激光作為一種先進(jìn)的加工工具，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。隨著(zhù)激光技術(shù)自身的不斷發(fā)展完善，其憑借著(zhù)在加工質(zhì)量、加工復雜度、加工效率及清潔環(huán)保等優(yōu)勢，不但在不銹鋼、銅、合金等各類(lèi)金屬材料加工中獲得青睞，而且也正在玻璃、陶瓷、藍寶石、半導體硅晶圓、PCB 板等各種非金屬材料加工中突顯出獨特優(yōu)勢。

薄脆性材料的加工挑戰

在非金屬加工領(lǐng)域，薄脆性材料的激光加工備受關(guān)注。隨著(zhù)智能手機、LED 照明、平板電腦、以及可穿戴設備等消費電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展迭代，玻璃、藍寶石和陶瓷等材料，憑借著(zhù)自身具備的獨特優(yōu)質(zhì)屬性而獲得了廣泛應用，比如堅硬的鋼化玻璃用作于智能手機的顯示屏 ；堅硬且化學(xué)性質(zhì)穩定的陶瓷用于制作電子零部件襯底和絕緣材料 ；堅硬耐劃的藍寶石用于 LED 襯底、手機攝像頭保護玻璃、智能手機顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。

在這些應用中使用的玻璃、藍寶石或陶瓷等材料，厚度通常較薄，硬度越來(lái)越高，非常易碎。而在加工要求上，上述應用通常需要在這些薄脆易碎的材料上實(shí)施非常精密的切割、鉆孔甚至開(kāi)槽等加工過(guò)程，這使得傳統的銑、鉆、磨等機械加工工藝面臨著(zhù)極大的挑戰，因為材料極薄極脆，加工過(guò)程中因接觸而施加到材料上的任何應力，都可能導致材料碎裂，最終報廢。

然而，傳統機械加工方式所面臨的挑戰，卻為非接觸性的激光加工帶來(lái)了更多機會(huì )。

超快激光應對加工挑戰

玻璃、陶瓷、藍寶石等薄脆性非金屬材料的精密加工，通常使用超快激光。超快激光脈沖持續時(shí)間極短，在納秒、皮秒甚至是飛秒級別，將適度的激光能量作用在材料表面，通過(guò)打斷材料的化學(xué)鍵而實(shí)現材料去除目的，在這個(gè)過(guò)程中，激光能量還來(lái)不及向加工范圍周?chē)鷤鬟f，加工過(guò)程便已結束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計，材料不會(huì )產(chǎn)生熱損傷。

隨著(zhù)這些脆性材料在 LED、智能手機、可穿戴設備等產(chǎn)品中的應用越來(lái)越多，致力于這類(lèi)脆性材料加工的激光器、激光系統及相關(guān)科研機構也不斷增多，他們的努力也促進(jìn)了這類(lèi)脆性材料激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展。以下簡(jiǎn)單整理了一些相關(guān)方案，希望對讀者有一定參考。

（一）漢諾威中心的薄片玻璃鉆孔方案

2016 年 12 月初，德國漢諾威激光中心（LZH）和德國巴伐利亞激光中心（BLZ）聯(lián)合舉辦了一場(chǎng)主題為“玻璃材料的激光加工”的研討會(huì )，主要探討激光玻璃加工領(lǐng)域的最新發(fā)展與趨勢。

當前，激光玻璃加工領(lǐng)域的發(fā)展快速，一些創(chuàng )新的加工過(guò)程和系統，正在使薄片、平板和管狀玻璃產(chǎn)品的加工不斷進(jìn)步。

圖1：利用激光實(shí)現薄片強化玻璃的精密鉆孔（圖片來(lái)源：LZH）

研討會(huì )上，漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff 領(lǐng)導的一個(gè)研究團隊介紹了一種新穎的薄片玻璃鉆孔方案，其將單個(gè)脈沖與不同的脈沖持續時(shí)間相結合，成功避免了鉆孔過(guò)程中在玻璃邊緣出現碎片，加工出的表面非常光滑，能力成功化學(xué)強化薄片玻璃的鉆孔，如用于手機屏中的強化玻璃。

漢諾威激光中心新開(kāi)發(fā)的玻璃鉆孔工藝，比水射流方式更具成本效益，并且還能加工厚度 4mm 的玻璃。漢諾威激光中心在玻璃加工方面的創(chuàng )新，將為消費電子等產(chǎn)品提供有價(jià)值的推動(dòng)力。

（二）萬(wàn)機儀器的皮秒混合光纖激光器IceFyre將改變行業(yè)游戲規則？

在玻璃 / 藍寶石加工方面，萬(wàn)機儀器（MKS Instruments）旗下的光譜物理業(yè)務(wù)部門(mén)（Spectra-Physics）在這方面實(shí)力不俗。早在 2015 年 12 月，光譜物理就針對化學(xué)強化玻璃、非強化玻璃和藍寶石的快速高質(zhì)量切割應用，推出了 ClearShape 飛秒激光器，其能夠達到 1m/s 的切割速度，并且切割邊緣無(wú)毛邊碎屑，邊緣粗糙度Ra <0.1μm。

圖2：Spectra-Physics的高功率工業(yè)皮秒混合光纖激光器IceFyre（圖片來(lái)源：MKS Instruments）

在今年 2 月的 Photonics West 展會(huì )上，Spectra-Physics 首次亮相的緊湊型高功率工業(yè)皮秒混合光纖激光器IceFyre，堪稱(chēng)是一款改變游戲規則的產(chǎn)品——集高功率、短皮秒脈沖以及前所未有的通用性、重于一身復頻率可調、可編程的皮秒脈寬靈活性和脈沖按需觸發(fā)等諸多功能及成本優(yōu)勢于一身。IceFyre 在 1064nm 波長(cháng)處提供> 50W 的平均功率和高達 > 200μJ 的脈沖能量，可調節的重復頻率范圍從單發(fā)脈沖到 8MHz，加之靈活的脈沖編程能力，是精密加工藍寶石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。

