JP2015098042A - 接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光による多光子吸収現象を発現させて複数の部材を接合し、接合体を製造する方法であって、複数の部材を確実に接合し得る方法を提供する。【解決手段】第１の無機材１１と第２の無機材１２とを液体１４を介して対向させ、積層体１５を得る。積層体１５にレーザー光１３を照射することにより第１及び第２の無機材１１，１２の少なくとも一方を加熱して溶融させ、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、接合体の製造方法に関する。

従来、高エネルギー短パルスレーザー光を利用して複数の部材を接合する方法が提案されている（特許文献１、２等を参照）。この方法では、接合しようとする２つの部材を圧接させた状態で、高エネルギー短パルスレーザー光を照射する。このレーザーの照射により形成されたフィラメント領域において多光子吸収現象が発現する。その結果、フィラメント領域が局所的に加熱され、フィラメント領域が溶融状態となる。溶融状態となったフィラメント領域が固化することにより２つの部材が接合される。

高エネルギー短パルスレーザー光を用いた接合方法では、微少なフィラメント領域が局所的に加熱されるため、部材全体の温度を上昇させることなく接合を行うことができる。

高エネルギー短パルスレーザー光を用いた接合方法では、接合しようとする部材間のギャップが大きい、つまり、隙間が存在すると、レーザーアブレーションが生じ、十分に接合されない場合がある。これに鑑み、特許文献２では、接合させようとする部材間のギャップをレーザー光の中心波長の４分の１程度以下とすることが提案されている。

国際公開第２０１１／１１５２４２号公報 特開２００５−０６６６２９号公報

しかしながら、接合しようとする２つの部材のうちの少なくとも一方が反っている場合は、接合させようとする部材間のギャップをレーザー光の中心波長の４分の１程度以下とすることができない場合がある。また、少なくとも一方の部材の剛性が低い場合には、接合させようとする部材間のギャップをレーザー光の中心波長の４分の１程度以下とするために、２つの部材を圧接させると、剛性が低い部材が損傷してしまう虞がある。また、２つの部材を圧接させると、接合後に残留応力が残り、接合力を低下させるという問題が生じる場合がある。

本発明の主な目的は、レーザー光による多光子吸収現象を発現させて複数の部材を接合し、接合体を製造する方法であって、複数の部材を確実に接合し得る方法を提供することにある。

本発明に係る接合体の製造方法は、第１の無機材と第２の無機材とを接合し、接合体を製造する方法に関する。本発明に係る接合体の製造方法では、第１の無機材と第２の無機材とを液体を介して対向させ、積層体を得る。積層体にレーザー光を照射することにより第１及び第２の無機材の少なくとも一方を加熱して溶融させ、第１の無機材と第２の無機材とを接合する。

積層体に、超短パルスレーザー光を照射することが好ましい。

第１及び第２の無機材のうちの少なくとも一方が可撓性を有していてもよい。

第１及び第２の無機材のうちの少なくとも一方は、厚みが１００μｍ以下であるガラスフィルムであってもよい。

第１の無機材と第２の無機材との間のギャップが１００μｍ以下となるように第１の無機材と第２の無機材とを対向させることが好ましい。

本発明によれば、レーザー光による多光子吸収現象を発現させて複数の部材を接合し、接合体を製造する方法であって、複数の部材を確実に接合し得る方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における接合工程を説明するための模式的断面図である。 本発明の一実施形態において製造された接合体の一部分の模式的断面図である。 実施例において作製した接合体から剥離した第１のガラス板の、レーザー照射部位表面の写真である。 比較例においてレーザー照射後の第１のガラス板のレーザー照射部位表面の写真である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態における接合工程を説明するための模式的断面図である。図２は、本実施形態において製造された接合体の一部分の模式的断面図である。本実施形態では、主として図１を参照しながら図２に示す接合体１の製造方法について説明する。なお、図１及び図２においては、断面のハッチングを省略している。

まず、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを用意する。本実施形態では、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを接合し、図２に示される接合体１を製造する。

第１及び第２の無機材１１，１２は、それぞれ、無機材料からなるものである限りにおいて特に限定されない。第１及び第２の無機材１１，１２は、例えば、ガラス材、セラミック材、金属材などにより構成されていてもよい。第１及び第２の無機材１１，１２の少なくとも一方は、後述する超短パルスレーザー光１３を透過させることが可能である材質であることが好ましい。なお、本実施形態では、第１の無機材１１が超短パルスレーザー光１３を透過させることが可能である材質である。

