[發(fā)明專利]一種雙層或多層垂直封裝玻璃的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710577333.4
• 申請(qǐng)日: 2017-07-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107162395A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南理工學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): C03B23/203
• 分類(lèi)號(hào): C03B23/203;B23K26/40;B23K26/044;B23K26/064
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超快激光實(shí)現(xiàn)雙層或多層垂直封裝（焊接）玻璃的方法。

背景技術(shù)

由于超快激光極短的脈寬、超高的峰值強(qiáng)度和對(duì)加工材料熱變形小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得其在封裝（焊接）玻璃技術(shù)的應(yīng)用中得到飛速發(fā)展。目前玻璃封裝領(lǐng)域已涉及微流控光學(xué)、醫(yī)學(xué)、超精密電子機(jī)械學(xué)等方面，用于制造小型人造衛(wèi)星、微傳感器、微醫(yī)療器械、微電子機(jī)械精密儀器及光電子設(shè)備等。目前，國(guó)內(nèi)外超快激光封裝玻璃技術(shù)基本是通過(guò)透鏡或物鏡在兩塊玻璃界面處聚焦焊接1次的水平單層焊接實(shí)現(xiàn)的。單層焊接強(qiáng)度低，透鏡或物鏡聚焦需要超精密坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及軟件控制（編程速度慢）輔助實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜掃描路線，且水平焊接在焊接強(qiáng)度方向上有重力影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述研究中存在的不足，本發(fā)明提供了一種超快激光實(shí)現(xiàn)雙層或多層垂直封裝（焊接）玻璃的方法，使得玻璃焊接強(qiáng)度比單層焊接提高了近3倍；無(wú)需繁瑣的人工編程，振鏡通過(guò)軟件繪圖可快速實(shí)現(xiàn)掃描路線；且消除了焊接強(qiáng)度方向上的重力影響，極大地提高了焊接強(qiáng)度、精度及效率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：將超快激光通過(guò)振鏡聚焦在第1塊玻璃接近界面處，依據(jù)掃描路線，垂直焊接1次；經(jīng)過(guò)極短時(shí)間間隔后，再聚焦在第2塊玻璃接近界面處，垂直焊接第2次，第2次焊接對(duì)第1次焊接有消除熱應(yīng)力的作用，無(wú)需退火過(guò)程。兩層先后焊，封裝后的粘結(jié)力加強(qiáng)。也可以根據(jù)需要選擇中間界面作為第1次或第2次的焊接面。對(duì)于多于兩層的焊接，可以同樣根據(jù)需要選擇多層焊接面，焊接強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增加。

本發(fā)明通過(guò)振鏡輔助超快激光雙層或多層垂直焊接玻璃，提供了一種有效提高玻璃焊接強(qiáng)度，高效、高精實(shí)現(xiàn)玻璃封裝的技術(shù)與方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明超快激光實(shí)現(xiàn)雙層或多層垂直封裝玻璃的實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。

圖2(a)是通過(guò)振鏡，激光先聚焦在左邊第1塊玻璃片10距離界面5μm處焊接1次；然后聚焦在右邊第2塊玻璃片11距離界面5μm處焊接第2次,如圖2(b)所示；圖2(c)中焊接路線，由振鏡自帶軟件通過(guò)繪圖實(shí)現(xiàn)，線間距為50μm。

圖中，1是Pharos超快激光系統(tǒng)，2是反射鏡1，3是反射鏡2，4是光闌1，5是反射鏡3，6是反射鏡4，7是光闌2，8是反射鏡5，9是振鏡，10是玻璃片1（左邊），11是玻璃片2（右邊），12是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為飛秒激光通過(guò)振鏡掃描實(shí)現(xiàn)雙層垂直封裝玻璃的實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。用于焊接的飛秒脈沖激光系統(tǒng)(Pharos)1由Yb: KGW振蕩器和再生式放大器組成,可發(fā)射波長(zhǎng)為1030nm。設(shè)定頻率范圍為600kHz,平均功率為12W,脈寬為1000fs及單脈沖能量為20μJ。通過(guò)型號(hào)為intelliSCAN?14(ID#116154)振鏡聚焦，焦斑直徑為6μm。先聚焦在左邊第一塊玻璃片距離界面5μm處焊接1次，過(guò)5S后，聚焦在右邊第二塊玻璃片距離界面5μm處焊接第2次。在三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輔助下，振鏡通過(guò)鏡頭翻轉(zhuǎn)可以在玻璃內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同的加工路線和幾何形狀。

圖2中，實(shí)例采用邊長(zhǎng)為30mm,厚度為1mm的商用方形石英玻璃片。玻璃片加工前被拋光，平整度和粗糙度分別達(dá)到120 nm和2nm。玻璃片樣品通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)鏡面接觸，接觸間隙小于λ/4,（λ為波長(zhǎng)），可通過(guò)觀察牛頓環(huán)來(lái)判斷間隙大小。為了實(shí)現(xiàn)雙層焊接，圖2(a)中通過(guò)振鏡，激光先聚焦在第1塊玻璃片10距離界面5μm處焊接1次，然后聚焦在右邊第2塊玻璃片11距離界面5μm處焊接第2次如圖2(b)所示。圖2(c)中焊接路線由振鏡自帶軟件通過(guò)繪圖實(shí)現(xiàn)，本實(shí)例線間距為50μm。

圖2(a)中先聚焦在第1塊玻璃片10距離界面5μm處焊接1次，在高重頻(600kHz)作用下，熱量累積效應(yīng)可能在焦點(diǎn)周?chē)l(fā)生。當(dāng)脈沖時(shí)間間隔小于材料熱量散發(fā)時(shí)間時(shí)，激光脈沖作為一移動(dòng)熱源發(fā)生熱累積效應(yīng)，使得焦點(diǎn)及附近極小范圍溫度逐步升高。升高的溫度導(dǎo)致焦點(diǎn)及附近極小范圍玻璃局部熔化；隨著脈沖數(shù)的增加熔融區(qū)域逐漸大于焦點(diǎn)直徑的大小。本實(shí)例通過(guò)以恒定速度0.005m/s掃描，線間距為50μm，可加工出圖2(c)所示的焊接路線。由于非線性吸收和成絲效應(yīng)，熔池在光傳播方向上被拉長(zhǎng)。由于一般成絲的厚度的遠(yuǎn)大于5μm，隨后熔池在激光傳播方向上凝固，兩塊玻璃焊接成功。由于第1次焊接，沿著激光焊接路線的玻璃材料被改性，且變得蓬松。