FI125807B - Menetelmä kahden substraattikappaleen hitsaamiseksi yhteen fokusoidun lasersäteen avulla - Google Patents

Description

MENETELMÄ KAHDEN SUBSTRAATTIKAPPALEEN HITSAAMISEKSI YHTEEN FOKUSOIDUN LASERSÄTEEN AVULLA

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä kahden substraattikappaleen hitsaamiseksi yhteen fokusoidun lasersäteen avulla siten, että ainakin toinen yhteen hitsattavista kappaleista on läpinäkyvä käytettävän lasersäteen aallonpituudelle ja että hitsattavat kappaleet asetetaan vastakkain hitsaamista varten.

Hitsattavista kappaleista voi vain toinen tai molemmat olla läpinäkyviä tai osittain läpinäkyviä käytettävän lasersäteen aallonpituudelle. Esimerkkinä hitsattavista kappaleista voidaan mainita substraattikappaleet, joiden väliin asennetaan optinen laite tai puolijohdekomponentti. Ne voivat olla siis pelkästään substraatista koostettuja tai ne voivat käsittää substraattikerroksen ja siihen liitetyn johtavan kerroksen siten, että nämä johtavat kerrokset ovat vastakkain yhteen hitsattavien kappaleiden yhteisellä rajapinnalla. Johtavien kerroksien materiaaleina käytetään yleisesti metalleja. Substraatit voivat olla laajasti mitä tahansa materiaalia tai materiaaliyhdistelmiä, joissa sulaminen ja uudelleen kiinteytyminen voivat tapahtua fokusoidun lasersäteen avulla. Ne voivat olla homogeenisia tai muodostettuja eri materiaalia olevista alueista ja/ tai kerroksista. Esimerkkinä voidaan mainita lasi-ja/ tai piisubstraattiset puolijohdekomponentit, joita käytetään mikroelektroniikassa tai lasilevyt ja niiden väliin sijoitettava kolmas komponentti, kuten esim. optinen laite. Keksinnönmukaisen menetelmän avulla voidaan siis sulkea ja paketoida hermeettisesti optisia laitteita ja muita komponentteja.

Keksinnön käyttökohteina tulevat kysymykseen sekä sellaisten kappaleiden yhteen liittämiset hitsaamalla, joiden yhteisellä rajapinta-alueella olevat pinnat ovat tasomaisia kuin myös sellaisten kappaleiden, joiden yhteen liitettävät pinnat ovat kolmiulotteisia. Tämä poikkeaminen tasopinnasta voi johtua tarkoituksellisesta pinnanmuodostuksesta tai sinänsä tasopinnaksi tarkoitetun pinnan vääristymisestä kolmiulotteiseksi pinnaksi jostakin syystä.

Tunnetun tekniikan mukaisesti em. kappaleiden hitsaaminen yhteen tapahtuu nykyään siten, että lasersäteen polttopisteen korkeusasemaa muutetaan hitsauksen edetessä siten, että se etenee yhteen hitsattavien pintojen yhteisellä rajapinta-alueella.

Edellä kuvattua tunnettua tekniikkaa on esitelty mm. patenttijulkaisussa FI20120420. Tässä julkaisussa esitetty tekniikka perustuu siihen, että hitsauskohdan edeltä mitattavaa hitsauskohdan korkeusdataa syötetään lasersäteen polttopisteen korkeusasemaa muuttavalle yksikölle, jolloin hitsauskohdan korkeus noudattaa hitsattavien pintojen yhteisen rajapinta-alueen paikkaa tietyllä porrastuksella.

Toisaalta nykyään toimitaan siten, että hitsattavat pinnat käsitellään hienomekaanisilla laitteilla yksilöllisesti siten, että saavutetaan riittävän tiivis pintojen välinen kontakti.

