化學(xué)強(qiáng)化玻璃：結(jié)構(gòu)

化學(xué)強(qiáng)化玻璃起源于20世紀(jì)6 0 年代，由康寧（Corning）開發(fā)，命名為“Chemcor”，可以應(yīng)用于汽車、航空航天和制藥行業(yè)，但是顯然并未成為業(yè)內(nèi)的主流。不過，在本世紀(jì)初，該項(xiàng)技術(shù)煥發(fā)了新的活力，改進(jìn)產(chǎn)品被命名為“大猩猩玻璃”（Gorilla Glass），并迅速成為用于智能手機(jī)和平板電腦面板的主流材質(zhì)。截止到2013年5月底，估計(jì)超過15億臺(tái)售出的設(shè)備使用了大猩猩玻璃。

生產(chǎn)大猩猩玻璃的工藝仍然利用了生產(chǎn)Chemcor 玻璃的基礎(chǔ)原理。將鈉玻璃浸入堿性溶液，使得玻璃中的鈉離子與溶液中的鉀離子交換。正如圖1所示， 因?yàn)殁涬x子大于鈉離子，使得玻璃表面具有更大的殘余壓應(yīng)力。該壓應(yīng)力反過來又可以阻止裂紋的產(chǎn)生，從而限制了任何裂紋末端的應(yīng)力，可以減少瑕疵的誘發(fā)和蔓延。最終使得該玻璃的抗損壞性比未強(qiáng)化的玻璃高出很多倍，可以耐受智能手機(jī)日常使用中遇到的應(yīng)力和應(yīng)變。

這種表面壓應(yīng)力可以顯著提高玻璃的力學(xué)性能，但是強(qiáng)化玻璃的強(qiáng)度也會(huì)呈下降趨勢(shì)，這樣的話如果采用傳統(tǒng)的劃片和鋸切工藝會(huì)帶來更多問題。不夸張地說，通過傳統(tǒng)的方法來切割最高強(qiáng)度的玻璃是不可能實(shí)現(xiàn)的。雖然化學(xué)強(qiáng)化讓玻璃變得結(jié)實(shí)，但是也讓它難以用機(jī)械法切割。首先，為了切開一種材料，劃痕會(huì)非常深，作用力也必須非常高。同時(shí)，一旦劃痕深入到中間的拉應(yīng)力區(qū)域，拉應(yīng)力作用于裂紋尖端，使得裂紋迅速自發(fā)地在中心的拉應(yīng)力層進(jìn)行無序擴(kuò)展。由此在中心層產(chǎn)生的不可控和不規(guī)則的裂紋擴(kuò)展通常會(huì)破壞整個(gè)部件。所以需要一種新的切割方法。

激光技術(shù)的發(fā)展

激光加工玻璃技術(shù)相關(guān)的第一項(xiàng)專利發(fā)布于1969年，隨后很短時(shí)間內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了其他幾個(gè)專利。從那時(shí)開始，激光切割玻璃的技術(shù)發(fā)展日新月異。然而，對(duì)于大型工業(yè)化操作來說，切割、劃片和斷裂以及磨料切割等技術(shù)仍占主導(dǎo)地位。這些傳統(tǒng)技術(shù)足以應(yīng)付第一代的化學(xué)強(qiáng)化玻璃，但隨著最新具有更高應(yīng)力等級(jí)的玻璃被開發(fā)出來，繼續(xù)使用傳統(tǒng)技術(shù)變得不再現(xiàn)實(shí)。

新一代的激光技術(shù)例如ESI的Diamond Blaze的出現(xiàn)使得高質(zhì)量的快速縱切得以實(shí)現(xiàn)。在這些工藝中，拉應(yīng)力層和/或壓應(yīng)力層中受到的破壞變得可控。非常高的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)使裂紋沿著激光加工的路徑擴(kuò)展開來，從而使得部件自動(dòng)地沿著激光加工的路徑分離開來。但是，通常情況下，這些技術(shù)僅限用于縱切。目前開發(fā)出的其他技術(shù)在某種程度上可以實(shí)現(xiàn)弧形切割。

Eolite激光切割玻璃技術(shù)使用皮秒脈沖激光器在玻璃中不斷生成微觀切屑，直到玻璃被有效切割。雖然這種技術(shù)的切割速度相對(duì)不高，但是適用于所有類型和厚度的化學(xué)強(qiáng)化玻璃。此外，切槽側(cè)壁基本是垂直的；組件增加的作用力可以忽略不計(jì)；切口表面和切屑尺寸與精磨相當(dāng)。

加工體系和設(shè)備

該工藝使用了Hegoa的30W、515nm皮秒光纖激光器。該激光器能產(chǎn)生15至50 ps脈沖、重復(fù)頻率高達(dá)3MHz的激光束。準(zhǔn)直激光束會(huì)擴(kuò)束至12mm，在100mm焦距的F-theta遠(yuǎn)心掃描場(chǎng)鏡作用下獲得8mm直徑的光斑。隨后移除被掃描的焦點(diǎn)區(qū)域， 形成所需要的各種切割形狀。掃描器安裝在Z軸上，方便控制工件上的焦點(diǎn)深度。使用的最大脈沖能量是20μJ。

