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      粘焊方法和包括粘焊組件的設(shè)備的制作方法

      文檔序號:3168189閱讀:628來源:國知局
      專利名稱:粘焊方法和包括粘焊組件的設(shè)備的制作方法
      粘焊方法和包括粘焊組件的設(shè)備發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總地涉及改進(jìn)的粘焊方法,更具體地涉及粘焊光子或光電組件的方法,并涉及包含這種粘焊組件的設(shè)備。
      背景技術(shù)
      隨著光子或光電子子設(shè)備(例如激光器或基于LED的便攜式或內(nèi)置式投影儀)的快速增長的需求,組裝這些設(shè)備時的一個最大的挑戰(zhàn)是使各組件彼此連接或結(jié)合以提供這些組件之間的高光耦合效率,并隨時間流逝和在溫度變化期間維持組裝設(shè)備的性能。激光焊接已用于光子組件的組裝的多種場合中。在焊接過程中,焊接部分的快速凝固和伴隨的材料收縮可能導(dǎo)致事先對準(zhǔn)的組件之間的相對運(yùn)動(工藝致失配)。這也被稱為焊接后偏移(PWQ。焊接的光子或光電子組件之間的光輸出功率和/或光耦合效率可能因?yàn)镻WS而顯著降低。之前在航空或汽車領(lǐng)域已考慮使用組合的粘合和焊接。在這些應(yīng)用中,大面積的金屬板被膠合和焊接以提供結(jié)構(gòu)/強(qiáng)度特征。這種工藝被稱為粘焊。粘合劑夾在金屬板之間并隨后透過金屬板執(zhí)行焊接。焊接提供立竿見影的強(qiáng)度和高抗剝離力的優(yōu)勢,而粘合劑粘合提供耐疲勞和振動以及提高的強(qiáng)度和耐久性。側(cè)重點(diǎn)在于大面積粘合和結(jié)構(gòu)需求,而不是組件間的高精度配準(zhǔn)或光耦合。因此,就我們所知,現(xiàn)有粘焊技術(shù)不能解決焊接工藝中在粘合部分的亞微米水平的移動。

      發(fā)明內(nèi)容
      根據(jù)本發(fā)明的一個方面,一種組裝光電子和/或光子組件的方法,所述方法包括 (i)提供至少兩個光電子和/或光子組件;( )使這些光電子和/或光子組件相對于彼此對準(zhǔn)和就位,并使它們彼此靠近,由此(a)提供這些組件之間的光耦合;以及(b)維持所述組件的相鄰部分之間的距離d,其中Ομπι彡d彡ΙΟΟμπι,(iii)通過將粘合劑設(shè)置在這些組件之間的邊界并在維持組件間的光耦合同時使粘合劑固化或凝固而通過粘合劑使所述組件彼此粘附;以及(iv)將所述組件激光焊接在一起。根據(jù)至少一些實(shí)施例,在兩個組件之間的邊界線處執(zhí)行激光焊接。優(yōu)選地,激光焊接步驟產(chǎn)生至少一個焊點(diǎn)(即焊珠),其直徑大約為50ym-lmm。優(yōu)選地,激光焊接步驟在相鄰組件的相對位置中產(chǎn)生小于Iym的偏移,更優(yōu)選地小于0. 5μπι的偏移。優(yōu)選地,粘合劑的特征在于范圍在5GPa彡R彡IOOGPa的剛性模量以及1秒和90 秒之間的固化時間。優(yōu)選地,粘合劑在固化或凝固過程中的收縮(即固化過程中的線性縮小)小于lym。例如,在一些實(shí)施例中,環(huán)氧樹脂粘合劑的厚度收縮小于10%,在一些實(shí)施例中小于5%,并在一些實(shí)施例中小于1%。優(yōu)選地,粘合劑選自例如丙烯酸酯的UV或熱固化環(huán)氧樹脂,以利于快速固化工藝和簡單組裝工藝。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,一種設(shè)備包括(i)彼此鄰近就位的至少兩個組件,兩個組件中的每一個包括至少一個光學(xué)元件(即光學(xué)元件、光電元件或光子元件);(ii)至少兩個組件中的至少一個的至少一個光學(xué)元件光耦合于至少兩個組件中的另一個的至少一個光學(xué)元件;以及(iii)位于形成在兩組件之間的邊界周緣的至少一個焊點(diǎn)和至少一個粘
