01 Introducció
Amb l'avenç continu de la ciència i la tecnologia i l'aplicació generalitzada de nous materials, la fabricació moderna s'està desenvolupant ràpidament cap a direccions lleugeres, miniaturitzades i d'alta{0}}precisió. En camps com la microelectrònica, l'optoelectrònica i els sistemes micro-electromecànics (MEMS), la connexió i la integració de micro-nanoestructures són especialment importants. Els mètodes de processament tradicionals, com ara el processament làser de-pols llarg o el mecanitzat de descàrrega elèctrica, sovint inclouen zones afectades per calor-importants (HAZ), que poden provocar fàcilment deformacions del material, microesquerdes o capes de refundición, cosa que dificulta el compliment dels requisits d'interconnexió d'alta-precisió a escala micro- i nano. Els làsers ultraràpids, que solen referir-se a làsers amb amplades de pols en el rang de femtosegons (fs) o picosegons (ps), proporcionen una nova solució per a la fabricació de precisió a causa de la seva densitat de potència màxima extremadament alta i el seu temps d'interacció ultra-breu. En particular, la micro-nano soldadura làser ultraràpida (Nano Welding) pot superar les limitacions de difusió tèrmica de la soldadura tradicional i aconseguir connexions precises a escala micro{-nano. Aquesta tecnologia utilitza els efectes no lineals de la interacció làser ultraràpida amb materials per aconseguir la fusió i l'enllaç en àrees extremadament petites alhora que s'evita danys a les estructures circumdants. Basat en els darrers avenços en el processament de microestructures làser ultraràpids, aquest article se centra a explicar els principis bàsics de la micro-soldadura làser ultraràpida, els paràmetres clau del procés i les seves aplicacions típiques en diferents sistemes de materials.
02 Principi de soldadura làser ultra-ràpid
El mecanisme bàsic de la micro-nano soldadura làser ultraràpida rau en el procés termodinàmic i l'efecte de millora del camp local. El principi bàsic és que mitjançant la interacció entre el làser ultraràpid i el material, la interfície de contacte de les microestructures a soldar pateix una fusió local, eliminant així els buits i formant una connexió estable. En el procés de soldadura d'estructures de sublongitud d'ona com els nanofils, la irradiació làser femtosegon pot induir una ressonància de plasma localitzada, que genera camps d'alta temperatura-localitzats als punts de creu o àrees de contacte dels nanofils, permetent la connexió, el tall o la remodelació dels nanofils. Un avantatge important d'aquesta tecnologia és la seva localització tèrmica extremadament alta. A causa de l'amplada de pols ultracurt del làser ultraràpid (normalment a l'escala de femtosegons), la difusió de calor es suprimeix significativament, permetent que la temperatura global arribi a l'equilibri en 10⁻¹² segons. Aquest mecanisme de relaxació tèrmica ultraràpida garanteix que les altes temperatures es limiten només a les regions locals on es produeix la ressonància del plasma, mentre que les zones de l'estructura del nanofil fora de la zona de ressonància no es danyin per l'alta temperatura, mantenint així la integritat estructural general del dispositiu. A més, l'elecció dels paràmetres del procés de soldadura té un impacte decisiu en la qualitat de la soldadura. Els estudis han demostrat que l'ús d'una alta freqüència de repetició del pols combinada amb una baixa energia del pols pot reduir eficaçment la formació de compostos intermetàl·lics fràgils, reduir l'aparició de defectes de soldadura i evitar l'ablació excessiva del material metàl·lic.
Figura 1. Diagrama esquemàtic de la ionització no lineal, l'evolució del plasma i els mecanismes termodinàmics d'interacció làser ultraràpida amb silici.
Figura 2. Comparació de mecanismes de deposició d'energia i processos de transformació de fases de metalls i materials no-metàl·lics en micro-nano soldadura làser ultra ràpida.
03 Aplicacions de soldadura làser ultraràpida
Actualment, la tecnologia de micro-nano soldadura làser ultraràpida s'ha aplicat àmpliament a la connexió de diverses micro-nanoestructures conductores. Segons les característiques del material, es pot classificar principalment en soldadura de micro-nanoestructura metàl·lica, soldadura de nanomaterials de semiconductors i soldadura d'heterounió de materials diferents. En aquests tres escenaris d'aplicació, els làsers ultra ràpids han demostrat avantatges significatius respecte als processos tradicionals.
