激光键合的有限元仿真及工艺参数优化

在硅/玻璃激光键合中,温度场的分布是影响晶片能否键合的关键因素.本文利用有限元法建立了移动高斯热源作用下硅/玻璃激光键合的三维温度场数值分析模型.运用该模型计算了不同的工艺参数条件下硅/玻璃的温度场分布,并由此得出键合线宽.然后通过漏选试验确定影响激光键合的主要工艺参数有激光功率、激光扫描速度及键合初始温度.最后通过对仿真结果进行回归分析,得到激光键合工艺的最优参数,为进一步研究激光键合工艺提供了理论依据.     

无压力辅助硅/玻璃激光局部键合

提出了一种新的无需外压力作用的硅/玻璃激光局部键合方法,通过对晶圆进行表面活化处理,选择合适的激光参数及加工环境,成功地实现了无压力辅助硅/玻璃激光键合.同时研究了该键合工艺参数如激光功率、激光扫描速度、底板材料等的影响.实验表明,激光功率越大,扫描速度越小,键合线的宽度就越大.实验结果显示,该方法能有效减少键合片的残余应力,控制键合线宽,并能得到较好的键合强度.该工艺可为MEMS器件的封装与制造提供简洁、快速、键合区可选择的新型键合方法.     

无压力辅助硅/玻璃激光局部键合

提出了一种新的无需外压力作用的硅/玻璃激光局部键合方法,通过对晶圆进行表面活化处理,选择合适的激光参数及加工环境,成功地实现了无压力辅助硅/玻璃激光键合.同时研究了该键合工艺参数如激光功率、激光扫描速度、底板材料等的影响.实验表明,激光功率越大,扫描速度越小,键合线的宽度就越大.实验结果显示,该方法能有效减少键合片的残余应力,控制键合线宽,并能得到较好的键合强度.该工艺可为MEMS器件的封装与制造提供简洁、快速、键合区可选择的新型键合方法.     

基于钛中间层的玻璃与硅激光键合互联技术

采用纳秒脉冲式紫外激光实现了含有金属中间层的玻璃与硅激光键合互联。基于激光键合的二维传热模型，通过有限元分析仿真阐述了钛中间层的作用机理。开展了钛中间层薄膜制备及激光键合工艺试验，对比了键合强度，并通过微观形貌和能谱分析，验证了钛中间层在激光键合的有益作用。最终制备了含有6μm中间金属互联层的玻璃-金属-硅键合互联结构。     

塑料芯片的红外激光加热键合研究

阐述了利用红外激光与物质相互作用的热效应实现微系统器件的局部加热键合原理 ,研究了红外激光键合塑料芯片的实施条件和键合工艺过程 ,建立了半导体激光键合实验装置 ,并实现了有机玻璃芯片的激光键合。以非硅塑料材料为主的加工工艺在微流芯片及生物芯片的研究日益受到重视 ,形成了一类新的生化微系统器件。塑料高分子材料不仅具有与生物分子化学兼容的优点 ,而且塑料种类繁多 ,价格低廉 ,且易于通过模压、注射成型和其他复制技术实现大规模低成本的生产 ,克服了以硅或玻璃材料为主的加工工艺生产生物微系统的高成本低产量的局限性。随着…     

Si/Glass激光键合的仿真及实验研究

对Si/Glass激光键合进行了有限元仿真,自主设计激光键合系统并进行了Si/Glass激光键合实验研究、测试与表征。以Si/Glass激光键合的二维传热解析模型为理论基础,应用有限元软件ANSYS仿真了激光功率20～48W时激光键合的三维温度场、键合熔融深度,并预测键合阈值功率为28 W。自主设计激光键合系统及实验方案,采用光斑直径150μm、功率30W的Nd:YAG连续激光实现了Si/Glass的良好激光键合。测试结果表明,激光键合强度最高为阳极键合的5.2倍,激光键合腔体气密性测试泄漏率平均值约9.29×10-9 Pa.m3/s,与阳极键合处于同一数量级。采用能谱分析(EDS)线扫描Si/Glass激光键合的界面材料成分,发现键合界面形成过渡层,激光功率30W时过渡层厚度9μm,与仿真结果吻合。     

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

对常规激光键合在Si-玻璃键合工艺中因高温而引起的负面效应进行了分析,从而设计出芯片表面活化预键合与激光键合工艺相结合的方法.该方法已用于微电子机械系统(MEMS)样片封装实验中.实验过程是:先用一种特殊的化学方法形成亲水表面,然后将Si和玻璃置于室温下进行预键合,最后取波长1064nm、光斑直径500μm、功率70W的Nd∶YAG激光器作局部激光加热.结果表明,该方法在不施加外力下能实现无损伤低温键合,同时拉伸实验也说明了样片键合强度达到2.6～3.0MPa,从而既保证了MEMS芯片的封装质量又降低了其封装成本.     