Tunnetun tekniikan suurimpana epäkohtana voidaan pitää sitä, että vaikka nykyisillä menetelmillä voidaan saavuttaa riittävän hyvä hitsattavien pintojen laatutaso, niin tämän asian toteutus on erittäin hankalaa ja kallista. Pienetkin epäpuhtaudet ja jo erittäin pienet pinnankarheudet aiheuttavat sen, että hitsattavien pintojen väliin muodostuu ilmarakoja tai ilmataskuja, jolloin tiiviin hitsin muodostaminen näille alueille vaatii tunnetun tekniikan mukaan erityisiä toimenpiteitä. Toisaalta pintojen väliin saattaa jäädä epäpuhtautta ja nämä asiaankuulumattomat partikkelit estävät ilmatiiviin hit-saussauman muodostumisen. Tätä ongelmaa poistetaan siis tunnetun tekniikan mukaisesti siten, että yhteen hitsattavia pintoja työstetään erittäin kalliilla ja aikaa vievillä menetelmillä riittävän hyvän kontaktin aikaan saamiseksi pintojen välille ja siten hermeettiseen lopputulokseen pääsemiseksi.

Eräs menetelmä kahden substraattikappaleen hitsaamiseksi yhteen fokusoidun lasersäteen avulla on esitelty julkaisussa FI 20105539 A. Tässä menetelmässä ainakin toinen hitsattavista kappaleista on läpinäkyvä lasersäteen aallonpituudelle. Nämä kappaleet asetetaan vastakkain hitsaamista varten ja niitä estetään liikkumasta tähän tarkoitukseen sopivilla välineillä. Kappaleiden yhteiselle rajapinta-alueelle kohdistetaan lasersäteen polttopiste ja kappaleita liikutetaan suhteessa lasersäteeseen nähden. Mainittujen kappaleiden väliin voidaan asettaa kolmas kerros tai kappale, jonka ympärille hitsataan kehähitsi.

Julkaisussa US 2010047587 AI on esitetty niin ikään menetelmä kahden substraattikappaleen hitsaamiseksi yhteen fokusoidun lasersäteen avulla. Myös tässä menetelmässä on ainakin toinen hitsattavista kappaleista läpinäkyvä lasersäteen aallonpituudelle ja mainitut kappaleet asetetaan vastakkain hitsaamista varten. Hitsattavat kappa leet puristetaan yhteen voiman avulla ja tämän puristusvoiman tuottamiseen ja ylläpitämiseen käytetään puristinta. Mainittujen kappaleiden yhteen hitsaaminen suoritetaan kohdistamalla lasersäteen polttopiste kappaleiden yhteiselle rajapinta-alueelle ja liikuttamalla kappaleita lasersäteeseen nähden.

Edellä viimeisenä esitetyn tunnetun menetelmän suurinpana epäkohtana voidaan pitää sitä, että puristusvoimaa ei voida poistaa ennen hitsauksen suorittamista, jolloin hit-saava lasersäde ei voi edetä hitsauskohtaan puristuslaitteen puristusta suorittavien osien läpi ja hitsaamisesta tulee monimutkainen, jaksottainen tapahtuma.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen menetelmä, jolla vältetään tunnetussa tekniikassa esiintyviä haittoja. Keksinnönmukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnönmukaisen menetelmän käytöllä saavutetaan huomattava etu siinä, että hitsauksen valmistelutoimenpiteet voidaan suorittaa hyvin nopeasti ja edullisesti. Tätä menetelmää käytettäessä päästään siis ilman kalliita ja aikaa vieviä toimenpiteitä tilanteeseen, jossa hitsattavien pintojen välissä ei ole hitsausalueella haitallisia ilmarakoja tai ilmataskuja eikä pinnat toisistaan erillään pitäviä roskia tai muuta epäpuhtautta, tai toisaalta siellä on tarkoitukseen sopiva olennaisesti tasavahvuinen ilmarako.

Tässä asiakirjassa käsitetään termillä ”korkeusarvo” tietyn pisteen etäisyyttä määrätystä vertailutasosta, kuten esim. perustasosta, riippumatta siitä missä asennossa tämä vertailutaso on.

