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TWI696591B - 雷射焊接玻璃包裝件及製作其之方法 - Google Patents

雷射焊接玻璃包裝件及製作其之方法 Download PDF

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TWI696591B TW104135817A TW104135817A TWI696591B TW I696591 B TWI696591 B TW I696591B TW 104135817 A TW104135817 A TW 104135817A TW 104135817 A TW104135817 A TW 104135817A TW I696591 B TWI696591 B TW I696591B
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達比西二世里歐納
德尼卡大衛艾倫
金鎭秀
柯佛莎莉
洛古諾夫史蒂芬路夫維奇
克薩達馬克亞歷山卓
斯特列利佐夫亞歷山大米哈伊洛維奇
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Abstract

一種形成密封裝置的方法，包含提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道，其中焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-11-0001-1
<<1或<1，且σ 界面雷射焊接>10兆帕或1兆帕，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。此方法可用於製造各種不同的密封包裝件。

Description

雷射焊接玻璃包裝件及製作其之方法
本申請案主張西元2014年10月31日申請的美國專利申請案第62/073550號的優先權權益，該申請案全文內容以引用方式併入本文中。
本發明係關於雷射焊接玻璃包裝件和製作方法。
許多現代裝置需在氣密環境操作，當中有許多是需電偏壓的「主動」裝置。諸如需為透光及偏壓的有機發光二極體(OLED)等顯示器應用要求很嚴苛，此係因使用電子注入材料，以致需要絕對氣密性。該等材料在大氣壓下通常在數秒內便會分解，是以相應裝置應長時間維持真空或惰性大氣。另外，由於待封裝有機材料具高溫敏感性，故應在近周溫下進行氣密密封。
玻料基密封劑例如包括一般研磨成粒徑約2至150微米的玻璃材料。在玻料密封應用中，玻璃料材料通常與粒徑相近的負CTE材料混合，及使用有機溶劑或黏結劑將所得混合物摻合成糊膏。示例性負CTE無機填料包括堇青石顆粒(例如Mg2Al3[AlSi5O18])、鋇矽酸鹽、β-鋰霞石、釩酸鋯(ZrV2O7)或鎢酸鋯(ZrW2O8)， 並加至玻璃料而形成糊膏，以減小基板與玻璃料間的熱膨脹係數不匹配。溶劑用於調整結合粉末與有機黏結劑糊膏的流變黏度，且必須適合控制分配用途。為接合二基板，可利用旋塗或網印，將玻璃料層施用於一或二基板的密封表面。玻料塗覆基板最初在較低溫下經歷有機燃耗步驟(例如250℃，計30分鐘)，以移除有機媒劑。接著沿各自密封表面組裝/嚙合二待接合基板，及將配對組放到晶圓壓焊機。在妥當定義的溫度與壓力下執行熱壓縮循環，藉以使玻璃料熔化形成緊密玻璃密封。除了特定含鉛組成，玻璃料材料的玻璃轉化溫度通常高於450℃，故需高溫處理，以形成阻障層。此高溫密封過程不利溫度敏感性工件。另外，用於減小典型基板與玻璃料間熱膨脹係數不匹配的負CTE無機填料將併入連結接點而形成實質不透明的玻料基阻障層。鑑於前述，期在低溫下形成透明氣密的玻璃-玻璃、玻璃-金屬、玻璃-陶瓷和其他密封。
雖然習知玻璃基板的雷射焊接可採用超高雷射功率裝置，但此近似雷射消熔操作往往會損壞玻璃基板，且氣密密封品質不佳。又，習知方法會提高所得裝置的不透明性，及提供低品質密封。
本發明的實施例大體係針對氣密阻障層，更特別係使用吸收膜來密封實心結構的方法和組成。本發明的實施例提供玻璃片與其他材料片的雷射焊接或密封製程，在密封製程期間，使用具吸收性的薄膜做為界面起始 劑。根據實施例，示例性雷射焊接條件可用於在界面導電膜上面焊接且導電率降低微乎其微。故此實施例可用於形成主動裝置的氣密包裝件，例如OLED或其他裝置，並能廣泛、大量製造適合玻璃或半導體包裝件。應注意「密封」、「接合」、「連結」和「焊接」等用語在本文中可互換使用。此用法不應限定後附申請專利範圍的範圍。亦應注意「玻璃」和「無機」等名詞膜層潤飾相關用語在本文中可互換使用，此用法不應限定後附申請專利範圍的範圍。
本發明的實施例提供雷射密封製程，例如雷射焊接、擴散焊接等，用以提供吸收膜於二玻璃間界面。穩態吸收率可大於或高達約70%，或小於或低至約10%。後者依靠外來色中心(例如雜質或摻質)在入射雷射波長下於玻璃基板內形成色中心或玻璃本質色中心，及結合示例性雷射吸收膜。一些非限定膜實例包括SnO2、ZnO、TiO2、ITO、Tg<600℃的UV吸收玻璃膜和低熔點玻璃(LMG)或低液相溫度(LLT)膜(無玻璃轉化溫度的材料)，以上可用於玻璃基板界面。LLT材料包括陶瓷、玻璃-陶瓷和玻璃材料等，但不以此為限。LLT玻璃例如包括氟磷酸錫玻璃、鎢摻雜氟磷酸錫玻璃、硫系玻璃、碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃。在另一非限定實施例中，密封材料為含Sn2+之無機氧化物材料，例如SnO、SnO+P2O5和SnO+BPO4。附加非限定實例包括近紅外線(NIR)吸收玻璃膜，且吸收峰在波長>800奈米(nm) 處。使用該等材料焊接可讓可見光穿透及充分吸收UV或NIR，以開始穩態溫和擴散焊接。該等材料亦可提供透明雷射焊道，且局部密封溫度適合擴散焊接。此擴散焊接為低功率與溫度雷射焊接各玻璃基板，且以有效快速焊接速度製造優良透明焊道。根據本發明實施例，除色中心形成外，示例性雷射焊接製程亦依靠玻璃的光誘發吸收性而包括溫度誘發吸收。
茲描述使用低熔點無機(LMG)材料或紫外線吸收(UVA)或紅外線吸收(IRA)材料的界面薄膜連同雷射焊接透明玻璃片以開始密封的現象。在示例性實施例中，描述實現強固連結形成的三個準則：(1)示例性LMG或UVA或IRA膜可在透明視窗範圍外的入射波長下(約420nm至約750nm)充分吸收，以將足夠的熱傳播到玻璃基板，使玻璃基板在入射波長下具有(2)溫度誘發吸收及(3)瞬變色中心形成。測量暗指熱壓縮或內聚擴散焊接機制形成，並定性造成很強的連結形成。本文亦描述焊接製程相關溫度事件發展和在雷射焊接時清楚盛行色中心形成過程。尚揭示LMG或UVA材料與Eagle XG®材料的CTE不匹配無關性和在熱循環至600℃後的焊接後強度加強。實施例亦討論利用導熱板將不同厚度的玻璃片焊接在一起。所述實施例能偕同被動或主動裝置形成氣密包裝件，並可包括使用LMG或UVA界面材料相關的雷射密封屬性。示例性屬性包括透明、強固、薄、高可 見光透射、「生坯」組成、LMG或UVA膜與玻璃基板間的CTE不匹配無關性和低熔化溫度，但不以此為限。
本發明的附加實施例提供具低溫連結形成及「直接玻璃密封」的雷射密封製程，其中透明玻璃可在入射波長下密封至吸收玻璃，從而在可見光波長400-700nm下形成不透明密封件。在示例性實施例中，二玻璃在入射雷射波長和可見光波長範圍內均為透明或幾乎透明。所得密封件在可見光波長範圍內亦呈透明，是以適合照明應用，因為在密封位置不會吸收光，因此無密封相關的熱積累。此外，由於膜可施用於整個蓋玻璃上面，故不需精確分配密封操作用密封玻料糊膏，因而提供裝置製造業者很大的自由度來改變密封圖案，又不需特定圖案化及處理密封區域。在其他實施例中，密封亦可就機械穩定性在玻璃區域的特定點進行，以形成非氣密連結。另外，可於彎曲共形表面進行密封。
本發明的實施例提供低熔化溫度材料，用於一起雷射焊接玻璃片，此涉及焊接任何玻璃且不需注意玻璃的CTE差異。附加實施例提供對稱焊接(即厚對厚)玻璃基板，例如Eagle對Eagle、Lotus對Lotus等。一些實施例提供利用導熱板來非對稱焊接(即薄對厚)玻璃基板，例如Willow對Eagle XG®、Eagle對Lotus(即薄對薄)、Eagle對熔融矽石、Willow對Willow、熔融矽石對熔融矽石等。進一步實施例提供焊接異類基板(玻璃-陶瓷、玻璃-金屬等)，及提供透明及/或半透明 焊接線。一些實施例提供焊接薄不透氣「生坯」材料，及在二基板或CTE差異很大的材料間提供強固焊道。
實施例亦提供用於一起雷射焊接玻璃包裝件的材料，使易受氧與水分攻擊而降解的被動與主動裝置能長時間氣密操作。示例性LMG或其他薄吸收膜密封可在利用雷射吸收以組裝連結表面後由熱活化，並享有高製造效率，此係因為密封各工作裝置的速率取決於熱活化和連結形成、而非在真空或鈍氣生產線的線內薄膜沉積封裝裝置的速率。UV或NIR-IR密封的示例性LMG、LLT和其他薄吸收膜亦能大片多裝置密封，然後刻劃或切割成個別裝置(單粒化)，因機械完整性高，故單粒化產率也很高。
在一些實施例中，提供設備，包含具第一表面的第一基板、鄰接第一基板的第二基板、和形成在第一基板與鄰接第二基板的界面間的焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0006-3
<<1，且σ 界面雷射焊接>10兆帕(MPa)，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在其他實施例中，提供設備，包含具第一表面的第一基板、鄰接第一基板的第二基板、和形成在第一基板與鄰接第二基板的界面間的焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0006-4
