KR20110095910A - 용접 접합 방법 및 용접 접합된 소자를 포함하는 장치 - Google Patents

용접 접합 방법 및 용접 접합된 소자를 포함하는 장치 Download PDF

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KR20110095910A
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벤카타 에이. 바가바툴라
로이 제이. 부르시에
사티시 씨. 차파라라
존 힘멜라이히
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

광전자 및/또는 광 소자들을 조립하기 위한 방법은, (i) 적어도 2개의 광전자 및/또는 광 소자들을 제공하는 단계; (ii) (a) 상기 소자들간 광학 결합을 제공하고, (b) 상기 소자들의 인접한 부분들간 거리(d; 여기서, 0㎛≤d≤100㎛)를 유지하기 위해, 상기 광전자 및/또는 광 소자들 서로에 대해 근접하게 정렬 및 배치하는 단계; (iii) 광학 결합을 유지하는 동안 상기 소자들을 서로 접착하는 단계; 및 (iv) 광학 결합을 유지하는 동안 상기 소자들을 함께 레이저 용접하는 단계를 포함한다.

Description

용접 접합 방법 및 용접 접합된 소자를 포함하는 장치{METHOD OF WELDBONDING AND A DEVICE COMPRISING WELDBONDED COMPONENTS}
본 발명은 개선된 용접 접합 방법에 관한 것으로, 특히 광 또는 광전자 소자들을 용접 접합하는 방법, 및 그와 같은 용접 접합된 소자들을 포함하는 장치에 관한 것이다.
광 또는 광전자 소자(예컨대, 레이저 또는 LED 기반 휴대용 또는 내장된 프로젝터)의 급격한 요구의 증가에 따라, 이들 소자를 조립하는데 있어서의 가장 큰 도전 과제중 하나는 이들 소자들간 높은 광학 결합 효율을 제공하기 위해 여러 소자들을 서로 연결하거나 결합하고, 시간에 걸친 그리고 온도 변화 동안 안정된 조립된 소자의 성능을 유지하는 것이다.
광 소자들의 조립에 있어서 다양한 애플리케이션에 레이저 용접이 이용되고 있다. 용접하는 동안, 용접된 부분의 빠른 고화 및 결합된 재료 수축은 미리 정렬된 소자들간 상대적 이동을 이끌 수 있다(오정렬 야기 프로세스). 이는 또한 후 용접 시프트(PWS; Post Weld Shift)라고도 한다. 용접된 광 또는 광전자 소자들간 광학 출력 파워 및/또는 광학 결합 효율은 PWS에 의해 크게 감소될 수 있다.
결합된 접착제 접합 및 용접의 사용은 이미 항공기 및 자동차 애플리케이션에 고려되고 있다. 이들 애플리케이션에 있어서, 대면적의 금속시트는 구조적인/강한 특성을 제공하기 위해 접착되어 용접된다. 이러한 공정을 용접 접합이라 부른다. 접착제가 금속시트들 사이에 샌드위치되고, 이어서 그 금속시트에 걸친 용접이 수행된다. 용접은 순간적인 강성 및 높은 내박리성(peel resistance)의 이점을 제공하는 반면, 접착제 접합은 내피로성 및 내진동성과 향상된 강성 및 내구성을 제공한다. 초점은 높은 정확한 정렬 또는 소자들간 광학 결합이 아니라 대면적 접합 및 구조적인 요건에 있다. 따라서, 우리의 지식에 따른 용접 접합 기술은 용접 공정 동안 접합된 부분의 초미세 레벨 이동의 방지를 해결하지 못하고 있다.
본 발명은 광 또는 광전자 소자들을 용접 접합하는 방법, 및 그와 같은 용접 접합된 소자들을 포함하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 광전자 및/또는 광 소자들을 조립하기 위한 방법은, (i) 적어도 2개의 광전자 및/또는 광 소자들을 제공하는 단계; (ii) (a) 상기 소자들간 광학 결합을 제공하고, (b) 상기 소자들의 인접한 부분들간 거리(d; 여기서, 0㎛≤d≤100㎛)를 유지하기 위해, 상기 광전자 및/또는 광 소자들 서로에 대해 근접하게 정렬 및 배치하는 단계; (iii) 상기 소자들간 경계에 접착제를 배치하고, 소자들간 광학 결합을 유지하는 동안 상기 접착제를 경화 또는 고화시킴으로써 접착제에 의해 상기 소자들을 서로 접착하는 단계; 및 (iv) 상기 소자들을 함께 레이저 용접하는 단계를 포함한다. 적어도 몇몇 실시예에 따르면, 레이저 용접은 2개의 소자들간 경계 라인에서 수행된다. 바람직하게, 레이저 용접 단계는 약 50㎛ 내지 1mm 직경의 적어도 하나의 용접 스폿(즉, 용접 비드)을 형성한다.
바람직하게, 레이저 용접 단계는 인접한 소자들의 상대적 위치에 있어 1㎛ 이하의 시프트(shift), 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하의 시프트를 생성한다.