第１及び第２の無機材１１，１２の形状も特に限定されない。第１及び第２の無機材１１，１２は、例えば、板状、立方体状、柱状、フィルム状等であってもよい。

次に、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを液体１４を介して対向させ、積層体１５を作製する。第１の無機材１１と第２の無機材１２とは、液体１４の表面張力によって相互に固定される。

次に、第１の無機材１１側から積層体１５に超短パルスレーザー光１３を照射する。これにより、第１及び第２の無機材１１，１２の少なくとも一方を加熱して溶融させ、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを接合させる。より具体的には、フィラメント領域Ａ１が第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がって形成されるように超短パルスレーザー光１３を照射する。積層体１５にフィラメント領域Ａ１が形成されると、フィラメント領域Ａ１において多光子吸収現象が生じる。このため、フィラメント領域Ａ１が局所的に加熱され、フィラメント領域Ａ１が溶融状態となる。超短パルスレーザー光１３の照射が終了すると、溶融状態となったフィラメント領域Ａ１は、冷却され、固化する。これにより、図２に示されるように、第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がる接合部１６が形成される。その結果、図２に示される接合体１が得られる。

本発明において、「超短パルスレーザー光」とは、パルス幅が１×１０^−９秒未満であるパルスレーザー光をいう。

超短パルスレーザー光がガラスなどの媒質に入射すると、３次の非線形光学効果と、プラズマ形成による屈折率の減少効果とが生じる。これら２つの効果が均衡することにより、所定の距離にわたって最小ビーム径で伝搬するフィラメンデーションという現象が生じる。このフィラメンデーションが生じている領域をフィラメント領域と呼ぶ。

なお、第１の無機材１１と第２の無機材１２との一方のみを溶融させた場合であっても第１の無機材１１と第２の無機材１２とを接合し得る。このため、フィラメント領域Ａ１が第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がって形成される必要は必ずしもない。第１の無機材１１の第２の無機材１２側の表層と、第２の無機材１２の第１の無機材１１側の表層との少なくとも一方にフィラメント領域Ａ１が位置するように超短パルスレーザー光１３を照射すればよい。もっとも、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを確実に接合させる観点からは、第１の無機材１１と第２の無機材１２との両方を溶融させる方が好ましい。よって、フィラメント領域Ａ１が第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がって形成されるように超短パルスレーザー光１３を照射することが好ましい。従って、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを、フィラメント領域Ａ１が第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がって形成され得るような距離で配置することが好ましい。具体的には、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間のギャップが１００μｍ以下となるように、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを対向させることが好ましい。第１の無機材１１と第２の無機材１２との間のギャップは、５０μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましく、５μｍ以下であることがなお好ましい。また、第１の無機材１１と第２の無機材１２とが接触することにより発生する損傷を抑制するために、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間のギャップは、０．０１μｍ以上であることが好ましい。

フィラメント領域Ａ１を断面視において縦方向に長く形成する観点からは、超短パルスレーザー光１３のパルス幅が適度に短いほうが好ましく、パルスの波長分散量が、前もって補償されていることが好ましい。具体的には、超短パルスレーザー光１３のパルス幅は１×１０^−１２秒未満であることが好ましく、パルスの波長分散量は、フィラメントの直前または中央付近で、０であることが好ましい。

ところで、通常は、第１の無機材と第２の無機材とを液体を介さずに直接接触させた状態でレーザー光の照射を行う。この場合、第１の無機材と第２の無機材との間に隙間が存在すると、第１の無機材と第２の無機材とが好適に接合されない場合がある。この原因としては、定かではないが、フィラメント領域においてレーザーアブレーションが生じ、溶融状態が好適に形成されないためであると考えられる。

レーザーアブレーションを抑制する観点からは、第１の無機材と第２の無機材とを隙間なく密着させることが好ましい。しかしながら、第１の無機材または第２の無機材が反っている場合には、第１の無機材と第２の無機材とを隙間なく密着させることは困難である。また、第１及び第２の無機材の少なくとも一方の剛性が低い場合には、密着させるために圧接した際に第１及び第２の無機材の少なくとも一方が損傷してしまう虞がある。さらに、第１の無機材と第２の無機材とを圧接させると、接合後に残留応力が残り、接合力を低下させるという問題を生じる場合がある。

本実施形態のように第１の無機材１１と第２の無機材１２との間に液体１４を介在させた場合は、第１の無機材１１と第２の無機材１２とが密着していなくとも、フィラメント領域Ａ１においてレーザーアブレーションが生じにくい。従って、第１の無機材１１と第２の無機材１２とを好適に接合し得る。

