超短脉冲激光焊接非金属材料研究进展
发布时间：2021-01-08 23:29
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。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
超短脉冲激光焊接示意图。（a）全透明材料焊接；（b）部分透明材料焊接
如上所述，为了实现光学接触，待焊接的玻璃表面质量需满足较高的要求，而使用机械抛光的方法达到这种质量精度非常耗时，这导致飞秒焊接技术在实际的工业应用中代价高昂。最近，德国阿贝光子中心的Richter等[23]在无光学接触的条件下，使用单脉冲能量为10μJ、脉宽为500fs的飞秒激光实现了熔融石英玻璃焊接。当飞秒激光聚焦在两材料界面上时，焊缝的宽度很小，两块玻璃界面处的缝隙并未被填满，如图2(a）左图所示；当飞秒激光焦斑聚焦在界面缝隙下方、玻璃基板上表面时，加热产生的熔融物喷射并沉积到玻璃接触截面上，并进一步将热量传递到上方玻璃基板的下表面，使其表面材料熔融，熔融区冷却后形成的焊接区填补了宽度约为4μm的缝隙，如图2(b）所示。经测试，该焊接区域的断裂强度为75 MPa，达到母材的85%。此外，英国赫瑞瓦特大学的Chen等[24]使用脉宽为9ps、波长为1030nm、重复频率为400kHz的皮秒脉冲激光，同样实现了非光学接触、缝隙约为3μm的硼硅酸盐玻璃片和石英玻璃片间的焊接，并在此基础上探讨了非光学接触焊接的原理和过程。他们发现，在焊接非光学接触的两块玻璃的过程中，当脉冲激光聚焦在底部玻璃片靠近上表面区域时，能量被该区域玻璃迅速吸收形成熔池，熔池中的熔融物会在高压下喷溅到覆盖玻璃的下表面填补缝隙。当激光的能量足够高时，熔池在接近缝隙界面时会发展得足够大，形成的喷溅物会在形成等离子体之前扩展并填补缺口。同理，当脉冲激光聚焦在覆盖玻璃靠近下表面区域时，熔融物可流动到覆盖玻璃的下表面填补缝隙。无光学接触焊接技术的研究将极大简化超短脉冲焊接的工艺流程，降低材料表面处理成本，为超短脉冲激光焊接技术的工业化应用提供新思路。但是，无光学接触焊接在原理上基于熔池中熔融物的飞溅和流动对缝隙的填充，且焊接过程中材料间存在较大的间隙，这两个因素都导致该焊接技术获得的焊缝比光学接触下所获得的焊缝宽一些。这使得当前阶段该项技术在微流、微电子等要求高焊接分辨率的领域中的应用存在局限，亟需进一步的研究与完善。在最大化避免焊接缺陷的同时，许多研究团队致力于探索提高焊接区域强度和焊接对焦位置容限度的方案。日本理化学研究所的Sugioka等[25]提出了采用双脉冲飞秒激光进行焊接的策略，以改善样品的焊接强度。实验表明，采用双脉冲激光焊接玻璃基板的焊接强度为22.9MPa，比采用常规单脉冲激光焊接玻璃基板的焊接强度高22%左右。德国阿贝光子中心的Richter团队利用声光调制器对频率为9.4MHz、波长为1030nm、脉宽为450fs的飞秒激光脉冲进行调制，获得不同脉冲串间隔和脉冲数的脉冲序列以对玻璃焊接进行探究[20]。他们发现在脉冲串频率为100kHz、串内脉冲数为35时，获得焊缝的焊接强度最大为87 MPa，相当于焊接母材强度的96%，而直接使用未调制的脉冲激光获得的焊接强度仅为20 MPa左右。从原理上分析，双脉冲乃至脉冲序列的引入降低了焊接时的激光平均功率，避免了焊接区域温度的持续升高，减小了焊接时产生的应力，从而提高了焊缝的质量和强度，是一个值得继续深入研究的方向。