本文刊登于《激光制造商情》2014年10月刊

       藍(lán)寶石是目前應(yīng)用廣泛的一種材料，其同時(shí)具有耐劃傷、耐沖擊與柔性的各種性能。藍(lán)寶石長(zhǎng)期以來(lái)用于制作手表保護(hù)玻璃或相機(jī)鏡頭的防護(hù)玻璃罩和濾光玻璃，現(xiàn)在其也越來(lái)越多地應(yīng)用于制作手機(jī)屏幕。藍(lán)寶石玻璃由無(wú)色的合成剛玉板（即采用熔融氧化鋁生產(chǎn)的多種礦物質(zhì)）構(gòu)成。事實(shí)上，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)藍(lán)寶石并不是一種玻璃，因其并不具備玻璃質(zhì)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)。由于其莫氏硬度為9，藍(lán)寶石在所有透明材料中硬度排名第二，僅次于鉆石。

       由于藍(lán)寶石獨(dú)有的特性，與通常用于顯示器行業(yè)的化學(xué)強(qiáng)化玻璃相比，更具優(yōu)勢(shì)。藍(lán)寶石材料硬度高但易碎，因此只有借助先進(jìn)的激光加工技術(shù),才可有效地應(yīng)用于批量生產(chǎn)。為此,來(lái)自于德國(guó)羅伊特林根的高科技設(shè)備制造商Manz集團(tuán)根據(jù)客戶(hù)需求已經(jīng)成功研發(fā)出兩種獨(dú)特的工藝流程，這兩項(xiàng)工藝各自?xún)?yōu)勢(shì)在于：采用微秒級(jí)短脈沖激光器的“熱”激光束切割;采用超短脈沖“冷”激光加工法(所謂超短脈沖激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)皮秒)。“冷”激光加工能夠提供更好的斷面質(zhì)量，但是它們通常比用于熱激光切割藍(lán)寶石、能夠產(chǎn)生高達(dá)300W的平均輸出功率的光纖激光器更昂貴。

       說(shuō)明：用激光束切割脆性材料時(shí)，材料會(huì)在相互作用區(qū)域內(nèi)熔化，需借助工藝氣體從切邊移除。

無(wú)微裂紋，無(wú)崩邊

       “熱”激光切割適用于切割蓋板玻璃的外輪廓和內(nèi)輪廓，比如用于安裝相機(jī)、LED或揚(yáng)聲器的孔。通常情況下，玻璃基底厚度不超過(guò)1毫米，切割后經(jīng)過(guò)拋光減薄，最終厚度在600-800微米之間。在這種情況下，切割就是一種熔化的過(guò)程：通過(guò)將能量傳遞到接觸面的方式來(lái)熔化加工材料，在相對(duì)高壓氣體的作用下，熔體從相互作用區(qū)吹出來(lái)。如此一來(lái)，在切邊上不會(huì)有熔體殘留，再次冷卻固化而損害切邊質(zhì)量。使用“熱”激光工藝加工藍(lán)寶石時(shí)，藍(lán)寶石不會(huì)產(chǎn)生微裂紋或崩邊。該法提高了藍(lán)寶石切割的強(qiáng)度和耐彎性。

       使用“熱”切割工藝時(shí)，可以使用多種惰性氣體：這樣，就可以隔絕氧氣，從而對(duì)邊緣性質(zhì)產(chǎn)生積極的影響。根據(jù)客戶(hù)需求，可以靈活配置脈沖寬度、氣體、壓力、速度以及工藝重復(fù)（即“加工”的次數(shù)）等參數(shù)。雖然切割的結(jié)果會(huì)有所不同，但切邊有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都呈90度直角。

        Manz集團(tuán)研發(fā)出的激光系統(tǒng)可最多同時(shí)使用四個(gè)激光，因此可同時(shí)處理四個(gè)基底——最大切割速度達(dá)每秒50毫米。這種并行運(yùn)行模式顯著了提高了實(shí)際的激光操作時(shí)間，與其他系統(tǒng)相比，采用這種模式的Manz系統(tǒng)的生產(chǎn)量更高。激光頭和基底沿垂直方形配合移動(dòng)，從而能夠切割各種二維幾何形狀。

