激光切割玻璃技術(shù)研究

周勇 孫宏

摘要：本文介紹了三種激光切割玻璃技術(shù)，并對(duì)在技術(shù)實(shí)踐中對(duì)這三種技術(shù)具體如何使用并技術(shù)演化進(jìn)行了梳理，并對(duì)兩種技術(shù)的主要應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：玻璃；脆性材料；激光；切割

隨著近年移動(dòng)顯示設(shè)備的飛速發(fā)展，越來越多的超薄玻璃被更廣泛的使用，對(duì)高強(qiáng)度超薄液晶保護(hù)玻璃進(jìn)行高效率低成本高質(zhì)量的切割加工是急需解決的一個(gè)問題。傳統(tǒng)的機(jī)械切割法是使用機(jī)械切割刀輪、金剛石及球形銑刀等對(duì)材料施加壓力，使刀輪或銑刀旋轉(zhuǎn)并沿著切割方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到切割的目的。在使用傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法對(duì)液晶玻璃進(jìn)行切割時(shí)，切割裂縫往往具有與刀具刀尖尺寸大小接近的裂縫寬度，且切割端面較為粗糙，沿切割路徑存在細(xì)小的微裂紋，通常在加工后還需要對(duì)其切割邊緣進(jìn)行打磨、拋光等二次處理。使用傳統(tǒng)的切割方法切割液晶保護(hù)玻璃，其切割的良品率較低，切割邊緣存在不同程度的毛刺，需要進(jìn)行二次打磨，切割效率第且磨損刀頭，加工成本較高。

玻璃是脆性材料的一種，脆性材料是在外力作用下（如拉伸、沖擊等）僅產(chǎn)生很小的變形即破壞斷裂的材料。在精密儀、電子產(chǎn)品及日常生活中，脆性材料如玻璃、陶瓷、硅片、藍(lán)寶石等有著非常廣泛的應(yīng)用。采用激光切割玻璃有三種方法，分別是：熔斷法切割、隱形切割（簡稱隱切）、激光成絲法。

熔斷法切割，是利用高能激光束沿著被切割玻璃的表面進(jìn)行定向掃描，在切割路徑上產(chǎn)生局部高溫，當(dāng)該溫度達(dá)到或超過玻璃的軟化點(diǎn)溫度，則會(huì)在玻璃的表面產(chǎn)生融化的溝槽，當(dāng)溝槽的深度較大時(shí)，對(duì)玻璃施加一定方向的外力便可以使其分離。而利用該方法分割玻璃也存在一定的缺陷，由于局部的溫度梯度較高，因此會(huì)產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力以及殘余應(yīng)力，同時(shí)在切割邊緣會(huì)產(chǎn)生大量的無規(guī)則微裂紋，且在其斷裂面上殘留有一定的熔融殘?jiān)匀恍枰獙?duì)切割邊緣進(jìn)行打磨、清洗等后續(xù)加工工序。其殘余應(yīng)力也使得二次加工良品率降低。

隱形切割，是將高能激光束聚焦到被切割玻璃的內(nèi)部進(jìn)行沿既定切割線進(jìn)行定向掃描，在切割路徑上產(chǎn)生局部高溫，當(dāng)該溫度達(dá)到或超過玻璃的汽化溫度，則使玻璃在其內(nèi)部產(chǎn)生汽化的溝槽，當(dāng)溝槽的深度足夠大時(shí)，對(duì)玻璃施加一定方向的外力便可以使其分離。因?yàn)?，材料的汽化溫度遠(yuǎn)高于其軟化點(diǎn)溫度，用于隱形切割的激光峰值功率遠(yuǎn)高于用于熔斷法切割的溫度。和熔斷法切割的玻璃一樣，在切割邊緣上也會(huì)產(chǎn)生大量的無規(guī)則微裂紋；但在切割斷裂面上沒有熔融殘?jiān)?，這一點(diǎn)，使這種方法在切割LED基底中獲得了廣泛的應(yīng)用和巨大的成功。

激光成絲法，是將高能激光束聚焦到玻璃上同時(shí)使在玻璃內(nèi)聚焦形成絲狀的聚焦光斑，這要求玻璃對(duì)激光束是透明的；這種方法對(duì)于薄玻璃可以進(jìn)行任意形狀的切割，同時(shí)，其斷裂面上粗糙度較好，基本上沒有微裂紋。