除了提高焊接强度之外，超短脉冲激光焊接过程中，需要将激光焦点精确聚焦到焊接界面上，而常规飞秒激光焊接使用的高斯光束瑞利距离较短，这导致焊接过程中对焦点定位精度的容忍区间非常小。为解决这个问题，中国科学院西安光学精密机械研究所的Zhang等[26]采用无衍射的飞秒激光贝塞尔光束对硅片和硼硅酸盐玻璃进行了焊接。图3(a）为采用零阶贝塞尔光束焊接样品的侧视显微图像，焊接焦深高达410μm，远大于图3(b）所示的高斯光束焊接样品的焦深。由此可得，采用贝塞尔光束进行焊接，可将对焦位置精确控制的容限提高5.5倍左右。这项工作将空间光场调控技术引入激光焊接领域，有效拓宽了超短脉冲激光焊接技术的加工窗口，并为后续的研究提供了思路与启示。
陶瓷材料具有耐高温、硬度高、化学惰性高、密度比金属低等特点。然而，一体化制造形状复杂或尺寸较大的陶瓷零件较为困难。因此，合适的陶瓷连接技术是陶瓷材料得以更广泛应用的基础。通常，固相扩散键合、超塑性键合等固相连接是较为可靠的陶瓷材料连接方法，在理论上可以达到相当于本体母材的接头强度，但固相连接只能在800～1500℃的温度区域内进行[27-30]。对于熔点较高的陶瓷材料，可使用高重复频率的飞秒激光进行焊接，激光脉冲叠加形成的热累积效应可在材料界面处形成熔池，冷却后形成焊接区。日本大阪大学的Itoh等[31]采用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光将硼硅酸盐玻璃焊接在氧化铝工程陶瓷上，其焊缝宽度仅为50μm，获得的焊接密封件具有较好的气密性，这证实了飞秒激光同样适用于焊接高熔点的材料。美国加州大学的Penilla等[32]探讨了超短脉冲激光对钇稳定透明氧化锆（YSZ）和多晶氧化铝工程陶瓷的焊接。通过调节制备过程中的热处理参数，可获得对近红外波段激光透明和高非线性吸收的YSZ陶瓷，使用波长为1028nm、功率为50 W、可选脉宽为230fs和2ps、重复频率为1MHz的掺镱玻璃光纤激光器对陶瓷材料进行焊接，可获得高气密性的用于电子封装的陶瓷管以及较高连接强度的焊接接头。图4(a）和4(b）分别为激光焊接后的YSZ和多晶氧化铝工程陶瓷在焊缝热影响区附近的微观形貌图；图4(c）和4(d）分别展示了不同参数下焊接区域的气密性测试截图和焊接接头剪切实验结果。该研究表明，在单点作用脉冲数超过105时，相同单脉冲能量下2ps激光脉冲在YSZ陶瓷表面形成的熔池直径可达到400μm以上，远大于采用230fs激光脉冲得到的250～300μm熔池直径，更大的焊缝使得皮秒脉冲下的焊缝连接强度（40 Mpa）比飞秒脉冲作用下的焊缝连接强度大7MPa。其原因在于，当重复频率为1 MHz时，脉宽为2Ps脉冲在作用过程中产生了激发态电子冷却并与材料进行更好的能量耦合，在连续脉冲作用下不断对材料进行熔化；在脉宽为230fs脉冲激发下，热电子气体的能量向晶格转移，但随着连续脉冲的快速到达，高峰值密度的能量累积提高了电子气体的温度，导致了等离子体的形成，这个过程中材料并未持续地被熔化，最终形成的熔池远小于前者。该项工作证明了超短脉冲激光对高熔点材料的焊接能力，通过激光参数的调整和材料的改进可将该焊接技术推广至氧化铝等其他常见的陶瓷体系，其在陶瓷微机械系统、芯片实验室设备、光电包装等行业都有很大的应用潜力。
本文编号：2965516