바람직하게, 접착제는 5GPa≤R≤100GPa 범위의 강성률, 및 1초와 90초 사이의 경화시간의 특성을 갖는다. 바람직하게, 접착제의 수축(즉, 경화 동안 선형 수축)은 경화 또는 고화 동안 1㎛ 이하이다. 예컨대, 몇몇 실시예에서는 에폭시 접합의 두께가 10% 이하로 수축되고, 몇몇 실시예에서는 5% 이하로 수축되며, 몇몇 실시예에서는 1% 이하로 수축된다. 바람직하게, 접착제는 신속한 경화 공정 및 용이한 조립 공정을 촉진하기 위해 아크릴레이트와 같은 UV 또는 열경화성 에폭시로부터 선택된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 장치는, (i) 적어도 하나의 광학 요소(즉, 광학, 광전자 또는 광 요소)를 각각 포함하고, 서로 근접하여 배치된 적어도 2개의 소자; (ii) 상기 적어도 2개의 소자 중 적어도 하나의 적어도 하나의 광학 요소; (iii) 적어도 하나의 용접 스폿, 및 2개의 소자간 형성된 경계의 주위에 배치된 접착제의 적어도 하나의 스폿을 포함하고, 상기 적어도 2개의 소자 중 적어도 하나의 적어도 하나의 광학 요소는 상기 적어도 2개의 소자 중 또 다른 하나의 적어도 하나의 광학 요소에 광학적으로 결합된다.
장점적으로, 본 발명의 실시예에 따른 광학, 광전자 또는 광 소자를 조립하는 방법은 높은 수율을 제공하고, 비교적 낮은 비용으로 행해질 수 있으며, 이들 소자의 최소(또는 없는)의 후 용접 시프트를 생성한다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점들은 이하 상세히 기술되며, 부분적으로는 당업자들에게는 자명하거나 또는 수반되는 도면 뿐만 아니라 상세한 설명, 청구항을 포함하는 여기에 기술된 발명을 실시함으로써 알 수 있을 것이다.
상기의 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명의 실시예를 제공하며, 청구한 바와 같은 본 발명의 성질 및 특성을 이해시키기 위한 개관 또는 뼈대를 제공하기 위한 것이다. 수반되는 도면들은 본 발명을 좀더 잘 이해할 수 있게 하기 위해 제공되며, 본 명세서에 통합되어 일부를 구성한다. 그 도면들은 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 설명과 함께 본 발명의 여러 실시예를 기술한다.
본 발명에 따르면, 광 또는 광전자 소자들을 용접 접합하는 방법, 및 그와 같은 용접 접합된 소자들을 포함하는 장치를 제공할 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일실시예의 개략도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일실시예의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 또 다른 개략도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 또 다른 실시예의 도면이다.
도 5는 도 4a의 소자에 대한 시간 함수에 따른 온도 변이 및 출력 파워 변이를 나타내는 그래프이다.
도 6은 시간 함수에 따른 초음파 진동 중의 출력 파워 변이를 나타내는 그래프이다.
도 7은 함께 용접 접합되는 2개의 소자들의 개략도이다.
도 8은 도 7에 개략적으로 나타낸 축대칭 대용물 테스트 품목의 측정된 기계적 변위를 나타낸다.
이하, 수반되는 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술한다. 가능하면, 도면에 걸쳐 동일한 참조부호가 동일한 구성요소에 사용된다. 본 발명의 일실시예의 장치가 도 1에 개략적으로 나타나 있으며, 참조부호 10으로 표기되어 있다. 도 2a는 예시의 구성된 장치의 도면이며, 도 2b는 도 2a에 나타낸 장치(10)의 확대된 영역을 나타낸다. 장치(10)는 (i) 적어도 하나의 광학, 광, 또는 광전자 요소(21; 여기서 광학 요소(21)라고도 부르는)를 각각 포함하고, 서로 근접하여 배치된 적어도 2개의 소자(20; 예컨대 광전자 및/또는 광 소자); (ii) 상기 2개의 소자간 형성된 경계의 주위에 배치된 접착제(23; 접착 비드)의 적어도 하나의 스폿 및 (iii) 상기 2개의 소자간 형성된 계면 또는 경계(25)의 주위에 배치된 적어도 하나의 용접 스폿을 포함한다. 이들 2개의 소자 중 적어도 하나의 광학 요소(21)는 또 다른 소자의 적어도 하나의 광학 요소(21)에 광학적으로 결합된다. 비록 2개의 광학 요소(21)가 서로 광학적으로 결합될 지라도, 그들은 서로 물리적으로 접촉되거나 또는 접촉되지 않을 수 있다. 몇가지 예시의 광학 요소(21)는 도파관(섬유 또는 평판형), 렌즈, 렌즈형 섬유, 광학 격자, 광학 필터, 광학 커플러, 광학 또는 광전자 스위치, 광학 주파수 2배 크리스탈, 레이저 다이오드, 및/또는 광학 아이솔레이터이다. 바람직하게, 접착제(23)는 5GPa≤R≤100GPa의 강성률, 빠른 경화시간(예컨대, 1초와 90초 사이)의 특성을 갖는다. 바람직하게, 접착제의 수축(즉, 경화 동안 선형 수축)은 경화 또는 고화 동안 1㎛ 이하이다. 