TWI551385B - 利用聚焦雷射光束將包含基材的部件焊接在一起的方法 - Google Patents

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Description

利用聚焦雷射光束將包含基材的部件焊接在一起的方法
本發明相關於利用聚焦雷射光束將包含基材的部件焊接在一起的方法。
習知技術的不足依舊存在。本發明目的為解決此不足及/或提供習知技術之改進。
一種將部件如一第一部件(5)及一第二部件(13)焊接在一起的方法，該部件例如包含基材之玻璃及/或半導體基材，該方法包括以下步驟：a. 該等部件(5、13)被以一個疊至另一個之上的方式放置，使得兩者間形成一共同表面(e)，b. 一雷射光束(10)聚焦於該等部件(5、13)間之該共同表面上，使得該雷射光束之聚焦點(12)能量在同時間熔化該等部件(5、13)之兩者的材料， c. 聚焦之該雷射光束(10)被設定為相關於欲焊接之部件(5、13)以一速度(v)移動(其中部件不相關於彼此移動)，使得該熔化材料在變硬時形成一焊接接縫(15)而將該等部件接合在一起，該方法進一步之特徵為：d. 聚焦之該雷射光束(10)之該聚焦點(12)之高度位置在焊接期間逐步改變，使得該高度位置實質以帶一精確度之某些步驟跟隨著欲焊接在一起之該等部件(5、13)之該共同表面(e)的高度位置，e. 該聚焦點(12)之該高度位置改變使得：i. 一量測裝置(4)之光源光束(7a、7b)於某些點(8、8.1、8.2等)量測該第一部件(5)之一第一表面(5`)的高度位置資訊，該量測係於聚焦之該雷射光束(10)前之一某距離(a)且實質在該雷射光束前進路徑上進行，且該量測裝置(4)提供該資訊給一電腦(9)，ii. 該電腦(9)處理來自該等點(8、8.1、8.2等)之量測資訊，使得基於該資訊得到該等點相關於一某準位，例如相關於一基本準位(6)之高度位置，iii. 該電腦(9)提供至少關於該第一部件(5)之厚度(即上端及下端間的距離)、修正至一調節單元(11)之高度值，該調節單元改變透鏡(3)或透鏡組與一某準位之距離，例如該基本準位 (6)，使得該雷射光束(10)之該聚焦點(12)在每個量測之該等點(8、8.1、8.2等)上聚焦至該高度位置，其藉由使用真實點的值加上至少關於該第一部件(5)之該共同表面(e)區域之厚度以得到該高度位置，f. 藉由轉動在該基本準位(6)之準位方向之一一般工作單元1及/或該等部件(5、13)之該工作單元1，或藉由一些其他除了旁路直接前進焊接外(例如圓形焊接)，適用於製作一焊接的情況之方法，該等光源光束(7a、7b)及聚焦之該雷射光束(10)相關於該等部件(5、13)之前進方向在焊接過程中改變。
1‧‧‧工作單元
2‧‧‧雷射裝置
3‧‧‧透鏡
4‧‧‧量測裝置
5‧‧‧第一部件
5`‧‧‧第一表面
6‧‧‧基本準位
7a、7b‧‧‧光源光束
8‧‧‧點
8.1、8.2‧‧‧點
9‧‧‧電腦
10‧‧‧雷射光束
11‧‧‧調節單元
12‧‧‧聚焦點
13‧‧‧第二部件
15‧‧‧焊接接縫
第1圖呈現一個焊接方法中根據本發明的一般三維視野的儀器設置。
第2圖呈現第1圖中呈現之位置A-A的橫截面。
第3圖呈現使用本發明之方法的焊接動作，如第2圖中呈現之點Z。
第4及5圖呈現一個從上方看之情況的圖表，係使用本發明之方法進行圓形移動之過程。
本發明之目標為將包含基材的部件焊接在一起的方法，該方法藉由聚焦雷射光束至該等部件間之共同表面區域使得聚焦點能量在同時間熔化該等部件之兩者的材料，且該聚焦雷射光束被設定為相關於該等部件以一速度移動(其中該 等部件不相對於彼此移動)，使得被熔化之材料在變硬時形成部件結合的焊接接縫。
