CN110039177B - 一种玻璃密封焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃密封焊接方法，包括：将第一片样品和第二片样品叠放；调整超快激光器的激光焦点至第一片样品和第二片样品之间形成的间隙面上；基于所需封装区域，改变激光焦点在间隙面上的位置，采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个位置对应的局部焊点，其中，多个局部焊点包围所述所需封装区域；在所需封装区域内，进行超快激光线焊，完成大间隙玻璃密封焊接。本发明所提供的方法可直接对接触间隙较大的两块样品实施密封焊接，无需光学接触及任何夹具，且具有较高的剪切力和良好的密封性，可为激光焊接技术在玻璃封装上的应用提供切实可行的方法，实现工程化应用。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别是涉及一种玻璃密封焊接方法。
背景技术
芯片封装在微电子技术中正扮演着越来越重要的角色，直接影响着器件和集成电路的电、热、光和机械性能，而不断扩大的芯片在不同应用领域的使用，对封装材料的的透光性和生物相容性提出了较高的要求，其中玻璃无疑是理想的封装材料。
目前，玻璃材料的封装方法主要有阳极键合、热熔接、胶粘法和激光焊接等。然而，阳极键合需要高温高压，易对器件造成损伤；热熔接法需要将材料加热至融化，这对于大部分器件来说都是不适用的；胶粘法易老化、易挥发，会直接影响芯片的可靠性、稳定性和寿命；激光焊接法需要基底不透明或者填充吸光介质，严重影响了器件的透光性能。这些方法都存在各自的缺点，应用范围有限。
为解决传统封装工艺无法克服的问题，有学者提出采用超快激光进行焊接。利用超快脉冲激光束在玻璃材料内焦点处产生非线性效应，使在焦点处的玻璃对具有透射性波长的激光能量产生吸收，并使玻璃材料融化再凝结，形成焊缝。这种焊接方法无需再添加中间吸收层，并具有焊接精度高、热影响区小、连接强度高、可选择性焊接等优点。例如，公开的申请专利(CN 106495454A)提供了一种皮秒激光玻璃焊接系统及焊接方法，该发明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激光来实现无焊料添加的玻璃焊接效果。另一项公开的申请专利(CN105377783A)中提出一种“采用低熔融玻璃或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。
然而，以上这些方法需要一个相当苛刻的条件——光学接触条件，即间隙应小于1/4波长，甚至是100nm以内。这就要求待焊接的玻璃表面粗糙度达到镜面光学条件，并且两块大尺寸玻璃由于表面的不平度问题，还需要外加压力夹具来满足这一要求。不但增加成本，而且很难大面积实现光学接触条件，因而无法实现工程化应用。
发明内容
本发明提供一种玻璃密封焊接方法，用以解决现有采用超快激光进行玻璃密封焊接所需条件苛刻导致无法工程化应用的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种玻璃密封焊接方法，包括：
步骤1、将第一片样品和第二片样品叠放；
步骤2、调整超快激光器的激光焦点至所述第一片样品和所述第二片样品之间形成的间隙面上；
步骤3、基于所需封装区域，改变所述激光焦点在所述间隙面上的位置，采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个所述位置对应的局部焊点，其中，多个所述局部焊点包围所述所需封装区域；
步骤4、在所述所需封装区域内进行超快激光线焊，完成玻璃密封焊接。
本发明的有益效果是：本发明提供的大间隙玻璃密封焊接方法，对自然搭接的两片样品，先采用超快激光快速振荡扫描法，对所需封装区域的外围实施局部点焊，以一定的间隔沿所需封装区域实施一圈焊点，利用熔融物再凝结的固化收缩效应而产生的内部拉力，使所需封装区域内的玻璃接触间隙，达到一个均匀的最小值。然后再采用超快激光快速扫描，在此区域内以线焊方式实施密封线焊接，实现良好的密封效果。因此，本发明所提供的方法可以直接对接触间隙较大的两块样品实施密封焊接，无需光学接触及任何夹具，且具有较高的剪切力和良好的密封性，可为激光焊接技术在玻璃封装上的应用提供切实可行的方法，实现工程化应用。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述间隙大于等于10μm。
