供需大厅

登录/注册

公众号

更多资讯,关注微信公众号

小秘书

更多资讯,关注荣格小秘书

邮箱

您可以联系我们 info@ringiertrade.com

电话

您可以拨打热线

+86-21 6289-5533 x 269

建议或意见

+86-20 2885 5256

顶部

荣格工业资源APP

了解工业圈,从荣格工业资源APP开始。

打开

硬脆材料的超快光纤激光加工

来源:荣格 发布时间:2018-10-10 282
工业激光激光设备零部件光学材料与元件 应用及案例
收藏
硬脆材料,如玻璃,蓝宝石等,是用途极为广泛的材料,具有其他材料所不具备的独特性能。从物理性能来看,玻璃表面坚硬,防刮耐磨,因此,玻璃或者强化玻璃可用来制作智能手机的显示屏,蓝宝石可用来做摄像头的保护镜,手表表面,和手机指纹识别模块的盖板等;玻璃的化学性质稳定,可用来制作电子零部件和电路基板,且玻璃是电气绝缘体,是做传感器的封装和窗口的理想材料;蓝宝石还适合用于半导体和LED的衬底;从化学性能来说,玻璃是一种抗腐蚀的惰性材料,可以制作很多化学品,药品和食品的容器。玻璃的优良特性对很多产品来说是不可或缺的。

一.前言

硬脆材料,如玻璃,蓝宝石等,是用途极为广泛的材料,具有其他材料所不具备的独特性能。从物理性能来看,玻璃表面坚硬,防刮耐磨,因此,玻璃或者强化玻璃可用来制作智能手机的显示屏,蓝宝石可用来做摄像头的保护镜,手表表面,和手机指纹识别模块的盖板等;玻璃的化学性质稳定,可用来制作电子零部件和电路基板,且玻璃是电气绝缘体,是做传感器的封装和窗口的理想材料;蓝宝石还适合用于半导体和LED的衬底;从化学性能来说,玻璃是一种抗腐蚀的惰性材料,可以制作很多化学品,药品和食品的容器。玻璃的优良特性对很多产品来说是不可或缺的。

但由于硬脆材料具有硬脆且易碎的特点,其加工起来比较困难。同时,随着各个领域产品的升级换代和不断提高的加工精度,机械加工方式和传统的激光加工工艺已经不能满足玻璃加工的要求了。而超快激光技术的成熟为硬脆材料的加工引入了新的工艺手段。

二、超快光纤激光加工技术在玻璃材料中的应用

超快激光的加工工艺在物理机理上与传统的加工方法完全不同,是一种全新的激光加工工艺。这是由于超快激光的超快脉冲时间和超高峰值功率的特性,应用超快激光进行材料加工时,高峰值光强和极短持续时间的光脉冲与物质相互作用,使得光脉冲的能量以极快的速度注入到很小的作用区域,瞬间的高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化,避免了激光线性吸收而导致能量的转移和扩散等影响,从而在根本上改变了激光与物质相互作用的方式。这使超快激光加工具有超高精度,超高空间分辨率,并且是具备广泛的材料适应性的非热熔处理过程,开创了激光加工的崭新领域。现在超快激光技术已经为多个行业领域认可和接受,如3C产品领域,传感器及半导体领域等。

◆1.玻璃切割

玻璃切割的要求呈现多样化的趋势,客户不仅要求切割直线,还要求切割各种曲线等复杂的形状。第二,玻璃材料越来越薄,还有双层玻璃,第三,玻璃的硬度较高,如蓝宝石和强化玻璃。现有的玻璃切割技术和工艺在加工质量,成本和效率方面有许多限制。当使用刀具切割玻璃之后,玻璃边缘会形成裂纹,影响产品的品质,因此还有需要对加工后的玻璃边缘进行研磨和抛光,加工的工序多。而且,使用刀具对具有高硬度的强化玻璃和蓝宝石进行切割,刀具的损耗非常高,由此带来较高的加工成本。

