3超快激光切割在显示面板行业的应用(教材)

TFT（玻璃）
无需背光模组
OLED手机显示屏结构示意图
24
手机显示屏幕的更新迭代， 科技发展的直观展示
1990
1995
2000
2005
2010
2015
25
全面屏发展趋势
2017以前
2017
2018
2020 ？
26
全面屏显示效果比较
中间为全面屏
27
> 全面屏玻璃切割技术要求<
U型 R型
全面屏
异型切割 高要求：
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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
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技术背景
中国古代四大发明与二十世纪四大发明
造纸 术
指南 针 中国古代四 大发明 火 药
半导 体
VS
印刷 术
原 子 能
二十世纪 四大发明
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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
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。
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超快脉冲激光加工原理——超短脉冲和长脉冲加工对比
长脉冲激光（纳秒激光）
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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
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飞秒激光与物质的百度文库互作用
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。
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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。
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火焰切割
成本低、易操作
热变形大，不精密
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水刀切割
污染大，冲击力大，噪音大，不适合 切割薄片。
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
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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
熔融（蒸发）切割法
裂纹控制法
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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。
目前获得最短脉冲的技术手段 光也只能走0.3微米 比全世界发电总功率还大
精确的靶向聚焦
聚焦光斑小：m量级
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 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1－3
自聚焦现象形成高能量密度自传输通道，称之为“成丝”
• 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。
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手机显示面板的激光加工
手机触摸显示屏
• 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
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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
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手机显示屏结构简介
偏光片
Encap(玻璃) 有机自发光屏
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。
半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织。
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超快激光精微加工系统结构原理简图
监视器 CCD摄像头
超快激光器 扩束准直
反射镜 切 割 头
（带吸盘）工作台
工
件
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控制系统
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；
崩边、挂角、
破损、微裂纹 激光加工 强度高 边缘好 无残渣
C型
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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
窄脉冲激光（皮秒、飞秒激光）
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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
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
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贝塞尔光束与高斯光束的区别
输入高斯光束 输出零阶贝塞尔光束
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
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应用实例
全面屏切 割样品
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应用实例
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
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感谢
THANKS
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• 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。
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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；
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飞秒激光的特性
脉冲短：10－15 s 峰值功率极高：1015W
• 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。
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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。
光束克尔效应引起的光束自聚焦示意图
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飞秒激光的作用
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。
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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
• 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。
计 算 机
激光 器
技术背景——发展历史
首台激光治 疗仪
首台商用打 印机
首台用于光 纤通信
首次使用激 光制导导弹
1960年
1917年爱因斯坦预 言存在激光的可能性
1970年
1980年
1990年
2000年
2010年
首台红宝石 激光器
首次用于舞 台光影
首台激光盘 播放机
首台工业加工 激光设备
首次用于癌 症治疗
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。
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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
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技术背景——主要应用
工业激光 军用激光 医疗激光 娱乐激光 农业激光
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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；
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玻璃，蓝宝石和陶瓷
• 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：