在過(guò)去十年間，作為越來(lái)越精密的結(jié)構(gòu)和功能組件，玻璃在平板顯示器、汽車(chē)和建筑等各領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。這推動(dòng)著玻璃制造商改善玻璃自身的特性、研發(fā)更先進(jìn)的玻璃涂料，以及改進(jìn)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(duì)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(shù)，并探究在某些應(yīng)用環(huán)境中，激光切割相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工法的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)方法

人們通過(guò)各種形式的傳統(tǒng)技術(shù)切割玻璃幾乎已有幾個(gè)世紀(jì)，也就是先用鋒利的堅(jiān)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(jī)械掰斷力，讓玻璃沿劃痕完全分離。在自動(dòng)式系統(tǒng)中，玻璃分離往往是由壓到玻璃上的“閘刀桿”實(shí)現(xiàn)。

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(lái)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(jī)械力會(huì)讓材料產(chǎn)生細(xì)微裂紋、后續(xù)掰斷步驟會(huì)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(jī)械切割會(huì)在成品邊緣留下相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力。（實(shí)際上，當(dāng)基板厚度小于 1 毫米時(shí)，由于玻璃特別容易斷裂，因此很難使用機(jī)械切割法。）為了防止玻璃在經(jīng)受首道切割工序之后出現(xiàn)破裂或斷裂，可能必須對(duì)切割表面進(jìn)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(lái)清除可能對(duì)后續(xù)流程（例如電路形成）造成干擾的碎屑（當(dāng)玻璃用作微電子制造中的基板時(shí)）。

對(duì)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(wú)疑會(huì)額外增加制造工時(shí)和成本。這些環(huán)節(jié)也可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，包括產(chǎn)生不易處理的碎屑，或?yàn)榱诉M(jìn)行清潔需要耗用大量水資源。另外，如今對(duì)曲線(xiàn)邊緣（尤其是用于便攜式設(shè)備的 FPD）的需求量越來(lái)越大，而玻璃機(jī)械切割法對(duì)切割曲線(xiàn)邊緣的支持度卻不高。

鑒于當(dāng)今的玻璃使用趨勢(shì)，上述這些局限顯得尤為嚴(yán)峻。具體來(lái)說(shuō)，如今的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)包括：制造的零件的精度更高、零件的形狀和切口有時(shí)非常復(fù)雜、使用超?。ㄐ∮?1 毫米）基板，以及化學(xué)強(qiáng)化玻璃開(kāi)始出現(xiàn)（機(jī)械法尚不支持切割這種玻璃）。

激光切割的優(yōu)點(diǎn)

目前，用于玻璃切割的激光技術(shù)有許多種，并且這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣。不過(guò)，所有這些玻璃激光切割技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)都有一些類(lèi)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(xì)微裂紋和碎屑的問(wèn)題。另外，激光切割法留在玻璃中的殘余應(yīng)力極?。ú煌懈罘ǖ臍堄鄳?yīng)力有所不同），因而切割邊緣的強(qiáng)度更高。這一點(diǎn)非常重要，如果殘余應(yīng)力太大，那么即使在玻璃板中心施力，往往也會(huì)導(dǎo)致玻璃邊緣發(fā)生破裂。因此，與采用機(jī)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(jī)械切割玻璃（左圖）與激光切割玻璃（右圖）比較。圖中顯示，機(jī)械切割玻璃存在相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，并且切割過(guò)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(shù)量。因此，雖然激光切割工作臺(tái)的資本成本比機(jī)械系統(tǒng)高，但由于不需要額外配備打磨機(jī)，所以激光切割的總投資要比機(jī)械加工系統(tǒng)低。由于對(duì)后處理工作和清潔工作的需求下降，因此激光切割法比機(jī)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(xiàn)切割。如今對(duì)曲線(xiàn)切割的需求量越來(lái)越大，尤其在手機(jī)制造行業(yè)，制造商們希望生產(chǎn)幾何形狀更復(fù)雜的屏幕，包括在材料上打孔來(lái)容納按鍵、控制鍵、LED 和相機(jī)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(shí)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(kāi)始在這一應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)量大的優(yōu)點(diǎn)。