예컨대, 몇몇 실시예에서는 에폭시 접합의 두께가 10% 이하로 수축되고, 몇몇 실시예에서는 5% 이하로 수축되며, 몇몇 실시예에서는 1% 이하로 수축된다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 광전자 및/또는 광 소자(20; 또한 여기서 소자들이라 부르는)들을 조립하기 위한 방법은, (i) 적어도 2개의 광전자 및/또는 광 소자(20)들을 제공하는 단계; (ii) (a) 상기 소자들간 광학 결합을 제공하고, (b) 상기 소자들의 인접한 부분들간 거리(d; 여기서 d는 0㎛(소자들이 서로 물리적으로 접촉되는) 내지 100㎛)를 유지하기 위해, 상기 소자(20)들 서로에 대해 근접하게 정렬 및 배치하는 단계; (iii) (a) 2개의 소자가 접착제(23)에 의해 물리적으로 접촉되도록 상기 소자(20)들간 경계(25)에 접착제(23)를 배치하고, (b) 이들 소자들간 광학 결합을 유지하는 동안 상기 접착제(23)를 경화 또는 고화시킴으로써 접착제(23; 예컨대 UV 또는 온도 경화성 에폭시)에 의해 상기 2개의 소자들을 서로 접착 또는 결합하는 단계; 및 (iv) 조립된 장치(10)를 생성하기 위해 경계(25; 예컨대, 경계의 주위를 따라)에서 상기 소자들을 함께 레이저 용접하는 단계를 포함한다. 레이저 용접은 예컨대 50㎛ 내지 1mm의 횡단면(예컨대, 200㎛ 내지 600㎛의 직경)의 용접 스폿(28)을 형성한다. 바람직하게, 다수의 용접 스폿(28)은 공정 중 레이저 용접 동안 형성된다. 만약 접착제가 UV 경화(예컨대, UV 경화성 에폭시)를 필요로 하면, 접착제(23)에 의한 2개의 소자들 서로에 대한 접착 단계는 소자(20)들간 영구적인 접합을 형성하기 위해 접착제(23)를 UV 경화하는 단계를 포함한다. (고화 또는 경화)접착제(23)의 구조적인 강성에 의해 레이저 용접 동안 광학 정렬 및/또는 광학 결합이 유지된다. 여기에 사용된 바와 같은 용어 "광학 결합"은 2개의 소자들 중 어느 하나(예컨대, 제1소자)의 광학 요소에 빛이 제공되면(또는 될 때) 그 빛이 또 다른 소자의 광학 요소로 들어가고 이후 그 또 다른 소자의 광학 요소를 빠져나오도록 2개의 소자들이 정렬되는 것을 의미한다. 따라서, 그 2개의 소자들 또는 2개의 광학 요소들은 그 빛이 그 2개의 소자들 중 어느 하나(예컨대, 제1소자)의 광학 요소에 제공되지 못할 때조차 서로 광학적으로 결합될 수 있는데, 그 이유는 그 빛이 제공되면 어느 하나의 광학 요소가 또 다른 광학 요소에 결합되도록 배치 및 정렬되기 때문이다. 장점적으로, 레이저 용접 단계는 2개의 용접된 소자의 어느 위치에서든 1㎛ 이하의 시프트를 생성한다. 바람직하게, 2개의 소자(20)들은 서로에 대해 1㎛ 이하로 시프트된다. 그와 같은 작은 시프트는 광학 결합 효율(E) 또는 광학 출력 파워(P)에 지장을 초래하지 않기 때문에, (입력 광학 파워가 동일한 레벨로 유지된다는 것을 가정하면) 바람직하게는 20% 및 보다 바람직하게는 10% 내(즉, P2≥0.8P1 및 보다 바람직하게는 P2≥0.9P1)로 유지되며, 여기서 P1은 레이저 용접 단계 이전의 광학 파워 처리량이고 P2는 레이저 용접 이후의 광학 파워 처리량이다. 보다 더 바람직하게는 P2≥0.95P1이다. 이러한 파워 변경은 정렬된 광학 요소들간 시프트 및 이들의 광학 빔 특성과 관련된다. 많은 관심 대상의 광학, 광 또는 광전자 소자들(예컨대, 레이저 다이오드 및 단일 모드 도파관들)에 있어서, 빔 직경은 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 범위가 되며, 20% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하의 P1에서 P2까지의 상대적 변경을 얻기 위해 초미세 레벨로 PWS를 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 광학 결합 효율(E)은 20% 내, 바람직하게는 10% 내로 유지된다. 그리고, 보다 더 바람직하게는 5% 내이다. (E=Pout/Pin), 여기서 Pin은 2개의 소자 중 어느 하나의 광학 요소에 제공된 입력 광학 파워이고, Pout는 또 다른 소자의 광학 요소에 의해 제공된 출력 광학 파워이다. 따라서, E2≥0.8E1 및 보다 바람직하게는 E2≥0.9E1이 바람직하며, 여기서 E1은 레이저 용접 단계 이전의 광학 결합 효율이고, E2는 레이저 용접 후의 광학 결합 효율이다. 보다 더 바람직하게는 E2≥0.95E1이다.
몇몇 실시예에 따르면, 접착제는 에폭시이고, 2개(또는 그 이상)의 소자를 접착하는 단계는 2개의 인접한 소자(20)들간 영구적인 접합을 형성하기 위해 에폭시(23)의 강성을 변경하는 단계를 포함한다. 이것은 예컨대 양 소자들에 접착제 부착을 단단히 하기 위해 제공된 접착제(23)의 UV 경화에 의해 행해질 수 있다. 그 접착제(23)는 액체 형태로 제공된 열경화성 접착제이며, 열에 노출될 때 고화된다. 선택적으로, 실온에 노출될 때 고화되는(더 단단해지는) 뜨거운 액체로서 제공될 수 있다. 바람직하게, 접착제는 제공된 후 몇초(예컨대, 1초 내지 90초, 1초 내지 60초, 또는 5초 내지 45초) 내에 강성이 변하고(고화 또는 경화), 그에 따라 원하는 레벨 내에 그들 정렬을 유지하는 동안 2개의 소자가 함께 접합된다.