本发明的进一步有益效果是：两片样品自然搭接，即可对两片样品进行密封焊接，无需严格的密封条件，应用简便，使用范围广。
进一步，所述步骤2包括：
将所述超快激光器的超快激光从所述第一片样品和所述第二片样品中透明的一片样品的一侧射入，并调整超快激光器的激光焦点至所述第一片样品和所述第二片样品之间形成的间隙面上。
本发明的进一步有益效果是：超快激光的波长为透射性波长，可从透明的一侧摄入样品内部，由于超快激光超高的峰值功率与样品材料产生非线性效应，从而实现对内部间隙的封装焊接。
进一步，所述第一片样品或所述第二片样品为玻璃；
则所述第二片样品或所述第一片样品为芯片基片材料。
本发明的进一步有益效果是：其中一片样品为玻璃，以实现玻璃密封焊接，另一片样品可为玻璃、陶瓷、金属或塑料等芯片基片材料，只要其中一片为玻璃即可，适用范围广。
进一步，所述超快激光为能透过玻璃介质的波长为300-1200nm的激光。
本发明的进一步有益效果是：300-1200nm的激光可以透过玻璃，从而作用到间隙处，否则激光就会作用在玻璃表面，无法实现对间隙处的焊接。
进一步，所述步骤4中，所述超快激光线焊的路径为封闭图形。
本发明的进一步有益效果是：由于多个局部焊点仅仅实现每个焊点位置处的两片样片的焊接，而相邻两个局部焊点之间还存在缝隙，通过在局部焊点包围的区域内进行封闭图形的线焊，以实现所需封装区域的密封焊接。其中，封闭图形可为圆环、矩形环或是其他封闭图形。
进一步，相邻两个所述局部焊点的间距，最小为该两个局部焊点的边界相切。
本发明的进一步有益效果是：相邻两个局部焊点之间的边界间距不能太小，以避免能量过多累积而造成样品的损伤，提高玻璃密封焊接的可靠性和安全性。
进一步，所述步骤3中，所述采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个所述位置对应的局部焊点，包括：
在每个所述位置处，通过激光扫描振镜，驱动所述超快激光按照预设扫描速度和扫描路径进行振荡扫描，形成该位置对应的局部焊点，实现该位置处的所述第一片样品和所述第二片样品之间的焊接。
本发明的进一步有益效果是：利用超快激光束超强光强特性和振镜高速扫描的特点，让激光焦点在每个间隙位置处快速反复地扫描，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来扩大热影响区，产生更多的熔融物来填充较大的接触间隙，实现较大接触间隙的焊接，形成局部焊点，同时，缩小焊点周围的间隙的大小。
进一步，所述局部焊点的个数为k个，k为正整数，且使得所述所需封装区域内的所述间隙小于等于3μm。
本发明的进一步有益效果是：局部焊点的个数使得局部焊点包围的封装区域的间隙达到能够进行线焊的间隙，实现有效的大间隙玻璃密封焊接。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种玻璃密封焊接方法。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种玻璃密封焊接方法的流程框图；
图2为本发明另一个实施例提供的待焊接样品的示意图；
图3为本发明另一个实施例提供的焊点环示意图；
图4为本发明另一个实施例提供的两片样品水平放置时的局部焊点焊接的示意图；
图5为本发明另一个实施例提供的线焊的示意图；
图6为本发明另一个实施例提供的每个局部焊点附近的间隙大小随局部焊点数量的变化规律图；
图7为本发明另一个实施例提供的两片样品竖直放置时的局部焊点焊接的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为第一片样品，2为第二片样品，3为超快激光，4为间隙，5为一个局部焊点，6为局部焊点5对应的下一个局部焊点，7为焊点环，8为第一样品1对应的熔融物，9为第二样品2对应的熔融物，10为第一样品1对应的热压力，11为第二样品2对应的热压力；12为连接桥，13为接头焊点，14为第一样品1对应的内部拉力，15为第二样品2对应的内部拉力，16为楔形的接触间隙，17为扫描线焊的路径。
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。
