[实用新型]一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置

说明书

本实用新型公开了一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置，包括超快脉冲激光器、连续激光器或长脉冲激光器，二个扩束准直镜、导光镜、合束镜、扫描振镜、场扫描聚焦镜、工控机和工作台；激光器均对玻璃具有透射性波长；二台激光器发出激光束合束至同一个光轴上，再经过扫描振镜和场扫描聚焦镜聚焦在待焊接的两块玻璃接触处，超快脉冲激光束在两块玻璃内产生非线性吸收效应使在焦点附近区域的玻璃材料熔融，熔融的玻璃材料由于吸收率的改变对连续或长脉冲激光的吸收率显著增强，能量持续输入产生更多熔融玻璃材料，以填充焊接间隙而不产生刻蚀效应，完成焦点区域的焊接。本实用新型提高了激光焊接效率，并可实现工程化应用。

技术领域

本实用新型属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种多激光束合束焊接玻璃材料的装置。

背景技术

玻璃材料是用于生产植入微电子、太阳能电池、有机发光二极管(OLED)、微机电系统(MEMS)、微型传感器和转换器及光电子器件等芯片封装的优良材料，玻璃封装的电子芯片应用于感测旋转、加速和压力等这些关键安全因素的各种应用，在汽车、火车和其他运输行业以及航空航天等领域具有极广泛和潜在的应用价值和市场前景。例如在太空中，焊接的物体，包括封装芯片器件的图像传感器，即便在最严酷的条件下也必须保持高度的可靠性和气密性。快速增长的电子半导体、生物医学、太阳能电池领域开发的很多应用也是同样的情况，这是由于玻璃材料具有许多优点：例如玻璃材料对生物体而言可看作一种“中性”物质，将其植入人体内部时与人体体液组织的生物相容性较好，不会发生免疫排斥反应。其次，玻璃材料不像许多胶粘剂或其他焊接过程中使用的额外的基材那样会被体液腐蚀或自发降解，玻璃的使用寿命长，使用寿命实质上来说是无限的。而且，玻璃材料不会干扰电磁波，这有利于带信号的电磁波穿透玻璃封装的元件。同时，玻璃对太阳光具有透射性，是钙钛矿型和染料敏化太阳能电池的优选封装材料。

目前工程化的玻璃材料芯片封装基本上是采用胶粘剂将两个玻璃材料表面粘连起来，达到封装目的。虽然胶粘剂可以连接不同材料，但是胶粘剂封装具有如下问题：首先，胶粘剂释放气体会导致周围器件受到污染，导致芯片性能损坏；其次，胶粘剂容易光致漂白导致过早老化，使得密封性能下降，导致芯片稳定性下降；最后，在经受巨大的温度变化的情况下，胶粘剂热降解和热膨胀的应力积累会减少胶粘剂的使用寿命，导致芯片寿命下降，且胶粘合强度性能低，无法用于强度要求高的航空航天等领域应用需求。

虽然激光焊接技术已被广泛应用到工业加工制造中，但在焊接玻璃材料方面却存在较大困难，原因在于能被玻璃吸收的激光波长，基本上作用于玻璃材料表面上，而无法透过玻璃材料，在两片玻璃材料之间发生相互作用，因而无法进行激光封装焊接。如果采用长时间局部加热熔化玻璃进行封装，又因玻璃硬而脆，导热比率比金属低，会因内部张力的不均匀而导致裂纹产生和破裂。但能透射玻璃材料的激光波长，激光能量又很难被玻璃材料吸收而发生相互作用。一旦增加激光能量使激光能量达到玻璃损伤阈值而发生相互作用时，玻璃对激光的吸收率会迅速增加，又使得玻璃吸收较激光能量过多，导致热量积累过大，引起透射玻璃材料过热膨胀而破裂。此外，这种热效应也会极大地影响脆性玻璃材料的透射率性能而导致激光封装焊接过程稳定性变差，以至于玻璃材料的焊接被广泛认为是一大难题。

中国专利文献CN105377783A提出了一种“采用低熔融玻璃或薄吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接”的方法来实现玻璃介质封装。但这种方法仅用于融化无机膜层材料，而不是熔化玻璃基材，故仍然属粘接，而不是熔接，因而封接强度性能低，无法用于强度要求高的航空航天等领域应用需求。此外，由于被封装的玻璃和加入无机膜材料的物理化学性能存在差异，导致激光封装焊缝质量因成分不同而下降，影响封装的密封性能，也会由于物理化学性能存在差异导致激光封装后因材料热胀冷缩系数不同而存在残余应力，易于出现裂纹而影响封装的使用寿命。