說(shuō)明：一個(gè)激光系統(tǒng)采用多個(gè)激光頭，因此，能夠達(dá)到最大的生產(chǎn)效率，優(yōu)化了操作時(shí)間。

可獲得白色斷面的超短脈激光

       使用皮秒級(jí)激光對(duì)藍(lán)寶石玻璃進(jìn)行“冷”加工時(shí)，所切割的材料不是被熔化而是被氣化了。由于脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，產(chǎn)生的脈沖峰值能量非常高，才使得氣化得以實(shí)現(xiàn)。激光切割頭采用永久式安裝，不再沿線性軸移動(dòng)。激光束通過(guò)高速振鏡轉(zhuǎn)移。除此之外，皮秒級(jí)激光不再以光纖傳輸，而是利用反射鏡片進(jìn)行自由光路傳輸。

       與采用熱激光光束相比,采用皮秒級(jí)激光的“冷”加工方法，可獲得更高的切邊質(zhì)量，同時(shí)邊緣的粗糙度更低。盡管熱切割的產(chǎn)量可能更高，但為了滿(mǎn)足質(zhì)量要求，必要時(shí)仍需對(duì)其產(chǎn)生的黑色斷面進(jìn)行費(fèi)力的打磨。這正是皮秒級(jí)激光器的主要優(yōu)勢(shì)所在：盡管其加工速度在一定程度上低于“熱”激光束切割的速度，但能直接提高白色切邊的質(zhì)量，并降低其粗糙度。由此，之后的打磨將變得為輕松了（如果有必要打磨的話）。雖然皮秒級(jí)激光器的購(gòu)置成本比光纖激光器更高,但是除了能夠得到更好的邊緣質(zhì)量，這種超短脈沖激光器還具有更多其他優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)更證明了它的物超所值：微秒級(jí)激光器加工的切割面有一個(gè)傾斜面或“錐度”，一般不超過(guò)10度。這提高了顯示屏幕的強(qiáng)度。利用高斯強(qiáng)度分布，可輕松從邊緣上移除的強(qiáng)度不同的材料。

       客戶(hù)所期望的、能夠提高顯示屏強(qiáng)度的另一種技術(shù)要求是對(duì)接觸面進(jìn)行的倒角處理——對(duì)斷面進(jìn)行的局部倒角處理，如以45度角削掉30-50毫米（深度）的材料。同樣，只有皮秒級(jí)激光器才能實(shí)現(xiàn)這種倒角處理——由工藝參數(shù)設(shè)置而定。即便有鍍膜的藍(lán)寶石基底，皮秒級(jí)激光器仍能對(duì)其進(jìn)行切割，因?yàn)檫@皮秒級(jí)激光器只會(huì)對(duì)表面造成極小的損傷。采用“熱”切割工藝對(duì)帶有鍍膜的材料進(jìn)行干凈利落的切割是不可行的，因?yàn)楸砻鏁?huì)被熔化，膜層也會(huì)因此受損。

       長(zhǎng)期以來(lái)，如何采用藍(lán)寶石基底來(lái)制作智能手機(jī)的防護(hù)蓋板,一直是困擾業(yè)界的一大技術(shù)難題。而現(xiàn)在,Manz集團(tuán)向客戶(hù)提供了兩種而不是一種可能的激光工藝,在解決這一技術(shù)難題的同時(shí),更能為客戶(hù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低?？蛻?hù)可以從中選擇更合適的工藝來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中特定需求，以達(dá)到他們的預(yù)期——這也是Manz集團(tuán)的工程師們致力于為客戶(hù)解決的問(wèn)題。

說(shuō)明：根據(jù)所選擇的工藝，您既可以選擇質(zhì)量更好的白色切邊，也可以選擇質(zhì)量稍低的黑色切邊進(jìn)行激光切割。

作者：

Dmitrij Walter博士，Manz AG

Dmitrij Walter 博士是位于德國(guó)羅伊特林根市的Manz AG激光與光學(xué)器件研發(fā)部的主管。他在斯圖加特大學(xué)射線工具研究院獲得激光工藝研發(fā)博士學(xué)位。

Branislav Urban，Manz AG

Branislav Urban在Walter博士的研發(fā)小組里擔(dān)任工藝工程師，專(zhuān)攻激光消融、鉆孔和切割領(lǐng)域。他是一位電氣工程師，持有斯洛伐克特倫頓大學(xué)的學(xué)位證書(shū)。

 聯(lián)系人:  Dr. Dmitrij Walter，Manz AG