激光切割玻璃技術研究

周勇 孫宏

摘要：本文介紹了三種激光切割玻璃技術，并對在技術實踐中對這三種技術具體如何使用并技術演化進行了梳理，并對兩種技術的主要應用進行了介紹。

關鍵詞：玻璃；脆性材料；激光；切割

隨著近年移動顯示設備的飛速發展，越來越多的超薄玻璃被更廣泛的使用，對高強度超薄液晶保護玻璃進行高效率低成本高質量的切割加工是急需解決的一個問題。傳統的機械切割法是使用機械切割刀輪、金剛石及球形銑刀等對材料施加壓力，使刀輪或銑刀旋轉并沿著切割方向運動，進而達到切割的目的。在使用傳統的機械切割方法對液晶玻璃進行切割時，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，沿切割路徑存在細小的微裂紋，通常在加工后還需要對其切割邊緣進行打磨、拋光等二次處理。使用傳統的切割方法切割液晶保護玻璃，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）僅產生很小的變形即破壞斷裂的材料。在精密儀、電子產品及日常生活中，脆性材料如玻璃、陶瓷、硅片、藍寶石等有著非常廣泛的應用。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行定向掃描，在切割路徑上產生局部高溫，當該溫度達到或超過玻璃的軟化點溫度，則會在玻璃的表面產生融化的溝槽，當溝槽的深度較大時，對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，因此會產生較高的熱應力以及殘余應力，同時在切割邊緣會產生大量的無規則微裂紋，且在其斷裂面上殘留有一定的熔融殘渣，仍然需要對切割邊緣進行打磨、清洗等后續加工工序。其殘余應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部進行沿既定切割線進行定向掃描，在切割路徑上產生局部高溫，當該溫度達到或超過玻璃的汽化溫度，則使玻璃在其內部產生汽化的溝槽，當溝槽的深度足夠大時，對玻璃施加一定方向的外力便可以使其分離。因為，材料的汽化溫度遠高于其軟化點溫度，用于隱形切割的激光峰值功率遠高于用于熔斷法切割的溫度。和熔斷法切割的玻璃一樣，在切割邊緣上也會產生大量的無規則微裂紋；但在切割斷裂面上沒有熔融殘渣，這一點，使這種方法在切割LED基底中獲得了廣泛的應用和巨大的成功。

激光成絲法，是將高能激光束聚焦到玻璃上同時使在玻璃內聚焦形成絲狀的聚焦光斑，這要求玻璃對激光束是透明的；這種方法對于薄玻璃可以進行任意形狀的切割，同時，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一些波段的激光具有透射性，技術人員利用這一特性，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部，在該技術領域分別被稱為：正切、背切和隱切。正切會導致激光聚焦焦點處被熔融的雜質在焦點附近彌散開來，這樣正好使這些雜質進入下一時刻要切割的玻璃表面和其上方空間，從而導致激光不能準確的聚焦到下一時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。還有人利用玻璃材料本身對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，雜質不可能影響聚焦的；2、通過合理的設置，可以讓雜質在重力的作用下，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合使用，如提出采用兩臺激光器對玻璃的上下表面進行同時加工。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：一是合理的設置切割道，逐步調節激光束聚焦點在玻璃上的位置，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，極大地降低了生產效率。二是采用激光在玻璃中形成切割道之后，采用應力的方法，如用激光束加熱該切割道引入熱機械應力，同時用噴射的流體冷卻介質以便其隨后冷卻并增加熱機械應力到高于該材料的破裂強度的一點，將其分開；三是采用精密設計的光學系統，使激光束在玻璃中形成多個焦點，可以將這種方法與隱切相結合將激光束聚焦在玻璃材料的中間位置進行隱形切割，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，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；這時就可以采用多焦點的方法，在玻璃同時形成雙焦點或四焦點，這樣在切割時，就可以在玻璃內部同時形成兩條或四條同時的切割道；如果覺得四條切割道還不夠，可以采用雙面多焦點的方法。但是之前的方法都不能以一個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。在此基礎上，美國的費拉瑟美國有限公司提出了一個激光成絲的想法，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絲，同時在細絲中的激光峰值功率足夠強去切割玻璃材料。成絲有兩種機理，分別是：自聚焦和高斯-貝塞爾光束。但要實現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上逐漸被應用。激光成絲法能實現在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用化并取得巨大的成功。但作為真正實用的技術，極有可能是上述諸多方法中兩種或以上的組合，不應僅僅局限于其中的一種。

隱切技術雖然在玻璃切割領域沒有實現工業應用，但隱切在另一種脆性材料作為生長LED基底的Al2O3，相對于采用激光進行正切，隱切不會在LED基底的Al2O3表面形成熔融殘渣，這樣就可以省去去除熔融殘渣的步驟，同時提高了LED的發光效率，同時對切割面的要求沒有玻璃那么高，因此，激光隱切LED基底的Al2O3已經成為LED廠商的標準工藝。激光成絲法，經發展之后形成的高斯-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，這已經可以滿足絕大部分移動顯示設備廠商的切割需求，并已經在移動顯示設備廠商廣泛應用；通過與其它技術相結合，國外廠商已經可以一次性切割厚度為8mm的玻璃，而目前國內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格的親民化，激光切割玻璃在工業上被越來越多的應用，并由此產生數十億的年產值；但由于玻璃材料本身的復雜多樣性，激光切割玻璃領域還面臨很多挑戰，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，研究方向為全固態激光器，激光加工技術，微納結構的光學性質。