Keksintöä kuvataan tämän hakemuksen piirustuksissa seuraavasti: kuvio 1 esittää kolmiulotteisesti erään asetelman keksinnönmukaisen menetelmän suorittamiseksi, kuvio 2 esittää em. asetelmaa suoraan sivulta katsottuna, kuvio 3 esittää tämän asetelman poikkileikkausta kuvion 2 kohdasta A-A, kuvio 4, esittää em. asetelmaa suoraan ylhäältä katsottuna, kuviot 5- 8 esittävät kuvioiden 1- 4 tavoin erästä toista asetelmaa keksinnönmukaisen menetelmän suorittamiseksi, kuvio 9 esittää erästä kolmatta asetelmaa keksinnönmukaisen menetelmän suorittamiseksi, kuvio 10 esittää em. asetelman poikkileikkausta kuvion 9 kohdasta C-C leikattuna.

Seuraavassa selitetään keksinnönmukaisen menetelmän eräiden edullisten sovellusten toteuttaminen edellä mainittuihin kuvioihin viittaamalla.

Kuvioissa 1- 3 on kuvattu eräs asetelma, jossa kaksi fokusoivalla lasersäteellä yhteen hitsattavaa lasikappaletta on asetettu hitsausvalmiuteen. Ylempänä oleva ensimmäinen tasopintainen kappale 1 ja sen alapuolella oleva toinen tasopintainen kappale 2 on asetettu päällekkäin tasopintaisen tukielimen 3 päälle ja em. kappaleiden päälle on asetettu tasopintainen puristuselin 4. Puristuselimeen on kohdistettu puristinlaitteella 100 pystysuora alaspäin vaikuttava puristusvoima F ja kun tukielin pysyy paikallaan yhtä suuren vastavoiman ansiosta, niin syntyy tasapainotila, jossa ensimmäisen kappaleen toinen pinta 1.2 ja toisen kappaleen ensimmäinen pinta 2.1 ovat painuneina vastakkain siten, että niiden pinnankarheuden (Ra) huippukohdat ovat painuneet kasaan ainakin hitsausauman alueelta ja em. pintojen välistä, tältä alueelta ovat poistuneet sekä yhtenäinen että taskumaisia kohtia käsittävä ilmakerros. Kun puristusvoima F asetetaan sellaisiksi ja kohdistetaan ensimmäiseen ja toiseen kappaleeseen siten, että pinnat 1.2 ja 2.1 muodostavat yhteisen rajapinnan ilman niiden välissä olevaa yhtenäistä tai taskumaisia kohtia käsittävää ilmakerrosta, niin on mahdollista suorittaa ensimmäisen ja toisen kappaleen yhdistävä täysin hermeettinen hitsi näihin kappaleisiin muotoillussa suljetussa tilassa 5 olevan kolmannen kappaleen 6, kuten tässä esimerkissä optisen laitteen ympärille. Kuvioissa 2- 4 on esitetty em. optisen laitteen ympärille muodostettu hitsi 7, joka on tässä tapauksessa suljettu kehähitsi ja jonka aikaansaamiseksi on hitsauskohtaan johdettu fokusoitu lasersäde 8 läpinäkymättömän puristuselimen 4 keskiaukon 4.1 kautta, Tässä esimerkissä lasersäde on johdettu kohteeseensa läpinäkyvän ensimmäisen kappaleen 1 läpi ja sen polttopiste 8 on kohdistettu hitsattavien kappaleiden yhteisen rajapinnan a korkeudelle. Kun kehähitsi on jähmettynyt ja jäähtynyt niin ensimmäisen ja toisen kappaleen sekä optisen laitteen käsittävä tuote T voidaan vapauttaa puristuksesta. Hitsi pitää osat yhdessä ja optisen laitteen hermeettisesti suojattuna lasilevyjen sisällä. Optisen laitteen eli kolmannen kappaleen 6 tiedon-siirtoelimet 6.1 on johdettu ensimmäisen kappaleen läpi siihen tehtyjen läpivientien kautta tuotteen ulkopuolelle. Kuviossa 4 on kuvattu em. asetelma suoraan ylhäältä ja siitä voidaan nähdä, että tässä esimerkissä hitsi 7 on siis neliön muotoinen kehähitsi. Kolmannen kappaleen 6 ympäröivä hitsi voidaan toteuttaa myös jonkun toisen muotoisena kehähitsinä tai esim. kulmissa risteävillä yksittäisillä hitsijanoilla.

