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新型玻璃精密激光加工技術

幾個世紀以來,玻璃的加工技能主要有機械法劃片和開裂、磨削和切開。盡管微電子技能逐漸發展,但這些陳舊的技能依然在玻璃加工技能中占主導地位。跟著高功率激光器在20 世紀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。本世紀初,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ESIDiamond Blaze技能能夠完成十分迅速的線切開,並且質量十分高。可是,在如今的微電子商場,弧形轉角、內弧形的“Home”按鈕、揚聲器孔等部件需求的是不一樣的技能。例如, Eolite公司開發的一個專有技能能夠完成高化學強化玻璃的內弧形和外弧形的線切開,良品率很高。空氣噴發的壓力或許乃至只憑重力就能夠移除被切除的部位,並且切開邊際的質量十分高,能削減或去掉後處理的進程。

 玻璃激光切割

化學強化玻璃:結構

 

化學強化玻璃起源于20世紀60年代,由康甯(Corning)開發,命名爲“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,在本世紀初,该项技能焕发了新的生机,改善商品被命名爲“大猩猩玻璃”(Gorilla Glass),並敏捷變成用于智能手機和平板電腦面板的主流材質。截止到20135月底,估量超越15億台售出的設備運用了大猩猩玻璃。

 

出産大猩猩玻璃的技能依然運用了出産Chemcor 玻璃的根底原理。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。因爲鉀離子大于鈉離子,使得玻璃外表具有更大的剩余壓應力。該壓應力反過來又能夠阻撓裂紋的發作,然後約束了任何裂紋結尾的應力,能夠削減瑕疵的誘發和蔓延。最終使得該玻璃的抗損壞性比未強化的玻璃高出很多倍,能夠耐受智能手機平時運用中遇到的應力和應變。

 

這種外表壓應力能夠明顯進步玻璃的力學性能,可是強化玻璃的強度也會呈降低趨勢,這麽的話假如選用傳統的劃片和鋸切技能會帶來更多問題。不誇大地說,經過傳統的辦法來切開最高強度的玻璃是不可能完成的。盡管化學強化讓玻璃變得結實,可是也讓它難以用機械法切開。首要,爲了切開一種資料,劃痕會十分深,效果力也必須十分高。一起,一旦劃痕深化到基地的拉應力區域,拉應力效果于裂紋頂級,使得裂紋敏捷自覺地在基地的拉應力層進行無序拓展。由此在基地層發作的不可控和不規則的裂紋拓展通常會損壞全部部件。所以需求一種新的切開辦法。

 

激光技能的發展

 

激光加工玻璃技能有關的第一項專利發布于1969年,隨後很短時間內連續呈現了別的幾個專利。從那時開始,激光切開玻璃的技能發展一日千裏。可是,關于大型工業化操作來說,切開、劃片和開裂以及磨料切開等技能仍占主導地位。這些傳統技能足以敷衍第一代的化學強化玻璃,但跟著最新具有更高應力等級的玻璃被開宣布來,持續運用傳統技能變得不再實踐。

 

新一代的激光技能例如ESIDiamond Blaze的呈現使得高質量的迅速縱切得以完成。在這些技能中,拉應力層和/或壓應力層中遭到的損壞變得可控。十分高的內部應力會使裂紋沿著激光加工的途徑拓展開來,然後使得部件自動地沿著激光加工的途徑別離開來。可是,通常情況下,這些技能僅限用于縱切。現在開宣布的別的技能在某種程度上能夠完成弧形切開。

 

Eolite激光切開玻璃技能運用皮秒脈沖激光器在玻璃中不斷生成微觀切屑,直到玻璃被有用切開。盡管這種技能的切開速度相對不高,可是適用于一切類型和厚度的化學強化玻璃。此外,切槽側壁根本是筆直的;組件添加的效果力能夠忽略不計;切斷外表和切屑尺度與精磨適當。

 

加工系統和設備

 

該技能運用了Hegoa30W515nm皮秒光纖激光器。該激光器能發作1550 ps脈沖、重複頻率高達3MHz的激光束。准直激光束會擴束至12mm,在100mm焦距的F-theta遠心掃描場鏡效果下取得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軸上,便利控制工件上的焦點深度。運用的最大脈沖能量是20μJ

