一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法

1.本发明涉及纳秒激光技术领域，尤其是涉及一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法。


背景技术：

2.透明陶瓷材料具有优异的物理性能，其强度高、硬度大、耐磨、抗腐蚀性能好，还具有优异的光学透明性、高温稳定性和化学稳定性等优点，广泛应用于高温压力传感器衬底、微波器件窗口、智能终端产品的视窗盖板。以及led发光器件等。然而透明陶瓷在这些光学-机械器件上的应用不可避免地要面临与其自身或其他金属材料的连接问题。为了保证这些器件在应用过程中的光学特性和机械强度，要求透明陶瓷连接界面需要具有较高的强度和较低的残余应力。
3.目前国内外针对透明陶瓷与金属的连接方式主要有扩散连接、钎焊、胶粘剂粘结，但是由于两材料热膨胀系数差异较大，这些传统方式较难独自实现可靠连接，往往会存在残余应力大、接头强度低、接头脆性大、存在污染、无法加工复杂构件、连接时间长、需要加压等问题。
4.鉴于此，本发明提出了一种单晶氧化铝和金属铜的新型连接方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法，该方法相比于扩散连接、钎焊和胶粘剂粘结等传统方法，具备连接效率更高的优势。
6.本发明提供一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法，包括以下步骤：
7.使用纳秒激光扫描单晶氧化铝和金属铜的待连接处，实现对单晶氧化铝和金属铜的连接，并且具体地，所述纳秒激光的脉冲宽度为50-200ns，激光重复频率为50-500khz，激光功率为5-15w，激光光斑直径为20-50μm，扫描速度为30-200mm/s，扫描线间距40-200μm，扫描次数为1-10次。
8.在本发明的单晶氧化铝和金属铜的连接方法中，纳秒激光作用于氧化铝和金属铜的界面上时，纳秒激光的光子能量转化为电子激发能传递至下层不透明的金属铜，然后再转化为热能向氧化铝材料传递，使被连接材料发生温度升高、熔化等物理状态的变化。在纳秒激光加工过程中，氧化铝和金属铜在光化学作用下通过多光子吸收使得电子从稳态跃迁到激发态，当光子能量足够高时，即可通过打断物质的分子结合键实现两材料的连接。本发明解决了现有透明陶瓷材料和金属的连接方法工艺复杂、连接温度高和接头质量低的问题，实现了单晶氧化铝和金属铜纳秒激光微连接接头的高可靠、低应力和高精密一体化制备和有效调控，获得了具有优异综合力学性能的高精密高可靠微连接接头。
9.本发明对于纳秒激光的扫描路径不作严格限定，包括但不限于平行线型、十字交叉型、同心矩形型、同心圆型和螺旋线型中的任意一种。
10.而由于纳秒激光的空间选择性较高，因此使用纳秒激光对单晶氧化铝和金属铜进
行连接时，单晶氧化铝和金属铜的接头形式多样，包括但不限于叠放、搭接和对接中的任意一种。
11.作为本技术方案优选地，包括以下步骤：
12.s1、对待连接的单晶氧化铝和金属铜依次进行抛光处理和超声清洗，以保证待加工面清洁无污染，减少加工缺陷的发生；
13.s2、将超声清洗后的单晶氧化铝和金属铜通过夹具固定于可移动的加工平台；
14.s3、采用纳秒激光扫描连接单晶氧化铝和金属铜。
15.作为本技术方案优选地，步骤s1中，所述单晶氧化铝的抛光处理包括：采用金刚石抛光液在呢绒抛光布上对待连接的单晶氧化铝进行双面抛光10-20min，然后使用清水抛光5-10min；其中，所述金刚石抛光液的平均粒径为0.5-2μm；
16.所述金属铜的抛光处理包括：采用金刚石磨盘对金属铜进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上进行抛光打磨；其中，所述金刚石磨盘的型号为200-3000#。
17.作为本技术方案优选地，步骤s1中，所述超声清洗包括：将抛光处理后的单晶氧化铝和金属铜分别置于无水乙醇中超声清洗10-15min，并吹干。
18.此外，本发明待连接的单晶氧化铝和金属铜还可以使用商用的双面抛光单晶氧化铝和商用单面抛光金属铜。
