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CN107199400B - 一种激光焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光焊接装置，第1激光焊接头和第2激光焊接头，所述第1激光焊接头连接有第1激光器，所述第2激光焊接头连接有第2激光器，所述第1激光器发出第1激光束，所述第2激光器发出第2激光束，所述第1激光器和所述第2激光器具有不同的脉宽频率；以及第一材料层和第二材料层，所述的第1激光束聚焦于所述第一材料层的下表面内，所述的第2激光束聚焦于所述第二材料层的上表面内。本发明利用两束不同脉宽频率能量的激光，利用多光子吸收理论聚焦在两层材料的中间位置实现焊接，焊接密封性好，连接强度高。

Description

一种激光焊接装置
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种激光焊接装置，尤其是涉及一种不同材料之间的激光焊接装置。适用于应用激光波长透明的材料，玻璃、石英、蓝宝石和半导体材料等。
背景技术
随着IC芯片技术的发展，芯片封装技术也不断达到新的水平，目前已可在单芯片上实现系统的集成。在众多的新型封装技术中，晶圆级封装技术最具创新性、最受世人瞩目，是封装技术取得革命性突破的标志。
各种芯片、生物芯片和MEMS传感器等采用激光焊接的工艺实现封装，这种新的激光焊接的工艺需求越来越广泛。超短脉冲激光器具有高精度和无热影响的优点，它对周边区域产生的损害非常轻微，这让其非常适合用于上述生产过程，并且具有完美的性能。正因如此，激光为许多行业创造了新的机会，包括快速增长的生物医学领域和要求较高的航空航天业。
然而在对不同材料或者同种材料之间的焊接时，由于材料的高硬、高脆特性，常规焊接的熔接处会出现微裂纹，会使熔接强度降低，并且不能实现密封性。即使使用超脉冲激光器进行焊接也会出现此问题。
基于以上现象，一种适用于高脆、高硬材料之间的焊接的激光焊接装置成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明涉及一种针对高硬高脆材料特性的激光焊接装置，两束不同脉宽频率能量的激光，利用多光子吸收理论聚焦在两层材料的中间位置实现焊接。
本发明提供一种激光焊接装置，第1激光焊接头和第2激光焊接头，所述第1激光焊接头连接有第1激光器，所述第2激光焊接头连接有第2激光器，所述第1激光器发出第1激光束，所述第2激光器发出第2激光束，所述第1激光器和所述第2激光器具有不同的脉宽频率；以及第一材料层和第二材料层，所述的第1激光束聚焦于所述第一材料层的下表面内，所述的第2激光束聚焦于所述第二材料层的上表面内。
作为本发明的一实施方式，所述的第1激光焊接头和所述第2激光焊接头内部设有聚焦透镜和衍射光学镜片。
作为本发明的一实施方式，所述的第1激光束和所述第2激光束分别作用于所述第一材料层的下表面和所述第二材料层的上表面，以便在所述第一材料和第二材料的接触面形成熔池。
作为本发明的一实施方式，通过调整所述第一材料层和所述第二材料层的水平方向运动速度，以便在同一面上相邻光斑具有一定重叠率，由此在所述第一材料层和所述第二材料层接触面形成焊接道。
作为本发明的一实施方式，还具有CCD相机，所述CCD相机分别与所述第1激光焊接头、所述第2激光焊接头同轴连接，对焊接位置进行自动识别定位。
作为本发明的一实施方式，所述的第一材料层和所述第二材料层不同。
作为本发明的一实施方式，所述第1激光器和所述第2激光器具有不同波长和脉宽。
作为本发明的一实施方式，所述的第一材料层和所述第二材料层相同。
作为本发明的一实施方式，所述第1激光束和所述第2激光束的聚焦点在同一位置，同时作用在所述第一材料和所述第二材料上。
作为本发明的一实施方式，所述第1激光束用于对第一材料层和所述第二材料层进行改性，所述第2激光束用于熔融焊接。
本发明提供一种针对高硬高脆材料的激光焊接装置，尤其适用于对所应用激光波长透明的材料，玻璃、石英、蓝宝石和半导体材料等，利用两束不同脉宽频率能量的激光，利用多光子吸收理论聚焦在两层材料的中间位置实现焊接，两层材料在其接触面焊接位置实现各自熔化互熔焊接。焊接密封性好，连接强度高。
附图说明
图1为本发明的激光焊接装置示意图；
图2为本发明的同种材料激光焊接装置示意图；
图3为焊接材料截面熔池示意图；
图4为焊接材料侧面焊接道结构示意图；
图中各标记的含义如下：
1 第1激光器；
2 第2激光器；
3 第1激光焊接头；
4 第2激光焊接头
5 第1激光束
6 第2激光束
7 第一材料；
8 第二材料
9 聚焦透镜
10 衍射光学镜片
a 聚焦点
b 聚焦点
c 焊接道
d 熔池
具体实施方式
以下结合附图对本发明的激光焊接装置进行说明。
图1为本发明的激光焊接装置的一实施方式，其中激光焊接装置包括第1激光焊接头3和第2激光焊接头4，第一材料层7和第二材料层8。第1激光焊接头连接第1激光器1，第2激光焊接头4连接第2激光器2，第1激光焊接头3发出第1激光束5，第2激光焊接头4发出第2激光束6。第1激光器和第2激光器能够发出不同脉宽频率能量的激光，因此第1激光束具有与第2激光束不同脉宽频率能量。本发明的工件包括第一材料层7和第二材料层8，第一材料层7和第二材料层8层叠，第1激光器1和第2激光器通过光路分别把第1激光束5和第2激光束6传输到第1激光焊接头3和第2激光焊接头4中，分别经聚焦透镜组后，第1激光束5在第一材料层7的下表面内部形成聚焦点a，第2激光束6在第二材料层8的上表面内部形成聚焦点b，如图1所示。工件相对于激光光束运动时，激光光束分别在第一材料层7和第二材料层8的下表面和上表面同时作用，通过调整工件的运动速度，使激光光束聚焦点有一定的光斑重叠率时，在第一材料层7和第二材料层8接触面形成焊接道c，如图4所示。
