本文刊登於(yu) 《激光製造商情》2014年10月刊

       藍寶石是目前應用廣泛的一種材料，其同時具有耐劃傷(shang) 、耐衝(chong) 擊與(yu) 柔性的各種性能。藍寶石長期以來用於(yu) 製作手表保護玻璃或相機鏡頭的防護玻璃罩和濾光玻璃，現在其也越來越多地應用於(yu) 製作手機屏幕。藍寶石玻璃由無色的合成剛玉板（即采用熔融氧化鋁生產(chan) 的多種礦物質）構成。事實上，嚴(yan) 格說來藍寶石並不是一種玻璃，因其並不具備玻璃質的無定形結構，而是一種晶體(ti) 結構。由於(yu) 其莫氏硬度為(wei) 9，藍寶石在所有透明材料中硬度排名第二，僅(jin) 次於(yu) 鑽石。

       由於(yu) 藍寶石獨有的特性，與(yu) 通常用於(yu) 顯示器行業(ye) 的化學強化玻璃相比，更具優(you) 勢。藍寶石材料硬度高但易碎，因此隻有借助先進的激光加工技術,才可有效地應用於(yu) 批量生產(chan) 。為(wei) 此,來自於(yu) 德國羅伊特林根的高科技設備製造商Manz集團根據客戶需求已經成功研發出兩(liang) 種獨特的工藝流程，這兩(liang) 項工藝各自優(you) 勢在於(yu) ：采用微秒級短脈衝(chong) 激光器的“熱”激光束切割;采用超短脈衝(chong) “冷”激光加工法(所謂超短脈衝(chong) 激光器的脈衝(chong) 持續時間隻有幾個(ge) 皮秒)。“冷”激光加工能夠提供更好的斷麵質量，但是它們(men) 通常比用於(yu) 熱激光切割藍寶石、能夠產(chan) 生高達300W的平均輸出功率的光纖激光器更昂貴。

       說明：用激光束切割脆性材料時，材料會(hui) 在相互作用區域內(nei) 熔化，需借助工藝氣體(ti) 從(cong) 切邊移除。

無微裂紋，無崩邊

       “熱”激光切割適用於(yu) 切割蓋板玻璃的外輪廓和內(nei) 輪廓，比如用於(yu) 安裝相機、LED或揚聲器的孔。通常情況下，玻璃基底厚度不超過1毫米，切割後經過拋光減薄，最終厚度在600-800微米之間。在這種情況下，切割就是一種熔化的過程：通過將能量傳(chuan) 遞到接觸麵的方式來熔化加工材料，在相對高壓氣體(ti) 的作用下，熔體(ti) 從(cong) 相互作用區吹出來。如此一來，在切邊上不會(hui) 有熔體(ti) 殘留，再次冷卻固化而損害切邊質量。使用“熱”激光工藝加工藍寶石時，藍寶石不會(hui) 產(chan) 生微裂紋或崩邊。該法提高了藍寶石切割的強度和耐彎性。

       使用“熱”切割工藝時，可以使用多種惰性氣體(ti) ：這樣，就可以隔絕氧氣，從(cong) 而對邊緣性質產(chan) 生積極的影響。根據客戶需求，可以靈活配置脈衝(chong) 寬度、氣體(ti) 、壓力、速度以及工藝重複（即“加工”的次數）等參數。雖然切割的結果會(hui) 有所不同，但切邊有一個(ge) 共同點：它們(men) 都呈90度直角。

        Manz集團研發出的激光係統可最多同時使用四個(ge) 激光，因此可同時處理四個(ge) 基底——最大切割速度達每秒50毫米。這種並行運行模式顯著了提高了實際的激光操作時間，與(yu) 其他係統相比，采用這種模式的Manz係統的生產(chan) 量更高。激光頭和基底沿垂直方形配合移動，從(cong) 而能夠切割各種二維幾何形狀。

