發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 23:29

　　近年來(lái),隨著研究人員在微納集成領(lǐng)域（如微流體、微機(jī)械、微電子等領(lǐng)域）研究的逐漸深入,不同材料間的連接成為該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)瓶頸。超短脈沖激光焊接技術(shù)因其熱效應(yīng)精密可控、精度高等優(yōu)勢(shì),逐漸成為了非金屬材料焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體單晶材料、有機(jī)聚合物為例,介紹了超短脈沖激光在非金屬材料焊接領(lǐng)域的應(yīng)用及具體案例,并展望了該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 

【文章來(lái)源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(11)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

超短脈沖激光焊接示意圖。（a）全透明材料焊接；（b）部分透明材料焊接

如上所述，為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)接觸，待焊接的玻璃表面質(zhì)量需滿足較高的要求，而使用機(jī)械拋光的方法達(dá)到這種質(zhì)量精度非常耗時(shí)，這導(dǎo)致飛秒焊接技術(shù)在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中代價(jià)高昂。最近，德國(guó)阿貝光子中心的Richter等[23]在無(wú)光學(xué)接觸的條件下，使用單脈沖能量為10μJ、脈寬為500fs的飛秒激光實(shí)現(xiàn)了熔融石英玻璃焊接。當(dāng)飛秒激光聚焦在兩材料界面上時(shí)，焊縫的寬度很小，兩塊玻璃界面處的縫隙并未被填滿，如圖2(a）左圖所示；當(dāng)飛秒激光焦斑聚焦在界面縫隙下方、玻璃基板上表面時(shí)，加熱產(chǎn)生的熔融物噴射并沉積到玻璃接觸截面上，并進(jìn)一步將熱量傳遞到上方玻璃基板的下表面，使其表面材料熔融，熔融區(qū)冷卻后形成的焊接區(qū)填補(bǔ)了寬度約為4μm的縫隙，如圖2(b）所示。經(jīng)測(cè)試，該焊接區(qū)域的斷裂強(qiáng)度為75 MPa，達(dá)到母材的85%。此外，英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)的Chen等[24]使用脈寬為9ps、波長(zhǎng)為1030nm、重復(fù)頻率為400kHz的皮秒脈沖激光，同樣實(shí)現(xiàn)了非光學(xué)接觸、縫隙約為3μm的硼硅酸鹽玻璃片和石英玻璃片間的焊接，并在此基礎(chǔ)上探討了非光學(xué)接觸焊接的原理和過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)，在焊接非光學(xué)接觸的兩塊玻璃的過(guò)程中，當(dāng)脈沖激光聚焦在底部玻璃片靠近上表面區(qū)域時(shí)，能量被該區(qū)域玻璃迅速吸收形成熔池，熔池中的熔融物會(huì)在高壓下噴濺到覆蓋玻璃的下表面填補(bǔ)縫隙。當(dāng)激光的能量足夠高時(shí)，熔池在接近縫隙界面時(shí)會(huì)發(fā)展得足夠大，形成的噴濺物會(huì)在形成等離子體之前擴(kuò)展并填補(bǔ)缺口。同理，當(dāng)脈沖激光聚焦在覆蓋玻璃靠近下表面區(qū)域時(shí)，熔融物可流動(dòng)到覆蓋玻璃的下表面填補(bǔ)縫隙。無(wú)光學(xué)接觸焊接技術(shù)的研究將極大簡(jiǎn)化超短脈沖焊接的工藝流程，降低材料表面處理成本，為超短脈沖激光焊接技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供新思路。但是，無(wú)光學(xué)接觸焊接在原理上基于熔池中熔融物的飛濺和流動(dòng)對(duì)縫隙的填充，且焊接過(guò)程中材料間存在較大的間隙，這兩個(gè)因素都導(dǎo)致該焊接技術(shù)獲得的焊縫比光學(xué)接觸下所獲得的焊縫寬一些。這使得當(dāng)前階段該項(xiàng)技術(shù)在微流、微電子等要求高焊接分辨率的領(lǐng)域中的應(yīng)用存在局限，亟需進(jìn)一步的研究與完善。在最大化避免焊接缺陷的同時(shí)，許多研究團(tuán)隊(duì)致力于探索提高焊接區(qū)域強(qiáng)度和焊接對(duì)焦位置容限度的方案。日本理化學(xué)研究所的Sugioka等[25]提出了采用雙脈沖飛秒激光進(jìn)行焊接的策略，以改善樣品的焊接強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明，采用雙脈沖激光焊接玻璃基板的焊接強(qiáng)度為22.9MPa，比采用常規(guī)單脈沖激光焊接玻璃基板的焊接強(qiáng)度高22%左右。德國(guó)阿貝光子中心的Richter團(tuán)隊(duì)利用聲光調(diào)制器對(duì)頻率為9.4MHz、波長(zhǎng)為1030nm、脈寬為450fs的飛秒激光脈沖進(jìn)行調(diào)制，獲得不同脈沖串間隔和脈沖數(shù)的脈沖序列以對(duì)玻璃焊接進(jìn)行探究[20]。他們發(fā)現(xiàn)在脈沖串頻率為100kHz、串內(nèi)脈沖數(shù)為35時(shí)，獲得焊縫的焊接強(qiáng)度最大為87 MPa，相當(dāng)于焊接母材強(qiáng)度的96%，而直接使用未調(diào)制的脈沖激光獲得的焊接強(qiáng)度僅為20 MPa左右。從原理上分析，雙脈沖乃至脈沖序列的引入降低了焊接時(shí)的激光平均功率，避免了焊接區(qū)域溫度的持續(xù)升高，減小了焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高了焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度，是一個(gè)值得繼續(xù)深入研究的方向。除了提高焊接強(qiáng)度之外，超短脈沖激光焊接過(guò)程中，需要將激光焦點(diǎn)精確聚焦到焊接界面上，而常規(guī)飛秒激光焊接使用的高斯光束瑞利距離較短，這導(dǎo)致焊接過(guò)程中對(duì)焦點(diǎn)定位精度的容忍區(qū)間非常小。為解決這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的Zhang等[26]采用無(wú)衍射的飛秒激光貝塞爾光束對(duì)硅片和硼硅酸鹽玻璃進(jìn)行了焊接。圖3(a）為采用零階貝塞爾光束焊接樣品的側(cè)視顯微圖像，焊接焦深高達(dá)410μm，遠(yuǎn)大于圖3(b）所示的高斯光束焊接樣品的焦深。由此可得，采用貝塞爾光束進(jìn)行焊接，可將對(duì)焦位置精確控制的容限提高5.5倍左右。這項(xiàng)工作將空間光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)引入激光焊接領(lǐng)域，有效拓寬了超短脈沖激光焊接技術(shù)的加工窗口，并為后續(xù)的研究提供了思路與啟示。

陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、化學(xué)惰性高、密度比金屬低等特點(diǎn)。然而，一體化制造形狀復(fù)雜或尺寸較大的陶瓷零件較為困難。因此，合適的陶瓷連接技術(shù)是陶瓷材料得以更廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。通常，固相擴(kuò)散鍵合、超塑性鍵合等固相連接是較為可靠的陶瓷材料連接方法，在理論上可以達(dá)到相當(dāng)于本體母材的接頭強(qiáng)度，但固相連接只能在800～1500℃的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行[27-30]。對(duì)于熔點(diǎn)較高的陶瓷材料，可使用高重復(fù)頻率的飛秒激光進(jìn)行焊接，激光脈沖疊加形成的熱累積效應(yīng)可在材料界面處形成熔池，冷卻后形成焊接區(qū)。日本大阪大學(xué)的Itoh等[31]采用波長(zhǎng)為800nm、脈寬為100fs、重復(fù)頻率為1kHz的飛秒激光將硼硅酸鹽玻璃焊接在氧化鋁工程陶瓷上，其焊縫寬度僅為50μm，獲得的焊接密封件具有較好的氣密性，這證實(shí)了飛秒激光同樣適用于焊接高熔點(diǎn)的材料。美國(guó)加州大學(xué)的Penilla等[32]探討了超短脈沖激光對(duì)釔穩(wěn)定透明氧化鋯（YSZ）和多晶氧化鋁工程陶瓷的焊接。通過(guò)調(diào)節(jié)制備過(guò)程中的熱處理參數(shù)，可獲得對(duì)近紅外波段激光透明和高非線性吸收的YSZ陶瓷，使用波長(zhǎng)為1028nm、功率為50 W、可選脈寬為230fs和2ps、重復(fù)頻率為1MHz的摻鐿玻璃光纖激光器對(duì)陶瓷材料進(jìn)行焊接，可獲得高氣密性的用于電子封裝的陶瓷管以及較高連接強(qiáng)度的焊接接頭。圖4(a）和4(b）分別為激光焊接后的YSZ和多晶氧化鋁工程陶瓷在焊縫熱影響區(qū)附近的微觀形貌圖；圖4(c）和4(d）分別展示了不同參數(shù)下焊接區(qū)域的氣密性測(cè)試截圖和焊接接頭剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該研究表明，在單點(diǎn)作用脈沖數(shù)超過(guò)105時(shí)，相同單脈沖能量下2ps激光脈沖在YSZ陶瓷表面形成的熔池直徑可達(dá)到400μm以上，遠(yuǎn)大于采用230fs激光脈沖得到的250～300μm熔池直徑，更大的焊縫使得皮秒脈沖下的焊縫連接強(qiáng)度（40 Mpa）比飛秒脈沖作用下的焊縫連接強(qiáng)度大7MPa。其原因在于，當(dāng)重復(fù)頻率為1 MHz時(shí)，脈寬為2Ps脈沖在作用過(guò)程中產(chǎn)生了激發(fā)態(tài)電子冷卻并與材料進(jìn)行更好的能量耦合，在連續(xù)脈沖作用下不斷對(duì)材料進(jìn)行熔化；在脈寬為230fs脈沖激發(fā)下，熱電子氣體的能量向晶格轉(zhuǎn)移，但隨著連續(xù)脈沖的快速到達(dá)，高峰值密度的能量累積提高了電子氣體的溫度，導(dǎo)致了等離子體的形成，這個(gè)過(guò)程中材料并未持續(xù)地被熔化，最終形成的熔池遠(yuǎn)小于前者。該項(xiàng)工作證明了超短脈沖激光對(duì)高熔點(diǎn)材料的焊接能力，通過(guò)激光參數(shù)的調(diào)整和材料的改進(jìn)可將該焊接技術(shù)推廣至氧化鋁等其他常見(jiàn)的陶瓷體系，其在陶瓷微機(jī)械系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、光電包裝等行業(yè)都有很大的應(yīng)用潛力。


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