玻璃激光焊接氣孔控制研究

陳根余，何 江，鐘沛新 ，程少祥，王 彬

(1.湖南大學 激光研究所，長沙 410082；2.湖南大學 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

引 言

激光焊接具有非接觸式加熱、輸出能量密度高、加工精度高、熱影響區(qū)域范圍小、靈活性強等特點，應(yīng)用的前景廣泛[1-3]。氣密封裝對于微電子機械系統(tǒng)、有機發(fā)光二極管或光伏電池等多種電子器件是最常見要求之一，良好的密封性對于提高電子器件的工作效率、延長器件的壽命具有重要的意義。這些電子器件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、非標準化，并且核心器件對高溫、高壓等敏感，這對封裝技術(shù)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。目前應(yīng)用在氣密封裝方面的技術(shù)主要包括陽極鍵合、共晶鍵合、硅熔融鍵合等。這些鍵合技術(shù)需要全局高壓電場或高溫，同時對鍵合材料的表面光潔度要求較高，并且對鍵合材料有選擇性。理想的鍵合技術(shù)應(yīng)該是在滿足密封性和鍵合強度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部高溫，避免影響器件的工作效率，并且鍵合的區(qū)域可以靈活控制，而激光鍵合[4-11]正是這樣一種鍵合技術(shù)。激光鍵合具有加熱位置可控、工作效率高、精度高、熱變形小以及熱影響區(qū)小等一系列優(yōu)點[12]，有望應(yīng)用于量子點發(fā)光二極管[13]、微電子機械系統(tǒng)[14]、太陽能電池[15]等高科技光電產(chǎn)品[16]中。

激光鍵合技術(shù)在玻璃與玻璃這類透明材料焊接上的應(yīng)用主要有兩個方向:一個是使用超短脈沖激光對兩塊玻璃直接焊接；另外一個研究方向是在下玻璃板上鍍上一層對激光波長不透明的材料，或在中間添加一層對激光波長不透明的玻璃料，以此來增加兩塊玻璃在界面的對激光能量的吸收，然后通過熱傳導(dǎo)的方式將吸收的能量傳遞到上、下兩層玻璃，從而實現(xiàn)玻璃與玻璃的焊接。目前對于采用具有低軟化溫度的玻璃料作為中間層的玻璃與玻璃激光焊接方面的研究還較少，其主要包括:提出基于玻璃料的玻璃與玻璃激光焊接的新方法，并進行初步的研究[17]；研究焊接后應(yīng)力出現(xiàn)的原因以及玻璃厚度對焊接質(zhì)量的影響[18]；對裂紋與焊接工藝參量之間的關(guān)系以及預(yù)加熱對焊接質(zhì)量的影響進行探索性研究[19]；研究在玻璃料中添加氧化銅對激光能量吸收的影響[20];通過在玻璃料中添加乙基纖維素來探究粘度對焊縫性能的影響[21]；采用響應(yīng)曲面設(shè)計方法對剪切力與焊接工藝參量之間的關(guān)系進行研究[22]。國內(nèi)外學者在基于玻璃料的玻璃與玻璃激光焊接方面已取得了一些研究成果，這些研究主要集中在提高剪切強度方面，對氣孔的產(chǎn)生及抑制方面目前還少有系統(tǒng)地研究。為了獲得較好的連接質(zhì)量,迫切需要對氣孔的產(chǎn)生及抑制進行研究。

本文中將圍繞基于玻璃料的玻璃與玻璃激光焊接過程中的氣孔缺陷問題進行分析，通過研究激光功率、焊接速率對焊縫氣孔的影響規(guī)律，從氣孔率、氣孔尺寸、氣孔位置等方面闡明氣孔產(chǎn)生的原因，探索消除氣孔的工藝措施以此來獲得高成型質(zhì)量的焊縫。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗設(shè)備和材料

搭建了如圖1所示的玻璃與玻璃激光焊接實驗平臺。由激光系統(tǒng)、3維平臺、數(shù)控(computer numerical control，CNC)系統(tǒng)、同軸觀測系統(tǒng)、專用夾具平臺組成。激光系統(tǒng)采用的是由武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司提供的RFL-A100D集成一體化光纖耦合半導(dǎo)體激光器，光束輻射波長為915nm，激光器最大輸出功率為100W,聚焦鏡焦距為300mm,焦點處光斑直徑為600μm。在工作范圍內(nèi)精確、快速地控制激光光斑位置是激光焊接技術(shù)的基本要求，激光光斑位置通過數(shù)控系統(tǒng)控制安裝在3維運動平臺上的焊接頭來實現(xiàn)。3維運動平臺上與激光同軸的觀測系統(tǒng)可輔助控制系統(tǒng)將激光光斑確定在玻璃料的中心線附近，此外，觀測系統(tǒng)可拍攝視頻便于分析焊接過程，以此改善焊接工藝。待焊接的玻璃基板通過設(shè)計的專用夾具進行穩(wěn)定、可靠的固定。本文中所探究的不同激光參量(激光功率、焊接速率)均可由數(shù)控系統(tǒng)直接調(diào)節(jié)。

