KR20140082568A - 집광 레이저 빔을 이용하여 기판을 포함하는 요소들을 함께 용접하는 방법 - Google Patents

집광 레이저 빔을 이용하여 기판을 포함하는 요소들을 함께 용접하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 요소들(5, 13)간의 그들의 공동면(e) 영역에 레이저 빔(10)을 집광하여 기판을 포함하는 요소들을 함께 용접하는 방법을 제공하는데 있으며, 초점(12) 에너지가 양 요소들(5, 13) 내의 물질을 용융시킴과 동시에, 집광 레이저 빔(10)은, 경화되면 용융된 물질이 결합된 용접선(15)을 형성하는 그러한 속도(v)로 이동하되, 요소들(5, 13)이 서로에 대해서는 움직이지 않도록 설정된다. 본 발명은 함께 결합할 표면들이 3차원인 경우, 레이저 빔(10)의 초점(12)의 높이 위치가, 레이저 빔의 전방에서 진행되는 광선(7a, 7b)의 측정 결과에 따라서 변경됨으로써, 항상 특정 정확도로 공동면(e)에 집중되는 특징을 갖는다.

Description

집광 레이저 빔을 이용하여 기판을 포함하는 요소들을 함께 용접하는 방법{A METHOD TO WELD TOGETHER PIECES THAT CONTAIN SUBSTRATUM USING A FOCUSED LASER BEAM}
본 발명은 요소들 간의 그들의 공동면 영역에 레이저 빔을 집광하여 기판을 포함하는 요소들을 함께 용접하는 방법에 관한 것으로, 초점 에너지가 양 요소 내의 물질을 용융시킴과 동시에, 집광 레이저 빔은, 경화되면 용융된 물질이 요소 결합 용접선(welded seam)을 형성하는 그러한 속도로 이동하되, 요소들은 서로에 대해 움직이지 않는 관계로 설정되는 용접 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 사용처로는 특히 공동면이 3차원인 요소들의 용접에 의한 그러한 결합이 있다. 평면으로부터의 이러한 전환은 의도적인 평면 형성이나, 평면을 목표로 하였던 표면이 어떤 이유로 인해서 3차원 평면으로 전환됨으로써 초래될 수 있다. 결합될 요소는 전체적으로 또는 부분적으로 기판(들)로 구성될 수 있다. 예를 들면, 기판층 및 이 층에 결합된 도전층을 포함하는 요소를 언급할 수 있으며, 이 때 이들 도전층은 요소들 간의 공동면에서 서로 대향하는 방식으로 기판층에 결합된다. 도전층의 물질로서 대개는 금속이 사용된다. 기판은 주로, 집광 레이저 빔에 의해서 용융 및 경화가 다시 일어날 수 있는 임의의 물질, 또는 물질의 조합일 수 있다. 이들 물질은 균질하거나 상이한 물질의 영역 또는 층으로 구성될 수 있다. 일예로서, 마이크로 전자기술에서 사용되는 유리나 규소 기판 반도체 성분일 수 있다. 본 발명의 방법을 사용하면, 가령, 검출기 및 광학 부품을 밀봉적으로 밀폐 및 포장할 수 있다.
공지 기술에 따르면, 상술한 요소들의 용접은, 집광 레이저 빔의 초점의 높이 위치가 레이저 빔의 진행 경로의 공동면의 변경된 높이 위치에 상응하여 보정되는 일괄 용접에 의해서 행해진다. 다시 말해서, 가령 용접에 의해서 3차원 면을 함께 결합하는 것에 대한 의문이 들 때, 공지 기술의 방법을 이용하여 진행할 경우, 일관된 원(unanimous circle) 용접을 얻는 것은 불가능하다.
상술한 공지 기술은, 가령 특허공보 FI20105539호에 기술되어 있다. 이 공보에는 주로 일괄 용접을 이용하여 레이저 빔에 의해서 요소들을 함께 용접하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 상기 공보에는 집광 레이저 빔에 의해서 원 용접을 형성하는 방법이 제시되어 있으나, 이 경우에, 용접될 요소들 간의 공동면인 전체적으로 평탄한 용접 영역에 대해 의문이 든다. 상기 공보는 공동면이 평탄하지 않은 경우 일괄 용접 이외에, 레이저 빔에 의해서 요소들을 함께 용접하는 것에 대한 다른 어떠한 해법도 제시하지 못한다.