IceFyre 在性能、成本、尺寸和可靠性方面的表現，是否如其所愿能夠改變工業(yè)微加工激光器市場(chǎng)的游戲規則？我們拭目以待。

（三）德龍激光的激光應力誘導切割技術(shù)

國內廠(chǎng)商德龍激光，憑借著(zhù)其自主研發(fā)的激光應力誘導切割技術(shù)，在非金屬精密加工方面也有著(zhù)不錯的表現，幾年前其 LED 芯片劃片機曾在國內市場(chǎng)占據大量份額。最近幾年，智能手機等消費電子產(chǎn)品的發(fā)展，驅動(dòng)藍寶石和強化玻璃加工市場(chǎng)走俏，德龍激光的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也隨之拓展。

在對德龍激光總經(jīng)理趙裕興博士的一次采訪(fǎng)中，趙博士詳細介紹了激光應力誘導切割技術(shù)。它將短脈沖激光光束透過(guò)材料表面聚焦在材料中間，短脈沖激光極高的瞬時(shí)能量，在材料中間形成改質(zhì)層，從而使被切產(chǎn)品達到斷裂效果。這是一種全新的激光切割工藝，具有速度快、不產(chǎn)生粉塵、無(wú)基材耗損、所需切割道小、完全干制程等優(yōu)勢。

圖3：德龍激光的皮秒激光應力誘導加工設備，在藍寶石切割過(guò)程中累積的光強的分布。（圖片來(lái)源：德龍激光）

德龍激光自主研發(fā)的皮秒激光應力誘導加工設備，在藍寶石和玻璃等材料的切割方面，收獲了成功，相比于傳統的機械切割，在切割效率、切割成本上、材料損耗、產(chǎn)品產(chǎn)出和產(chǎn)品性能方面都有穩步提升。

（四）亞智科技的 M-Cut 切割工藝

M-Cut 是亞智科技開(kāi)發(fā)出的一種改性切割工藝，其以類(lèi)似穿孔的方式修改材料基板。M-Cut 工藝的光源中具有特別調整的光學(xué)系統，形成改良的光束源，能夠縱向聚焦形成線(xiàn)性的切割痕跡。這種切割工藝產(chǎn)生的切割界面的粗糙度低于 0.5μm，可免去對切割邊緣的昂貴研磨拋光工作。

圖4：亞智科技的M-Cut激光切割工藝，基底材料能被線(xiàn)性地“穿透”。（圖片來(lái)源：亞智科技）

M-Cut 適用于切割各種強化玻璃及藍寶石等脆性材料，切割 0.5mm厚的玻璃時(shí)，切割速度可達 1m/s ；不會(huì )產(chǎn)生崩邊、破裂，切割邊緣粗糙度值低于 0.5μm，不需要拋光。此外還能提高切割后玻璃的抗裂度。M-Cut工藝可以切割不同幾何形狀的工件，甚至能以 90°角切割轉角，是一把靈活的激光刀。

（五）羅芬的 SmartCleave FI切割工藝

羅芬針對藍寶石和陶瓷等脆性材料加工，除了其使用脈沖光纖激光器的熔融切割技術(shù)之外，其SmartCleave FI激光切割工藝，自從 2014 年推出以來(lái)，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和一些利基市場(chǎng)中獲得了成功應用。這種切割工藝，能在加工過(guò)程中在工件上產(chǎn)生足夠的內應力，從而達到加工區域自動(dòng)分離。對于非強化玻璃、藍寶石或陶瓷，可以借助較低的機械力或熱力很容易地實(shí)現分離。

圖5：羅芬SmartCleave FI激光加工工藝實(shí)現的薄片玻璃切割與鉆孔。

SmartCleave FI 工藝可以切割任意形狀，如直線(xiàn)、曲線(xiàn)、有角度的或倒角切割，可切割管狀或曲面件 ；表面光潔，基本沒(méi)有碎屑，典型的表面粗糙度值小于 1μm ；切割速度大于300mm/s；切割玻璃的厚度范圍在100μm~10mm之間；適用于玻璃、藍寶石、水晶、陶瓷等脆性材質(zhì)。

強化玻璃、藍寶石和其他脆性、透明材料的獨特性能，這將促使這些材料在消費電子、醫療設備、集成電路、建筑、汽車(chē)、航空航天等市場(chǎng)領(lǐng)域涌現出不斷增長(cháng)的用途。特別是在以智能手機、可穿戴電子產(chǎn)品為首的消費電子產(chǎn)品中，對強化玻璃和藍寶石的應用，具有很大的增長(cháng)空間。因此，市場(chǎng)對脆性材料激光加工的需求非?？春?。

在市場(chǎng)高需求的同時(shí)，來(lái)自市場(chǎng)要求減少加工步驟、減少材料浪費以及干性制程等因素的持續驅動(dòng)，也正在強烈地推動(dòng)著(zhù)激光器制造商和激光系統集成商提供不斷探討，要求他們不但能提供傳統機械加工的替代方案，而且還要不斷提升激光加工方案的綜合性能，以在加工質(zhì)量、產(chǎn)品良率、加工速度及量產(chǎn)化方面有所突破。