CN207811563U - 一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置，包括超快脉冲激光器、连续激光器或长脉冲激光器，二个扩束准直镜、导光镜、合束镜、扫描振镜、场扫描聚焦镜、工控机和工作台；激光器均对玻璃具有透射性波长；二台激光器发出激光束合束至同一个光轴上，再经过扫描振镜和场扫描聚焦镜聚焦在待焊接的两块玻璃接触处，超快脉冲激光束在两块玻璃内产生非线性吸收效应使在焦点附近区域的玻璃材料熔融，熔融的玻璃材料由于吸收率的改变对连续或长脉冲激光的吸收率显著增强，能量持续输入产生更多熔融玻璃材料，以填充焊接间隙而不产生刻蚀效应，完成焦点区域的焊接。本实用新型提高了激光焊接效率，并可实现工程化应用。

Description

一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置

技术领域

本实用新型属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置。

背景技术

玻璃材料是用于生产植入微电子、太阳能电池、有机发光二极管(OLED)、微机电系统(MEMS)、微型传感器和转换器及光电子器件等芯片封装的优良材料，玻璃封装的电子芯片应用于感测旋转、加速和压力等这些关键安全因素的各种应用，在汽车、火车和其他运输行业以及航空航天等领域具有极广泛和潜在的应用价值和市场前景。例如在太空中，焊接的物体，包括封装芯片器件的图像传感器，即便在最严酷的条件下也必须保持高度的可靠性和气密性。快速增长的电子半导体、生物医学、太阳能电池领域开发的很多应用也是同样的情况，这是由于玻璃材料具有许多优点：例如玻璃材料对生物体而言可看作一种“中性”物质，将其植入人体内部时与人体体液组织的生物相容性较好，不会发生免疫排斥反应。其次，玻璃材料不像许多胶粘剂或其他焊接过程中使用的额外的基材那样会被体液腐蚀或自发降解，玻璃的使用寿命长，使用寿命实质上来说是无限的。而且，玻璃材料不会干扰电磁波，这有利于带信号的电磁波穿透玻璃封装的元件。同时，玻璃对太阳光具有透射性，是钙钛矿型和染料敏化太阳能电池的优选封装材料。

目前工程化的玻璃材料芯片封装基本上是采用胶粘剂将两个玻璃材料表面粘连起来，达到封装目的。虽然胶粘剂可以连接不同材料，但是胶粘剂封装具有如下问题：首先，胶粘剂释放气体会导致周围器件受到污染，导致芯片性能损坏；其次，胶粘剂容易光致漂白导致过早老化，使得密封性能下降，导致芯片稳定性下降；最后，在经受巨大的温度变化的情况下，胶粘剂热降解和热膨胀的应力积累会减少胶粘剂的使用寿命，导致芯片寿命下降，且胶粘合强度性能低，无法用于强度要求高的航空航天等领域应用需求。

虽然激光焊接技术已被广泛应用到工业加工制造中，但在焊接玻璃材料方面却存在较大困难，原因在于能被玻璃吸收的激光波长，基本上作用于玻璃材料表面上，而无法透过玻璃材料，在两片玻璃材料之间发生相互作用，因而无法进行激光封装焊接。如果采用长时间局部加热熔化玻璃进行封装，又因玻璃硬而脆，导热比率比金属低，会因内部张力的不均匀而导致裂纹产生和破裂。但能透射玻璃材料的激光波长，激光能量又很难被玻璃材料吸收而发生相互作用。一旦增加激光能量使激光能量达到玻璃损伤阈值而发生相互作用时，玻璃对激光的吸收率会迅速增加，又使得玻璃吸收较激光能量过多，导致热量积累过大，引起透射玻璃材料过热膨胀而破裂。此外，这种热效应也会极大地影响脆性玻璃材料的透射率性能而导致激光封装焊接过程稳定性变差，以至于玻璃材料的焊接被广泛认为是一大难题。

中国专利文献CN105377783A提出了一种“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。但这种方法仅用于融化无机膜层材料，而不是熔化玻璃基材，故仍然属粘接，而不是熔接，因而封接强度性能低，无法用于强度要求高的航空航天等领域应用需求。此外，由于被封装的玻璃和加入无机膜材料的物理化学性能存在差异，导致激光封装焊缝质量因成分不同而下降，影响封装的密封性能，也会由于物理化学性能存在差异导致激光封装后因材料热胀冷缩系数不同而存在残余应力，易于出现裂纹而影响封装的使用寿命。

公开的申请专利(CN 106449439A)中提出采用超快激光对玻璃芯片进行激光焊接封装。利用超短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，实现在透明材料空间内进行选择性微焊接。同时，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。相比粘接等其它封装技术，该实用新型制作工艺简单，芯片厚度无限制，不需加入不同材质的填充物，可提高玻璃芯片封装的强度性能、稳定性、可靠性和使用寿命。