그러한 평탄 용접 대상은 실제로 그다지 많이 존재하지 않는 것으로 알려져 있다. 가령, 실제 반도체 콤포넌트는 용접 공정 도중에 레이저 빔의 초점을 다시 위치시키지 않고 원 용접을 이용하여 상술한 공보에서 언급된 방법에 의해서 생산할 수 있다.
공지 기술의 가장 큰 단점은 한번도 중단하지 않고 진행하는 그의 방법에 의한 일관되고 기밀한 3차원 용접 결합은 도저히 불가능하다는 것에서 볼 수 있다. 이러한 단점은 많은 다양한 방식으로 귀결된다. 용접이 느리며, 따라서 비용이 증가하고, 용접의 기밀성에 의문의 여지가 있다. 결합부에 있는 1마이크로미터의 구멍을 통해 헬륨이 누출되기 때문에, 공지 기술을 이용하여 기밀적으로 밀봉된 결합을 얻는 것은 실제로 불가능하다.
본 발명의 목적은 공지 기술의 단점을 회피하는 그러한 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 방법은 청구항 1의 특징부에 나타나 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 방법에 의해서 얻어지는 주목할 만한 이점은, 항상 동일한 레벨로 용접이 진행되지 않는 집광 레이저 빔에 의해서 이루어지는 모든 용접이 한번의 연속적인 실행에 의해서 얻어질 수 있는 것이다. 상이한 실행으로 용접을 실시하고 이들 실행 간에 레이저 빔 초점의 높이 위치를 변경할 필요가 없는 경우, 용접 공정은 공지 기술의 방법에 따르는 공정보다 상당히 빠르다. 이것은 제조가 더욱 빠르고 보다 효율적이며, 따라서 보다 수익성이 좋고 경제적인 결과가 얻어진다.
다른 주목할 만한 이점은, 본 발명의 방법을 이용하여 3차원 면들을 함께 용접될 경우에 얻어지며, 이것은 짧은 결합부터 완전한 링형상 원 용접까지 완벽하게 기밀한 결합이 필요한 경우에 항상 제공된다. 당연히, 이 방법은 평면의 용접도 가능케 한다. 용접될 3D 면이 평면으로부터 적절히 벗어났는지의 여부나, 평면을 목표로 하였던 표면이 어떤 물리적인 이유로 인해 용접 공정 동안에 거의 3D 면이 되었는지의 여부는 아무런 의미가 없다.
본 명세서에 있어서, "높이 값"이란 용어는, 가령, 비교 레벨의 위치가 무엇이든 관계없이, 데이터 레벨과 같은 특정 비교 레벨로부터 특정 지점의 거리를 의미한다.
본 발명은 이 출원서의 도면에도 묘사되어 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 하나의 용접 방법에 있어서의 장비 구성을 3D로 나타낸 개략도다.
도 2는 도 1에서 면 A-A를 따라 절단하여 나타낸 단면도다.
도 3은 도 2에서 점 z를 확대하여 본 발명의 방법을 이용하는 용접 동작을 나타낸 확대도다.
도 4 및 5는 본 발명의 방법을 이용하여 원 용접이 진행되는 상황을 위에서 보아 도시한 개략도다.
이하, 상술한 첨부 도면을 참조하여 본 출원 발명의 이점을 설명한다.
장비의 구성은 도 1에 도시되어 있다. 즉, 2개의 요소들을 함께 용접될 준비를 한 후, 그들의 공동면(e)에서 2개의 유리판을 결합한다. 도 2는 선 A-A 단면을 나타내며, 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 용접될 요소, 즉 제 1요소(5)와 제 2요소(13)의 상부에는 레이저 장치(2), 컴퓨터(9) 및 측정 장치(4)로 구성되는 균일 작업유닛(1)이 있다. 용접 작업 동안에, 집광 레이저 빔(10)은 요소(5) 및 그와 함께 용접될 요소(13)에 관해서 c의 방향을 따라 v의 속도로 이동하고 있으며(도 2 및 3 참조), 광선(light beam)(7a, 7b)을 수신하고 전달하는 표면(5')의 제 1 3D면을 측정하는 측정장치(4)에서도 유사한 이동이 이루어진다. 제 1면(5')의 특정 점에 있어서, 가령 점(8)에서와 같이, 광선(7a)은 검출을 수행한 후에 광선(7b)으로서 측정장치(4)로 되돌아 복귀한다. 측정장치는 용접 경로 상을 지나면서 획득한 특정 간격 점(8.1, 8.2 등)에서의 측정 정보를 등록한다. 컴퓨터(9)의 프로세서는 광선(7b)의 칼러에 근거하여 특정 기초 레벨(6)에 대한 이들 점의 높이 위치를 계산하고, 이들 값은 컴퓨터(9)의 메모리에 저장된다. 측정 과정(event) 후에, 집광 레이저 빔(10)이 특정 측정 점(8, 8.1, 8.2등)에 올 경우에, 컴퓨터는 문제가 되는 점의 높이 위치 정보에 근거하여 보정된 높이 위치 정보를 계산하고 이를 조정 유닛(11)의 렌즈(3)내로 전송한다. 보정된 높이 위치 정보는 기초 레벨(6)로부터 문제가 되는 점의 순수한(downright) 거리에 제 1요소(5)의 두께(s)를 더한 것이다. 조정 유닛(11)의 렌즈(3)가 위치결정되고, 그 높이에서 제 1요소(5)을 지나는 집광 레이저 빔(10)은 양 요소들(5, 13)의 공동면에 그의 초점(12)을 가지며, 그러므로, 레이저 빔의 에너지는 양 요소들(5, 13)의 물질을 용융시키고, 이들 용융된 물질은 혼합된 후에 다시 경화됨으로써, 상술한 요소들은 용접선(15)에 의해서 용접된다.
