基于飞秒激光的石英器件键合方法研究
发布时间：2021-12-02 00:42
石英由于其优异的热、力、光以及化学特性被广泛应用于微机电系统（MEMS）器件、光电器件以及微流控器件中。石英器件的生产包括单元部件的制作、组合以及整体测试等多个环节,其中部件之间的组合是通过键合方法完成。而传统键合方法中器件常受到加工条件的影响,比如需要将待加工器件置于高温环境中,可对器件内部造成不可逆的损坏,或者加工后器件键合强度不高,从而限制了器件的应用范围,亟需新的有效的键合方法。因此本课题利用飞秒激光加工技术,进行石英器件键合方法的研究。本文首先依据非线性光学和固体物理理论,分析了飞秒激光和石英介质相互作用的物理过程。研究了基于光电离效应和雪崩效应的自由电子产生过程,分析了自由电子能量传递至晶格的升温过程以及飞秒激光对石英材料的加工效果。采用基于激光脉冲包络传输方程以及自由电子密度演变方程的传播模型,计算了激光脉冲在石英内部的传播通量、激发的自由电子浓度的分布以及脉冲能量沉积的分布。根据计算结果,分析了非线性效应以及不同加工参数对脉冲传播和能量沉积的影响。验证了克尔效应对激光脉冲的聚焦效应,以及等离子体吸收为激光能量沉积到石英内部的主要机制。进一步分析了数值孔径的大小对能量沉积...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光焊接玻璃示意图[16]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-2012年，Huang等人通过重频为1MHz，波长为1030nm，脉宽为750fs的飞秒激光脉冲进行熔融石英的焊接实验和密封的验证[20]。采用的加工速度为1mm/s，对两块石英玻璃的四周通过激光扫描进行焊接，来达到边缘密封的目的，如图1-3所示，可以观察到加工后玻璃的四周为焊接线，并且界面出现明显且稀疏的干涉条纹，作者利用水浸的方式来简单地验证密封效果，焊接线外部的干涉条纹由于水浸入而消失，内部干涉条纹依然保留，说明具有一定的密封性。图1-3经过飞秒激光焊接后的石英玻璃样片[20]Hélie等人在2012年采用飞秒激光成丝来进行熔融石英的焊接[21]。作者提出除了利用高重频脉冲产生局部热量累积形成熔池的方式进行焊接，也可以利用激光光丝穿过玻璃界面，使能量沉积在界面处导致材料的熔融和固化来达到键合的目的。研究者在单脉冲能量为0.6μJ，重复频率为250kHz，加工速度为1mm/s和数值孔径为0.16的条件下，对两块熔融石英玻璃进行焊接。如图1-4所示，当调整激光光束的位置来调整光丝在材料内部的位置，从而对界面的熔接宽度造成影响。a)b)c)Laser图1-4飞秒激光成丝焊接石英玻璃的截面图[21]a)焊接界面的扫描电镜图像，ABC分别代表不同的聚焦位置b)焊接界面的放大图c)界面细节，不连续处代表焊接点
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-图1-6在玻璃表面经过飞秒激光诱导形成的凸块[25]2017年，Gstalter等人利用偏振显微镜研究了飞秒激光焊接玻璃后在加工区域产生的残余应力[26]。可通过偏振显微镜观察焊缝处的双折射率现象，间接地得到残余应力值。作者采用了脉宽为300fs，重频为500kHz的激光脉冲，以及100mm焦距的扫描透镜对硼硅酸盐玻璃进行焊接。发现应力沿着激光扫描方向在焊缝周围分布。可通过消减应力的方式去进一步提高键合的质量。Kim等人在2018年将飞秒激光应用到微流控芯片的键合和封装上[27]。作者首先用飞秒激光在石英玻璃表面烧蚀产生微流控通道，然后利用氢氟酸对激光烧蚀通道进行腐蚀以去除烧蚀的颗粒，最后将两块石英玻璃通过飞秒激光进行键合，加工后器件的键合强度达到1.4MPa。2019年，该团队利用飞秒激光进行血压传感器的封装[28]，封装的传感器具有轻便和生物兼容性的特点，使飞秒激光技术逐渐地应用到功能器件键合上。1.2.2国内研究状况国内研究学者在该方向的研究中，主要集中在实验方面并通过改进工艺方法来提高键合指标，例如键合强度或加工效率。2013年，吉林大学吴思竹采用双脉冲对玻璃进行焊接[29]。通过控制脉冲的延时来调控材料内部电子激发过程，基本原理是在第一个脉冲照射后，在内部激发出的自由电子来使材料对第二个脉冲的吸收率增高，该方法相对于传统的单脉冲序列焊接，能够将焊接效率提高了22%。2015年，北京航空航天大学程战等人利用飞秒激光焊接石英玻璃与硅，研究了激光功率、扫描速度和离焦量对焊接强度的影响，通过适当的工艺参数组合，焊接强度可达54MPa[30]。中国科学院西安光机所在2015年通过重频为1kHz的飞秒激光脉冲，对玻璃和铜进行焊接，并研究了激光脉冲能量以及加工速度对剪