몇몇 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한 (i) 에폭시에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 소자(20)들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율을 측정하는 단계; 및 (ii) 상기 에폭시(23)에 의해 소자들 서로를 접착하는 동안 상기 소자(20)들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율을 측정하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한 (i) 에폭시에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 소자(20)들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율을 측정하는 단계; 및 (ii) 광학 출력 파워를 측정하는 동안 소자(20)들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율, 또는 소자들 서로를 레이저 용접하는 동안 이들 소자들간 결합 효율을 측정하는 단계를 포함한다.
광학 결합 효율은 또 다른 소자(20)의 광학 요소의 출력 광학 파워(Pout)와 또 다른 소자(20)의 광학 요소의 입력 광학 파워(Pin)간 비율(즉, E=Pout/Pin)로 규정되고, 상기 2개의 광학 요소는 서로 광학적으로 결합된다. 따라서, 접착제(23)에 의해 소자들 서로를 결합하기 전의 2개의 소자(20)들간 결합 효율(E1)은 E1=P1/Pin이다. 유사하게, 접착제(23)를 경화 또는 고화하는 동안 상기 소자들간 결합 효율(Ec)은 Ec=Pc/Pin이다. 유사하게, 소자들 서로를 레이저 용접하는 동안 소자들간 결합 효율(E2)은 E2=P2/Pin이다.
예컨대, 몇몇 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한 (i) 접착제(23)에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 2개의 소자(20)들간 광학 출력 파워(P1) 또는 광학 결합 효율(E1)을 측정하는 단계; (ii) 접착제(23)에 의해 소자들 서로를 접착하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(Pa) 또는 광학 결합 효율(Ea)을 측정하는 단계; (iii) 접착제(23)를 경화 또는 고화하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(Pc) 또는 광학 결합 효율(Ec)을 측정하는 단계; 및 (iv) 소자들 서로를 레이저 용접하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(P2) 또는 광학 결합 효율(E2)을 측정하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 광전자 및/또는 광 소자(20)들을 조립하는 방법은 (i) 접착제(23)에 의해 소자들을 함께 접착 또는 접합하기 전에 2개의 소자(20)들간 광학 출력 파워(P1) 또는 광학 결합 효율(E1)을 측정하는 단계; 및 (ii) (a) 용접 후 광학 출력 파워가 P2≥0.8P1, 및 바람직하게 P2≥0.9P1이 되고, 또 광학 결합 효율이 E2≥0.8E1, 및 바람직하게 E2≥0.9E1이 되도록, 2개의 소자들을 서로 레이저 용접하는 동안 2개의 소자(20)들간 광학 출력 파워(P2) 또는 광학 결합 효율(E2)을 유지하기 위해 접착제 접합의 기계적인 강도 및 강성을 이용하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는 P2≥0.95P1이고, 보다 바람직하게는 P2≥0.97P1이다. 바람직하게는 E2≥0.95E1이고, 보다 바람직하게는 E2≥0.97E1이다.
몇몇 실시예에 따르면, 레이저 용접은 250㎛ 내지 1㎛의 레이저 스폿 직경(예컨대, 450㎛)으로 1 내지 5밀리세컨드(milliseconds)의 레이저 펄스 폭을 이용하여 용접 스폿당 0.5J 내지 2.5J로 작동되는 1064nm의 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저를 이용하여 수행된다. 그러나, 레이저 용접은 다른 레이저, 예컨대 10,600nm의 파장을 갖는 CO2 레이저, 532nm의 파장을 갖는 주파수-2배 YAG 레이저, 810nm 레이저, 또는 1.3㎛ 내지 1.5㎛ 파장 범위에서 동작하는 IR 레이저에 의해 수행될 수 있다.
광 소자(20)는 금속(예컨대, 강철 또는 알루미늄 기재), 금속-세라믹 합성 재료, 유리-세라믹 재료, 유리 또는 폴리머 재료를 포함하는 레이저 용접을 이용하여 결합될 수 있는 재료들로 이루어진다. 예컨대, 접착제(23)는 2개의 금속 소자들간, 금속 소자와 금속-세라믹 혼합 소자간, 또는 2개의 유리 소자들간 접합을 형성하기 위해 사용된다. 이후 2개의 접합된 소자들을 함께 용접하기 위해 레이저 용접이 수행된다. 예컨대, 2개의 유리 소자들은 원하는 정렬이 레이저 용접 동안 그리고 이후에 유지되도록 그들 서로가 접착된 이후 서로 레이저 용접될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 방법의 하나의 장점은 용접된 소자들간 광학 결합 효율의 최소 변화만이 일어나는 2개의 용접된 소자(20)들간 초미세 시프트를 야기하는 것이다.
따라서, 여기에 장점적으로 기술된 용접 접합의 방법은 용접 공정 동안 접합된 부분의 이동을 방지하며(소정의 잔류 이동이 초미세 레벨로 유지될 수 있음), 이는 광전자 또는 광 애플리케이션에 특히 효과적이다.