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(lái)說(shuō)，所有玻璃都極易吸收 CO₂激光器產(chǎn)生的 10.6 微米波長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)切割效果，玻璃需要相對(duì)激光束平移，并且由玻璃上方的噴液或噴氣口對(duì)玻璃進(jìn)行快速冷卻。由此帶來(lái)的熱沖擊會(huì)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(guò)一個(gè)激光或機(jī)械式掰斷環(huán)節(jié)才能完成切割，這叫做“激光劃線(xiàn)”。

圖 2.CO₂激光器劃線(xiàn)示意圖。

 

CO 激光器的總體加工過(guò)程大致同上。不過(guò)，玻璃對(duì) 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(shí)能夠穿透得更深。因此，熱量能夠直接深入大塊玻璃，而無(wú)需依靠從表面?zhèn)鞑ァＯ喔晒鹃_(kāi)展的測(cè)試表明，這能比使用 CO₂激光器進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力，從而提高切割工件的強(qiáng)度，同時(shí)讓制造商能夠擴(kuò)大加工區(qū)間。

CO 激光器還有一個(gè)吸引人的優(yōu)點(diǎn)是支持曲線(xiàn)切割。CO₂激光器往往局限于以直線(xiàn)切割玻璃，因?yàn)槠鋱A形輸出光束必須重塑為細(xì)長(zhǎng)光線(xiàn)，才能更好地發(fā)散表面產(chǎn)生的高溫。相比之下，CO 激光器吸收率較低的特點(diǎn)讓它能直接使用圓形光束，而且不會(huì)產(chǎn)生不利的熱影響。另外，CO 激光器還支持切割化學(xué)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)平滑整齊的曲線(xiàn)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(jī)制與通過(guò)熱沖擊形成切縫的 CO₂和 CO 激光器完全不同。激光燒蝕實(shí)現(xiàn)劃線(xiàn)的方式是通過(guò)精準(zhǔn)燒蝕真正去除材料。當(dāng)施加功率足夠大的激光，從而在玻璃中激發(fā)非線(xiàn)性吸收時(shí)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)燒蝕。這樣一來(lái)，就能通過(guò)局部密集加熱（熱燒蝕）或通過(guò)極高峰值功率直接破壞原子間化學(xué)鍵（光燒蝕）來(lái)去除材料。

用于激光燒蝕的激光器要么是脈寬在納秒級(jí)的 Q 開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體泵浦固體激光器，要么是脈寬在皮秒乃至飛秒級(jí)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(dǎo)體泵浦固體激光器作為種子來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)的一級(jí)或多級(jí)放大。

通過(guò)激光燒蝕來(lái)切割玻璃存在許多不同形式，不過(guò)所有這些形式有個(gè)共同點(diǎn)，那就是激光脈沖會(huì)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(guān)聯(lián)。脈寬為納秒級(jí)的激光器產(chǎn)生的碎屑大小以數(shù)微米為單位，超快激光器產(chǎn)生的顆粒以數(shù)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(huì)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(lái)的碎屑會(huì)受重力作用從材料相互作用區(qū)域掉落。通過(guò)沿預(yù)期輪廓移動(dòng)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(xiàn)切割、槽、孔、溝槽、斜面和切面。

