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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金巴黎彩票注册地址、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年代呈現金巴黎彩票注册地址,玻璃切開很快就變成它的一個運用商場。盡管開宣布很多立異的技能,但激光系統相對較高的復雜性和本錢拖慢了它在該商場工業化的腳步。本世紀初,化學強化玻璃的遍及給傳統切開技能帶來了更苛刻的應戰,然后使得激光加入到更公正的競爭中來金巴黎彩票注册地址。成果理解明了:和玻璃深加工有關的新型激光器和激光技能呈現出爆破式發展。有些技能例如ESIDiamond Blaze技能能夠完成十分迅速的線切開,并且質量十分高?墒,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?諝鈬姲l的壓力或許乃至只憑重力就能夠移除被切除的部位,并且切開邊際的質量十分高,能削減或去掉后處理的進程。

 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,由康寧(Corning)開發,命名為“Chemcor”,能夠運用于汽車金巴黎彩票注册地址、航空航天和制藥職業,可是顯然并未變成業界的主流。不過,在本世紀初,該項技能煥發了新的生機金巴黎彩票注册地址,改善商品被命名為“大猩猩玻璃”(Gorilla Glass)金巴黎彩票注册地址,并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月底金巴黎彩票注册地址,估量超越15億臺售出的設備運用了大猩猩玻璃。

 

出產大猩猩玻璃的技能依然運用了出產Chemcor 玻璃的根底原理金巴黎彩票注册地址。將鈉玻璃浸入堿性溶液金巴黎彩票注册地址,使得玻璃中的鈉離子與溶液中的鉀離子交換金巴黎彩票注册地址。因為鉀離子大于鈉離子金巴黎彩票注册地址,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金巴黎彩票注册地址,然后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金巴黎彩票注册地址,可是強化玻璃的強度也會呈降低趨勢,這么的話假如選用傳統的劃片和鋸切技能會帶來更多問題。不夸大地說,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,為了切開一種資料金巴黎彩票注册地址,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金巴黎彩票注册地址,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,隨后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里?墒,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金巴黎彩票注册地址。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,然后使得部件自動地沿著激光加工的途徑別離開來?墒,通常情況下,這些技能僅限用于縱切,F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金巴黎彩票注册地址。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金巴黎彩票注册地址;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Hegoa30W、515nm皮秒光纖激光器。該激光器能發作1550 ps脈沖、重復頻率高達3MHz的激光束。準直激光束會擴束至12mm,在100mm焦距的F-theta遠心掃描場鏡效果下取得8mm直徑的光斑金巴黎彩票注册地址。隨后移除被掃描的焦點區域, 構成所需求的各種切開形狀金巴黎彩票注册地址。掃描器安裝在Z軸上金巴黎彩票注册地址,便利控制工件上的焦點深度金巴黎彩票注册地址。運用的最大脈沖能量是20μJ金巴黎彩票注册地址。

 

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,這么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)。然后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金巴黎彩票注册地址。

 

然后沿著所需的途徑重復掃描金巴黎彩票注册地址,每一次重復都會有偏移,以構成所需的切槽寬度。持續重復這些途徑金巴黎彩票注册地址,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,最后敏捷地穿透全部部件金巴黎彩票注册地址金巴黎彩票注册地址。在穿透強化層之前中止這一進程金巴黎彩票注册地址,這么就能夠在外表構成溝槽。只需壓應力層不被損壞金巴黎彩票注册地址,這些溝槽會保持穩定,并且不會致使部件損壞。

 

切開進程的物理學

 

第一眼看上去金巴黎彩票注册地址,還不理解這種切開辦法是怎么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金巴黎彩票注册地址金巴黎彩票注册地址。

 

首要金巴黎彩票注册地址,開裂力學指出只要超越臨界裂紋長度金巴黎彩票注册地址,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)金巴黎彩票注册地址,其間E為彈性模量,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的光斑直徑比較,咱們就理解這一辦法是怎么防止災難性的自覺裂紋拓展,即沒有發作超越臨界裂紋長度的裂紋。此外, 咱們注意到金巴黎彩票注册地址,在基地層(位于拉應力層下)中止切開會致使一段時間后發作開裂,這意味著在這一層中加工速度比自覺裂紋增長速度更快金巴黎彩票注册地址金巴黎彩票注册地址?紤]到小的切屑尺度和合理迅速的切開速度,便能夠解說這一辦法是怎么防止資料的無序開裂了。

 

加工成果

 

這種自下而上的切開進程能夠帶來潔凈的切開、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 2mm、C.T.091MPa規模內的玻璃都能夠運用同一根本加工參數,并且良品率超越99%金巴黎彩票注册地址。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。深色的邊際是暗影,不是玻璃變色。丈量的錐度為5°擺布金巴黎彩票注册地址。運用Hegoa激光器在寬40mm、長60mm金巴黎彩票注册地址、400μm厚度金巴黎彩票注册地址、C.T.91MPa的玻璃板上切開出10個方形孔。在20張板、每張10個方形孔的情況下,良品率為100%。切開出來的正方形和圓形孔,圓孔直徑為2mm,此外還切開出外部圓角金巴黎彩票注册地址金巴黎彩票注册地址。

 

加工速度

 

為了補償每束激光移除的相對較小的資料量,設置了掃描儀的最大速度和激光器的高脈沖重復頻率(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厚的玻璃上的切開進程與激光功率成線性比例。玻璃越薄金巴黎彩票注册地址,速度越高。在切開各種形狀時,較小的圓角半徑約束了掃描速度為5m/s,因而激光功率為14W 時的實踐加工速度約為2.5mm/s金巴黎彩票注册地址。

 

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金巴黎彩票注册地址,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厚的資料的加工速度與玻璃厚度成線性關系,最高為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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