硅/玻璃紫外固化中间层键合

利用玻璃的透光特性和紫外固化的成熟技术,研究了一种使用紫外固化胶作为中间层的玻璃/硅室温键合工艺.通过选择一定波段的紫外固化胶,旋涂紫外胶后使用365nm光刻机作为紫外光源控制紫外固化,从而实现了硅/玻璃的中间层键合.分析测试结果表明,紫外固化辅助的中间层键合可以成功应用于硅/玻璃键合,中间层厚5～6μm,键合强度达到26MPa.该工艺只需室温条件,简单高效,成本低廉,无需额外的压力或电场,对于硅/玻璃低温键合封装具有潜在的应用价值.     

硅/玻璃紫外固化中间层键合

利用玻璃的透光特性和紫外固化的成熟技术,研究了一种使用紫外固化胶作为中间层的玻璃/硅室温键合工艺.通过选择一定波段的紫外固化胶,旋涂紫外胶后使用365nm光刻机作为紫外光源控制紫外固化,从而实现了硅/玻璃的中间层键合.分析测试结果表明,紫外固化辅助的中间层键合可以成功应用于硅/玻璃键合,中间层厚5～6μm,键合强度达到26MPa.该工艺只需室温条件,简单高效,成本低廉,无需额外的压力或电场,对于硅/玻璃低温键合封装具有潜在的应用价值.     

硅/玻璃键合技术在RF-MEMS开关制作中的应用

介绍了一种新的RF-MEMS开关制作工艺,利用静电键合技术将表面微加工工艺与体硅加工工艺结合在一起完成开关上下电极的组合;说明了如何在普通环境下进行图形对准;通过静电力的理论计算和键合试验,分析了铝台阶对硅/玻璃静电键合的影响,得出铝台阶厚度低于100nm时键合效果较好;对有无铝台阶时的静电键合电流特性进行比较,分析了硅/玻璃界面电荷分布及其运动情况,为RF-MEMS开关的设计与制作提供了有意义的参考。     

激光透射焊接聚碳酸酯的有限元分析

为了研究激光透射焊接塑料过程中温度分布对焊接显微结构和强度的影响,采用ABAQUS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接聚碳酸酯(PC)的三维有限元热分析模型,通过子程序DFLUX和FORTRAN语言编程实现超高斯型热源的动态加载,有限元分析得到激光透射连接过程中温度场的分布。结果表明:当激光功率P=40 W,焊接速度v=40 mm/s时,焊接温度达到333.8℃,焊接强度最高(1.3 kN),焊接质量最好;当焊接速度v=10 mm/s时,最高温度达到589.5℃,拉伸强度为0.4 kN。当激光功率为40 W,焊接速度为100 mm/s时,焊接温度达到165.5℃,拉伸强度为0.74 kN。焊缝成形的好坏主要与焊接温度有关,可通过选择合适的工艺参数对这些缺陷进行控制。     

CO2激光切割电子强化玻璃过程的有限元模拟与实验

在激光热裂法切割玻璃的过程中,温度起着至关重要的作用。为了准确掌握切割过程中温度场的分布,提高切割质量,提出了一种CO2激光切割玻璃基板的数值模拟方法。在ANSYS有限元环境下,建立了激光热应力切割电子强化玻璃的三维有限元分析模型,对温度场进行了分析。通过实验验证,得到了切割过程中温度场在不同参数下的变化及其对切割质量的影响以及温度分布与激光功率、光斑尺寸和扫描速度的非线性关系。     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

激光熔覆Co基合金温度场的数值模拟

为了分析Co合金熔覆的温度场,采用有限元法建立了低碳钢表面上激光熔覆预置钴基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场进行了分析,并进行了验证。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,光斑附近等温面较为密集,远离光斑处等温面较稀疏;在其它工艺参量不变的情况下,扫描速率为5mm/s时熔覆过程的稀释率为8.26%,可以获得良好的冶金结合;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速率为3mm/s和4mm/s时熔覆过程中较为合适的功率分别为1.6kW和1.87kW。研究结果对工艺参量的优化和控制熔覆层稀释率提供了借鉴和指导作用。     

