激光切割玻璃技术研究

周勇 孙宏

摘要：本文介绍了三种激光切割玻璃技术，并对在技术实践中对这三种技术具体如何使用并技术演化进行了梳理，并对两种技术的主要应用进行了介绍。

关键词：玻璃；脆性材料；激光；切割

随着近年移动显示设备的飞速发展，越来越多的超薄玻璃被更广泛的使用，对高强度超薄液晶保护玻璃进行高效率低成本高质量的切割加工是急需解决的一个问题。传统的机械切割法是使用机械切割刀轮、金刚石及球形铣刀等对材料施加压力，使刀轮或铣刀旋转并沿着切割方向运动，进而达到切割的目的。在使用传统的机械切割方法对液晶玻璃进行切割时，切割裂缝往往具有与刀具刀尖尺寸大小接近的裂缝宽度，且切割端面较为粗糙，沿切割路径存在细小的微裂纹，通常在加工后还需要对其切割边缘进行打磨、抛光等二次处理。使用传统的切割方法切割液晶保护玻璃，其切割的良品率较低，切割边缘存在不同程度的毛刺，需要进行二次打磨，切割效率第且磨损刀头，加工成本较高。

玻璃是脆性材料的一种，脆性材料是在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即破坏断裂的材料。在精密仪、电子产品及日常生活中，脆性材料如玻璃、陶瓷、硅片、蓝宝石等有着非常广泛的应用。采用激光切割玻璃有三种方法，分别是：熔断法切割、隐形切割（简称隐切）、激光成丝法。

熔斷法切割，是利用高能激光束沿着被切割玻璃的表面进行定向扫描，在切割路径上产生局部高温，当该温度达到或超过玻璃的软化点温度，则会在玻璃的表面产生融化的沟槽，当沟槽的深度较大时，对玻璃施加一定方向的外力便可以使其分离。而利用该方法分割玻璃也存在一定的缺陷，由于局部的温度梯度较高，因此会产生较高的热应力以及残余应力，同时在切割边缘会产生大量的无规则微裂纹，且在其断裂面上残留有一定的熔融残渣，仍然需要对切割边缘进行打磨、清洗等后续加工工序。其残余应力也使得二次加工良品率降低。

隐形切割，是将高能激光束聚焦到被切割玻璃的内部进行沿既定切割线进行定向扫描，在切割路径上产生局部高温，当该温度达到或超过玻璃的汽化温度，则使玻璃在其内部产生汽化的沟槽，当沟槽的深度足够大时，对玻璃施加一定方向的外力便可以使其分离。因为，材料的汽化温度远高于其软化点温度，用于隐形切割的激光峰值功率远高于用于熔断法切割的温度。和熔断法切割的玻璃一样，在切割边缘上也会产生大量的无规则微裂纹；但在切割断裂面上没有熔融残渣，这一点，使这种方法在切割LED基底中获得了广泛的应用和巨大的成功。

激光成丝法，是将高能激光束聚焦到玻璃上同时使在玻璃内聚焦形成丝状的聚焦光斑，这要求玻璃对激光束是透明的；这种方法对于薄玻璃可以进行任意形状的切割，同时，其断裂面上粗糙度较好，基本上没有微裂纹。

