作者：Verena Buttler， Trumpf公司

玻璃，藍寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工技術(shù)和精細加工的材料。然而，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也給強大的超短脈沖激光器贏得了更多機會。

這些材料優(yōu)質(zhì)的屬性對很多產(chǎn)品來說是不可或缺的：玻璃用來制作智能手機的顯示屏，顯示屏有著鋼化的外殼 ；陶瓷堅硬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可用來制作電子零部件和電路基板，以及電氣絕緣體。藍寶石極其堅硬，耐劃傷，適合用于半導(dǎo)體和 LED 技術(shù)。但玻璃、 陶瓷、 和藍寶石有個共同點就是很難加工。由于它們易碎而且都是非常堅硬的材料，他們挑戰(zhàn)著銑、 鉆、 磨等傳統(tǒng)制造工藝的極限。加工這些材料時刀具磨損快，并且需要好幾個加工環(huán)節(jié)才能得到足夠好的加工質(zhì)量。

在堅硬、易碎的材料上使用激光光束

激光光束在堅硬、易碎的材料特別能展現(xiàn)出良好的效果。它們不會磨損且能聚焦到最小直徑。掃描振鏡能靈活定位光束，能幾乎滿足各種形狀輪廓的加工需要。超短脈沖激光器（圖1）特別適合加工易碎的材料。對于小于10皮秒的激光脈沖，在熱傳導(dǎo)到周邊的材料上之前，被加工區(qū)域的材料已經(jīng)汽化了。只要激光參數(shù)精確調(diào)整到和應(yīng)用相匹配，那么就不需返工。

圖1：為了將超短脈沖激光的卓越特性應(yīng)用到高生產(chǎn)率要求的工業(yè)制造中，通快按比例增加了皮秒激光光器TruMicro 5000的輸出功率。

對可見光以及近紅外的光譜范圍內(nèi)的光來說，很多像玻璃這樣的寬帶隙電介質(zhì)是透光的。然而，高強度的皮秒脈沖能通過多光子電離產(chǎn)生自由電子。大量連續(xù)的電離進一步釋放電荷載體，這些電荷載體能夠破壞材料中的化學(xué)鍵，最終達到燒蝕材料的目的。

低熱輸入避免產(chǎn)生裂縫

當(dāng)加工易碎材料時，避免產(chǎn)生小裂縫是經(jīng)常要遇到的挑戰(zhàn)，這些小裂縫會削弱零部件的強度。產(chǎn)生裂縫的一個原因是過度的熱量進入了零部件。熱量導(dǎo)致材料膨脹，加快了裂縫的生成。適當(dāng)?shù)募庸げ呗钥梢苑乐剐×鸭y的形成。這其中就包括精準定義加工參數(shù)，如脈沖能量、 脈沖重疊度、 重復(fù)頻率、 焦點直徑和激光加工次數(shù)。最佳工作點取決于材料、 加工形狀、加工時間和質(zhì)量的要求，并通過應(yīng)驗試驗加以確認。位于德國南部Ditizingen的Trumpf公司和德國西部 Aachen的Fraunhofer激光技術(shù)研究所開展聯(lián)合研究，發(fā)展了優(yōu)化激光加工脆性材料效果的理論基礎(chǔ)。

不同標準可用來評估質(zhì)量：零部件的彎曲強度（用來測量材料的斷裂強度，裂縫會使斷裂強度降低）、切割邊緣粗糙度以及邊緣視覺效果。切割邊緣的情況可以通過光學(xué)顯微鏡以及借助掃描電子顯微鏡來測量。（圖2）

圖2：激光加工的藍寶石微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像

圖3：使用皮秒激光器切割玻璃

 測量零部件彎曲強度的普通方法是四點折彎測試(cf. DIN EN 843-5)。用兩根圓柱對一定加工輪廓的實驗樣品進行支撐和定位。另外兩個圓柱以既定速度對樣件不斷加力，直到它被折斷。破壞時間點的壓力被測量，斷裂強度可以通過零部件的形狀以兆帕為單位計算得出。盡管小裂縫的產(chǎn)生以及它們對斷裂強度的影響會因不同的零部件而異，但是可以通過Weibull統(tǒng)計法來說明。通常來說，選取10-15個被加工樣件來進行四點折彎測試。圖4是使用通快超短脈沖激光器切割的手機玻璃顯示面板（“Corning Eagle XG”）Weibull分布圖。10%的斷裂可能性發(fā)生點可作為零部件的彎曲強度的特性值。不同的加工方法可通過這種方式進行比較。

圖4：使用通快超短脈沖激光器切割的手機玻璃顯示面板（“Corning Eagle XG”）威布爾分布圖。零部件抗折強度的特性值所對應(yīng)的破壞率為10 % 。

加工強化玻璃

智能手機的興起加大了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏（觸摸屏）已經(jīng)超越了手機鍵盤成為最主要的用戶界面。典型的智能手機包括四塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上，容納薄膜晶體管和液晶材料；一塊提供觸摸功能；還有一塊化學(xué)鋼化玻璃蓋板保護底層免于劃傷，沖擊損傷和臟物。由于用戶想要輕便、纖薄的智能手機，更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃顯示面板為0.3毫米厚；化學(xué)鋼化玻璃蓋板0.7毫米厚。這使得傳統(tǒng)的切割工藝達到了極限。切削輪子已經(jīng)不適合加工這種玻璃，因為他們都經(jīng)過特殊的化學(xué)強化處理，而銑削加工則需要大量研磨和拋光上的返工工作。

紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產(chǎn)生，切割質(zhì)量遠遠超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實現(xiàn)切割。速度，邊緣質(zhì)量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥：例如，輕微變形的玻璃并不影響加工結(jié)果。在測試中，使用綠光皮秒激光器，“Corning Eagle XG”的彎曲強度達280兆帕。使用紅外皮秒激光器的測試結(jié)果表明速度增加三倍，邊緣的彎曲強度略低。

更強大的皮秒激光器使我們有更大的機會來提高加工玻璃的效率。我們比較鋼材和玻璃的燒蝕速度以及加工效率時這種機會尤為明顯。（圖5）由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5 J/cm²的脈沖能量密度時開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達到最高。因此當(dāng)加工玻璃時，更高的脈沖能量可以轉(zhuǎn)化為更高的燒蝕效率。

圖5：上圖：鋼材的燒蝕速度開始從5 J/cm2的流量下降；下圖：玻璃的燒蝕速度沒有從更高的流量密度降低。因此，更高的脈沖能量能提高加工的效率。

當(dāng)考慮進一步降低玻璃的重量和厚度時，人們可能會使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃處理起來更微妙，對于機械加工也更敏感。事實上，這樣的玻璃不用激光來加工已經(jīng)是不可能了。

適用于任何棘手情況的藍寶石

藍寶石是地球上僅次于鉆石第二堅硬的材料，很難使用機械的方法來加工。使用激光器來切割藍寶石是當(dāng)今LED制造業(yè)的標準加工方法，藍寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性，藍寶石會用來生產(chǎn)手表和光學(xué)儀器的保護鏡面。

當(dāng)加工細小的輪廓時，超短脈沖激光器可以實現(xiàn)精準的加工。例如當(dāng)切割圓形部件和鉆微孔時，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實現(xiàn)。超短脈沖除去了加工時的熱影響，從而產(chǎn)生極好的切割邊緣質(zhì)量。圖 6 顯示了 0.4 毫米厚的圓形、 正方形和三角形輪廓，使用 TruMicro 5070 紅外皮秒激光切從藍寶石上切割下來。最小輪廓尺寸是0.2毫米。與超短脈沖相結(jié)合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經(jīng)驗表明100微焦左右的脈沖能量是最佳的。例如，將脈沖能量為250微焦的激光光束分成兩個125 微焦的獨立激光光束同時加工兩個零部件就可以獲得更高的產(chǎn)量。卓越的加工質(zhì)量取決于加工方法、 除塵和工件夾具之間的適宜的配合。

圖6：圓形，正方形和三角形輪廓，0.4毫米厚，使用紅外皮秒激光器“TruMicro 5070”從藍寶石上切割下來。

陶瓷——耐磨、耐高溫

工程陶瓷經(jīng)常會用于暴露在高溫或要求耐磨損的零部件上。在許多應(yīng)用中，對材料的電絕緣性要求很高。例如，工程陶瓷用于汽車行業(yè)中傳感器芯片的PCB材料，用于油泵的耐磨損貯存材料，或用于食品行業(yè)中噴嘴材料。最常見的工程陶瓷材料有氧化鋁，氮化鋁和氧化鋯。

激光非常適合在薄陶瓷上鉆孔，切割或者結(jié)構(gòu)處理。例如，使用紅外超短脈沖激光器可以以高達10毫米/秒的速度切割0.3毫米厚的氧化鋯板。超短脈沖可產(chǎn)生平滑，無裂紋的切割邊緣。

鑒于超短脈沖激光銳利的聚焦特性，他們非常適用于打孔：能在0.5 毫米厚的氧化鋁和氮化鋁陶瓷上鉆出直徑為60微米的孔（圖7，8，9）。打孔速度可達每秒20個孔。在劃片-裂片的工藝中，激光切割到材料的三分之一厚度，然后用機械方式裂片，速度可達50毫米/秒。

圖7：激光鉆孔氧化鋁陶瓷薄片

圖8：氮化鋁，厚度： 500 µ m，內(nèi)徑： 60 µ m

圖9：在氧化鋁上激光切割

高效，高功率的激光光源

在達到加工質(zhì)量要求的前提下，產(chǎn)能是工業(yè)制造中的一個決定性的變量。為了將超短脈沖激光的卓越特性應(yīng)用到高生產(chǎn)率要求的工業(yè)制造中，通快按比例增加了皮秒激光光器TruMicro 5000的輸出功率。新型TruMicro 5070和TruMicro 5270分別是功率100瓦紅光和60瓦綠光皮秒激光器，脈寬在10皮秒之內(nèi)。基于碟片式的激光功率放大技術(shù)，可以減少激光在介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)，獲得好的光束質(zhì)量和更高的激光功率。

由于所有通快超短脈沖激光器都有雙級功率調(diào)節(jié)特點，加工效果在各種情況下都可重復(fù)實現(xiàn)。放大器外的外部調(diào)節(jié)模塊會調(diào)整脈沖能量和頻率，這確保了光束特性不會受激光參數(shù)的變化的影響。