【参考文献】：
期刊论文
[1]长焦距绿光飞秒激光玻璃焊接[J]. 于淼,黄婷,肖荣诗. 中国激光. 2020(09)
[2]A review on glass welding by ultra-short laser pulses[J]. Kristian Cvecek,Sarah Dehmel,Isamu Miyamoto,Michael Schmidt. International Journal of Extreme Manufacturing. 2019(04)
[3]高重频飞秒激光焊接石英玻璃[J]. 丁腾,王雪辉,王关德,钱静,王何宁,娄孔昱,王玉莹,赵全忠. 中国激光. 2018(07)
[4]石英玻璃飞秒激光微连接及其接头性能[J]. 潘泽浩,程战,刘磊,邹贵生,Zhou Yunhong. 焊接学报. 2016(06)
[5]石英玻璃与硅的飞秒激光微连接及其接头性能研究[J]. 程战,郭伟,刘磊,邹贵生,周运鸿. 中国激光. 2015(09)
[6]超短脉冲激光微焊接玻璃进展[J]. 范文中,赵全忠. 激光与光电子学进展. 2015(08)
[7]飞秒激光改性玻璃微结构的化学腐蚀特性研究[J]. 蒋鲁杰,戴能利,王英,张继皇,陆培祥. 高等学校化学学报. 2007(06)
[8]飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿[J]. 何飞,程亚. 中国激光. 2007(05)
博士论文
[1]基于激光-物质相互作用的超短脉冲激光微焊接研究[D]. 张国栋.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2019
硕士论文
[1]高重复频率飞秒激光诱导玻璃相变的研究[D]. 程晨.华南理工大学 2014
[2]石英玻璃低温连接技术与性能表征[D]. 蒋晨晨.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3527376
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光焊接玻璃示意图[16]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-2012年，Huang等人通过重频为1MHz，波长为1030nm，脉宽为750fs的飞秒激光脉冲进行熔融石英的焊接实验和密封的验证[20]。采用的加工速度为1mm/s，对两块石英玻璃的四周通过激光扫描进行焊接，来达到边缘密封的目的，如图1-3所示，可以观察到加工后玻璃的四周为焊接线，并且界面出现明显且稀疏的干涉条纹，作者利用水浸的方式来简单地验证密封效果，焊接线外部的干涉条纹由于水浸入而消失，内部干涉条纹依然保留，说明具有一定的密封性。图1-3经过飞秒激光焊接后的石英玻璃样片[20]Hélie等人在2012年采用飞秒激光成丝来进行熔融石英的焊接[21]。作者提出除了利用高重频脉冲产生局部热量累积形成熔池的方式进行焊接，也可以利用激光光丝穿过玻璃界面，使能量沉积在界面处导致材料的熔融和固化来达到键合的目的。研究者在单脉冲能量为0.6μJ，重复频率为250kHz，加工速度为1mm/s和数值孔径为0.16的条件下，对两块熔融石英玻璃进行焊接。如图1-4所示，当调整激光光束的位置来调整光丝在材料内部的位置，从而对界面的熔接宽度造成影响。a)b)c)Laser图1-4飞秒激光成丝焊接石英玻璃的截面图[21]a)焊接界面的扫描电镜图像，ABC分别代表不同的聚焦位置b)焊接界面的放大图c)界面细节，不连续处代表焊接点