实施例一
一种玻璃密封焊接方法100，如图1所示，包括：
步骤110、将第一片样品和第二片样品叠放；
步骤120、调整超快激光器的激光焦点至第一片样品和第二片样品之间形成的间隙面上；
步骤130、基于所需封装区域，改变激光焦点在间隙面上的位置，采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个位置对应的局部焊点，其中，多个局部焊点包围所需封装区域；
步骤140、在所需封装区域内进行超快激光线焊，完成玻璃密封焊接。
当两块待焊玻璃接触间距大于3微米时，由于皮秒激光与物质作用区域较小，无法产生足以填充较大间隙的熔融物，并且，大间隙无法抑制内部热压力的释放，导致熔融物的喷溅而使熔融物量进一步减少。因而在这样的情况下，直接实施线焊来进行密封焊接无疑是无法成功的。本实施例采用一种快速多次在一个小焊接区域内振荡扫描的方法，实现较大接触间隙的局部焊点焊接。
本实施例的玻璃密封焊接方法，基本原理是利用超快激光通过快速振荡扫描与玻璃的局部材料产生相互作用，在作用的部位形成局部稳定熔池。在熔池内的热压力挤压和重力等因素的作用下，熔融物进入两片样品的接触间隙(该间隙为自然搭接形成的大间隙)，并连接上下层样品。当熔融物冷却再凝结后，会因凝固收缩效应而对两层玻璃产生一个内部拉力，使局部焊点周边的玻璃接触间隙变小，形成一个以此局部焊点为中心向四周扩展的楔形接触间隙。这种楔形接触间隙具有一个倾斜角度，即：离局部焊点中心越近的位置，两片样品的接触间隙越小。
因此，当相邻的即将要形成的下一个局部焊点与上一个局部焊点间距较近时，该即将要形成的下一个局部焊点的位置在焊接前，两片样品接触间隙将会小于上一个局部焊点在焊接前的接触间隙。
这种方法无疑对大间隙玻璃的密封焊接是一个非常有益的效应，因为该效应可在无需借助夹具条件下将玻璃密封焊接的初始的接触间隙自然减小，从而可大大减少填充间隙所需的熔融材料，并且可进一步抑制内部热压力的释放来减少熔融物的喷溅量。在接触间隙最小条件下，再实施密封线焊接，可获得良好的线焊缝，达到良好的密封效果。
本实施例对自然搭接的两片样品，先采用超快激光快速振荡扫描法，对所需封装区域的外围实施局部点焊，以一定的间隔沿所需封装区域实施一圈焊点，利用熔融物再凝结的固化收缩效应而产生的内部拉力，使所需封装区域内的玻璃接触间隙，达到一个均匀的最小值。然后再采用超快激光快速扫描，在此区域内以线焊方式实施密封线焊接，实现良好的密封效果。因此，本实施例所提供的方法可以直接对接触间隙较大的两块玻璃实施密封焊接，无需光学接触及任何夹具，且具有较高的剪切力和良好的密封性，封装过程简单，成本低，可为激光焊接技术在玻璃封装上的应用提供切实可行的方法，实现工程化应用。
优选的，间隙大于等于10μm。
两片样品自然搭接，即可对两片样品进行密封焊接，无需严格的密封条件，应用简便，使用范围广。
优选的，步骤120包括：
将超快激光器的超快激光从第一片样品和第二片样品中透明的一片样品的一侧射入，并调整超快激光的激光焦点至第一片样品和第二片样品之间的间隙上。
超快激光的波长为透射性波长，可从透明的一侧摄入样品内部，由于超快激光超高的峰值功率与样品材料产生非线性效应，从而实现对内部间隙的封装焊接。
优选的，第一片样品或第二片样品为玻璃；则第二片样品或第一片样品为玻璃、陶瓷、金属或塑料。
其中一片样品为玻璃，以实现玻璃密封焊接，另一片样品可为玻璃、陶瓷、金属或塑料，只要其中一片为玻璃即可，适用范围广。
优选的，超快激光为能透过玻璃介质的波长为300-1200nm的激光。
300-1200nm的激光可以透过玻璃，从而作用到间隙处，否则激光就会作用在玻璃表面，无法实现对间隙处的焊接。
优选的，步骤140中，超快激光线焊的路径为封闭图形。
由于多个局部焊点仅仅实现每个焊点位置处的两片样片的焊接，而相邻两个局部焊点之间还存在缝隙，通过在局部焊点包围的区域内进行封闭图形的线焊，以实现所需封装区域的密封焊接。其中，封闭图形可为圆环、矩形环或是其他封闭图形。
优选的，相邻两个局部焊点的间距，最小为该两个局部焊点的边界相切。
相邻两个局部焊点的间距太小会造成两个样品的损伤。例如，若局部焊点为圆形，则相邻两个焊点的中心点间距为大于等于该两个局部焊点的半径之和。