Fig.1 Laser welding system

為了達到較低的焊接溫度，實驗中使用的是可吸收激光的低溫玻璃料，玻璃料軟化點在428℃左右，熱膨脹系數(shù)約為4.8×10-6/K，玻璃粉的平均直徑為1.42μm?？赏ㄟ^絲網(wǎng)印刷沉積。本實驗中所用粉末均為同一批次，避免不同批次粉末成分含量不一致對實驗的影響。如圖2所示，實驗用基板和蓋板采用美國康寧公司的EAGLE XG玻璃板，這是一款熱穩(wěn)定性、光學穿透率、面型精度和化學穩(wěn)定性極佳的高品質(zhì)無堿玻璃基板。本實驗中采用的玻璃板試樣尺寸為40mm×40mm×1.1mm。EAGLE XG的具體技術(shù)參量見表1，表中RMS為均方根(root mean square)。

Fig.2 Glass substrate

Table 1 Main technical parameters of glass panel

1.2 實驗方法

玻璃對激光波長透明，無法直接用半導(dǎo)體激光實現(xiàn)兩塊玻璃板的可靠連接，通過在兩塊玻璃板中間加入對激光波長不透明的玻璃料來間接實現(xiàn)玻璃焊接的目的。玻璃料吸收激光能量溫度升高而熔化，熔融的玻璃料在玻璃板表面擴散。通過熱傳導(dǎo)玻璃料將吸收的能量傳遞到上下玻璃板，隨著熱量的持續(xù)輸入，液態(tài)的玻璃料向上下玻璃板的內(nèi)部擴散，玻璃板部分熔融的玻璃也會向玻璃料內(nèi)部擴散，上下玻璃板與玻璃料在接觸界面相互擴散，直至激光能量不再輸入，玻璃料與玻璃冷卻凝固實現(xiàn)玻璃與玻璃的連接。玻璃激光焊接示意圖如圖3所示。在進行激光焊接工藝之前，需要在下玻璃板上絲網(wǎng)印刷玻璃料以及在加熱爐中對玻璃料進行預(yù)燒結(jié)。

Fig.3 Schematic illustration of laser sealing methods

絲網(wǎng)印刷是將配制好的玻璃料通過平面絲印機均勻地印刷到下玻璃板上。玻璃料的印刷線寬0.78mm，玻璃料的印刷高度約為10μm。通過調(diào)節(jié)刮板壓力、定時清潔網(wǎng)板等保證玻璃料絲印后形狀完整、無灰塵、表面平整。絲印在玻璃板上的玻璃料如圖4所示。預(yù)燒結(jié)的目的是將絲網(wǎng)印刷之后的玻璃料熔融固化在玻璃上基板上。將絲印完玻璃料后的玻璃板放置于陶瓷纖維馬弗爐中分段加熱燒結(jié)，并通過精確控制升溫速率獲得最佳的預(yù)燒結(jié)效果。預(yù)燒結(jié)溫度曲線如圖5所示。第一階段，將玻璃料從室溫開始加熱到150℃并保溫20min，去除玻璃料中的水氣；第二階段，加熱到300℃保溫30min,蒸發(fā)或燃燒掉玻璃料中的有機粘結(jié)劑；第三階段，玻璃料被加熱至450℃保溫30min,再繼續(xù)加熱到最高溫度500℃并保溫120min，玻璃料在玻璃基板上熔融、固化，然后將玻璃板在爐內(nèi)冷卻至室溫，避免玻璃板快速地后出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致在焊接后出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。經(jīng)過絲網(wǎng)印刷和預(yù)燒結(jié)工藝后，得到平整的玻璃料層，然后在搭建的激光焊接系統(tǒng)上完成激光焊接工藝過程。在激光焊接過程中，將預(yù)燒結(jié)好的基板與玻璃蓋板對齊，用專用夾具夾好并施加壓力，施加的壓力有助于玻璃板表面的潤濕以及玻璃料與兩塊玻璃板的結(jié)合。使用3維平臺控制激光頭，使激光束沿著絲印的玻璃料形成的軌跡掃描進行焊接，玻璃料充分熔融，冷卻后形成高強度的連接。在實驗中，根據(jù)激光焊接工藝實驗結(jié)果分析，優(yōu)化激光焊接工藝參量，如激光功率、掃描速率等來降低氣孔率、提高焊縫質(zhì)量，采用的工藝參量如表2所示。

