激光作为一种先进的加工工具，已经越来越广泛地在工业生产中发挥着举足轻重的作用。随着激光技术自身的不断发展完善，其凭借着在加工质量、加工复杂度、加工效率及清洁环保等优势，不但在不锈钢、铜、合金等各类金属材料加工中获得青睐，而且也正在玻璃、陶瓷、蓝宝石、半导体硅晶圆、PCB 板等各种非金属材料加工中突显出独特优势。

薄脆性材料的加工挑战

在非金属加工领域，薄脆性材料的激光加工备受关注。随着智能手机、LED 照明、平板电脑、以及可穿戴设备等消费电子产品的不断发展迭代，玻璃、蓝宝石和陶瓷等材料，凭借着自身具备的独特优质属性而获得了广泛应用，比如坚硬的钢化玻璃用作于智能手机的显示屏 ；坚硬且化学性质稳定的陶瓷用于制作电子零部件衬底和绝缘材料 ；坚硬耐划的蓝宝石用于 LED 衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等。

在这些应用中使用的玻璃、蓝宝石或陶瓷等材料，厚度通常较薄，硬度越来越高，非常易碎。而在加工要求上，上述应用通常需要在这些薄脆易碎的材料上实施非常精密的切割、钻孔甚至开槽等加工过程，这使得传统的铣、钻、磨等机械加工工艺面临着极大的挑战，因为材料极薄极脆，加工过程中因接触而施加到材料上的任何应力，都可能导致材料碎裂，最终报废。

然而，传统机械加工方式所面临的挑战，却为非接触性的激光加工带来了更多机会。

超快激光应对加工挑战

玻璃、陶瓷、蓝宝石等薄脆性非金属材料的精密加工，通常使用超快激光。超快激光脉冲持续时间极短，在纳秒、皮秒甚至是飞秒级别，将适度的激光能量作用在材料表面，通过打断材料的化学键而实现材料去除目的，在这个过程中，激光能量还来不及向加工范围周围传递，加工过程便已结束，因此产生的热量几乎可以忽略不计，材料不会产生热损伤。

随着这些脆性材料在 LED、智能手机、可穿戴设备等产品中的应用越来越多，致力于这类脆性材料加工的激光器、激光系统及相关科研机构也不断增多，他们的努力也促进了这类脆性材料激光加工技术的不断发展。以下简单整理了一些相关方案，希望对读者有一定参考。

（一）汉诺威中心的薄片玻璃钻孔方案

2016 年 12 月初，德国汉诺威激光中心（LZH）和德国巴伐利亚激光中心（BLZ）联合举办了一场主题为“玻璃材料的激光加工”的研讨会，主要探讨激光玻璃加工领域的最新发展与趋势。

当前，激光玻璃加工领域的发展快速，一些创新的加工过程和系统，正在使薄片、平板和管状玻璃产品的加工不断进步。

图1：利用激光实现薄片强化玻璃的精密钻孔（图片来源：LZH）

研讨会上，汉诺威激光中心由Philipp von Witzendorff 领导的一个研究团队介绍了一种新颖的薄片玻璃钻孔方案，其将单个脉冲与不同的脉冲持续时间相结合，成功避免了钻孔过程中在玻璃边缘出现碎片，加工出的表面非常光滑，能力成功化学强化薄片玻璃的钻孔，如用于手机屏中的强化玻璃。

汉诺威激光中心新开发的玻璃钻孔工艺，比水射流方式更具成本效益，并且还能加工厚度 4mm 的玻璃。汉诺威激光中心在玻璃加工方面的创新，将为消费电子等产品提供有价值的推动力。

（二）万机仪器的皮秒混合光纤激光器IceFyre将改变行业游戏规则？

在玻璃 / 蓝宝石加工方面，万机仪器（MKS Instruments）旗下的光谱物理业务部门（Spectra-Physics）在这方面实力不俗。早在 2015 年 12 月，光谱物理就针对化学强化玻璃、非强化玻璃和蓝宝石的快速高质量切割应用，推出了 ClearShape 飞秒激光器，其能够达到 1m/s 的切割速度，并且切割边缘无毛边碎屑，边缘粗糙度Ra <0.1μm。

图2：Spectra-Physics的高功率工业皮秒混合光纤激光器IceFyre（图片来源：MKS Instruments）

在今年 2 月的 Photonics West 展会上，Spectra-Physics 首次亮相的紧凑型高功率工业皮秒混合光纤激光器IceFyre，堪称是一款改变游戏规则的产品——集高功率、短皮秒脉冲以及前所未有的通用性、重于一身复频率可调、可编程的皮秒脉宽灵活性和脉冲按需触发等诸多功能及成本优势于一身。IceFyre 在 1064nm 波长处提供> 50W 的平均功率和高达 > 200μJ 的脉冲能量，可调节的重复频率范围从单发脉冲到 8MHz，加之灵活的脉冲编程能力，是精密加工蓝宝石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。

