ディスプレイ製造におけるレーザー：カバーガラスとウィンドウの切断
Coherentの超短パルス（USP）レーザーは、フィラメント技術と相まって、ガラスやサファイアの切断において比類のない成果をもたらします。これを高度な光学系と組み合わせることで、特定の作業に合わせた精密加工プロセスを最適化することができます。
2022年10月4日、Coherent
携帯電話やその他のモバイルデバイスの最終工程の一つとして、ディスプレイをカバーガラスで覆ったり、カメラレンズに保護ウィンドウを取り付けたりする工程があります。これらの部品を低コストで生産するには、大きな素材から高い機械精度で最終形状まで素早く切断する必要があります。
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この切断によって生じる表面粗さや残留応力は、最終部品の破壊耐性に影響を与えるため、重要なポイントです。また、これらを除去するために余分な洗浄工程が必要になる場合があるため、切粉の発生も大きな要因となります。さらに、切断中に部品に施されたコーティングやその他の機能層を傷つけないことも重要なポイントです。
フィラメントベースの超短パルス（USP）レーザー切断は、これらすべての要件を満たしています。しかし、その具体的な実装方法は、加工仕様の要件や生産の経済性に依存します。主な要因としては、窓材の材質や厚さ、切断の長さや形状、必要なスループット速度などが挙げられます。
ガラス切断に対応するUSPレーザー
現在、モバイルデバイスに使用されているカバーガラスの多くは、化学強化アルカリアルミノケイ酸塩（Gorilla®ガラスなど）、熱強化ソーダライムガラス、またはこれらに類似した材料です。フレキシブルディスプレイのカバーガラスの厚さは通常約0.5 mmです。折りたたみ式ディスプレイの場合、30 μmという薄さのものもあります。
このような部品にフィラメント切断を適用するには、まずレーザの繰り返し周波数が重要です。その理由は、フィラメント切断では、レーザビームを部品表面上で移動させ、パルス（またはパルスバースト）ごとに単一のフィラメント（ガラスを貫通する穴）を生成するためです。目的は、基本的に等間隔の一連の穿孔をガラスに施すことです（通常、約50 μm間隔で穿孔します）。その後、穿孔部に応力が発生し、連続する亀裂に変化します。これにより、部品が分離されます。多くの場合、この加工方法では、Coherent CO2レーザを使用して、穿孔線に沿って非常に局所的な熱応力を発生させます。
レーザの繰り返し周波数が高いほど、ガラス面上でビームを高速に動かし、特定の間隔で穴を開けることができます。そのため、ディスプレイのカバーガラスのような大きな部品を切断する場合、Coherent HyperRapid NXT（最大繰り返し周波数400 kHz）は、Rapid LX（最大繰り返し周波数90 kHz）と比べて（これらのレーザが両方ともパルスあたり同じエネルギーを伝送するとしても）3倍以上速く加工することができます。しかし、HyperRapid NXTはRapid LXよりも大型で高価です。
したがって、スループットが重要な場合は、HyperRapid NXTが第一候補となります。しかし、ステージの動きやビームステアリングによって、スループットや加工方法全体が制約される場合があります。そのため、レーザーが最高の繰り返し周波数で動作できない場合、HyperRapid NXTはその利点を十分に発揮することができません。このような場合、Rapid LXであれば、全く同等の切断品質とスループットを実現できる可能性があります。
サファイアの切断
ほとんどの携帯電話のカメラレンズカバーには、小さな丸いサファイアの窓が使用されています。サファイアは非常に硬く、傷がつきにくいという特徴があります。また、高価であるため、使用頻度は低くなっています。
フィラメント加工法では、サファイアを容易に切断することができます。しかし、ワークピースが物理的に小さく、丸い形状であるため、通常は繰り返し周波数が低く、コストも低いRapid LXが最適な選択肢となります。その理由を知るには、フィラメント加工が実際にどのように行われているのかを理解する必要があります。
この技術が機能するためには、レーザービームが部品表面に対して基本的に垂直に入射する必要があります。そのため、集光光学系は固定され、ワークピースをステージ上で移動させるのが一般的です。切断する部分によってはビームが表面に対して斜めに入射するため、スキャナーは使用されません。
小さい円形のサファイアのウィンドウをすばやく切断するには、これらのモーターが絶えず加速と減速を繰り返す必要があります。また、部品が小さくなればなるほど、この加速度は大きくなります。もちろん、これらのモーターが発生できる加速度には限界があります。一般に、これらのモーターは400 kHzで動作するレーザに追いついて所望のフィラメント間隔が得られるほど高速ではありません。つまり、レーザはより低い繰り返し周波数で動作させる必要があります。そのため、Rapid LXが最適な選択肢です。
切断品質を重視するCoherent
フィラメント切断に使用されるビーム伝送光学系は、レーザー光源そのものと同様に重要です。Coherentは、用途に応じて最適な結果が得られるよう、独自の集光光学系シリーズを開発しました。
例えば、「標準」のSmartCleaveAdvanced Classic集光光学系は、厚さ1.8 mmまでの基板に対応するように設計されています。これにより、ほとんどのディスプレイ用途に対応することが可能です。また、厚さ3 mmまでの部品を切断できるよう、ビームプロファイルを特に最適化したレンズ（SmartCleave Advanced LongFi）も用意しています。部品の厚みによって切断特性が異なるため、そのトレードオフを理解することが重要です。
もう一方は、折りたたみ式ディスプレイに不可欠な極薄（1 mm未満）のガラスの切断に特化した光学系です。SmartCleave Advanced Low Damage光学系は、焦点領域内のピークパワー密度を低減するように設計されています。そのため、長いフィラメントを形成する能力は犠牲になりますが、熱影響部が小さくなり、入口側の表面がより滑らかになります。特に超薄板ガラスでは、この表面粗さが曲げ強度に直接影響するため、これを最小限に抑えることが重要です。
USPレーザーメーカーのデータシートを見ると、出力が高いほど加工が速く、良い結果が得られると単純に考えがちです。しかし、実際はそうではありません。また、最適なレーザーを選んだとしても、そのレーザーが部品に正しく照射されなければなりません。長年にわたるレーザーによるガラス切断の経験と、数百件に及ぶ実際の導入実績を持つベンダーを信頼し、ガラス切断の加工条件を正しく理解してください。
Coherent USPレーザの詳細をご覧ください。