Tiedonsiirtoelimet 6.1 voidaan johtaa vaihtoehtoisesti myös toisen kappaleen 2 läpi tai jakaa etenemään kummankin hitsattavan kappaleen läpi. Eräs vaihtoehto on asettaa ne etenemään tuotteen T ulkopuolelle rajapinnassa a.

Silloin kun yhteen puristettavien kappaleiden pintojen 1.2, 2.1 pinnanlaatu on riittävän tasainen, niin ne voivat saavuttaa puristusvoiman F vaikutuksesta keskinäisen mole-kyylisidoksen, joka kykenee pitämään nämä pinnat hitsaukselle edullisessa edellä kuvatun kaltaisessa asemassa vaikka puristusvoima F poistetaan tämän sidoksen muodostumisen jälkeen. Toisin sanoen edellä olevan esimerkin kaltaisessa tilanteessa pu-ristuselin 4 voidaan vaikka poistaa puristamisen jälkeen, ennen hitsauksen suorittamista. Tällöin ei tarvitse puristuselimen 4 muotoilussa ottaa huomioon lasersäteen 8 saamista sen läpi hitsauskohtaan.

Puristamalla hitsattavat kappaleet yhteen edellä kuvatulla tavalla voidaan pinnankar-heuden huippukohtien tasoittamisen lisäksi usein myös suoristaa yhteen hitsattavia pintoja siten, että tietty hitsaus voidaan suorittaa lasersäteen polttopisteen korkeusasemaa hitsauksen aikana muuttamatta. Mm. roskapartikkelien aiheuttamat pintojen eriytymiset voidaan oikaista riittävän suoriksi puristusvoiman F avulla. Eräs keino havaita saavutettu pintojen riittävä suoristuminen samansuuntaisiksi tasopinnoiksi on todeta ns. newtonrenkaiden häviäminen yhteen puristettujen, yhteen hitsattavien lasilevyjen välistä.

Oikeanlaisen hitsin muodostumisen kannalta on oleellista, että lasersäde fokusoidaan hitsattavien kappaleiden yhteiseen rajapintaan a, jolloin sula muodostuu kummastakin tässä pinnassa kohtaavasta kappaleesta. Kun hitsaus etenee edellä mainitussa esimerkkitapauksessa siirtämällä lasersädettä hitsauskohteeseen nähden, niin rajapinnan a tasomaisuudesta johtuen lasersäteen 8 polttopisteen 8' korkeusasemaa ei tarvitse muuttaa, mutta kun keksinnönmukaista menetelmää käytetään tasomaisesta rajapinnasta poikkeavan tai poikkeavien 3D pintojen kanssa, niin lasersäteen polttopisteen korke usasemaa voidaan muuttaa tunnetun tekniikan mukaisilla keinoilla. Eräänä tällaisena keinona voidaan käyttää em. patenttihakemuksen FI20120420 esittämää menetelmää. Tässä julkaisussa esitetään menetelmä jolla mitataan etenevän hitsauksen etupuolelta yhteen hitsattavien kappaleiden yhteisen rajapinnan tai rajapinta-alueen korkeusasemaa tietyin välimatkoin ja nämä korkeusarvot syötetään tietokoneen välityksellä lasersäteen polttopisteen korkeutta säätävälle säätöyksikölle, jolloin säätöyksikkö muuttaa em. polttopisteen korkeusasemaa kunkin mittauspisteen kohdalla vastaamaan aina sen korkeusasemaa.