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在附加實施例中，提供形成真空絕熱玻璃窗的方法，包含下列步驟：提供具第一表面與第一邊緣的第一 玻璃基板、提供複數個第一間隔物於第一表面、沿第一玻璃基板的第一邊緣提供複數個第二填隙片、使具第二表面與第二邊緣的第二玻璃基板接觸複數個第一間隔物和複數個第二填隙片，使得第一和第二玻璃基板在第一與第二表面間相隔第一距離、沿第一與第二邊緣，將第一玻璃基板雷射密封至第二玻璃基板，以於第一與第二玻璃基板間定義內部區域，及在內部區域形成小於一大氣壓的真空壓力。
在進一步實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0007-5
<<1，且σ 界面雷射焊接>10MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在附加實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0007-6
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
主張標的的附加特徵和優點將詳述於後，熟諳此技術者在參閱或實行所述主張標的後，包括以下詳細實 施方式說明、申請專利範圍和附圖，在某種程度上將變得更清楚易懂。
應理解以上概要說明和下述詳細說明為描述本發明實施例，及擬提供概觀或架構以對主張標的的本質和特性有所瞭解。所含附圖提供對本發明的進一步瞭解，故當併入及構成說明書的一部分。圖式描繪不同實施例，並連同實施方式說明一起用於解釋主張標的的原理和操作。
11b、12b‧‧‧製程視窗
15‧‧‧散焦雷射
16‧‧‧夾層型結構
17、18‧‧‧玻璃片
19‧‧‧吸收膜
20‧‧‧雷射
22‧‧‧雙層堆疊
23‧‧‧UV吸收膜
24‧‧‧基板
30-32‧‧‧曲線
180‧‧‧靶材
221‧‧‧核心
222‧‧‧包層
224‧‧‧基板
250‧‧‧玻璃窗
251‧‧‧間隔物
252‧‧‧蓋玻璃
280‧‧‧基板
281‧‧‧玻璃帶
285‧‧‧玻璃壁
286‧‧‧角錐
287‧‧‧圓柱
300‧‧‧多層結構
301a-e‧‧‧層
302‧‧‧特徵結構
302、304‧‧‧基板
330‧‧‧工件
342‧‧‧內部體積
380‧‧‧玻璃層
500‧‧‧雷射
501‧‧‧雷射光束
A-D‧‧‧步驟
為加以說明，圖式乃呈現較佳形式，然應理解本文所示及所述實施例不限於圖示配置和機構。
第1圖係根據本發明一實施例的示例性雷射焊接程序示意圖。
第2圖係根據一實施例，利用雷射密封來形成氣密密封裝置的示意圖。
第3圖係本發明標的的另一實施例示意圖。
第4圖係實驗配置圖，用於估計雷射焊接連結區的物理範圍。
第5圖係破裂樣品的顯微圖像。
第6圖係根據本發明一些實施例的模型化計畫圖。
第7圖係根據本發明實施例的另一模型化計畫。
第8圖係355nm雷射透射(%T)通過Eagle 0.7毫米(mm)玻璃基板的實驗配置示意圖，用於測量%T對時間。
第9圖係根據本發明一實施例的曲線圖。
第10圖係一系列曲線圖，用於分析從玻璃界面的LMG膜層擴散到Eagle XG®玻璃基板。
第11圖係在不同厚度玻璃片間的雷射焊接性能示意圖。
第12圖係根據一些實施例的雙層雷射加熱表面吸收模型。
第13圖係根據一些實施例的一系列溫度變化圖。
第14圖係根據一些實施例，在掃描雷射的駐留時間內存儲的一系列平均能量圖。
第15圖係根據一些實施例，另一方法的簡化圖。
第16圖係用IR輻射源加熱期間，Eagle XG®與Lotus XT®玻璃在355nm下的透射圖。
第17圖係根據一些實施例，加熱期間，玻璃在355nm下的透射圖。
第18圖係根據一些實施例，在UV輻射期間與之後，對膜和基板透射率影響的曲線圖。
第19圖係根據一些實施例，吸收率對波長的曲線圖。
第20圖係一些實施例的偏振測量示意圖和圖像。
第21圖曲線圖提供離示例性焊接線的應力位置。
第22圖係本發明一些實施例的簡化圖。
第23圖係模壓實施例的示圖。
第24圖係含量子點的示例性實施例圖像。
第25圖及第26圖圖示用於真空絕熱鑲嵌玻璃的示例性雷射焊接方法。
第27圖、第28圖、第29圖、第30圖及第31圖係利用雷射焊接的三維與複合形成裝置簡化圖。
儘管敘述內容包括許多細節，然不應解釋成限定保護範圍，此僅為描述特定實施例特有的特徵而已。
茲參照圖式描述各種發光塗層與裝置實施例，其中相仿元件以相同元件符號表示，以助於理解。
亦應理解除非具體指明，否則諸如「頂部」、「底部」、「向外」、「向內」等用語僅為便於說明，而非視為限定用語。此外，當描述某一群組包含至少一組元件和元件組合物時，應理解該群組可包含、實質由或由個別或結合任何數量的提及元件組成。
同樣地，當描述某一群組由至少一組元件或元件組合物組成時，應理解該群組可由個別或結合任何數量的提及元件組成。除非具體指明，否則所述數值範圍包括 範圍的上限與下限。除非具體指明，否則在此所用不定冠詞「一」和對應定冠詞「該」意指「至少一」或「一或更多」。
熟諳此技術者將瞭解對所述實施例作許多改變的同時，仍可獲得本發明的有益結果。亦將明白在選擇所述一些特徵且不使用其他特徵的情況下，也可獲得本發明的一些預期益處。因此，此領域一般技術人士將瞭解許多潤飾和修改是可行的，甚至為某些情況所期且為本發明的一部分。故以下敘述為說明本發明的原理，而無限制之意。
熟諳此技術者將明瞭在不脫離本發明的精神和範圍內，當可對所述示例性實施例作許多修改。故敘述內容不擬且不應解釋成限定於給定實例，而應以後附申請專利範圍與均等物所界定的保護範圍為準。此外，可使用本發明的一些特徵結構，且不相應使用其他特徵結構。前述示例性或說明性實施例為闡述本發明的原理，而無限制之意，故可包括所有潤飾與更動。
第1圖係根據本發明一些實施例的示例性雷射焊接程序示意圖。參照第1圖，提供程序係利用適合UV雷射，將二Eagle XG®(EXG)玻璃片或基板雷射焊接在一起。雖然在此描述兩個EXG玻璃片，但後附申請專利範圍不限於此，任何類型與組成的玻璃基板當可利用本發明實施例雷射焊接。即，所述方法可應用到鹼石灰玻璃、強化與未強化玻璃、鋁矽酸鹽玻璃等。繼續參照第1 圖，茲提供一連串示例性步驟，將二玻璃基板雷射焊接在一起，其中一基板可塗覆低熔點玻璃(LMG)或紫外線吸收(UVA)膜材料或NIR吸收(IRA)膜材料。在步驟A至B中，上玻璃基板壓合到塗覆示例性UVA、IRA或LMG膜的另一基板。應注意所述許多實驗和實例係參照特定類型的無機膜(例如LMG、UVA等)。然此不應限定後附申請專利範圍的範圍，因有許多種無機膜適用所述焊接製程。在步驟C中，將雷射導向二玻璃片的界面，並適當選擇參數，以開始焊接製程，此如步驟D所示。焊道尺寸略小於入射光束尺寸(約500微米(μm))。
第2圖係根據一實施例，利用雷射密封來形成氣密密封裝置的示意圖。參照第2圖，在初始步驟中，沿第一平面玻璃基板302的密封表面形成包含低熔化溫度(例如低Tg)玻璃的圖案化玻璃層380。玻璃層380可由物理氣相沉積沉積而得，例如自濺射靶材180濺射。在一實施例中，沿周圍密封表面形成玻璃層，周圍密封表面適於嚙合第二玻璃或其他材料基板304的密封表面。在所述實施例中，第一與第二基板合成配對構造時，將協同玻璃層來定義內部體積342，以容納待保護工件330。在所述實例中，其圖示組件分解圖，第二基板包含凹部供工件330放置。
出自雷射500的聚焦雷射光束501可用於局部熔化低熔化溫度玻璃和鄰接玻璃基板材料，以形成密封界面。在一方式中，雷射可聚焦通過第一基板302，接著平 移(掃描)越過密封表面，以局部加熱玻璃密封材料。為使玻璃層局部熔化，玻璃層較佳能在雷射處理波長下吸收。玻璃基板最初在雷射處理波長下可為透明(例如至少50%、70%、80%或90%透明度)。
在一替代實施例中，密封(低熔化溫度)玻璃毯覆層形成在第一基板的實質所有表面上面，以取代形成圖案化玻璃層。包含第一基板/密封玻璃層/第二基板的組合結構可依上述組裝，雷射可用於局部定義二基板間的密封界面。
雷射500可具任何適合輸出來進行密封。示例性雷射為UV雷射，例如355nm雷射，但不以此為限，此在於常見顯示玻璃的透明度範圍。適合雷射功率可為約1瓦(W)至約10W。密封區域寬度與雷射光點尺寸呈比例關係，且可為約0.06至2mm，例如0.06、0.1、0.2、0.5、1、1.5或2mm。雷射的平移速率(即掃描速率)可為約1毫米/秒至400毫米/秒或甚至達1公尺/秒或以上，例如1、2、5、10、20、50、100、200或400毫米/秒、600毫米/秒、800毫米/秒、1公尺/秒。雷射光點尺寸(直徑)可為約0.02至2mm。
適合玻璃基板在密封期間具有顯著誘發吸收。在一些實施例中，第一基板302為透明玻璃板，例如Corning公司製造的商品Eagle 2000®或其他玻璃。或者，第一基板302可為任何透明玻璃板，例如Asahi Glass公司(例如AN100玻璃)、Nippon Electric Glass公司(例如OA-10玻璃或OA-21玻璃)或Corning Precision Materials製造的商品。第二基板304可為和第一玻璃基板一樣的玻璃材料，或者第二基板304可為非透明基板，例如陶瓷基板或金屬基板，但不以此為限。示例性玻璃基板的熱膨脹係數可小於約150×10-7/℃，例如小於50×10-7/℃、20×10-7/℃或10×10-7/℃。當然，在其他實施例中，第一基板302可為陶瓷、ITO、金屬或其他材料基板、圖案化或連續。
第3圖係本發明標的的另一實施例示意圖。參照第3圖，左上圖說明用於雷射焊接二Eagle XG®(EXG)玻璃基板的一些示例性參數。隨時間監測三個不同雷射功率的透射率(%T)，並繪於左下圖。在較低雷射功率曲線(最右邊的曲線)中，很容易從如同拐點的「膝部」觀察到LMG、IRA或UVA膜開始熔化，然後因高局部玻璃溫度超過Eagle XG®的應變點而迅速吸收及加熱玻璃基板。較高雷射功率時(最左邊的曲線)，可去除拐點，並誘使LMG、IRA或UVA吸收無縫轉化成玻璃融合。示例性雷射焊接包括沿待連結的界面邊界掃描此區。右下角列出三個準則並詳述於下，在一些實施例中，例如低熔點膜在入射波長下吸收/熔化、於玻璃形成色中心及/或玻璃的溫度誘發吸收。僅有膜吸收可能已足夠，故不需要色中心形成或溫度吸收作用。應注意第3圖所列事件順序不應限定後附申請專利範圍的範圍，或指示所列事件的相對重要性。
