新型玻璃精密激光加工技术

几个世纪以来，玻璃的加工技能主要有机械法划片和开裂、磨削和切开。尽管微电子技能逐渐发展，但这些陈旧的技能依然在玻璃加工技能中占主导地位。跟着高功率激光器在20 世纪60年代呈现，玻璃切开很快就变成它的一个运用商场。尽管开宣布很多立异的技能，但激光系统相对较高的复杂性和本钱拖慢了它在该商场工业化的脚步。本世纪初，化学强化玻璃的遍及给传统切开技能带来了更苛刻的应战，然后使得激光加入到更公正的竞争中来。成果理解明了：和玻璃深加工有关的新型激光器和激光技能呈现出爆破式发展。有些技能例如ESI的Diamond Blaze技能能够完成十分迅速的线切开，并且质量十分高。可是，在如今的微电子商场，弧形转角、内弧形的“Home”按钮、扬声器孔等部件需求的是不一样的技能。例如， Eolite公司开发的一个专有技能能够完成高化学强化玻璃的内弧形和外弧形的线切开，良品率很高。空气喷发的压力或许乃至只凭重力就能够移除被切除的部位，并且切开边际的质量十分高，能削减或去掉后处理的进程。

化学强化玻璃：结构

化学强化玻璃起源于20世纪60年代，由康宁（Corning）开发，命名为“Chemcor”，能够运用于汽车、航空航天和制药职业，可是显然并未变成业界的主流。不过，在本世纪初，该项技能焕发了新的生机，改善商品被命名为“大猩猩玻璃”（Gorilla Glass），并敏捷变成用于智能手机和平板电脑面板的主流材质。截止到2013年5月底，估量超越15亿台售出的设备运用了大猩猩玻璃。

出产大猩猩玻璃的技能依然运用了出产Chemcor 玻璃的根底原理。将钠玻璃浸入碱性溶液，使得玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换。因为钾离子大于钠离子，使得玻璃外表具有更大的剩余压应力。该压应力反过来又能够阻挠裂纹的发作，然后约束了任何裂纹结尾的应力，能够削减瑕疵的诱发和蔓延。很终使得该玻璃的抗损坏性比未强化的玻璃高出很多倍，能够耐受智能手机平时运用中遇到的应力和应变。

这种外表压应力能够明显进步玻璃的力学性能，可是强化玻璃的强度也会呈降低趋势，这么的话假如选用传统的划片和锯切技能会带来更多问题。不夸大地说，经过传统的办法来切开很高强度的玻璃是不可能完成的。尽管化学强化让玻璃变得结实，可是也让它难以用机械法切开。首要，为了切开一种资料，划痕会十分深，效果力也必须十分高。一起，一旦划痕深化到基地的拉应力区域，拉应力效果于裂纹顶部，使得裂纹敏捷自觉地在基地的拉应力层进行无序拓展。由此在基地层发作的不可控和不规则的裂纹拓展通常会损坏全部部件。所以需求一种新的切开办法。

激光技能的发展

激光加工玻璃技能有关的第一项专利发布于1969年，随后很短时间内连续呈现了别的几个专利。从那时开始，激光切开玻璃的技能发展一日千里。可是，关于大型工业化操作来说，切开、划片和开裂以及磨料切开等技能仍占主导地位。这些传统技能足以敷衍第一代的化学强化玻璃，但跟着很新具有更高应力等级的玻璃被开宣布来，持续运用传统技能变得不再实践。

新一代的激光技能例如ESI的Diamond Blaze的呈现使得高质量的迅速纵切得以完成。在这些技能中，拉应力层和/或压应力层中遭到的损坏变得可控。十分高的内部应力会使裂纹沿着激光加工的途径拓展开来，然后使得部件自动地沿着激光加工的途径别离开来。可是，通常情况下，这些技能仅限用于纵切。现在开宣布的别的技能在某种程度上能够完成弧形切开。

Eolite激光切开玻璃技能运用皮秒脉冲激光器在玻璃中不断生成微观切屑，直到玻璃被有用切开。尽管这种技能的切开速度相对不高，可是适用于一切类型和厚度的化学强化玻璃。此外，切槽侧壁根本是笔直的；组件添加的效果力能够忽略不计；切断外表和切屑尺度与精磨适当。

加工系统和设备

该技能运用了Hegoa的30W、515nm皮秒光纤激光器。该激光器能发作15至50 ps脉冲、重复频率高达3MHz的激光束。准直激光束会扩束至12mm，在100mm焦距的F-theta远心扫描场镜效果下取得8mm直径的光斑。随后移除被扫描的焦点区域， 构成所需求的各种切开形状。扫描器安装在Z轴上，便利控制工件上的焦点深度。运用的很大脉冲能量是20μJ。

