3超快激光切割在显示面板行业的应用(教材)

1目录•技术背景•在硬脆材料中的激光加工应用介绍•手机显示面板的激光加工•多种加工方法对比•超快脉冲激光加工原理•手机全面屏激光切割解决方案•应用实例2指南针造纸术火药印刷术中国古代四大发明中国古代四大发明与二十世纪四大发明技术背景半导体原子能计算机激光器二十世纪四大发明VS1917年爱因斯坦预言存在激光的可能性1960年首台红宝石激光器1970年1980年1990年2000年2010年首台激光治疗仪首台商用打印机首次用于舞台光影首台用于光纤通信首台激光盘播放机首次使用激光制导导弹首台工业加工激光设备首次用于癌症治疗技术背景——发展历史4工业激光军用激光医疗激光娱乐激光农业激光技术背景——主要应用5在硬脆材料中的激光加工应用介绍•玻璃加工：仪表面板、显示面板；•蓝宝石加工：手表、耐磨屏幕；•陶瓷加工：电子零部件和电路基板，半导体行业；6•材料性能优异：•材料强度大、硬度高，化学性质稳定。•加工难度大：•易碎、坚硬、耐磨，传统方法很难加工。•超快激光的机遇：•适合对玻璃，蓝宝石和陶瓷进行精微加工。玻璃，蓝宝石和陶瓷7超快脉冲激光加工原理•飞秒激光的特性•飞秒激光与物质相互作用•飞秒激光的作用•加工原理•裂片方式：机械裂片、超声波裂片、CO2激光加热裂片；8峰值功率极高：1015W脉冲短：10－15s目前获得最短脉冲的技术手段光也只能走0.3微米聚焦光斑小：m量级比全世界发电总功率还大聚焦功率密度大：1020～1022W/cm2电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍精确的靶向聚焦飞秒激光的特性9材料光学击穿的五个主要过程1.通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；2.导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；3.等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格。4.晶格被加热，物质融化和升华。5.物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒——微秒脉冲：光脉冲与物质作用过程包含1－5皮秒——纳秒脉冲：光脉冲与物质作用过程包含1－4飞秒——光脉冲与物质作用过程包含1－310激光与材料相互作用过程光能不透明材料透明材料线性吸收多光子电离、雪崩电离激发态电子材料性质变化：折射率、形态变化11物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，由于功率密度极强，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。由于产生了极强的电场强度（甚至高于氢原子5x109V/cm),可以对电子加速到极高速度。飞秒激光与物质的相互作用12飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具；科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用；飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。飞秒激光的作用13超快脉冲激光加工原理通常的长脉冲激光，如脉宽为微秒、纳秒的激光微加工，其原理是基于材料中的电子共振线性吸收获得的能量，将材料逐步熔化、蒸发移除。由于激光脉冲持续时间较长，远大于材料热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的体积会被熔化，使得加工区域边缘不清晰，加工精度有限。超快激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。极大地避免了热融化的存在，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响，超快激光微加工和材料相互作用的时间很短，使得能量以等离子体的形式被迅速带走，热量来不及在材料内部扩散，热影响区非常小，不会产生重铸层，属于冷加工，呈现锐利的加工边缘，加工精度高。14长脉冲超短脉冲与长脉冲比较：热影响极小，几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。超快脉冲激光加工原理——超短脉冲和长脉冲加工对比短脉冲15长脉冲激光（纳秒激光）窄脉冲激光（皮秒、飞秒激光）超快脉冲激光加工原理——超短脉冲和长脉冲加工对比16加工材料广，几乎可精密加工任何材料•飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收而非共振吸收，这就形成加工过程具有确定而依赖于材料中的原子特性的阈值特性。加工对象无材料选择性。