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1、超快激光精微加工在显示面板行业的应用,1,目录,技术背景在硬脆材料中的激光加工应用介绍手机显示面板的激光加工多种加工方法对比超快脉冲激光加工原理手机全面屏激光切割解决方案应用实例,2,指南针,造纸术,火药,印刷术,中国古代四大发明,中国古代四大发明与二十世纪四大发明,技术背景,半导体,原子能,计算机,激光器,二十世纪四大发明,VS,技术背景发展历史,4,工业激光,军用激光,医疗激光,娱乐激光,农业激光,技术背景主要应用,能 量激 光产 业,5,在硬脆材料中的激光加工应用介绍,玻璃加工：仪表面板、显示面板；蓝宝石加工：手表、耐磨屏幕；陶瓷加工：电子零部件和电路基板，半导体行业；,6,材料性能优异
2、：材料强度大、硬度高，化学性质稳定。加工难度大：易碎、坚硬、耐磨，传统方法很难加工。超快激光的机遇：适合对玻璃，蓝宝石和陶瓷进行精微加工。,玻璃，蓝宝石和陶瓷,7,超快脉冲激光加工原理,飞秒激光的特性飞秒激光与物质相互作用飞秒激光的作用加工原理裂片方式：机械裂片、超声波裂片、CO2激光加热裂片；,8,峰值功率极高：1015W,脉冲短：1015 s,目前获得最短脉冲的技术手段光也只能走0.3微米,聚焦光斑小：m量级,比全世界发电总功率还大,聚焦功率密度大：10201022W/cm2,电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍,精确的靶向聚焦,飞秒激光的特性,9,材料光学击穿的五个主要过程
3、,1.通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；2.导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；3.等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格。4.晶格被加热，物质融化和升华。5.物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒微秒脉冲：光脉冲与物质作用过程包含15皮秒纳秒脉冲：光脉冲与物质作用过程包含14飞秒 光脉冲与物质作用过程包含13,10,激光与材料相互作用过程,光能,不透明材料,透明材料,线性吸收,多光子电离、雪崩电离,激发态电子,材料性质变化：折射率、形态变化,11,物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，由于功率密度极强，气态的物质、液态的物
4、质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。由于产生了极强的电场强度（甚至高于氢原子5x109V/cm),可以对电子加速到极高速度。,飞秒激光与物质的相互作用,12,飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具；科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用；飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。,飞秒激光的作用,13,超快脉冲激光加工原理,通常的长脉冲激光，如脉宽为微秒、纳秒的激光微加工，其原理是基于材料中的电子共振线性吸收获得的能量，将材料逐步熔化、蒸发移除。由于
5、激光脉冲持续时间较长，远大于材料热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的体积会被熔化，使得加工区域边缘不清晰，加工精度有限。超快激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。极大地避免了热融化的存在，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响，超快激光微加工和材料相互作用的时间很短，使得能量以等离子体的形式被迅速带走，热量来不及在材料内部扩散，热影响区非常小，不会产生重铸层，属于冷加工，呈现锐利的加工边缘，加工精度高。,14,长脉冲,超短脉冲与长脉冲比较：热影响极小
6、，几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。,超快脉冲激光加工原理超短脉冲和长脉冲加工对比,短脉冲,15,长脉冲激光（纳秒激光）,窄脉冲激光（皮秒、飞秒激光）,超快脉冲激光加工原理超短脉冲和长脉冲加工对比,16,超快脉冲激光加工独特现象“冷消融”,使用皮秒或飞秒超快激光器，产生的超短脉冲聚焦于玻璃的表面，每平方厘米的功率密度超过数太瓦，引发复杂多样的工艺，如同时多光子吸收、雪崩和碰撞电离，造成对玻璃基质高度局域化的破坏，同时几乎不存在能量沉积。由于每次脉冲所用能量极其适度，对该部位（甚至是聚焦体积）造成的热影
7、响可以忽略不计。这一方法通常被称为“冷消融”，可以用来制造极为精确的3D结构。和其他微制造技术相比，飞秒激光微制造透明材料具有独特优势。,17,加工材料广，几乎可精密加工任何材料,飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收而非共振吸收，这就形成加工过程具有确定而依赖于材料中的原子特性的阈值特性。加工对象无材料选择性。飞秒激光可以精密微细加工玻璃、陶瓷、各种电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织。,18,超快激光精微加工系统结构原理简图,19,对玻璃进行激光加工对比示例。,用纳秒激光器加工（左图）,用近红外飞秒激光器加工（右图）,20,手机显示面板的激