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心
【文章页数】：10 页
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超短脉冲激光焊接示意图。（a）全透明材料焊接；（b）部分透明材料焊接
如上所述，为了实现光学接触，待焊接的玻璃表面质量需满足较高的要求，而使用机械抛光的方法达到这种质量精度非常耗时，这导致飞秒焊接技术在实际的工业应用中代价高昂。最近，德国阿贝光子中心的Richter等[23]在无光学接触的条件下，使用单脉冲能量为10μJ、脉宽为500fs的飞秒激光实现了熔融石英玻璃焊接。当飞秒激光聚焦在两材料界面上时，焊缝的宽度很小，两块玻璃界面处的缝隙并未被填满，如图2(a）左图所示；当飞秒激光焦斑聚焦在界面缝隙下方、玻璃基板上表面时，加热产生的熔融物喷射并沉积到玻璃接触截面上，并进一步将热量传递到上方玻璃基板的下表面，使其表面材料熔融，熔融区冷却后形成的焊接区填补了宽度约为4μm的缝隙，如图2(b）所示。经测试，该焊接区域的断裂强度为75 MPa，达到母材的85%。此外，英国赫瑞瓦特大学的Chen等[24]使用脉宽为9ps、波长为1030nm、重复频率为400kHz的皮秒脉冲激光，同样实现了非光学接触、缝隙约为3μm的硼硅酸盐玻璃片和石英玻璃片间的焊接，并在此基础上探讨了非光学接触焊接的原理和过程。他们发现，在焊接非光学接触的两块玻璃的过程中，当脉冲激光聚焦在底部玻璃片靠近上表面区域时，能量被该区域玻璃迅速吸收形成熔池，熔池中的熔融物会在高压下喷溅到覆盖玻璃的下表面填补缝隙。当激光的能量足够高时，熔池在接近缝隙界面时会发展得足够大，形成的喷溅物会在形成等离子体之前扩展并填补缺口。同理，当脉冲激光聚焦在覆盖玻璃靠近下表面区域时，熔融物可流动到覆盖玻璃的下表面填补缝隙。无光学接触焊接技术的研究将极大简化超短脉冲焊接的工艺流程，降低材料表面处理成本，为超短脉冲激光焊接技术的工业化应用提供新思路。但是，无光学接触焊接在原理上基于熔池中熔融物的飞溅和流动对缝隙的填充，且焊接过程中材料间存在较大的间隙，这两个因素都导致该焊接技术获得的焊缝比光学接触下所获得的焊缝宽一些。这使得当前阶段该项技术在微流、微电子等要求高焊接分辨率的领域中的应用存在局限，亟需进一步的研究与完善。在最大化避免焊接缺陷的同时，许多研究团队致力于探索提高焊接区域强度和焊接对焦位置容限度的方案。日本理化学研究所的Sugioka等[25]提出了采用双脉冲飞秒激光进行焊接的策略，以改善样品的焊接强度。实验表明，采用双脉冲激光焊接玻璃基板的焊接强度为22.9MPa，比采用常规单脉冲激光焊接玻璃基板的焊接强度高22%左右。德国阿贝光子中心的Richter团队利用声光调制器对频率为9.4MHz、波长为1030nm、脉宽为450fs的飞秒激光脉冲进行调制，获得不同脉冲串间隔和脉冲数的脉冲序列以对玻璃焊接进行探究[20]。他们发现在脉冲串频率为100kHz、串内脉冲数为35时，获得焊缝的焊接强度最大为87 MPa，相当于焊接母材强度的96%，而直接使用未调制的脉冲激光获得的焊接强度仅为20 MPa左右。从原理上分析，双脉冲乃至脉冲序列的引入降低了焊接时的激光平均功率，避免了焊接区域温度的持续升高，减小了焊接时产生的应力，从而提高了焊缝的质量和强度，是一个值得继续深入研究的方向。