采用低熔融玻璃或薄吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接的制作方法
【专利说明】采用低熔融玻璃或薄吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请是以下专利申请的共同待审申请并且要求它们的优先权：2013年5月10 日提交的题为 "Laser Welding Transparent Glass Sheet Using Low Melting Glass Film(采用低熔融玻璃膜对透明玻璃片进行激光焊接）"的美国临时申请第61/822, 048 号，2013 年 10 月 4 日提交的题为"Laser Welding Transparent Glass Sheets Using Ultraviolet Absorbing Film(采用紫外吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接）"的美国临 时申请第61/886, 928号，以及2013年5月31日提交的题为"Laser Sealing Using Low Melting Temperature Glass for Hermetic Devices (用于密封装置的采用低恪融温度玻 璃的激光密封）"的美国临时申请第61/829, 379号，它们全文分别通过引用结合入本文。 技术背景
[0003] 许多现代化装置要求密封环境来进行操作，并且它们中的许多是要求电偏置的 "有源"器件。需要透光性和偏压的显示器（例如有机发光二极管（OLED))是高要求应用， 因为它们使用电子注入材料所以需要绝对密封性。否则的话，这些材料通常在气氛中会在 数秒内分解，所以相应器件应该在长时间段内维持真空或惰性气氛。此外，由于待包封有机 材料的高温敏感性，应该在接近环境温度下进行密封操作。
[0004] 例如，基于玻璃料的密封剂包含被研磨成粒度通常约为2-150微米的玻璃材料。 对于玻璃料密封应用，将玻璃玻璃料材料通常与具有相似粒度的负CTE材料混合，并使用 有机溶剂或粘合剂将所得混合物掺混成糊料。示例性的负CTE有机填料包括堇青石颗粒 (例如Mg 2AUAlSi5O1J)、硅酸钡、β-锂霞石、钒酸锆（ZrV2O 7)或者钨酸锆（ZrW2O8),将它们 加入到玻璃玻璃料中，形成糊料，从而降低基材和玻璃玻璃料之间的热膨胀系数失配。溶剂 用来调节结合的粉末和有机粘合剂糊料的流变性粘度，并且必须适用于受控分配目的。为 了将两炔基材结合在一起，可以通过旋涂或丝网印刷向一块或两炔基材上的密封表面施加 玻璃玻璃料层。涂覆了玻璃料的基材初始在较低温度下经受有机烧尽步骤（例如250°C持 续30分钟），以去除有机载体。然后将待结合的两炔基材沿着各自的密封表面进行组装/ 配对，然后基材对放在晶片粘合剂中。在很好限定的温度和压力下进行热压缩循环，从而使 得玻璃玻璃料熔融形成紧密的玻璃密封。除了某些含铅组合物之外，玻璃玻璃料材料通常 具有大于450°C的玻璃转化温度，因而需要在提升的温度下进行加工以形成阻隔层。该高温 密封过程对于温度敏感的工件会是有害的。此外，负CTE无机填料（其用于降低典型基材和 玻璃玻璃料之间的热膨胀系数的失配）会结合到粘结接合件中，并导致基本不透明的基于 玻璃料的阻隔层。基于以上所述，会希望在低温下形成玻璃-玻璃、玻璃-金属、玻璃-陶 瓷以及其他密封，它们是透明且密封的。
