超快雷射玻璃與金屬微銲接技術
摘要：本文聚焦於工研院所開發之超快雷射玻璃與金屬微銲接技術，並介紹本技術之國際開發進展。工研院計畫成果預計協助國內台灣廠商逐年導入微銲接加工技術，提升台灣廠商之國際競爭力。本銲接方法所接合之工件具有優異的機械強度、耐熱性、抗腐蝕性及高氣密性等優點。可應用於銲接真空管頂蓋、CMOS感測器、衛星或望遠鏡中的VCSEL、紅外微輻射熱計等。工研院開發之多峰值光束整形模組，將高斯光束整形為四道子光束。子光束之角度與間距可變，用以形成熔融嵌合結構，提升銲接結構強度。
Abstract：This article focuses on the ultra-fast laser glass and metal micro-welding technology developed by the Industrial Technology Research Institute (ITRI), and introduces international development progress of this technology. The project outcomes are expected to assist domestic manufacturers to introduce micro-welding processing technology year by year to enhance the international competitiveness of Taiwan manufacturers. The workpiece joined by this welding method has advantages of excellent mechanical strength, heat resistance, corrosion resistance and high air tightness. It can be applied to welding the top cover of vacuum tube, CMOS sensor, VCSEL in satellite or telescope and infrared microbolometer, etc. The multi-peak beam shaping module developed by ITRI shapes the Gaussian beam into four sub-beams. The angle and spacing of the sub-beams are variable to form a mosaic fitted structure and improve the strength of the welding structure.
關鍵詞：超快雷射、玻璃、金屬、銲接
Keywords：Ultrafast laser, Glass, Metal, Welding
前言
目前光電及半導體裝置的封裝以黏劑接合為主，存在黏劑劣化、潛變及熱傳導等問題，導致耐久性及耐環境變化不佳，另黏劑有氣體揮發(Outgassing)問題，造成光電及生醫元件汙染，影響晶片功能或生醫相容性。本計畫針對難銲接材料玻璃與金屬的微銲接技術進行研發，建立高強度及耐候性能的微米等級銲接技術，可應用於光電元件及生醫等元件的密封銲接，例如行動穿戴裝置與智慧車輛的影像感測器與光學感測器封裝應用。
超快雷射穿透玻璃材料，聚焦在玻璃及金屬或玻璃及玻璃間的銲接界面，玻璃因高峰值強度使電子產生非線性的多光子吸收而形成自由電子，自由電子密度經碰撞及雪崩式離子化快速提升，在自由電子密度到達材料破壞的臨界值(約 1021 cm-3)的條件下，由自由電子轉移至玻璃晶格的能量，可使聚焦區域材料以電漿形式解離，因電漿局限於聚焦區域而形成熔融區域。超快雷射照射金屬材料時，由金屬已帶有自由電子，一開始雷射能量進入自由電子，此時電子和晶格處於未平衡狀態，雷射脈衝停止後的數ps間，電子能量會傳遞至晶格，使金屬表面產生熔融現象。玻璃形成熔融態，與同時間熔融的金屬融合，當超快雷射作用結束，材料溫度降至熔點以下而形成銲接道，使兩種異質材料結合在一起。
為了克服玻璃及金屬兩者材料介面的間隙問題(> 3 μm)，可藉由超快雷射內部之重複頻率調整機制進行時間軸的脈衝參數最佳化，加強多峰值光束之吸收深度範圍，充分熔融提高接合強度。重複頻率調整機制的原理是透過RF訊號產生器與壓電轉換器，將電壓轉換為精密時間位移，創造聲波進入聲光晶體(如LiNbO3)，內部產生光柵反應，將部分脈衝濾除或整形，達成脈衝控制的效果。另玻璃與金屬為異質接合，兩者之熔點與熱膨脹係數差異大，藉由脈衝調整，降低單一脈衝峰值功率以避免玻璃微裂紋，但提高脈衝發數累積熱效應以提高銲接強度。
