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激光焊接玻璃最新研究进展及应用前景分析

来源：化工网 | 时间：2014/12/4 15:39:02 | 阅读次数：

发布单位：中华人民共和国商务部

• 发布人：
• 小杨

直到最近，焊接玻璃一直都被科学家和工业领域的制造商们视为更大的挑战，这是因为玻璃具有的特定性能，例如这种光学透明材料在温度变化时非常容易开裂或破损。
　　如今，熔焊被视为玻璃焊接应用中最有前途的技术之一。该技术无需任何过渡层便可以获得生态性和成本效率方面的优势，并且通过激光生产步骤便可实现全程的非接触。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。
　　如今工业领域，一个关键的环节是将两块材料熔化并融合在一起以连接成一块材料，这在许多领域都有应用。例如，据估计，一辆汽车的零部件的安全性取决于3000多个焊缝的可靠性。焊接金属是一个比较简单的过程，这是由于金属具有变形而不会断裂的能力。直到最近，焊接玻璃一直都被科学家和工业领域的制造商们视为更大的挑战，这是因为玻璃具有的特定性能，例如这种光学透明材料在温度变化时非常容易开裂或破损。
　　日本大阪大学（UniversityofOsaka）的名誉教授IsamuMiyamoto是探索激光焊接玻璃过程的物理细节的先驱。他与芬兰科学家一起研究使用超快激光器进行玻璃焊接这一过程是如何提高生产效率并增加最终产品（图1）的耐久性。芬兰的顶尖激光技术专家JarnoKangastupa说：“如今的激光微焊接技术产生的热影响区（HAZ）极小，因而没有损坏敏感或有机部件的风险。这扩展了封装易碎元件的应用潜力，不管它是在玻璃下方还是在玻璃内部。这在过去几年一直都是制造商面临的一个挑战。”Kangastupa与Miyamoto在进行科学方面的合作。
　　据Kangastupa所说，利用超短激光脉冲进行玻璃焊接具有很多优势，因为这意味着整个过程中在基材上不需要额外的层或是胶粘剂，这与常用的共晶键合或黏着性键合的方法不同。而且，它需要的能量远远少于其它传统的玻璃焊接技术，例如阳极键合（也被称为场致扩散连接）或静电键合（在焊接过程中利用了电场）。
　　Kangastupa表示，封装是微机电系统（MEMS）设计的一个关键要素，封装内的环境对MEMS器件应用的效能至关重要，对MEMS传感器来说尤其如此，它生产的玻璃封装的电子芯片应用于感测旋转、加速和压力这些关键安全因素的各种应用中，包括汽车、火车和其他运输行业。快速增长的生物医学领域开发的很多应用也是同样的情况。
　　激光焊接解决方案（图2）的一个关键优势是，它能更安全地封装敏感材料，在整个过程中不会像其它现有的焊接技术那样受到高温或化学物质的影响。
　　“如今用激光焊接玻璃可以让分开的玻璃连成一个整体，”据Kangastupa介绍，“这使得焊缝具有良好的力学性能，对航空航天工业来说，这是非常重要的属性。在太空中，焊接的物体，包括封装芯片器件例如CMOS（互补型金属氧化物半导体）图像传感器，即便在最严酷的条件下也必须保持高度的可靠性和气密性，例如在极端天气条件下，它们不得不面对显著增加的辐射损伤带来的威胁。”
　　他指出，现有的技术无需高温或粘合剂便能将玻璃连接在一起形成密封，而且焊接过程本身不会损害到被密封的元件或材料。
　　“在先进的激光工艺中，高度集中的激光光束将各种组件密封起来以使它们保持在室温状态，”Kangastupa继续说，“这给制造商们带来了一种新的技术选择，用以生产电子、工程、医疗和科学研究设备，例如植入式芯片和传感器。”
　　“不同于用胶粘剂来连接玻璃，用激光焊接玻璃的过程中产生的接缝几乎是永存的，因为它不包含任何粘合剂，而粘合剂在化学物质缓慢蒸发之后会逐渐脆化。”他补充道。
　　激光焊接技术实现更好的医疗诊断
　　坦佩雷理工大学（TampereUniversityofTechnology）的研发经理表示，未来激光微焊接技术将在生物医学行业大显身手。随着业内人士对新的激光密封玻璃技术的认识逐渐加深，新的应用会迅速崛起，例如在人类医学领域。
　　为什么玻璃焊接对生物医学产业如此重要呢？从其特性来看，玻璃是一种非常匹配生物医学技术目标的材料。
　　首先，在某种意义上来说，玻璃是一种“中性”的物质，这使其在植入人体内部时与体液的生物相容性非常好。这意味着它不会使植入物引起免疫排斥反应，而一旦发生免疫排异反应就不得不从人体中移除该植入物。第二，玻璃的使用寿命实质上来说是无限的：如果它最终身处一个垃圾填埋场中，那么可以持续几百上千年之久。玻璃不会磨损、破裂，也不会像许多胶粘剂或其它焊接过程中使用的额外的基材那样逐渐降解。同时，与钛封装的应用不同，玻璃不会阻碍无线电频率（RF）的波长，这使得数据或能量能够透过玻璃封装的元件来实现转移。
　　Vihinen注意到，随着技术在不断进步，激光焊接玻璃成为一种快速且极具成本效益的解决方案，可以协助生产新型的体外诊断设备。新的体外诊断设备可以帮助检测各种疾病、生理状况和人体生物和疾病特征，这有可能取代费时且昂贵的实验室检测。例如，在未来可能凭借一次采样的血液样本就能检测出心脏病发作的几率。
　　此外，研究表明，未来将能用新的高科技大脑植入物来治疗脑损伤和记忆障碍，这种植入物可以受人类情感的调节，甚至可以指导我们的思维。研究表明，大脑植入物也可以通过缩短反应时间来提高人类的学习能力，甚至提高记忆力。
　　激光焊机玻璃让生产更灵活
　　玻璃焊接为电子行业带来了机遇，在这个行业，手持设备的尺寸正在不断缩小。只要消费者继续对便携性感兴趣，那么仍将保持小型化的趋势。和二十世纪七十年代摩托罗拉首次推出的移动电话相比，如今的手持移动电话已经完全不同，前者的重量高达惊人的2.2磅！
　　Kangastupa说：“当新型玻璃材料和激光工艺的创新相结合时，我们可以预见零部件的尺寸将继续减小，移动设备将持续小型化。很有可能在集合了极薄的玻璃显示屏器件所需的所有功能之后，再在最后的步骤中使用激光焊接上第二层玻璃来保护显示屏。带有密封焊接痕的第二层玻璃除了能抵挡环境的影响以外还有更多的功能。它可以包含触摸屏和抗反射特性所需要的薄膜层，或者是一些只在实验室才能见到的新特性。”
　　他补充说，激光焊接玻璃也能帮助制造商节约成本，因为它能实现更为灵活的生产过程。制造商可以通过试运行来评估某一特定产品，或是在他们对生产过程的最终结果抱有足够信心之前，先小批量制造某一系列产品。
　　根据Kangastupa所说：“如果有需要的话，在开始大规模生产之前，甚至可以先只封装一个产品来确保一切没有问题，例如封装一个微芯片。”

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