑大小类似的玻璃微屑（图2a）。皮秒的非热效应性质保证了大部分多余的热量会随着玻璃微屑而去，而基板上残留的热量会非常小。随着激光束沿着扫描方向移动，在玻璃表面上会形成浅槽形切口。 然后沿着所需的路径反复扫描，每一次重复都会有偏移，以形成所需的切槽宽度（图2b）。继续重复这些路径，同时在需要的时候沿着垂直轴的方向进行调整，以确保激光作用在切割面上，最后迅速地穿透整个部件。如图3所示，可以在穿透强化层之前停止这一过程，这样就可以在表面形成沟槽。只要压应力层不被破坏，这些沟槽会保持稳定，并且不会导致部件损坏。 切割过程的物理学 第一眼看上去，还不清楚这种切割方法是如何避免激光在内部拉应力层中切割时自发发生裂纹的不规则扩展。不过，已经利用这种方法在最高中心张力（C.T.）和最薄的（400μm）强化玻璃上进行数以百次的切割，良品率超过99%。我们相信关键在于断裂力学的基本原则。 首先，断裂力学指出只有超过临界裂纹长度，才会在很少能量下发生不受控制的裂纹扩展。C.T.为91MPa的玻璃可以计算出临界裂纹长度约5μm（见下面的公式），其中E为弹性模量，γ是玻璃的表面能量密度，σ是作用力： 将5μm的临界裂纹长度与8μm的光斑直径比较，我们就明白这一方法是如何避免灾难性的自发裂纹扩展，即没有产生超过临界裂纹长度的裂纹。此外， 我们注意到，在中心层（位于拉应力层下）停止切割会导致一段时间后发生断裂，这意味着在这一层中加工速度比自发裂纹增长速度更快。考虑到小的切屑尺寸和合理快速的切割速度，便可以解释这一方法是如何避免材料的无序断裂了。 加工结果 这种自下而上的切割过程可以带来干净的切割、基本垂直的侧壁和最大的顶部和底部边缘切屑（大小约等于8μm的光斑）。我们发现厚度范围在0.4 至2mm、C.T.在0至91MPa范围内的玻璃都可以应用同一基本加工参数，而且良品率超过99%。图4显示了700μm厚度、C.T.为40MPa的玻璃的切割面顶部和底部的边缘。观察到的切割面顶部和底部的最大切屑尺寸约10μm。深色的边缘是阴影，不是玻璃变色。测量的锥度为5°左右。图5a显示了使用Hegoa激光器在宽40mm、长60mm、400μm厚度、C.T.为91MPa的玻璃板上切割出10个方形孔。在20张板、每张10个方形孔的情况下，良品率为100%。图5b显示了切割出来的正方形和圆形孔，圆孔直径为2mm，此外还切割出外部圆角。 加工速度 为了弥补每束激光移除的相对较小的材料量，设置了扫描仪的最大速度和激光器的高脉冲重复频率（PRF）。即便如此，振镜扫描仪的速度仍然会限制Hegoa G30激光器（515nm、最大30W）的加工速度。图6显示了一个扩展性试验的结果： 1.0mm厚的玻璃上的切割过程与激光功率成线性比例。玻璃越薄，速度越高。图5中在切割各种形状时，较小的圆角半径限制了扫描速度为5m/s，因此激光功率为14W 时的实际加工速度约为2.5mm/s。 总结 我们有能力用皮秒光纤激光器对化学强化玻璃例如大猩猩玻璃进行内部和外部的切割操作，范围包括市面上所有的具有最高中心张力值的最薄的玻璃。此外，这一工艺几乎适用于受测试的所有类型的玻璃，只在激光路径的总数量上有所区别，而该数量只由玻璃厚度来决定。1.0mm厚的材料的加工速度与玻璃厚度成线性关系，最高为4.0mm/s。通过工艺优化，可以在0.4mm厚、C.T.为91的玻璃上实现6至8mm/s的切割速度。Hegoa搭配高速线切割的工艺可以实现大型平板玻璃的快速划片，包括有效率的内部和外部弧形切割。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/29/2014)