本發明的使用地方特別是藉由部件焊接之結合，該共同表面區域為三維的。有意的平面結構或表面的轉向可引起從平面表面轉向，該表面的轉向為了一些理由意圖成為平面表面進入三維平面。欲結合之部件可包含全部或部份的基材。例如我們可提及該等部件，該等部件包含基材層及與該基材層接合的導電層，該結合方式使得該等導電層在共同表面上該等部件間彼此相對著。通常使用金屬為該等導電層之材料。基材可廣泛的成為任何材料或材料之組合，而能藉由聚焦雷射光束再次發生熔化及變硬。基材可為同質的或由不同材料區域及/或層組成。例如，我們可提及玻璃及/或使用於微電子之矽基材半導體元件。使用本發明之方法，例如偵測器及光學元件可以密封地關閉及封裝。
根據已知技術，先前提及之部件焊接藉由批次焊接(batched welding)來進行，其中聚焦雷射光束之聚焦點的高度位置被修正以符合雷射光束前進路徑之該共同表面高度位置之改變。換句話說，例如當藉由焊接結合三維表面在一起有疑慮時，使用已知技術之方法不可能一次性的嘗試而獲得無異議的圓形焊接。
先前提及之已知技術已描述例如於專利刊物FI20105539。該刊物主要呈現如何藉由雷射光束使用批次焊接以焊接部件在一起。該刊物亦呈現如何藉由聚焦雷射光束形成圓形焊接，但在此情況下，欲焊接部件間之共同表面為 全平面之焊接區域有問題。該刊物未呈現共同表面為非平面時(除了批次焊接)藉由雷射光束焊接部件在一起的任何其他解法。
已知實際上並不存在很多該平面焊接物體，例如真實半導體元件可使用先前提及刊物發表的方法製造，該方法使用圓形焊接而未在焊接過程中重新定位雷射光束之聚焦點。
已知技術之最大缺點可見為，藉由該方法在一次性不被中斷的嘗試下，獲得無異議而牢固的三維焊接接合點並非總是可能的。該缺點在很多不同情況下達到最高點：焊接很慢因此成本很高，且焊接的牢固度也是可質疑的。因為接合點上一微米的孔洞即能使氦氣逸散，藉由使用已知技術獲得密封的密閉接合點實際上是不可能的。
本發明意圖獲得可避免已知技術之缺點的方法。該方法具有根據本發明之申請專利範圍請求項第1項所呈現之特徵部份之特性。
藉由根據本發明之方法，可獲得顯著的優點：當焊接並非在同準位進行下，所有藉由聚焦雷射光束所進行之焊接，可在單一連續的嘗試下獲得。當不需要在不同次的嘗試下實施焊接且改變該等嘗試之間雷射光束聚焦點高度位置，焊接過程相較於已知技術之方法是相當快的。如此意味著製造較快且更有效率，因此獲得更有利可圖的經濟結果。
當使用根據本發明之方法將三維表面焊接在一起，可獲得另一顯著的優點，該優點總是提供於需要完整牢固結 合(從短接合點至全環圓形焊接)時。自然地，該方法也允許平面表面之焊接。其並無任何意義無論欲焊接之三維表面是否從平面表面適當地脫離或是否意圖為平面表面，但在焊接過程中因為一些物理原因更多或更少的三維表面。
在此文件中，所謂「高度值」意指某點與某比較準位之距離，例如獨立於比較準位之位置的已知準位。
本申請案之圖示描述本發明如下：第1圖呈現一個焊接方法中根據本發明的一般三維視野的儀器設置。
第2圖呈現第1圖中呈現之位置A-A的橫截面。
第3圖呈現使用本發明之方法的焊接動作，如第2圖中呈現之點Z。
第4及5圖呈現一個從上方看之情況的圖表，係使用本發明之方法進行圓形移動之過程。
接下來參考先前提及之圖示，描述一個本發明有利的應用。