      合點(diǎn)ο較為有利地,根據(jù)本發(fā)明諸實(shí)施例的將光學(xué)、光電子或光子組件組裝到一個封裝件中的方法提供高產(chǎn)量、能以相對低廉的成本完成,并產(chǎn)生這些組件的最小(或不產(chǎn)生)焊接后偏移。將在以下詳細(xì)描述中闡述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn),這些特征和優(yōu)點(diǎn)一部分對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說從說明書中就能弄懂,或者通過實(shí)施包括以下詳細(xì)說明、權(quán)利要求書以及附圖的本文所述的本發(fā)明可認(rèn)識到。應(yīng)當(dāng)理解的是,前面的一般描述和后面的詳細(xì)描述兩者給出本發(fā)明的實(shí)施例,并且它們旨在提供用于理解所要求保護(hù)的本發(fā)明的本質(zhì)和特性的概觀或框架。引入附圖以提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解,附圖結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明的各個實(shí)施例,并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


      圖IA和IB是本發(fā)明一個實(shí)施例的示例性示圖;圖2A和2B是本發(fā)明一個實(shí)施例的照片;圖3是對本發(fā)明的一個實(shí)施例的另一示意性示圖;圖4A和4B是本發(fā)明另一實(shí)施例的示圖;圖5是示出圖4A的設(shè)備隨時間變化的溫度波動和輸出功率波動的曲線圖;圖6是示出在超聲振動期間隨時間變化的輸出功率波動的曲線圖;圖7是粘焊在一起的兩個組件的示意圖;以及圖8示出圖7中示意地示出的軸對稱代替測試制品的測得的機(jī)械位移。
      具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將具體參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,其實(shí)施例在附圖中示出。在可能時,在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)號來指示相同或類似的部件。圖1中示意地示出本發(fā)明的設(shè)備的一個實(shí)施例,并且該設(shè)備貫穿各圖地用附圖標(biāo)記10表示。圖2A是示例性組成設(shè)備的照片,而圖2B示出圖2A所示的設(shè)備10的放大區(qū)域。設(shè)備10包括(i)彼此鄰近就位的至少兩個組件20 (例如光電子和/或光子組件),這些組件中的每一個包括至少一個光學(xué)、光子或光電子元件21(在這里稱為光學(xué)元件21) ; (ii)位于形成在兩組件之間的邊界25的周緣上的至少一個粘合點(diǎn)23 (粘合劑珠);(iii)以及位于形成在兩組件之間的界面或邊界25 的周緣上的至少一個焊點(diǎn)觀。這兩個組件中的至少一個的光學(xué)元件21光耦合于另一組件的至少一個光學(xué)元件21。盡管兩個光學(xué)元件21彼此光耦合,然而它們可以彼此物理接觸也可以不那樣。光學(xué)元件21的一些示例是波導(dǎo)(光纖或光面)、透鏡、帶透鏡的光纖、光柵、 濾光器、光耦合器、光學(xué)開關(guān)或光電子開關(guān)、光倍頻晶體、激光二極管和/或光隔離器。優(yōu)選地,粘合劑23的特征在于,范圍在5GPa彡R彡IOOGPa的剛性模量以及很快的固化速率(例如在1秒和90秒之間)。優(yōu)選地,固化或凝固過程中粘合劑的收縮(即固化過程中的線性縮小)小于lym。例如,在一些實(shí)施例中,環(huán)氧樹脂粘合劑的厚度收縮小于10%,在一些實(shí)施例中小于5%,并在一些實(shí)施例中小于1%。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,一種組裝光電子和/或光子組件20 (在本文中也被稱為組件)的方法,包括以下步驟(i)提供至少兩個光電子和/或光子組件20; (ii)使這些組件20相對于彼此對準(zhǔn)和就位,并使它們彼此靠近,由此(a)在這些組件之間提供光耦合;以及(b)在這些組件的相鄰部分之間維持距離d,其中d為0 (組件彼此物理接觸)至 100ym;(iii)通過粘合劑23(例如UV或溫度固化環(huán)氧樹脂)將兩組件彼此粘合或結(jié)合, 這是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的(a)將粘合劑23設(shè)置在組件20之間的邊界25,以使兩個組件與粘合劑23物理接觸;以及(b)在保持這些組件間的光耦合同時固化或凝固粘合劑23 ;以及 (iv)在邊界25處(例如沿邊界的周緣)將組件激光焊接在一起以形成經(jīng)組裝的設(shè)備10。 激光焊接形成例如具有50 μ m-lmm的橫截面(例如200 μ m-600 μ m的直徑)的焊點(diǎn)28。