CN113634898A - 高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其包含：激光器模块，其包含超快激光器和普通激光器；激光整形模块，其包含的超快激光整形模块和普通激光整形模块分别接收对应的超快激光和普通激光，并转化成焊接所需的光束后射出；合束镜，其与激光整形模块光路连接，形成激光的共轴集成，将激光整形模块射出的光束汇合成同轴复合照射高能束激光并射出；激光引导模块，其包含多组振镜；其中，所述复合照射高能束激光经振镜反射传输至作用焊接区，在作用焊接区的表面形成复合光斑，使作用焊接区的材料熔凝结合，形成固结的高硅铝连接接头。本发明具有焊接可靠性高、对材料热影响小和缓解了不同材料之间应力不匹配等优势。

Description

高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置及方法
技术领域
本发明属于激光焊接领域，特别涉及一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置及方法。
背景技术
面向现代航天器高性能化及高服役环境需求，要求所配置的电子封装系统体积更小、功率更大、集成化程度更高。因此，设计大量芯片裸集成于封装盒底面，要求其膨胀系数须与GaAs或Si芯片材料具有良好的匹配度，同时具有优良的散热性能，可将集成电路产生的热量及时散出。同时，要求电子盒体的封装壳侧壁和上盖起支撑和保护作用，且具有良好的机械性能、气密性和可焊接性能。
高硅铝合金是指Si含量超过30％的铝合金，目前50％Si-Al已普遍应用于相关产品。70％Si-Al是未来封装用组装盒体的材料趋势，随之，传统的胶铆、钎焊封装手段将以无法满足70％Si-Al焊接及高性能工作需要。激光焊接是电子封装采用难焊材料以实现焊接成功的关键工艺之一。由于铝合金和硅颗粒熔点相差大，目前大部分的工艺聚焦于采用钎料的激光焊接。但激光软钎焊接技术，由于加入钎料层合金材料组成复杂，失效机理多、容易产生相应的缺陷，可靠性低。因此，发展直接激光焊接就显得尤为重要。目前现有的激光焊接只采用一种了激光类型或者其关键激光器件及光路系统较为复杂，而焊接的方式又较为单一、焊接效率低，可焊材料范围较为狭窄，可靠性不高或者成本较高，技术和经济没有到达最优状态。
发明内容
本发明的目的是针对高硅铝气密封装盒体的特点，采用超快激光外部环绕普通激光的方式，实现从飞秒到毫秒普通激光的跨尺度超快激光复合焊接，解决70Si-Al高硅铝合金可靠焊接的难题。
为实现上述目的，本发明提供一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其包含：激光器模块，其包含的超快激光器和普通激光器分别提供超快激光和普通激光；激光整形模块，其与激光器模块光路连接，其包含的超快激光整形模块和普通激光整形模块分别接收对应的超快激光和普通激光，并转化成焊接所需的光束后射出；合束镜，其与激光整形模块光路连接，形成激光的共轴集成，将超快激光整形模块和普通激光整形模块射出的光束汇合成同轴复合照射高能束激光并射出；激光引导模块，其包含多组振镜；其中，所述复合照射高能束激光经多组振镜反射传输至作用焊接区，在作用焊接区的表面形成复合光斑，使作用焊接区的材料熔凝结合，形成固结的高硅铝连接接头。
优选地，所述超快激光整形模块包含：准直器和过轴棱锥镜；所述超快激光依次经过所述准直器和所述过轴棱锥镜后转化成贝塞尔-高斯激光或长焦深-小焦斑的类贝塞尔激光，以获得更大的深径比。
优选地，所述普通激光整形模块包含：环形光斑整形器，其用于形成环形光束；动态聚焦镜，其位置可以移动，以调节环形光束的直径大小。
优选地，所述复合照射高能束激光在作用焊接区表面形成的复合光斑包含：类贝塞尔光斑和环形光斑；所述类贝塞尔光斑被所述环形光斑环绕包围，形成“针”与“环”的局部热场，使作用焊接区的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合，相应地形成“T”形焊核。
优选地，所述激光引导模块与作用焊接区之间还设置有f-θ场镜，使激光引导模块的反射激光边缘能够入射到作用焊接区上。
优选地，当超快激光器和普通激光器的光轴平行设置时，所述复合焊接装置还包括：准直镜和反射镜，用于对普通激光器发射的普通激光进行预处理；其中，所述准直镜与普通激光器同轴光路连接，使普通激光平行射出；所述反射镜与准直镜的放置夹角为45°，且所述反射镜与所述合束镜平行放置，所述普通激光整形模块设置在反射镜和合束镜之间的光路上，将预处理后的激光转化成焊接所需的环形光束。
优选地，当超快激光器和普通激光器的光轴垂直设置时，普通激光器与普通激光整形模块同轴光路连接，且普通激光整形模块设置于普通激光器和合束镜之间的光路上，普通激光直接入射至普通激光整形模块并转换成环形光束出射至合束镜。
一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接方法，其包括如下步骤：
