CN108609841A - 一种适用于玻璃的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超快脉冲激光加工相关技术领域，其公开了一种适用于玻璃的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：(1)将第一样品放置于激光扫描振镜下方，并使激光焦点聚焦于所述第一样品的表面；(2)将第二样品自然叠放于所述第一样品上，调整所述激光扫描振镜的位置以使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处，其中，所述第二样品的材质为玻璃；(3)在所述接触处设定扫描区域，超快脉冲激光束以预定的扫描间距及扫描轨迹反复振荡扫描所述扫描区域，以实现所述第一样品与所述第二样品之间的焊接。所述焊接方法大幅度提升了玻璃焊接间隙，有助于使超快激光焊接玻璃技术得到工程化应用，实用性较强，有利于推广应用。

Description

一种适用于玻璃的焊接方法

技术领域

本发明属于超快脉冲激光加工相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于玻璃的焊接方法。

背景技术

随着太阳能电池、植入微电子等电子技术的快速发展，为了能够实现这些技术产品高效稳定的运作，封装是一个亟待解决的难题。玻璃以其高透光性、良好的生物兼容性和防水等优良特性成为了理想的封装材料，且获得了研究者们的青睐。

工程化的玻璃材料封装基本上是采用胶粘剂将两个玻璃表面粘连起来，以达到封装的目的。但是，由于胶粘剂易老化、易挥发和材质性能差等缺陷会对芯片的可靠性、稳定性和寿命造成直接影响。此外，胶粘剂自身有毒和污染环境的问题也限制了胶粘法的应用范围。因此，在强度要求高和工作环境苛刻的航空航天以及密封性要求好的植入微电子等领域都无法获得实际应用。

激光焊接以其连接强度高、精度高、灵活、无接触、工件形状限制小等优点，已在电子、汽车和医学等领域的微元件焊接中发挥了重要作用，并在工业领域中得到了迅速发展。但是对于玻璃材料的激光焊接，长脉冲激光(大于1ns)在玻璃内会引起材料对激光能量的线性吸收，导致玻璃在具有透射性波长(266nm～2000nm)的长脉冲激光范围内对激光能量的吸收微乎其微，而增加激光能量至玻璃的损伤阈值时，玻璃对激光能量的吸收率就会迅速增加，但是会导致吸收过多的激光能量以致热量积累过大，引起硬而脆的玻璃材料过热膨胀而破裂。为了解决上述问题，本领域相关技术人员做了一些研究，如专利CN105377783A公开了一种采用低熔融玻璃或者薄吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接的方法来实现玻璃介质封装，但是引入杂质不仅对器件造成了污染而且也影响了器件的透光性。此外，由于无机膜材料的加入造成界面存在物理化学性能的差异，而导致焊缝质量因成分不同而下降，从而影响封装的密封性能，也会导致器件因材料热膨胀系数不同而存在残余应力，易出现裂纹而影响器件的使用寿命。

与之相对照地，超快脉冲激光可以在玻璃材料内产生非线性效应，即使是对玻璃具有透射性波长的激光能量也可以被玻璃材料吸收，且具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高、可空间选择性加工等突出优点。

如专利CN106449439A提出采用超快脉冲激光对玻璃芯片进行激光焊接封装，其利用超快脉冲激光超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应使玻璃材料在焦点处熔融，直接在两块玻璃的接触处熔融玻璃自身材料，来实现在透明材料空间内进行选择性激光焊接。此外，由于激光和材料相互作用时间极短，能有效避免材料过多的热量积累，因而不会引起透射玻璃材料过热膨胀而破裂，有助于提高焊接封装的精度和质量。相比粘接等其他封装技术，该专利的制作工艺简单，芯片的厚度无限制，且不需要加入不同材质的填充物，能够提高玻璃芯片封装的强度性能、稳定性、可靠性和使用寿命。

再如专利CN106495454A公开了一种皮秒激光玻璃焊接系统及焊接方法，该皮秒激光玻璃焊接系统包括皮秒激光器、光学传导系统、振镜扫描系统、工作台和夹具，其中，所述皮秒激光器位于所述光学传导系统的一侧，所述振镜扫描系统位于所述光学传导系统的下方，所述夹具设于所述工作台上并位于所述振镜扫描系统的下方，所述夹具用于固定待焊接玻璃式样。该专利提供的皮秒激光玻璃焊接系统及方法通过选用皮秒量级的超快脉冲激光可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果。