優(yōu)選地,在工藝的激光粘焊部分期間形成多個焊點(diǎn)觀(在本文中被稱為焊點(diǎn))。如果粘合劑需要UV固化(例如UV固化環(huán)氧樹脂),則通過粘合劑23使兩個組件彼此粘連的步驟包括 UV固化粘合劑23以在這些組件20之間形成永久性粘合的步驟。在激光焊接過程中通過 (已凝固或固化的)粘合劑23的結(jié)構(gòu)剛性維持光配準(zhǔn)和/或光耦合。如本文中使用的,術(shù)語“光耦合”表示兩個組件對準(zhǔn),從而如果(或當(dāng))光被提供給兩個組件中的一個(例如第一組件)的光學(xué)元件,則光將進(jìn)入另一組件的光學(xué)元件并隨后從該另一組件的光學(xué)元件射出。因此,即使當(dāng)光不被提供給兩個組件中的一個(例如第一組件)的光學(xué)元件時,兩個組件或兩個光學(xué)元件也可彼此光耦合,因?yàn)樗鼈儽欢ㄎ缓蛯?zhǔn)成如果提供光,則光從其中一個光學(xué)元件耦合至另一光學(xué)元件。優(yōu)選地,激光焊接步驟在兩個經(jīng)焊接的組件中的任一個的位置產(chǎn)生小于1 μ m的偏移。優(yōu)選地,兩個組件20相對于彼此偏移不超過1 μ m。這些小偏移不顯著干擾光耦合效率E或光輸出功率P,光輸出功率P (假設(shè)光輸入功率保持在同一水平)優(yōu)選保持在20%內(nèi),更優(yōu)選地保持在10%內(nèi),即I32彡0. SP1,更優(yōu)選地P2彡0. 9Ρι; 其中P1是在激光焊接步驟前的光功率吞吐量而P2是激光焊接后的光功率吞吐量。甚為優(yōu)選地,P2 ^ 0. 95Ρρ功率變化涉及焊接后偏移并取決于對準(zhǔn)的光學(xué)元件及其光束特征之間的相對偏移。在許多感興趣的光、光子或光電子設(shè)備中(例如激光二極管和單模波導(dǎo)),光束直徑在大約1 μ m至大約10 μ m的范圍內(nèi),優(yōu)選的是將PWS限制在亞微米級別以得到小于 20%,更優(yōu)選地小于10%的從P1至P2的相對改變。光耦合效率E也維持在20%內(nèi),優(yōu)選地在10%內(nèi)。更優(yōu)選地在5%內(nèi)。(E = Pf_/Pfi5A),其中Pfi5入是提供給兩個組件中的一個的光學(xué)元件的輸入光功率,而PfM是由另一組件的光學(xué)元件提供的輸出光功率)。因此,優(yōu)選的是氏^ 0. SE1,更優(yōu)選地氏> 0. 9Ei,其中E1是在激光焊接步驟前的光耦合效率,而E2是激光焊接之后的光耦合效率。甚為優(yōu)選地,E2 ^ 0. 95Ei。根據(jù)一些實(shí)施例,粘合劑是環(huán)氧樹脂,而將兩個(或更多)組件彼此粘連的步驟包括步驟改變環(huán)氧樹脂23的剛性以在兩相鄰組件20之間形成永久性粘合。這例如可通過 UV固化所涂敷的粘合劑23以使其變硬并將其粘附于兩個組件來完成。粘合劑23可以是熱固化粘合劑,它以液態(tài)形式涂敷并當(dāng)暴露于熱時凝固。替代地,粘合劑23可作為灼熱液體涂敷,其隨后當(dāng)暴露于室溫時凝固(變得更硬)。優(yōu)選地,粘合劑在涂敷后幾秒內(nèi)(例如1秒至90秒、1秒至60秒或5秒至45秒)改變其剛度(凝固或固化),由此在保持兩部件的對準(zhǔn)在所需水平內(nèi)的同時使兩組件粘合在一起。根據(jù)一些實(shí)施例,該方法還包括步驟(i)在通過所述環(huán)氧樹脂將兩組件20彼此結(jié)合前,測量組件20之間的光輸出功率或光耦合效率;以及(ii)在通過環(huán)氧樹脂23將諸組件20彼此粘連的同時,測量組件20之間的光輸出功率或光耦合效率。根據(jù)一些實(shí)施例, 該方法還包括以下步驟(i)在通過所述環(huán)氧樹脂將多個組件20結(jié)合在一起前測量組件20 之間的光輸出功率和光耦合效率;以及(ii)在測量光輸出功率的同時測量組件20之間的光輸出功率或光耦合效率,或在將組件彼此激光焊接的同時測量這些組件之間的光輸出功率或耦合效率。光耦合效率被定義為另一組件20的光學(xué)元件外的輸出光功率(Pfiia)和另一組件 20的光學(xué)元件外的輸入光功率(Ps5a)之間的比值(即E = Pf_/Pfi5A),其中兩個光學(xué)元件彼此光耦合。因此,在將兩組件20通過粘合劑23結(jié)合在一起之前,兩組件20之間的耦合效率E1為E1 = P1ZPfixo類似地,在固化或凝固粘合劑23的同時,所述組件之間的耦合效率Ec為Ec = PcZP^ao類似地,在將這些組件激光焊接在一起的同時,這些組件之間的耦合效率= 輸入。例如,根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,該方法還包括以下步驟(i)在通過粘合劑23將兩組件結(jié)合在一起之前測量兩組件20之間的光輸出功率P1或耦合效率E1 ; (ii)在通過粘合劑23將這些組件粘連在一起的同時測量這些組件之間的光輸出功率1 或耦合效率fe ;
