ガラスに固有の優れた特性により、生物医学、航空宇宙、マイクロエレクトロニクスなど多様な分野のハイテク製品に幅広く使用されるようになりました。このことが、特に大量かつ精密なガラスの切断という点で、メーカーにとって課題となっていることは以前にも説明しました。また、ガラスと金属や半導体など他の素材との接合も困難で、ガラスを個々に溶接する必要があります。
従来の接合方法
しかし、従来のガラス溶接方法では、コスト効率のよい大量生産に必要な精度、接合品質、生産スピードが得られないという問題がありました。たとえば、接着剤による接合は安価な方法ですが、部品に接着剤が残り、ガス抜けの原因になることもあります。
Frit溶着は、接合部に粉末状の材料を置き、それを溶かして接合します。オーブンで溶かすにせよ、レーザで溶かすにせよ、部品には大量の熱が供給されます。それは、マイクロエレクトロニクスや多くの医療機器にとって問題となります。
イオン結合は、非常に強い結合を実現する優れた方法です。極めて平坦な2枚のガラス面を押し付け合い、分子結合により文字通り融合させるものです。しかし、これを生産現場で行うのはあまり現実的ではありません。
レーザガラス溶接
レーザ溶接はどうでしょうか。しかし、非常に高い融点、透明性、脆性、機械的剛性といったガラスの利点は、レーザによる溶接を困難にする特性でもあります。そのため、金属などの溶接に使われる一般的な工業用レーザや手法が、ガラスにはうまく適用できないのです。
精密なガラス切断と同じように、赤外線波長の超短パルス（USP）レーザを使うことが秘訣となります。ガラスは赤外線に対しては透過的であるため、集束レーザ光はガラスをそのまま通過してしまいます。つまり、集束ビームが狭くなって集中し、「非線形吸収」を誘発するところまでです。これは、超短パルスのピークパワーが高いからこそ起こることで、他のレーザタイプでは同じことはできません。
そこで、ガラスはレーザ光を吸収し、集光点周辺のごく小さな領域（通常は直径数十マイクロメートル以下）で急速に溶融します。他のレーザ溶接と同様に、集束ビームを溶接経路に沿って走査し、接合を行います。
USPレーザガラス溶接工法には、3つの大きなメリットがあります。まず、両者が部分的に溶けて再固化し、溶接部を形成するため、強固な接合部が得られます。また、この技術は、ガラスとガラス、ガラスと金属、ガラスと半導体の接合にも同様に有効です。
第二に、このプロセスでは部品にほとんど熱を加えません。せいぜい数百ミクロン以下の幅の領域で熱を発生させるだけです。このため、エレクトロニクス回路など熱に弱い部品のすぐ近くに溶接部を配置することができます。これにより、設計者、製造者ともに自由度が増し、製品の小型化に役立ちます。
最後に、USPレーザガラス溶接を適切に実施すれば、溶接部周辺にマイクロクラックを発生させることはありません。マイクロクラックがあると、ガラスの機械的強度が弱くなります。さらに、温度サイクルが発生する機器では、最終的に故障の原因となることもあります（あらゆる機器で発生します）。
CoherentがUSPレーザガラス溶接を実用化
USPレーザガラス溶接の利点は、ガラスをごくわずかしか加熱しないことにあります。しかし、それは実際に導入する際の課題も生み出します。つまり、溶接する2つの部品が動いても、レーザの焦点位置をその界面に正確に合わせなければならないのです。しかも、現実の部品は完全な平面ではないので、これは困難です。また、溶接システムに設置する際に、正確に水平に配置されないこともあります。
その解決策の1つは、軸方向に伸びたフォーカスを使用することです。これにより、レーザ光の焦点を「引き伸ばす」ことで、位置感度の問題を克服します。しかし、この方法には、細長いビームフォーカスにより、断面が丸くない溶融プールがガラス内に形成される欠点があります。丸くない溶融プールでは、溶融ゾーンでガラスが固化する際にマイクロクラックが発生しやすくなります。
Coherentは、加工中の界面距離の大幅な変化に対応しながら、マイクロクラックのない溶接を実現するために、異なるアプローチをとっています。その秘密は、小さな集光スポットを作り出す高開口数（NA）光学系と、高度なダイナミックフォーカス技術にあります。
これにより、Coherentのシステムでは、マイクロクラックを回避するために、高度に真球状態の溶融プールを実現しています。また、インターフェースの距離を感知して光学系を連続的に調整するため、常に完璧なフォーカスを維持することができます。その結果、あらゆる形状の部品で高品質な溶接を実現し、部品の公差や位置の影響を受けにくい加工方法を実現しました。
お客様の工具や生産ラインに組み込むことができるガラス溶接機や、完全なスタンドアロン型のガラス溶接システムなど、Coherentのガラス溶接機の詳細をご覧ください。