除了提高焊接强度之外，超短脉冲激光焊接过程中，需要将激光焦点精确聚焦到焊接界面上，而常规飞秒激光焊接使用的高斯光束瑞利距离较短，这导致焊接过程中对焦点定位精度的容忍区间非常小。为解决这个问题，中国科学院西安光学精密机械研究所的Zhang等[26]采用无衍射的飞秒激光贝塞尔光束对硅片和硼硅酸盐玻璃进行了焊接。图3(a）为采用零阶贝塞尔光束焊接样品的侧视显微图像，焊接焦深高达410μm，远大于图3(b）所示的高斯光束焊接样品的焦深。由此可得，采用贝塞尔光束进行焊接，可将对焦位置精确控制的容限提高5.5倍左右。这项工作将空间光场调控技术引入激光焊接领域，有效拓宽了超短脉冲激光焊接技术的加工窗口，并为后续的研究提供了思路与启示。
陶瓷材料具有耐高温、硬度高、化学惰性高、密度比金属低等特点。然而，一体化制造形状复杂或尺寸较大的陶瓷零件较为困难。因此，合适的陶瓷连接技术是陶瓷材料得以更广泛应用的基础。通常，固相扩散键合、超塑性键合等固相连接是较为可靠的陶瓷材料连接方法，在理论上可以达到相当于本体母材的接头强度，但固相连接只能在800～1500℃的温度区域内进行[27-30]。对于熔点较高的陶瓷材料，可使用高重复频率的飞秒激光进行焊接，激光脉冲叠加形成的热累积效应可在材料界面处形成熔池，冷却后形成焊接区。日本大阪大学的Itoh等[31]采用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光将硼硅酸盐玻璃焊接在氧化铝工程陶瓷上，其焊缝宽度仅为50μm，获得的焊接密封件具有较好的气密性，这证实了飞秒激光同样适用于焊接高熔点的材料。美国加州大学的Penilla等[32]探讨了超短脉冲激光对钇稳定透明氧化锆（YSZ）和多晶氧化铝工程陶瓷的焊接。通过调节制备过程中的热处理参数，可获得对近红外波段激光透明和高非线性吸收的YSZ陶瓷，使用波长为1028nm、功率为50 W、可选脉宽为230fs和2ps、重复频率为1MHz的掺镱玻璃光纤激光器对陶瓷材料进行焊接，可获得高气密性的用于电子封装的陶瓷管以及较高连接强度的焊接接头。图4(a）和4(b）分别为激光焊接后的YSZ和多晶氧化铝工程陶瓷在焊缝热影响区附近的微观形貌图；图4(c）和4(d）分别展示了不同参数下焊接区域的气密性测试截图和焊接接头剪切实验结果。该研究表明，在单点作用脉冲数超过105时，相同单脉冲能量下2ps激光脉冲在YSZ陶瓷表面形成的熔池直径可达到400μm以上，远大于采用230fs激光脉冲得到的250～300μm熔池直径，更大的焊缝使得皮秒脉冲下的焊缝连接强度（40 Mpa）比飞秒脉冲作用下的焊缝连接强度大7MPa。其原因在于，当重复频率为1 MHz时，脉宽为2Ps脉冲在作用过程中产生了激发态电子冷却并与材料进行更好的能量耦合，在连续脉冲作用下不断对材料进行熔化；在脉宽为230fs脉冲激发下，热电子气体的能量向晶格转移，但随着连续脉冲的快速到达，高峰值密度的能量累积提高了电子气体的温度，导致了等离子体的形成，这个过程中材料并未持续地被熔化，最终形成的熔池远小于前者。该项工作证明了超短脉冲激光对高熔点材料的焊接能力，通过激光参数的调整和材料的改进可将该焊接技术推广至氧化铝等其他常见的陶瓷体系，其在陶瓷微机械系统、芯片实验室设备、光电包装等行业都有很大的应用潜力。
本文编号：2965516
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