      (iii)在粘合劑23固化或凝固的同時,測量所述組件之間的光輸出功率P?;蝰詈闲蔈c;
      (iv)在將這些組件激光焊接在一起的同時,測量這些組件之間的光輸出功率&或耦合效率 E2 ο優(yōu)選地,組裝光電子和/或光子組件20的方法還包括以下步驟(i)在將兩組件通過粘合劑23粘連或粘結(jié)到一起之前,測量兩組件20之間的光輸出功率P1或光耦合效率 E1 ;以及(ii)在將兩組件激光焊接到一起的同時利用粘合的機(jī)械強(qiáng)度和剛度來維持兩組件 20之間的光輸出功率P2或光耦合效率氏,從而使(a)焊接后的光輸出功率P2 ^ 0. SP1,優(yōu)選為P2彡0. 9P!;和/或光耦合效率E2彡0. 8E1;優(yōu)選為E2彡0. 9Elt)優(yōu)選地,P2彡0. 95P1 更優(yōu)選地,P2 ^ 0. 97P10優(yōu)選地,E2 ^ 0. 95E:,更優(yōu)選地E2 ^ 0. 97E”根據(jù)一些實(shí)施例,利用具有250 μ m-lmm(例如450 μ m)的激光點(diǎn)直徑,使用1-5毫秒脈寬,工作在0. 5J-2. 5J/焊點(diǎn)的具有1064nm波長的Nd: YAG激光器執(zhí)行激光焊接。然而, 可用其它激光器來執(zhí)行激光焊接,例如具有l(wèi)OeOOnm波長的(X)2激光器、具有532nm波長的倍頻YAG、810nm激光器或工作在1. 3 μ m-1. 5 μ m波長范圍內(nèi)的頂激光器。光學(xué)組件20可由使用激光焊接結(jié)合的材料制成,包括金屬(例如鋼或鋁襯底)、 金屬陶瓷復(fù)合材料、玻璃陶瓷材料、玻璃或聚合物材料。例如,可利用粘合劑23在兩金屬組件、一個金屬組件和一個金屬-陶瓷復(fù)合物組件或兩玻璃組件之間形成粘合。之后則執(zhí)行激光焊接以將兩粘合組件焊接在一起。例如,兩玻璃組件可在它們已粘合于彼此后被彼此激光焊接,以在激光焊接過程中或激光焊接后維持要求的對準(zhǔn)度。有利地,根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于它導(dǎo)致兩焊接的組件20之間亞微米級的偏移,僅使焊接組件之間的光耦合效率產(chǎn)生最小的改變。因此,本文描述的粘焊方法較為有利地防止焊接過程中粘合部分的運(yùn)動(任何殘留運(yùn)動將保持在亞微米級),這對于光電子或光子應(yīng)用場合尤為有利。更具體地,粘合提供抵消應(yīng)力的剛性,該應(yīng)力在后繼激光焊接工藝中將使光電子子組合件(組件20)不對準(zhǔn)。為了防止粘合部分在焊接工藝中相對于彼此的運(yùn)動,粘合劑需要具有(1)抵消激光焊接力的剛度R,其中優(yōu)選地R彡lGPa,更優(yōu)選地R>5GPa,例如 IOGPa彡R彡50GPa, 15GPa彡R彡30GPa或18GPa彡R彡25GPa ; (2)固化過程中可忽略 /低收縮(縮小)C以在最初環(huán)氧樹脂定位焊光電子子組件過程中維持亞微米對準(zhǔn),其中C < 1 μ m(優(yōu)選地C < 0. 5 μ m),以及(3)為了低成本制造的快速固化。例如,在一些實(shí)施例中,環(huán)氧樹脂粘合的厚度收縮小于10%,在一些實(shí)施例中小于5%。因此,例如如果最初環(huán)氧樹脂珠厚度是20 μ m,那么固化后,環(huán)氧樹脂粘合厚度不小于19 μ m,這意味著環(huán)氧樹脂的厚度的減小量低于5%。優(yōu)選地,固化時間應(yīng)當(dāng)少于90秒,更優(yōu)選地不超過60秒(例如 10-60秒),更加優(yōu)選地不超過10秒??稍诒旧暾堉惺褂玫沫h(huán)氧樹脂的示例包括但不局限于“Optocast”牌填充環(huán)氧樹脂(例如可從CO的布雷克諾克郡的電子材料公司購得)。這種牌子的環(huán)氧樹脂是具有二氧化硅填充材料的UV和/或熱固化的單組分環(huán)氧樹脂。非填充的環(huán)氧樹脂也可用來實(shí)現(xiàn)這個目的,只要滿足剛性、固化時間和收縮需求。這些材料例如包括“Lens Bond" UV固化環(huán)氧樹脂(可從賓夕法尼亞的Hatfield的Summers Optical公司購得)。這些環(huán)氧樹脂具有不同的粘度范圍。例如,為了利于形成粘合劑非常薄的粘合線或粘合點(diǎn),可利用粘度值在50-500厘泊范圍內(nèi)的低粘度粘合劑。