由于玻璃材料本身對(duì)一些波段的激光具有透射性，技術(shù)人員利用這一特性，不僅可以將激光聚焦在玻璃材料的上表面、還可以將激光聚焦在玻璃的下表面以及內(nèi)部，在該技術(shù)領(lǐng)域分別被稱為：正切、背切和隱切。正切會(huì)導(dǎo)致激光聚焦焦點(diǎn)處被熔融的雜質(zhì)在焦點(diǎn)附近彌散開來，這樣正好使這些雜質(zhì)進(jìn)入下一時(shí)刻要切割的玻璃表面和其上方空間，從而導(dǎo)致激光不能準(zhǔn)確的聚焦到下一時(shí)刻要切割的玻璃表面，為了解決這一問題，采用干凈的氣流來吹走這些雜質(zhì)。還有人利用玻璃材料本身對(duì)一些波段的激光具有透射率高這一特性提出采用背切的方法，有兩方面的好處：1、激光是通過玻璃材料本身在其表面聚焦的，因此，雜質(zhì)不可能影響聚焦的；2、通過合理的設(shè)置，可以讓雜質(zhì)在重力的作用下，大部分自由落下。隱切，顧名思義，在切割完之后，在表面上看不到切割的痕跡。也不乏將三種切割方式結(jié)合使用，如提出采用兩臺(tái)激光器對(duì)玻璃的上下表面進(jìn)行同時(shí)加工。一般情況下，單次切割在玻璃上或中形成的切割深度僅為幾十微米，而玻璃的厚度大致在0.3mm-2mm之間，因此，單次切割不可能直接將玻璃切割分裂開來，要將玻璃分裂開來有三種方法：一是合理的設(shè)置切割道，逐步調(diào)節(jié)激光束聚焦點(diǎn)在玻璃上的位置，逐層切割直到將玻璃完全切穿為止，這一方法適用于正切和背切，但這種方法極為耗時(shí)，極大地降低了生產(chǎn)效率。二是采用激光在玻璃中形成切割道之后，采用應(yīng)力的方法，如用激光束加熱該切割道引入熱機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)用噴射的流體冷卻介質(zhì)以便其隨后冷卻并增加熱機(jī)械應(yīng)力到高于該材料的破裂強(qiáng)度的一點(diǎn)，將其分開；三是采用精密設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，使激光束在玻璃中形成多個(gè)焦點(diǎn)，可以將這種方法與隱切相結(jié)合將激光束聚焦在玻璃材料的中間位置進(jìn)行隱形切割，并分步驟在玻璃材料的不同深度處形成多條隱形的切割道，可以在裂片時(shí)，有可能減少微裂紋，但如果一層一層地去切割，效率肯定不高；這時(shí)就可以采用多焦點(diǎn)的方法，在玻璃同時(shí)形成雙焦點(diǎn)或四焦點(diǎn)，這樣在切割時(shí)，就可以在玻璃內(nèi)部同時(shí)形成兩條或四條同時(shí)的切割道；如果覺得四條切割道還不夠，可以采用雙面多焦點(diǎn)的方法。但是之前的方法都不能以一個(gè)步驟就將玻璃快速切開，或者說是激光只在玻璃上跑一遍就將玻璃切開。在此基礎(chǔ)上，美國的費(fèi)拉瑟美國有限公司提出了一個(gè)激光成絲的想法，其基本理念是讓聚焦的激光束在很長的一段距離上形成細(xì)絲，同時(shí)在細(xì)絲中的激光峰值功率足夠強(qiáng)去切割玻璃材料。成絲有兩種機(jī)理，分別是：自聚焦和高斯-貝塞爾光束。但要實(shí)現(xiàn)這種切割需要高功率的超快激光器，這種激光器在近十年才在工業(yè)上逐漸被應(yīng)用。激光成絲法能實(shí)現(xiàn)在1mm左右的范圍，激光聚焦光斑變化不大，使激光切割玻璃真正實(shí)用化并取得巨大的成功。但作為真正實(shí)用的技術(shù)，極有可能是上述諸多方法中兩種或以上的組合，不應(yīng)僅僅局限于其中的一種。

隱切技術(shù)雖然在玻璃切割領(lǐng)域沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但隱切在另一種脆性材料作為生長LED基底的Al2O3，相對(duì)于采用激光進(jìn)行正切，隱切不會(huì)在LED基底的Al2O3表面形成熔融殘?jiān)@樣就可以省去去除熔融殘?jiān)牟襟E，同時(shí)提高了LED的發(fā)光效率，同時(shí)對(duì)切割面的要求沒有玻璃那么高，因此，激光隱切LED基底的Al2O3已經(jīng)成為LED廠商的標(biāo)準(zhǔn)工藝。激光成絲法，經(jīng)發(fā)展之后形成的高斯-貝塞爾光束聚焦法可以一次性切割小于0.7mm的玻璃和鋼化玻璃，這已經(jīng)可以滿足絕大部分移動(dòng)顯示設(shè)備廠商的切割需求，并已經(jīng)在移動(dòng)顯示設(shè)備廠商廣泛應(yīng)用；通過與其它技術(shù)相結(jié)合，國外廠商已經(jīng)可以一次性切割厚度為8mm的玻璃，而目前國內(nèi)廠商只能一次性切割厚度為3mm的玻璃。

雖然，隨高功率超快激光器的普及和價(jià)格的親民化，激光切割玻璃在工業(yè)上被越來越多的應(yīng)用，并由此產(chǎn)生數(shù)十億的年產(chǎn)值；但由于玻璃材料本身的復(fù)雜多樣性，激光切割玻璃領(lǐng)域還面臨很多挑戰(zhàn)，亟待解決。

作者簡介：

周勇，1981年5月，男，江蘇泰興人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器，激光加工技術(shù)，微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。