Kuvioissa 5- 8 on esitetty eräs toinen keksinnönmukaisen menetelmän sovellus. Tässä tapauksessa ensimmäisen kappaleen 1 ja toinen kappaleen 2 materiaali on safiiria ja niiden vastakkaisten, yhteen hitsattavien pintojen 1.2, 2.1 väliin halutaan jättää ohut, paksuudeltaan olennaisesti tasamittainen ilmarako, koska se on plasman muodostumisen kannalta edullista safiirikappaleita yhteen hitsattaessa. Tämän sovelluksen toteutus poikkeaa edellä esitetystä siinä, että ensimmäistä ja toista kappaletta ei puristeta puristusvoiman F avulla yhteen siten, että kontaktipintojen välille muodostuisi molekyy-lisidokset tai pinnat muuten olisivat sitä vastaavassa keskinäisessä asemassa, vaan pinnat halutaan saada tietylle etäisyydelle toisistaan. Normaalisti kaksi tämän esimerkin tavoin päällekkäin asetettua sileäpintaista lasilevyä, joihin vaikuttaa vain painovoima, jäävät kuitenkin mm. pinnankarheustekijöistä johtuen yli sadan tai jopa usean sadan nm:n etäisyydelle toisistaan, jolloin haluttaessa saada tämä rako ohuemmaksi, tarvitaan pintojen käsittelyä tai puristusvoimaa F. Tämän esimerkin tapauksessa halutaan erityisesti ensimmäisen ja toisen kappaleen 1, 2 yhdistävän hitsin 7 sijaintikoh-dalla saavutetaan tilanne, jossa tämä etäisyys on määrätyn toleranssin puitteissa, eli olennaisesti vakio. Tässä kuvatussa sovelluksessa tähän tilanteeseen päästään siten, että em. kappaleita puristetaan yhteen puristusvoiman F avulla ja em. ilmaraon paksuutta s seurataan ja mitataan optisesti hitsaustapahtuman aikana ja/ tai ennen sitä. Tässä tapauksessa lasersäde 8 fokusoidaan hitsattavien kappaleiden yhteiselle rajapinta-alueelle a', joka koostuu pintojen 1.2 ja 2.1 välisestä raosta ja em. pinnoista, jolloin sula muodostuu kummastakin tällä alueella kohtaavasta kappaleesta ja liittää jäähtyes-sään ensimmäisen kappaleen 1 ja toisen kappaleen 2 tiukasti yhteen. Hitsaus etenee muuten vastaavalla tavalla kuin edellä kerrotussa esimerkissä, mutta nyt lasersäteen polttopisteen 8' korkeusasema on säädetty olennaisesti em. rajapinta-alueen a keski korkeudelle tai sitä säädetään hitsauksen edetessä etenemään tunnetun tekniikan mukaisesti olennaisesti tällä keskikorkeudella.

Edellä kerrotussa tilanteessa voidaan ensimmäisen ja toisen kappaleen 1, 2 geometrioista ja hitsausasetelman ominaisuuksista johtuen pitää puristusvoima F joko vakiona tai sitä voidaan tarpeen vaatiessa muuttaa hitsauksen aikana. Poissuljettu ei ole myöskään sellainen keksinnön sovellus, jossa puristusvoima F voidaan poistaa jo ennen hitsausta, kun puristusvoiman F avulla on saavutettu hitsaustapahtumaa varten sopivan raon ylläpitävä tasapainotila. Tässä tapauksessa ei ole kuitenkaan kysymys mo-lekyylisidoksesta.