當(dāng)要求兩組件間的距離很小 (例如時,這些粘合劑是優(yōu)選的。低粘度粘合劑可擴(kuò)散進(jìn)入兩組件之間的間隙, 提供更多的表面接觸。然而,如果低粘度粘合劑是UV固化粘合劑并在兩組件之間擴(kuò)散,將難以使這種粘合劑完全固化,除非組件是透明的。此外,需要注意不允許這類粘合劑玷污光學(xué)元件或因擴(kuò)散入光學(xué)路徑而干擾光耦合。因此,高粘度的粘合劑——尤其是具有低收縮性的填充環(huán)氧樹脂——是優(yōu)選的,因?yàn)檫@些粘合劑不大可能擴(kuò)散進(jìn)入光學(xué)路徑,并且不大可能玷污光學(xué)元件。高粘度的粘合劑可具有范圍在500-100000厘泊內(nèi)的粘度值。在后面的示例中,我們選擇使用高粘度的粘合劑并將這些粘合劑涂敷在兩個組件之間的界面(或邊界)的外側(cè)??赡苄枰韵鄬Υ蟮闹槌叽缤糠蟾哒扯鹊恼澈蟿┮蕴峁└啾砻娼佑|。在下面各例中,針對高粘度粘合劑的珠直徑或珠寬度為lmm-3mm,但也可以不同,這根據(jù)需要的場合而定。示例本發(fā)明通過以下示例將更清楚。示例 1根據(jù)一示例性實(shí)施例,兩個光子組件20被組裝在一起以在其間形成永久性粘合。 (參見附圖1A、1B、2A和2B)。更具體地,光學(xué)元件21A (在本例中為光纖)被安裝在金屬基板22A上(在本例中為不銹鋼304基板),并膠結(jié)至基板,由此形成第一光子組件20。另一光子組件20是通過將光纖21B安裝在另一基板22B上而制成的。注意,在第一組件20的其中一個配合表面20A上具有一個斜楔W。兩個光子組件20彼此鄰近地設(shè)置,以當(dāng)光提供給光纖波導(dǎo)21A的輸入端A時,使光從光纖波導(dǎo)21B的輸出端B射出。兩個光子組件20對于峰值耦合(產(chǎn)生在光纖波導(dǎo)21B的射出端B測得的最大輸出功率的耦合)頻帶對準(zhǔn);并隨后使用UV固化粘合劑(例如可從CO的布雷克諾克郡的ElectronicMaterials公司購得的0PT0CAST 3415)膠結(jié)在位而形成“T”連結(jié)。隨后在膠結(jié)組件上執(zhí)行激光焊接。在該示例性實(shí)施例中,我們利用工作在3毫秒脈寬下的脈沖式Nd: YAG激光器,對每個焊點(diǎn)沉積將近0. 9J的能量。在該示例性實(shí)施例中,焊點(diǎn)直徑d是將近450微米(參見圖1,2A和2B的焊點(diǎn)位置)。粘合劑布置應(yīng)當(dāng)使粘合劑不對后來的激光焊接形成干擾。在選擇粘合劑23的布置時,人們優(yōu)選地將設(shè)備設(shè)計的對稱性考慮在內(nèi),以使粘合劑23的任何收縮產(chǎn)生彼此抵消的幾乎相等和相反的力,并使組件20間的相對偏移減至最小。例如,優(yōu)選的是將粘合劑珠與組件中心等距地設(shè)置,或?qū)ΨQ地設(shè)置在更小組件的周長周圍。在該示例性實(shí)施例中,粘合劑是高粘度粘合劑,并涂敷在組件之間的界面外側(cè),以避免組件之間可能的吸液 (wicking)。因此,優(yōu)選的是利用粘度大于5000厘泊、更優(yōu)選地大于50000厘泊(Cps)的粘合劑。例如,Opticast 3415具有l(wèi)OOOOOCps的粘度值。焊接位置也優(yōu)選地選擇為對稱的并產(chǎn)生反平衡力。優(yōu)選地選擇激光脈沖能量以使每個脈沖產(chǎn)生能被剛性環(huán)氧樹脂輕易承受的足夠小的殘留力。使用多個焊點(diǎn)以在工作條件下提供足夠的強(qiáng)度和可靠性。在該示例性實(shí)施例中,我們在焊接步驟之前和之后測量光耦合效率(光輸出功率)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),結(jié)合的組件20在焊接步驟后具有極好的耦合穩(wěn)定性。作為焊接后偏移的結(jié)果測得的輸出功率改變小于(即P2 > 0. QQP1)。在最初的試驗(yàn)中,金屬基板厚度為6毫米。之后,基板厚度被修整至1.5毫米并重復(fù)試驗(yàn)。在較薄組合件中作為焊接后偏移的結(jié)果測得的輸出功率改變小于3% (即P2 > 0. 97PD。之后,這些組合件(設(shè)備10)均在從大約20°C至大約85°C的溫度范圍內(nèi)受熱循環(huán)測試。熱循環(huán)過程中的光輸出功率變化小于3% (即P2改變小于3% ),由此展現(xiàn)出設(shè)備10極好的絕熱能力。我們?nèi)缓笫菇M合件 (設(shè)備10)處于加熱(50°C )和100%濕度(超聲波浴環(huán)境)的超聲振動下。設(shè)備10均展現(xiàn)出0.3%的輸出功率變化。