以上几种方法虽然克服了长脉冲激光对于玻璃材料激光焊接的各种缺陷，但是如要实现超快脉冲激光对玻璃材料的微焊接却需要一个相当苛刻的条件，即光学接触条件，该条件要求玻璃样品之间的间隙为四分之一波长，甚至是100纳米以内，如此要求是由于激光聚焦光斑与玻璃材料非线性相互作用面积非常小，导致玻璃融化量也非常少，无法满足较大的焊缝间隙填充所需要的填充量的缘故。如果增加激光脉冲能量，将会导致极小的作用面积热量积累过大而爆裂。但是，实现玻璃样品之间的光学接触，在实际应用中是很难甚至几乎达不到的条件，尤其是对于较大面积的玻璃，实现大面积光学接触焊接显然更加困难，而如果仅仅满足局部的光学接触条件，则样品就会因为受力不均匀而产生变形甚至裂纹，将极大地影响激光焊接的质量。相应地，本领域存在着发展一种能够实现大间距玻璃之间的微焊接的方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于玻璃的焊接方法，其基于现有玻璃连接的工作特点，研究及设计了一种能实现大间距玻璃之间的微焊接的焊接方法。所述焊接方法利用超快脉冲激光束超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应而使玻璃在焦点附近区域的材料熔融，而扫描振镜的引入使得激光可以在一个小区域内快速反复地扫描，进而使激光作用材料再次接受激光照射时仍处于熔融状态，从而可以更好地再次吸收激光能量以扩大热影响区而形成更多的熔融物，由此形成一个小区域内稳定的熔池，且在激光反复振荡扫描下，由于产生的电磁效应、力学效应、热效应等会对移动范围内的熔池产生搅拌作用，熔池的搅拌翻腾过程会带来内部所产生的热压力的释放，以避免熔池内的物质向外喷溅，由此获得更多温和的熔融物来用以填充间隙，因此可以突破光学接触条件的壁垒，大幅度提升玻璃焊接间隙，有助于使超快激光焊接玻璃技术得到工程化应用，实用性较强，有利于推广应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于玻璃的焊接方法，该焊接方法主要包括以下步骤：

(1)将第一样品放置于激光扫描振镜下方，并使激光焦点聚焦于所述第一样品的表面；

(2)将第二样品自然叠放于所述第一样品上，调整所述激光扫描振镜的位置以使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处，其中，所述第二样品的材质为玻璃；

(3)在所述接触处设定扫描区域，超快脉冲激光束以预定的扫描间距及扫描轨迹反复振荡扫描所述扫描区域，以实现所述第一样品与所述第二样品之间的焊接。

进一步地，所述第一样品的材质为玻璃、金属及塑料中的任一种。

进一步地，通过将所述激光扫描振镜向上调整来使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处。

进一步地，所述激光扫描振镜上调Δh，Δh满足以下公式：

式中，h为单片玻璃的厚度，n为玻璃的折射率。

进一步地，所述扫描区域的形状为矩形、圆形及三角形中的任一种。

进一步地，所述第一样品与所述第二样品之间的间距大于等于10微米。

进一步地，所述第一样品与所述第二样品之间的间距为10微米。

进一步地，所述第一样品与所述第二样品之间的间距为20微米。

进一步地，所述扫描区域的面积小于等于5平方毫米。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于玻璃的焊接方法主要具有以下有益效果：

1.所述焊接方法利用超快脉冲激光束超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应而使玻璃在焦点附近区域的材料熔融，而扫描振镜的引入使得激光可以在一个小区域内快速反复地扫描，进而使激光作用材料再次接受激光照射时仍处于熔融状态，从而可以更好地再次吸收激光能量以扩大热影响区形成更多的熔融物，扩大熔池，从而能提供较多的熔化玻璃材料来填充接触处较大的间隙，实现大间隙玻璃激光焊接的目的。

2.在激光反复振荡扫描下，由于产生的电磁效应、力学效应、热效应等会对移动范围内的熔池产生搅拌作用，熔池的搅拌翻腾过程会带来内部所产生的热压力的释放，以避免熔池内的物质向外喷溅及玻璃材料因局部过热而炸裂，由此获得更多温和的熔融物来用以填充间隙，因此可以突破光学接触条件的壁垒，大幅度提升玻璃焊接间隙，有助于使超快激光焊接玻璃技术得到工程化应用。

3.所述焊接方法的工艺简单，易于实施，实用性较强，有利于推广应用。

4.所述焊接方法能够实现间距大于10微米的两个样品之间的焊接，灵活性较高，适用性强，所得产品的剪切力特性较好。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的适用于玻璃的焊接方法的流程示意图。

