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鍵，最終達到燒蝕材料的目的。

低熱輸入避免產(chǎn)生裂縫

當加工易碎材料時，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。熱量導致材料膨脹，加快了裂縫的生成。適當?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)手表和光學儀器的保護鏡面。

當加工細小的輪廓時，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)�；�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。