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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
年
月
超短脉冲激光焊接非金属材料研究进展
孙 轲
,
孙 盛 芝
,
邱 建 荣
浙江大学光电科学与工程学院
浙江 杭州
宁波大学高等技术研究院
浙江 宁波
摘要
近年来
随着研究人员在微纳集成领域
如微 流体
微 机械
微 电子 等领 域
研 究的 逐渐 深 入
不 同材 料间 的
连接成为该领域发展的一个瓶颈
超短脉冲激光焊接 技术 因其 热 效应 精密 可 控
精 度高 等优 势
逐 渐成 为了 非 金
属材料焊接领域的研究热点
以玻璃
陶瓷
半导体单 晶材 料
有 机聚 合物 为 例
介 绍了 超短 脉 冲激 光在 非 金属 材
料焊接领域的应用及具体案例
并展望了该技术的未来发展趋势
关键词
激光光学
超短脉冲激光
焊接
陶瓷
玻璃
聚合物
单晶
中图分类号
文献标志码
doi
:
/
ResearchPro
g
ressonUltrashortPulsedLaser Weldin
g
of
NonGMetallicMaterials
Colle
g
eo
f
O
p
ticalScienceandEn
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Zhe
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China
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AdvancedTechnolo
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Nin
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Zhe
j
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China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家重点研发项目
国家自然科学基金
EGmail
引
言
玻 璃 和 陶 瓷 等 非 金 属 材 料 以 其 优 异 的 光 学 性
能
化学稳定性和耐高温特性等
广泛应用于光电子
产业
微机械
传感器和微流体等领域
实际器件生
产过程中
通常需要在保留基材本身性质的前提下
将不同的材料彼此 连接
将各个零 部 件独立成 型 后
再进行连接和固定
目前玻璃和陶瓷连接的常见方
法有粘接
阳极键合
钎焊
等
然而
上述的
方法均存在一定的局 限 性
粘接
钎焊需要 胶 水
焊
料等附加材料
如连 接 基材与附 加 材料间的 热 膨胀
和伸缩系数不匹配
将限制连接件的使用温度范围
还可能进一步诱发 黏合剂或 夹 层的蠕变
老化等问
题
阳极键合电 场扩散技 术 不需要附加材料
但
需要较长的加热时间
且工艺条件复杂
较难实现精
准控制
近年来
激光技术在焊接领域受到极大的关注
相对于黏合剂连接 和阳极键 合 等传统连 接 工艺
激
光焊接技术在无物理接触的情况下即可将能量辐照
到待连接零部件表 面
可对需要 连 接的区域 进 行高
激 光 与 光 电 子 学 进 展
精度的定位
传统的激光焊接多采用连续激光或
长脉冲激光作为光 源
在焊接透 明 材料时需 要 添加
光吸收层来达到吸收能量
形成熔融区的目的
这将
降低焊接后材料原有的光学性能
同时
连续
长
脉冲激光 会在作用区 域产生较大 的热影响区
导致
焊接精度降低
并引发热损伤
裂纹等缺陷
为了克
服这些缺陷
超短脉冲激光焊接技术成为近期人们关
注的一个重要方向
其具有高精度
高速
低热损伤等
特点
可避免使用光吸收层
为同质和异质材料的连
接提供独特的解决方案
超短脉冲激光焊接的主要
原理为
高峰值功率的超短脉冲激光聚焦在材料界面
上
激发材料的非线性吸收
多光子吸收或隧穿电离
等过程
在材料中电离产生种子电子
种子电子吸收
光子能量后加速并与原子碰撞引发雪崩电离
使电子
数目进一步快速增加
电子与声子的耦合使得能量向
材料晶格转移
最终导致焦点区域材料受热熔化形成
熔池
熔池冷却后形成焊接区
在超 短脉冲激光 焊接非金属 材料领域
日本大
阪大 学 的
等
率 先 采 用 重 复 频 率 为
脉宽为
波长为
的飞秒激光完
成了石英玻璃基 板 间的直接 焊 接
随后
许多团队
开始关注不同透明材料的同质焊接和异质焊接
日
本大 阪 大 学 的
等
采 用 重 复 频 率 为
波长为
的 飞 秒 激 光 将 无 碱 铝 玻
璃和硅片这两种异 质材料焊 接 起来
探讨了飞 秒 激
光用于焊接不同热膨胀系数材料的潜在应用
飞秒
激光焊接技术可用于焊接透明基片与对激光脉冲波
长不透明的基片
对于电子 元 件的封装 以 及微器件
制造等具有重要意义
超短脉冲激光焊接非金属材料进展
不同 于连续和长 脉冲激光
超短脉冲激 光在全
透明或相对于激光 波长透明 的 材料中传 播 时
焦点
处会出现对光子的 非线性吸 收
导致焦点 附 近区域
材料熔化形成熔 池
因此
飞秒激光 焊 接技术可 实
现相对焊接激光完 全透明的 焊 接母材间 的 焊接
也
可实现对焊接激光 部 分透明的 焊 接母材间 的 焊接
图
所 示 为 超 短 脉 冲 激 光 焊 接 全 透 明 材 料 的 方
法
母材均为对该激光波长透明的材料
图
所
示为超短脉冲激光焊接透明材料和非透明材料的方
法
仅部分母材为对该 激 光波长透 明 的材料
飞秒
激光焊接的质量与焊接过程中焊件表面能量积累和
被加热区域温度分 布有关
可通过在 焊 接过程中 调
节激光参数进行优化
图
超短脉冲激光焊接示意图
全透明材料焊接
部分透明材料焊接
2.1
玻璃材料焊接
针对 透明玻璃材 料
研究人员已 经开发了具 有
巨大潜力的超短脉冲激光焊接方案
大量研究
证明利用超短脉冲 激光在熔 融 石英
硼硅酸盐 玻 璃
和低热膨胀玻璃中 诱导稳定 键 合的可能 性
且其焊
接接头断裂强度可与本体材料相媲美
在对
玻璃等脆性材料的 焊接过程 中
预防裂纹 的 产生是
保证焊接质量的前提
日本大阪 大 学的
等
建立了热应力模型
分析了超短 脉冲激光在 具
有较大热膨胀系数的玻璃材料内部诱导熔融时热应
力的产生过程
并对无裂 纹 条件进行 了 研究
研究
发现
在加热升温阶段
由于透明玻璃材料对超短脉
冲激光的非线性吸 收
即使玻璃 具 有较大热 膨 胀系
数也不易产生裂缝
在冷却降温阶段
当材料表面达
到光学接触时
熔池嵌于玻璃内部
由于非线性吸收
过程产生的嵌入式熔池在压缩应力场下表现得像弹
性体
可以抑制冷却过程中的收缩应力
从而防止产
生裂纹
而当材料表面未达到光学接触时
熔池未嵌
入玻璃内部
极易发生塑 性 形变
引发裂纹
同时熔
池内部的压力也易引发玻璃液滴的飞溅
因此他们
认为
在焊接过程中
保持玻璃间的光学接触是必要
的
这种光学接触 状态被定 义 为
两个表面 的 间隙
应小于
波长
且接触区 域 内空气的 减 少几乎消
除了材料界面处的 任何光学 反 射
范德瓦尔 斯 力使
材料表面暂时粘结
如上所述
为了实现光学接触
待焊接的玻璃表
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