本发明针对玻璃、石英、蓝宝石和半导体材料等对于激光波长透明的材料，由于这些材料的高硬高脆特性，焊接过程很容易产生微裂纹，本发明专门针对侧重材料的特性，针对性的选择激光光源，特殊的光路系统，使得这些材料在同材料之间或不同材料之间焊接达到密封和强度的要求指标。
本发明提供一种可以焊接高硬高脆材料的激光装置。在对于高硬高脆材料焊接中，利用两束不同脉宽频率能量的激光，利用多光子吸收理论聚焦在各自材料边缘位置，实现各自熔化互熔焊接，不同的材料对应不同的激光器。
本发明的激光焊接装置中，激光器的选择与工件的材料有关，要求工件材料对所选激光器的波长对工件能够透射，满足多分子吸收，能使该波长的激光光束能透过工件，在上层的第一材料7的下表面和下层的第二材料8的上表面形成聚焦点。激光器的波长范围在200nm到2000nm，脉宽范围在10fs到200ns。
本发明的激光焊接装置中，对激光器的能量有所要求，要求在第一材料7下表面和第二材料8上表面形成的焦点处，激光光束的能量密度恰好能够穿透上层材料，要考虑透过工件后，避免在工件内部传输过程中出现热吸收，破坏工件特性，影响焊接效果。
本发明的激光焊接装置中，根据实际工件的厚度，使两个焦点位于第一材料7的下表面和第二材料8的上表面。聚焦点的位置和能量对应于不同的衍射光学镜片和聚焦镜。
本发明的激光焊接装置，用于不同材料之间的焊接，不同材料焊接时，激光器可以为不同波长和脉宽的激光器，根据材料特性选择。本发明的激光焊接装置更可以应用于同样材料之间的焊接，同种材料焊接时，激光器1和激光器2为同种波长激光器，优选的，脉宽一个为超脉冲，脉宽小于10PS，另一个激光器脉宽为纳秒激光器。如图2所示，当需要焊接的材料为同种材料时，调整两个激光聚焦点在同一位置，即在第一材料和第二材料的接触面处，同时作用在第一材料和第二材料上，两束不同脉宽能量的激光聚焦在同一个位置，其中一束光对材料进行改性，另一束光进行熔融焊接，这样可以避免高硬高脆材料的普通焊接产生裂纹的问题，由此在第一材料7的下表面和第二材料8的上表面同时形成熔池d，如图3所示。根据所述激光器的频率调整，所述工件水平方向运动的速度，以便使同一面上相邻光斑具有一定的重叠率，由此在第一材料层7和第二材料层8接触面形成焊接道c，如图4所示。
本发明的激光焊接装置中，还包括CCD相机(图中未示出)，CCD相机与激光焊接头同轴连接，对焊接位置进行自动识别定位。以便实时调整激光焊接头。
本发明的激光焊接装置中，所述的聚焦点的光斑为圆形或椭圆形。本发明的设置于激光焊接头3、4中的透镜组由聚焦透镜9和衍射光学镜片10组成，如图2所示。
本发明的激光焊接装置中，衍射光学镜片可以是微阵列透镜或自适应镜片。
以上实施方式仅是为说明本发明的技术方案而做的具体说明，并不用于限定本发明的具体保护范围，本发明的激光焊接装置并未做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的简单修改，等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种激光焊接装置，包括：
第1激光焊接头和第2激光焊接头，所述第1激光焊接头连接有第1激光器，所述第2激光焊接头连接有第2激光器，所述第1激光器发出第1激光束，所述第2激光器发出第2激光束，所述第1激光器和所述第2激光器具有不同的脉宽频率；以及第一材料层和第二材料层，所述的第1激光束聚焦于所述第一材料层的下表面内，所述的第2激光束聚焦于所述第二材料层的上表面内。
2.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的第1激光焊接头和所述第2激光焊接头内部设有聚焦透镜和衍射光学镜片。
3.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的第1激光束和所述第2激光束分别作用于所述第一材料层的下表面和所述第二材料层的上表面，以便在所述第一材料和第二材料的接触面形成熔池。
4.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：通过调整所述第一材料层和所述第二材料层的水平方向运动速度，以便在同一面上相邻光斑具有一定重叠率，由此在所述第一材料层和所述第二材料层接触面形成焊接道。
5.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：还具有CCD相机，所述CCD相机分别与所述第1激光焊接头、所述第2激光焊接头同轴连接，对焊接位置进行自动识别定位。
6.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的第一材料层和所述第二材料层不同。
7.如权利要求6所述的激光焊接装置，其特征在于：所述第1激光器和所述第2激光器具有不同波长和脉宽。
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