19.作为本技术方案优选地，步骤s2中，夹具的使用是为了使单晶氧化铝和金属铜材料紧密接触，且不影响纳秒激光的激光连接过程。此外，还可以通过调整夹具的夹紧力度来调整单晶氧化铝和金属铜材料之间的间隙。具体地，当单晶氧化铝和金属铜的接头形式为叠放时，为确保纳秒激光焊接单晶氧化铝和金属铜的精度和强度，通过调整夹具的夹紧力度调节单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm，使单晶氧化铝和金属铜出现牛顿环即可；而当单晶氧化铝和金属铜的接头形式为搭接时，单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm；当单晶氧化铝和金属铜的接头形式为对接时，单晶氧化铝和金属铜的间隙小于5μm；最后将夹具和待连接的单晶氧化铝和金属铜置于待加工平台即可。
20.作为本技术方案优选地，步骤s3具体包括：调整纳秒激光光束的焦点，通过激光指示器来调整夹具放置方位，确保纳秒激光的预设扫描位置；调整纳秒激光光束焦点位置，使其聚焦到单晶蓝宝石和金属铜待连接界面处；然后，在激光器操作系统上设定纳秒激光的参数，包括：输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描路径、扫描速度、扫描线间距、扫描次数等。确认信息无误后控制激光器发射激光进行焊接即可。
21.本发明的单晶氧化铝和金属铜的连接方法，至少具有以下技术效果：
22.1、在本发明的单晶氧化铝和金属铜的连接方法中，纳秒激光作用于氧化铝和金属铜的界面上时，纳秒激光的光子能量转化为电子激发能传递至下层不透明的金属铜，然后再转化为热能向氧化铝材料传递，使被连接材料发生温度升高、熔化等物理状态的变化。氧化铝和金属铜在光化学作用下通过多光子吸收使得电子从稳态跃迁到激发态，当光子能量足够高时，即可通过打断物质的分子结合键实现两材料的连接；
23.2、本发明使用纳秒激光对单晶氧化铝和金属铜进行连接，由于纳秒激光热效应较强，相对于超快激光而言，在光化学作用下材料加工效率更高，并且通过调整纳秒激光的加工参数即可在避免材料损伤的情况下实现氧化铝与金属铜的高效连接；
24.3、本发明使用纳秒激光处理得到的单晶氧化铝和金属铜接头剪切力较高，且通过
光学、电子显微镜观察未发现裂纹，焊缝成型效果好。因此，该方法相比于扩散连接、钎焊和氧化物烧结等传统方法，具备连接效率更高的优势。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明纳秒激光焊接模型图一；
27.图2为本发明纳秒激光焊接系统十字交叉扫描路径示意图；
28.图3为本发明焊接接头搭接形式示意图；
29.图4为本发明纳秒激光焊接模型图二；
30.图5为本发明焊接试样连接实物图；
31.图6为本发明实施例1中接头剪切力试验的位移-应力曲线图。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.s11、对待连接的单晶氧化铝和金属铜依次进行抛光处理和超声清洗：将待连接的单晶氧化铝和采用0.5-2μm金刚石抛光液在呢绒抛光布上进行双面抛光15min，然后用清水抛光10min；将待连接的金属铜采用2000#金刚石磨盘进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至金相显微镜下无较大划痕；将抛光处理后的单晶氧化铝和抛光好的金属铜放入无水乙醇中于80hz超声清洗15min，使用镊子取出后吹干；
37.s12、将超声清洗后的单晶氧化铝和金属铜通过夹具固定于可移动的加工平台：将与处理好的单晶氧化铝和金属铜叠放在夹具中进行固定夹紧，调整夹具夹紧力度使单晶氧化铝和金属铜叠放时出现牛顿环即可，此时单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm；
38.s13、采用纳秒激光扫描连接单晶氧化铝和金属铜：调整纳秒激光光束的焦点，通过激光指示器来调整夹具放置方位，确保纳秒激光的预设扫描位置；调整纳秒激光光束焦点位置，使其聚焦到单晶蓝宝石和金属铜待连接界面处；然后，在激光器操作系统上设定纳