但目前由于这种超短脉冲激光微焊接玻璃方法融化的玻璃材料极少，无法填充较大的焊接间隙；而增大脉冲能量又会导致脉冲峰值功率密度过高而形成刻蚀去除材料效应，引起玻璃材料局部破碎，无法形成良好的焊缝，所以对玻璃表面平面度和光滑度质量要求很高，而且还须采用夹具对玻璃进行固定夹紧，使两块玻璃之间隙小于四分之一波长(或100nm)达到光学接触，并采用短焦距的物镜进行聚焦实行焊接，才能成功焊接。该方法还具有对焦点位置和波动要求苛刻，必须通过工作台移动来实现焊接，速度只能保持在几毫米每秒，效率过于低下等缺点，难以实现工程化应用。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置，本实用新型可实现提高玻璃材料对激光的吸收率的同时，减小玻璃热量的积累，并降低玻璃表面质量的要求，无需通过夹具对玻璃进行固定夹紧使两块玻璃之间隙达到小于四分之一波长(或100nm)的光学接触要求，可对不满足光学接触条件的较大的焊接间隙进行焊接，并实现振镜扫描式激光焊接，提高激光焊接效率，实现工程化应用。

本实用新型提供的一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置，其特征在于，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一扩束准直镜、第二扩束准直镜、导光镜、合束镜、扫描振镜、场扫描聚焦镜、工控机和工作台；第一激光器为超快脉冲激光器，第二激光器为连续激光器或长脉冲激光器，第一激光器和第二激光器均对玻璃具有透射性波长；第一激光器、第一扩束准直镜、导光镜和合束镜位于同一光路上，第二激光器、第二扩束准直镜和合束镜位于另一光路上，所述同一光路与另一光路从相互垂直的方向进入合束镜；扫描振镜位于合束镜的出射光路上，并位于工作台上方，扫描振镜与工作台之间设置有场扫描聚焦镜，工控机分别与第一激光器、第二激光器、扫描振镜和工作台电信号连接并控制它们工作；工作时，由第一激光器发出的激光束经过第一扩束准直镜后再通过导光镜的反射进入合束镜，第二激光器发出的激光束经过第一扩束准直镜后也进入合束镜，二者合束至同一个光轴上，再经过扫描振镜和场扫描聚焦镜聚焦在待焊接的两块玻璃接触处，超快脉冲激光束在两块玻璃内产生非线性吸收效应使在焦点附近区域的玻璃材料熔融，熔融的玻璃材料由于吸收率的改变对连续或长脉冲激光的吸收率显著增强，并通过吸收能量进一步熔融更多玻璃材料，来填充焊接间隙而不产生刻蚀效应，实现焦点区域的焊接；工控机控制扫描振镜或工作台移动，完成对玻璃材料的扫描焊接。

所述合束镜、扫描振镜和场扫描聚焦镜均为单波长，或者均为双波长。

本实用新型的优点是利用超短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使玻璃在焦点附近区的材料熔融，而熔融状态的材料对连续或长脉冲激光的吸收率会显著增强，因而只要输入合适低能量、低峰值功率的连续或长脉冲激光功率就可直接与被熔融的材料相互作用，从而避免了低能量、低峰值功率和透射性的连续或长脉冲激光束不能与玻璃相互作用，而达到能与玻璃产生相互作用阈值的高能量和高峰值功率又会使玻璃因吸收较激光能量过多，导致热量积累过大，引起透射玻璃材料过热膨胀而破裂的问题。另一方面，由于连续或长脉冲激光峰值功率密度较低，增加连续或长脉冲的激光输入能量只会扩大热效应，而不会产生刻蚀效应，因而可使玻璃材料的熔融量增加。被熔融的玻璃材料越多，填充到焊接间隙的熔融玻璃材料也越多，越有利于较大间隙的玻璃焊接，形成焊缝的强度和密封性能也越好。利用两维扫描振镜可快速移动复合激光束沿焊接轨迹实行扫描焊接，提高焊接效率。

附图说明

图1是多激光束合束焊接装置之一示意图；

图2是多激光束合束焊接装置之二示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型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。

本实用新型提供的一个实例的结构如图1所示，是一种能在两块玻璃接触间隙大于5μm时进行多激光束合束焊接的装置。该装置由第一激光器1、第二激光器6、第一扩束准直镜3、第二扩束准直镜8、导光镜4、合束镜5、扫描振镜10、场扫描聚焦镜11、工控机14和工作台15组成。

第一激光器1、第一扩束准直镜3、导光镜4和合束镜5位于同一光路上，第二激光器6、第二扩束准直镜8和合束镜5位于另一光路上，所述同一光路与另一光路从相互垂直的方向进入合束镜5。扫描振镜10位于合束镜5的出射光路上，并位于工作台15上方，扫描振镜10与工作台15之间设置有场扫描聚焦镜11。工控机14分别与第一激光器1、第二激光器6、扫描振镜10和/或工作台15电信号连接，用于控制它们工作。

第一激光器1为超快脉冲激光器，输出光束的波长范围为266-2000nm。第二激光器6为连续激光器或长脉冲激光器，长脉冲通常是指大于1ns，第二激光器6输出光束的波长范围为266-2000nm。