图2中的(a)、(b)分别是采用图1中的适用于玻璃的焊接方法涉及的焊接样品示意图。

图3中的(a)、(b)、(c)分别是采用图1中的适用于玻璃的焊接方法涉及的焊接路径及焊接区域的示意图。

图4是采用图1中的适用于玻璃的焊接方法涉及的微观过程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一样品，2-激光扫描振镜，3-激光焦点，4-第二样品，5-第一扫描轨迹，6-第一扫描间距，7-第二扫描轨迹，8-第二扫描间距，9-第三扫描轨迹，10-第三扫描间距，11-超快激光束，12-间隙，13-第一熔池，14-第二熔池，15-第一熔融物，16-第二熔融物。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明较佳实施方式提供的适用于玻璃的焊接方法，所述焊接方法利用超快脉冲激光束超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应而使玻璃在焦点附近区域的材料熔融，并采用区域焊代替了点焊、线焊，利用激光扫描振镜高速扫描的特点，使得激光在一个小区域内快速反复地扫描，进而使激光作用材料再次接受激光照射时仍处于熔融状态，从而可以更好地再次吸收激光能量以扩大热影响区而形成更多的熔融物，由此形成一个小区域内稳定的熔池，且在激光反复振荡扫描下产生的电磁效应、力学效应、热效应等会对移动范围内的熔池产生搅拌作用，熔池的搅拌翻腾过程会带来内部所产生的热压力的释放，以避免熔池内的物质向外喷溅。由此可见，所述的适用于玻璃的焊接方法可以获得更多温和的熔融物来用以填充间隙，因此可以突破光学接触条件的壁垒，大幅度提升玻璃焊接间隙，有助于使超快激光焊接玻璃技术得到工程化应用，实用性较强，有利于推广应用。

所述的适用于玻璃的焊接方法主要包括以下步骤：

步骤一，将第一样品放置于激光扫描振镜下方，并使激光焦点聚焦于所述第一样品的表面。具体地，如图2中的(a)图所示，将第一样品1放置于激光扫描振镜2的下方后，调整平移台Z轴以使激光焦点3位于所述第一样品1的表面。本实施方式中，所述第一样品1的材料为玻璃、金属及塑料中的一种。

步骤二，将第二样品自然叠放于所述第一样品上，调整所述激光扫描振镜的位置以使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处，其中所述第二样品的材质为玻璃。具体地，如图2中的(b)图所示，将第二样品4自然叠放于所述第一样品1上面，所述第二样品4的材料为玻璃，其无需按压、夹紧等处理。本实施方式考虑到玻璃会对入射激光造成折射影响，导致实际激光焦点下移，因而将所述激光扫描振镜2向上调整Δh，Δh满足公式其中h为单片玻璃的厚度，n为玻璃的折射率。本实施方式中，所述第一样品1与所述第二样品4之间的间距大于等于10微米。

步骤三，在所述接触处设定扫描区域，超快脉冲激光束以预定的扫描间距及扫描轨迹反复振荡扫描所述扫描区域，以实现所述第一样品与所述第二样品之间的焊接。本实施方式中，所述扫描区域的面积小于等于5平方毫米，如果扫描区域面积太大，激光扫描的光斑还未回到起点时，起点被融化的玻璃已经凝结，激光束再次作用于该点时不利于激光能量的吸收且易产生白色粉末状物质；所述扫描间距由所述第一样品1及所述第二样品4的材质及所述第一样品1与所述第二样品4之间的接触间隙大小确定。

具体地，在所述第一样品1与所述第二样品4的接触处设定一个扫描区域，超快激光束在所述扫描区域内以一定的扫描轨迹及扫描间距向四周高速扫描延伸，如此对所述扫描区域进行反复振荡扫描。所述扫描区域的形状可以为矩形、圆形及三角形，分别如图3中的(a)、(b)、(c)图所示。如图3中的(a)图所示，超快激光束在矩形的扫描区域内以螺旋线形的第一扫描轨迹5及第一扫描间距6向四周高速扫描延伸。如图3中的(b)图所示，超快激光束在圆形的扫描区域内以圆形的第二扫描轨迹7及第二扫描间距8向四周高速扫描延伸。如图3中的(c)图所示，超快激光束在三角形的扫描区域内以直线形的第三扫描轨迹9及第三扫描间距10向四周高速扫描延伸。

如图4所示，所述第一样品1及所述第二样品4处于自然叠放状态，在超快激光束11的反复振荡扫描下，所述第一样品1的上表面及所述第二样品4的上表面会分别产生第一熔池13及第二熔池14，同时所产生的电磁效应、力学效应及热效应等会对激光移动范围内的熔池产生搅拌作用，从而对内部所产生的热压力进行释放，如此避免了熔池内的物质向外喷溅，且分别形成了所述第一熔池13及所述第二熔池14内部稳定的温和的第一熔融物15及第二熔融物16，所述第一熔融物15及所述第二熔融物16逐渐增多并进入所述第一样品1及所述第二样品4之间的间隙12。激光扫描结束后，所述第一熔融物15及所述第二熔融物16逐渐再凝结形成所述第一样品1及所述第二样品4之间有效的连接，由此完成激光焊接。

