激光在玻璃表面加工的新应用

激光在玻璃表面加工的新应用

由乔布斯主导设计的iPhone4以及iPhone4S采用双面玻璃机身,深受消费者的喜爱。此后一段时间,大多数手机以金属后盖为主,只有少数采用玻璃和树脂等材料,但是从iPhone X开始,各手机企业似乎又重新用回了玻璃作为机身材料。无线充电技术市场的兴起和5G时代的来临,提高了对手机后壳的技术要求,越来越多的手机选用玻璃材质。

玻璃的美观,可使机身承载更多颜色,并具备手感温润、舒适等优点,因此玻璃机身的手机很受大众的欢迎;然而,玻璃机身容易显脏。目前,我们可通过玻璃表面磨砂处理的方式,使得玻璃机身与人手的触摸面积变小,并且玻璃表面从镜面变成磨砂面,使玻璃表面变成漫反射,以此来减弱玻璃脏污对外观的影响。玻璃毛化或AG效果,不仅提升了玻璃机身的视觉效果,用户手感体验也更好。

传统的玻璃表面毛化技术有喷砂/磨砂毛化、化学刻蚀毛化。玻璃具有较高的化学稳定性,而化学刻蚀毛化所采用的化学试剂具有验证的化学腐蚀性,对环境、设备和操作人员的危害比较大;喷砂/磨砂毛化则使生产良率降低、效率减慢,工序管控严苛,并且也会对环境有一定的污染。采用超快激光玻璃表面毛化处理,可以有效解决传统加工工艺的痛点,具备快速高效、无污染、对环境友好、损耗低的特点,可以推动玻璃加工工艺技术革新,实现一定的经济价值。

玻璃表面超快激光毛化工艺技术将在未来玻璃材料加工(毛化)使用越来越广泛的技术,其生产出的玻璃毛化产品毛化纹理灵活可控、高效稳定,同时操作方便、工序简单,将会逐步取代或替换传统的工艺加工方式。

由于玻璃硬脆的特性,激光能量控制不当,容易导致玻璃微裂纹扩展、受热开裂或者破片。为了追求不同的雾度、透光率、粗糙度以及玻璃强度,必须选取调整合适的激光工艺参数。

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图1

美国德克萨斯大学Adela Ben-Yakar[1]研究发现:超快激光辐射玻璃材料,尽管会产生非线性效应及极短时间尺度上非热材料去除,但是依然在烧蚀区域下方存在一层薄层的熔化层。如果熔化层的寿命足够长,或者作用在液体上的力度足够大,熔化的材料将从中心驱动到火山口边缘。多个激光脉冲照射现象表明,这种边缘的形成会导致表面一定的粗糙度。图1为美国德克萨斯大学Adela Ben-Yakar[1]利用脉宽为200fs的780nm红外激飞秒光器加工的玻璃表面为熔坑。

超快激光加工玻璃产生的薄熔化区域,材料损伤区深度小,玻璃强度衰减小;光斑底部平整,毛化效果透光性好;超快激光峰值功率高,玻璃的烧蚀阈值小,所需激光功率低。大族显视与半导体根据上述理论,配合自身的强大的工艺研发能力和系统整合能力,推出超快激光表面毛化设备(图2)。设备采用超快激光器配合高速扫描设备,大幅提升了加工的效率。配合高精度扫描控制系统,解决了大幅面毛化加工出现的问题:扫描间距不均匀、工作不不平整造成的毛化不均匀。能实现大幅面、高效率、高质量的超快激光毛化工艺。

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图2

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图3

由于玻璃毛化后可以解决透明玻璃存在的问题点,增加产品差异性,提升产品质感,越来越多的消费类电子终端产品会使用到该工艺。本项目目的就在于自主研发的玻璃表面超快激光毛化设备上进行不同效果及性质的工艺研究,不断积累经验,增强技术的核心竞争力,更好地位用户解决问题,从而达到降低成本、提升产品竞争力的目的。

 

参考文献:

[1]. Adela Ben-Yakar, Anthony Harkin, Jacqueline Ashmore, Robert L Byer and Howard A Stone. Thermal and fluid processes of a thin melt zone during femtosecond laser ablation of glass: the formation of rims by single laser pulses [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007 40: 1447-1459. 


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