步骤S1、对气密封盖和盒体上的作用焊接区表面进行加工预处理，以提高气密封盖和盒体的材料可焊性；
步骤S2、在盒体上设置多个定位组件，使气密封盖和盒体精密能够精密装配；
步骤S3、设置复合照射高能束激光，使高能束激光照射到气密封盖和盒体上的作用焊接区表面，以形成“T”形焊核和发生熔凝结合；
步骤S4、调整复合照射高能束激光，控制“T”形焊核的形成与熔凝结合的速度。
其中，步骤S1中所述加工预处理包括：对作用焊接区表面材料进行抛磨，提高表面粗糙度使其优于Ra0.6μm。
其中，所述复合照射高能束激光的中心为所述超快激光，所述普通激光环绕在超快激光的外部；优选地，所述超快激光的脉宽<500fs，单脉冲能量设定在1～50μJ，焊接速度≥8mm/s。
其中，步骤S4所述的调整复合照射高能束激光具体包括同时或分步地对作用焊接区施加中心超快激光环或外部环绕普通激光照射，形成“针”与“环”状的局部热场，使作用焊接区的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置及方法，具有如下有益效果：
1、采用超快激光与普通激光共轴复合，“针”与“环”状的局部热场，形成接头接触界面及垂直于界面的边缘延伸面区域材料均同时或分步地发生熔凝结合，相应地形成“T”焊核，热力场更加适应于对接焊缝，并且材料容易润湿如高硅铝(尤其是70Si-Al)的焊缝，因此适用高密封性高可靠性的连接；
2、采用飞秒激光焊接70Si-Al，其材料快速熔凝，热影响区域极小；
3、采用采用非线性非平衡态光子-电子-声子-等离子体相互作用，通过原位加热机制的复杂特性，从而避免复杂钎料合金带来的风险，以热作用机理复杂度控制替换成分复杂，整体提高了技术的可靠性；
4、采用超快激光与普通激光复合，普通激光环状地作用于焊核上表面，从而融合潜在的热裂纹倾向，缓解应力不匹配，进而提高气密封性。
附图说明
图1为本发明的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置示意图；
图2为本发明的跨尺度超快激光焊接的复合光斑示意图；
图3为本发明的跨尺度超快激光焊接的T型焊核示意图；
图4(b)为本发明的高硅铝气密封装盒体零件俯视图
图4(a)为本发明的高硅铝气密封装盒体零件沿图4(b)中虚线A-A的剖视图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图1～附图4，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，如图1所示，其包括：激光器模块，其包含的超快激光器1a和普通激光器1b分别提供超快激光和普通激光；激光整形模块，其与激光器模块光路连接，其包含的超快激光整形模块2a和普通激光整形模块5分别接收对应的超快激光和普通激光，并转化成焊接所需的光束后射出；合束镜3，其与激光整形模块光路连接，形成激光的共轴集成，将超快激光整形模块2a和普通激光整形模块5射出的光束汇合成同轴复合照射高能束激光并射出；激光引导模块，其包含计算机控制的多组振镜6和对应的控制组件；其中，所述复合照射高能束激光经多组振镜6反射传输至作用焊接区8，在作用焊接区8的表面形成复合光斑，使作用焊接区8的材料熔凝结合，形成固结的高硅铝连接接头。
其中，所述复合照射高能束激光的中心为超快激光，普通激光环绕在超快激光的外部；具体的，所述超快激光为飞秒或皮秒激光。
其中，所述超快激光整形模块2a包含：准直器和过轴棱锥镜；所述超快激光依次经过准直器和过轴棱锥镜后转化成贝塞尔-高斯光束或长焦深-小焦斑的类贝塞尔光束，以获得更大的深径比。
其中，所述普通激光整形模块5包含：环形光斑整形器，其用于形成环形光束；动态聚焦镜，其位置可以移动，以调节环形光束的直径大小；具体的，所述普通激光经过环形光斑整形器转换成环形光束，之后调节动态聚焦镜的位置可以获得直径大小不同的环形光束，即得到了动态可调的环形局部热场。
其中，如图2所示，所述复合照射高能束激光在作用焊接区8表面形成的复合光斑包含：类贝塞尔光斑2-2和环形光斑2-1；所述类贝塞尔光斑2-2被所述环形光斑2-1环绕包围，形成“针”与“环”的局部热场，使作用焊接区8的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合，相应地形成“T”形焊核4-3，如图4(a)所示。
其中，如图3所示，所述“T”形焊核4-3包含：由类贝塞尔的圆形光斑2-2产生的尖锥形焊核3-2和/或由环形光斑2-1产生的圆饼形焊核3-1。
其中，多组所述振镜6对应的控制组件以振镜控制板卡为主要功能部件，通过PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)或PCIe(PeripheralComponent Interconnect Express，高速串行计算机扩展总线标准)接口集成于装置总体控制工控计算机内，主要含有振镜6引导驱动控制，以实现复合照射高能束激光按设计路线轨迹运动。