[0005] 虽然玻璃基材的常规激光焊接可采用超高激光功率装置，接近激光烧蚀的该操作 通常对玻璃基材的损坏加倍，并且实现低质量的密封。此外，此类常规方法增加了所得到的 装置的不透明性并且还提供了低质量的密封。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施方式一般地涉及密封阻隔层，更具体地，涉及采用吸收薄膜对固体 结构进行密封的方法和组合物。本发明的实施方式提供了在密封过程中使用具有吸收性 的薄膜作为界面引发剂，对玻璃片和其他材料片进行激光焊接或密封工艺。根据一些实施 方式的示例性激光焊接条件可适用于焊接界面传导膜，其对于传导率的下降是可忽略不计 的。因而，此类实施方式可用于形成有源器件（例如0LED)或其他器件的密封封装，并且实 现了合适的玻璃或半导体封装的广泛、大体积制造。应注意的是，术语密封、结合、粘结和焊 接在本发明中可以互换使用并且被互换使用。此类使用不应该限制所附权利要求书的范 围。还应注意的是，在本发明中，当术语玻璃和无机物用于对名词膜进行修饰时，它们可互 换使用，并且此类使用不应该限制所附权利要求书的范围。
[0007] 本发明的实施方式提供了激光密封工艺，例如，激光焊接、扩散焊接等，它们可以 在两块玻璃之间的界面处提供吸收膜。处于稳定状态的吸收可以大于或者高至约70%，或 者可以小于或者低至约10%。后者取决于在入射激光波长，由于外来色中心（例如，杂质或 掺杂剂）或者玻璃固有的内在色中心，结合示例性激光吸收膜所导致的玻璃基材内的色中 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)或者低液相线温度（LLT)膜（对于不具有玻璃转化温度的材料而言），它 们可用于玻璃基材的界面处。LLT材料可包括但不限于，陶瓷、玻璃-陶瓷和玻璃材料，仅仅 举例而言。例如，LLT玻璃可以包括氟磷酸锡玻璃、钨掺杂的氟磷酸锡玻璃、硫属化物玻璃、 亚碲酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。在另一个非限制性实施方式中，密封材料可以是 含Sn 2+的无机氧化物材料，例如SnO、SnO+P 205和SnO+BPO 4。其他非限制性例子可以包括近 红外（NIR)吸收玻璃膜，其吸收峰在波长>800nm处。采用这些材料的焊接可以提供具有足 够UV或NIR吸收的可见光透射，从而引发稳定状态的温和扩散焊接。这些材料还可提供具 有适用于扩散焊接的局部密封温度的透明激光焊接。此类扩散焊接产生相应玻璃基材的低 功率与温度的激光焊接，并且可产生具有有效且快速焊接速度的优异透明焊接。根据本发 明的实施方式的示例性激光焊接工艺还可依赖于超越色中心的形成的光诱发的吸收性质， 从而包含温度诱发的吸收。
[0008] 本文描述了采用红外吸收（IRA)材料或紫外吸收（UVA)材料或者低熔融无机 (LMG)材料的界面薄膜来引发密封，通过激光将透明玻璃片焊接在一起的现象。在示例性实 施方式中，描述了实现形成强结合的三个关键条件：（1)示例性LMG或UVA或IRA膜可以在 透明窗口外的入射波长（约为420_750nm)处充分吸收，从而将足够的热量扩散进入玻璃基 材中，并且因此，玻璃基材可以展现出（2)温度诱发的吸收，以及（3)在入射波长处形成短 暂的色中心。测量暗示形成了热压缩扩散焊接机制，定性地导致形成非常强的结合。本文 还描述了与焊接过程相关的温度事件的演变以及激光焊接中的色中心形成过程的明确普 遍性。还讨论了 LMG或UVA材料与Eagle XG@材料之间的CTE失配不相关性，以及600°C 的热循环之后的焊接后强度增加。一些实施方式还讨论了关于通过采用导热板，将具有不 同厚度的玻璃片焊接在一起。本文所述的实施方式因而可以为无源器件和有源器件都能提 供形成密封封装的能力，这可包括与使用LMG或UVA界面材料相关的激光密封属性。示例 性属性包括但不限于，透明度、强度、薄度、可见光谱的高透射率、"生坯"组合物、LMG或UVA 膜与玻璃基材之间的CTE失配不相关性以及低熔融温度。