Fig.4 Glass frit printed on the glass substrate

Fig.5 Temperature history of the glass paste sintering process

Table 2 Laser process parameters

2 實驗結(jié)果及分析

在基于玻璃料的玻璃與玻璃激光焊接的過程中，焊縫中的氣孔來源可能包括：玻璃料中含有的有機物質(zhì)、玻璃料中含有的水分、玻璃料粉末顆粒之間的間隙或表面的殘留空氣。在預(yù)燒結(jié)工藝的第一階段玻璃料中含有的有機溶劑被蒸發(fā)掉，在第二階段玻璃料中的粘結(jié)劑被燒出，可以排除由玻璃料中的水分及其添加的有機物揮發(fā)造成氣孔。因此，在基于玻璃料的玻璃與玻璃焊接過程中焊縫中的氣孔主要來源于玻璃料粉末顆粒之間的間隙或表面的殘留空氣。

2.1 激光功率對焊縫氣孔的影響

激光功率的大小會影響焊接過程中玻璃料的溫度梯度和焊接過程中的穩(wěn)定性，從而影響焊縫中氣孔的產(chǎn)生及分布，圖6為激光功率30W時焊縫在金相顯微鏡下的表面形貌?？梢钥闯?由于激光功率過小導(dǎo)致熱傳導(dǎo)至玻璃料底面的能量不足，使得玻璃料底面未完全熔融。

Fig.6 Weld morphology at 30W laser power

圖7為激光功率35W時，焊縫在金相顯微鏡下放大1000倍的圖像。可以看出,氣孔的尺寸明顯減小，氣孔最大直徑約為3.696μm。

Fig.7 Weld morphology at 35W laser power

圖8為不同激光功率下焊縫中氣孔的分布情況。如圖8a所示，當激光功率為30W時，焊縫的成形質(zhì)量很差，焊縫中的氣孔雖然不是很多，但玻璃料焊縫延寬度方向的兩端區(qū)域與中心區(qū)域存在明顯色差，焊縫中部成型相對較好，有少量氣孔，而邊緣玻璃料未完全融化。這是由于激光能量呈高斯分布，當激光功率太低，導(dǎo)致焊接時輸入到玻璃料沿著寬度方向的兩端區(qū)域能量不足以使玻璃料融化，玻璃料未能向玻璃板中擴散形成有效連接。如圖8b所示,當激光功率為35W時,單位時間內(nèi)激光輸入的能量增加，使玻璃料沿著寬度方向的兩端區(qū)域充分融化形成有效的連接，玻璃料的黏度低，玻璃料顆粒間的殘留氣體可以溢出，焊縫氣孔明顯變少。同時隨著激光功率的增加，玻璃料的黏度低使得鋪展后形成的焊縫表面平整，提高了連接強度。如圖8c所示，其它參量相同時，隨著激光功率繼續(xù)增大至40W時，在焊縫中心線附近出現(xiàn)較為密集的氣孔，并且功率增大后，玻璃料獲得更高的能量使得黏度進一步降低，熔融后向兩邊擴散得更寬，焊縫寬度明顯提高，不利于匯集后的氣體沿寬度方向向兩端溢出，熔融玻璃料冷卻后形成氣孔。如圖8d所示，功率繼續(xù)提升至45W時，焊縫的寬度相較于功率為40W時進一步提升，熔融后的玻璃料的溫度更高，匯集后的氣體有充分的時間向兩端擴散，因此氣孔的分布遍布整條焊縫，并且氣孔的尺寸也變得變大。