보다 바람직하게, 접착제 접합은 이후의 레이저 용접 공정 동안 광전자 서브어셈블리(소자(20)들)들을 오정렬시키는 스트레스에 대항하는 강성을 제공한다. 용접 공정 동안 상호 용접된 부분의 이동을 방지하기 위해, 접착제는 (1) 레이저 용접의 힘에 대항하는 강성(R; 바람직하게 R＞1GPa, 보다 바람직하게 R＞5GPa, 예컨대 10GPa≤R≤50GPa, 15GPa≤R≤30GPa, 또는 18GPa≤R≤25GPa); (2) 광전자 서브어셈블리들의 최초 에폭시 접착 동안 초미세 정렬을 유지하기 위해 경화 동안 무시가능한/낮은 수축성(C; C＜1㎛, 바람직하게 C＜0.5㎛); 및 (3) 저비용 제조를 위한 빠른 경화성을 가질 필요가 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서 에폭시 접합의 두께는 10% 이하로 수축되고, 몇몇 실시예에서 에폭시 접합의 두께는 5% 이하로 수축된다. 따라서, 예컨대 만약 원래의 에폭시 비드(bead) 두께가 20㎛이고, 경화 이후 에폭시 접합 두께가 19㎛ 이하가 되지 않으면, 그 에폭시 두께가 5% 이하로 감소된다. 바람직하게, 경화시간은 90초 이하, 보다 바람직하게는 60초 이하(예컨대, 10~60초), 보다 더 바람직하게는 10초 이하가 될 것이다. 본 발명 애플리케이션에 사용될 수 있는 에폭시의 예로서 "Optocast" 브랜드의 충전 에폭시(예컨대, CO, Breckenridge의 Electronic Materials Inc.로부터 이용가능한)가 있으나, 이것으로 한정하지는 않는다. 이러한 브랜드의 에폭시는 실리카 충전 재료에 의한 UV 및/또는 열경화성 단일 성분 에폭시이다. 또한, 비충전 에폭시가 강성, 경화시간 및 수축 조건을 충족한다면 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 그와 같은 재료로는 "Lens Bond" UV 경화성 에폭시(PA, Hatfield의 Summers Optical Inc.로부터 이용가능한)를 포함한다. 이들 에폭시는 각기 다른 점성 범위를 형성한다. 예컨대, 접착제에 대한 아주 얇은 접합 라인을 촉진하기 위해, 50~500센티푸아즈(Cps; centipoise) 범위의 점성치를 갖는 낮은 점성 접착제가 이용될 수 있다. 이들 접착제는 2개의 소자들간 거리가 작아질(예컨대, d≤5㎛) 필요가 있을 때 바람직하다. 낮은 점성 접착제는 2개의 소자들간 갭 내로 확산되어 더 많은 표면 접촉을 제공할 수 있다. 그러나, 만약 낮은 점성 접착제가 UV 경화성 접착제이고, 2개의 소자들간 확산될 경우, 그 소자들이 투명하지 않으면 그와 같은 접착제를 완전히 경화시키기 어려울 것이다. 더욱이, 그와 같은 접착제가 광학 요소(들)를 오염시키지 않도록 또는 광로로 확산되어 광학 결합을 방해하지 않도록 주위할 필요가 있다. 따라서, 높은 점성 접착제, 특히 낮은 수축의 충전된 에폭시가 바람직한데, 그 이유는 이들 접착제가 광로로 확산되기 쉽지 않고, 광학 요소를 오염시키기 쉽지 않기 때문이다. 높은 점성 접착제는 500 내지 100000Cps 범위의 점성치를 갖는다. 이하의 예에서, 우리는 높은 점성의 접착제를 선택하여 2개의 소자들간 계면(또는 경계)의 외측 상에 그 접착제를 제공한다. 높은 점성 접착제는 더 많은 표면 접촉을 제공하기 위해 비교적 큰 비드 크기로 제공될 필요가 있다. 이하 예에서의 높은 점성 접착제에 대한 비드 직경, 또는 비드 폭은 1mm 내지 3mm이지만, 요구된 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다.
예
본 발명은 이하의 예들에 의해 더욱 명확해질 것이다.
예1
일실시예에 따르면, 2개의 광 소자(20)들이 이들 소자간 영구적인 접합을 형성하기 위해 함께 조립된다(도 1a, 1b, 2a 및 2b 참조). 특히, 광학 요소(21A; 본 예에서는 광섬유)가 금속 기재(22A; 본 예에서는 스테인레스 강철(304) 기재) 상에 탑재되고 그 기재에 접착되어 제1광 소자(20)를 형성한다. 또 다른 광 소자(20)가 또 다른 기재(22B) 상에 광섬유(21B)를 탑재함으로써 형성된다. 제1광 소자(20)의 메이팅면(20A; mating surface)들 중 어느 하나에 웨지(W; wedge)가 있다는 것에 주목하자. 빛이 광섬유 도파관(21A)의 입력단(A)에 제공될 때 그 빛이 광섬유 도파관(21B)의 출력단(B)으로부터 빠져나가도록 2개의 광 소자(20)들이 서로 근접하게 배치된다. 2개의 광 소자(20)들은 피크 결합(광섬유 도파관(21B)의 출력단(B)에서 측정된 최대 출력 파워를 생성하는 결합) 밴드를 위해 정렬되고, 이후 "T" 조인트를 형성하는 UV 경화성 접착제(예컨대, CO, Breckenridge의 Electronic Materials Inc.로부터 이용가능한 OPTOCASTTM3415)를 이용하여 적소에 접착된다. 이어서, 접착된 어셈블리 상에 레이저 용접이 수행된다. 본 실시예에서는 3밀리세컨드의 펄스 폭으로 동작되는 펄스 Nd:YAG 레이저를 사용함으로써 용접 스폿당 약 0.9J의 에너지를 절약한다. 본 실시예에서, 용접 스폿 직경(d)은 약 450마이크론(micron)이다(도 1 및 2a, 2b의 용접 스폿 위치를 참조).
