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1、激光切割蓝宝石玻璃成亮点2013-09-17 08:11:28 | 编辑： | 【小 中 大】【打印】【关闭】苹果公司在美国加州总部召开发布会，正式发布两款新iPhone，分别是是iPhone 5C和iPhone 5S。这与媒体此前曝光的消息完全一致。 自从iphone手机诞生以来，乔布斯将创新性的体验集成于智能手机中，这样才迎来了iphone手机在全球的热卖。但是随着乔布斯的趋势，苹果手机还能不能有大的创新一直是人们关注的焦点。通过11日iPhone 5C和iPhone 5S的发布会现场，我们已经感觉到苹果手机的创新正在逐渐减退，而“微创新”却成为其中的亮点。例如利用激光加工的蓝宝石玻璃就是
2、其中之一。 蓝宝石玻璃(SAPPHIRE CRYSTAL)一般是指人工合成的蓝宝石，与人们平常理解的珠宝天然蓝宝石有着很大的区别，一般用于腕表镜面的制造。它与钨钛合金和高科技陶瓷都是抗磨损的材料。这些材料虽能抗磨损，但却不能承受强力撞击，同时一些硬度相同或更高的物质(例如：磨石，砂纸，指甲挫，花岗石面，混凝土墙面及地面等)都有可能会刮花这些材料的表面。 激光切割蓝宝石玻璃成亮点 业内分析人士认为，苹果此次在硬件上的创新或低于预期，“微创新”将是一大特色，显示出高端智能机的发展已遭遇瓶颈。由于有中移动的加入，iPhone5C的销量将得到一定保证。 整体低于预期 据悉，苹果在此次发布会上将推出四款
3、硬件产品，分别为iPhone5S、iPhone5C（即之前传言的廉价版）、MP3播放器shuffle和笔记本电脑Macbook Pro，另外还有新的操作系统IOS7。 两款苹果手机自然会是最大的亮点。和以往苹果的大刀阔斧不同，此次iPhone5S的创新程度再度被缩小。iPhone5曾经使用的in-cell显示屏，被誉为一次技术革命。但此次苹果在触控上并未有技术升级，仅仅是处理器和摄像头“例行公事”般提升性能。 此次iPhone5S的硬件创新将主要集中在home键上。据了解iPhone5S的home键将使用新型材料“蓝宝石”。蓝宝石作为玻璃的替代，目前制造成本相当高昂。供应链人士透露，若将蓝宝石
4、材料做成iPhone手机屏幕大小，成本将是康宁大猩猩玻璃的四倍以上，且该项技术在中大尺寸玻璃上难以实现，目前仅能用在小尺寸领域。分析人士认为，苹果此次使用蓝宝石材料，主要是为了显示其高档的定位。为了配备这一主题，苹果甚至为home按键打造了一个蓝色光圈。 iPhone5C则是另一个焦点。低价、多款色彩，显示了苹果的手机战略已经发生了巨大变化。早在今年五月，供应链人士即向中国证券报记者表示存在这款产品，由于采用塑胶机壳，市场曾认为这将给国内供应链带来了一些机会。但据了解，由于苹果对塑胶机壳同样有较高要求，中国大陆基本没有厂商有能力做配套。据悉，iPhone5C的售价将在3000元左右，定位中端。
5、 分析人士认为，此次苹果新品在技术创新上低于预期。作为高端产品标杆的苹果创新脚步进一步放缓，也显示出高端智能手机的创新遭遇到一定的瓶颈。 微创新下的小机会 尽管苹果的新品整体上进步不多，但产品的“微创新”仍有可能对产业以及上市公司构成一定影响。 首先home键使用蓝宝石材料预示着材料领域技术提速。之前iPhone只在摄像头领域用到蓝宝石材料，此次将蓝宝石材料做到home键大小已属创新。尽管一块home键大小的蓝宝石售价在5元钱左右，若以iPhone当前的全球销售规模测算，这将给蓝宝石材料带来5亿元的新市场。 另外苹果将在iPhone5S的home键中集成指纹识别功能。分析人士认为指纹识别在新一
6、轮手机更新换代中将占有重要位置。这种将生物科技集成到手机的技术，将个人安全验证在移动互联网领域开创了全新的模式。 激光技术应用于蓝宝石玻璃加工 玻璃，蓝宝石和陶瓷是普遍应用于微加工技术和精细加工的材料。然而，它们给传统的制造工艺带来了越来越多的挑战，这种挑战也给强大的超短脉冲激光器赢得了更多机会。 这些材料优质的属性对很多产品来说是不可或缺的：玻璃用来制作智能手机的显示屏，显示屏有着钢化的外壳 ；陶瓷坚硬，化学性质稳定，可用来制作电子零部件和电路基板，以及电气绝缘体。蓝宝石极其坚硬，耐划伤，适合用于半导体和 LED 技术。但玻璃、 陶瓷、 和蓝宝石有个共同点就是很难加工。由于它们易碎而且都是非