工作时，第一激光器1输出波长的范围(266-2000nm)并具有P(或S)偏振激光束2，经过扩束准直镜3扩束准直后，由导光镜4将激光束2导入合束镜5对P(或S)偏振激光的反射端；第二激光器6输出波长的范围(266-2000nm)并具有S(或P)偏振激光束7，经过扩束准直镜8扩束准直后，输入合束镜5对S(或P)偏振激光的透射端。激光束2和7通过了合束镜5后，合成同光轴的激光束9，并输入扫描振镜10，经场扫描聚焦镜11聚焦到待焊接玻璃12的连接处13。工控机14控制第一激光器1、第二激光器6和扫描振镜10或工作台15对焊接玻璃12的连接处13实施扫描焊接，完成玻璃焊接。

当合束镜5选用双波长合束镜16时，扫描振镜10和场扫描聚焦镜11相应地选用双波长扫描振镜19和双波长场扫描聚焦镜20，其结构示意图如图2所示。

工作时，第一激光器1输出波长的范围(266-2000nm)激光束2，经过扩束准直镜3扩束准直后，由导光镜4将激光束2导入双波长合束镜16对该波长激光具有反射功能的一面；第二激光器6输出波长的范围(266-2000nm)并具不同波长的激光束17，经过扩束准直镜8扩束准直后，输入双波长合束镜16对该波长激光具有透射功能的一面。激光束2和17通过了双波长合束镜16后，合成同光轴的激光束18，并输入双波长扫描振镜19，经双波长场扫描聚焦镜20聚焦到待焊接玻璃12的连接处13。工控机14控制第一激光器1、第二激光器6和双波长扫描振镜19或工作台15对焊接玻璃12的连接处13实施扫描焊接，完成玻璃焊接。

具体实例：

实例1：采用如图1所示的第一种多激光束合束加工装置，使用脉宽为10皮秒、波长为1064nm和输出P偏振方向激光束的超短秒冲激光器以及波长为1064nm和输出S偏振方向激光束的连续光纤激光器。超短秒冲激光器输出功率和重复频率分别为15W和10MHz，连续光纤激光器输出功率为10W，振镜扫描速度1000mm/s。两块钠钙玻璃之间距离为8μm，合束激光束聚焦点位于两块钠钙玻璃之间接触位置，进行振镜扫描焊接，获得密封性和强度良好的焊缝。

实例2：采用如图1所示的第一种多激光束合束加工装置，使用脉宽为10皮秒、波长为1064nm和输出P偏振方向激光束的超短秒冲激光器以及波长为1064nm和输出S偏振方向激光束的连续光纤激光器。超短秒冲激光器输出功率和重复频率分别为20W和10MHz，连续光纤激光器输出功率为25W，振镜扫描速度1000mm/s，两块石英玻璃之间距离为12μm，合束激光束聚焦点位于两块石英玻璃之间接触位置，进行振镜扫描焊接，获得密封性和强度良好的焊缝。

实例3：采用如图2所示的第二种多激光束合束加工装置，使用脉宽为10皮秒、波长为532nm和输出P偏振方向激光束的超短秒冲激光器以及波长为1064nm和输出任意偏振方向激光束的连续光纤激光器。超短秒冲激光器输出功率和重复频率分别为10W和10MHz，连续光纤激光器输出功率为20W，振镜扫描速度1000mm/s，两块白玻璃之间距离为10μm，合束激光束聚焦点位于两块白玻璃之间接触位置，进行振镜扫描与工作台并接模式焊接，获得大面积密封性和强度良好的焊缝。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置，其特征在于，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一扩束准直镜、第二扩束准直镜、导光镜、合束镜、扫描振镜、场扫描聚焦镜、工控机和工作台；

第一激光器为超快脉冲激光器，第二激光器为连续激光器或长脉冲激光器，第一激光器和第二激光器均对玻璃具有透射性波长；第一激光器、第一扩束准直镜、导光镜和合束镜位于同一光路上，第二激光器、第二扩束准直镜和合束镜位于另一光路上，所述同一光路与另一光路从相互垂直的方向进入合束镜；扫描振镜位于合束镜的出射光路上，并位于工作台上方，扫描振镜与工作台之间设置有场扫描聚焦镜，工控机分别与第一激光器、第二激光器、扫描振镜和工作台电信号连接并控制它们工作；

工作时，由第一激光器发出的激光束经过第一扩束准直镜后再通过导光镜的反射进入合束镜，第二激光器发出的激光束经过第一扩束准直镜后也进入合束镜，二者合束至同一个光轴上，再经过扫描振镜和场扫描聚焦镜聚焦在待焊接的两块玻璃接触处，超快脉冲激光束在两块玻璃内产生非线性吸收效应使在焦点附近区域的玻璃材料熔融，熔融的玻璃材料由于吸收率的改变对连续或长脉冲激光的吸收率显著增强，并通过能量的进一步输入产生更多熔融玻璃材料，以填充焊接间隙而不产生刻蚀效应，完成焦点区域的焊接；工控机控制扫描振镜或工作台移动，完成对玻璃材料的扫描焊接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合束镜、扫描振镜和场扫描聚焦镜均为单波长。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合束镜、扫描振镜和场扫描聚焦镜均为双波长。