[0009] 本发明的其他实施方式提供了激光密封工艺，其形成了低温结合并且具有"直接 玻璃密封"，其中，透明玻璃可以被密封，从而在导致可见光波长400-700nm的不透明密封的 入射波长处吸收玻璃。对于示例性实施方式，玻璃在入射激光波长和可见波长范围都是透 明或者基本上是透明的。所得到的密封在可见波长范围也是透明的，这使得它对于发光应 用是具有吸引力的，因为在密封位置没有吸收光，因而没有与密封相关的热积累。此外，由 于可以在整个覆盖玻璃上施加膜，所以对于密封操作无需精确地分配密封玻璃料糊料，从 而为装置制造商提供了大的自由度来改变它们的密封式样而无需对密封区域进行特殊图 案化和加工。在其他实施方式中，还可在玻璃区域的某些点位上进行密封，为机械稳定性提 供非密封粘合。此外，可以在具有曲线形表面上进行此类密封。
[0010] 本发明的实施方式提供低熔融温度材料，其可用于将玻璃片激光焊接到一起， 这涉及无论玻璃的不同CTE的情况下，对任意玻璃进行焊接。其他实施方式可以提供玻 璃基材的对称焊接（即厚-厚），例如Eagle-Eagle、Lotus-Lotus等。一些实施方式可 以采用导热板，提供玻璃基材的不对称焊接（即，薄-厚），例如Willow-Eagle XGk、 Eagle-Lotus (即，薄-薄）、Eagle-恪融二氧化娃、Willow-Willow、恪融二氧化娃-恪融二 氧化硅等。其他实施方式可以提供完全不同基材的焊接（玻璃与陶瓷、玻璃与金属等），并 且可以提供透明和/或半透明焊接线。一些实施方式可以为薄的、不可透过的"生坯"材料 提供焊接，并且可以在具有显著不同CTE的两种基材或材料之间提供强焊接。
[0011] -些实施方式还提供用于将玻璃封装激光焊接到一起的材料，从而实现了对于氧 和水分的侵袭发生降解是敏感的无源器件和有源器件的长期密封操作。示例性LMG或其他 薄的吸收膜密封可以在采用激光吸收对粘结表面进行组装之后进行热活化，并且可享有较 高的制造效率，因为每个工作装置的密封速率受到热活化和粘结形成所确定而不是在真空 或惰性气体组装线中的在线薄膜沉积对器件进行包封的速率所决定。示例性LMG、LLT和 UV或NIR-IR密封中的其他薄吸收膜还可实现大片多器件密封，后续划线或切割成单个器 件（单片），并且得益于高的机械完整度，单片的产率会是高的。
[0012] 在一些实施方式中，对工件进行粘结的方法包括：在第一基材的表面上形成无机 膜，在第一基材和第二基材之间布置待保护的工件，其中，膜与第二基材接触，以及通过用 具有预定波长的激光辐射对膜进行局部加热，从而将工件粘结在第一和第二基材之间。无 机膜、第一基材或第二基材可以是在约为420-750nm是可透射的。
[0013] 在其他实施方式中，提供了粘结装置，其包括：形成在第一基材的表面上的无机 膜，以及第一基材和第二基材之间得到保护的器件，其中，无机膜与第二基材接触。在该实 施方式中，装置包括在第一和第二基材之间形成的粘结，其是由于第一或第二基材中的杂 质组合物的作用以及由于无机膜的组合物的作用，通过用具有预定波长的激光辐射对无机 膜进行局部加热形成的。此外，无机膜、第一基材或第二基材可以是在约为420-750nm是可 透射的。
[0014] 在其他实施方式中，提供了对器件进行保护的方法，其包括：在第一基材的第一部 分表面上形成无机膜层，将待保护的器件布置在第一基材和第二基材之间，其中，密封层与 第二基材接触，以及用激光辐射对无机膜层和第一基材与第二基材进行局部加热，从而使 得密封层和基材熔化，在基材之间形成密封。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、金属、玻璃陶瓷或陶瓷。
[0015] 在以下的详细描述中给出了要求保护的主题内容的其他特征和优点，其中的部分 特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下 详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的所要求保护的主题而被认识。