Fig.8 Pores distribution of sealing layer under different laser power

圖9為激光功率不同時焊縫中氣孔的統(tǒng)計情況。縱坐標為焊縫中氣孔面積與焊縫總面積的百分比，由圖可知,焊縫中的氣孔率隨著激光功率的增加先下降后上升。

Fig.9 Variation of porosity under different laser powers

2.2 焊接速率對焊縫氣孔的影響

對不同激光功率時焊縫中氣孔分布的分析可知，當激光功率為35W時，焊縫氣孔較少且連接質(zhì)量較佳，故對激光功率在35W時不同焊接速率下的玻璃焊縫中的氣孔分布進行分析并統(tǒng)計氣孔率。圖10為焊接速率不同時焊縫中氣孔的分布圖。如圖10a所示，當焊接速率為0.05m/min時，焊縫氣孔率為39.3%，這是由于焊接速率過慢，相同時間內(nèi)激光輸入的能量過多，玻璃料充分的融化，沿著玻璃料的寬度方向擴散，因此焊縫的寬度相較于焊接前玻璃料的寬度明顯增大，并且玻璃料的黏度低，殘余氣體匯聚形成大尺寸的氣孔，整條焊縫中遍布大尺寸的密集型氣孔，焊縫中心線附近的氣孔尺寸相對較大，從中心線向?qū)挾确较騼啥搜由欤瑲饪椎某叽缰饾u減小。如圖10b所示，當焊接速率提升至0.1m/min時，焊縫氣孔率降至0.01%，玻璃料融化得較為徹底，熔融后得玻璃料鋪展較好，焊縫寬度相較于焊接速率為0.05m/min時明顯減小，焊縫中的氣孔也較少。如圖10c所示，當焊接速率提升至0.15m/min時，焊縫中開始出現(xiàn)小型氣孔，并且焊縫邊緣處的玻璃料未完全融化。當焊接速率繼續(xù)增加至0.2m/min,氣孔率增加至2.5%，焊縫沿著寬度延伸的方向出現(xiàn)了如圖中所示的明顯分界，玻璃料密集型氣孔與未熔合同時存在同一條焊縫中。玻璃料沿著寬度方向的兩側(cè)激光能量輸入不足，玻璃料未完全熔融未能與上下玻璃板熔合，并且玻璃料黏度過大來不及向兩端擴散，因此焊縫的寬度隨著焊接速率的提升逐漸變窄慢慢接近玻璃料預(yù)燒接后的寬度。玻璃料中心線及附近激光輸入能量比左右兩側(cè)更多，玻璃料黏度更低，但氣體難以向兩側(cè)未充分熔融的玻璃料溢出，故形成密集型氣孔。由于焊接速率快，熔融后的玻璃料快速地冷卻，氣孔未能集聚形成大尺寸的氣孔。

Fig.10 Pores distribution of sealing layer under different welding speeds

圖11為焊接速率不同時玻璃焊縫的氣孔率統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯觯S著焊接速率的增加，焊縫的氣孔率先減少后增多。如圖11所示，當焊接速率繼續(xù)增加時，玻璃料吸收的激光能量越來越少，玻璃料熔融不夠

Fig.11 Porosity under different welding speeds

黏度越來越大，玻璃料中殘留的氣體溢出越來越困難，留在焊縫中匯聚形成氣孔，但氣孔尺寸相較于焊接速率為0.05m/s時明顯縮小?？梢钥闯觯敿す夤β屎碗x焦量確定時，焊接速率較低或較高都不利于抑制焊縫中的氣孔，焊接速率過低則焊縫寬、氣孔尺寸大，焊接速率過高則氣孔密集且焊縫出現(xiàn)分界。焊接速率為0.1m/min時焊縫氣孔缺陷較少。

3 剪切力測試

按照美軍標MIL-STD-883G,在1mm×5mm的面積上剪切力超過25N時即可視為焊縫連接質(zhì)量良好。本次測試中采用WDW-E200型電子萬能實驗機，測試試件示意圖如圖12所示。測試試件焊縫為0.24mm×30mm。利用萬能實驗機對試件上下兩端施加壓力，直至焊縫斷裂。記錄施加壓力過程中的壓力大小及位移距離。繪制載荷-位移曲線，取載荷最大值為時間能承受的最大剪切力。測試載荷-位移曲線如圖13所示。剪切力最大為227.14N，在1mm×5mm的面積上剪切力超過了31.54N,焊縫連接質(zhì)量良好。

Fig.12 Schematic diagram of the shear strength measurement

Fig.13 Load displacement curve

4 結(jié) 論

(1)對焊縫中氣孔的分布特征及形成的原因進行了分析，在基于玻璃料的玻璃與玻璃激光焊接中，氣孔沿著焊縫中心線對稱分布，越靠近中心線，氣孔的平均尺寸更大，焊縫中的氣孔主要是由玻璃料粉末之間的殘余空氣引起的。

(2)當焊接速率為0.1m/min、離焦量為-15mm時，激光功率過高會增加焊縫的氣孔缺陷，激光功率過低玻璃料沒有完全融化;當激光功率為35W時，焊縫氣孔少、焊接質(zhì)量佳。

(3)當激光功率為35W、離焦量為-15mm時，焊接速率過低導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)尺寸較大的密集型氣孔，焊接速率過快則出現(xiàn)明顯的分界區(qū)域，未熔合區(qū)域與密集型氣孔區(qū)域存在于同一條焊縫中的情況;當焊接速率為0.1m/min時，焊縫氣孔少、焊接質(zhì)量佳。