7、常坚硬的材料，他们挑战着铣、 钻、 磨等传统制造工艺的极限。加工这些材料时刀具磨损快，并且需要好几个加工环节才能得到足够好的加工质量。 1、在坚硬、易碎的材料上使用激光光束 激光光束在坚硬、易碎的材料特别能展现出良好的效果。它们不会磨损且能聚焦到最小直径。扫描振镜能灵活定位光束，能几乎满足各种形状轮廓的加工需要。超短脉冲激光器（图1）特别适合加工易碎的材料。对于小于10皮秒的激光脉冲，在热传导到周边的材料上之前，被加工区域的材料已经汽化了。只要激光参数精确调整到和应用相匹配，那么就不需返工。 图1：为了将超短脉冲激光的卓越特性应用到高生产率要求的工业制造中， 通快按比例增加了皮秒激光光器Tru
8、Micro 5000的输出功率。 对可见光以及近红外的光谱范围内的光来说，很多像玻璃这样的宽带隙电介质是透光的。然而，高强度的皮秒脉冲能通过多光子电离产生自由电子。大量连续的电离进一步释放电荷载体，这些电荷载体能够破坏材料中的化学键，最终达到烧蚀材料的目的。 2、低热输入避免产生裂缝 当加工易碎材料时，避免产生小裂缝是经常要遇到的挑战，这些小裂缝会削弱零部件的强度。产生裂缝的一个原因是过度的热量进入了零部件。热量导致材料膨胀，加快了裂缝的生成。适当的加工策略可以防止小裂纹的形成。这其中就包括精准定义加工参数，如脉冲能量、 脉冲重叠度、 重复频率、 焦点直径和激光加工次数。最佳工作点取决于材料、
9、 加工形状、加工时间和质量的要求，并通过应验试验加以确认。位于德国南部Ditizingen的Trumpf公司和德国西部 Aachen的Fraunhofer激光技术研究所开展联合研究，发展了优化激光加工脆性材料效果的理论基础。 不同标准可用来评估质量：零部件的弯曲强度（用来测量材料的断裂强度，裂缝会使断裂强度降低）、切割边缘粗糙度以及边缘视觉效果。切割边缘的情况可以通过光学显微镜以及借助扫描电子显微镜来测量。（图二） 图2：激光加工的蓝宝石微结构的扫描电镜图像 测量零部件弯曲强度的普通方法是四点折弯测试(cf. DIN EN 843-5)。用两根圆柱对一定加工轮廓的实验样品进行支撑和定位。另外两
10、个圆柱以既定速度对样件不断加力，直到它被折断。破坏时间点的压力被测量，断裂强度可以通过零部件的形状以兆帕为单位计算得出。尽管小裂缝的产生以及它们对断裂强度的影响会因不同的零部件而异，但是可以通过Weibull统计法来说明。通常来说，选取10-15个被加工样件来进行四点折弯测试。图4是使用通快超短脉冲激光器切割的手机玻璃显示面板（Corning Eagle XG）Weibull分布图。10%的断裂可能性发生点可作为零部件的弯曲强度的特性值。不同的加工方法可通过这种方式进行比较。 图3：使用皮秒激光器切割玻璃 图4：使用通快超短脉冲激光器切割的手机玻璃显示面板（Corning Eagle XG）威
11、布尔分布图。 零部件抗折强度的特性值所对应的破坏率为10 % 。 3、加工强化玻璃 智能手机的兴起加大了显示屏的重要性。智能触摸显示屏（触摸屏）已经超越了手机键盘成为最主要的用户界面。典型的智能手机包括四块玻璃平板：两块在显示屏上，容纳薄膜晶体管和液晶材料；一块提供触摸功能；还有一块化学钢化玻璃盖板保护底层免于划伤，冲击损伤和脏物。由于用户想要轻便、纤薄的智能手机，更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃显示面板为0.3毫米厚；化学钢化玻璃盖板0.7毫米厚。这使得传统的切割工艺达到了极限。切削轮子已经不适合加工这种玻璃，因为他们都经过特殊的化学强化处理，而铣削加工则需要大量研磨和抛光上的返工工作。 红