更具體地,圖5示出圖4所示完整組件的絕熱能力。圖6示出在加熱、潮濕和振動狀態(tài)下的組合件性能。示例 2將組件對準(zhǔn)并將它們膠合在位并執(zhí)行激光焊接的方法可延及不同的配合表面幾何形狀。在前面的示例1中,配合表面中的一個面具有斜楔。在該例中,表面改變,從而沒有斜楔并且整個組合件看上去就像“T”連結(jié)。(參見作為示意圖的圖3以及作為制造設(shè)備10的照片的圖4A和4B)。更具體地,圖4A示出設(shè)備10的俯視圖,而圖4B示出圖4A的制造設(shè)備10的側(cè)視圖的一部分。平均焊接后偏移致吞吐功率變化為大約1. 8% (即P2 > 0.982 ),包括源波動。在該示例性實(shí)施例中,制造設(shè)備10的熱循環(huán)導(dǎo)致低于2%的變化 (即P2的改變量小于2% )。這種類型的“T連結(jié)”幾何形狀是優(yōu)選的,因?yàn)槊總€組件20可以是簡單矩形塊。這種T連結(jié)組合件的另一優(yōu)勢在于,即使在尺寸和公差方面具有制造差異,但焊縫將是對稱的并因此施加相反的橫向焊接力。也就是說,通過平衡的激光束功率和布置,所得到的對稱焊接位置(焊點(diǎn)位置)施加相等和相反的力并很大程度地彼此抵消,并減小需要由剛性環(huán)氧樹脂粘合物補(bǔ)償所需的殘留力。另外,優(yōu)選的激光焊接方法可涉及使用多個更小的脈沖,這導(dǎo)致更小的焊點(diǎn)尺寸。 更小的焊點(diǎn)通常牽涉到易于抵消的更小的力。另外,多個焊接區(qū)域在操作中將提供余量并因此導(dǎo)致更可靠和耐久的設(shè)備。在該示例性實(shí)施例中,激光束焊接區(qū)使用兩平衡的激光束形成在T連結(jié)的中央,因?yàn)樵摷す夂附优渲迷诒臼纠栽O(shè)備10中提供最大的對稱性。當(dāng)將光學(xué)、光子或光電組件20焊接在一起時,對于其它設(shè)備幾何形狀必須考慮類似的因素(例如設(shè)備幾何形狀、粘合劑涂敷位置、焊點(diǎn)的位置和數(shù)量)。相信使用這種組裝方法獲得極好的穩(wěn)定性(例如小PWS值、在不同環(huán)境條件下良好的光耦合),這主要是因?yàn)橛烧澈蟿?3提供的反力對抗由熔融材料(例如金屬、玻璃和/ 或玻璃陶瓷)的快速凝固造成的運(yùn)動。另一原因可能是杠桿臂效應(yīng)。焊接平面幾乎與兩個波導(dǎo)的平面重合(在本實(shí)施例中兩波導(dǎo)21A、21B之間的距離小于5微米)。在焊點(diǎn)28冷卻期間,可能存在子組合件(光學(xué)組件20)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,這種運(yùn)動可能導(dǎo)致波導(dǎo)21A、21B相對彼此的平移。如果焊接平面遠(yuǎn)離光耦合平面,則大的側(cè)向位移可能發(fā)生在光耦合平面內(nèi),這會大為降低耦合效率。但是,在本文描述的示例中,焊接和光耦合平面接近重合,并因此由于杠桿臂很小平移是不明顯的。因此,優(yōu)選的是使焊接平面與光學(xué)元件所在的平面重合或接近重合(即優(yōu)選地在Imm內(nèi))。盡管在第二示例中,兩個組件20彼此物理接觸,然而這種方法當(dāng)兩組件的兩個配合表面之間的具有將近30微米間隙(d = 30 μ m)時也能工作,并具有相同的焊接后偏移性能。示例 3設(shè)備組合件的當(dāng)前方法也可應(yīng)用于軸對稱設(shè)備。在該實(shí)施例中,通過粘合劑組裝不銹鋼304設(shè)備代替品(即沒有光學(xué)元件的組件)一些設(shè)備代替品使用氰基丙烯酸酯凝膠(例如加利福尼亞的蘭喬庫卡蒙加的OriginalSuperGlue公司的SuperGlueGel )的三個小珠粘連,而其它代替品是使用填充的兩部分環(huán)氧樹脂(例如德克薩斯州的 SulphurSprings的J-BWeld公司的J-BKwik )制成的。本例中使用的柱狀成形的金屬基板 22A(代替組件20)(見圖7)是具有45°削錐的凸緣形狀,并附連于底部代替品組件20’(金屬基板22A)。粘合的設(shè)備代替品被夾持到我們的測試固定器中,并使用三個WiiltecRC20 光纖傳感器位移探頭(馬里蘭州的安納波利斯的Wiiltec)監(jiān)測每個設(shè)備代替品中的組件位移。還可使用其它探頭。粘合設(shè)備替代品被焊接成三根梁彼此120°相隔取向,并以25° 從箍中心線傾斜。測試結(jié)構(gòu)示意地示出于圖7。相對低功率的激光束(在本例中激光條件是0. 9J/焊點(diǎn);3微秒脈寬以及將近450μπι的焊點(diǎn))被引導(dǎo)至兩金屬組件間的界面上。