lightworld

本文作者:赵全忠
注册用户名:Lightworld
微信:Binihonghuang
版权所有，转载需付费 500元:

近年来随着微电子、生物医疗等领域元器件不断小型化的趋势以及对产品高密度、高可靠性等要求的提高，对元器件在制造和组装过程中的微连接技术提出了更高要求。对于微电子芯片、植入式医疗器件、微型传感器、转换器、电池以及光电子器件等在内的微型元器件、装置或系统等加工制造领域，有效的微米甚至纳米尺度的连接已成为微纳加工的重要环节之一。由于超快激光加工材料具有极小的热效应及可加工透明材料等突出优良特性，近年来将其应用于各种材料的微连接已经成为激光微加工领域研究的热点。

在材料加工领域，因为熔化变形且不易发生断裂的特点，金属等材料之间的焊接相对较容易。但玻璃类硬脆材料的焊接却很困难，被科研工作者和工业领域的加工制造商们认为是一大挑战，这是因为玻璃本身较脆，而焊接过程巨大的热效应容易使其开裂或破损，同时热效应也会极大地影响玻璃的透过性能以及机械性能，此外，若使用普通的长脉冲激光微焊接，会因为玻璃本身对光透明并不吸收激光能量而无法实现。目前，玻璃材料广泛应用于平板显示以及生物医疗等领域，实现对玻璃与玻璃以及玻璃与其他衬底材料的焊接具有重要的意义以及应用前景。

采用脉冲宽度在皮秒以及飞秒量级的超快激光微焊接玻璃具有诸多优点。首先，因为超快激光的超强光强特性，当超高强度激光超过一定阈值时，会在透明介质内部产生非线性吸收并在焦点处熔融，使得超快激光不同于连续和长脉冲激光只能加工对其波长不透明的介质表面，从而可以在透明介质内部实现三维空间选择性的微焊接。其次，超快激光作用透明介质时，多光子吸收具有明显的阈值效应，再结合激光光束的高斯特性使得超快激光加工的结构尺寸可以突破光学衍射极限，实现小于激光波长的纳米尺寸的加工。另外，超快和材料相互作用时间极短，有效避免了出现明显的热扩散，进而避免如长脉冲加工过程的冲击波等对材料的热损伤，减少材料内部热应力导致的裂纹产生和溅射物的形成，使得加工的范围仅在焦斑附近，加工区域边缘平滑，极大地提高了加工精度。最后，相比其他如胶粘等连接技术，超快激光微焊接因为并不加入中间层或胶粘剂，焊接后的连接强度较高，适用于要求较高的封装应用等领域。

在利用长脉冲激光微焊接各种透明材料时，因为材料对激光透明并不吸收激光能量，所以往往需要在焊接物体之间插入中间层。早在2006年，日本大阪大学Tamaki等人在不插入中间层的情况下，使用1kHz低重复频率飞秒脉冲激光将两块熔融石英玻璃及硼硅酸盐玻璃和熔融石英成功焊接。随后人们又使用高重复频率飞秒激光成功实现熔融石英、硼硅酸盐玻璃、Zerodur、BK7 和ULE等玻璃之间的相互微焊接，检测表明连接具有耐热冲击性能，其中熔融石英连接得到3倍于光学接触连接的剪切应力，光透过率不变等特点。此外，日本大阪大学Miyamoto等人深入研究了使用皮秒脉冲激光焊接Foturan光敏玻璃。日本理化所Sugioka等人使用360 fs，200 kHz延迟时间为10ps的双脉冲连接Foturan玻璃可以实现22.9Mpa的连接强度。美国PolarOnyx 公司使用750fs，1MHz激光脉冲单线/多线直写熔融石英实现两者的连接和它们中间的密封。

