采用低熔融玻璃或薄吸收膜對透明玻璃片進(jìn)行激光焊接的制作方法
【專利說明】采用低熔融玻璃或薄吸收膜對透明玻璃片進(jìn)行激光焊接
[0001] 交叉引用
[0002] 本申請是以下專利申請的共同待審申請并且要求它們的優(yōu)先權(quán)：2013年5月10 日提交的題為 "Laser Welding Transparent Glass Sheet Using Low Melting Glass Film(采用低熔融玻璃膜對透明玻璃片進(jìn)行激光焊接）"的美國臨時申請第61/822, 048 號，2013 年 10 月 4 日提交的題為"Laser Welding Transparent Glass Sheets Using Ultraviolet Absorbing Film(采用紫外吸收膜對透明玻璃片進(jìn)行激光焊接）"的美國臨 時申請第61/886, 928號，以及2013年5月31日提交的題為"Laser Sealing Using Low Melting Temperature Glass for Hermetic Devices (用于密封裝置的采用低恪融溫度玻 璃的激光密封）"的美國臨時申請第61/829, 379號，它們?nèi)姆謩e通過引用結(jié)合入本文。 技術(shù)背景
[0003] 許多現(xiàn)代化裝置要求密封環(huán)境來進(jìn)行操作，并且它們中的許多是要求電偏置的 "有源"器件。需要透光性和偏壓的顯示器（例如有機發(fā)光二極管（OLED))是高要求應(yīng)用， 因為它們使用電子注入材料所以需要絕對密封性。否則的話，這些材料通常在氣氛中會在 數(shù)秒內(nèi)分解，所以相應(yīng)器件應(yīng)該在長時間段內(nèi)維持真空或惰性氣氛。此外，由于待包封有機 材料的高溫敏感性，應(yīng)該在接近環(huán)境溫度下進(jìn)行密封操作。
[0004] 例如，基于玻璃料的密封劑包含被研磨成粒度通常約為2-150微米的玻璃材料。 對于玻璃料密封應(yīng)用，將玻璃玻璃料材料通常與具有相似粒度的負(fù)CTE材料混合，并使用 有機溶劑或粘合劑將所得混合物摻混成糊料。示例性的負(fù)CTE有機填料包括堇青石顆粒 (例如Mg 2AUAlSi5O1J)、硅酸鋇、β-鋰霞石、釩酸鋯（ZrV2O 7)或者鎢酸鋯（ZrW2O8),將它們 加入到玻璃玻璃料中，形成糊料，從而降低基材和玻璃玻璃料之間的熱膨脹系數(shù)失配。溶劑 用來調(diào)節(jié)結(jié)合的粉末和有機粘合劑糊料的流變性粘度，并且必須適用于受控分配目的。為 了將兩炔基材結(jié)合在一起，可以通過旋涂或絲網(wǎng)印刷向一塊或兩炔基材上的密封表面施加 玻璃玻璃料層。涂覆了玻璃料的基材初始在較低溫度下經(jīng)受有機燒盡步驟（例如250°C持 續(xù)30分鐘），以去除有機載體。然后將待結(jié)合的兩炔基材沿著各自的密封表面進(jìn)行組裝/ 配對，然后基材對放在晶片粘合劑中。在很好限定的溫度和壓力下進(jìn)行熱壓縮循環(huán)，從而使 得玻璃玻璃料熔融形成緊密的玻璃密封。除了某些含鉛組合物之外，玻璃玻璃料材料通常 具有大于450°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因而需要在提升的溫度下進(jìn)行加工以形成阻隔層。該高溫 密封過程對于溫度敏感的工件會是有害的。此外，負(fù)CTE無機填料（其用于降低典型基材和 玻璃玻璃料之間的熱膨脹系數(shù)的失配）會結(jié)合到粘結(jié)接合件中，并導(dǎo)致基本不透明的基于 玻璃料的阻隔層?；谝陨纤?，會希望在低溫下形成玻璃-玻璃、玻璃-金屬、玻璃-陶 瓷以及其他密封，它們是透明且密封的。
[0005] 雖然玻璃基材的常規(guī)激光焊接可采用超高激光功率裝置，接近激光燒蝕的該操作 通常對玻璃基材的損壞加倍，并且實現(xiàn)低質(zhì)量的密封。此外，此類常規(guī)方法增加了所得到的 裝置的不透明性并且還提供了低質(zhì)量的密封。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的實施方式一般地涉及密封阻隔層，更具體地，涉及采用吸收薄膜對固體 結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封的方法和組合物。本發(fā)明的實施方式提供了在密封過程中使用具有吸收性 的薄膜作為界面引發(fā)劑，對玻璃片和其他材料片進(jìn)行激光焊接或密封工藝。