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超快激光,5G时代玻璃加工的好搭档
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2021-02-01 | 271 次浏览: | 分享到:
超快激光在玻璃加工中可进行切割、标记、打孔等多种应用,随着我们步入5G 时代,结合当今玻璃技术和玻璃加工技术两方面的发展,尤其从5G时代对于玻璃自身特性和玻璃加工技术的要求出发,超快激光将在5G 时代的玻璃加工中拥有独具的应用优势与前景。

追溯人类发展的历史,根据人类制作工具的材料,可以分为石器时代、青铜时代、铁器时代,那么现在我们属于什么时代?康宁公司提出,现在应该叫做玻璃时代——The Glass Age。


为什么这样说?

这是因为我们目前的日常生活以及未来技术发展已经完全离不开玻璃材料,无论从结构材料还是功能材料来看,玻璃已深入到我们现代工业的每一个角落。


玻璃材料的应用


如今我们步入5G时代,玻璃更是重要的基础材料之一。

作为基础材料,玻璃最基本的就是作为一个结构材料的应用,其中最典型的就是在消费电子中的应用。


5G技术由于其数据带宽极大提高,在设备的设计中对电磁兼容性的要求非常高,比如在手机中,之前的金属边框和金属盖板,很可能就会引起干扰,比如历代苹果手机一直就受信号问题的困扰,最著名的就是iphone4的信号门事件,手机使用金属边框做天线,导致手握的时候直接丢失信号。

因此5G时代,手机的结构材料很可能会全部采用陶瓷和玻璃材料,甚至出现全玻璃手机,其实现在的最新手机设计,陶瓷边框玻璃盖板已经广泛应用。






现在最新的一些手机设计,玻璃和陶瓷边框、玻璃盖板其实已经广泛使用了,除了消费电子以外,随着整体工业设计的发展,在建筑结构和汽车领域,玻璃的应用会越来越多。




玻璃材料的另一个应用则是作为功能材料的应用。目前5G技术中比较关键的一个技术就是天线技术,因为5G技术会使得物联网的大规模的铺开成为必然,尤其交通工具的互联网是作为智能驾驶和智能城市的基础,高铁在运行时,使用传统天线的移动网络连接速度会大大减慢,这个在5G时代是无法接受的。

为了解决这个问题,有专家提出玻璃天线方案,直接把天线模组制作在玻璃表面,这样的天线的发射和接收面积会大大增加。在实验中,使用玻璃天线的跑车在行驶中最高可以达到3.8 Gbps的网络连接速度。若高铁沿线可以配置这样的天线,信号差将不再是问题。 


5G时代的玻璃特性与加工工艺

针对5G时代的种种应用,作为基础材料之一,玻璃自身特性也需要随之发展。如前所述的玻璃在5G时代作为基础材料的种种应用,其自身的特性要随之发展。总结为以下三个趋势:

1)更加坚固耐久,比如历代的康宁大猩猩玻璃,硬度不断提升;







2)更加柔韧,比如现在各种可穿戴设备、折叠屏等;





3)使用玻璃实现更多的功能,除了作为结构材料和半导体中的封装材料外,其自身的光学性质,也可以作为光学器件,例如AR/VR使用的衍射光学元件,以及使用玻璃做光存储的应用。





针对玻璃的这些应用方向,玻璃加工工艺在5G时代的要求也会变得更高:

1)效率要求。可以预测,未来几年,用户和终端数量都会有较大增长,而从5G技术的关键器件发展过程中,例如TGV工艺中需要大量精密的玻璃群孔加工,技术发展和终端需求上的快速增长,对玻璃加工的效率提出了更高要求。






5G技术发展和终端需求的快速增长,对玻璃加工效率提出了更高要求

2)对于玻璃加工的精度也提出了更高要求。5G技术推动了半导体器件和封装技术的发展,对玻璃加工的精度也提出了更高的要求。

3)玻璃加工工艺需要不断创新。技术的不断突破创新,驱动基础材料加工技术的不断创新。例如AR/VR、汽车中的全玻璃显示和光存储等都是目前已经变成现实的以玻璃为基础材料的技术创新。我们需要一种玻璃加工工艺,可以一直支持技术创新,让概念变成现实。


超快激光成为5G时代玻璃加工最佳选择

可以看出,5G时代对于玻璃自身特性和玻璃加工工艺提出了更高要求,那么传统的激光加工工艺是否能满足这些要求呢?

1)玻璃材质强度要求越来越高,给传统加工方式带来更大的困难;

2)5G元器件加工和封装密度越来越高,传统的玻璃加工可能难以同时兼顾精度和效率;

3)传统工艺难以进行复杂结构和玻璃内部加工,限制了技术的发展。

面对这些挑战,超快激光可以解决效率、精度和复杂结构加工的问题,成为5G时代玻璃加工的一个上佳选择。

未来几年,5G技术和5G相关的消费电子制造技术换代是玻璃加工技术发展的主要推动力。针对5G时代玻璃加工技术的发展需求,超快激光玻璃加工技术是大势所趋,而超快激光的优势将推动玻璃加工产业技术升级,国产超快激光器的普及与推广将势在必行。

针对超快激光器国产化的迫切需求,应以全产业链的方式考虑,在核心材料、元件、器件、系统、成套设备、应用工艺等方面进行合作,推进产业协同发展。


超快激光在玻璃加工中具体应用

超快激光也称为超短脉冲激光,它表示的是激光输出的时间尺度特性。

在纳秒脉冲和飞秒脉冲对工作物质进行销蚀(ablation)作用的机理中,普通纳秒脉冲作用在工作物质上时,工作物质会吸收激光的能量,造成工作区域升温从而产生热效应,而飞秒脉冲则是通过双光子吸收过程晶格直接吸收能量,虽然当作用时间积累到一定程度上时,纳秒激光和飞秒激光的作用机理一致,但是飞秒激光可以实现更低的热影响,实现更高的加工精度。

在切割玻璃的时候,一个比较典型的应用,就是采用成丝的方式切割玻璃。

什么是成丝效应?

