新技術助力激光玻璃焊接實用化

超短脈沖激光器結(jié)合精妙的自聚焦技術提供了所需的質(zhì)量和工藝可靠性，使激光玻璃焊接應用到批量生產(chǎn)中成為可能。玻璃獨特而優(yōu)異的特性使其廣泛應用于生物醫(yī)學、微電子等不同領域的各種高科技產(chǎn)品中。我們以前已經(jīng)介紹了它給制造商所帶來的挑戰(zhàn)，特別是在大批量、精密玻璃切割領域。它還帶來了鍵合方面的困難，包括將單個玻璃組件焊接在一起，以及將玻璃焊接到金屬和半導體等其他材料上。

融為一體

所有用于焊接玻璃的傳統(tǒng)方法都難以為經(jīng)濟高效的批量生產(chǎn)提供所需的精度、鍵合質(zhì)量和生產(chǎn)速度。例如，粘合劑鍵合是一種經(jīng)濟的方法，但會在零件上殘留膠材，甚至需要脫氣。

介質(zhì)焊接是將粉末材料放在接觸點處，然后將其熔化以完成鍵合。無論這種熔化是通過烘箱還是激光實現(xiàn)，都會有大量熱量被泵入零件中。這對于微電子設備和許多醫(yī)療器械都是一個問題。

離子鍵合是一種巧妙的方法，可提供極高的鍵合強度。兩片嶄新且極其平坦的玻璃表面被壓在一起，并通過分子鍵真正融合在一起。但是，要在生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行此操作并不現(xiàn)實。

激光玻璃焊接

那么，激光焊接呢?玻璃有許多非常有用的特性，比如極高的熔點、透明性、脆性和機械剛性，但同時也給激光焊接帶來了很多困難。因此，用于焊接金屬和其他材料的典型工業(yè)激光器和方法并不適用于玻璃。

就像精密玻璃切割一樣，其秘訣在于使用紅外波長超短脈沖(USP)激光器。玻璃在紅外線中是透明的，因此聚焦的激光束可以直接穿過它，直到聚焦光束變窄并變得集中以致觸發(fā)“非線性吸收”。這種“非線性吸收”只會發(fā)生在具備高峰值功率的超短脈沖激光中，而無法使用其他類型的激光來完成同樣的事情。

所以，在激光束焦點周圍非常小的區(qū)域(通常直徑小于幾十微米)內(nèi)，玻璃吸收激光并迅速熔化。該聚焦光束沿著所需的焊接路徑進行掃描，以完成鍵合，就像其他形式的激光焊接一樣。

USP 激光玻璃焊接方法具有三個主要優(yōu)勢。

首先，它會產(chǎn)生一種牢固的鍵合，因為被焊接的兩種材料都部分熔化，然后再凝固在一起形成焊縫。而且，該工藝同樣適用于將玻璃與玻璃、玻璃與金屬以及玻璃與半導體粘結(jié)起來。

其次，在該工藝中，僅有極少的熱量進入部件中，最多在幾百微米寬的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生這種熱量。這允許將焊縫放置在非常靠近電子電路或其他熱敏組件的位置，這為設計人員和制造商提供了更大的自由度，并支持更出色的產(chǎn)品小型化設計。

最后，如果 USP 激光玻璃焊接實施得當，則不會在焊縫周圍產(chǎn)生微裂紋。微裂紋會降低玻璃的機械強度。此外，經(jīng)過溫度周期變化(這對所有事情來說都是不可避免的)后，微裂紋可能會成為設備最終故障的根源。

相干公司將 USP 激光玻璃焊接投入實用

USP 激光玻璃焊接的優(yōu)勢源于玻璃僅在很小的體積內(nèi)被加熱。但這也給實際操作帶來了挑戰(zhàn)。這意味著，即使部件移動，激光對焦位置也必須非常精確地保持在兩個焊接組件之間的接口處。因為現(xiàn)實世界的部件并不是完全平坦的，所以這很難實現(xiàn)。此外，在焊接系統(tǒng)中部件放置的位置可能并不完全契合。

一種解決方案是使用軸向拉長的焦點。這會“延展”激光束焦點的尺寸以解決位置敏感性問題。但是，這種方法的缺點在于，拉長的光束焦點會在玻璃中產(chǎn)生一個具有非圓形橫截面的熔池。當玻璃在熔化區(qū)凝固時，非圓形熔池更容易形成微裂紋。

相干公司采用另一種方法實現(xiàn)無微裂紋的焊接效果，并能同時適應工藝中接口距離的重大變化。其秘訣在于，結(jié)合高動態(tài)聚焦技術，利用高數(shù)值孔徑(NA)光學器件產(chǎn)生小的焦點光斑。

因此，相干公司的激光系統(tǒng)實現(xiàn)了高球面度的熔池，從而避免了微裂紋。它還會感應接口距離并不斷調(diào)整光學器件，從而始終保持完美聚焦。其結(jié)果是，幾乎在任何形狀的部件上都能保證高質(zhì)量焊接，并且該工藝不受部件公差和位置的影響。

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