第１及び第２の無機材１１，１２を圧接させる必要が必ずしもないため、第１及び第２の無機材１１，１２が損傷しにくい。

また、例えば、第１及び第２の無機材１１，１２のうちの少なくとも一方が可撓性を有するような場合、具体的には、例えば、厚みが１００μｍ以下であるガラスフィルムであるような場合には、液体１４の表面張力により可撓性を有する無機材が他方の無機材の形状に沿って変形する。このため、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間に、隙間が生じにくい。よって、フィラメント領域Ａ１を第１の無機材１１と第２の無機材１２とに跨がるように確実に形成しやすい。従って、第１及び第２の無機材１１，１２を確実に接合し得る。

なお、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間に液体１４を介在させることによりフィラメント領域Ａ１においてレーザーアブレーションが生じにくくなる理由としては、定かではないが、以下の理由が考えられる。すなわち、間隙の液体１４の表面張力により第１の無機材１１と第２の無機材１２との一方の無機材が他方の無機材の形状に沿って変形し、レーザーアブレーションの原因となる両者の間隙がより狭くなること、及び間隙に液体１４が存在することで、極短時間の間に生じる超短パルス光によるアブレーションが抑制されるものと考えられる。なお、アブレーションが抑制されるとパルスのエネルギーの散逸が抑制され、接合に必要な局部における温度上昇が保たれる。

上述のように、液体１４は、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間に隙間を生じないようにする機能を有する。このため、液体１４は、第１の無機材１１と第２の無機材１２との間に満たされるものであれば特に限定されない。液体１４は、第１の無機材１１や第２の無機材１２と親和性のあるものが好ましい。好ましく用いられる液体１４の具体例としては、例えば、水、アルコール、種々の水溶液等が挙げられる。

また、液体１４には、粒子が分散していてもよい。液体１４は、例えば、コロイド、エマルジョン、ゾル、ゲルなどであってもよい。

（実施例）
第１のガラス板（日本電気硝子株式会社製ＯＡ−１０Ｇ、縦：３０ｍｍ、横：３０ｍｍ、厚み：０．７ｍｍ）と、第２のガラス板（日本電気硝子株式会社製ＴｙｐｅＡ）、縦：２５ｍｍ、横：５ｍｍ、厚み：０．０３ｍｍ）とを水を介して重ね合わせ、積層体を作製した。三次元レーザー測定器により測定した、第１のガラス板の縦方向及び横方向の反りの平均は１μｍ以下、第２のガラス板の横方向の反りは３０μｍであった。また、第２のガラス板は、可撓性を有する。得られた積層体の０．５ｍｍ角の領域に、フェムト秒レーザー（エネルギー：９．９ｕＪ、パルス幅：８０ｆｓ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、レーザー波長：８００ｎｍ、走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ）を照射した。詳細には、フェムト秒レーザーを一の方向に沿って直線状に走査した後に、一の方向に対して垂直な方向において異なる位置で、一の方向に沿って直線状に走査する工程を複数回行った。

フェムト秒レーザー照射後、２枚のガラス板を剥離させ、第１のガラス板の表面状態を確認することで、２枚の板ガラスの接合状態を確認した。図３に実施例において作製した接合体から剥離した第１のガラス板のレーザー照射部位表面の写真を示す。図３に示される写真から分かるように、第１のガラス板と第２のガラス板とが接合されたことを示す、ガラスの割れが確認できた。

（比較例）
第１のガラス板と第２のガラス版との間に水を介在させなかったこと以外は、実施例と同様にして接合体の作製を試みた。図４に示される写真から分かるように、第１のガラス板と第２のガラス板とは接合されなかった。

１：接合体
１１：第１の無機材
１２：第２の無機材
１３：超短パルスレーザー光
１４：液体
１５：積層体
１６：接合部
Ａ１：フィラメント領域

Claims (5)

1. 第１の無機材と第２の無機材とを接合し、接合体を製造する方法であって、
   前記第１の無機材と前記第２の無機材とを液体を介して対向させ、積層体を得る工程と、
   前記積層体にレーザー光を照射することにより前記第１及び第２の無機材の少なくとも一方を加熱して溶融させ、前記第１の無機材と前記第２の無機材とを接合する工程と、
   を備える接合体の製造方法。
2. 前記積層体に、超短パルスレーザー光を照射する、請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記第１及び第２の無機材のうちの少なくとも一方が可撓性を有する、請求項１または２に記載の接合体の製造方法。
4. 前記第１及び第２の無機材のうちの少なくとも一方は、厚みが１００μｍ以下であるガラスフィルムである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
5. 前記第１の無機材と前記第２の無機材との間のギャップが１００μｍ以下となるように前記第１の無機材と前記第２の無機材とを対向させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。

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