在過去十年間，作為越來越精密的結(jié)構(gòu)和功能組件，玻璃在平板顯示器、汽車和建筑等各領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。這推動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。

傳統(tǒng)方法

人們通過各種形式的傳統(tǒng)技術(shù)切割玻璃幾乎已有幾個世紀(jì)，也就是先用鋒利的堅硬工具（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。在自動式系統(tǒng)中，玻璃分離往往是由壓到玻璃上的“閘刀桿”實現(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)械力會讓材料產(chǎn)生細(xì)微裂紋、后續(xù)掰斷步驟會造成小缺口和碎屑，而且切割邊緣也不一定與玻璃表面垂直。另外，機(jī)械切割會在成品邊緣留下相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力。（實際上，當(dāng)基板厚度小于 1 毫米時，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)來清除可能對后續(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）。

對制造商而言，在加工后安排各種邊緣打磨和清潔環(huán)節(jié)無疑會額外增加制造工時和成本。這些環(huán)節(jié)也可能會對環(huán)境造成負(fù)面影響，包括產(chǎn)生不易處理的碎屑，或為了進(jìn)行清潔需要耗用大量水資源。另外，如今對曲線邊緣（尤其是用于便攜式設(shè)備的 FPD）的需求量越來越大，而玻璃機(jī)械切割法對切割曲線邊緣的支持度卻不高。

鑒于當(dāng)今的玻璃使用趨勢，上述這些局限顯得尤為嚴(yán)峻。具體來說，如今的市場發(fā)展趨勢包括：制造的零件的精度更高、零件的形狀和切口有時非常復(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)的實現(xiàn)方式多種多樣。不過，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切割。如今對曲線切割的需求量越來越大，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。具體來說，所有玻璃都極易吸收 CO₂激光器產(chǎn)生的 10.6 微米波長，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。為了實現(xiàn)切割效果，玻璃需要相對激光束平移，并且由玻璃上方的噴液或噴氣口對玻璃進(jìn)行快速冷卻。由此帶來的熱沖擊會讓玻璃形成連續(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一個激光或機(jī)械式掰斷環(huán)節(jié)才能完成切割，這叫做“激光劃線”。

圖 2.CO₂激光器劃線示意圖。

 

CO 激光器的總體加工過程大致同上。不過，玻璃對 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能夠穿透得更深。因此，熱量能夠直接深入大塊玻璃，而無需依靠從表面?zhèn)鞑?。相干公司開展的測試表明，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，同時讓制造商能夠擴(kuò)大加工區(qū)間。

CO 激光器還有一個吸引人的優(yōu)點(diǎn)是支持曲線切割。CO₂激光器往往局限于以直線切割玻璃，因為其圓形輸出光束必須重塑為細(xì)長光線，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）上實現(xiàn)平滑整齊的曲線切割效果（半徑 6 毫米的圓）。

 

激光燒蝕

激光燒蝕的玻璃加工機(jī)制與通過熱沖擊形成切縫的 CO₂和 CO 激光器完全不同。激光燒蝕實現(xiàn)劃線的方式是通過精準(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)非線性吸收時，就會實現(xiàn)燒蝕。這樣一來，就能通過局部密集加熱（熱燒蝕）或通過極高峰值功率直接破壞原子間化學(xué)鍵（光燒蝕）來去除材料。

用于激光燒蝕的激光器要么是脈寬在納秒級的 Q 開關(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實現(xiàn)后續(xù)的一級或多級放大。

通過激光燒蝕來切割玻璃存在許多不同形式，不過所有這些形式有個共同點(diǎn)，那就是激光脈沖會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，燒蝕下來的碎屑會受重力作用從材料相互作用區(qū)域掉落。通過沿預(yù)期輪廓移動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，包括曲線切割、槽、孔、溝槽、斜面和切面。

與其他方法相比，這類燒蝕方法的加工速度比較慢。舉例來說，用這種方法在厚度 3 毫米的鈉鈣玻璃上鉆一個直徑 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

 

超快激光器的劃線過程通常是激光首先聚焦于基板上表面，然后通過調(diào)整光束聚焦點(diǎn)讓加工深度達(dá)到穿透整個材料。由于切割過程中產(chǎn)生的微小顆粒不能自動從劃片掉落（雖然通過一定方法可以去除這些顆粒），因此超快激光器難以實現(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局限性之外，使用超快激光器進(jìn)行頂部劃線的局限性還包括劃片和孔始終會存在范圍通常在 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

玻璃切割也能通過特定形式的內(nèi)部變形來實現(xiàn)。這個過程叫做“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。在這個過程中，受非線性克爾光學(xué)效應(yīng)影響，超高密度的激光光束會產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象。這種自聚焦會進(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。這種等離子體會降低材料在光束路徑中間的折射率，并會造成光束散焦。通過適當(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，從而實現(xiàn)周期性重復(fù)并在光學(xué)透明材料中形成長達(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，需要移動工件與激光光束之間的相對位置，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（包括曲線切割、自由形式切割和內(nèi)嵌切割），并且無錐度產(chǎn)生。SmartCleave的切割面平滑，R_a小于 1 微米，并且無缺口和碎屑。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分離環(huán)節(jié)。這可以通過施加一個不大的機(jī)械力或溫差力來實現(xiàn)。例如，后者可以由 CO₂激光器加熱來提供。對于化學(xué)強(qiáng)化或熱強(qiáng)化玻璃，工件內(nèi)部的應(yīng)力可以實現(xiàn)自動沿外部輪廓分離，因此無需再額外增加其他環(huán)節(jié)。

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

 

實施SmartCleave

隨著相干公司于 2016 年收購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)境中有效實施成絲切割的能力達(dá)到了無以倫比的水平。

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)，也就是針對特定工藝提供現(xiàn)成的特定配置。這些配置已開發(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、即時可用的系統(tǒng)來實現(xiàn)SmartCleave工藝，并且這些系統(tǒng)隨時能夠在生產(chǎn)環(huán)境中投入使用。

總之，實踐證明，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。一般來說，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于昂貴時，激光器的優(yōu)勢最大。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)一無二的優(yōu)勢地位，能夠為具體應(yīng)用環(huán)境提供最佳解決方案。對于SmartCleave成絲切割，相干公司將受專利保護(hù)的技術(shù)知識與卓越的激光技術(shù)相結(jié)合，滿足在生產(chǎn)環(huán)境中成功實現(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