在一些實施例中，初始事件為低熔點玻璃(例如LMG或UVA)膜的UV雷射吸收。此可基於在355nm的薄膜吸收率比Eagle XG®高和第3圖所示熔化曲線。考量第3圖左上角所示實驗配置，雷射為Spectra Physics HIPPO 355nm，此在30千赫下將產生8-10奈秒(ns)脈衝，平均功率高達6.5瓦。雷射光束聚焦成500微米直徑光束腰寬，監測透射光束及取樣，以就不同雷射功率(5.0W、5.5W、6.0W)產生透射百分比(%T)隨時間作圖。該等作圖繪於第3圖左下角。在第3圖中，較低雷射功率(下端與中間曲線)時，很容易從如同拐點的「膝部」觀察到UVA、IRA或LMG膜開始熔化，然後因高局部玻璃溫度超過Eagle XG®的應變點而迅速吸收及加熱玻璃基板。待焊接玻璃部分可能未熔化、而是軟化，故當保持緊密接觸適度作用力時，將變得易曲折。此行為類似固態擴散連結，特別係能在50%-80%的基板熔化溫度下形成強固連結。固態連結雙折射光學截面圖像顯示二待焊接部分間的清楚界面線(例如參見第4圖)。
另一實施例包括用355nm脈衝雷射焊接，及以1兆赫、2兆赫或5兆赫重複率產生1ns脈衝串。當光束在無機膜上聚焦成直徑0.02mm至0.15mm的光點並以50毫米/秒至400毫米/秒的速度焊接時，可製造約60μm至約200μm的無缺陷連結線。所需雷射功率為約1W至10W。
參照第4圖，該圖圖示實驗配置，用於估計雷射焊接連結區的物理範圍。繼續參照第4圖，二Eagle XG®載玻片依前述雷射焊接、裝設於玻璃夾層，及用鑽石鋸切割。此繪於第4圖左側。所得切面裝設於偏光儀，以測量局部應力區引起的光學雙折射。此繪於第4圖右側。右側較淺部分表示較大應力。如第4圖右側所示，連結區的物理範圍為50微米。另外，無任何基底或基板玻璃熔化，但形成於二玻璃基板間的連結仍舊很牢固。例如，雙折射截面圖像的中心圖顯示固態連結區深入Eagle XG®基板(50微米)，此代表高密封強度。雷射焊接包括沿待連結的界面邊界掃描此區。
第5圖係破裂樣品的顯微圖像。參照第5圖，所示破裂樣品的三維共焦顯微圖像顯示本發明實施例的密封強度夠強，足使底下基板(例如Eagle XG®基板)材料剝裂造成的破損深達44μm(即內聚破損)。樣品未經退火處理。第5圖進一步圖示經剃刀片裂縫開口技術處理的未退火雷射焊接實施例的破裂樣品。進行一系列三維共焦測量，代表性實例繪於第5圖右側。該等共焦圖像的特徵顯示根據一些實施例，示例性內聚擴散焊接的內聚破損模式本質和相關拉伸強度。如所述，內聚擴散焊接係在低於接合基板熔點的溫度下，施壓(擴散焊接)形成強固界面連結(焊道)。焊道呈現內聚破損，其中在高應力下將於內部基板位置產生斷裂。明顯低於基板熔化溫度的溫度(例如近應變點基板溫度或軟化點基板溫度)據查可在 適當接觸壓力條件下提供強固界面密封強度。拉伸應力σ在此大體係指材料、焊道或基板內部在破損或斷裂前遭伸展或拉曳所能承受的最大應力。進行拉伸強度測量，及觀察玻料與焊接玻璃片的內聚與黏結破損差異(參見第5圖)。應注意「拉伸應力」、「拉伸強度」及/或「拉伸密封強度」等用語在本文中可互換使用，此用法不應限定後附申請專利範圍的範圍。如圖所示，界面密封強度夠強，足使破損在大塊基板材料內發生，例如在此例中為距界面44μm深，在其他實驗中為深達約200μm。在附加實驗中，偏振測量顯示在初期雷射焊接時產生殘餘應力(和第5圖研究條件一樣)，此係在600℃下退火一小時而產生堅韌連結，且透過偏光儀測不到應力。試圖打斷此連結將導致除焊接基板的密封線外的各處斷裂。對照玻料密封造成的黏結破損，在類似包裝件幾何形狀下可見玻料(黏結劑)密封產生的低拉伸密封強度測量(<9MPa)對雷射焊接(內聚)(20-84+MPa)，此表示強固雷射焊接拉伸強度。
如第3圖所示，利用本發明實施例，使用示例性低熔點膜或在入射波長下吸收/熔化、色中心形成於膜與玻璃及在膜與玻璃中溫度誘發吸收的另一膜，可達成強固氣密透明連結。至於第一準則，例如低熔點玻璃吸收事件，用每單位面積夠高的功率來雷射照射玻璃-LMG/UVA玻璃結構可使濺射薄膜LMG/UVA界面開始吸收而誘發熔化。此很容易從第3圖左下角的下方曲線 觀察。下方曲線的第一向下斜率追蹤LMG/UVA熔化過程達約15秒，此時發生另一製程，即玻璃雷射在各基板相互作用(即色中心形成)。約17秒後，中間向下曲線的大曲率代表形成於玻璃的色中心引起大量吸收。該等色中心通常為基板的元素雜質含量的函數，例如砷(As)、鐵(Fe)、鎵(Ga)、鉀(K)、錳(Mn)、鈉(Na)、磷(P)、銻(Sb)、鈦(Ti)、鋅(Zn)、錫(Sn)等。透射曲線的曲率越大，越多色中心形成。此乃第3圖所述第二準則。LMG/UVA膜的熔點可為、但不限於約450℃，然基於在類似雷射焊接條件下使用代用鋁塗覆EXG玻璃基板的雷射照射實驗觀察，界面溫度可能高於660℃。在此實驗中，採用雷射焊接條件，鋁會熔化(熔化溫度：660℃)，以校正熱影像相機(FLIR相機)測量表面溫度為約250℃。
第6圖係根據本發明一些實施例的模型化計畫圖。參照第6圖，LMG/UVA和EXG材料傳熱性用於模型化355nm雷射以0.8-3千瓦/平方公分(kW/cm2)擊中包含1μm薄無機膜與700μm EXG的雙層堆疊。此模型未計及薄無機膜(例如LMG、IRA、UVA膜等)的相變化。繼續參照第6圖，瞬時熱分佈估計表示界面溫度可高於660℃。不論界面溫度是否確實高於660℃，存有熱熔LMG/UVA界面膜將使能帶隙位移到較低能量而增加玻璃基板吸收。據悉能帶位移起因於基板晶格熱膨脹，且與電子能改變有關，並因電子-光子相互作用，致使帶 能直接重整。此在熔融矽石的行為描繪於第3圖右下角。淨作用為藉由降低帶隙，熱LMG/UVA膜驅使EXG基板靠近界面處有更多吸收，進而由內部轉化過程產生更多熱，以進一步降低帶隙。此過程統稱為熱誘發吸收，此代表第3圖所述第三準則。其他無機膜當可用於此實施例，該實例不應限定後附申請專利範圍的範圍。
如上所述，根據本發明實施例，色中心形成參予雷射焊道形成。第7圖圖示利用第8圖所示實驗配置，在非多光子條件下模型化基本色中心形成過程，以依據三階圖推衍擬合函數。第7圖係根據本發明實施例的另一模型化計畫。在第7圖左側，三個電子玻璃帶態吸收355nm光子、積累或消損基態ng[t]、導電帶ne[t]和色中心ncc[t]群體。應注意單箭頭表示雷射吸收，雙箭頭代表刺激吸收及發射。在第7圖右側提供速率方程式，用以預測平緩單調積累及消損電子級群體，同時系統相干驅動部分呈現相同群體快速振盪(ng
Figure 104135817-A0202-12-0019-63
ne)。三階初始條件提供於第7圖右側下排。第8圖係355nm雷射透射(%T)通過Eagle 0.7mm玻璃基板的實驗配置示意圖，用於測量%T對時間。參照第8圖，偵錯套裝軟體可測量以約5至6W平均功率通過熔融矽石窗和Eagle XG®玻璃片後的積分能量和UV脈衝時間波形。
以下方程式(1)描述實驗觀察吸收率(Abs)對時間，例如涉及透射率(trans)對時間資料： (1
Figure 104135817-A0202-12-0020-64
Abs+Trans)。解式可為上升與衰減指數總和，但得簡化如下式：
Figure 104135817-A0202-12-0020-7
 其中α代表線性吸收係數(公分-1(cm-1))，I代表雷射通量(個光子/cm2．秒)，σg代表基態吸收截面(cm2)，σesa代表激態吸收截面(cm2)，σcc代表色中心吸收截面(cm2)，kec代表瞬變色中心速率，kf代表螢光衰減速率。參照方程式(1)和第8圖可知色中心形成在本發明實施例的影響。第9圖係根據本發明一實施例的曲線圖。參照第9圖，就某些非限定雷射-玻璃相互作用參數，提供在存有色中心形成(所示弧線)及缺少色中心形成(所示直線)時的方程式(1)作圖：α=0.01cm-1，I=4.6．10-21個光子/cm2．秒，σg=1.20．10-17cm2，σesa=1.21．10-17cm2，σcc=2.20．10-13cm2，kec
Figure 104135817-A0202-12-0020-67
kf
Figure 104135817-A0202-12-0020-66
1.0．107秒-1。若σcc=0，則可得線性相依。接著利用%透射率=100-吸收率的關係式取得%透射率。如第9圖所示，此遵循著只要將色中心形成項歸零(即假設σcc=0)，即可利用合理選擇參數值，將弧線轉換成直線。實驗雷射焊接玻璃基板通常具有此曲率，包括Eagle XG®、Lotus XT®、Willow和Willow-Willow、Willow-Lotus與Willow-Eagle組合，但不以此為限。
雖然實施例描述使用具相同或不同組成融合在一起的玻璃基板(其一或二者含有相對入射雷射波長的 適當吸收性)，但其他實施例也可包括三層或以上的結構，只要外層相對入射雷射波長為UV或適當吸收，使另一玻璃基板得充分接觸及焊接即可。吸收層的厚度可達100μm。在附加實施例中，玻璃-玻璃層疊結構取代一或二玻璃基板。在此實施例中，玻璃-玻璃層疊結構的外包層可當作後續雷射焊接的UV吸收層(例如參見第22圖)。第22圖圖示本發明的另一實施例，玻璃-玻璃疊層位於第一側邊，且具有內核心221介於二外包層222中間。在此實施例中，包層222摻雜UV或IR吸收元素供後續雷射焊接至另一基板224，在此非限定實例中為3D形成基板。在此實施例中，摻雜包層可避免高成本，例如濺射沈積、離子交換等。
第10圖提供曲線圖，用於分析從玻璃界面的示例性LMG膜層擴散到Eagle XG®玻璃基板。參照第10圖，TOF-SIMS應用於分析在適當雷射焊接條件下，可能從玻璃界面的LMG膜層擴散到Eagle XG®玻璃基板，膜層具有示例性非限定組成(38% SnO、40% SnF2、20% P2O5、2% Nb2O5)且厚度為約0.8μm。F與Sn線掃過原有界面(a,b)及通過經雷射焊接的界面(c,d)，此表示擴散遠離界面的範圍很小，而氟遷移約距界面半微米，平均而言，錫沒有顯著移動。故第10圖證實LMG材料無顯著擴散到示例性基板。其他示例性無機薄膜(UVA、IRA等)也有類似發現。儘管基於界面材料間有明顯很大的CTE不匹配，CTE870CHM=18 ppm/℃對CTEEXG=3.1ppm/℃，可期本發明實施例所用移動原子物種將有更顯著擴散，但仍未發現分層。反之，反覆使溫度循環高達600℃可移除任何殘餘應力而產生強固連結。所得無機薄膜夠薄，使得各玻璃基板的CTE不匹配造成的分層力遠小於連結力。此符合對出自黏結膜沉積應力的層疊結構複合應力隨膜厚立方縮放的認知。
