近年來,隨著研究人員在微納集成領(lǐng)域（如微流體、微機械、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,逐漸成為了非金屬材料焊接領(lǐng)域的研究熱點。以玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體單晶材料、有機聚合物為例,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)的未來發(fā)展趨勢。 

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

【文章頁數(shù)】：10 頁

【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，而使用機械拋光的方法達(dá)到這種質(zhì)量精度非常耗時，這導(dǎo)致飛秒焊接技術(shù)在實際的工業(yè)應(yīng)用中代價高昂。最近，德國阿貝光子中心的Richter等[23]在無光學(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，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，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)填補了寬度約為4μm的縫隙，如圖2(b）所示。經(jīng)測試，該焊接區(qū)域的斷裂強度為75 MPa，達(dá)到母材的85%。此外，英國赫瑞瓦特大學(xué)的Chen等[24]使用脈寬為9ps、波長為1030nm、重復(fù)頻率為400kHz的皮秒脈沖激光，同樣實現(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程。他們發(fā)現(xiàn)，在焊接非光學(xué)接觸的兩塊玻璃的過程中，當(dāng)脈沖激光聚焦在底部玻璃片靠近上表面區(qū)域時，能量被該區(qū)域玻璃迅速吸收形成熔池，熔池中的熔融物會在高壓下噴濺到覆蓋玻璃的下表面填補縫隙。當(dāng)激光的能量足夠高時，熔池在接近縫隙界面時會發(fā)展得足夠大，形成的噴濺物會在形成等離子體之前擴展并填補缺口。同理，當(dāng)脈沖激光聚焦在覆蓋玻璃靠近下表面區(qū)域時，熔融物可流動到覆蓋玻璃的下表面填補縫隙。無光學(xué)接觸焊接技術(shù)的研究將極大簡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對縫隙的填充，且焊接過程中材料間存在較大的間隙，這兩個因素都導(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，許多研究團(tuán)隊致力于探索提高焊接區(qū)域強度和焊接對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度。實驗表明，采用雙脈沖激光焊接玻璃基板的焊接強度為22.9MPa，比采用常規(guī)單脈沖激光焊接玻璃基板的焊接強度高22%左右。德國阿貝光子中心的Richter團(tuán)隊利用聲光調(diào)制器對頻率為9.4MHz、波長為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，獲得焊縫的焊接強度最大為87 MPa，相當(dāng)于焊接母材強度的96%，而直接使用未調(diào)制的脈沖激光獲得的焊接強度僅為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，減小了焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高了焊縫的質(zhì)量和強度，是一個值得繼續(xù)深入研究的方向。除了提高焊接強度之外，超短脈沖激光焊接過程中，需要將激光焦點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)致焊接過程中對焦點定位精度的容忍區(qū)間非常小。為解決這個問題，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所的Zhang等[26]采用無衍射的飛秒激光貝塞爾光束對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，可將對焦位置精確控制的容限提高5.5倍左右。這項工作將空間光場調(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。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]。對于熔點較高的陶瓷材料，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，這證實了飛秒激光同樣適用于焊接高熔點的材料。美國加州大學(xué)的Penilla等[32]探討了超短脈沖激光對釔穩(wěn)定透明氧化鋯（YSZ）和多晶氧化鋁工程陶瓷的焊接。通過調(diào)節(jié)制備過程中的熱處理參數(shù)，可獲得對近紅外波段激光透明和高非線性吸收的YSZ陶瓷，使用波長為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)域的氣密性測試截圖和焊接接頭剪切實驗結(jié)果。該研究表明，在單點作用脈沖數(shù)超過105時，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度（40 Mpa）比飛秒脈沖作用下的焊縫連接強度大7MPa。其原因在于，當(dāng)重復(fù)頻率為1 MHz時，脈寬為2Ps脈沖在作用過程中產(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，這個過程中材料并未持續(xù)地被熔化，最終形成的熔池遠(yuǎn)小于前者。該項工作證明了超短脈沖激光對高熔點材料的焊接能力，通過激光參數(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的陶瓷體系，其在陶瓷微機械系統(tǒng)、芯片實驗室設(shè)備、光電包裝等行業(yè)都有很大的應(yīng)用潛力。


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