도 3에서, 상술한 측정점(8)을 따르는 용접 경로에서 용접이 진행되고 있는 상황을 볼 수 있다. 조정 유닛(11)은 필요한 경우에, 측정점마다 렌즈(3)의 높이 위치를 변경하며, 따라서, 연속적인 측정점에서 높이 위치의 변경에 의해서 얻을 수 있는 정확도로 공동면(e)의 각 위치를 따라서 용접이 진행한다. 이 상황에서 점들의 측정 과정은 용접 과정 전에 거리(a)만큼 전진함으로써, 집광 레이저 빔(10)은 측정 과정에 대해 혼란을 초래하지 않는다.
상술한 특정 점을 측정하고 레이저 빔의 초점 높이 위치를 변경하는 상술한 시스템은 핀란드 특허 출원 nr 20110379에 기술되어 있다. 본 출원은 상술한 출원의 부가 출원으로, 다시 말해서, 본 출원에서 발명자들은 상기 이전 출원의 발명에 대한 더욱 개발된 결과를 낳았다.
용접 경로가 우측선으로부터 옆으로 벗어나 방향이 바뀌고 용접될 요소들(5, 13)에 대한 광선(7a, 7b) 및 집광 레이저 빔(10)에 관한 측정이 필요한 경우, 작업 유닛(1)에 대해 요소들(5, 13)을 돌리거나(turn) 또는 그 역으로 돌려서 행할 수 있다. 또한, 상술한 두가지 모두를 돌릴 수 있으며, 이는 본 발명에 따르는 방법과 관련하여 필수적이고, 필요한 방향 변경을 수행하는 공구를 포함하는 장비의 구성을 사용함으로써, 광선(7a, 7b) 및 집광 레이저 빔(10)는 본질적으로 특정 용접 경로를 따라서 교대로 진행한다.
도 4 및 5는 용접될 요소들(5, 13)이 진행 중에 원 용접으로 바뀐 상황을 위에서 보아 나타낸 개략도다. 도 4는 용접의 시작 상황을 나타내고, 도 5는 용접선(15)이 둥근 코너를 갖는 사각형인 요소에서 하나의 코너 상의 용접 경로를 따라 진행된 상황을 나타낸다.
본 발명에 따르는 방법에 있어서, 레이저 빔(10)의 초점의 크기는 1-10㎛의 크기 범위에 있으나, 어떤 경우에 이들 한계값과 다를 수 있다. 상술한 크기의 초점은 용접선(15)내에서 실제로 40-200㎛ 크기 범위의 높이(h)를 만든다.
함께 결합될 요소들(5, 13)은 큰 범위의 두께를 가질 수 있다. 가령, 유리인 제 1요소(5)는 적어도 최대 3mm일 수 있으며, 역시 유리인 다른 요소(13)는 크기 한계를 갖지 않는다.
본 발명은 규소, 공업용 유리, 용융 산화규소, 붕규산염, 초오크 유리, 사파이어 같은 유리 및 반도체 기판과, 산화 지르코늄, LiTao 등의 세라믹재에 특히 적절하며, 이들 물질의 조합도 용접이 가능하다. 요소들(5, 13)의 전도재는 가령, 크롬, 구리, 은, 금, 몰리브덴, 산화 주석 인듐, 또는 이들의 조합일 수 있다.