與其他方法相比，這類(lèi)燒蝕方法的加工速度比較慢。舉例來(lái)說(shuō)，用這種方法在厚度 3 毫米的鈉鈣玻璃上鉆一個(gè)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(wú)法加工強(qiáng)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(xiàn)過(guò)程通常是激光首先聚焦于基板上表面，然后通過(guò)調(diào)整光束聚焦點(diǎn)讓加工深度達(dá)到穿透整個(gè)材料。由于切割過(guò)程中產(chǎn)生的微小顆粒不能自動(dòng)從劃片掉落（雖然通過(guò)一定方法可以去除這些顆粒），因此超快激光器難以實(shí)現(xiàn)“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(gè)局限性之外，使用超快激光器進(jìn)行頂部劃線(xiàn)的局限性還包括劃片和孔始終會(huì)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(zhì)量已被證明優(yōu)于皮秒激光器，不過(guò)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(guò)特定形式的內(nèi)部變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)程中，受非線(xiàn)性克爾光學(xué)效應(yīng)影響，超高密度的激光光束會(huì)產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象。這種自聚焦會(huì)進(jìn)一步提高功率密度，直到達(dá)到某一閾值后在材料中產(chǎn)生低密度等離子體。這種等離子體會(huì)降低材料在光束路徑中間的折射率，并會(huì)造成光束散焦。通過(guò)適當(dāng)配置光束聚焦光學(xué)部件，可以讓這種聚焦/散焦效應(yīng)達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)周期性重復(fù)并在光學(xué)透明材料中形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)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(lán)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(xiàn)，需要移動(dòng)工件與激光光束之間的相對(duì)位置，讓激光生成的光絲彼此靠近。根據(jù)材料厚度和需要的切割幾何圖形，切割速度可以達(dá)到 100 毫米/秒至 2000 毫米/秒。

Coherent | Rofin利用成絲技術(shù)研發(fā)的代表性技術(shù)叫作SmartCleave。這一技術(shù)由Rofin在采購(gòu)的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)，然后搭配相干公司的高級(jí)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(xiàn)切割、自由形式切割和內(nèi)嵌切割），并且無(wú)錐度產(chǎn)生。SmartCleave的切割面平滑，R_a小于 1 微米，并且無(wú)缺口和碎屑。與機(jī)械式工藝相比，這樣得到的切割工件的彎曲強(qiáng)度更高。

對(duì)于非強(qiáng)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(lán)寶石，在成絲之后還需增加一個(gè)分離環(huán)節(jié)。這可以通過(guò)施加一個(gè)不大的機(jī)械力或溫差力來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，后者可以由 CO₂激光器加熱來(lái)提供。對(duì)于化學(xué)強(qiáng)化或熱強(qiáng)化玻璃，工件內(nèi)部的應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沿外部輪廓分離，因此無(wú)需再額外增加其他環(huán)節(jié)。

圖 6.SmartCleave支持快速對(duì)玻璃進(jìn)行曲線(xiàn)切割和內(nèi)嵌切割，例如切割用于顯示屏基板的玻璃。

 

實(shí)施SmartCleave

隨著相干公司于 2016 年收購(gòu)Rofin，SmartCleave技術(shù)現(xiàn)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(chǎn)品提供了輸出功率、可靠性和操作靈活性的獨(dú)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(yīng)用環(huán)境中有效實(shí)施成絲切割的能力達(dá)到了無(wú)以倫比的水平。

另外，Coherent | Rofin提供各種產(chǎn)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(chǎn)品。我們還提供將激光器與光束傳輸光學(xué)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(duì)特定工藝提供現(xiàn)成的特定配置。這些配置已開(kāi)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(shí)可用的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)SmartCleave工藝，并且這些系統(tǒng)隨時(shí)能夠在生產(chǎn)環(huán)境中投入使用。

總之，實(shí)踐證明，激光器是能在廣泛應(yīng)用環(huán)境中代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃切割技術(shù)的可行替代方案。一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)械法不能提供所需的切割質(zhì)量或特征，或者舊方法因需要大量后期處理而變得過(guò)于昂貴時(shí)，激光器的優(yōu)勢(shì)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(shù)，并且每種技術(shù)都有其獨(dú)特的特征和優(yōu)點(diǎn)。作為唯一一家?guī)缀跄芴峁┧胁Ａ懈罴す馄鞯墓?yīng)商，相干公司占據(jù)獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)地位，能夠?yàn)榫唧w應(yīng)用環(huán)境提供最佳解決方案。對(duì)于SmartCleave成絲切割，相干公司將受專(zhuān)利保護(hù)的技術(shù)知識(shí)與卓越的激光技術(shù)相結(jié)合，滿(mǎn)足在生產(chǎn)環(huán)境中成功實(shí)現(xiàn)這一卓越技術(shù)的相關(guān)要求。

 

作者信息

Roland Mayerhofer，Coherent | ROFIN

George Oulundsen，相干公司

Rainer Paetzel，相干公司