第11圖係在不同厚度玻璃片間的雷射焊接性能示意圖。參照第11圖可知，焊接極薄Willow玻璃(0.1mm)與Eagle XG®玻璃(0.7mm)時，即「非對稱」情況，焊接結果不佳。在「對稱」Eagle-Eagle情況下(第11圖左側)，將沿玻璃界面掃過熱傳熱區而執行較佳焊接。各自溫度分佈描述如下。當使用不同厚度的玻璃片時，在一些情況下將形成非對稱熱區，導致焊接結果不佳，例如焊接Willow-Eagle時(第11圖的中間圖)。然示例性實施例可解決非對稱焊接問題，此繪於第11圖右側，並且使用導熱板讓薄玻璃片散熱及冷卻，以有效恢復熱傳熱區，從而形成強固焊接連結。故所述一些實施例採用導熱板來雷射焊接不同厚度的玻璃片。
儘管說明內容至此係描述雷射焊接玻璃與玻璃基板(具類似或不同尺寸、幾何形狀及/或厚度)，但此不應限定後附申請專利範圍的範圍，因為實施例亦可應用到非玻璃材料基板或片，例如具有或不具界面導電膜的陶瓷、陶瓷-玻璃、金屬等，但不以此為限。例如，示例性雷射焊接方法可用於基板上的ITO引線、電極或ITO 圖案化膜等，此描述於同在申請中且共同擁有的美國專利申請案第14/271,797號，該申請案全文以引用方式併入本文中。故本發明實施例可應用到雷射密封玻璃至玻璃、金屬、玻璃-陶瓷、陶瓷和其他相同或不同尺寸、幾何形狀與厚度的基板。
採用所述實施例以有效形成高連結強度、透明玻璃-玻璃焊接的應用有很多，包括固態照明、顯示器和透明真空絕熱技術，但不以此為限。雷射焊接玻璃尤其可提供諸如電子束、電弧、電漿或氣炬等許多傳統焊接方法未能提供的效率與特徵結構，例如小型熱作用區(HAZ)。在一些實施例中，雷射玻璃焊接通常不需使用紅外線(IR)雷射(於此，許多玻璃為不透明)或超短脈衝雷射(USPL)(於此，許多玻璃為透明)進行預或後加熱。在一些實施例中，明智地選擇玻璃基板組成和界面分散IR吸收玻料可製作氣密玻璃「夾層型」雷射密封包裝件。在一些實施例中，超短脈衝雷射聚焦於示例性玻璃基板的表面或內部點，並由非線性製程誘發吸收，例如多光子或突崩離子化。該等製程源自價電子升遷至傳導電子而進一步游離吸收，致使內部玻璃熔化，又不會造成基板表面損壞。根據依靠非線性吸收製程的所有USPL雷射焊接方法，將產生顯著應力場。
至此描述低功率雷射焊接製程，此依靠吸收低熔點玻璃界面膜，且因低溫連結形成(低至熔化溫度的一半)及接觸與壓力條件要求而可視為擴散焊接。如上所 述，雷射焊接玻璃片和強固連結形成在幾個方面的影響很顯著，例如在入射雷射波長下的吸收低熔點玻璃膜、雷射誘發色中心形成於玻璃基板，及在基板中熱誘發吸收，以有效加速溫度上升。
然在一些實施例中，許多在入射波長(例如355nm)下高度吸收的膜足以誘使高連結強度雷射焊接。諸如ZnO或SnO2等其他膜的化性不同於所述一些示例性低熔點玻璃組成，但在較低光通量下仍共有相同雷射焊接力。在一些實施例中，鑒於ZnO的熔化溫度(1975℃)對照一些低熔點玻璃組成(~450℃)，低熔點特性不一定必要。然該等膜的一致特徵為在355nm下實質吸收輻射：ZnO吸收率~45%(200nm厚膜)，低熔點玻璃~15%(200nm厚膜)。亦確定所述示例性方法可雷射焊接石英或純熔融矽石基板，即無色中心的基板。故確定色中心非實質必要，但在一些實施例中，當示例性膜吸收率很低時為所需(例如~Abs<20%)。
第15圖係根據一些實施例，另一方法的簡化圖。參照第15圖，具定義光束寬度w的散焦雷射15入射到夾層型結構16，結構16為使二片玻璃17、18接觸而製成，其中一片的內部界面塗覆薄吸收膜19。雖然光束係圖示呈圓柱形，但此敘述不應限定後附申請專利範圍的範圍，因為光束可呈圓錐形或另一適合幾何形狀。膜材料可就入射雷射波長的吸收率選擇。雷射15可按預定速度vs與平移雷射光束能有效照射特定光點的時間平移，且可以 駐留時間w/vs特性化。在一些實施例中，可在焊接或連結事件期間，施加適度壓力，以確保乾淨表面間保持接觸，同時調整任一或數個參數，以最佳化焊接。示例性非限定參數包括雷射功率、速度vs、重複率及/或光點尺寸w。
如以上第3圖所述，最佳焊接為三個機制的函數，即示例性膜及/或雷射照射基板的吸收率及基於此吸收過程的加熱作用、因加熱作用致使膜與基板的吸收率增加(帶隙往長波長位移)，此係暫時的且取決於處理條件、和缺陷或雜質吸收或UV輻射產生的色中心吸收。熱分佈在此過程十分重要，以下敘述有助於理解二基板間界面的溫度分佈，並假設界面為靜態吸收。
El-Adawi開發雷射加熱雙層堆疊的分析模型，堆疊由大型半無限平板基板上厚度Z的吸收膜組成。每一材料的熱擴散方程式可用匹配邊界條件求解而得溫度隨時間與膜與基板位置的函數：T f (t,z),T s (t,z)。El-Adawi模型假設膜與基板的熱性質(擴散係數D、導電率k、熱容C p )固定不變，使得吸收只在表面發生且無相變化。Laplace轉換用於產生具指數與誤差(互補)函數項的累計：
Figure 104135817-A0202-12-0025-8
Figure 104135817-A0202-12-0026-10
 其中A f 代表薄膜的表面吸收率，I o 代表雷射通量(個光子/cm2．秒)，n代表整數(0
Figure 104135817-A0202-12-0026-68
n
Figure 104135817-A0202-12-0026-70
∞)，所有下標f係指膜參數，s係指基板參數。B和ε與材料性質有關：B=1-ε/1+ε<1，ε=(ks/kf)
Figure 104135817-A0202-12-0026-71
Df/Ds)，L f 亦包括時間t：
Figure 104135817-A0202-12-0026-74
=4Dft。薄膜層的時間和間隔範圍為：0<t,0
Figure 104135817-A0202-12-0026-72
z f
Figure 104135817-A0202-12-0026-73
Z，其中Z代表膜厚。基板層的時間和間隔範圍為：t s <t,Z
Figure 104135817-A0202-12-0026-75
z s
Figure 104135817-A0202-12-0026-76
∞，其中t s 代表在初始雷射-膜入射後，膜背側溫度開始偏離室溫所費時間(t s =Z 2/6D f )。膨脹係數與獨立變數和材料性質有關，且可以下式表示：
Figure 104135817-A0202-12-0026-11
第12圖係根據一些實施例的雙層雷射加熱表面吸收模型。參照第12圖，脈衝UV(355nm)雷射20閃擊雙層堆疊22，堆疊22具有1μm UV吸收膜23和700μm Eagle-XG基板24。假設脈衝(30千赫、10ns脈寬、500μm寬雷射光束腰寬直徑)355nm雷射輸送6瓦平均功率，則遠離Eagle-XG堆疊22的焊接界面的空間溫度分佈可由方程式(2)計算及作圖。接著採用不同雷射掃描速度(2毫米/秒、5毫米/秒、10毫米/秒和20毫米/秒)。15%的UV膜吸收率用於計算，此係厚度約200nm的氟磷酸錫LMG材料在355nm下的典型值。對Eagle XG®基板或堆疊22的溫度分佈作圖，藉以觀察使用不同雷射掃描速度引起的溫度分佈變化，因為相較於快 速移動光束，緩慢移動雷射光束在特定雷射焊接位置上面駐留更久。例如，500μm寬雷射光束以2毫米/秒移動在特定雷射焊接位置上面駐留的有效時間為0.25秒，20毫米/秒掃描雷射光束僅駐留0.025秒。
第13圖亦探究使用不同雷射功率或具不同吸收率的膜造成的溫度變化。第13圖係根據一些實施例的一系列溫度變化圖。參照第13圖，利用雙層雷射加熱模型(方程式(2))描繪玻璃基板溫度分佈與雷射功率和膜吸收率的相依性。第13圖使用和第12圖一樣的雷射參數。更特定言之，使用具下列參數的脈衝UV雷射：λ=355nm，光束腰寬=500μm，重複率=30000赫茲，脈寬=10ns。從第13圖左側可知，雷射功率對基板溫度分佈的影響似乎比第13圖右側的高階吸收行為更線性。此行為非由方程式(2)顯而易見，其中功率I o 和吸收率A f 為共軛。吸收率會間接影響有效膜厚z f ，於此與膨脹係數b n 和g n 有點關係。反之，I o 係獨立的且與膨脹係數b n 和g n 無函數關係。
第14圖係根據一些實施例，在掃描雷射的駐留時間內存儲的一系列平均能量圖。參照第14圖可知，駐留時間與雷射掃描速度和雷射脈衝重複率相依，其中數值與單位標示於獨立變量x-y平面。在一些實施例中，該等計算假設膜吸收率25%、500微米雷射光束寬度和10ns雷射脈寬，如此可成功產生雷射玻璃焊接。由第14圖所示平面及憑經驗從實驗估算可得臨界功率(11a為6W， 12a為20W)，大於此功率將可成功進行雷射焊接。上下圖使用不同雷射功率：6瓦對20瓦。比較第14圖的二作圖發現，在低入射雷射功率(例如6瓦)下些微改變雷射速度和重複率將招致實質比所需高的入射功率，而誘發適當雷射焊接。即使在較高重複率方向些微偏離初始雷射焊接條件(30千赫、2毫米/秒的雷射掃描速度)也會造成不必要的入射功率密度。高雷射掃描速度會迅速提供不足雷射焊接玻璃基板所需能量，此係因雷射駐留時間與速度反相依而與雷射重複率線性相依所致。在高入射雷射功率下(例如20瓦)可獲得更大的水平頂區域或製程視窗11b、12b，其中速度和重複率些微偏離仍能保持適當雷射焊接條件，而不會引起過量能量。二作圖的製程視窗11b、12b有助於雷射焊接或連結最佳化。
第16圖係用IR輻射源加熱期間，Eagle XG®與Lotus XT®玻璃在355nm下的透射圖。參照第16圖，透過實驗可測定當用紅外線CO2雷射以10.6μm照射Eagle XG®與Lotus XT®基板時，溫度變化對玻璃界面吸收性的影響。該等基板在355nm的透射率將隨CO2雷射輻射產生的溫度顯著改變。在一些實施例中，界面加熱可使膜和玻璃基板的界面更有效吸收。