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-图1-6在玻璃表面经过飞秒激光诱导形成的凸块[25]2017年，Gstalter等人利用偏振显微镜研究了飞秒激光焊接玻璃后在加工区域产生的残余应力[26]。可通过偏振显微镜观察焊缝处的双折射率现象，间接地得到残余应力值。作者采用了脉宽为300fs，重频为500kHz的激光脉冲，以及100mm焦距的扫描透镜对硼硅酸盐玻璃进行焊接。发现应力沿着激光扫描方向在焊缝周围分布。可通过消减应力的方式去进一步提高键合的质量。Kim等人在2018年将飞秒激光应用到微流控芯片的键合和封装上[27]。作者首先用飞秒激光在石英玻璃表面烧蚀产生微流控通道，然后利用氢氟酸对激光烧蚀通道进行腐蚀以去除烧蚀的颗粒，最后将两块石英玻璃通过飞秒激光进行键合，加工后器件的键合强度达到1.4MPa。2019年，该团队利用飞秒激光进行血压传感器的封装[28]，封装的传感器具有轻便和生物兼容性的特点，使飞秒激光技术逐渐地应用到功能器件键合上。1.2.2国内研究状况国内研究学者在该方向的研究中，主要集中在实验方面并通过改进工艺方法来提高键合指标，例如键合强度或加工效率。2013年，吉林大学吴思竹采用双脉冲对玻璃进行焊接[29]。通过控制脉冲的延时来调控材料内部电子激发过程，基本原理是在第一个脉冲照射后，在内部激发出的自由电子来使材料对第二个脉冲的吸收率增高，该方法相对于传统的单脉冲序列焊接，能够将焊接效率提高了22%。2015年，北京航空航天大学程战等人利用飞秒激光焊接石英玻璃与硅，研究了激光功率、扫描速度和离焦量对焊接强度的影响，通过适当的工艺参数组合，焊接强度可达54MPa[30]。中国科学院西安光机所在2015年通过重频为1kHz的飞秒激光脉冲，对玻璃和铜进行焊接，并研究了激光脉冲能量以及加工速度对剪
【参考文献】：
期刊论文
[1]长焦距绿光飞秒激光玻璃焊接[J]. 于淼,黄婷,肖荣诗. 中国激光. 2020(09)
[2]A review on glass welding by ultra-short laser pulses[J]. Kristian Cvecek,Sarah Dehmel,Isamu Miyamoto,Michael Schmidt. International Journal of Extreme Manufacturing. 2019(04)
[3]高重频飞秒激光焊接石英玻璃[J]. 丁腾,王雪辉,王关德,钱静,王何宁,娄孔昱,王玉莹,赵全忠. 中国激光. 2018(07)
[4]石英玻璃飞秒激光微连接及其接头性能[J]. 潘泽浩,程战,刘磊,邹贵生,Zhou Yunhong. 焊接学报. 2016(06)
[5]石英玻璃与硅的飞秒激光微连接及其接头性能研究[J]. 程战,郭伟,刘磊,邹贵生,周运鸿. 中国激光. 2015(09)
[6]超短脉冲激光微焊接玻璃进展[J]. 范文中,赵全忠. 激光与光电子学进展. 2015(08)
[7]飞秒激光改性玻璃微结构的化学腐蚀特性研究[J]. 蒋鲁杰,戴能利,王英,张继皇,陆培祥. 高等学校化学学报. 2007(06)
[8]飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿[J]. 何飞,程亚. 中国激光. 2007(05)
博士论文
[1]基于激光-物质相互作用的超短脉冲激光微焊接研究[D]. 张国栋.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2019
硕士论文
[1]高重复频率飞秒激光诱导玻璃相变的研究[D]. 程晨.华南理工大学 2014
[2]石英玻璃低温连接技术与性能表征[D]. 蒋晨晨.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3527376
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