以下以三个实施例对本发明提供的适用于玻璃的焊接方法进行进一步的详细说明。

实施例1

本发明第一实施例采用所述的适用于玻璃的焊接方法加工的样品为两片钠钙玻璃，两片钠钙玻璃之间的间距约为10微米，所用脉冲激光波长为1064纳米，脉宽为10ps，重复率为1MHz，单脉冲能量为12μJ，振镜扫描速度为1000mm/s，扫描次数为150次，每一个焊接区域的激光扫描振镜的扫描路径是环间距为0.01mm的同心圆，并选取了11个不同半径参数的小区域分别对样品进行了加工，选取得半径参数依次为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm，检测得到的对应样品的剪切力如下表所示。

实施例2

本发明第二实施例采用所述的适用于玻璃的焊接方法加工的样品为钠钙玻璃及石英玻璃，所述钠钙玻璃与所述石英玻璃之间的间距约为10μm，所用脉冲激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复率为2MHz、单脉冲能量为12μJ、激光扫描振镜的扫描速度为500mm/s，每一个焊接区域的激光扫描振镜的扫描路径是环间距为0.01mm的同心圆，扫描次数为200次，所得微焊接样品经剪切力测试，相应的剪切力均在40MPa以上，表明具有良好的连接性能。

实施例3

本发明第三实施例采用所述的适用于玻璃的焊接方法加工的样品为钠钙玻璃和304不锈钢片，所述钠钙玻璃与所述304不锈钢片之间的间距约为20μm，所用脉冲激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复率为1MHz，单脉冲能量为12μJ，激光扫描振镜的扫描速度为1000mm/s，每一个焊接区域的振镜扫描路径是螺旋线，扫描次数为100次，所得微焊接样品经剪切力测试，得到相应的剪切力均在30MPa以上，表明具有良好的连接性能。

本发明提供的适用于玻璃的焊接方法，所述焊接方法利用超快脉冲激光束超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应而使玻璃在焦点附近区域的材料熔融，而扫描振镜的引入使得激光可以在一个小区域内快速反复地扫描，进而使激光作用材料再次接受激光照射时仍处于熔融状态，从而可以更好地再次吸收激光能量以扩大热影响区形成更多的熔融物，由此形成一个小区域内稳定的熔池，且在激光反复振荡扫描下所产生的电磁效应、力学效应、热效应等会对移动范围内的熔池产生搅拌作用，熔池的搅拌翻腾过程会带来内部所产生的热压力的释放，以避免熔池内的物质向外喷溅，由此获得更多温和的熔融物来用以填充间隙，因此可以突破光学接触条件的壁垒，大幅度提升玻璃焊接间隙，有助于使超快激光焊接玻璃技术得到工程化应用，实用性较强，有利于推广应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于玻璃的焊接方法，其特征在于，该焊接方法主要包括以下步骤：

(1)将第一样品放置于激光扫描振镜下方，并使激光焦点聚焦于所述第一样品的表面；

(2)将第二样品自然叠放于所述第一样品上，调整所述激光扫描振镜的位置以使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处，其中，所述第二样品的材质为玻璃；

(3)在所述接触处设定扫描区域，超快脉冲激光束以预定的扫描间距及扫描轨迹反复振荡扫描所述扫描区域，以实现所述第一样品与所述第二样品之间的焊接。

2.如权利要求1所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述第一样品的材质为玻璃、金属及塑料中的任一种。

3.如权利要求1-2任一项所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：通过将所述激光扫描振镜向上调整来使所述激光焦点聚焦于所述第一样品与所述第二样品的接触处。

4.如权利要求3所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述激光扫描振镜上调Δh，Δh满足以下公式：

式中，h为单片玻璃的厚度，n为玻璃的折射率。

5.如权利要求1-2任一项所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述扫描区域的形状为矩形、圆形及三角形中的任一种。

6.如权利要求1-2任一项所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述第一样品与所述第二样品之间的间距大于等于10微米。

7.如权利要求6所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述第一样品与所述第二样品之间的间距为10微米。

8.如权利要求6所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述第一样品与所述第二样品之间的间距为20微米。

9.如权利要求1-2任一项所述的适用于玻璃的焊接方法，其特征在于：所述扫描区域的面积小于等于5平方毫米。