IceFyre 在性能、成本、尺寸和可靠性方面的表现，是否如其所愿能够改变工业微加工激光器市场的游戏规则？我们拭目以待。

（三）德龙激光的激光应力诱导切割技术

国内厂商德龙激光，凭借着其自主研发的激光应力诱导切割技术，在非金属精密加工方面也有着不错的表现，几年前其 LED 芯片划片机曾在国内市场占据大量份额。最近几年，智能手机等消费电子产品的发展，驱动蓝宝石和强化玻璃加工市场走俏，德龙激光的业务领域也随之拓展。

在对德龙激光总经理赵裕兴博士的一次采访中，赵博士详细介绍了激光应力诱导切割技术。它将短脉冲激光光束透过材料表面聚焦在材料中间，短脉冲激光极高的瞬时能量，在材料中间形成改质层，从而使被切产品达到断裂效果。这是一种全新的激光切割工艺，具有速度快、不产生粉尘、无基材耗损、所需切割道小、完全干制程等优势。

图3：德龙激光的皮秒激光应力诱导加工设备，在蓝宝石切割过程中累积的光强的分布。（图片来源：德龙激光）

德龙激光自主研发的皮秒激光应力诱导加工设备，在蓝宝石和玻璃等材料的切割方面，收获了成功，相比于传统的机械切割，在切割效率、切割成本上、材料损耗、产品产出和产品性能方面都有稳步提升。

（四）亚智科技的 M-Cut 切割工艺

M-Cut 是亚智科技开发出的一种改性切割工艺，其以类似穿孔的方式修改材料基板。M-Cut 工艺的光源中具有特别调整的光学系统，形成改良的光束源，能够纵向聚焦形成线性的切割痕迹。这种切割工艺产生的切割界面的粗糙度低于 0.5μm，可免去对切割边缘的昂贵研磨抛光工作。

图4：亚智科技的M-Cut激光切割工艺，基底材料能被线性地“穿透”。（图片来源：亚智科技）

M-Cut 适用于切割各种强化玻璃及蓝宝石等脆性材料，切割 0.5mm厚的玻璃时，切割速度可达 1m/s ；不会产生崩边、破裂，切割边缘粗糙度值低于 0.5μm，不需要抛光。此外还能提高切割后玻璃的抗裂度。M-Cut工艺可以切割不同几何形状的工件，甚至能以 90°角切割转角，是一把灵活的激光刀。

（五）罗芬的 SmartCleave FI切割工艺

罗芬针对蓝宝石和陶瓷等脆性材料加工，除了其使用脉冲光纤激光器的熔融切割技术之外，其SmartCleave FI激光切割工艺，自从 2014 年推出以来，已经在工业生产和一些利基市场中获得了成功应用。这种切割工艺，能在加工过程中在工件上产生足够的内应力，从而达到加工区域自动分离。对于非强化玻璃、蓝宝石或陶瓷，可以借助较低的机械力或热力很容易地实现分离。

图5：罗芬SmartCleave FI激光加工工艺实现的薄片玻璃切割与钻孔。

SmartCleave FI 工艺可以切割任意形状，如直线、曲线、有角度的或倒角切割，可切割管状或曲面件 ；表面光洁，基本没有碎屑，典型的表面粗糙度值小于 1μm ；切割速度大于300mm/s；切割玻璃的厚度范围在100μm~10mm之间；适用于玻璃、蓝宝石、水晶、陶瓷等脆性材质。

强化玻璃、蓝宝石和其他脆性、透明材料的独特性能，这将促使这些材料在消费电子、医疗设备、集成电路、建筑、汽车、航空航天等市场领域涌现出不断增长的用途。特别是在以智能手机、可穿戴电子产品为首的消费电子产品中，对强化玻璃和蓝宝石的应用，具有很大的增长空间。因此，市场对脆性材料激光加工的需求非常看好。

在市场高需求的同时，来自市场要求减少加工步骤、减少材料浪费以及干性制程等因素的持续驱动，也正在强烈地推动着激光器制造商和激光系统集成商提供不断探讨，要求他们不但能提供传统机械加工的替代方案，而且还要不断提升激光加工方案的综合性能，以在加工质量、产品良率、加工速度及量产化方面有所突破。