在組件彼此焊牢后,測量側(cè)向焊接后偏移。圖8中示出來自使用氰基丙烯酸酯凝膠粘性地粘合的這些設(shè)備代替品中的一個的典型測試結(jié)果。該圖示出圖7所示的非對稱替代品測試設(shè)備的測得的機(jī)械位移。圖8的三條軌跡表示三條位移傳感器的輸出。在圖8中,y軸單位是μ m,而χ軸代表時間,以秒計。優(yōu)選地,本粘焊方法給予具有吸引力的特征,例如光學(xué)組件的微米級的準(zhǔn)確結(jié)合、 隨溫度的穩(wěn)定性以及長期設(shè)備穩(wěn)定性。也就是說,由于粘焊接點(diǎn)能以亞微米的精度保持組件20。優(yōu)選地,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的將光電子或光子組件組裝成一個封裝件的方法利用經(jīng)修改的粘焊工藝,這種粘焊工藝使粘焊后偏移最小化至亞微米級別,這使本方法適用于光子或光電子組件或封裝件的組合件。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是,可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明作出各種修改和變化。因而,本發(fā)明旨在涵蓋本發(fā)明的所有這些修改和變化,只要它們落在所附權(quán)利要求書及其等價技術(shù)方案的范圍中即可。
      權(quán)利要求
      1.一種組裝光電子和/或光子組件的方法,所述方法包括(i)提供至少兩個光電子和 /或光子組件;(ii)使所述光電子和/或光子組件相對于彼此對準(zhǔn)和就位,并使兩者彼此靠近,由此(a)提供所述組件之間的光耦合;以及(b)維持所述組件的相鄰部分之間的距離 d,其中0μπι< ΙΟΟμπι,(iii)通過(a)將粘合劑設(shè)置在所述組件之間的邊界以及(b) 在維持組件間的光耦合同時使所述粘合劑固化或凝固而通過粘合劑使所述組件彼此粘連; 以及(iv)在保持其間光耦合的同時將所述組件激光焊接在一起。
      2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述激光焊接步驟在任一相鄰組件的位置中產(chǎn)生小于的偏移,并至少部分地通過所述固化或凝固的粘合劑的結(jié)構(gòu)剛性維持在激光焊接期間的所述光耦合。
      3.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘合劑是環(huán)氧樹脂,并且粘附所述組件的步驟包括改變所述環(huán)氧樹脂的剛性以在所述組件之間形成永久性粘合的步驟。
      4.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘合劑是UV固化環(huán)氧樹脂,并且粘附所述組件的步驟包括使所述環(huán)氧樹脂UV固化以在所述組件之間形成永久性結(jié)合的步驟。
      5.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘合劑沿所述組件之間的邊界的外緣涂敷。
      6.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘合劑具有5GPa-100GPa的剛性模量、 1秒-90秒的固化時間以及在固化期間小于1 μ m的收縮C的特征。
      7.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘合劑是從包括以下各項(xiàng)的組中選擇的uv固化環(huán)氧樹脂、熱固化環(huán)氧樹脂、熱塑性粘合劑、熱固性粘合劑、氰基丙烯酸酯、聚氨酯、硅樹脂或聚酰亞胺。
      8.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述激光焊接的步驟產(chǎn)生直徑為50μ m至 Imm的至少一個焊點(diǎn)。
      9.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括步驟(i)在用所述環(huán)氧樹脂將所述組件彼此結(jié)合前,測量所述組件間的光輸出功率或光耦合效率;以及(ii)在用所述環(huán)氧樹脂將所述組件彼此粘連的同時測量所述組件間的光輸出功率或光耦合效率。
      10.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括步驟(i)在用所述環(huán)氧樹脂將所述組件彼此結(jié)合前,測量所述組件間的光輸出功率P1或光耦合效率E1 ;以及(ii)當(dāng)將所述組件彼此激光焊接時,維持(a)光輸出功率以使焊接后的輸出功率為P2 ^ 0. 9Pi,或(b)所述組件間的光耦合效率,以使焊接后的光耦合效率氏為氏> 0. QE10