秒激光的参数：脉宽为100ns、激光重复频率为200khz、激光功率为9.5w、激光光斑直径为30μm、激光扫描速度为100mm/s，扫描次数为1次、扫描路径为十字交叉型(如图2所示)、扫描线间距d为50μm，大概为1.5倍的光斑直径。
39.实施例2
40.s21、对待连接的单晶氧化铝和金属铜依次进行抛光处理和超声清洗：将待连接的单晶氧化铝和采用0.5-2μm金刚石抛光液在呢绒抛光布上进行双面抛光10min，然后用清水抛光10min；将待连接的金属铜采用200#金刚石磨盘进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至金相显微镜下无较大划痕；将抛光处理后的单晶氧化铝和抛光好的金属铜放入无水乙醇中于80hz超声清洗10min，使用镊子取出后吹干；
41.s22、将超声清洗后的单晶氧化铝和金属铜通过夹具固定于可移动的加工平台：将与处理好的单晶氧化铝和金属铜搭接(如图4所示)，并使用夹具进行固定夹紧，调整夹具夹紧力度使单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm；
42.s23、采用纳秒激光扫描连接单晶氧化铝和金属铜：调整纳秒激光光束的焦点，通过激光指示器来调整夹具放置方位，确保纳秒激光的预设扫描位置；调整纳秒激光光束焦点位置，使其聚焦到单晶蓝宝石和金属铜待连接界面处；然后，在激光器操作系统上设定纳秒激光的参数：脉宽为100ns、激光重复频率为500khz、激光功率为11.5w、激光光斑直径为30μm、激光扫描速度在100mm/s，扫描次数为1次、扫描路径为为十字交叉型与叠放相同、扫描线间距d为120μm，大概为4倍的光斑直径。
43.对照例1
44.采用钎焊的方法对叠放的单晶氧化铝和金属铜进行连接，具体加工方法如下：
45.首先准备待连接单晶氧化铝与金属铜，对其表面进行处理，得到预处理后的单晶氧化铝与金属铜陶瓷，然后在待连接单晶氧化铝与金属铜表面进行金属化处理，形成与待连接单晶氧化铝与金属铜结合的中间金属层，中间层的热膨胀系数与两侧材料热膨胀系数相匹配。将待连接单晶氧化铝、钎料、金属铜依次叠放并进行钎焊，其中，在进行钎焊时，在马弗炉中以第一加热速率加热至第一温度，保温第一预定时间，然后以第二加热速度加热至第二温度，保温第二预定时间，再以第三加热速率加热至第三温度，保温第三预定时间，然后以一定的降温速率降温，最后随炉冷却。
46.对照例2
47.采用扩散焊连接的方法对叠放的单晶氧化铝和金属铜进行连接，具体加工方法如下：
48.将待连接单晶氧化铝和金属铜进行预处理，然后准备中间层材料，将处理好的中间层材料放在单晶氧化铝和金属铜中间，中间层材料面积应略大于两侧材料，然后通过夹具固定待连接件。将待连接件放入炉中，利用压头向装配件施加10mpa的压力，保证单晶氧化铝、金属铜与中间层材料紧密接触，抽真空至真空度达到5
×
10-3pa
时开始加热，以5～15℃/min的升温速度加热至第一温度，然后将压头向装配件施加的压力调整到20mpa，保温保压30min后以2℃/min的降温速度冷却至第二温度以下，然后取出工件，即完成。
49.由图1-6可知，通过纳秒激光扫描的方式对单晶氧化铝和金属铜进行连接，未观察到裂纹，说明焊缝成型效果好，同时经过力学性能剪切测试，根据受力与连接面积的比值，其剪切强度可以达到64mpa，已可完全满足日常工况的需求。
50.对照例1-2中传统的单晶氧化铝和金属铜连接的加工方式，所得连接件的力学性能虽也可满足日常工况的需求，但是加工过程中往往存在残余应力大、接头强度低、接头脆性大、易被污染、无法加工复杂构件、连接时间长、需要加压等问题。因此，相比于扩散连接、钎焊和胶粘剂粘结等传统方法，本发明的纳秒激光连接方式都具有不可比拟的便捷性以及环保性，本发明纳秒激光扫描加工的方法，具备操作简单、加工时间短、生产成本低，连接效率更高的优势。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：使用纳秒激光扫描单晶氧化铝和金属铜的待连接处，实现对单晶氧化铝和金属铜的连接。