第1圖描述一儀器設置，該儀器設置準備實施將兩個部件焊接在一起，例如接合兩個玻璃板之共同表面e在一起。第2圖呈現橫截面A-A且可看見該等欲焊接部件(第一部件5及第二部件13)之上方，有一相同工作單元1，該工作單元1由雷射裝置2、電腦9，及量測裝置4所構成。在焊接動作期間，聚焦雷射光束10相關於欲焊接在一起之部件5、13移動，該移動係以速度v往方向c(第2、3圖)，量測裝置4也以相似的移動方式量測表面5`之三維表面，該表面5`接收 且傳送光源光束7a、7b。在第一表面5`上的某點，例如在點8處，光源光束7a偏斜且反射回量測裝置4如光源光束7b。該量測裝置登記該量測裝置取得於焊接路徑上某中間點8.1、8.2等量測資訊。電腦9之處理器基於光源光束7b之顏色計算該等點相關於某基本準位6的高度位置，且將該等值儲存進電腦9之記憶體中。當聚焦雷射光束10在量測事件(至量測點8、8.1、8.2等)之後來時，電腦基於所提及點的高度位置資訊計算一修正之高度位置資訊，且提供給透鏡3之調節單元11。該修正之高度位置資訊係所提及點至基本準位6加上第一部件5之厚度s的全部距離。透鏡3之調節單元11將透鏡3置放於一高度，使得穿透第一部件5之聚焦雷射光束10在部件5、13之兩者的共同表面e上具有聚焦點12，因此該雷射光束的能量熔化部件5、13之兩者的材料，當該等熔化的材料混合且再次變硬，則前述之部件以焊接接縫(15)焊接在一起。
在第3圖中，可見在上述點8計算點前，焊接已在焊接路徑上跟著進行之情況。調節單元11若必要可在每個量測點改變透鏡3之高度位置，因此焊接可藉由在連續的量測點上改變高度位置，而達成以一精確度隨著共同表面e上的各位置前進。此情況下量測事件的點領先焊接事件前進距離a，使得聚焦雷射光束10不會引起量測事件之干擾。
前述量測某點且改變雷射光束聚焦點的高度位置之系統描述於芬蘭專利申請案nr 20110379。本申請案為所述申請案之額外申請案，亦即，在此申請案中，我們進一步發表 先前申請案發明之先進的成果。
當焊接路徑由正確的線路偏離旁路，量測光源光束7a、7b及相關於欲焊接部件5、13之聚焦雷射光束10需要改變方向，此舉可藉由轉動相關於工作單元1之部件5、13，或反之來進行。也可能轉動前述之兩者，且根據有關於本發明之方法，使用包含工具之儀器建設很重要，該工具造成必要的方向改變以使光源光束7a、7b及聚焦雷射光束10一個接在另一個後，沿著某焊接路徑實質前進。
第4、5圖為圖表的俯視圖片，相關於欲焊接之部件5、13如圓形焊接般轉動之過程的情況。第4圖呈現焊接初始時之情況，而第5圖展示焊接接縫15在帶圓形角落之方形焊接路徑上前進經過部件角落的情況。
在根據本發明之方法中，雷射光束10之聚焦點的尺寸在1至10μm之尺寸範圍，但在某些情況下該聚焦點的尺寸可與該等限制值不同。前述尺寸之聚焦點實際產生高度h在30至250μm之尺寸範圍的焊接接縫15，較佳的尺寸範圍為40至200μm。
欲接合在一起之部件5、13可具有大範圍的厚度。例如為玻璃之第一部件5的最大值可為至少3mm，較佳的尺寸範圍為30至3000μm，而同為玻璃之另一部件13沒有尺寸限制。
本發明特別適用於玻璃及/或半導體基材，例如矽、製造技術級玻璃(technical glass)、熔融狀矽氧化物、硼矽酸鹽(borosilicate)、粉片玻璃(chalk glass)、青玉(sapphire)、陶 瓷材料如氧化鋯(zirconium oxide)、LiTaO等，且該等材料之組合也可用於焊接。部件5、13之導電材料可為例如鉻、銅、銀、金、鉬、銦錫氧化物，或該等材料之組合。