Pel que fa a la interconnexió precisa de les micro-nanoestructures metàl·liques, les tecnologies tradicionals de micro-soldadura sovint s'enfronten a efectes de desbordament tèrmic greus quan es manipulen filferros metàl·lics a escala de micres- o nanomètriques-, a causa de la dificultat per controlar amb precisió l'entrada de calor. Aquesta càrrega tèrmica excessiva no només fon fàcilment filferros metàl·lics fins, sinó que també tendeix a formar compostos intermetàl·lics trencadissos a les unions de metalls diferents, donant lloc a una baixa resistència mecànica i defectes freqüents de soldadura. En canvi, la soldadura làser ultraràpida, mitjançant l'ús d'una estratègia de procés única que combina altes taxes de repetició de pols amb baixa energia de pols, supera de manera efectiva aquests reptes. Aquesta sinergia d'alta freqüència de repetició i baixa energia garanteix una acumulació d'energia suficient per a la soldadura alhora que redueix significativament l'ablació excessiva del material metàl·lic, suprimint així eficaçment la formació de compostos intermetàl·lics fràgils i minimitzant els defectes de soldadura.
En aplicacions específiques, els investigadors van ser els primers a utilitzar aquesta tecnologia per aconseguir la soldadura de micro-fills Ag a substrats de Cu, demostrant el seu potencial en interconnexions microelectròniques. A més, per als nanofils metàl·lics homogenis Ag-Ag a nanoescala, els investigadors van soldar amb èxit els nanocables mitjançant polsos ultracurts de 35 fs a una densitat d'energia d'aproximadament 90 mJ/cm². Les articulacions resultants no només estaven estructuralment intactes, sinó que també mantenien una excel·lent conductivitat elèctrica i resistència mecànica.
En la connexió no destructiva de nanomaterials semiconductors, els processos convencionals d'escalfament global o de soldadura per contacte poden danyar fàcilment l'estructura cristal·lina dels nanofils o causar danys tèrmics en zones no-soldades a causa de l'alta fragilitat i sensibilitat tèrmica dels materials semiconductors. La soldadura làser ultraràpida aborda aquest problema mitjançant el seu mecanisme de ressonància de plasma localitzat únic. Quan s'aplica la irradiació làser de femtosegons als nanofils, s'indueix una ressonància de plasma localitzada a les interseccions o unions, generant altes temperatures localitzades per aconseguir la soldadura, el tall o la remodelació. Com que el temps d'acció del làser ultraràpid és extremadament curt, la difusió de calor arriba a l'equilibri dins de l'interval de picosegons (10 ^ -12 segons), el que significa que l'alta temperatura generada es limita estrictament a l'àrea de ressonància local, deixant les estructures de nanofils fora de la zona de ressonància completament indemnes.
Basant-se en aquest principi, els investigadors van aconseguir soldar amb èxit els nanofils semiconductors homogenis de ZnO-ZnO. Amb una amplada de pols de 35 fs i una densitat d'energia de 77, 6 mJ/cm², després de 30 segons d'irradiació, els nanofils estaven connectats de manera ferma i no destructiva. Aquest avenç proporciona un mètode de processament sense-contacte eficaç i precís per al muntatge de tots els-fotodetectors i sensors d'òxids.
La tecnologia de micro-nano soldadura làser ultraràpida, amb una amplada de pols extremadament curta i una potència de pic extremadament alta, ha superat les limitacions dels mètodes tradicionals de soldadura en el control dels efectes tèrmics, convertint-se en una eina indispensable en el camp de la micro-nanofabricació. Mitjançant la ressonància de plasma localitzada i els mecanismes d'absorció no lineal, aquesta tecnologia pot aconseguir una fusió i unió precisa de materials a escales espacials i temporals extremadament petites, evitant de manera efectiva el dany tèrmic a les micro-nanoestructures circumdants. Des de microfills metàl·lics fins a nanocables semiconductors, i fins i tot juntes complexes de materials heterogenis, la soldadura làser ultraràpida ha demostrat una àmplia adaptabilitat del material i una excel·lent qualitat de processament. En el futur, amb una investigació més profunda sobre els mecanismes d'interacció de la matèria làser-i millores addicionals en el rendiment del làser, s'espera que la micro-nano soldadura làser ultra ràpida tingui un paper encara més crític en la fabricació d'electrònica flexible, dispositius nano-optoelectrònics i sensors altament integrats, impulsant una tecnologia de micro{{9}na precisió i una major eficiència.