說明：一個(ge) 激光係統采用多個(ge) 激光頭，因此，能夠達到最大的生產(chan) 效率，優(you) 化了操作時間。

可獲得白色斷麵的超短脈激光

       使用皮秒級激光對藍寶石玻璃進行“冷”加工時，所切割的材料不是被熔化而是被氣化了。由於(yu) 脈衝(chong) 持續時間非常短，產(chan) 生的脈衝(chong) 峰值能量非常高，才使得氣化得以實現。激光切割頭采用永久式安裝，不再沿線性軸移動。激光束通過高速振鏡轉移。除此之外，皮秒級激光不再以光纖傳(chuan) 輸，而是利用反射鏡片進行自由光路傳(chuan) 輸。

       與(yu) 采用熱激光光束相比,采用皮秒級激光的“冷”加工方法，可獲得更高的切邊質量，同時邊緣的粗糙度更低。盡管熱切割的產(chan) 量可能更高，但為(wei) 了滿足質量要求，必要時仍需對其產(chan) 生的黑色斷麵進行費力的打磨。這正是皮秒級激光器的主要優(you) 勢所在：盡管其加工速度在一定程度上低於(yu) “熱”激光束切割的速度，但能直接提高白色切邊的質量，並降低其粗糙度。由此，之後的打磨將變得為(wei) 輕鬆了（如果有必要打磨的話）。雖然皮秒級激光器的購置成本比光纖激光器更高,但是除了能夠得到更好的邊緣質量，這種超短脈衝(chong) 激光器還具有更多其他優(you) 勢，這些優(you) 勢更證明了它的物超所值：微秒級激光器加工的切割麵有一個(ge) 傾(qing) 斜麵或“錐度”，一般不超過10度。這提高了顯示屏幕的強度。利用高斯強度分布，可輕鬆從(cong) 邊緣上移除的強度不同的材料。

       客戶所期望的、能夠提高顯示屏強度的另一種技術要求是對接觸麵進行的倒角處理——對斷麵進行的局部倒角處理，如以45度角削掉30-50毫米（深度）的材料。同樣，隻有皮秒級激光器才能實現這種倒角處理——由工藝參數設置而定。即便有鍍膜的藍寶石基底，皮秒級激光器仍能對其進行切割，因為(wei) 這皮秒級激光器隻會(hui) 對表麵造成極小的損傷(shang) 。采用“熱”切割工藝對帶有鍍膜的材料進行幹淨利落的切割是不可行的，因為(wei) 表麵會(hui) 被熔化，膜層也會(hui) 因此受損。

       長期以來，如何采用藍寶石基底來製作智能手機的防護蓋板,一直是困擾業(ye) 界的一大技術難題。而現在,Manz集團向客戶提供了兩(liang) 種而不是一種可能的激光工藝,在解決(jue) 這一技術難題的同時,更能為(wei) 客戶實現生產(chan) 成本的降低。客戶可以從(cong) 中選擇更合適的工藝來滿足生產(chan) 過程中特定需求，以達到他們(men) 的預期——這也是Manz集團的工程師們(men) 致力於(yu) 為(wei) 客戶解決(jue) 的問題。

說明：根據所選擇的工藝，您既可以選擇質量更好的白色切邊，也可以選擇質量稍低的黑色切邊進行激光切割。

作者：

Dmitrij Walter博士，Manz AG

Dmitrij Walter 博士是位於(yu) 德國羅伊特林根市的Manz AG激光與(yu) 光學器件研發部的主管。他在斯圖加特大學射線工具研究院獲得激光工藝研發博士學位。

Branislav Urban，Manz AG

Branislav Urban在Walter博士的研發小組裏擔任工藝工程師，專(zhuan) 攻激光消融、鑽孔和切割領域。他是一位電氣工程師，持有斯洛伐克特倫(lun) 頓大學的學位證書(shu) 。

 聯係人:  Dr. Dmitrij Walter，Manz AG