當欲接合在一起之部件5、13包含導電部份，根據本發明之方法可用以接合及/或保護該等部件以對抗外部氧氣或濕度。此種部件例如：可提及導電金屬之厚度大約0.1至5μm之半導體晶片及微晶片。值得注意在該等及其他欲焊接部件中，雷射光束10直接穿越第一部件5之基材且此材料對雷射光束10之使用波長必須為可穿透的。
應理解，雖然此申請案提出本發明一個有利的示範性實施例，並不意圖限制本發明以任何方式更廣泛的使用；在藉由專利申請範圍定義之發明概念內，實作本發明之所有選擇是可能的。
1‧‧‧工作單元
2‧‧‧雷射裝置
4‧‧‧量測裝置
5‧‧‧第一部件
7a、7b‧‧‧光源光束
8‧‧‧點
9‧‧‧電腦
10‧‧‧雷射光束
11‧‧‧調節單元
12‧‧‧聚焦點
13‧‧‧第二部件

Claims (4)

  1. 一種將部件如一第一部件(5)及一第二部件(13)焊接在一起的方法，該部件例如包含基材之玻璃及/或半導體基材，該方法包括以下步驟：a. 該等部件(5、13)被以一個疊至另一個之上的方式放置，使得兩者間形成一共同表面(e)，b. 一雷射光束(10)聚焦於該等部件(5、13)間之該共同表面上，使得該雷射光束之聚焦點(12)能量在同時間熔化該等部件(5、13)之兩者的材料，c. 聚焦之該雷射光束(10)被設定為相關於欲焊接之部件(5、13)以一速度(v)移動(其中部件不相關於彼此移動)，使得該熔化材料在變硬時形成一焊接接縫(15)而將該等部件接合在一起，該方法進一步之特徵為：d. 聚焦之該雷射光束(10)之該聚焦點(12)之高度位置在焊接期間逐步改變，使得該高度位置實質跟隨著該等部件(5、13)之該共同表面(e)的高度位置，以便採用具一精確度之一些步驟來焊接在一起，e. 該聚焦點(12)之該高度位置改變使得：i. 一量測裝置(4)之光源光束(7a、7b)於某些點(8、8.1、8.2等)量測該第一部件(5)之一第一表面(5`)的高度位置資訊，該量測係於聚焦之該雷射光束(10)前之一某距離(a)且實質在該雷射光束前進路徑上進行，且該量測裝置(4) 提供該資訊給一電腦(9)，ii. 該電腦(9)處理來自該等點(8、8.1、8.2等)之量測資訊，使得基於該資訊得到該等點相關於一某準位之高度位置，例如相關於一基本準位(6)，iii. 該電腦(9)提供修正之高度值及至少約該第一部件(5)之厚度(即上端及下端間的距離)至一調節單元(11)，該調節單元改變透鏡(3)或透鏡組與一某準位之距離，例如該基本準位(6)，使得該雷射光束(10)之該聚焦點(12)藉由使用量測點的值並加上至少約該第一部件(5)在該共同表面(e)區域中之厚度以得到該高度位置，在該等每個量測點(8、8.1、8.2等)上聚焦至該高度位置，f. 藉由轉動在該基本準位(6)之方向之一般工作單元1及/或該等部件(5、13)之該工作單元1，或藉由一些其他除了如圓形焊接的旁路直接前進焊接外適用於製作一焊接的情況之方法，該等光源光束(7a、7b)及聚焦之該雷射光束(10)相關於該等部件(5、13)之前進方向在焊接過程中改變。
  2. 如請求項1所述之方法，特徵為：該方法藉由焊接以接合任何如第一部件(5)與另一包含如基材之部件(13)，該基材對該方法使用之該雷射光束(10)之波長為可穿透的。
  3. 如請求項1或2所述之方法，特徵為：以該方法達成之該焊接接縫之該高度(h)為30至250μm。
  4. 如請求項1或2所述之方法，特徵為：當使用該方法與該第二部件(13)接合時，其中該第一部件(5)在該雷射光束(10)將來的一邊，該第一部件(5)之厚度為30至3000μm。
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