Kolmantena esimerkkinä keksinnönmukaisen menetelmän käytöstä esitetään kahden sellaisen aihion yhteen hitsaaminen, joiden väliin on asetettu useita kolmansia kappaleita 6, kuten tässä tapauksessa optisia laitteita ja joista muodostetaan hitsauksen jälkeen useita yksittäisiä tuotteita T, joista jokainen käsittää hermeettisesti suojatun optisen laitteen. Kuvioissa 9 ja 10 on esitetty asetelma, jossa on päällekkäin kaksi halkaisijaltaan n. 100- 150 mm:n lasilevyä. Näiden lasilevyjen, ensimmäisen kappaleen 1' ja toisen kappaleen 2' muodostaman kombinaation sisälle muodostettuihin tiloihin 5 on kuhunkin niistä asennettu yksi kolmas kappale 6, joka on siis optinen laite, vastaavalla tavalla kuin edellä kerrotuissa esimerkeissä olevien pienempien ensimmäisen ja toisen kappaleen sisältämiin tiloihin 5. Näitä optisia laitteita on yhteen hitsattavien ensimmäisen ja toisen kappaleen välissä useita suorissa riveissä. Nämä rivit etenevät tässä esimerkkitapauksessa levyjen läpi kahdessa, toisiinsa nähden 90 asteen kulmassa olevassa suunnassa x- x, y- y. Keksinnönmukaista menetelmää käytettäessä ensimmäinen kappale 1' ja toinen kappale 2' painetaan yhteen tukielimen 3 ja puristuseli-men 4 välissä puristuselimeen puristinlaitteella 100 kohdistettavan pystysuoran puristusvoiman F avulla. Puristuselin 4 on jäykkä levyjä siihen on koverrettu kolot tiedon-siirtoelimille. Puristuselimeen kohdistetaan sen suuruinen puristusvoima F ja se jaetaan koko aihioiden laajuudelle siten, että ensimmäisen ja toisen kappaleen Γ, 2' yhteen puristettavien pintojen välille syntyy molekyylisidos. Tämän jälkeen puristus voidaan lopettaa ja puristuselin voidaan poistaa asetelmasta. Nyt lasersäteellä on esteetön pääsy hitsauskohtiin, ensimmäisen kappaleen Γ läpi. Ensimmäisen ja toisen kappaleen Γ, 2' yhteen hitsaaminen voidaan suorittaa joko kolmansista kappaleista 6 koostettujen rivien rl, r2 väleihin tehtävillä risteävillä janahitseillä tai jokaisen koi- mannen kappaleen 6 ympärille tehtävällä erillisellä kehähitsillä. Hitsauksien jälkeen yhteen hitsatuista levyistä leikataan irti tuotteita T, jotka ovat rakenteeltaan aiemmissa esimerkeissä esitetyn kaltaisia hermeettisesti koteloituja optisia laitteita sisältäviä kokonaisuuksia. Tässä esimerkissä leikkaaminen tapahtuu kahden vierekkäisen hitsija-nan välissä olevia leikkauslinjoja 11 pitkin. Se voidaan toteuttaa myös siten, että leikataan hitsaussauman keskilinjaa pitkin, jolloin leikkauslinjan 11 molemmille puolille jää osa ilmatiivistä hitsiä 10.

Puristusvoima F voidaan tämänkin edellä kerrotun esimerkin mukaisessa tapauksessa pitää vaihtoehtoisesti yllä myös hitsauksien ajan. Tällöin on puristusvoiman F vaiku-tuspisteet puristuselimellä 4 ja näihin liittyvät voimalaitteen 100 osat sijoitettava aina siten, että lasersäteellä 8 on esteetön pääsy aina tiettyjen hitsien etenemislinjoille. Pu-ristuselin 4 voi siis olla tässäkin tapauksessa läpinäkymätöntä tai läpinäkyvää ainetta Sen ollessa läpinäkymätön siihen on muodostettava aukot lasersäteen etenemislinjoille.

Keksinnönmukaista menetelmää voidaan soveltaa hyvin monella eri tavalla. Puristusvoiman F tuottaminen, sen kohdistaminen painoelimeen 4 tai hitsattaviin kappaleisiin, puristusvoiman suuruus, hitsattavien kappaleiden pintojen välisen kontaktin laatuja lasersäteen 8 kohdistaminen kohteeseen voidaan toteuttaa aina tapauskohtaisesti määrätyn halutun lopputuloksen saavuttamisen kannalta edullisesti. Puristusvoiman F tuottamisessa ja ylläpitämisessä voidaan käyttää tunnetun tekniikan mukaisia puristin-laitteita 100. Tilanteen mukaan puristaminen voi tapahtua joko yhdellä, useita puristavia elementtejä ja voimaa välittäviä kontaktipisteitä käsittävällä laitteella tai useilla yksittäisillä puristinlaitteilla. Puristinlaite 100 voi myös käsittää tukielimen 3 ja/ tai puristuselimen 4, jolloin näitä elimiä ei tarvita erillisinä osina.

Lasersäde 8 voidaan kohdistaa kohteeseen em. esimerkeistä poiketen myös toisen kappaleen 2 läpi, jolloin tukielin 3 toteutetaan siten, että lasersäteellä on esteetön pääsy sen kohteeseen.

Yhtenäisellä ilmakerroksella tarkoitetaan myös ilmakerrosta, jonka yhtenäisyyden katkaisevat vain tämän ilmakerroksen eri puolilla olevien yhteen hitsattavien pintojen pinnankarheuden toisiinsa ulottuvat huippukohdat.