根據(jù)一些實施 方式的示例性激光焊接條件可適用于焊接界面?zhèn)鲗?dǎo)膜，其對于傳導(dǎo)率的下降是可忽略不計 的。因而，此類實施方式可用于形成有源器件（例如0LED)或其他器件的密封封裝，并且實 現(xiàn)了合適的玻璃或半導(dǎo)體封裝的廣泛、大體積制造。應(yīng)注意的是，術(shù)語密封、結(jié)合、粘結(jié)和焊 接在本發(fā)明中可以互換使用并且被互換使用。此類使用不應(yīng)該限制所附權(quán)利要求書的范 圍。還應(yīng)注意的是，在本發(fā)明中，當(dāng)術(shù)語玻璃和無機物用于對名詞膜進(jìn)行修飾時，它們可互 換使用，并且此類使用不應(yīng)該限制所附權(quán)利要求書的范圍。
[0007] 本發(fā)明的實施方式提供了激光密封工藝，例如，激光焊接、擴(kuò)散焊接等，它們可以 在兩塊玻璃之間的界面處提供吸收膜。處于穩(wěn)定狀態(tài)的吸收可以大于或者高至約70%，或 者可以小于或者低至約10%。后者取決于在入射激光波長，由于外來色中心（例如，雜質(zhì)或 摻雜劑）或者玻璃固有的內(nèi)在色中心，結(jié)合示例性激光吸收膜所導(dǎo)致的玻璃基材內(nèi)的色中 心的形成。膜的一些非限制性例子包括Sn0 2、ZnO、Ti02、ΙΤ0、Tg〈600°C的UV吸收玻璃膜、 低熔融玻璃（LMG)或者低液相線溫度（LLT)膜（對于不具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的材料而言），它 們可用于玻璃基材的界面處。LLT材料可包括但不限于，陶瓷、玻璃-陶瓷和玻璃材料，僅僅 舉例而言。例如，LLT玻璃可以包括氟磷酸錫玻璃、鎢摻雜的氟磷酸錫玻璃、硫?qū)倩锊ＡА?亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃。在另一個非限制性實施方式中，密封材料可以是 含Sn 2+的無機氧化物材料，例如SnO、SnO+P 205和SnO+BPO 4。其他非限制性例子可以包括近 紅外（NIR)吸收玻璃膜，其吸收峰在波長>800nm處。采用這些材料的焊接可以提供具有足 夠UV或NIR吸收的可見光透射，從而引發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)的溫和擴(kuò)散焊接。這些材料還可提供具 有適用于擴(kuò)散焊接的局部密封溫度的透明激光焊接。此類擴(kuò)散焊接產(chǎn)生相應(yīng)玻璃基材的低 功率與溫度的激光焊接，并且可產(chǎn)生具有有效且快速焊接速度的優(yōu)異透明焊接。根據(jù)本發(fā) 明的實施方式的示例性激光焊接工藝還可依賴于超越色中心的形成的光誘發(fā)的吸收性質(zhì)， 從而包含溫度誘發(fā)的吸收。
[0008] 本文描述了采用紅外吸收（IRA)材料或紫外吸收（UVA)材料或者低熔融無機 (LMG)材料的界面薄膜來引發(fā)密封，通過激光將透明玻璃片焊接在一起的現(xiàn)象。在示例性實 施方式中，描述了實現(xiàn)形成強結(jié)合的三個關(guān)鍵條件：（1)示例性LMG或UVA或IRA膜可以在 透明窗口外的入射波長（約為420_750nm)處充分吸收，從而將足夠的熱量擴(kuò)散進(jìn)入玻璃基 材中，并且因此，玻璃基材可以展現(xiàn)出（2)溫度誘發(fā)的吸收，以及（3)在入射波長處形成短 暫的色中心。測量暗示形成了熱壓縮擴(kuò)散焊接機制，定性地導(dǎo)致形成非常強的結(jié)合。本文 還描述了與焊接過程相關(guān)的溫度事件的演變以及激光焊接中的色中心形成過程的明確普 遍性。還討論了 LMG或UVA材料與Eagle XG@材料之間的CTE失配不相關(guān)性，以及600°C 的熱循環(huán)之后的焊接后強度增加。一些實施方式還討論了關(guān)于通過采用導(dǎo)熱板，將具有不 同厚度的玻璃片焊接在一起。本文所述的實施方式因而可以為無源器件和有源器件都能提 供形成密封封裝的能力，這可包括與使用LMG或UVA界面材料相關(guān)的激光密封屬性。示例 性屬性包括但不限于，透明度、強度、薄度、可見光譜的高透射率、"生坯"組合物、LMG或UVA 膜與玻璃基材之間的CTE失配不相關(guān)性以及低熔融溫度。