镀钛玻璃与PET之间的激光透射连接及其性能

激光透射连接具有生物相容性的异种材料在生物医学植入体及其封装中具有良好的应用前景。利用半导体激光器对镀钛玻璃与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)进行激光透射连接试验,其中玻璃上镀钛薄膜是通过射频磁控溅射方法完成的镀膜。通过单因素工艺研究了主要工艺参数激光功率、扫描速度和镀钛薄膜的厚度对连接强度的影响,并探讨了玻璃基片的表面粗糙度对镀钛薄膜粗糙度以及其连接强度的影响。通过搭接剪切试验得到镀钛玻璃与PET之间的连接强度,采用真彩共聚焦材料显微镜对拉伸失效后的试样表面进行观测和失效分析,使用X射线光电子能谱(XPS)检测激光透射连接过程中镀钛玻璃与PET之间化学键的形成信息。结果表明:主要工艺参数激光功率、扫描速度对连接强度有着重要影响,增加玻璃基片的粗糙度和镀钛薄膜的厚度可以提高其连接强度,为激光透射连接镀钛玻璃与聚合物提供了参考。     

聚氯乙烯激光透射焊接温度场的有限元模拟

使用ANSYS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接透明聚氯乙烯(PVC)的三维有限元热分析模型.利用APDL编程实现高斯型热源的动态加载,得到了温度场的分布;进一步分析了焊接速度、激光平均功率和光斑直径等工艺参数对焊接质量的影响,并计算出焊缝宽度.结果表明,随着焊接速度的增加,焊缝区域的最高温度逐渐降低,焊缝宽度逐渐减小;当激光平均功率增大时,焊缝区域的最高温度增高,焊缝宽度增大;而当光斑直径增大时,焊缝宽度增大,但焊缝处的最高温度有所下降.焊缝宽度计算值与实验测量值相比,二者比较吻合.     

CFRP与不锈钢激光焊接的有限元分析

为了研究碳纤维增强热塑性复合材料（CFRP）与不锈钢激光焊接的机理,及不同工艺参量对焊缝质量的影响规律,采用ANSYS建立了基于热传导焊的3维有限元模型,计算得到了温度场和应力场的分布,分析了激光功率、焊接速率和光斑直径等参量对焊缝宽度和焊接深度的影响规律,并进一步计算分析了焊接后的残余应力对焊接质量的影响情况。结果表明,该有限元模型能够快速、有效模拟激光对CFRP-不锈钢焊接温度场和残余应力分布;激光功率、焊接速率和光斑直径等工艺参量对焊缝宽度和焊接深度有着重要的影响;计算出的焊接残余应力与残余应力的理论分布规律也基本吻合,验证了该有限元模型的可靠性。该研究结果对获得高质量CFRP-不锈钢焊接接头是有帮助的。     

管材激光弯曲规律的试验研究

通过实验研究管状件激光弯曲成形的机理以及成型规律。金属管状零件的激光弯曲成形是一种利用激光加热来实现构件的柔性成形技术,其基本原理是利用高能激光束扫描金属管表面,加热区域材料的热膨胀引起材料产生堆积,冷却后,该区域材料沿轴向上的缩短,导致了金属管朝向激光束的弯曲从而最终实现无模具成形。影响金属管状零件激光弯曲成形的工艺参数主要有激光功率、扫描角度、扫描次数、光斑直径和扫描速度。通过实验研究了工艺参数对弯曲角度的影响。在一定取值范围内,增大激光功率,增大扫描角度,增加扫描次数,降低扫描速度均可以使弯曲角度变大;增大光斑直径,弯曲角度会变小。     

扫描次数对钢板激光弯曲成形影响的模拟

研究了6 mm和9 mm两种厚度的钢板在不同激光工艺参数下扫描次数对激光弯曲成形过程的影响.利用三维热力耦合有限元(FEM)模型模拟计算了激光多次扫描弯曲成形过程的温度场、应力场和弯曲角度的变化.测忖量了成形过程中温度和弯曲角度的变化,模拟结果与实验结果符合较好.模拟结果表明,每次扫描过程中温度场变化基本相同,残余应力和钢板弯曲角度随激光扫描次数的增加而增大.随着扫描次数的增加,6 mm厚钢板的弯曲角度增量减小,而9 mm厚钢板的弯曲角度呈线性增大.激光工艺参数影响钢板下表面的应变强化程度,在不同的激光工艺参数下不同厚度钢板的弯曲角度随扫描次数的增加变化规律不同.