进一步地，多组所述振镜和激光器模块由计算机内的控制板卡联合控制；同时，所述的激光器模块、激光整形模块、合束镜3和激光引导模块采用光、机、电及加工信息一体化控制，以实现作用焊接区8的材料能够同时或分步地发生熔凝结合；具体的，当作用焊接区8接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料同时熔凝结合，通过计算机控制超快激光器1a和普通激光器1b同时开启，并发射各自的激光以实现同时熔凝结合；当作用焊接区8接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料分步熔凝结合时，根据焊接需求，通过计算机控制超快激光器1a或普通激光器1b开启并发射对应的激光，当达到部分熔凝结合的要求时，再打开另一个激光器并发射对应的激光。
其中，所述激光引导模块与作用焊接区8之间还设置有f-θ场镜7，使激光引导模块中的振镜6反射的激光边缘能够入射到作用焊接区8上，提高复合照射高能束激光的使用效率。
当超快激光器1a和普通激光器1b的光轴平行设置时，如图1所示，高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置还包括：准直镜2b和反射镜4，用于对普通激光器1b发射的普通激光进行预处理；具体的，所述准直镜2b与普通激光器1b同轴光路连接，使普通激光平行射出；所述反射镜4与准直镜2b的放置夹角为45°，且所述反射镜4与所述合束镜3平行放置，所述普通激光整形模块5设置在反射镜4和合束镜3之间的光路上，将预处理后的激光转化成焊接所需的环形光束。
当超快激光器1a和普通激光器1b的光轴垂直设置时，普通激光器1b与普通激光整形模块5同轴光路连接，且普通激光整形模块5设置于普通激光器1b和合束镜3之间的光路上，普通激光直接入射至普通激光整形模块5并转换成环形光束出射至合束镜3。
本发明一优选的实施例中，使用的气密封焊接接头样件如图4所示，由硅铝合金盖板4-1和高硅铝盒体4-2组成；其中，硅铝合金盖板4-1的材料成分由12Si-Al构成；高硅铝盒体4-2的材料成分由70Si-Al构成。焊接激光分别由超快激光器1a和普通激光器1b提供，且两种激光器设置为同步出光；其中，超快激光器1a发射出的飞秒激光脉宽飞秒激光脉宽<500fs，单脉冲能量设定在1～50μJ之间，焊接速度≥8mm/s；普通激光器1b发射出的普通激光功率为80W。所述飞秒激光和普通激光分别经过超快激光整形模块2a和普通激光整形模块5转换后，经合束镜3汇合成复合照射高能束激光入射至多组振镜6(本实施例为飞行焊用振镜)，复合照射高能束激光经过飞行焊用振镜6反射后进入f-θ场镜7，经过f-θ场镜7优化后的复合照射高能束激光照射在作用焊接区8上形成类贝塞尔光斑2-2和环形光斑2-1，对作用焊接区8进行加热焊接，使接头界面区域材料发生熔凝结合，形成“T”形焊核，最终形成高气密高可靠固结的高硅铝连接接头，即硅铝合金盖板4-1和高硅铝盒体4-2密封焊接完成。
本发明还提供了一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接方法，所述高硅铝气密封装盒体由气密封盖和盒体组成，所述复合焊接方法包括如下步骤：
步骤S1、对气密封盖和盒体上的作用焊接区8表面进行加工预处理，以提高气密封盖和盒体的材料可焊性；
步骤S2、在盒体上设置多个定位组件，使气密封盖和盒体精密能够精密装配；
步骤S3、设置复合照射高能束激光，使高能束激光照射到气密封盖和盒体上的作用焊接区表面8，以形成“T”形焊核和发生熔凝结合；
步骤S4、调整复合照射高能束激光，控制“T”形焊核的形成与熔凝结合的速度。
其中，步骤S1中所述加工预处理包括：对作用焊接区8表面材料高质量抛磨，提高表面粗糙度使其优于Ra0.6μm。
其中，步骤S4所述的调整复合照射高能束激光具体包括同时或分步地对作用焊接区8施加中心超快激光或外部环绕普通激光照射，形成“针”与“环”状的局部热场，使作用焊接区8的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合，相应地形成“T”形焊核，获得高气密高可靠固结的高硅铝连接接头。
综上所述，与现有技术相比，本发明所提供的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置及方法具有适用于高密封性、高可靠性的焊接、对焊接材料的热影响区域小和能够缓解焊接材料之间应力不匹配等优势。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，包含：
激光器模块，其包含的超快激光器(1a)和普通激光器(1b)分别提供超快激光和普通激光；
激光整形模块，其与激光器模块光路连接，其包含的超快激光整形模块(2a)和普通激光整形模块(5)分别接收对应的超快激光和普通激光，并转化成焊接所需的光束后射出；