 

切開玻璃的進程

 

515nm激光束聚集成約8μm直徑的光斑,運用高速掃描器在工件外表上移除焦點區域,速度高達10m/s。小焦點和短皮秒脈沖持續聯系在一起會在焦點處發作激烈的非線性效果。反過來又使得未聚集的光束可自在經過玻璃,而不會發作有害的加熱和熱透鏡效應,這麽焦點效果區域可置于離資料外表很遠的當地(通常是底部或反面)。然後每個激光脈沖移除掉形狀與光斑巨細相似的玻璃微屑。皮秒的非熱效應性質保證了大多數剩余的熱量會跟著玻璃微屑而去,而基板上殘留的熱量會十分小。跟著激光束沿著掃描方向移動,在玻璃外表上會構成淺槽形切斷。

 

然後沿著所需的途徑重複掃描,每一次重複都會有偏移,以構成所需的切槽寬度。持續重複這些途徑,一起在需求的時候沿著筆直軸的方向進行調整,以保證激光效果在切開面上,最後敏捷地穿透全部部件。在穿透強化層之前中止這一進程,這麽就能夠在外表構成溝槽。只需壓應力層不被損壞,這些溝槽會保持穩定,並且不會致使部件損壞。

 

切開進程的物理學

 

第一眼看上去,還不理解這種切開辦法是怎麽防止激光在內部拉應力層中切開時自覺發作裂紋的不規則拓展。不過,現已運用這種辦法在最高基地張力(C.T.)和最薄的(400μm)強化玻璃進步行數以百次的切開,良品率超越99%。咱們信任關鍵在于開裂力學的根本原則。

 

首要,開裂力學指出只要超越臨界裂紋長度,才會在很少能量下發作不受控制的裂紋拓展。C.T.91MPa的玻璃能夠計算出臨界裂紋長度約5μm(見下面的公式),其間E爲弹性模量,γ是玻璃的外表能量密度,σ是效果力:

 

5μm的臨界裂紋長度與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

 

這種自下而上的切開進程能夠帶來潔淨的切開、根本筆直的側壁和最大的頂部和底部邊際切屑(巨細約等于8μm的光斑)。咱們發現厚度規模在0.4 2mmC.T.091MPa規模內的玻璃都能夠運用同一根本加工參數,並且良品率超越99%700μm厚度、C.T.40MPa的玻璃的切開面頂部和底部的邊際。觀察到的切開面頂部和底部的最大切屑尺度約10μm。深色的边际是暗影,不是玻璃变色。丈量的锥度爲5°擺布。運用Hegoa激光器在寬40mm、長60mm400μm厚度、C.T.91MPa的玻璃板上切開出10個方形孔。在20張板、每張10个方形孔的情况下,良品率爲100%。切开出来的正方形和圆形孔,圆孔直径爲2mm,此外還切開出外部圓角。

 

加工速度

 

爲了补偿每束激光移除的相对较小的资料量,设置了扫描仪的最大速度和激光器的高脉冲重复频率(PRF)。即便如此,振鏡掃描儀的速度依然會約束Hegoa G30激光器(515nm、最大30W)的加工速度。一個拓展性試驗的成果: 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爲5m/s,因而激光功率爲14W 时的实践加工速度约爲2.5mm/s

 

總結

 

咱們有才能用皮秒光纖激光器對化學強化玻璃例如大猩猩玻璃進行內部和外部的切開操作,規模包含市面上一切的具有最高基地張力值的最薄的玻璃。此外,這一技能簡直適用于受測驗的一切類型的玻璃,只在激光途徑的總數量上有所區別,而該數量只由玻璃厚度來決議。1.0mm厚的资料的加工速度与玻璃厚度成线性关系,最高爲4.0mm/s。經過技能優化,能夠在0.4mm厚、C.T.91的玻璃上完成68mm/s的切開速度。Hegoa調配高速線切開的技能能夠完成大型平板玻璃的迅速劃片,包含有用率的內部和外部弧形切開。

 

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