传统的激光消融方式切割玻璃的工艺,相对机械刀具切割,这种加工方法在精度,质量以及加工的灵活性方面有很大提高,但这种切割工艺需要多次扫描,加工速度较慢,效率较低。

目前超快激光结合光束整形技术对玻璃进行切割是更先进的激光玻璃切割工艺。当采用超快激光结合光束整形的切割工艺,激光光束被聚焦于玻璃的内部,脉冲激光束能够沿着设定的切割线,改性一个狭窄的区域。随后,玻璃会沿着这个由激光产生的,特定的狭窄改性区而断裂。无论是直线切割还是曲线切割,这种方法都能获得光滑的切割表面,无微裂纹,切割精度高。而且这种切割工艺可以一次切开玻璃。

超快激光结合光束整形技术的加工工艺,不仅能够提高玻璃加工精度和质量,而且灵活加工,速度快,生产效率高。

图1. 超快激光切割玻璃

如图1所示,采用安扬公司的FemtoYL系列飞秒激光,并结合光束整形技术进行玻璃切割,切割速度可达1000mm/s。切割后的玻璃边缘光滑,表面光滑,粗糙度小于微米级,且基本看不到蹦边。

图2. LCD 全面屏玻璃切割

图2. LCD 全面屏玻璃切割

目前广泛使用的手机显示屏多为LCD液晶屏,LCD一般有三层,即上下两层玻璃,中间有一层液晶。 超快激光结合光束整形技术的切割工艺,同时配合视觉定位技术,可以切割LCD多余的玻璃而不伤及液晶,如图2所示为切割后的LCD屏的截面放大图。

蓝宝石是仅次于钻石的,硬度第二的材料。 图3中显示的蓝宝石厚度为0.27毫米。采用安扬公司的FemtoYL激光器结合光束整形技术对蓝宝石进行切割,切割后的截面呈均匀光滑,崩边极小,切缝平滑,如图3所示。

图3. 切割样品截面显微照片

图3. 切割样品截面显微照片

实际超快激光加工应用中,由于材料的种类以及厚度不同,不同材料加工的最优的激光脉冲宽度也不同,从几百飞秒到几个皮秒的脉宽都需要,因此,硬脆材料的加工工艺和加工设备要求激光器的输出脉宽灵活可调。在国内市场上,已经有超快激光器支持激光脉宽的在线可调,如安扬激光公司的FemtoYL飞秒激光支持脉冲宽度在400fs-6ps范围内进行连续可调,这样客户就能够根据不同的材料和加工要求用同一台激光器来实现加工质量与加工效率的完美组合,进一步提高客户的使用的灵活性。

◆2.玻璃钻孔

超快激光结合光束整形技术的加工工艺还可以用于玻璃材料的钻孔,并结合CO2激光照射让其实现无接触式裂片。如图4所示,使用FemtoYL激光器结合光束整形技术能够在玻璃上实现穿孔加工,并结合CO2激光照射使穿孔中心部分的玻璃自动脱落。在激光加工过程中,无外力与玻璃材料接触,在保证断面平整,几乎无崩边的同时,也能保证玻璃本身强度不会有太大改变。

◆3.玻璃焊接

玻璃焊接被认为是焊接领域一大难题。首先,玻璃对红外光,可见光,和部分紫外光是透明的,普通的激光如长脉冲激光,其能量很难被玻璃材料吸收;其次,玻璃硬而脆,导热率比金属低,焊接过程中如果发生热积累而产生热膨胀,热膨胀容易使玻璃材料产生碎裂而破损,最终影响产品加工的质量。