以下章節，將分別說明超快雷射微銲接技術之國際開發進展與工研院雷射中心在超快雷射微銲接技術的進展。
超快雷射微銲接技術之國際開發進展
MEMS、感測器、微流體和微光學元件領域，需要高強度且具高可靠度之接合技術，包括雷射銲接、黏劑貼合、熔融貼合、電弧貼合、陽極貼合、玻璃漿料銲接技術等均應用於不同用途。近年來，由於雷射微銲接技術具有高精度，高速度，低熱影響區等優勢，同時避免黏劑劣化、潛變、熱傳導、氣體揮發(Outgassing)等問題，因此人們對其興趣日益增加。運用超快雷射進行銲接，會觸發透明材料中的非線性吸收效應和不透明材料中的線性吸收效應，兩種材料同時形成電漿界面，外圍並產生一個小加熱區，當電漿混合並冷卻時，便形成銲點，兩材料之間隙將被混合的固體填充。以下便介紹數個國際團隊開發超快雷射玻璃與金屬微銲接技術。
Heriot-Watt大學團隊[1]使用Trumpf TruMicro 5×50雷射(1030 nm, 平均功率: 2瓦, 5.9 ps , 400 kHz )將 1mm厚的市售純鋁（99.7％Al, 拋光至鏡面）焊接到1 mm厚的熔融石英玻璃 (Spectrosil 2000)上，本文使用氣動的四點夾具鋁板與玻璃夾合，夾具活塞上方會產生小面積光學接觸。銲接後樣品經金相學的嵌埋並研磨至界面(製備脆性樣品有難度，須注意避免從多孔焊縫區域中將碎片磨除)。而後經SEM觀察界面可觀察到空穴，孔隙和微裂紋。空穴與孔隙是由於玻璃和鋁之間熔融混合中會使得材料體積減少約 37％產生，微裂紋是由內部應力的增加引起的，包含材料體積減少效應及熱膨脹。
Heriot-Watt大學團隊[2]另於2017年開發雙道次銲接工法用於熔融石英玻璃(Spectrosil 2000)、Schott N-BK7, 與Al6082(研磨至Ra: 0.3–0.4 μm)銲接，材料表面先經丙酮清洗，使用之銲接圖案沒有拐角避免累積應力，焦點設在界面處的±10 μm，且兩種材料須很接近，以防止電漿從焦點區域逸出。這通常需要兩個工件的光學接觸或接近光學接觸的分離。對於金屬表面要達到高平整度具挑戰性，金屬表面通常需要進行一些預處理並用力將兩表面推至接觸。本文發現標準的單道次焊接不能在焊接時提供堅固的銲接。因此，針對這種材料組合開發了雙道次焊接工藝。第二次在第一次後有3 s的延遲（第一遍結束與第二遍開始之間的延遲），但在入射能量，掃描速度，焦深等方面相同。第一次銲接只會將玻璃熔化到金屬上，而不會發生焊接。需要使用第二次銲接的電漿來黏結材料。實驗結果證實多道次焊接可以處理較粗糙的表面或金屬玻璃焊接的間隙且銲接強度達到13 MPa。
立命館大學團隊[3]進行玻璃(B270；Schott AG)和銅(Ra為0.21 µm)雷射直接銲接，其中沒有對兩材料進行加壓貼合。使用飛秒光纖雷射(FCPA µJewel D-1000-UG1；IMRA America Inc.)進行實驗，其重複頻率為1 MHz，中心波長為1064 nm，脈衝寬度550 fs，功率為1W。使用20倍物鏡(LMPlan 20×IR; Olympus Corp.，NA: 0.40)將雷射聚焦在玻璃和銅之界面0~30 μm處。單脈衝能量:1.0 µJ /pulse，能量密度: 11.1 J/cm2，掃描速度:1 mm/s，線距: 10 µm進行焊接，銲接強度可達1 MPa。
中國科學院西安光學精密機械研究所團隊[4]研究鈦藍寶石飛秒雷射(重複頻率:1 kHz，脈衝寬度: 160 fs，波長: 800 nm)銲接，將鋁矽酸玻璃(alumina-silicate glass)置於金屬(鋁、銅、不銹鋼)表面上，無需壓力輔助，利用10x 物鏡(Mitutoyo, working distance 34 mm, NA=0.28)聚焦，脈衝能量選用1-35 μJ，掃描速率: 30-800 μm/s，可達成最佳銲接強度為2.34MPa，銲接時雷射的反衝壓將熔化銅排出後，填補玻璃和銅的間隙隨後凝固，雷射剝除產生的微米/奈米大小的金屬顆粒視為銲接中的黏合劑。並比較兩材料具間隙的狀況，此處使用兩條直徑為3μm的超細纖維來擴大間隙，在15 μJ的脈衝能量和50 μm/s的速度下，玻璃和銅無法焊接在一起，經檢測兩側堆積的銅，最大堆疊高度約1.5 μm，由結果可知，熔化銅經反衝壓後凝固的高度若小於間隙的高度，則玻璃不會與銅成功銲接。
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