薄脆性非金屬材料的激光加工
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突顯出獨特優勢。
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這類脆性材料激光加工技術的不斷發展。以下簡單整理了一些相關方案，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。
圖1：利用激光實現薄片強化玻璃的精密鉆孔（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，將為消費電子等產品提供有價值的推動力。
（二）萬機儀器的皮秒混合光纖激光器IceFyre將改變行業游戲規則？
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。
圖2：Spectra-Physics的高功率工業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、短皮秒脈沖以及前所未有的通用性、重于一身復頻率可調、可編程的皮秒脈寬靈活性和脈沖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，可調節的重復頻率范圍從單發脈沖到 8MHz，加之靈活的脈沖編程能力，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。
（三）德龍激光的激光應力誘導切割技術
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。
在對德龍激光總經理趙裕興博士的一次采訪中，趙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。
圖3：德龍激光的皮秒激光應力誘導加工設備，在藍寶石切割過程中累積的光強的分布。（圖片來源：德龍激光）
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。
（四）亞智科技的 M-Cut 切割工藝
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。
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。
（五）羅芬的 SmartCleave FI切割工藝
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。
圖5：羅芬SmartCleave FI激光加工工藝實現的薄片玻璃切割與鉆孔。
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。
強化玻璃、藍寶石和其他脆性、透明材料的獨特性能，這將促使這些材料在消費電子、醫療設備、集成電路、建筑、汽車、航空航天等市場領域涌現出不斷增長的用途。特別是在以智能手機、可穿戴電子產品為首的消費電子產品中，對強化玻璃和藍寶石的應用，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。
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