•飞秒激光可以精密微细加工玻璃、陶瓷、各种电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织。18超快激光精微加工系统结构原理简图超快激光器扩束准直（带吸盘）工作台反射镜切割头工件CCD摄像头监视器控制系统19手机显示面板的激光加工•TP玻璃基板硬屏切割；•偏光片切割；•盖板玻璃切割；•电路蚀刻；•OLED柔性屏的切割、剥离、修复；2122•手机采用触摸屏作为用户操作界面•触摸屏使用多块玻璃来分别实现显示、触控、保护盖板等功能手机触摸显示屏手机显示面板的激光加工手机显示屏结构简介偏光片C/F玻璃（彩色滤光板）L/C液晶TFT（玻璃）偏光片背光源LED手机显示屏结构示意图23手机显示屏结构简介偏光片Encap(玻璃)有机自发光屏TFT（玻璃）OLED手机显示屏结构示意图无需背光模组24手机显示屏幕的更新迭代，科技发展的直观展示19901995200020052010201525全面屏发展趋势2017以前201720182020？26全面屏显示效果比较中间为全面屏27U型R型C型全面屏异型切割全面屏玻璃切割技术要求激光加工强度高边缘好无残渣高要求：崩边、挂角、破损、微裂纹28玻璃切割的方法•一、机械切割：利用玻璃的抗张应力低的力学性能，采用金刚石或金刚砂在表面施以伤痕，受力部位由于受到张应力而切断的方法。首先用金刚石刀尖或硬质合金砂轮或高硬度金属轮，在玻璃的表面划出一条刻痕，再采用机械手段将玻璃沿着刻痕线分割开。用砂轮或机械轮在玻璃上进行刻划的过程中，产生沿着切割方向的切向张力，从而可使玻璃沿着划痕裂开。这种方法切割的结果是：边缘不平滑、有微小裂痕，材料上残存不对称边缘应力及残留碎屑等。•二、火焰切割：利用煤气或其他热源，将玻璃上确定的部位，边进行局部熔融边切断的方法。或用金刚石或超硬合金在玻璃上造成伤痕，再向受伤部位加热，使裂纹扩展而断裂。•三、水刀切割：运用流体力学的原理，以高压的方式，让水从一个小喷头高速射出，利用这种高速射流的力量来切割。•四、激光切割：采用激光加工设备，利用激光的高能量密度，使工件熔化或汽化，同时通过多轴联动的工作台来完成平面或三维工件的加工。原理上可分两种方法：一种是熔融（蒸发）切割法，另一种是裂纹控制法。29机械切割成本低，易操作，良品率高，切割厚度大，切口光滑，机械强度高。只能切直线，不能切异形，易碎，切口需要抛光。30火焰切割成本低、易操作热变形大，不精密31水刀切割成本低，易操作，良品率高，切割厚度大，切口光滑，无熔渣，无需二次加工污染大，冲击力大，噪音大，不适合切割薄片。32激光切割----加工强度高，精度高，边缘效果好，无残渣，自动化程度高33熔融（蒸发）切割法裂纹控制法激光切割替代传统玻璃切割技术•传统玻璃切割技术采用金刚石或合金在玻璃上划出微槽，在微槽两侧施加外力使玻璃向厚度方向延展，形成纵向裂缝来实现切断，能满足传统玻璃的加工要求。•随着信息显示行业推动新型玻璃的进步，向轻薄化和优秀抗损性能的方向发展。特别是硬化玻璃的广泛应用，传统切割技术的优化空间开始趋窄，为达到高精度切割，通常需增加研磨和抛光的额外工作量，降低了生产效率，因此显示行业对玻璃切割精度、效率和内损伤的综合性能提出更高要求。•激光切割能很好地满足切割轻薄、硬化玻璃、异形玻璃的切割要求，具有加工强度高，精度高，边缘效果好，无残渣，自动化程度高的特点。34激光加工玻璃原理•玻璃属于宽带隙电介质材料，超快激光具有极高的峰值功率密度，可诱导其自身进行多光子吸收的能力。实现高质量的微加工。•超快激光通过透镜聚焦获得µm级光束，高峰值功率密度的光束作用在玻璃材料上时，光束中心光强比边缘低，带来材料中心折射率比边缘变化大，光束出现非线性光学克尔效应来产生自聚焦。在实际切割玻璃中，优化聚焦系统及焦距，可实现重复性聚焦/散焦过程，形成稳定穿孔。光束克尔效应引起的光束自聚焦示意图自聚焦现象形成高能量密度自传输通道，称之为“成丝”36手机全面屏激光切割解决方案•系统方案：超快激光器+成丝切割头+裂片机构•超快激光器•高重频、高平均功率：100-300K，30-50W国外方案、成本较高；•低重频、低平均功率：25-100K，小于20W先河方案、质优价低；•成丝切割头•贝塞尔光束+聚焦•高斯光束+聚焦•裂片方式•CO2加热裂片：CO2激光玻璃表面划线加热裂片的方式。•机械裂片：由接触头夹住需要进行裂片的工件，在机械力以及机械位移的共同作用下，完成裂片的动作。•超声波+机械裂片：将裂片接触头与超声波振动棒相连，被加工件由带真空吸附的平台，夹持，由接触头夹住需要进行裂片的工件，在机械力、超声波力以及机械位移的共同作用下，完成裂片的动作。裂片效果较佳。37贝塞尔光束与高斯光束的区别高斯光束通过轴锥（棱）镜产生贝塞尔光束高斯光束（虚线）与贝塞尔光束（实线）的光强分布输入高斯光束输出零阶贝塞尔光束38全面屏切割样品应用实例40手表面板切割手机面板全面屏手机面板倒角手机盖板切割高硼硅玻璃切割载玻片切割应用实例41感谢THANKS42