由于玻璃材料本身对一些波段的激光具有透射性，技术人员利用这一特性，不仅可以将激光聚焦在玻璃材料的上表面、还可以将激光聚焦在玻璃的下表面以及内部，在该技术领域分别被称为：正切、背切和隐切。正切会导致激光聚焦焦点处被熔融的杂质在焦点附近弥散开来，这样正好使这些杂质进入下一时刻要切割的玻璃表面和其上方空间，从而导致激光不能准确的聚焦到下一时刻要切割的玻璃表面，为了解决这一问题，采用干净的气流来吹走这些杂质。还有人利用玻璃材料本身对一些波段的激光具有透射率高这一特性提出采用背切的方法，有两方面的好处：1、激光是通过玻璃材料本身在其表面聚焦的，因此，杂质不可能影响聚焦的；2、通过合理的设置，可以让杂质在重力的作用下，大部分自由落下。隐切，顾名思义，在切割完之后，在表面上看不到切割的痕迹。也不乏将三种切割方式结合使用，如提出采用两台激光器对玻璃的上下表面进行同时加工。一般情况下，单次切割在玻璃上或中形成的切割深度仅为几十微米，而玻璃的厚度大致在0.3mm-2mm之间，因此，单次切割不可能直接将玻璃切割分裂开来，要将玻璃分裂开来有三种方法：一是合理的设置切割道，逐步调节激光束聚焦点在玻璃上的位置，逐层切割直到将玻璃完全切穿为止，这一方法适用于正切和背切，但这种方法极为耗时，极大地降低了生产效率。二是采用激光在玻璃中形成切割道之后，采用应力的方法，如用激光束加热该切割道引入热机械应力，同时用喷射的流体冷却介质以便其随后冷却并增加热机械应力到高于该材料的破裂强度的一点，将其分开；三是采用精密设计的光学系统，使激光束在玻璃中形成多个焦点，可以将这种方法与隐切相结合将激光束聚焦在玻璃材料的中间位置进行隐形切割，并分步骤在玻璃材料的不同深度处形成多条隐形的切割道，可以在裂片时，有可能减少微裂纹，但如果一层一层地去切割，效率肯定不高；这时就可以采用多焦点的方法，在玻璃同时形成双焦点或四焦点，这样在切割时，就可以在玻璃内部同时形成两条或四条同时的切割道；如果觉得四条切割道还不够，可以采用双面多焦点的方法。但是之前的方法都不能以一个步骤就将玻璃快速切开，或者说是激光只在玻璃上跑一遍就将玻璃切开。在此基础上，美国的费拉瑟美国有限公司提出了一个激光成丝的想法，其基本理念是让聚焦的激光束在很长的一段距离上形成细丝，同时在细丝中的激光峰值功率足够强去切割玻璃材料。成丝有两种机理，分别是：自聚焦和高斯-贝塞尔光束。但要实现这种切割需要高功率的超快激光器，这种激光器在近十年才在工业上逐渐被应用。激光成丝法能实现在1mm左右的范围，激光聚焦光斑变化不大，使激光切割玻璃真正实用化并取得巨大的成功。但作为真正实用的技术，极有可能是上述诸多方法中两种或以上的组合，不应仅仅局限于其中的一种。

隐切技术虽然在玻璃切割领域没有实现工业应用，但隐切在另一种脆性材料作为生长LED基底的Al2O3，相对于采用激光进行正切，隐切不会在LED基底的Al2O3表面形成熔融残渣，这样就可以省去去除熔融残渣的步骤，同时提高了LED的发光效率，同时对切割面的要求没有玻璃那么高，因此，激光隐切LED基底的Al2O3已经成为LED厂商的标准工艺。激光成丝法，经发展之后形成的高斯-贝塞尔光束聚焦法可以一次性切割小于0.7mm的玻璃和钢化玻璃，这已经可以满足绝大部分移动显示设备厂商的切割需求，并已经在移动显示设备厂商广泛应用；通过与其它技术相结合，国外厂商已经可以一次性切割厚度为8mm的玻璃，而目前国内厂商只能一次性切割厚度为3mm的玻璃。

虽然，随高功率超快激光器的普及和价格的亲民化，激光切割玻璃在工业上被越来越多的应用，并由此产生数十亿的年产值；但由于玻璃材料本身的复杂多样性，激光切割玻璃领域还面临很多挑战，亟待解决。

作者简介：

周勇，1981年5月，男，江苏泰兴人，博士，助理研究员，研究方向为全固态激光器，激光加工技术，微纳结构的光学性质。