激光作為一種先進(jìn)的加工工具，已經(jīng)越來越廣泛地在工業(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，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。
（五）羅芬的 SmartCleave FI切割工藝
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，比如堅硬的鋼化玻璃用作于智能手機(jī)的顯示屏 ；堅硬且化學(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、鉆孔甚至開槽等加工過程，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了更多機(jī)會。
超快激光應(yīng)對加工挑戰(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(xué)鍵而實(shí)現(xiàn)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(jié)束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計，材料不會產(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。以下簡單整理了一些相關(guān)方案，希望對讀者有一定參考。
（一）漢諾威中心的薄片玻璃鉆孔方案
2016 年 12 月初，德國漢諾威激光中心（LZH）和德國巴伐利亞激光中心（BLZ）聯(lián)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(lǐng)域的最新發(fā)展與趨勢。
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（圖片來源：LZH）
研討會上，漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff 領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種新穎的薄片玻璃鉆孔方案，其將單個脈沖與不同的脈沖持續(xù)時間相結(jié)合，成功避免了鉆孔過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)品提供有價值的推動力。
（二）萬機(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（圖片來源：MKS Instruments）
在今年 2 月的 Photonics West 展會上，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)勢于一身。IceFyre 在 1064nm 波長處提供> 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的表現(xiàn)，幾年前其 LED 芯片劃片機(jī)曾在國內(nèi)市場占據(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)動藍(lán)寶石和強(qiáng)化玻璃加工市場走俏，德龍激光的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也隨之拓展。
在對德龍激光總經(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(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、無基材耗損、所需切割道小、完全干制程等優(yōu)勢。
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)寶石切割過程中累積的光強(qiáng)的分布。（圖片來源：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，切割速度可達(dá) 1m/s ；不會產(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，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和一些利基市場中獲得了成功應(yīng)用。這種切割工藝，能在加工過程中在工件上產(chǎn)生足夠的內(nèi)應(yīng)力，從而達(dá)到加工區(qū)域自動分離。對于非強(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、航空航天等市場領(lǐng)域涌現(xiàn)出不斷增長的用途。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，對強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石的應(yīng)用，具有很大的增長空間。因此，市場對脆性材料激光加工的需求非?？春?。
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(fèi)以及干性制程等因素的持續(xù)驅(qū)動，也正在強(qiáng)烈地推動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。
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