[0009] 本發(fā)明的其他實施方式提供了激光密封工藝，其形成了低溫結(jié)合并且具有"直接 玻璃密封"，其中，透明玻璃可以被密封，從而在導(dǎo)致可見光波長400-700nm的不透明密封的 入射波長處吸收玻璃。對于示例性實施方式，玻璃在入射激光波長和可見波長范圍都是透 明或者基本上是透明的。所得到的密封在可見波長范圍也是透明的，這使得它對于發(fā)光應(yīng) 用是具有吸引力的，因為在密封位置沒有吸收光，因而沒有與密封相關(guān)的熱積累。此外，由 于可以在整個覆蓋玻璃上施加膜，所以對于密封操作無需精確地分配密封玻璃料糊料，從 而為裝置制造商提供了大的自由度來改變它們的密封式樣而無需對密封區(qū)域進(jìn)行特殊圖 案化和加工。在其他實施方式中，還可在玻璃區(qū)域的某些點位上進(jìn)行密封，為機械穩(wěn)定性提 供非密封粘合。此外，可以在具有曲線形表面上進(jìn)行此類密封。
[0010] 本發(fā)明的實施方式提供低熔融溫度材料，其可用于將玻璃片激光焊接到一起， 這涉及無論玻璃的不同CTE的情況下，對任意玻璃進(jìn)行焊接。其他實施方式可以提供玻 璃基材的對稱焊接（即厚-厚），例如Eagle-Eagle、Lotus-Lotus等。一些實施方式可 以采用導(dǎo)熱板，提供玻璃基材的不對稱焊接（即，薄-厚），例如Willow-Eagle XGk、 Eagle-Lotus (即，薄-?。agle-恪融二氧化娃、Willow-Willow、恪融二氧化娃-恪融二 氧化硅等。其他實施方式可以提供完全不同基材的焊接（玻璃與陶瓷、玻璃與金屬等），并 且可以提供透明和/或半透明焊接線。一些實施方式可以為薄的、不可透過的"生坯"材料 提供焊接，并且可以在具有顯著不同CTE的兩種基材或材料之間提供強焊接。
[0011] -些實施方式還提供用于將玻璃封裝激光焊接到一起的材料，從而實現(xiàn)了對于氧 和水分的侵襲發(fā)生降解是敏感的無源器件和有源器件的長期密封操作。示例性LMG或其他 薄的吸收膜密封可以在采用激光吸收對粘結(jié)表面進(jìn)行組裝之后進(jìn)行熱活化，并且可享有較 高的制造效率，因為每個工作裝置的密封速率受到熱活化和粘結(jié)形成所確定而不是在真空 或惰性氣體組裝線中的在線薄膜沉積對器件進(jìn)行包封的速率所決定。示例性LMG、LLT和 UV或NIR-IR密封中的其他薄吸收膜還可實現(xiàn)大片多器件密封，后續(xù)劃線或切割成單個器 件（單片），并且得益于高的機械完整度，單片的產(chǎn)率會是高的。
[0012] 在一些實施方式中，對工件進(jìn)行粘結(jié)的方法包括：在第一基材的表面上形成無機 膜，在第一基材和第二基材之間布置待保護(hù)的工件，其中，膜與第二基材接觸，以及通過用 具有預(yù)定波長的激光輻射對膜進(jìn)行局部加熱，從而將工件粘結(jié)在第一和第二基材之間。無 機膜、第一基材或第二基材可以是在約為420-750nm是可透射的。
[0013] 在其他實施方式中，提供了粘結(jié)裝置，其包括：形成在第一基材的表面上的無機 膜，以及第一基材和第二基材之間得到保護(hù)的器件，其中，無機膜與第二基材接觸。在該實 施方式中，裝置包括在第一和第二基材之間形成的粘結(jié)，其是由于第一或第二基材中的雜 質(zhì)組合物的作用以及由于無機膜的組合物的作用，通過用具有預(yù)定波長的激光輻射對無機 膜進(jìn)行局部加熱形成的。此外，無機膜、第一基材或第二基材可以是在約為420-750nm是可 透射的。
[0014] 在其他實施方式中，提供了對器件進(jìn)行保護(hù)的方法，其包括：在第一基材的第一部 分表面上形成無機膜層，將待保護(hù)的器件布置在第一基材和第二基材之間，其中，密封層與 第二基材接觸，以及用激光輻射對無機膜層和第一基材與第二基材進(jìn)行局部加熱，從而使 得密封層和基材熔化，在基材之間形成密封。第一基材可以包括玻璃或玻璃陶瓷，第二基材 可以包括玻璃、金屬、玻璃陶瓷或陶瓷。
[0015] 在以下的詳細(xì)描述中給出了要求保護(hù)的主題內(nèi)容的其他特征和優(yōu)點，其中的部分 特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下 詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的所要求保護(hù)的主題而被認(rèn)識。
