CN107162395A - 一种双层或多层垂直封装玻璃的方法 - Google Patents

一种双层或多层垂直封装玻璃的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法。以2块玻璃加工为例，超快激光光束先聚焦在第1块玻璃接近界面处焊接1次，再聚焦在第2块玻璃接近界面处再焊1次。通过振镜自带软件绘制焊接路线，无需编程，垂直焊接消除了重力对焊接粘结力的影响。第2次焊接有消除内应力的作用，无需退火过程。两层先后焊，粘结力比单层焊加强。本实例双层焊接粘结力强度可达80.26MPa,接近同样条件下的单层焊接粘结力(27.65MPa)的3倍。本发明首次提出了一种2块及以上双层或多层垂直封装玻璃的方法，提高了焊接粘结力、精度，实现了快速组合焊接。

Description

一种双层或多层垂直封装玻璃的方法
技术领域
本发明涉及一种超快激光实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法。
背景技术
由于超快激光极短的脉宽、超高的峰值强度和对加工材料热变形小等独特优势，使得其在封装（焊接）玻璃技术的应用中得到飞速发展。目前玻璃封装领域已涉及微流控光学、医学、超精密电子机械学等方面，用于制造小型人造卫星、微传感器、微医疗器械、微电子机械精密仪器及光电子设备等。目前，国内外超快激光封装玻璃技术基本是通过透镜或物镜在两块玻璃界面处聚焦焊接1次的水平单层焊接实现的。单层焊接强度低，透镜或物镜聚焦需要超精密坐标运动平台及软件控制（编程速度慢）辅助实现稍复杂扫描路线，且水平焊接在焊接强度方向上有重力影响。
发明内容
针对上述研究中存在的不足，本发明提供了一种超快激光实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，使得玻璃焊接强度比单层焊接提高了近3倍；无需繁琐的人工编程，振镜通过软件绘图可快速实现扫描路线；且消除了焊接强度方向上的重力影响，极大地提高了焊接强度、精度及效率。
本发明采用的技术方案是：将超快激光通过振镜聚焦在第1块玻璃接近界面处，依据扫描路线，垂直焊接1次；经过极短时间间隔后，再聚焦在第2块玻璃接近界面处，垂直焊接第2次，第2次焊接对第1次焊接有消除热应力的作用，无需退火过程。两层先后焊，封装后的粘结力加强。也可以根据需要选择中间界面作为第1次或第2次的焊接面。对于多于两层的焊接，可以同样根据需要选择多层焊接面，焊接强度会相应增加。
本发明通过振镜辅助超快激光双层或多层垂直焊接玻璃，提供了一种有效提高玻璃焊接强度，高效、高精实现玻璃封装的技术与方法。
附图说明
图1是本发明超快激光实现双层或多层垂直封装玻璃的实验设备图。
图2(a)是通过振镜，激光先聚焦在左边第1块玻璃片10距离界面5μm处焊接1次；然后聚焦在右边第2块玻璃片11距离界面5μm处焊接第2次,如图2(b)所示；图2(c)中焊接路线，由振镜自带软件通过绘图实现，线间距为50μm。
图中，1是Pharos超快激光系统，2是反射镜1，3是反射镜2，4是光阑1，5是反射镜3，6是反射镜4，7是光阑2，8是反射镜5，9是振镜，10是玻璃片1（左边），11是玻璃片2（右边），12是三维运动平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。
图1为飞秒激光通过振镜扫描实现双层垂直封装玻璃的实验设备图。用于焊接的飞秒脉冲激光系统(Pharos)1由Yb: KGW振荡器和再生式放大器组成,可发射波长为1030nm。设定频率范围为600kHz,平均功率为12W,脉宽为1000fs及单脉冲能量为20μJ。通过型号为intelliSCAN®14(ID#116154)振镜聚焦，焦斑直径为6μm。先聚焦在左边第一块玻璃片距离界面5μm处焊接1次，过5S后，聚焦在右边第二块玻璃片距离界面5μm处焊接第2次。在三维运动平台辅助下，振镜通过镜头翻转可以在玻璃内部实现不同的加工路线和几何形状。