[0016] 应理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述都介绍了本发明的实施方式， 用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发 明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本 发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释所要求保护的主题的原理和操作。
【附图说明】
[0017] 出于示意性目的提供这些附图，应理解的是，本文所揭示和所述的实施方式不限 制所示的布置和工具。
[0018] 图1是用于根据本发明的实施方式的激光焊接的示例性过程图。
[0019] 图2是根据一个实施方式的通过激光密封形成密封装置的示意图。
[0020] 图3是本发明主题的另一个实施方式的附图。
[0021] 图4是用于评估激光焊接粘结区的物理范围的实验布置图。
[0022] 图5是破裂样品的显微图像。
[0023] 图6是根据本发明的一些实施方式的建模方案图。
[0024] 图7是根据本发明的实施方式的另一个建模方案。
[0025] 图8是用于通过Eagle 0· 7mm玻璃基材的355nm激光透射率（％ T)的实验布置 图，其用于％ T vs时间测量。
[0026] 图9是根据本发明的一个实施方式的附图。
[0027] 图10是一系列分析在玻璃界面处从LMG膜层扩散进入Eagle HO?玻璃基材的图。
[0028] 图11是不同厚度玻璃片之间的激光焊接性能的示意图。
[0029] 图12是评定ITO导线上的激光焊接程度的实验的示意图。
[0030] 图13提供ITO图案化膜上形成的激光密封线的照片。
[0031] 图14是图案化膜上形成的其他激光密封线的一系列照片。
[0032] 图15是根据一些实施方式的另一个方法的简化图。
[0033] 图16是用于一些实施方式的两层激光加热表面吸收模型。
[0034] 图17是一些实施方式的一系列温度变化图。
[0035] 图18是一些实施方式的一系列激光扫过停留时间内沉积的平均能量图。
[0036] 图19是用IR辐射源加热过程中，Eagle XG8和Lotus X#玻璃在355nm处的透 射率。
[0037] 图20是一些实施方式的加热过程中，355nm处的玻璃透射率。
[0038] 图21是一些实施方式的UV辐射过程中以及UV辐射之后，对于膜和基材透射率的 影响图。
[0039] 图22是一些实施方式的吸收vs波长图。
[0040] 图23是Eagle XG _玻璃上的示例性低熔融玻璃膜的激光密封线或粘结线的照 片。
[0041] 图24是Eagle XG#玻璃上的示例性低熔融玻璃膜的交叉激光密封线的照片。
[0042] 图25是一些实施方式的激光焊接过程中观察到的界面接触几何形貌范围的示意 图。
[0043] 图26是在施加恒定压力Pext下，对界面间隙区域进行激光焊接过程中，相对接触 面积4/A。的演变示意图。
[0044] 图27显示采用典型激光焊接条件，在一个实施方式的激光扫过区域上的轮廓测 定仪痕迹。
[0045] 图28是提供了一些实施方式的焊接速率评估对比的一系列附图。
[0046] 图29是一些实施方式的偏光测定和图像的示意图。
[0047] 图30是提供来自示例性焊接线的应力位置的附图。
[0048] 图31是根据一些实施方式的激光焊接的钠钙玻璃的一系列照片。
[0049] 图32是一些实施方式的示意图。
[0050] 图33和34是一些实施方式中的焊接线的照片。
[0051] 虽然本文可包含一些具体情况，但是它们不应该理解为对本发明的范围的限制， 而是对于具体的特定实施方式的特征的描述。
【具体实施方式】
[0052] 参照附图描述了用于发光涂层和器件的各种实施方式，其中，为了帮助理解，相同 元素具有相同附图标记。
[0053] 还应理解，除非另外指出，术语如"顶部"、"底部"、"向外"、"向内"等是方便用语， 不构成对