第17圖係根據一些實施例，加熱期間，玻璃在355nm下的透射圖。參照第17圖可知，膜和玻璃基板中均有UV輻射造成的色中心形成，此將導致照射區域額外吸收。從第20圖可知溫度上升對Eagle XG®與Lotus XT®玻璃基板在355nm下透射的影響。溫度上升可歸因於第17圖所示加熱作用加上色中心形成。
第18圖係根據一些實施例，在UV輻射期間與之後，對膜和基板透射率影響的曲線圖。參照第18圖，第一曲線30代表具200nm ZnO膜的Eagle XG® 0.6mm基板的透射率。第二曲線31代表用355nm雷射源、以30千赫重複率照射3W/mm2的瞬變吸收率(即現存吸收率頂點的吸收率)。第二曲線31包括因色中心與溫度引起的誘發吸收。第三曲線32代表雷射輻射關閉後的誘發吸收，即溫度已恢復回周遭條件且色中心部分消失。應注意在該等實施例中有若干永久吸收變化，此在420nm以上具高透射率。此係因存有膜所致，且相對無膜的裸基板明顯增大。從第三曲線32可知一些膜與基板改變係永久的，但並不會影響可見光穿透。除了該等UV應用輻射影響，僅以膜吸收為基礎，還會發生預定溫度上升及融合，使用IR吸收膜也有此效果，此將描述於後。故如第18圖所示，一些示例性膜的溫度和色中心形成會隨UV輻射的溫度與功率密度變化。
第19圖係根據一些實施例，吸收率對波長的曲線圖。參照第19圖，實施例包括由FeO基玻璃製成的膜，膜視處理條件可呈兩種不同氧化態2+與3+。示例性非限定矽石基玻璃膜具有大於約10-15重量%的FeO和同等比例的FeO與Fe2O3。如第19圖所示，Fe2O3在NIR波長具強烈吸收，且亦可用YAG雷射、以1064nm波長照 射。在此例中，可見光透射比小於約0.02，在約420nm至約700nm間未損及衰減。在1064nm的吸收比為約0.1，可用充足雷射功率加熱示例性膜達高於熔點而雷射焊接。其他IR吸收膜和其他IR雷射實例當可想見，是以後附申請專利範圍不限於此。
第20圖係一些實施例的偏振測量示意圖和圖像。參照第20圖，檢驗示例性雷射焊接製程在界面焊接連結附近產生的殘餘應力場，並與玻料密封實施例相比。例如，第20圖左上方圖示出自玻料密封及雷射焊接相鄰二0.7mm Eagle XG®玻璃基板的應力場偏振測量，一基板內面塗覆1μm厚低熔點玻璃膜。第20圖右上方圖示出自雷射焊接的殘餘應力場偏振圖像，此係在下列條件下掃描355nm UV雷射而得：20毫米/秒、14瓦、200μm光束寬度和150千赫重複率，右上方提供殘餘應力場的三維成像。第20圖左下方提供使用吸收薄膜達成雷射焊接的非限定製程簡圖，其中雷射熱能輸送到基板/基板界面而獲得內聚擴散連結相關接觸面積，在預定時間內近乎一致，同時減少任何附帶損壞，例如拉伸應力殘留的空間範圍和強度。此過程在高CTE基板方面更為顯著，其中焊接界面形成速率比CTE不匹配應力界面形成速率快。故在一些實施例中，聚焦光束與高速掃描速率一起用於焊接界面，以完成示例性焊接，又無任何裂縫形成。第20圖右下方圖示傳播應力場和從雷射焊接條件搜尋位置的分析相依性。接著估計從在主要雷射焊接條件下於玻璃-玻 璃或玻璃-膜界面位置的σ 界面雷射焊接值到大塊焊接基板中的σ 拉伸應力位置對傳播應力場位置的影響。實驗測定若
Figure 104135817-A0202-12-0031-83
<<1且σ 界面雷射焊接>10MPa，則一些示例性實施例提供密封或最佳內聚擴散玻璃焊接。在其他實施例中，當
Figure 104135817-A0202-12-0031-14
<1且σ 界面雷射焊接>1MPa時，可產生另一示例性內聚擴散雷射玻璃焊接。
然分析模型傾向把簡單結構當作半無限固體或平板。方程式(2)說明雙層系統的求解何其困難，以致引用時間相依熔化或應力前沿變得相當棘手。熔化模型認為平板連接至散熱片且入射雷射輻射在表面完全吸收。此模型考量兩個時間轄域：其一轄域為熔化時間小於躍遷時間(例如平板後端從室溫上升所費時間)，第二轄域為熔化時間大於躍遷時間。此模型亦設想應用於液體與固體間傳播界面的熱平衡方程式：
Figure 104135817-A0202-12-0031-15
 其中各項和方程式(2)一樣，除了Z代表熔化前沿位置，Q L 代表熔化潛熱，且熱流為一維，光輻射在表面吸收，熱材料性質仍為溫度相依。接著可由Z和dZ/dt推衍二次方程式且係數為熱物理與雷射參數的函數。為理解傳播應力場的相依性，可用先前Eagle XG®代用品蠕變流動的活化能取代Eagle XG®的熔化潛熱(融合)，以修改傳播雷射熔化前沿分析模型：低應變點硼矽酸鹽玻璃經歸一化成具有有效分子量(160千焦/莫耳)/(0.266千克/莫 耳)。考量焊接期間未從平板基板背面散熱的情況，所得表式展現與雷射和材料性質的有趣相依性：
Figure 104135817-A0202-12-0032-16
 其中Z代表蠕變前沿位置，l代表基板厚度，Cp代表基板熱容，A代表基板吸收率，R代表基板反射率，△T m 代表維持蠕變流動所需傳播溫度從周溫的增加量(例如△T m =T 應變 -T 周遭 )，ρ代表基板密度，λ代表基板導熱率，I 0 代表雷射輻射(W/m2)，t代表時間。
在一些實施例中，可使用在入射雷射波長λ下吸收的膜完成雷射焊接，A%較佳為>約20%。在其他實施例中，基板與膜在λ下均有色中心形成。在附加實施例中，溫度作用用於提高基板及/或膜在λ的吸收率。此示例性溫度作用亦有助於改善密封或焊接速度、減少熱作用區(HAZ)及降低蠕變流動的活化能，例如形成共熔系統、合金等。在一些實施例中，若需要透明度，則可在UV提供帶隙或在NIR、IR具高吸收率。附加實施例提供界面表面能量γ焊接界面>>殘餘γ應力場及/或總積分連結強度ʃʃγ 焊接界面
Figure 104135817-A0202-12-0032-82
A>>ʃʃγ應力場
Figure 104135817-A0202-12-0032-79
A的焊道。其他實施例包括低雷射強度要求，其中雷射峰光子通量小於約1025個光子/秒/cm2，且不包括多光子行為、消熔或電漿產生。
功率相依性繪於第21圖，由圖可知只不過在焊接期間提高雷射功率便可誘發具過量能量的更大應力超出界面區而產生更大應力。第21圖曲線圖提供離示例性 焊接線的應力位置。參照第21圖，利用方程式(6)，決定離示例性焊接線的應力位置，其中採用參數類似先前所用：波長=355nm，光束腰寬=500μm，重複率=30000赫茲，脈寬=10ns，vs=2毫米/秒，駐留時間=0.25秒，Eagle XG®厚度=0.7mm，T 應變 =669℃。第21圖和方程式(6)亦提供深入瞭解為何高應變點玻璃基板會造成高應力分佈。例如，應力分佈位置Z標計為△T m 項的平方根，△T m 與T 應變 呈線性關係。其他在試圖從該等表式預測實驗觀察方面不僅受限於所用假設，還受限於計算資訊，例如雷射焊接高CTE材料時。茲發現低CTE玻璃基板(小於約5ppm/℃)比高CTE玻璃更易焊接，例如鹼石灰玻璃。該等低CTE基板包括石英、熔融矽石、Eagle XG®、Willow和Lotus玻璃基板。經有效實驗後可知適合在高CTE玻璃中製作高品質焊道的條件。例如，所述實施例可在不需預熱基板的情況下，使用1μm LMG膜來焊接鹼石灰玻璃(CTE為約9ppm/℃或以上)，此遠低於應變或退火點。
如上所述，最佳玻璃焊接可具有
Figure 104135817-A0202-12-0033-17
<<1且σ 界面雷射焊接>10MPa，及提供強固、透明、密封、氣密包裝件。此類焊接可由內聚擴散製程形成，焊接拉伸強度測量並顯示應力負載需大於10MPa，以誘發內聚破損。亦發現此類焊接亦在玻璃基板遠離玻璃-玻璃界面的拉伸應力前沿位置出現內聚破損。另外，此類焊接展現的拉伸強度遠小於界面拉伸強度。在此雷射焊接期間，不會發生熔 化膠泥傳播，在一些實施例中，可採用小於約1025個光子/cm2/秒(尖峰功率)或約15千瓦/cm2(平均功率)的雷射光子通量。在其他示例性實施例中，其他內聚擴散雷射玻璃焊接可具有
Figure 104135817-A0202-12-0034-18
<1且σ 界面雷射焊接>1MPa。此類玻璃焊接亦可提供強固、透明、密封、氣密包裝件。此類焊接可由內聚擴散製程形成，焊接拉伸強度測量並顯示應力負載需大於1MPa，以誘發破損。此類焊接亦在玻璃基板遠離玻璃-玻璃界面的拉伸應力前沿位置出現內聚破損。另外，此類焊接展現的拉伸強度遠小於界面拉伸強度。在此雷射焊接期間，不會發生熔化膠泥傳播，在一些實施例中，可採用小於約1025個光子/cm2/秒(尖峰功率)或約15千瓦/cm2(平均功率)的雷射光子通量。
檢驗根據示例性實施例的示例性焊道和性質，及以雷射焊接截面與附近的應力、虛擬溫度、折射率、模量和玻璃密度分佈特性化。特性化技術包括Polscope應力分佈、紅外線反射(Tomozawa方法)、Brillouin顯微鏡和微拉曼光譜等，但不以此為限。例如，微觀截面圖像可顯示獨特的分佈，以提供高品質膜的示警辨識。雖然退火可去除應力，但仍存有雷射誘發虛擬溫度和密度變化，且偵測的到。該等測量能區別根據本發明的示例性玻璃焊接。在一些實施例中，應力分佈由Polscope技術特性化，結果繪於第20圖。如圖所示，雷射焊接會留下獨特的應力圖案而可區別如陽極連結，藉此可從第20圖由上方所示偏振微影圖像得知遠離焊接界面的較大拉伸應 力場。如上所述，雷射加熱將使玻璃溫度高於軟化點，使界面玻璃得相互擴散於內。此將提高照射體積內的虛擬溫度，虛擬溫度分佈可由Tomozawa提出的光譜法測量(J.Non-Cryst.Sol.,v.185,p.191(1995))，該文獻全文以引用方式併入本文中。在此光譜法中，Si-O-Si鍵角的帶移可揭露基板的熱史。又例如，微拉曼光譜可用於特性化玻璃密度變化。高頻拉曼峰位置部分取決於玻璃密度。例如，1060cm-1(ω4)的帶移與密度呈線性關係，同樣地，根據一些實施例，Brillouin散射光譜(和相關微影實施方式)顯示示例性雷射誘發焊接的模量和應變分佈辨識。