[0016] 應(yīng)理解的是，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都介紹了本發(fā)明的實施方式， 用來提供理解要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā) 明的進(jìn)一步的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖舉例說明了本 發(fā)明的各種實施方式，并與描述一起用來解釋所要求保護(hù)的主題的原理和操作。
【附圖說明】
[0017] 出于示意性目的提供這些附圖，應(yīng)理解的是，本文所揭示和所述的實施方式不限 制所示的布置和工具。
[0018] 圖1是用于根據(jù)本發(fā)明的實施方式的激光焊接的示例性過程圖。
[0019] 圖2是根據(jù)一個實施方式的通過激光密封形成密封裝置的示意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明主題的另一個實施方式的附圖。
[0021] 圖4是用于評估激光焊接粘結(jié)區(qū)的物理范圍的實驗布置圖。
[0022] 圖5是破裂樣品的顯微圖像。
[0023] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的建模方案圖。
[0024] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一個建模方案。
[0025] 圖8是用于通過Eagle 0· 7mm玻璃基材的355nm激光透射率（％ T)的實驗布置 圖，其用于％ T vs時間測量。
[0026] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的附圖。
[0027] 圖10是一系列分析在玻璃界面處從LMG膜層擴(kuò)散進(jìn)入Eagle HO?玻璃基材的圖。
[0028] 圖11是不同厚度玻璃片之間的激光焊接性能的示意圖。
[0029] 圖12是評定ITO導(dǎo)線上的激光焊接程度的實驗的示意圖。
[0030] 圖13提供ITO圖案化膜上形成的激光密封線的照片。
[0031] 圖14是圖案化膜上形成的其他激光密封線的一系列照片。
[0032] 圖15是根據(jù)一些實施方式的另一個方法的簡化圖。
[0033] 圖16是用于一些實施方式的兩層激光加熱表面吸收模型。
[0034] 圖17是一些實施方式的一系列溫度變化圖。
[0035] 圖18是一些實施方式的一系列激光掃過停留時間內(nèi)沉積的平均能量圖。
[0036] 圖19是用IR輻射源加熱過程中，Eagle XG8和Lotus X#玻璃在355nm處的透 射率。
[0037] 圖20是一些實施方式的加熱過程中，355nm處的玻璃透射率。
[0038] 圖21是一些實施方式的UV輻射過程中以及UV輻射之后，對于膜和基材透射率的 影響圖。
[0039] 圖22是一些實施方式的吸收vs波長圖。
[0040] 圖23是Eagle XG _玻璃上的示例性低熔融玻璃膜的激光密封線或粘結(jié)線的照 片。
[0041] 圖24是Eagle XG#玻璃上的示例性低熔融玻璃膜的交叉激光密封線的照片。
[0042] 圖25是一些實施方式的激光焊接過程中觀察到的界面接觸幾何形貌范圍的示意 圖。
[0043] 圖26是在施加恒定壓力Pext下，對界面間隙區(qū)域進(jìn)行激光焊接過程中，相對接觸 面積4/A。的演變示意圖。
[0044] 圖27顯示采用典型激光焊接條件，在一個實施方式的激光掃過區(qū)域上的輪廓測 定儀痕跡。
[0045] 圖28是提供了一些實施方式的焊接速率評估對比的一系列附圖。
[0046] 圖29是一些實施方式的偏光測定和圖像的示意圖。
[0047] 圖30是提供來自示例性焊接線的應(yīng)力位置的附圖。
[0048] 圖31是根據(jù)一些實施方式的激光焊接的鈉鈣玻璃的一系列照片。
[0049] 圖32是一些實施方式的示意圖。
[0050] 圖33和34是一些實施方式中的焊接線的照片。
[0051] 雖然本文可包含一些具體情況，但是它們不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的范圍的限制， 而是對于具體的特定實施方式的特征的描述。
【具體實施方式】
[0052] 參照附圖描述了用于發(fā)光涂層和器件的各種實施方式，其中，為了幫助理解，相同 元素具有相同附圖標(biāo)記。
[0053] 還應(yīng)理解，除非另外指出，術(shù)語如"頂部"、"底部"、"向外"、"向內(nèi)"等是方便用語， 不構(gòu)成對