      11.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括以下步驟(i)在用所述粘合劑將所述組件彼此結(jié)合前,測量所述組件間的光輸出功率P1或光耦合效率E1 ; (ii)在用所述粘合劑使所述組件彼此毗連的同時,測量所述組件間的光輸出功率1 或光耦合效率fe ; (iii) 在使所述粘合劑固化或凝固的同時,測量所述組件間的光輸出功率Pc或光耦合效率Ec ; (iv)在將所述組件彼此焊接的同時,測量所述組件間的光輸出功率Pw或光耦合效率Ew。
      12.如權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,所述焊接是通過脈沖式Nd:Yag激光器來執(zhí)行的。
      13.如權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,所述焊接是通過工作在0.5J/焊點(diǎn)-2. 5J/焊點(diǎn)下、使用1-5毫秒的激光脈寬并具有250 μ m-lmm的激光點(diǎn)直徑的Nd: Yag激光器的焊接來執(zhí)行的。
      14.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述焊接是通過工作在0.5J/焊點(diǎn)-2. 5J/ 焊點(diǎn)下、使用1-5毫秒的激光脈寬并具有250 μ m-lmm的激光點(diǎn)直徑的Nd:Yag激光器的焊接來執(zhí)行的。
      15.如權(quán)利要求8所述的方法,其特征在于,每個焊點(diǎn)直徑為200μ m-600 μ m。
      16.一種組裝光電子和/或光子組件的方法,所述方法包括(i)提供至少兩個光電子和/或光子組件;( )使所述光電子和/或光子組件相對于彼此對準(zhǔn)和就位,并使兩者彼此靠近,由此(a)提供所述組件之間的光耦合;以及(b)維持所述組件的相鄰部分之間的距離d,其中d為0-1000 μ m,(iii)通過將粘合劑設(shè)置在所述組件之間的邊界并同時維持所述光耦合而通過粘合劑使所述組件彼此粘附;以及(iv)在所述組件之間的邊界上將所述組件激光焊接在一起。
      17.一種設(shè)備,包括(i)彼此靠近就位的至少兩個組件,所述兩個組件中的每一個包括至少一個光學(xué)元件;( )所述至少兩個組件中的至少一個中的所述至少一個光學(xué)元件光耦合于所述至少兩個組件中的另一個中的至少一個光學(xué)元件;(iii)至少一個焊點(diǎn)和至少一個粘合點(diǎn)位于形成在兩組件之間的邊界的周緣處。
      18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備,其特征在于,所述粘合劑是UV或熱固化粘合劑、熱塑性粘合劑、熱固性粘合劑、氰基丙烯酸酯、聚氨酯、硅樹脂或聚酰亞胺。
      19.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備,其特征在于,所述至少一個焊點(diǎn)具有250μ m-lmm的橫截面。
      20.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備,其特征在于,所述至少兩個組件通過多個粘合點(diǎn)彼此連接,并且所述粘合點(diǎn)彼此對稱地設(shè)置。
      全文摘要
      一種組裝光電子和/或光子組件的方法,所述方法包括(i)提供至少兩個光電子和/或光子組件;(ii)使這些組件相對于彼此對準(zhǔn)和就位,并使它們彼此靠近,由此(a)提供這些組件之間的光耦合;以及(b)維持這些組件的相鄰部分間的距離d,其中d為0-100μm;(iii)在維持其間的光耦合的同時將這些組件彼此附連;以及(iv)在維持其間的光耦合的同時將這些組件激光焊接在一起。
      文檔編號B23K26/20GK102264503SQ200980153134
      公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
      發(fā)明者J·西麥爾里齊, R·J·波西亞, S·C·查帕拉拉, V·A·巴加瓦圖拉 申請人:康寧股份有限公司
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