Edellä olevissa esimerkeissä on puhuttu päällekkäisistä toisiinsa hitsattavista kappaleista. Keksinnönmukainen menetelmä voidaan toteuttaa myös rinnakkain olevien yhteen hitsattavien kappaleiden kanssa. Toisin sanoen oleellista on, että nämä em. kappaleet ovat vastakkain ja että puristusvoima F kohdistuu olennaisesti kohtisuoraan näiden kappaleiden yhteistä rajapintaa tai rajapinta-aluetta vastaan.

Keksinnönmukaisessa menetelmässä käytettävän lasersäteen 8 fokusoidun pisteen koko on suuruusluokkaa 1-10 pm, mutta se voi tietyissä tapauksissa olla myös näistä raja-arvoista poikkeavan kokoinen. Edellä mainituissa esimerkeissä on sulan korkeus ja siten myös hitsaussauman korkeus suuruusluokkaa 1- 200 pm.

Yhteen liitettävien kappaleiden 1, 2 (Γ, 2') vahvuudet voivat vaihdella hyvinkin laajasti. Esim. lasista valmistetun ensimmäisen kappaleen 1 ainevahvuus voi olla suurimmillaan ainakin 3 mm ja toisen kappaleen 2 ainevahvuudella ei ole rajoja.

Keksintö soveltuu erityisesti lasi- ja/ tai puolijohdesubstraattien, kuten piin, teknisten lasien, sulautetun piioksidin, borosilikaatin, kalkkilasin, safiirin, keraamisten aineiden, kuten zirkoniumoksidin, LiTaOrn jne. sekä näiden materiaalien yhdistelmien hitsaa-miseen.

Keksinnönmukaista menetelmää voidaan käyttää sekä erillisten komponenttien että hitsattavaan tai hitsattaviin kappaleisiin kiinnitettyjen osien hermeettiseen eristämiseen. Ensimmäisen ja toisen kappaleen 1 ja 2 sisältämät johtavat aineet tai niiden välissä käytettävät komponentit voivat olla esim. kromista, kuparista, hopeasta, kullasta, molybdeenistä tai indiumtinaoksidista tai niiden yhdistelmistä koostettuja.

Keksinnönmukaista menetelmää voidaan käyttää laajasti mm. optisten laitteiden, puo-lijohdesirujen ja mikrosirujen suojaamisessa ulkopuolisen hapen ja kosteuden vaikutuksilta. Esimerkkinä tällaisista kappaleista voidaan mainita 0,1-3 mm:n vahvuiset optiset laitteet sekä puolijohdesirut ja mikrosirut, joissa johtavien metallikerroksien vahvuudet ovat n. 0,1- 5 pm. Näistä kaikista suojattavista komponenteista käytetään patenttivaatimuksissa yhteistä nimitystä: kolmas kappale 6.

On huomattava, että näissä asiakirjoissa esitetyissä kuten kaikissa muissakin yhteen hitsattavissa kappaleissa lasersäde 8 ohjataan ensimmäisen kappaleen 1 tai toisen kappaleen 2 substraatin läpi, jolloin tämän substraatin tulee olla läpinäkyvä käytetylle lasersäteen 10 aallonpituudelle.

On myös huomattava, että vaikka tässä selityksessä on pitäydytty yhdentyyppisessä keksinnölle edullisessa toteuttamisesimerkissä, niin tällä ei kuitenkaan haluta mitenkään rajoittaa keksinnön käyttöä vain tämän tyyppistä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (8)