切割玻璃的過程

515nm激光束聚焦成約8μm直徑的光斑，使用高速掃描器在工件表面上移除焦點(diǎn)區(qū)域，速度高達(dá)10m/s。小焦點(diǎn)和短皮秒脈沖持續(xù)結(jié)合在一起會(huì)在焦點(diǎn)處發(fā)生強(qiáng)烈的非線性作用。反過來又使得未聚焦的光束可自由通過玻璃，而不會(huì)產(chǎn)生有害的加熱和熱透鏡效應(yīng)，這樣焦點(diǎn)作用區(qū)域可置于離材料表面很遠(yuǎn)的地方（通常是底部或背面）。然后每個(gè)激光脈沖移除掉形狀與光斑大小類似的玻璃微屑（圖2a）。皮秒的非熱效應(yīng)性質(zhì)保證了大部分多余的熱量會(huì)隨著玻璃微屑而去，而基板上殘留的熱量會(huì)非常小。隨著激光束沿著掃描方向移動(dòng)，在玻璃表面上會(huì)形成淺槽形切口。

然后沿著所需的路徑反復(fù)掃描，每一次重復(fù)都會(huì)有偏移，以形成所需的切槽寬度（圖2b）。繼續(xù)重復(fù)這些路徑，同時(shí)在需要的時(shí)候沿著垂直軸的方向進(jìn)行調(diào)整，以確保激光作用在切割面上，最后迅速地穿透整個(gè)部件。如圖3所示，可以在穿透強(qiáng)化層之前停止這一過程，這樣就可以在表面形成溝槽。只要壓應(yīng)力層不被破壞，這些溝槽會(huì)保持穩(wěn)定，并且不會(huì)導(dǎo)致部件損壞。

切割過程的物理學(xué)

第一眼看上去，還不清楚這種切割方法是如何避免激光在內(nèi)部拉應(yīng)力層中切割時(shí)自發(fā)發(fā)生裂紋的不規(guī)則擴(kuò)展。不過，已經(jīng)利用這種方法在最高中心張力（C.T.）和最薄的（400μm）強(qiáng)化玻璃上進(jìn)行數(shù)以百次的切割，良品率超過99%。我們相信關(guān)鍵在于斷裂力學(xué)的基本原則。

首先，斷裂力學(xué)指出只有超過臨界裂紋長(zhǎng)度，才會(huì)在很少能量下發(fā)生不受控制的裂紋擴(kuò)展。C.T.為91MPa的玻璃可以計(jì)算出臨界裂紋長(zhǎng)度約5μm（見下面的公式），其中E為彈性模量，γ是玻璃的表面能量密度，σ是作用力：

將5μm的臨界裂紋長(zhǎng)度與8μm的光斑直徑比較，我們就明白這一方法是如何避免災(zāi)難性的自發(fā)裂紋擴(kuò)展，即沒有產(chǎn)生超過臨界裂紋長(zhǎng)度的裂紋。此外， 我們注意到，在中心層（位于拉應(yīng)力層下）停止切割會(huì)導(dǎo)致一段時(shí)間后發(fā)生斷裂，這意味著在這一層中加工速度比自發(fā)裂紋增長(zhǎng)速度更快?？紤]到小的切屑尺寸和合理快速的切割速度，便可以解釋這一方法是如何避免材料的無序斷裂了。

加工結(jié)果

這種自下而上的切割過程可以帶來干凈的切割、基本垂直的側(cè)壁和最大的頂部和底部邊緣切屑（大小約等于8μm的光斑）。我們發(fā)現(xiàn)厚度范圍在0.4 至2mm、C.T.在0至91MPa范圍內(nèi)的玻璃都可以應(yīng)用同一基本加工參數(shù)，而且良品率超過99%。圖4顯示了700μm厚度、C.T.為40MPa的玻璃的切割面頂部和底部的邊緣。觀察到的切割面頂部和底部的最大切屑尺寸約10μm。深色的邊緣是陰影，不是玻璃變色。測(cè)量的錐度為5°左右。圖5a顯示了使用Hegoa激光器在寬40mm、長(zhǎng)60mm、400μm厚度、C.T.為91MPa的玻璃板上切割出10個(gè)方形孔。在20張板、每張10個(gè)方形孔的情況下，良品率為100%。圖5b顯示了切割出來的正方形和圓形孔，圓孔直徑為2mm，此外還切割出外部圓角。

加工速度

為了彌補(bǔ)每束激光移除的相對(duì)較小的材料量，設(shè)置了掃描儀的最大速度和激光器的高脈沖重復(fù)頻率（PRF）。即便如此，振鏡掃描儀的速度仍然會(huì)限制Hegoa G30激光器（515nm、最大30W）的加工速度。圖6顯示了一個(gè)擴(kuò)展性試驗(yàn)的結(jié)果： 1.0mm厚的玻璃上的切割過程與激光功率成線性比例。玻璃越薄，速度越高。圖5中在切割各種形狀時(shí)，較小的圓角半徑限制了掃描速度為5m/s，因此激光功率為14W 時(shí)的實(shí)際加工速度約為2.5mm/s。

總結(jié)

我們有能力用皮秒光纖激光器對(duì)化學(xué)強(qiáng)化玻璃例如大猩猩玻璃進(jìn)行內(nèi)部和外部的切割操作，范圍包括市面上所有的具有最高中心張力值的最薄的玻璃。此外，這一工藝幾乎適用于受測(cè)試的所有類型的玻璃，只在激光路徑的總數(shù)量上有所區(qū)別，而該數(shù)量只由玻璃厚度來決定。1.0mm厚的材料的加工速度與玻璃厚度成線性關(guān)系，最高為4.0mm/s。通過工藝優(yōu)化，可以在0.4mm厚、C.T.為91的玻璃上實(shí)現(xiàn)6至8mm/s的切割速度。Hegoa搭配高速線切割的工藝可以實(shí)現(xiàn)大型平板玻璃的快速劃片，包括有效率的內(nèi)部和外部弧形切割。