切开玻璃的进程

515nm激光束聚集成约8μm直径的光斑，运用高速扫描器在工件外表上移除焦点区域，速度高达10m/s。小焦点和短皮秒脉冲持续联系在一起会在焦点处发作激烈的非线性效果。反过来又使得未聚集的光束可自在经过玻璃，而不会发作有害的加热和热透镜效应，这么焦点效果区域可置于离资料外表很远的当地（通常是底部或反面）。然后每个激光脉冲移除掉形状与光斑巨细相似的玻璃微屑。皮秒的非热效应性质保证了大多数剩余的热量会跟着玻璃微屑而去，而基板上残留的热量会十分小。跟着激光束沿着扫描方向移动，在玻璃外表上会构成浅槽形切断。

然后沿着所需的途径重复扫描，每一次重复都会有偏移，以构成所需的切槽宽度。持续重复这些途径，一起在需求的时候沿着笔直轴的方向进行调整，以保证激光效果在切开面上，很后敏捷地穿透全部部件。在穿透强化层之前中止这一进程，这么就能够在外表构成沟槽。只需压应力层不被损坏，这些沟槽会保持稳定，并且不会致使部件损坏。

切开进程的物理学

第一眼看上去，还不理解这种切开办法是怎么防止激光在内部拉应力层中切开时自觉发作裂纹的不规则拓展。不过，现已运用这种办法在很高基地张力（C.T.）和很薄的（400μm）强化玻璃进步行数以百次的切开，良品率超越99%。咱们信任关键在于开裂力学的根本原则。

首要，开裂力学指出只要超越临界裂纹长度，才会在很少能量下发作不受控制的裂纹拓展。C.T.为91MPa的玻璃能够计算出临界裂纹长度约5μm（见下面的公式），其间E为弹性模量，γ是玻璃的外表能量密度，σ是效果力：

将5μm的临界裂纹长度与8μm的光斑直径比较，咱们就理解这一办法是怎么防止灾难性的自觉裂纹拓展，即没有发作超越临界裂纹长度的裂纹。此外， 咱们注意到，在基地层（位于拉应力层下）中止切开会致使一段时间后发作开裂，这意味着在这一层中加工速度比自觉裂纹增长速度更快。考虑到小的切屑尺度和合理迅速的切开速度，便能够解说这一办法是怎么防止资料的无序开裂了。

加工成果

这种自下而上的切开进程能够带来洁净的切开、根本笔直的侧壁和很大的顶部和底部边际切屑（巨细约等于8μm的光斑）。咱们发现厚度规模在0.4 至2mm、C.T.在0至91MPa规模内的玻璃都能够运用同一根本加工参数，并且良品率超越99%。700μm厚度、C.T.为40MPa的玻璃的切开面顶部和底部的边际。观察到的切开面顶部和底部的很大切屑尺度约10μm。深色的边际是暗影，不是玻璃变色。丈量的锥度为5°摆布。运用Hegoa激光器在宽40mm、长60mm、400μm厚度、C.T.为91MPa的玻璃板上切开出10个方形孔。在20张板、每张10个方形孔的情况下，良品率为100%。切开出来的正方形和圆形孔，圆孔直径为2mm，此外还切开出外部圆角。

加工速度

为了补偿每束激光移除的相对较小的资料量，设置了扫描仪的很大速度和激光器的高脉冲重复频率（PRF）。即便如此，振镜扫描仪的速度依然会约束Hegoa G30激光器（515nm、很大30W）的加工速度。一个拓展性试验的成果： 1.0mm厚的玻璃上的切开进程与激光功率成线性比例。玻璃越薄，速度越高。在切开各种形状时，较小的圆角半径约束了扫描速度为5m/s，因而激光功率为14W 时的实践加工速度约为2.5mm/s。

总结

咱们有才能用皮秒光纤激光器对化学强化玻璃例如大猩猩玻璃进行内部和外部的切开操作，规模包含市面上一切的具有很高基地张力值的很薄的玻璃。此外，这一技能简直适用于受测验的一切类型的玻璃，只在激光途径的总数量上有所区别，而该数量只由玻璃厚度来决议。1.0mm厚的资料的加工速度与玻璃厚度成线性关系，很高为4.0mm/s。经过技能优化，能够在0.4mm厚、C.T.为91的玻璃上完成6至8mm/s的切开速度。Hegoa调配高速线切开的技能能够完成大型平板玻璃的迅速划片，包含有用率的内部和外部弧形切开。