因此，相邻两个局部焊点之间的边界间距不能太小，以避免能量过多累积而造成两个样品的损伤，提高玻璃密封焊接的可靠性和安全性。
优选的，步骤130中，采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个位置对应的局部焊点，包括：
在每个位置处，通过激光扫描振镜，驱动超快激光按照预设扫描速度和扫描路径进行振荡扫描，形成该位置对应的局部焊点，实现该位置处的第一片样品和第二片样品之间的焊接。
利用超快激光束超强光强特性和振镜高速扫描的特点，让激光焦点在每个间隙位置处快速反复地扫描，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来扩大热影响区，产生更多的熔融物来填充较大的接触间隙，实现较大接触间隙的焊接，形成局部焊点，同时，缩小焊点周围的间隙的大小。
优选的，局部焊点的个数为k个，k为正整数，且使得所需封装区域内的间隙小于等于3μm。
选择局部焊点间距合适，玻璃间隙的减小会产生叠加效果，即某一位置的两片样品的接触间隙会随着已形成的局部焊点的数目增加而逐渐减小，最终所需封装区域的间隙会达到一个最小值。继续增加局部焊点的数量，接触间隙不再继续减小，只会在最小值附近波动。
局部焊点的个数使得局部焊点包围的封装区域的间隙达到能够进行线焊的间隙，实现有效的大间隙玻璃密封焊接。
例如，如图2中所示，第一步，将第一片样品1自然叠放于第二片样品2之上，无需按压、夹紧等处理。第一片样品1的材料为玻璃，第二片样品2的材料为玻璃、陶瓷、金属、塑料等，本实施例对此不做限定，具体视情况而定。
第二步，调整超快激光3，使其聚焦在两片样品1和2的接触间隙处4，即超快激光穿过第一片样品1聚焦在接触间隙4处。
第三步，采用超快激光快速振荡扫描法，对所需封装区域的外围，实施预局部点焊接，其中快速振荡扫描法可同专利(CN 108609841A)。具体实施方式是，如图3所示，每完成一个局部焊点5，再间隔一定的间距，实施下一个局部焊点6，直至围绕所需封装区域形成一个局部焊点环7。
在这个过程中，如图4所示，超快激光与玻璃材料相互作用而产生的熔融物8和9，熔融物8和9在熔池内的热压力10和11的挤压和重力等因素作用下，进入接触间隙4，以将第一片样品1和第二片样品2连接，形成连接桥12，如图4(a)所示。超快激光束停止照射后，连接桥12冷却凝固后会形成局部焊点13。由于固化收缩效应对两片样品有一个内部拉力14和15，会减小局部焊点13附近的间隙，形成一个楔形的接触间隙16，如图4(b)所示。因此，局部焊点围绕所需封装区域形成焊点环7，可使所需封装区域的接触间隙减小到最小值。
第四步，如图5所示，在焊点环7围绕的所需封装区域内，实施超快激光扫描线焊。扫描线焊的路径17可为圆环、矩形环或是其他封闭图形，本实施例对此不做限定，具体视情况而定，实现超快激光大间隙玻璃密封焊接。
其中，基于第一步至第三步，分别实施以下示例：
示例1：加工的样品为两片钠钙玻璃，其接触间隙约为10μm，实施焊点环7。超快激光参数：波长1064nm，单脉冲能量12μJ，重复率1MHz，脉宽10ps；振镜参数：扫描速度1000mm/s，扫描次数150次；路径参数：半径0.3mm，环间隙0.01mm。图6是局部焊点的间隔为1mm所得的每个局部焊点附近的玻璃间隙大小随焊点数量的变化规律。
实验结果表明：随着焊接点数的增多，两块玻璃接触间隙减小的速度较快；但到第8个点后，接触间隙减小速度变慢；在第17个焊接点处玻璃间隙达到最小值1.47μm；继续增加焊点个数，接触间隙略有上升。在焊点环围绕区域内实施超快激光扫描圆形密封线焊后，可实现良好密封性。
示例2：加工的样品为钠钙玻璃和304不锈钢，其间距约为20μm。激光参数：波长1064nm，单脉冲能量12μJ，重复率1MHz，脉宽10ps；振镜参数：扫描速度1000mm/s，扫描次数150次；路径参数：半径0.3mm，环间隙0.01mm。所得焊点环后，对焊接样品进行剪切力测试，其剪切力结果均在40MPa以上，具有了良好的连接性能，在焊点环7围绕封装区域内实施超快激光扫描矩形密封线焊接后，可获得良好密封性能。
示例3：加工的样品为钠钙玻璃与陶瓷，其间距约为30μm。激光参数：波长1064nm，单脉冲能量12μJ，重复率1MHz，脉宽10ps；振镜参数：扫描速度1000mm/s，扫描次数150次；路径参数：半径0.3mm，环间隙0.01mm。所得焊接样品经剪切力测试，其剪切力结果均在20MPa以上，然后在被区域焊包围的所需封装区域内实施线焊，为圆环样式，所得密封焊接样品经水密性测试，结果表明可保持18小时的良好密封性能。