접착제 배치는 접착제가 다음의 레이저 용접을 방해하지 않도록 이루어질 것이다. 접착제(23) 배치의 선택에 있어서, 접착제(23)의 수축이 거의 동일하게 일어나 그 대항하는 힘이 서로 없어져 소자(20)들간 상대적 이동을 최소화하도록 대칭적인 장치의 디자인을 취하는 것이 바람직하다. 예컨대, 접착제 비드가 소자들의 중심으로부터 등거리로, 또는 좀더 작은 소자의 둘레 주위에 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 접착제는 높은 점성의 접착제이며, 소자들간 가능한 위킹(wicking)을 피하기 위해 소자들간 계면 외측에 제공된다. 따라서, 5,000Cps 이상, 바람직하게는 50,000Cps 이상의 점성을 갖는 접착제를 이용하는 것이 바람직하다. 예컨대, Opticast 3415는 100,000Cps의 점성치를 갖는다. 또한, 바람직하게 용접 위치는 대칭 및 상대적인 균형력의 생성을 위해 선택된다. 바람직하게 레이저 펄스 에너지는 각각의 펄스가 단단한 에폭시가 문제없이 견딜만큼 충분히 작은 잔여 힘을 생성하도록 선택된다. 작동 조건 하에 충분한 강도 및 신뢰도를 제공하기 위해 다수의 용접 스폿이 사용된다.
본 실시예에서는 용접 단계 전과 후의 광학 결합 효율(광학 출력 파워)을 측정했으며, 용접 단계 후의 결합된 소자(20)들이 결합 안정성이 우수하다는 것을 알아냈다. 후-용접 시프트의 결과로서 측정된 출력 파워의 변화는 1% 이하였다(즉, P2＞0.99P2). 최초 실험에서, 그 금속 기재 두께는 6mm였다. 나중의 기재 두께는 1.5mm로 변경되었고 실험을 반복했다. 보다 얇은 어셈블리에 있어서의 후-용접 시프트의 결과로서 측정된 출력 파워의 변화는 3% 이하였다(즉, P2＞0.97P1). 나중에, 이들 어셈블리(장치 10)들 모두는 약 20℃ 내지 85℃ 범위의 온도에 걸친 열 사이클링 테스트를 거쳤다. 열 사이클링 동안 광학 출력 파워 변화는 3% 이하(즉, P2가 3% 이하로 변경된)였으며, 결과적으로 장치(10)의 우수한 온도 무의존 성질을 나타냈다. 어셈블리(장치 10)들 모두에 대해 열에 의한 초음파 진동 및 100% 습도(초음파 욕조 환경)를 거치게 했다. 그 장치(10) 모두는 0.3%의 출력 파워 변화를 나타냈다. 특히, 도 5는 도 4에 나타낸 완성된 어셈블리의 온도 무의존 성질을 나타낸다. 도 6은 열, 습도 및 온도 조건 하에서의 어셈블리 성능을 나타낸다.
예2
소자들을 정렬하고 적소에 그것들을 접착하여 레이저 용접을 수행하는 방법이 다른 메이팅면 형태로 확장될 수 있다. 상기 예1에서, 메이팅면들 중 하나의 면이 웨지를 가졌다. 본 예에서, 그 면은 웨지가 없고 전체 어셈블리가 "T" 조인트처럼 보이도록 변경되었다(개략도인 도 3 및 제조된 장치(10)의 도면인 도 4a 및4b 참조). 특히, 도 4a는 장치(10)의 상면도를 나타내고, 도 4b는 도 4a의 제조된 장치(10)의 측면도의 일부를 나타낸다. 평균의 후-용접 시프트 유도의 파워 처리량 변화는 약 1.8%이다(즉, 소스 변동을 포함하여 P2＞0.982P1이다. 본 실시예에서, 제조된 장치(10)의 열 사이클링은 2% 이하의 변화를 나타냈다(즉, P2가 2%로 변동). 이러한 "T" 조인트 형태의 타입은 각 소자(20)가 단순한 직사각형 블럭이기 때문에 바람직하다. 그와 같은 T-접합 소자 어셈블리가 갖는 또 다른 장점은 제조시에 크기 및 공차의 변동에서 조차 용접 조인트가 대칭됨으로써 대향의 횡단 용접력을 제공할 수 있다는 것이다. 즉, 균형 맞추어진 레이저 빔 파워 및 배치에 따라, 결과의 대칭 용접 위치(용접 스폿 위치)가 동일하게 제공되고 힘이 반대가 되어 서로간의 큰 확장이 없으며, 단단한 에폭시에 의해 보상되어야 하는 잔여 힘이 감소된다.
또한, 바람직한 레이저 용접 방식은 다수의 보다 작은 펄스의 사용을 포함하며, 이는 용접 스폿 크기를 보다 작게 한다. 일반적으로 보다 작은 용접 스폿은 좀더 쉽게 반작용하는 보다 작은 힘을 포함한다. 또한, 다수의 용접된 영역은 작동 동안 대용 가능성을 제공하여 좀더 신뢰할 수 있으면서 내구성이 있는 장치를 이끌 수 있다. 본 실시예에 있어서, 레이저 빔 용접은 2개의 균형 맞추어진 레이저 빔을 이용하여 T-접합의 중심에서 이루어지는데, 그 이유는 이러한 레이저 용접 구성이 이러한 예시의 장치(10)에서 최대의 대칭을 제공하기 때문이다. 유사한 요인들(예컨대, 장치 형태, 접착제 배치 위치, 위치 및 용접 스폿의 수)은 광학, 광 또는 광전자 소자(20)들을 함께 용접 접합할 때 다른 장치 형태를 고려하여 취해져야 한다.