除了玻璃之间的相互微焊接之外，人们也尝试了玻璃与半导体材料以及玻璃与金属材料之间的微焊接，Tamaki等用500kHz的高重频飞秒光纤激光系统焊接非碱玻璃和硅片，实现3.74Mpa的连接强度。Utsumi在比较使用1kHz低重复频率飞秒和纳秒脉冲激光实现非碱玻璃和金属铜的焊接时，发现飞秒脉冲激光所需能量比纳秒脉冲激光小2个数量级，且获得更强的连接强度和更清晰的边缘。后来，人们又研究并陆续实现了玻璃和NiTi记忆合金、铝、铜、硅、不锈钢等各种金属或半导体的超快激光微焊接。

正因为超快激光微焊接技术无需任何中间层且加工全过程非接触，而且高效率、高精度和无热影响区等特点，使其非常适合用于玻璃材料的微焊接，而且焊接后具有比较理想的性能，所以其非常适用于如快速增长的微电子、生物医学和强度性能要求较高的航空航天业等领域的应用。

随着人们对超快激光连接玻璃技术的认识逐渐加深，其在生物医学应用中将大显身手。这是由玻璃材料本身的特性决定的。首先，玻璃对生物体来说可看作是一种“中性”的物质，将其植入人体内部时与人体体液组织的生物相容性较好，不会使发生免疫排斥反应。其次，玻璃材料本身的使用寿命长且不像许多胶粘剂或其它焊接过程中使用的额外的基材那样会被体液腐蚀或自发降解。另外，玻璃也不会干扰电磁波，这有利于带信号的电磁波能穿透玻璃封装的元件。在应用方面，超快激光微焊接的玻璃装置可以协助体外诊断设备用于辅助检测疾病、生理状况等，甚至未来将能为治疗脑损伤和记忆障碍的新的高科技大脑植入物提供解决方案。

超快激光微焊接技术产生的热影响区极小，能更安全地封装敏感材料，在整个微焊接过程中不会令敏感或有机元件受到高温或化学物质的影响，这极大拓展了玻璃下方或内部封装易碎元件的应用范围，而且利用超短激光脉冲进行玻璃焊接相比于常用的共晶键合和黏着性键合，其整个过程中在基材上不需要中间层或胶粘剂，相比于阳极键合和静电键合，它需要的能量远远少于其它传统的玻璃焊接技术，因此具有诸多优势。

例如在MEMS器件内部的封装环境对器件效能至关重要，而玻璃封装的含有探测旋转、加速和压力等参数的微机电系统传感器的电子芯片在交通工具以及生物医学领域具有广泛应用。

同时，使用超快激光焊接玻璃将分离的玻璃连成一个整体后的焊缝具有出色的力学性能，比如具有高连接强度和在经受巨大的温度变化时能承受不同热胀系数带来的应力变化，而这些性能要求对航空航天工业来说正是必须的，因为在太空中，包括如CMOS图像传感器的封装芯片器件等各种焊接的物体，需要在显著增加的辐射损伤等最严酷的太空环境下必须保持高度的可靠性和气密性，而若采用胶粘剂的方法，粘胶释放气体、光致漂白会导致其过早老化以及可能污染周围器件，与此同时胶粘剂热降解和热膨胀的应力积累也会减少胶粘剂的使用寿命。而超快激光微焊接技术本身无高温产生，也不需要胶粘剂便能无损害地将元件或材料密封在玻璃内部，产生的焊缝又是高强度连接的，这一特性可用于生产电子、工程、医疗和科学研究设备，如植入式芯片和传感器。

玻璃超快微焊接在电子产品行业也有重要应用。譬如可以使用超快激光在玻璃显示屏上再焊接第二层玻璃来保护显示屏或实现更多的功能，如可以包含触摸屏和抗反射特性所需要的薄膜层，或一些其他的新特性。

另外，超快激光焊接玻璃因为它更为灵活的生产加工过程还能帮助制造商节省成本，制造商可通过试生产或封装少量产品，如微芯片，通过选用适当的激光加工工艺参数可以进一步增强接头的连接强度、减少破裂出现几率。在确保没有问题的情况下再大规模生产。

随着超快激光微焊接玻璃工艺的日趋成熟，该技术在微电子、微光学、生物医疗以及航空航天等领域得到更为广泛的应用。