在附加實施例中，亦可從熱壓印玻璃基板外層樣品的石墨顆粒雷射吸收觀察得知類似優點(參見第23圖)。參照第23圖，示例性結構係藉由在玻璃基板(例如Eagle XG®)上壓合石墨模具而形成，並且覆蓋上石墨粉末做為各膜的脫膜劑。顆粒可由在更適合入射雷射誘發焊接的波長下吸收的不同玻璃材料製備。此可在局部密封區域或整個玻璃表面進行。在一些實施例中，模具不需留下表面印模，而是浸透上述具適當吸收性的表面玻璃。
在另一實施例中，示例性膜包括適量金屬，及利用標準膜沉積技術製造薄小島來吸收入射雷射能，或若有需要，利用離子交換技術、然後為還原環境。示例性膜的超薄島狀空間分佈可產生透明或半透明界面，且適合在入射雷射波長下吸收。
在又一實施例中，申請人證實無機或有機流體可密封於填充玻璃包裝件，又無損密封性。所述效果係基於流體可加熱及膨脹而暫時移開密封區域。此外，可利用界面加熱現象，其中在穩態照射期間，因玻璃基板的UV邊緣往更長波長移動，故將在基板中進行更多吸收誘發加熱。因此，最終密封產品可不需吸收膜，因為吸收流體開始局部加熱，接著進入基板而形成最終密封。雖然最終包裝件沒有吸收膜，但仍含有流體。在類似製程及另一實施例中，IR雷射先加熱界面IR吸收膜達低於玻璃焊接溫度的溫度，使玻璃基板的UV邊緣有效平移。UV雷射接著照射該區、加熱基板與界面，以形成強固焊接。
上述方法可用於眾多應用。非限定舉例來說，雷射焊接可用於形成量子點玻璃鏈(glasskette)，此描述於同在申請中的專利申請案第13/777,584號，該申請案全文以引用方式併入本文中。第24圖圖示本發明標的的一些實施例。參照第24圖，該圖圖示含無鎘量子點的雷射焊接氣密全玻璃包裝件。右側UV照射圖示示例性量子點包裝件受365nm光線刺激後的典型綠光輸出。該等示例性包裝件因所述焊接相關高拉伸連結強度而能耐受熱循環。此類裝置亦受惠於含量子點的雷射焊接玻璃包裝件在高強度操作相關高溫循環時的高光穩定性。
在另一非限定應用中，雷射焊接可配合酸蝕玻璃包裝件使用或用於絕熱結構。例如，參照第25圖，示例性真空絕熱玻璃窗或鑲嵌玻璃250的形成係藉由(A) 使具間隔物的3D特徵結構化基板(底基板251)接觸UVA塗覆蓋玻璃(頂基板252)，接著(B)在真空環境中，將UVA塗覆蓋玻璃片252雷射焊接至3D形成玻璃基板251，以形成(C)真空絕熱玻璃窗或鑲嵌玻璃250。窗格(C)截面圖示支撐間隔物的作用。間隔物可為習知取放間隔物或為雷射誘發凸塊，此描述於同在申請中的專利申請案第14/221,851號，該申請案全文以引用方式併入本文中。第26圖圖示利用雷射焊接方法製造真空絕熱玻璃結構的附加實施例。參照第26圖，大單塊玻璃基板有時需要以模組方式焊接子結構的方法。例如，在第26圖左列，薄玻璃填隙片兩側塗覆吸收膜，然後切割成填隙片。接著以維持真空的方式沿基板周圍雷射焊接。在一些實施例中，雷射誘發凸塊形成以製造間隔物，以避免外部壓力造成真空結構崩潰。接著將蓋板雷射焊接至凸塊。參照第26圖中間列，具吸收元素的薄膜切割成填隙片，及以維持真空的方式沿基板周圍雷射焊接。雷射誘發凸塊接著形成以製造間隔物，以避免外部壓力造成真空結構崩潰，接著將蓋板焊接至凸塊。參照第26圖右列，用濺射及RIE圖案化吸收膜遮蔽示例性鹼石灰玻璃基板，且該膜經酸蝕成預定圖案與深度。接著將蓋板雷射焊接至蝕刻圖案。當然，該等方法僅為舉例說明，故不應限定後附申請專利範圍的範圍。
在又一非限定應用中，雷射焊接製程用於三維(3D)形成製程及使用3D基板。例如，具3D特徵結構 的基板可用於雷射焊接至第二基板(平面或3D)。第27圖圖示一些利用雷射焊接的示例性非限定3D形成玻璃基板。第28圖、第29圖、第30圖及第31圖亦圖示利用3D形成基板的附加實施例。例如，第28圖圖示玻璃帶281，此可雷射焊接至鄰接基板280用作裝置(未圖示)邊緣保護，第29圖圖示玻璃壁285或周邊，此可雷射焊接至鄰接基板280，第30圖圖示內含特徵結構302的多層結構300，任何數量的層301a-e皆可配置以焊接形成複雜裝置，第31圖圖示焊接三個形成零件產生的複雜、非可塑性非平面形狀，例如片材280、角錐286和圓柱287。雷射焊接方法可用於有效增加壁面至基底結構、製造下垂無法形成的深深度結構、藉由堆疊及焊接處理片而逐層製造複雜結構、藉由堆疊多層下垂及/或壓合玻璃部件而製造複雜結構，並可免除昂貴的研磨及/或拋光用於邊緣防護。
雖然所述一些實施例係採用低熔點玻璃或無機膜，但後附申請專利範圍不應限於此，因為實施例亦可使用UV吸收膜、IRA膜及/或其他無機膜置於二基板間。如上所述，在一些實施例中，示例性基板玻璃中的色中心形成並非必要，且為膜UV吸收率的函數，例如小於約20%。在其他實施例中，若膜UV吸收率大於約20%，則諸如石英、低CTE基板等替代基板很容易形成焊道。另外，使用高CTE基板時，很容易使用示例性高重複率雷射(例如大於約300千赫至約5兆赫)及/或低尖峰功率 來焊接基板。另外，在膜吸收率為促成因子的實施例中，可利用示例性IR雷射系統焊接IR吸收(可見光穿透膜)。
在本發明的不同實施例中，玻璃密封材料和所得層可為透明及/或半透明、薄、不透水「生坯」，及配置以在低溫下形成氣密密封且具足夠密封強度來適應密封材料與鄰接基板間的大CTE差異。在一些實施例中，密封層不含填料及/或黏結劑。在一些實施例中，用於形成密封層的無機材料可為非玻料基或由毛玻璃製成的粉末(例如UVA、LMG等)。在其他實施例中，密封層材料係低Tg玻璃，該玻璃在匹配或實質匹配密封製程所用雷射操作波長的預定波長下具實質光吸收截面。在附加實施例中，在室溫下，低Tg玻璃層於雷射處理波長的吸收率為至少15%。
通常，適合的密封材料包括低Tg玻璃和具適當反應性的銅或錫氧化物。玻璃密封材料可由低Tg材料形成，例如磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃和硫化玻璃。低Tg玻璃材料在此定義為玻璃轉化溫度低於400℃，例如低於350℃、300℃、250℃或200℃。示例性硼酸鹽和磷酸鹽玻璃包括磷酸錫、氟磷酸錫和氟硼酸錫。濺射靶材可包括此類玻璃材料或材料前驅物。示例性銅與錫氧化物為CuO和SnO，且可由包含壓合材料粉末的濺射靶材形成。視情況而定，玻璃密封組成可包括一或更多摻質，包括鎢、鈰和鈮，但不以此為限。若有，則摻質會影響如玻璃層的光學性質，及可用於控制雷射輻射玻璃層的 吸收率。例如，摻雜氧化鈰可提高低Tg玻璃阻障層於雷射處理波長的吸收率。適合的密封材料另包括雷射吸收低液相溫度(LLT)材料，且液相溫度低於或等於約1000℃、低於或等於約600℃、或低於或等於約400℃。在其他實施例中，如上所述，無機膜的組成經選擇以降低誘使第一基板、第二基板、或第一與第二基板兩者蠕變流動的活化能。
示例性氟磷酸錫玻璃組成可以SnO、SnF2與P2O5各組成的對應三元相圖表示。適合的UVA玻璃膜包括SnO2、ZnO、TiO2、ITO和其他低熔點玻璃組成。適合的氟磷酸錫玻璃包括20-100莫耳%的SnO、0-50莫耳%的SnF2和0-30莫耳%的P2O5。氟磷酸錫玻璃組成可選擇性包括0-10莫耳%的WO3、0-10莫耳%的CeO2及/或0-5莫耳%的Nb2O5。例如，適於形成玻璃密封層的摻雜氟磷酸錫起始材料組成包含35至50莫耳%的SnO、30至40莫耳%的SnF2、15至25莫耳%的P2O5和1.5至3莫耳%的摻質氧化物，例如WO3、CeO2及/或Nb2O5。根據一特定實施例，氟磷酸錫玻璃組成為鈮摻雜氧化錫/氟磷酸錫/五氧化二磷玻璃，且包含約38.7莫耳%的SnO、39.6莫耳%的SnF2、19.9莫耳%的P2O5和1.8莫耳%的Nb2O5。用於形成此玻璃層的濺射靶材以原子莫耳百分比表示可包括23.04%的Sn、15.36%的F、12.16%的P、48.38%的O和1.06%的Nb。
根據另一實施例，磷酸錫玻璃組成包含約27%的Sn、13%的P和60%的O，此可獲自以原子莫耳百分比包含約27% Sn、13% P和60% O的濺射靶材。應理解所述各種玻璃組成可指稱沉積層組成或來源濺射靶材組成。如同氟磷酸錫玻璃組成，示例性氟硼酸錫玻璃組成可以SnO、SnF2與B2O3各組成的三元相圖表示。適合的氟硼酸錫玻璃組成包括20-100莫耳%的SnO、0-50莫耳%的SnF2和0-30莫耳%的B2O3。氟硼酸錫玻璃組成可選擇性包括0-10莫耳%的WO3、0-10莫耳%的CeO2及/或0-5莫耳%的Nb2O5。適合的低Tg玻璃組成和由該等材料形成玻璃密封層的方法的附加態樣描述於共同讓渡的美國專利案第5,089,446號和美國專利申請案第11/207,691號、第11/544,262號、第11/820,855號、第12/072,784號、第12/362,063號、第12/763,541號、第12/879,578號與第13/841,391號，該等申請案全文以引用方式併入本文中。例如，適合組成另可包括鋁矽酸鹽、硼矽酸鹽、硼鋁矽酸鹽、硼酸鹽(例如硼酸鉍鋅和硼酸釩)和磷酸鹽(例如磷酸鋅錫、磷酸釩等)。其他適合的低熔點玻璃組成亦可包括B2O3-矽酸鹽、Bi4O3-B2O3-ZnO±(BaO、MgO、CuO、MnO2、Fe2O3)、B2O3-Al2O3-SiO2±(CuO、Fe2O3、V2O5、TiO2、Li2O、Na2O、ZnO)、ZnO-SnO2-P2O5±(WO3、MoO3、Bi2O3)、V2O5-Sb2O3-磷酸鹽、V2O5-ZnO-Fe2O3-磷酸鹽、 CuO、ZnO-硼矽酸鹽、V2O5-硼酸鹽等。適合膜可由任何適當方法形成或沉積，包括非真空技術、網印、刮塗、噴塗、噴墨印刷等。例如，適合的網印方法可使用備於異丙醇漿料的超低熔化溫度玻璃料並使之通過篩網，如此可很快在2½平方吋基板上提供平均粒徑1微米的玻料。空氣乾燥後，採行示例性雷射焊接製程。