12、外和绿光波长的超短脉冲激光器正好可用于这种材料的加工。皮秒脉冲能减少裂缝的产生，切割质量远远超过普通的铣削加工。激光光束多次扫过被加工材料来实现切割。速度，边缘质量和边缘的角度可以由加工策略来决定。相对于其他的激光工艺，烧蚀工艺更稳妥：例如，轻微变形的玻璃并不影响加工结果。在测试中，使用绿光皮秒激光器，Corning Eagle XG的弯曲强度达280兆帕。使用红外皮秒激光器的测试结果表明速度增加三倍，边缘的弯曲强度略低。 更强大的皮秒激光器使我们有更大的机会来提高加工玻璃的效率。我们比较钢材和玻璃的烧蚀速度以及加工效率时这种机会尤为明显。（图5）由于等离子体屏蔽的原因，钢材的烧蚀效率在5 J
13、/cm2的脉冲能量密度时开始降低，而玻璃允许更高的脉冲能量密度，直到加工效率达到最高。因此当加工玻璃时，更高的脉冲能量可以转化为更高的烧蚀效率。 图5：上图：钢材的烧蚀速度开始从5 J/cm2的流量下降；下图：玻璃的烧蚀速度没有 从更高的流量密度降低。因此，更高的脉冲能量能提高加工的效率 当考虑进一步降低玻璃的重量和厚度时，人们可能会使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃处理起来更微妙，对于机械加工也更敏感。事实上，这样的玻璃不用激光来加工已经是不可能了。 4、适用于任何棘手情况的蓝宝石 蓝宝石是地球上仅次于钻石第二坚硬的材料，很难使用机械的方法来加工。使用激光器来切割蓝宝石是当今LED制造业的标准加
14、工方法，蓝宝石在这里用作基板衬底。由于其抗划伤性和透光性，蓝宝石会用来生产手表和光学仪器的保护镜面。 当加工细小的轮廓时，超短脉冲激光器可以实现精准的加工。例如当切割圆形部件和钻微孔时，柔性的轮廓加工可以通过高速扫描器来实现。超短脉冲除去了加工时的热影响，从而产生极好的切割边缘质量。图 6 显示了 0.4 毫米厚的圆形、 正方形和三角形轮廓，使用 TruMicro 5070 红外皮秒激光切从蓝宝石上切割下来。最小轮廓尺寸是0.2毫米。与超短脉冲相结合的智能加工方式可以避免形成缺口及开裂。经验表明100微焦左右的脉冲能量是最佳的。例如，将脉冲能量为250微焦的激光光束分成两个125 微焦的独立激
15、光光束同时加工两个零部件就可以获得更高的产量。卓越的加工质量取决于加工方法、 除尘和工件夹具之间的适宜的配合。 图6：圆形，正方形和三角形轮廓，0.4毫米厚，使用红外皮秒激光器TruMicro 5070 从蓝宝石上切割下来 5、陶瓷-耐磨、耐高温 工程陶瓷经常会用于暴露在高温或要求耐磨损的零部件上。在许多应用中，对材料的电绝缘性要求很高。例如，工程陶瓷用于汽车行业中传感器芯片的PCB材料，用于油泵的耐磨损贮存材料，或用于食品行业中喷嘴材料。最常见的工程陶瓷材料有氧化铝，氮化铝和氧化锆。 激光非常适合在薄陶瓷上钻孔，切割或者结构处理。例如，使用红外超短脉冲激光器可以以高达10毫米/秒的速度切割0
16、.3毫米厚的氧化锆板。超短脉冲可产生平滑，无裂纹的切割边缘。 鉴于超短脉冲激光锐利的聚焦特性，他们非常适用于打孔：能在0.5 毫米厚的氧化铝和氮化铝陶瓷上钻出直径为60微米的孔（图7，8，9）。打孔速度可达每秒20个孔。在划片-裂片的工艺中，激光切割到材料的三分之一厚度，然后用机械方式裂片，速度可达50毫米/秒。 图7：激光钻孔氧化铝陶瓷薄片 图8：氮化铝，厚度： 500m，内径： 60m 图9：在氧化铝上激光切割 6、高效，高功率的激光光源 在达到加工质量要求的前提下，产能是工业制造中的一个决定性的变量。为了将超短脉冲激光的卓越特性应用到高生产率要求的工业制造中，通快按比例增加了皮秒激光光器TruMicro 5000的输出功率。新型TruMicro 5070和TruMicro 5270分别是功率100瓦红光和60瓦绿光皮秒激光器，脉宽在10皮秒之内。基于碟片式的激光功率放大技术，可以减少激光在介质中的热透镜效应，获得好的光束质量和更高的激光功率。 由于所有通快超短脉冲激光器都有双级功率调节特点，加工效果在各种情况下都可重复实现。放大器外的外部调节模块会调整脉冲能量和频率，这确保了光束特性不会受激光参数的变化的影响。