함께 결합될 요소들(5, 13)이 전도부를 포함할 경우, 본 발명에 따르는 방법은 이들 요소를 결합하기 위해서, 또는 이들 요소를 외부 산소나 습기로부터 보호하기 위해 사용할 수 있다. 이러한 종류의 요소에 대한 예로서, 반도체 칩 및 마이크로 칩을 언급할 수 있으며, 이때 전도재의 두께는 약 0.1-5㎛이다. 용접될 이들 및 다른 요소에서 레이저 빔(10)은 제 1요소(5) 기판을 통해서 보내지므로, 이들 물질은 사용되는 레이저 빔(10)의 파장에 대해 투명해야 한다는 점을 주목해야 한다.
비록 본 출원은 본 발명의 유리한 하나의 실시예를 개시하였으나, 어쨌든 본 발명의 광범위한 용도를 제한하려고 의도한 것은 아니며, 특허청구범위에 의해 정의된 발명의 사상 내에서 발명을 실시하기 위한 모든 대안도 가능함을 이해해야 한다.

Claims (4)

  1. 제 1요소(5) 및 제 2요소(13)와 같은 기판 및/또는 반도체 기판을 포함하는 유리와 같은 요소들을 함께 용접하는 방법으로,
    a. 요소(5, 13) 사이에 공동면이 형성되도록 하나 위에 다른 하나를 올려놓는 단계와,
    b. 레이저 빔을 상기 요소(5, 13) 사이의 공동면(e)에 집중시켜서, 레이저 빔(10)의 초점(12) 에너지가 양 요소(5, 13)의 물질을 동시에 용융시키는 단계와,
    c. 상기 요소들이 경화되면서 이들 요소를 함께 결합하는 용접선을 형성하는 속도(v)로 집광 레이저 빔(10)이 용접될 요소(5, 13)에 대해 이동하되, 상기 요소들은 서로에 대해서 이동하지 않도록 설정되는 단계를 포함하며,
    d. 집광 레이저 빔(10)의 초점(12)의 높이 위치는 용접 단계 동안에 변경됨으로써, 이 높이 위치는 필수적으로, 특정 단계의 정확도로 함께 용접될 요소들(5, 13)의 공동면 (e)의 높이 위치를 따르고,
    e. 초점(12)의 높이 위치가 변경됨으로써,
    (ⅰ) 측정 장치(4)의 광선(7a, 7b)은 본질적으로 레이저 빔의 진행 경로 상에서 집광 레이저 빔(10) 전방의 특정 거리(a)에 있는 특정점(8, 8.1, 8.2 등)에서 제 1요소(5)의 제 1면(5')의 높이 위치 정보를 측정하고, 상기 측정 장치(4)는 이 정보를 컴퓨터(9)에 전송하며,
    (ⅱ) 상기 컴퓨터(9)는 상기 점(8, 8.1, 8.2등)으로부터의 측정 정보를 처리함으로써, 상기 정보에 근거하여, 가령 기초 레벨(6)에 관한 특정 레벨에 대한 이들 점의 높이 위치가 얻어지고,
    (ⅲ) 상기 컴퓨터(9)는 적어도 제 1요소(5)의 두께(s), 즉 상측과 하측 간의 거리에 대한 보정 높이 값을, 가령 기초 레벨(6) 같은 특정 레벨로부터 렌즈(3) 또는 렌즈 조합의 거리를 변경하는 조정 유닛(11)에 전송함으로써, 상기 레이저 빔(10)의 초점(12)은, 실제 점의 값을 취하고, 이를 공동면 영역(e)에 있는 제 1요소(5)의 적어도 두께(s)에 더함으로써 얻어지는 높이 위치에 대해, 각각의 측정점(8, 8.1, 8.2 등)에 집중되고,
    f. 상기 요소들(5, 13)에 대한 상기 광선(7a, 7b) 및 상기 집광 레이저 빔(10)의 진행 방향은, 상기 기초 레벨(6)의 높이 방향으로 전체 작업 유닛(1) 및/또는 상기 요소들(5, 13)의 작업 유닛(1)을 돌리거나(turning), 원 용접 같이 옆으로 직접 진행하는 용접 이외의 용접을 행할 때의 상황에 적합한 일부 다른 방법에 의해서, 용접 공정 동안에 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1요소(5)를 상기 방법에서 사용되는 레이저 빔(10)의 파장에 투명한 기판을 포함하는 다른 요소(13)에 용접에 의해서 결합하는데 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용접선의 높이(h)는 30-250㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법을 이용해서 제 2요소(13)에 제 1요소(5)를 결합할 경우, 레이저 빔(10)이 오는 쪽에서 제 1요소(5)의 두께(s)는 30-3000㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
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