图4. 玻璃材料上加工穿孔

图4. 玻璃材料上加工穿孔

飞秒激光出现之后,玻璃焊接中的这两个难题得到解决。首先,飞秒激光脉冲的超强光强特性,使得在透明材料,如玻璃的内部产生非线性吸收,从而实现玻璃的局部熔融,最终玻璃熔融体凝固实现玻璃焊接;其次,飞秒脉冲激光与材料的相互作用的时间极短,脉冲能量来不及扩散就结束了,有效地避免了玻璃材料出现明显的热扩散,以及由此产生的裂纹及材料损伤。

玻璃材料硬且脆,其难于加工,另外热效应将影响玻璃通透性。相对于紫外激光焊接,由于飞秒激光的多光子吸收效应只在焦点位置发生,因此飞秒激光焊接正成为玻璃焊接的有效解决方案。

安扬激光公司采用其FemtoYL系列飞秒激光器,将飞秒激光器输出的激光聚焦在两块玻璃的边界处,通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描速度等参数,使两层玻璃接触面玻璃熔化并再次凝固,从而使得两层玻璃焊接在一起。而且,玻璃对光脉冲能量的吸收只发生在能量密度高的区域,预防了玻璃上的热积累而产生碎裂,飞秒激光焊接能够实现精细焊接。图5和图6为飞秒激光焊接玻璃的显微图片。

从图5中可以观察到两个玻璃面的熔接点。

图5. 飞秒激光玻璃焊接的玻璃熔接点

图5. 飞秒激光玻璃焊接的玻璃熔接点

从图6玻璃焊接俯视图,可以看到焊接线宽度约50μm,焊接线平整,无热扩散,无裂纹。

图6. 玻璃焊接的俯视图

图6. 玻璃焊接的俯视图

飞秒激光玻璃焊接具有很多传统工艺不具备的优点。首先,飞秒激光玻璃焊接能够实现三维的,无接触的加工,其次,飞秒激光玻璃焊接热影响区非常小,无裂纹且连接强度高,第三,焊接的范围仅在激光的焦斑附近,加工精度高,焊接区的边缘平滑,第四,无需任何化学添加剂,安全无污染。

飞秒激光的玻璃焊接可用于光学器件,传感器,MEMS,植入式芯片的生产,广泛应用于电子,生物医疗,航空航天,以及科学研究等领域。

◆4.玻璃材料的内部标记

传统的玻璃材料的标记,即打标,是采用激光,如纳秒紫外激光对玻璃表面进行热消融,或者采用CO2激光使玻璃表面形成微裂纹。这两种方式只能在玻璃表面加工出白色标记,而且这种激光热加工的方法在玻璃表面产生的裂纹会对材料的结构有损伤。

现在采用飞秒激光能够在玻璃内部加工出深色标记,且不破坏材料的结构。当把飞秒激光聚焦在玻璃内部,并选择低于材料破坏阈值的光强,玻璃在激光照射过的部分产生了变暗现象,或变色。这种变暗或者变色是由于飞秒在玻璃中产生了色心,色心的生成改变了玻璃材料的吸收系数和折射率。当多次飞秒激光照射(扫描)之后,玻璃被照射的局部进一步变深,并最终稳定下来。

图7. 玻璃内部标记

图7. 玻璃内部标记

采用飞秒激光的玻璃的内部标记的工艺,不损伤玻璃表面,不会产生无微裂纹,因此不影响玻璃本身的强度和产品品质;同时,这种加工工艺也不会使玻璃的化学成分发生变化,无污染。玻璃内部标记方法非常适用于药品,高级食品,以及奢侈品的包装的标记,防伪和追溯。

三、总结

与传统的机械加工技术相比,超快激光加工工艺有难以匹敌的优势。目前超快激光加工已经广泛用于LCD显示屏,摄像头的保护镜以及手机指纹识别模块的盖板等。在不远的将来,还将拓展到OLED显示屏、手机背板玻璃加工等领域,甚至在传统的汽车玻璃、建材玻璃的加工也会使用超快激光加工技术。超快光纤激光具有广阔的应用前景和市场空间。

收藏
推荐新闻