摘要：据悉，中船黄埔文冲船舶有限公司、南京理工大学材料科学与工程学院、中国兵器科学研究院宁波分院的科研人员报道了玻璃焊接技术在电气应用中的进展。相关论文以“Advances of Welding Technology of Glass for Electrical
长三角G60激光联盟导读
据悉，中船黄埔文冲船舶有限公司、南京理工大学材料科学与工程学院、中国兵器科学研究院宁波分院的科研人员报道了玻璃焊接技术在电气应用中的进展。相关论文以“Advances of Welding Technology of Glass for Electrical Applications”为题发表在《Materials》上。
玻璃作为一种具有优异光学透明性和化学稳定性的非晶态材料，在半导体制造和微机电系统（MEMS）等现代工程与技术领域发挥着不可替代的作用。例如，硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数（CTE）接近硅，具有良好的抗热震性和化学稳定性，可应用于MEMS封装和航空航天领域。SiO2玻璃表现出优异的热稳定性、极低的光吸收率和高透光率，同时具有较强的化学稳定性和极低的介电损耗，广泛应用于半导体、光刻和微光学器件。然而，传统机械连接件的应力敏感性及胶接耐候性差等问题，使常规方法难以满足玻璃连接需求。焊接技术凭借高接头强度、结构完整性和适用于大规模生产等优势，已成为精密玻璃连接的关键技术。在玻璃焊接领域，玻璃钎焊、超声波焊接、阳极键合和激光焊接等技术正得到广泛研究和应用。随着激光技术的进步，激光焊接已成为突破传统工艺瓶颈的关键解决方案。本文结合这些技术的应用案例，深入研究了玻璃焊接中的残余应力控制和界面相容性设计等共性问题，并对玻璃焊接技术的未来发展进行了展望。
关键词：玻璃钎焊；超声波焊接；CO2激光器；超短脉冲激光
图1.钎焊温度（t=20min）对蓝宝石/蓝宝石接头剪切强度的影响
图2.(a)700°C保温20min后接头产物的高角度环形暗场（HAABF）TEM图像；(b)和(g)：分别为(a)中α和β区域的放大图；(c-f)和(h-k)：分别为α和β区域中B（红）、O（绿）、Al（黄）和Bi（蓝）的X射线能谱图；(l-n)：分别为(a)中A、B和C区域的选区电子衍射（SAED）图
图3.加热至750°C保温1 min后焊料和接头的微观结构与形貌：(a)Cusil活性钎料（ABA）和(c)Ticusil；(b,d) 相同ABA的不同截面
图4.Sn-Zn-Al/蓝宝石界面的TEM图像
图5.(a)SiO2玻璃/SiO2玻璃对接接头宏观形貌；不同温度下15次声振荡后SiO2玻璃/Sn-2Ti钎料界面微观结构：(b)240°C；(c)250°C；(d)270°C；(e)300°C；(f)330°C；(g)360°C
图6.(a)SiO2玻璃/SiO2玻璃对接接头宏观形貌；250°C焊接温度下不同阴极往复次数时SiO2玻璃/Sn-2Ti钎料界面微观结构：(b)1次；(c)2次；(d)4次；(e)5次；(f)10次；(g)15次
图7.直接键合示意图
图8.Ge/玻璃键合界面的HRTEM图像
图9.阳极键合实验装置示意图
图10.使用薄膜中间层进行玻璃板阳极键合的示意图
图11.玻璃-玻璃组装流程图：(a)1.准备两片玻璃晶圆；2.在玻璃晶圆上沉积薄膜层；3.玻璃-玻璃阳极键合。(b)新发明流程：1.准备两片玻璃晶圆；2.在一片玻璃晶圆上沉积p-Si薄层；3.对p-Si层进行热处理（阳极键合）；4.玻璃-玻璃阳极键合
图12.240°C保温5min后玻璃/Sn-9Zn/Cu接头的SEM图像
图13.底部基板涂有BTS粘结剂的焊接样品横截面显微图：(a)光学显微图；(b)使用环形闪烁体探测器获得的SEM显微图
图14.实验装置示意图
图15.(a)控温条件下添加粉末焊接的石英玻璃角接头；(b)使用玻璃纤维焊接的石英玻璃角接头
图16.(a)飞秒激光微焊接系统示意图；剪切外力分离后的样品：(b)上样品的下表面；(c)下样品的上表面
图17.Sm:硼酸钠与Cr掺杂硼酸钠界面附近的荧光光谱（405 nm激发：1：界面下20 µm；2：界面上20 µm；3：界面下100 µm；4：界面上100 µm；5：插图中的界面）
图18.(a)不同脉冲重复率下非线性吸收率与脉冲能量的关系；(b)不同脉冲重复率下激光焊接区域的形貌与脉冲能量的关系
图19.(a)USP激光焊接区域横截面显示双结构；(b)分别对应激光吸收区和熔化区的内外结构模拟轮廓（ZR=瑞利长度）；(c)内结构长度l与吸收激光功率Wab的关系图（f=500 kHz，τp=10 ps，λ=1064 nm，Q0=1.59 µJ，v=20 mm/s；D263玻璃）
图20.脆性断裂(a)与韧性断裂(b)
图21.零间隙与间隙焊接示意图对比
图22.激光焊接样品侧视图
图23.熔融石英中间隙距离G和脉冲能量Q0变化对应的焊接结果分类参数图（插图为四种不同焊接形貌；f=400 kHz，λ=1030 nm，τp=5.9 ps）
钎焊、超声波焊接、阳极键合和激光焊接各具独特优势，在不同应用领域中扮演重要角色。钎焊因其高接头强度和稳定性，常用于大规模生产和复杂玻璃构件的连接。超声波焊接凭借高效率和低能耗的特点，在玻璃制造行业中逐步推广。阳极键合可实现微型器件的有效连接。非金属材料的激光焊接标志着激光应用的新领域，尤其是透明材料的连接长期被视为制造领域的重大挑战。凭借高精度和局部加热能力，玻璃激光焊接在高性能光学元件和微器件制造中具有显著应用潜力。未来玻璃焊接技术将向多个相互关联的方向发展：例如超声辅助钎焊和飞秒激光焊接可增强光学材料间的直接键合，获得更高剪切强度的接头；USP激光焊接与直接键合相结合可创新性地利用物理过程优势形成新型连接方法。为进一步推广玻璃技术应用，未来可重点开展以下研究：
开展硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃和熔融石英等不同类型玻璃材料在不同能量场（激光、电场、超声波）作用下界面相容性机制的研究，为预测连接性能和选择合适焊接工艺提供理论指导。
基于CO2激光焊接、飞秒激光焊接、阳极键合和超声辅助焊接的技术特点，开发多物理场耦合仿真与实验验证方法，精确预测熔池温度场、应力场、缺陷形成机制、热循环及裂纹扩展规律，通过优化多工艺参数组合提升焊接质量与效率。
发展先进的残余应力控制与结构设计策略（包括双结构配置、中间层引入和界面化学改性等），降低裂纹风险并增强焊接接头的长期可靠性。
将实时监测技术（如红外热成像和激光干涉测量）与自适应控制算法相结合，实现加工过程中焊接参数的动态调整，提高工艺稳定性和接头一致性。同时，激光焊接需进一步提升生产效率和自动化水平，满足工业生产的效率与成本要求，并推动便携式、紧凑型和经济型焊接系统的开发与产业化应用。
Materials2025, 18(17), 4096; https://doi.org/10.3390/ma18174096
来源：江苏激光联盟