示例性基板(玻璃或其他)可具任何適當尺寸。基板的面積(長度與寬度)尺寸分別可為1公分至5公尺(例如0.1、1、2、3、4或5公尺)，厚度尺寸可為約0.5毫米至2毫米(例如0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5或2毫米)。在另一實施例中，基板厚度為約0.05毫米至0.5毫米(例如0.05、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5毫米)。在又一實施例中，基板厚度為約2毫米至10毫米(例如2、3、4、5、6、7、8、9或10毫米)。示例性玻璃密封層總厚度可為約100奈米至10微米。在不同實施例中，層厚度可小於10微米，例如小於10、5、2、1、0.5或0.2微米。示例性玻璃密封層厚度包括0.1、0.2、0.5、1、2、5或10微米。密封區域寬度與雷射光點尺寸呈比例關係，且可為約0.05至2mm，例如0.05、0.1、0.2、0.5、1、1.5或2mm。雷射的平移速率(即密封速率)可為約1毫米/秒至1000毫米/秒，例如1、2、5、10、20、50、100、200、400或1000毫米/秒。雷射光點尺寸(直徑)可為約0.02至1mm。然應注意適合 的雷射焊接不限於線焊接；例如，所述實施例可用於點焊接基板。
故發現，在本發明實施例中，當空間範圍(例如「焊接體積」)內的局部玻璃溫度超過應變或退火溫度時(例如EXG分別為669℃和772℃)，將形成適合雷射焊接玻璃基板界面。此體積取決於入射雷射功率、UVA或LMG熔體組成和色中心形成(因各基板中的雜質所致)。一旦達成，體積便可掃過界面區域，以快速強力密封二基板(玻璃或其他)。密封速度可達超過5-1000毫米/秒。隨著掃掠預定基板區域，示例性雷射焊接將經歷從熔化體積相關高溫突然轉變成較冷周溫。使熱基底玻璃色中心(鬆弛)區域慢慢冷卻(自行退火)及薄化UVA或LMG或NIR薄膜區(通常為½-1μm)，藉以抵消二相應基板(玻璃或其他)的CTE不匹配的任何影響，可維持氣密密封完整性和各自強度。
根據實施例，密封層材料和用於在玻璃基板上面形成密封層的處理條件選擇十分彈性，是以基板不會受到玻璃層形成的不良影響。低熔化溫度玻璃可用於密封或連結不同類型的基板。可密封及/或可連結基板包括玻璃、玻璃-玻璃疊層、玻璃-聚合物疊層、玻璃-陶瓷或陶瓷，包括氮化鎵、石英、矽石、氟化鈣、氟化鎂、尖晶石或藍寶石基板。附加基板可為金屬基板，包括鎢、鉬、銅或其他類型的適合金屬基板，但不以此為限。在一些實施例中，基板係含燐光質玻璃板，此可用於如發光裝置組 件。燐光質玻璃板例如包含一或更多金屬硫化物、金屬矽酸鹽、金屬鋁酸鹽或其他適合燐光質，且可用作白光LED燈的波長轉換板。白光LED燈一般包括由III族氮化物系化合物半導體形成的藍光LED晶片，用以發射藍光。白光LED燈例如可用於照明系統或做為液晶顯示器的背光。所述低熔化溫度玻璃焊相關密封方法可用於密封或封裝LED晶片。
由於基板能以主要雷射照射條件形成色中心及提高溫度產生基底基板(玻璃或其他)性質，故可進行根據本發明實施例的示例性製程。在一些實施例中，若期透明密封，則色中心形成為可逆。在一些實施例中，若基板具不同厚度，則可使用導熱基板來恢復焊接完整性。
示例性實施例可採用低熔化溫度材料及利用低雷射脈衝尖峰功率，將玻璃或其他材料基板雷射焊接在一起，以減少震波產生及確保無微裂出現而危及拉伸破裂強度。示例性實施例亦可提供擴散焊接，且無熔化膠泥傳播，因而容許適當低溫密封製程。因膜區薄化，本發明實施例可抵消二相應基板的CTE不匹配的任何影響，及用於焊接類似或不同尺寸基板。另外，在本發明實施例中，密封時不像玻料或染料情況需要圖案化膜，故製造商不需揭露專利設計。
本發明亦教示低熔化溫度材料如何用於一起雷射焊接玻璃包裝件，使易受氧與水分攻擊而降解的被動與主動裝置能長時間氣密操作。如上所述，所述實施例提 供UVA、LMG或其他密封，此可在利用雷射吸收以組裝連結表面後由熱活化，並享有高製造效率，此係因為密封各工作裝置的速率取決於熱活化和連結形成、而非在真空或鈍氣生產線的線內薄膜沉積封裝裝置的速率。如此能大片多裝置密封，然後刻劃成個別裝置(單粒化)，因機械完整性高，故單粒化產率也很高。
本發明實施例亦提供雷射密封製程，例如雷射焊接、擴散焊接等，此依靠外來色中心(例如雜質或摻質)在入射雷射波長下於玻璃基板內形成色中心或玻璃固有本質色中心，及結合示例性雷射吸收膜。一些非限定膜實例包括SnO2、ZnO、TiO2、ITO和低熔點玻璃膜，此可用於玻璃基板界面。使用該等材料焊接可讓可見光穿透及充分吸收UV，以開始穩態溫和擴散焊接。該等材料亦可提供透明雷射焊道，且局部密封溫度適合擴散焊接。此擴散焊接為低功率與溫度雷射焊接各玻璃基板，且以有效快速焊接速度製造優良透明焊道。根據本發明實施例，除色中心形成外，示例性雷射焊接製程亦依靠玻璃的光誘發吸收性而包括溫度誘發吸收。
使用所述材料和方法來氣密封裝工件有利於易受氧及/或水分攻擊的裝置長時間操作。示例性工件、裝置或應用包括彈性、剛性或半剛性有機LED、OLED照明、OLED電視、光伏元件、MEMS顯示器、電色窗、螢光團、鹼金屬電極、透明導電氧化物、量子點等。
基於實用目的，氣密層在此係指實質氣密且水氣及/或氧實質不滲透的層。例如，氣密密封可配置以限制氧蒸散(擴散)小於約10-2cm3/m2/天(例如小於約10-3cm3/m2/天)，及限制水蒸散(擴散)為約10-2克/m2/天(例如小於約10-3、10-4、10-5或10-6克/m2/天)。在實施例中，氣密密封實質抑制空氣與水接觸受保護工件。
在一些實施例中，連結二基板的方法包含形成第一玻璃層至第一基板的密封表面、形成第二玻璃層至第二基板的密封表面、使至少部分第一玻璃層物理接觸至少部分第二玻璃層，及加熱玻璃層，以局部熔化玻璃層和密封表面，而在第一與第二基板間形成玻璃-玻璃焊接。在所述密封構造中，使用低熔化溫度玻璃層密封可藉由局部加熱、熔化，接著冷卻玻璃層與鄰接密封表面的玻璃基板材料而達成。
因此，本發明實施例的一態樣為結合易以雷射焊接形成氣密密封並形成主動OLED或其他裝置的氣密包裝件，使之得廣泛製造。此製造可在界面導電膜上面焊接。不像本文所述方法，習知雷射密封方法會切斷界面導電引線，特別係界面溫度變得太高或與導電引線材料產生有害雷射輻射相互作用時。然本發明實施例提供需電偏壓的裝置結構使用界面低熔化溫度玻璃材料膜進行氣密裝置操作的能力。故本發明標的的實施例可成功雷射焊接具 界面導電膜的玻璃片或其他基板，又不會造成破壞或降低性能。
在一些實施例中，提供設備，包含具第一表面的第一基板、鄰接第一基板的第二基板、和形成在第一基板與鄰接第二基板的界面間的焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0047-19
<<1，且σ 界面雷射焊接>10MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在其他實施例中，提供設備，包含具第一表面的第一基板、鄰接第一基板的第二基板、和形成在第一基板與鄰接第二基板的界面間的焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0047-20
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在附加實施例中，提供形成真空絕熱玻璃窗的方法，包含下列步驟：提供具第一表面與第一邊緣的第一玻璃基板、提供複數個第一間隔物於第一表面、沿第一玻璃基板的第一邊緣提供複數個第二填隙片、使具第二表面與第二邊緣的第二玻璃基板接觸複數個第一間隔物和複數個第二填隙片，使得第一和第二玻璃基板在第一與第二表面間相隔第一距離、沿第一與第二邊緣，將第一玻璃基板雷射密封至第二玻璃基板，以於第一與第二玻璃基板間定義內部區域，及在內部區域形成小於一大氣壓的真空壓力。
在進一步實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0048-21
<<1，且σ 界面雷射焊接>10MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。在附加實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0048-22
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。該等實施例可進一步包含形成於第一基板的第一表面上面的無機膜和在第一基板與第二基板間受到保護的裝置，其中無機膜接觸第二基板。在其他實施例中，無機膜、第一基板和第二基板各自在約420nm至約750nm下為可透射。在進一步實施例中，無機膜在預定雷射波長下的吸收率超過10%。無機膜的組成可選自由SnO2、ZnO、TiO2、ITO、Zn、Ti、Ce、Pb、Fe、Va、Cr、Mn、Mg、Ge、SnF2、ZnF2和上述組合物所組成的群組。在一些實施例中，無機膜的組成經選擇以降低誘使第一基板、第二基板、或第一與第二基板兩者蠕變流動的活化能。在其他實施例中，無機膜的組成係雷射吸收低液相溫度材料，且液相溫度低於或等於約1000℃。在進一步實施例中，無機膜的組成包含： 20-100莫耳%的SnO、0-50莫耳%的SnF2和0-30莫耳%的P2O5或B2O3。在一些實施例中，無機膜和第一與第二基板在約420nm至約750nm間具有超過80%的結合內部透射率。在其他實施例中，第一或第二基板中的雜質選自由As、Fe、Ga、K、Mn、Na、P、Sb、Ti、Zn、Sn和上述組合物所組成的群組。在進一步實施例中，第一和第二基板具有不同的側向尺寸、不同的CTE、不同的厚度或上述組合。當然，第一與第二基板之一可為玻璃或玻璃-陶瓷，第一與第二基板的另一者可為玻璃-陶瓷、陶瓷或金屬。在附加實施例中，第一、第二、或第一與第二基板包含鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、鹼石灰玻璃、熱強化玻璃、化學強化玻璃、硼矽酸鹽玻璃和上述組合物。示例性裝置包括發光二極體、有機發光二極體、量子點材料、燐光質、導電引線、半導體晶片、ITO引線、圖案化電極、連續電極和上述組合物。