图2中，实例采用边长为30mm,厚度为1mm的商用方形石英玻璃片。玻璃片加工前被抛光，平整度和粗糙度分别达到120 nm和2nm。玻璃片样品通过夹具实现镜面接触，接触间隙小于λ/4,（λ为波长），可通过观察牛顿环来判断间隙大小。为了实现双层焊接，图2(a)中通过振镜，激光先聚焦在第1块玻璃片10距离界面5μm处焊接1次，然后聚焦在右边第2块玻璃片11距离界面5μm处焊接第2次如图2(b)所示。图2(c)中焊接路线由振镜自带软件通过绘图实现，本实例线间距为50μm。
图2(a)中先聚焦在第1块玻璃片10距离界面5μm处焊接1次，在高重频(600kHz)作用下，热量累积效应可能在焦点周围发生。当脉冲时间间隔小于材料热量散发时间时，激光脉冲作为一移动热源发生热累积效应，使得焦点及附近极小范围温度逐步升高。升高的温度导致焦点及附近极小范围玻璃局部熔化；随着脉冲数的增加熔融区域逐渐大于焦点直径的大小。本实例通过以恒定速度0.005m/s扫描，线间距为50μm，可加工出图2(c)所示的焊接路线。由于非线性吸收和成丝效应，熔池在光传播方向上被拉长。由于一般成丝的厚度的远大于5μm，随后熔池在激光传播方向上凝固，两块玻璃焊接成功。由于第1次焊接，沿着激光焊接路线的玻璃材料被改性，且变得蓬松。
5s后，如图2(b)所示，激光聚焦在右边第2块玻璃片11距离界面5μm处焊接第2次。此时第1次焊接的某些路线再次被焊接。此过程有加强焊接强度的作用，双层焊接粘结力可达80.26MPa,接近同样条件下的单层焊接粘结力(27.65MPa)的3倍。且能消除第1次焊接产生的热应力。
由于两次焊接都是在垂直方向上进行的，重力对焊接强度方向上无影响，双层焊接可形成更加稳固的玻璃焊接件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要方法及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，振镜可由其他可快速实现扫描功能的设备替代，激光焦点离界面的距离、焊接间隔时间、线间距、焊接扫描速度、超快激光加工路线及玻璃片形状可以依据需要改变，本发明实例只是其中1种情况。大于2块玻璃时可以进行多层焊接。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：使得玻璃焊接强度比单层焊接提高了几倍；无需繁琐的人工编程，振镜通过软件绘图可快速实现扫描路线；且消除了焊接强度方向上重力的影响，提供了一种有效提高焊接强度，高效、高精实现玻璃封装的技术与方法；将超快激光通过振镜聚焦在第1块玻璃接近界面处，依据扫描路线，垂直焊接1次；间隔一段时间，再聚焦在第2块玻璃接近界面处，垂直焊接第2次，第2次焊接对第1次焊接有消除热应力的作用，无需退火过程；两层先后焊，封装后的粘结力加强，也可以根据需要选择界面作为第1次或第2次的焊接面，对于多于两层的焊接，可以同样根据需要选择多层焊接面。
2.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：所述激光器波长满足对玻璃透射性好，波长范围为185nm-3500nm，可以根据玻璃基材需要设定。
3.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：所述激光器为超快脉冲激光器，脉冲宽度为皮秒或飞秒数量级。
4.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：所述激光器频率和平均功率分别始于1kHz和0.3W，可以根据需要调整。
5.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：扫描路线可以根据实际应用通过振镜自带软件绘制。
6.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：三维运动平台可以达到微米或纳米量级。
7.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：玻璃与玻璃之间通过夹具实现镜面接触。
8.根据权利要求1所述的实现双层或多层垂直封装（焊接）玻璃的方法，其特征在于：振镜可由其他可快速实现扫描功能的设备替代，激光焦点距离界面的距离、焊接间隔时间、线间距、焊接扫描速度、玻璃形状可以依据需要调整或选择。
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