1. Menetelmä kahden substraattikappaleen hitsaamiseksi yhteen fokusoidun lasersäteen avulla, jonka menetelmän mukaan: a. ainakin toinen yhteen hitsattavista kappaleista on läpinäkyvä käytettävän lasersäteen (8) aallonpituudelle, b. hitsattavat kappaleet, kuten ensimmäinen kappale (1, Γ) ja toinen kappale (2, 2') asetetaan vastakkain hitsaamista varten, e. ensimmäinen kappale (1, Γ) ja toinen kappale (2, 2 ) puristetaan yhteen puristusvoiman (F) avulla yhtenäisen tai epäyhtenäisen ilmakerroksen poistamiseksi niiden välistä, ainakin hitsausalueelta tai em. kappaleet puristetaan lähelle toisiaan olennaisesti tasavahvuisen ilmakerroksen muodostamiseksi niiden väliin, ainakin hitsausalueelle, d. puristusvoiman (F) tuottamiseen ja ylläpitämiseen käytetään ainakin yhtä puristinlaitetta (100), e. ensimmäisen kappaleen (1, Γ) ja toisen kappaleen (2, 2 ) yhteiselle rajapinnalle (a, b) tai rajapinta-alueelle (a') kohdistetaan läpinäkyvän hitsattavan kappaleen läpi lasersäteen (8) polttopiste (8') ja em. yhteen hitsattavat ensimmäinen kappale (1, Γ) ja toinen kappale (2, 2') asetetaan lasersäteeseen (8) nähden liikkeeseen siten, että polttopiste (8') etenee em. rajapinnalla (a, b) tai rajapinta-alueella (a') hitsin tai hitsien (7, 10) muodon ja pituuden mukaisesti, f. lasersäteen polttopisteen energia sulattaa ensimmäisen ja toisen kappaleen (1, Γ, 2, 2') materiaalia samanaikaisesti, nämä sulat sekoittuvat ja sulan jähmettyessä muodostuu ensimmäisen kappaleen (1, Γ) ja toisen kappaleen (2, 2') hermeettisesti yhteen liittävä, kolmannen kappaleen/ kappaleet (6) kiertävä ja hermeettisesti eristävä hitsi (7, 10), g. puristusvoima (F) välitetään ensimmäiseen ja toiseen kappaleeseen (1, Γ, 2, 2') tukielimen (3) ja puristuselimen (4) avulla siten, että ensimmäinen ja toinen kappale sijoitetaan puristuselimen ja tukielimen väliin, h. puristusvoiman (F) avulla saadaan yhteen liitettävien pintojen välille muodostumaan molekyylisidokset, tunnettu siitä että, i. puristuselin (4) poistetaan hitsausasetelmasta ennen hitsauksen/ hitsauksien suorittamista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että puristusvoima (F) asetetaan sellaiseksi, että yhteen liitettävien pintojen (1.2, 2.1) pinnankarheuden huippukohdat painuvat ainakin osittain kasaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että puristusvoima (F) asetetaan sellaiseksi, että pinjojen (1.2, 2.1) välissä olevat epäpuhtauspartikkelit painuvat ainakin osittain kasaan.

4. Jonkun patenttivaatimuksista 1- 3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että pintojen (1.2, 2.1) määrätylle etäisyydelle toisistaan puristamisessa käytetään sen suuruista ja siten asemoitua puristusvoimaa (F), että em. pintojen väliin muodostuu tietyn suuruinen, olennaisesti tasamittainen ilmarako (s).

5. Jonkun patenttivaatimuksista 1- 4 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että yhteen hitsattavat pinnat (1.2, 2.1) ovat tasopinnoista poikkeavia ja lasersäteen polttopisteen (8') korkeusasemaa muutetaan hitsaustapahtuman aikana siten, että se etenee edullisesti rajapinnalla (a, b) tai rajapinta-alueella (a').

6. Jonkun patenttivaatimuksista 1- 5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ainakin toinen yhteen hitsattavista kappaleista (1, Γ, 2, 2') koostuu useammasta kuin yhdestä osasta.

7. Jonkun patenttivaatimuksista 1- 6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ensimmäisen kappaleen (1, Γ) materiaali on lasia tai puolijohdesubstraattia, kuten piitä, teknistä lasia, sulautettua piioksidia, borosilikaattia, kalkkilasia, safiiria, tai keraamista ainetta, kuten zirkoniumoksia tai LiTaOmia.

8. Jonkun patenttivaatimuksista 1- 7 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että toisen kappaleen (2, 2') materiaali on lasia tai puolijohdesubstraattia, kuten piitä, teknistä lasia, sulautettua piioksidia, borosilikaattia, kalkkilasia, safiiria, tai keraamista ainetta, kuten zirkoniumoksia tai LiTaOmia.