이러한 조립 방법을 이용하여 얻어진 우수한 안정성(예컨대, 각기 다른 환경 조건 하에서 작은 PWS 값, 및 양호한 광학 결합)은 근본적으로 용융 재료(예컨대, 금속, 유리 및/또는 유리 세라믹)의 빠른 고화에 의해 야기된 이동에 대항하기 위해 접착제(23)에 의해 제공된 반대의 힘에 의한 것이라 믿고 있다. 또 다른 요인은 레버 아암(lever arm) 효과에 있다. 용접 평면은 2개의 도파관의 평면에 거의 부합한다(본 실시예의 2개의 도파관(21A, 21B) 사이의 거리는 5마이크론 이하이다). 용접 스폿(28)의 냉각 동안, 도파관(21A, 21B) 서로에 대한 이동을 야기하는 서브-어셈블리(광 소자(20))의 회전 이동이 있을 것이다. 만약 용접 평면이 광학 결합 평면으로부터 멀리 이동되면, 결합 효율을 크게 감소시키는 큰 측면 변위가 광학 결합 평면 상에 발생할 것이다. 그러나, 여기에 기술한 예에서, 용접 및 광학 결합 평면이 거의 부합하고, 따라서 레벨 아암이 작기 때문에 그 이동이 무시될 수 있다. 따라서, 용접 평면이 광학 요소가 배치되는 평면과 부합하거나 거의 부합(즉, 바람직하게는 1mm 내)하는 것이 바람직하다.
예2에서 2개의 소자(20)들이 서로 물리적으로 접촉하고 있을 지라도, 후 용접 시프트 성능과 마찬가지로, 2개 소자의 2개의 메이팅면들간 약 30마이크론 갭(d=30㎛)이 있을 경우에도 이러한 방법이 행해진다.
예3
또한, 장치 조립의 본 방법은 축대칭 장치에 적용될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 스테인레스 강철(304) 장치 대용물(즉, 광학 요소가 없는 소자)이 접착제와 조립된다. 시아노아크릴레이트 겔(캘리포니아, 랜초 쿠카몽가, The Original Super Glue Corporation의 Super Glue Gel®과 같은)의 3개의 작은 비드를 이용하여 몇몇 장치 대용물이 접합되는 한편 충전된 2개의 부품 에폭시(텍사스, 설퍼 스프링스, J-B Weld Company의 JB-Kwik®와 같은)를 이용하여 또 다른 대용물이 만들어진다. 본 예(도 7 참조)에 사용된 원통형 금속 기재(22A; 소자(20) 대용)는 45도 테이퍼(taper)로 플랜지(flange)되어 베이스 대용 소자(20')(금속 기재(22B))에 부착되어 있다. 그 접합된 장치 대용물이 우리의 테스트 픽스처링(test fixturing)에 클램프되어 각 장치 대용물의 소자 변위가 3개의 Philtec RC20 광섬유 센서 변위 프로브(메릴랜드, 아나폴리스의 Philtec)를 이용하여 모니터된다. 그 접합된 장치 대용물은 페룰(ferrule) 중심선으로부터 25도 기울어지고 그로부터 떨어져 120도 지향된 3개의 빔으로 용접된다. 테스트 구성이 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 비교적 낮은 파워 레이저 빔(본 예에서는 레이저 조건은 용접 스폿당 0.9J, 3밀리세컨드 펄스 폭, 및 약 450㎛ 용접 스폿)이 2개의 금속 소자들간 계면으로 지향된다. 소자들이 함께 용접된 후, 측면 후-용접 시프트가 측정된다. 시아노아크릴레이트 겔을 이용하여 접착식으로 접합된 이들 장치 대용물 중 어느 하나로부터의 통상적인 테스트 결과가 도 8에 나타나 있다. 이 도면은 도 7에 나타낸 축대칭 대용물 테스트 장치의 측정된 기계적인 변위를 나타낸다. 도 8의 3개의 선(자국)은 3개의 변위 센서의 출력을 나타낸다. 도 8에서, y축은 ㎛이고, x축은 초로 측정된 시간을 나타낸다.
장점적으로, 용접 접합의 본 발명 방법은 광학 소자의 마이크론-레벨의 정확한 결합, 온도에 대한 안정성, 및 장기간의 장치 신뢰성과 같은 매력적인 특징들을 제공한다. 즉, 그 이유는 용접 접합이 초미세한 정밀도로 소자(20)들을 유지할 수 있기 때문이다.
장점적으로, 본 발명의 실시예에 따른 광전자 또는 광 소자들을 패키지로 조립하는 방법은 초미세 레벨로 후-용접 시프트를 최소화하는 변형된 용접 접합 공정을 사용하며, 이러한 방법은 광 또는 광전자 소자 또는 패키지의 조립에 적합하다.
당업자라면 본 발명이 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 및 변경할 수 있다는 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 부가된 청구항 및 이들 동등물의 범위 내에 제공된 본 발명의 변형 및 변경을 커버할 수 있다.
10 : 장치, 20 : 소자,
21 : 광학 요소, 23 : 접착제,
25 : 경계, 28 : 용접 스폿.