合束镜(3)，其与激光整形模块光路连接，形成激光的共轴集成，将超快激光整形模块(2a)和普通激光整形模块(5)射出的光束汇合成同轴复合照射高能束激光并射出；
激光引导模块，其包含多组振镜(6)；
其中，所述复合照射高能束激光经多组振镜(6)反射传输至作用焊接区(8)，在作用焊接区(8)的表面形成复合光斑，使作用焊接区(8)的材料熔凝结合，形成固结的高硅铝连接接头。
2.如权利要求1所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，所述超快激光整形模块(2a)包含：准直器和过轴棱锥镜；所述超快激光依次经过所述准直器和所述过轴棱锥镜后转化成贝塞尔-高斯激光或长焦深-小焦斑的类贝塞尔激光，以获得更大的深径比。
3.如权利要求2所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，所述普通激光整形模块(5)包含：环形光斑整形器，其用于形成环形光束；动态聚焦镜，其位置可以移动，以调节环形光束的直径大小。
4.如权利要求3所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，所述复合照射高能束激光在作用焊接区(8)表面形成的复合光斑包含：类贝塞尔光斑(2-2)和环形光斑(2-1)；所述类贝塞尔光斑(2-2)被所述环形光斑(2-1)环绕包围，形成“针”与“环”的局部热场，使作用焊接区(8)的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合，相应地形成“T”形焊核(4-3)。
5.如权利要求1所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，所述激光引导模块与作用焊接区(8)之间还设置有f-θ场镜(7)，使激光引导模块的振镜(6)的反射激光边缘能够入射到作用焊接区(8)上。
6.如权利要求1所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，
当超快激光器(1a)和普通激光器(1b)的光轴平行设置时，所述复合焊接装置还包括：准直镜(2b)和反射镜(4)，用于对普通激光器(1b)发射的普通激光进行预处理；其中，所述准直镜(2b)与普通激光器(1b)同轴光路连接，使普通激光平行射出；所述反射镜(4)与准直镜(2b)的放置夹角为45°，且所述反射镜(4)与所述合束镜(3)平行放置，所述普通激光整形模块(5)设置在反射镜(4)和合束镜(3)之间的光路上，将预处理后的激光转化成焊接所需的环形光束。
7.如权利要求1所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接装置，其特征在于，
当超快激光器(1a)和普通激光器(1b)的光轴垂直设置时，普通激光器(1b)与普通激光整形模块(5)同轴光路连接，且普通激光整形模块(5)设置于普通激光器(1b)和合束镜(3)之间的光路上，普通激光直接入射至普通激光整形模块(5)并转换成环形光束出射至合束镜(3)。
8.一种高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接方法，所述高硅铝气密封装盒体由气密封盖和盒体组成，采用权利要求1～7任一项所述的复合焊接装置进行焊接，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、对气密封盖和盒体上的作用焊接区(8)表面进行加工预处理，以提高气密封盖和盒体的材料可焊性；
步骤S2、在盒体上设置多个定位组件，使气密封盖和盒体精密能够精密装配；
步骤S3、设置复合照射高能束激光，使高能束激光照射到气密封盖和盒体上的作用焊接区表面(8)，以形成“T”形焊核和发生熔凝结合；
步骤S4、调整复合照射高能束激光，控制“T”形焊核的形成与熔凝结合的速度。
9.如权利要求7所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接方法，其特征在于，步骤S1中所述加工预处理包括：对作用焊接区(8)表面材料进行抛磨，提高表面粗糙度使其优于Ra0.6μm。
10.如权利要求7所述的高硅铝气密封装的跨尺度超快激光复合焊接方法，其特征在于，所述复合照射高能束激光的中心为所述超快激光，所述普通激光环绕在超快激光的外部；其中，所述超快激光的脉宽<500fs，单脉冲能量设定在1～50μJ，焊接速度≥8mm/s；步骤S4所述的调整复合照射高能束激光具体包括同时或分步地对作用焊接区(8)施加中心超快激光环或外部环绕普通激光照射，形成“针”与“环”状的局部热场，使作用焊接区(8)的接触界面及垂直于接触界面的延伸区域的材料均同时或分步地发生熔凝结合。
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