需要说明的是，当两片样品竖直放置且自然搭接时，也能通过本实施例所述的玻璃密封焊接方法，实现大间隙玻璃密封，如图7所示。因此，本实施例的玻璃密封焊接方法适用于任何方向放置的相互自然搭接的两片样品的密封，应用灵活。
实施例二
一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取该指令时，使计算机执行上述实施例中任一种玻璃密封焊接方法。
存储介质中存储的指令所对应的相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
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 (10)
1.一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，包括：
步骤1、将第一片样品和第二片样品叠放；
步骤2、调整超快激光器的激光焦点至所述第一片样品和所述第二片样品之间形成的间隙面上；
步骤3、基于所需封装区域，改变所述激光焦点在所述间隙面上的位置，采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个所述位置对应的局部焊点，其中，相邻的即将要形成的下一个局部焊点的第二位置满足：上一局部焊点所在的第一位置在焊接后，所述第二位置处的样品间隙，小于所述第一位置在焊接前所述第二位置处的样品间隙；最终得到的多个局部焊点包围所述所需封装区域，且此时所述所需封装区域的样品间隙小于所述多个局部焊点形成前该所需封装区域的样品间隙；
步骤4、在所述多个局部焊点包围的所述所需封装区域内进行超快激光线焊，完成玻璃密封焊接。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述步骤1中，所述第一片样品和所述第二片样品叠放后的样品间隙大于等于10μm。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述步骤2包括：
将所述超快激光器的超快激光从所述第一片样品和所述第二片样品中透明的一片样品的一侧射入，并调整超快激光器的激光焦点至所述第一片样品和所述第二片样品之间形成的间隙面上。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述第一片样品或所述第二片样品为玻璃；
则所述第二片样品或所述第一片样品为芯片基片材料。
5.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述超快激光为能透过玻璃介质的波长为300-1200nm的激光。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述步骤4中，所述超快激光线焊的路径为封闭图形。
7.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，相邻两个所述局部焊点的间距，最小为该两个局部焊点的边界相切。
8.根据权利要求1所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，所述采用超快激光快速振荡扫描法，形成每个所述位置对应的局部焊点，包括：
在每个所述位置处，通过激光扫描振镜，驱动所述超快激光按照预设扫描速度和扫描路径进行振荡扫描，形成该位置对应的局部焊点，实现该位置处的所述第一片样品和所述第二片样品之间的焊接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种玻璃密封焊接方法，其特征在于，所述局部焊点的个数为k个，k为正整数且且使得最终得到的k个局部焊点所包围的所述所需封装区域的样品间隙小于等于3μm。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至9任一项所述的一种玻璃密封焊接方法。
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