Claims (20)

  1. 광전자 및/또는 광 소자들을 조립하기 위한 방법에 있어서,
    (i) 적어도 2개의 광전자 및/또는 광 소자들을 제공하는 단계;
    (ii) (a) 상기 소자들간 광학 결합을 제공하고, (b) 상기 소자들의 인접한 부분들간 거리(d; 여기서, 0㎛≤d≤100㎛)를 유지하기 위해, 상기 광전자 및/또는 광 소자들 서로에 대해 근접하게 정렬 및 배치하는 단계;
    (iii) (a) 상기 소자들간 경계에 접착제를 배치하고, (b) 소자들간 광학 결합을 유지하는 동안 상기 접착제를 경화 또는 고화시킴으로써 접착제에 의해 상기 소자들을 서로 접착하는 단계; 및
    (iv) 소자들간 광학 결합을 유지하는 동안 상기 소자들을 함께 레이저 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 용접 단계는 상기 경화 또는 고화된 접착제의 구조적인 강성을 통해 적어도 부분적으로 상기 레이저 용접이 유지되는 동안 상기 광학 결합 및 인접한 소자들의 어느 한쪽의 위치에서 1㎛ 이하의 시프트를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 에폭시이고, 상기 소자들을 접착하는 단계는 상기 소자들간 영구적인 접합을 형성하기 위해 상기 에폭시의 강성을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 UV 경화성 에폭시이고, 상기 소자들을 접착하는 단계는 상기 소자들간 영구적인 접합을 형성하기 위해 상기 접착제를 UV 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 상기 소자들간 경계의 외주를 따라 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 5GPa 내지 100GPa의 강성률, 1초 내지 90초의 경화시간, 및 경화 동안 1㎛ 이하의 수축(C)의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 UV 경화성 에폭시, 열경화성 에폭시, 열가소성 접착제, 열경화성 접착제, 시아노아크릴레이트, 폴리우레탄, 실리콘, 또는 폴리이미드를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 용접 단계는 50㎛ 내지 1mm 직경의 적어도 하나의 용접 스폿을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    (i) 에폭시에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 상기 소자들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율을 측정하는 단계; 및 (ii) 상기 에폭시에 의해 소자들 서로를 접착하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워 또는 광학 결합 효율을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    (i) 에폭시에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 상기 소자들간 광학 출력 파워(P1) 또는 광학 결합 효율(E1)을 측정하는 단계; 및 (ii) (a) 용접 후 광학 출력 파워(P2)가 P2≥0.9P1이 되도록 광학 출력 파워를, 또는 (b) 용접 후 광학 결합 효율(E2)이 E2≥0.9E1이 되도록 상기 소자들간 광학 결합 효율을, 상기 소자들을 서로 레이저 용접하는 동안 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    (i) 접착제에 의해 소자들 서로를 결합하기 전에 상기 소자들간 광학 출력 파워(P1) 또는 광학 결합 효율(E1)을 측정하는 단계; (ii) 상기 접착제에 의해 소자들 서로를 접착하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(Pa) 또는 광학 결합 효율(Ea)을 측정하는 단계; (iii) 상기 접착제를 경화 또는 고화하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(Pc) 또는 광학 결합 효율(Ec)을 측정하는 단계; 및 (iv) 소자들 서로를 레이저 용접하는 동안 상기 소자들간 광학 출력 파워(Pw) 또는 광학 결합 효율(Ew)을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 용접은 펄스형 Nd:YAG 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 용접은 250㎛ 내지 1㎛의 레이저 스폿 직경으로 1 내지 5밀리세컨드의 레이저 펄스 폭을 이용하여 용접 스폿당 0.5J 내지 2.5J로 작동되는 Nd:YAG 레이저에 의해 용접함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접은 250㎛ 내지 1㎛의 레이저 스폿 직경으로 1 내지 5밀리세컨드의 레이저 펄스 폭을 이용하여 용접 스폿당 0.5J 내지 2.5J로 작동되는 Nd:YAG 레이저에 의한 용접에 의한 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 8에 있어서,
    각각의 용접 스폿 직경은 200㎛~600㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 광전자 및/또는 광 소자들을 조립하기 위한 방법에 있어서,
    (i) 적어도 2개의 광전자 및/또는 광 소자들을 제공하는 단계;
    (ii) (a) 상기 소자들간 광학 결합을 제공하고, (b) 상기 소자들의 인접한 부분들간 거리(d; 여기서, 0㎛≤d≤1000㎛)를 유지하기 위해, 상기 광전자 및/또는 광 소자들 서로에 대해 근접하게 정렬 및 배치하는 단계;
    (iii) (a) 광학 결합을 유지하는 동안 상기 소자들간 경계에 접착제를 배치함으로써 접착제에 의해 상기 소자들을 서로 접착하는 단계; 및
    (iv) 상기 소자들간 경계에서 상기 소자들을 함께 레이저 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. (i) 적어도 하나의 광학 요소를 각각 포함하고, 서로 근접하여 배치된 적어도 2개의 소자;
    (ii) 상기 적어도 2개의 소자 중 적어도 하나의 적어도 하나의 광학 요소;
    (iii) 적어도 하나의 용접 스폿, 및 2개의 소자간 형성된 경계의 주위에 배치된 접착제의 적어도 하나의 스폿을 포함하고,
    상기 적어도 2개의 소자 중 적어도 하나의 적어도 하나의 광학 요소는 상기 적어도 2개의 소자 중 또 다른 하나의 적어도 하나의 광학 요소에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 접착제는 UV 또는 열경화성 에폭시, 열가소성 접착제, 열경화성 접착제, 시아노아크릴레이트, 폴리우레탄, 실리콘, 또는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 적어도 하나의 용접 스폿은 250㎛ 내지 1mm의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 적어도 2개의 소자는 다수의 접착 스폿에 의해 서로 연결되고, 상기 접착 스폿은 서로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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