8、光加工,TP玻璃基板硬屏切割；偏光片切割；盖板玻璃切割；电路蚀刻；OLED柔性屏的切割、剥离、修复；,21,22,手机采用触摸屏作为用户操作界面触摸屏使用多块玻璃来分别实现显示、触控、保护盖板等功能,手机触摸显示屏,手机显示面板的激光加工,手机显示屏结构简介,偏光片,C/F玻璃（彩色滤光板）,L/C液晶,TFT（玻璃）,偏光片,背光源,LED手机显示屏结构示意图,23,手机显示屏结构简介,偏光片,Encap(玻璃),有机自发光屏,TFT（玻璃）,OLED手机显示屏结构示意图,无需背光模组,24,手机显示屏幕的更新迭代，科技发展的直观展示,1990,1995,2000,2005,2010,201
9、5,屏幕变大,体积变小,25,全面屏发展趋势,屏占比变大,26,全面屏显示效果比较,中间为全面屏,27,U型,R型,C型,全面屏玻璃切割技术要求,28,玻璃切割的方法,一、机械切割：利用玻璃的抗张应力低的力学性能，采用金刚石或金刚砂在表面施以伤痕，受力部位由于受到张应力而切断的方法。首先用金刚石刀尖或硬质合金砂轮或高硬度金属轮，在玻璃的表面划出一条刻痕，再采用机械手段将玻璃沿着刻痕线分割开。用砂轮或机械轮在玻璃上进行刻划的过程中，产生沿着切割方向的切向张力，从而可使玻璃沿着划痕裂开。这种方法切割的结果是：边缘不平滑、有微小裂痕，材料上残存不对称边缘应力及残留碎屑等。二、火焰切割：利用煤气或其他
10、热源，将玻璃上确定的部位，边进行局部熔融边切断的方法。或用金刚石或超硬合金在玻璃上造成伤痕，再向受伤部位加热，使裂纹扩展而断裂。三、水刀切割：运用流体力学的原理，以高压的方式，让水从一个小喷头高速射出，利用这种高速射流的力量来切割。四、激光切割：采用激光加工设备，利用激光的高能量密度，使工件熔化或汽化，同时通过多轴联动的工作台来完成平面或三维工件的加工。原理上可分两种方法：一种是熔融（蒸发）切割法，另一种是裂纹控制法。,29,机械切割,成本低，易操作，良品率高，切割厚度大，切口光滑，机械强度高。,只能切直线，不能切异形，易碎，切口需要抛光。,30,火焰切割,成本低、易操作,热变形大，不精密,3
11、1,水刀切割,成本低，易操作，良品率高，切割厚度大，切口光滑，无熔渣，无需二次加工,污染大，冲击力大，噪音大，不适合切割薄片。,32,激光切割-加工强度高，精度高，边缘效果好，无残渣，自动化程度高,33,熔融（蒸发）切割法,裂纹控制法,激光切割替代传统玻璃切割技术,传统玻璃切割技术采用金刚石或合金在玻璃上划出微槽，在微槽两侧施加外力使玻璃向厚度方向延展，形成纵向裂缝来实现切断，能满足传统玻璃的加工要求。随着信息显示行业推动新型玻璃的进步，向轻薄化和优秀抗损性能的方向发展。特别是硬化玻璃的广泛应用，传统切割技术的优化空间开始趋窄，为达到高精度切割，通常需增加研磨和抛光的额外工作量，降低了生产效率
12、，因此显示行业对玻璃切割精度、效率和内损伤的综合性能提出更高要求。激光切割能很好地满足切割轻薄、硬化玻璃、异形玻璃的切割要求，具有加工强度高，精度高，边缘效果好，无残渣，自动化程度高的特点。,34,玻璃的吸光特性,激光切割效果与材料对波长的吸收深度有关系，吸光深度分为表面吸收和体吸收。在图中所示的铝硅酸盐玻璃的吸收光谱中，对1064nm波长的光透过率92.1%，因此激光切割铝硅酸盐玻璃，必须利用材料的体吸收。,35,激光加工玻璃原理,玻璃属于宽带隙电介质材料，超快激光具有极高的峰值功率密度，可诱导其自身进行多光子吸收的能力。实现高质量的微加工。,超快激光通过透镜聚焦获得m级光束，高峰值功率密度
13、的光束作用在玻璃材料上时，光束中心光强比边缘低，带来材料中心折射率比边缘变化大，光束出现非线性光学克尔效应来产生自聚焦。在实际切割玻璃中，优化聚焦系统及焦距，可实现重复性聚焦/散焦过程，形成稳定穿孔。,光束克尔效应引起的光束自聚焦示意图,自聚焦现象形成高能量密度自传输通道，称之为“成丝”,36,手机全面屏激光切割解决方案,系统方案：超快激光器+成丝切割头+裂片机构超快激光器高重频、高平均功率：100-300K，30-50W 国外方案、成本较高；低重频、低平均功率：25-100K，小于20W 先河方案、质优价低；成丝切割头贝塞尔光束+聚焦高斯光束+聚焦裂片方式CO2加热裂片：CO2激光玻璃表面划
14、线加热裂片的方式。机械裂片：由接触头夹住需要进行裂片的工件，在机械力以及机械位移的共同作用下，完成裂片的动作。超声波+机械裂片：将裂片接触头与超声波振动棒相连，被加工件由带真空吸附的平台，夹持，由接触头夹住需要进行裂片的工件，在机械力、超声波力以及机械位移的共同作用下，完成裂片的动作。裂片效果较佳。,37,贝塞尔光束与高斯光束的区别,高斯光束通过轴锥（棱）镜产生贝塞尔光束,高斯光束（虚线）与贝塞尔光束（实线）的光强分布,输入高斯光束,输出零阶贝塞尔光束,38,贝塞尔光束的传输特性,1）存在一个宽度很窄的中心光斑，能在很长的距离Zmax内基本保持不变（与同样尺寸的高斯光束相比）；2）有许多旁瓣，构成环状结构；3）在很大范围Zmax内环状结构的尺度不变；4）在范围Zmax内强度分布可控制；5）具有高度的方向性；6）在距离Zmax之后是环状光束。贝塞尔光束的优点是有较大的焦深，但是以牺牲能量利用率为代价的。,39,全面屏切割样品,应用实例,40,应用实例,41,感谢 THANKS,42,