在附加實施例中，提供形成真空絕熱玻璃窗的方法，包含下列步驟：提供具第一表面與第一邊緣的第一玻璃基板、提供複數個第一間隔物於第一表面、沿第一玻璃基板的第一邊緣提供複數個第二填隙片、使具第二表面與第二邊緣的第二玻璃基板接觸複數個第一間隔物和複數個第二填隙片，使得第一和第二玻璃基板在第一與第二表面間相隔第一距離、沿第一與第二邊緣，將第一玻璃基板雷射密封至第二玻璃基板，以於第一與第二玻璃基板間定義內部區域，及在內部區域形成小於一大氣壓的真空壓 力。在一些實施例中，提供複數個第二填隙片的步驟進一步包含提供複數個第二填隙片，第二填隙片具有無機膜於其第一表面、第二表面、或第一與第二表面上面。在另一實施例中，提供複數個第一間隔物的步驟進一步包含用聚焦雷射光束照射第一玻璃基板的位置，及停止照射，以固定間隔物，及就不同位置反覆進行照射步驟多次，以形成複數個第一間隔物。在附加實施例中，提供複數個第一間隔物及提供複數個第二填隙片的步驟進一步包含沉積材料膜至第一玻璃基板的第一表面，及利用遮罩及蝕刻，圖案化沉積膜。
在一些實施例中，膜組成選自由SnO2、ZnO、TiO2、ITO、Zn、Ti、Ce、Pb、Fe、Va、Cr、Mn、Mg、Ge、SnF2、ZnF2和上述組合物所組成的群組。在其他實施例中，膜組成經選擇以降低誘使第一基板、第二基板、或第一與第二基板兩者蠕變流動的活化能。在另一實施例中，膜組成係雷射吸收低液相溫度材料，且液相溫度低於或等於約1000℃。在又一實施例中，無機膜的組成包含：20-100莫耳%的SnO、0-50莫耳%的SnF2和0-30莫耳%的P2O5或B2O3。在其他實施例中，第一或第二基板及/或填隙片中的雜質選自由As、Fe、Ga、K、Mn、Na、P、Sb、Ti、Zn、Sn和上述組合物所組成的群組。在另一實施例中，第一和第二基板具有不同的側向尺寸、不同的CTE、不同的厚度或上述組合。在附加實施例中，第一、第二、或第一與第二基板 包含鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、鹼石灰玻璃、熱強化玻璃、化學強化玻璃、硼矽酸鹽玻璃和上述組合物。在一些實施例中，雷射輻射包含在約193nm至約420nm預定波長下的UV輻射。在其他實施例中，雷射輻射包含在約780nm至約5000nm預定波長下的NIR輻射。在附加實施例中，雷射密封步驟將形成焊道，焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0051-23
<<1，且σ 界面雷射焊接>10MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於第一表面的應力。在進一步實施例中，雷射密封步驟將形成焊道，焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0051-24
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於第一表面的應力。
在進一步實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0051-25
<<1，且σ 界面雷射焊接>10MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
在附加實施例中，提供形成密封裝置的方法，包含下列步驟：提供具第一表面的第一基板、提供第二基板鄰接第一基板，及在第一基板與鄰接第二基板的界面間形成焊道。焊道的特徵在於
Figure 104135817-A0202-12-0051-26
<1，且σ 界面雷射焊接>1MPa，其中σ 拉伸應力位置係存於第一基板的應力，σ 界面雷射焊接係存於界面的應力。
儘管敘述內容包括許多細節，然不應解釋成限定本發明的範圍，此僅為描述特定實施例特有的特徵而已。本文所述各實施例的某些特徵亦可結合用於單一實施例。反之，本文所述單一實施例的各種特徵也可單獨用於多個實施例、或以任何適當方式重新組合。再者，雖然上述特徵存於特定組合，且甚至最初係就其本身主張保護範圍，但在一些情況下，可捨去主張組合的一或多個特徵，因此主張組合與重新組合或重新組合變化有關。
同樣地，儘管圖式繪示操作係按特定順序，然應理解上述操作不限於所示特定順序或必須依序或進行所有所示操作才能達到預期效果。在某些情況下，採行多工及平行處理係有利的。
如同所示各種構造和實施例，茲描述雷射焊接玻璃包裝件和製作方法的不同實施例。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，但應理解所述實施例僅為舉例說明，本發明的保護範圍視後附申請專利範圍所界定者為準，熟諳此技術者在參閱說明後，在符合等效範圍內，當可作許多更動與潤飾。
221‧‧‧核心
222‧‧‧包層
224‧‧‧基板

Claims (18)

  1. 一種焊接包裝件，包含：一第一基板，具有一第一表面；一第二基板，鄰接該第一基板；及一焊道，形成在該第一基板與該鄰接第二基板的一界面之間，其中該焊道的特徵在於：(
    Figure 104135817-A0305-02-0058-1
    )<1，且σ界面雷射焊接>1MPa，其中σ拉伸應力位置係存於該第一基板的應力，σ界面雷射焊接係存於該界面的應力。
  2. 如請求項1所述之焊接包裝件，進一步包含：一無機膜，形成於該第一基板的該第一表面上面；及一裝置，在該第一基板與該第二基板間受到保護，其中該無機膜接觸該第二基板。
  3. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜、該第一基板和該第二基板各自在約420nm至約750nm下為可透射。
  4. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜在一預定雷射波長下的吸收率超過10%。
  5. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機 膜的組成選自由SnO2、ZnO、TiO2、ITO、Zn、Ti、Ce、Pb、Fe、Va、Cr、Mn、Mg、Ge、SnF2、ZnF2和上述組合物所組成的群組。
  6. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜的組成經選擇以降低誘使該第一基板、該第二基板、或該第一基板與該第二基板兩者蠕變流動的活化能。
  7. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜的組成係一雷射吸收低液相溫度材料，且具有低於或等於約1000℃的一液相溫度。
  8. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜的組成包含：20-100莫耳%的SnO；0-50莫耳%的SnF2；及0-30莫耳%的P2O5或B2O3。
  9. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該無機膜和該第一基板與該第二基板在約420nm至約750nm間具有超過80%的一結合內部透射率。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之焊接包裝件，其中該第一基板或該第二基板中的雜質選自由As、Fe、Ga、K、Mn、Na、P、Sb、Ti、Zn、Sn和上述組合物所組成的群組，其中該第一基板和該第 二基板具有不同的側向尺寸、不同的CTE、不同的厚度或上述組合，或者其中該第一基板與該第二基板之一者係玻璃或玻璃-陶瓷。
  11. 如請求項10所述之焊接包裝件，其中該第一基板與該第二基板的另一者為玻璃-陶瓷、陶瓷或金屬。
  12. 如請求項2所述之焊接包裝件，其中該裝置選自由一發光二極體、一有機發光二極體、一量子點材料、一燐光質、一導電引線、一半導體晶片、一ITO引線、一圖案化電極、一連續電極和上述組合物所組成的群組。
  13. 一種形成一真空絕熱玻璃窗的方法，該方法包含下列步驟：提供一第一玻璃基板，具有一第一表面和一第一邊緣；提供複數個第一間隔物於該第一表面；沿該第一玻璃基板的該第一邊緣提供複數個第二填隙片；使具一第二表面與一第二邊緣的一第二玻璃基板接觸該複數個第一間隔物和該複數個第二填隙片，使得該第一玻璃基板和該第二玻璃基板在該第一表面與該第二表面間相隔一第一距離； 沿該第一邊緣與該第二邊緣，將該第一玻璃基板雷射密封至該第二玻璃基板，以於該第一玻璃基板與該第二玻璃基板間定義一內部區域，其中該雷射密封步驟將形成一焊道，該焊道的特徵在於：(
    Figure 104135817-A0305-02-0061-2
    )<1，且σ界面雷射焊接>1MPa，其中σ拉伸應力位置係存於該第一基板的應力，σ界面雷射焊接係存於該第一表面的應力；及在該內部區域形成小於一大氣壓的一真空壓力。
  14. 如請求項13所述之方法，其中提供複數個第二填隙片的該步驟進一步包含下列步驟：提供複數個第二填隙片，該等第二填隙片具有一無機膜於其一第一表面、一第二表面、或該第一表面與該第二表面兩者上面。
  15. 如請求項13所述之方法，其中提供複數個第一間隔物的該步驟進一步包含下列步驟：用一聚焦雷射光束照射該第一玻璃基板的一位置，及停止照射，以固定該間隔物；及就不同位置反覆進行該照射步驟多次，以形成該複數個第一間隔物。
  16. 如請求項13所述之方法，其中提供複數個第一間隔物的該步驟及提供複數個第二填隙片的該步 驟進一步包含下列步驟：沉積一材料膜至該第一玻璃基板的該第一表面；及利用遮罩及蝕刻，圖案化該沉積膜。
  17. 如請求項13所述之方法，其中該第一基板、該第二基板、該複數個第二填隙片、或該第一基板與該第二基板和該複數個第二填隙片各自包括選自由As、Fe、Ga、K、Mn、Na、P、Sb、Ti、Zn、Sn和上述組合物所組成的群組一雜質。
  18. 如請求項13所述之方法，其中該雷射密封步驟將形成一焊道，該焊道的特徵在於：(
    Figure 104135817-A0305-02-0062-3
    )<<1，且σ界面雷射焊接>10MPa，其中σ拉伸應力位置係存於該第一基板的應力，σ界面雷射焊接係存於該第一表面的應力。
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