超短脉冲激光往往具有非常高的峰值功率,所以它在介质中传播时会产生一个特殊的现象——光丝效应。由于超快激光功率密度太高,在空气介质中会产生自聚焦效应,聚焦到一定阈值之后把空气电离然后发散。根据这个原理,我们就可以在玻璃介质中通过光束整形的方式,使得光束在玻璃中成丝,实行连续的玻璃结构改进,使得玻璃层分离。

另外一种在超快激光加工中独有的burst mode加工方式。例如一个30 W 500 kHz的激光器,单脉冲能量为60 μJ,如果采用burst工作,每个burst中3个脉冲,这样就可以使得单脉冲能量变成20 μJ,放大级的脉冲峰值功率降低,减轻放大级的器件压力,可提高整机的稳定性和成本优势。实验表明,采用同样能量的Burst输出和单脉冲输出作用于玻璃上时,在Burst工作状态下,产生的热效应更小,成丝距离更长。


常规应用

1)玻璃切割





图1 皮秒激光玻璃切割实验平台





图2 皮秒激光切割LCD屏幕





图3  3 mm玻璃切割


采用超快激光进行玻璃切割目前已是比较成熟的工艺,图1中的皮秒激光切割平台,可对LCD屏幕进行切割。采用华日激光的30 W皮秒激光器进行LCD切割,可达到崩边量小于20 μm,热影响区小于50 μm,速度大于50 mm/s。而采用华日激光的50 W皮秒激光器,通过变焦点两次切割的方式,可实现对3 mm厚的玻璃进行切割,速度200 mm/s,崩边量小于10 μm。

2)玻璃钻孔

在太阳能行业中广泛应用的绒面玻璃,可使用短脉冲高能绿光激光器进行绒面玻璃钻孔。使用华日Spruce系列的30 W窄脉宽纳秒绿光激光器,采用集成一体式振镜的2.5D切割系统,能顺利完成厚度为2.5 mm的绒面玻璃打孔,且打孔效果良好,玻璃周围无白边、毛边以及崩边现象,良品率可以控制在99.8%以上。







3)玻璃雕刻





工艺要求:在石英玻璃上,标记直径为0.4 mm的圆阵列,线宽10 μm,深度2 μm。工艺效果:线宽10μm左右,深度2.1μm,无崩边,无裂纹。

4)在脆性材料上可进行玻璃标记,如产品logo、二维码、日期等。






前沿应用

1)TGV—Through Glass Via 技术

5G技术的飞速发展对RF射频芯片和天线阵列的制作和封装技术提出了越来越高的要求。









以玻璃作为基质材料的RF芯片,采用了Through Glass Via技术,通过在玻璃基底上打微型通孔对RF芯片进行封装或构建天线阵列,可实现更低的射频损耗和更高的封装密度,尤其适合5G技术的RF和天线芯片制作。

传统的在玻璃上打微孔的TGV技术,一般采用准分子激光对玻璃结构进行改性,然后再用湿法进行蚀刻的工艺流程。但由于准分子激光设备较大、价格较高,目前已有研究小组采用华锐飞秒激光代替准分子激光来对玻璃进行改性,即为使用飞秒激光的改进型TGV工艺,能取得准分子激光类似的结果。





使用准分子激光的传统TGV工艺








使用飞秒激光的改进型TGV工艺



2)飞秒激光直写光波导

1994年,日本科学家发现飞秒激光在与玻璃相互作用时会使得作用区域的折射率发生变化,并可用于刻写光波导以来,飞秒激光直写光波导技术已用于无源波导、分束器、耦合器、电光调制器、倍频光波导、光波导型放大器、光波导激光器等器件的构建,近年用于光量子芯片的构建已成为一个国际性的热点。材料也不再局限于玻璃,已拓展至晶体、高分子以及透明陶瓷等材料。伴随着5G技术对通信硬件的更高要求,飞秒直写光波导技术将重新成为热门。





飞秒激光直写波导示意图






3)飞秒激光刻写光栅

如果采用功率较低的飞秒脉冲,作用区域先融化后再凝固,会导致折射率和密度的改变,适合应用在飞秒辅助TGV工艺和飞秒直写光波导;功率密度比较高的时候,作用区域晶格结构解体,产生微孔和裂纹,可以进行玻璃切割、钻孔、标记;而功率密度在两者之间的时候,它的作用区域就可能会形成双折射与波长相关的周期性变化结构,适用于进行光栅结构的制作。





飞秒激光在光纤内部形成光栅的周期性结构




未来几年,5G技术和5G相关的消费电子制造技术换代是玻璃加工技术发展的主要推动力。针对5G时代玻璃加工技术的发展需求,超快激光玻璃加工技术大势所趋。

伴随着5G时代的来临,5G技术的发展对从移动终端到通信硬件中的制造技术提出了更高要求,主要体现在精度、效率和复杂结构/特殊材料的加工三个方面。超快激光基于其与物质相互作用的特性,成为5G时代3C行业中的最佳制造工具。随着5G技术的发展和普及,超快激光也即将迎来它的“主场”和爆发期。