2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述纳秒激光的脉冲宽度为50-200ns，激光重复频率为50-500khz，激光功率为5-15w，激光光斑直径为20-50μm。3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述纳秒激光扫描时，扫描速度为30-200mm/s，扫描线间距40-200μm，扫描次数为1-10次。4.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述纳秒激光扫描的路径包括平行线型、十字交叉型、同心矩形型、同心圆型和螺旋线型中的任意一种。5.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，使用纳秒激光对单晶氧化铝和金属铜进行连接时，单晶氧化铝和金属铜的接头形式包括叠放、搭接和对接中的任意一种。6.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对待连接的单晶氧化铝和金属铜依次进行抛光处理和超声清洗；s2、将超声清洗后的单晶氧化铝和金属铜通过夹具固定于可移动的加工平台；s3、采用纳秒激光扫描连接单晶氧化铝和金属铜。7.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于，步骤s1中，所述单晶氧化铝的抛光处理包括：采用金刚石抛光液在呢绒抛光布上对待连接的单晶氧化铝进行双面抛光10-20min，然后使用清水抛光5-10min；其中，所述金刚石抛光液的平均粒径为0.5-2μm；所述金属铜的抛光处理包括：采用金刚石磨盘对金属铜进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上进行抛光打磨；其中，所述金刚石磨盘的型号为200-3000#。8.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于，步骤s1中，所述超声清洗包括：将抛光处理后的单晶氧化铝和金属铜分别置于无水乙醇中超声清洗10-15min，并吹干。9.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于，步骤s2中，单晶氧化铝和金属铜的接头形式为叠放时，通过调整夹具的夹紧力度调节单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm；单晶氧化铝和金属铜的接头形式为搭接时，单晶氧化铝和金属铜的间隙小于1μm；单晶氧化铝和金属铜的接头形式为对接时，单晶氧化铝和金属铜的间隙小于5μm。10.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于，步骤s3具体包括：调整纳秒激光光束的焦点，使其聚焦到单晶氧化铝和金属铜的连接界面处，并设定纳秒激光器的工作参数进行纳秒激光连接。

技术总结
本发明涉及纳秒激光技术领域，尤其是涉及一种单晶氧化铝和金属铜的连接方法，包括以下步骤：使用纳秒激光扫描单晶氧化铝和金属铜的待连接处，实现对单晶氧化铝和金属铜的连接，所述纳秒激光的脉冲宽度为50-200ns，激光重复频率为50-500KHz，激光功率为5-15W，激光光斑直径为20-50μm，所述纳秒激光扫描时，扫描速度为30-200mm/s，扫描线间距为40-200μm，扫描次数为1-10次。本发明使用纳秒激光对单晶氧化铝和金属铜进行连接，相比于扩散连接、钎焊和氧化物烧结等传统方法，具备连接效率更高的优势，相对于飞秒激光连接而言其成本更低，且纳秒激光器的发展更为完善适于工业应用。秒激光器的发展更为完善适于工业应用。秒激光器的发展更为完善适于工业应用。


技术研发人员：潘瑞 冯英豪 陈树君 周韬帅 杨东 董志森 蒋凡 成巍
受保护的技术使用者：山东省科学院激光研究所
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/13