4-1 造成銲後位移的原因
雷射與光纖之間耦光與固定是構裝雷射模組中最困難的部分，各 種固定方式都會改變光纖原始的最佳耦光位置，既使最常使用的雷射 銲接也不例外，經由雷射銲接工件之後所造成的光纖位移，稱之銲後 位移(Post Weld Shift)。由於雷射銲接時，工件的某微小區域在幾毫秒 (ms)吸收了大量的熱能，而工件溫度又迅速的恢復至室溫，在這段急
圖 4.1 為溫度與應力和微觀組織三者的熱處理互相關係運作圖，他說 明了溫度、應力和微觀組織三者的關係是環環相扣的。
因此欲提升雷射模組的良率，必須要減少銲後位移的量，以達到 最佳的耦光效率，而在尋找減少銲後位移的構裝製程之前，建立一個 度量銲後位移的量測系統是相當重要的，一旦能將銲後位移的值量 化，才有機會減少銲後位移的量而提升構裝蝶式雷射模組的良率。
4-2 蝶式模組銲後位移的量測方式
銲後位移的量測系統主要是由可放大 300 倍的影像拍攝器(如圖 4.2)與靜態解析度達 1600x1200 像素的影像擷取卡所架構而成的，透 過擷取影像的座標分析與電腦運算而將銲後位移的值求得。
圖 4.2 可放大 300 倍的影像拍攝器 High Magnification Video Probe camera
銲後位移的量測流程：
註:影像拍攝器位置固定，因此可將拍攝的結果座標化，以方便計算 光纖位置的改變。
啟動影像拍攝器，並先拍攝下雷射銲接前的光纖原始位置。
經由雷射銲接後，拍攝光纖改變的位置。
重複拍攝每一個銲接順序前後的光纖位置。
將拍攝的結果輸入電腦中計算銲後位移。
將每筆資料計算五次，並平均五筆資料，求得銲後位移。
圖 4.3 雷射銲接之前光纖的位置
圖 4.4 雷射銲接之後光纖的位置
經由電腦計算圖 4.3 與圖 4.4 雷射銲接前後光纖位置的差異，可求 得銲後位移值為 X=-5.64µm , Z=-0.01µm
Laser Diode
Fiber
Laser Diode
125μm
X-axis Z-axis
125μm
Z-axis
X-axis
4-3 馬鞍與光纖套管的設計
由本實驗室在過去構裝圓柱型雷射模組的經驗得知，銲接工件本 身的匹配程度也會對銲後位移造成影響，因此在光纖固定的關鍵材料 光纖套管與馬鞍上，設計了兩種不同的匹配方式，第一種設計為馬鞍 與光纖套管之間沒有任何的間隙(圖 4.5)，稱之型式一(Type 1)，以過 去構裝圓柱型雷射模組的經驗，銲接材料之間若有間隙將會有較大的 銲後位移，因此第一種設計考量的層面為減少工件間的間隙所帶來的 不良影響。第二種設計為馬鞍與光纖套管之間有 10μm 間隙(圖 4.6)，
每邊間隙約 5μm，稱之型式二(Type 2)，型式二的優點為在放置馬鞍 於光纖套管上時，較易放置馬鞍，因為馬鞍與光纖套管有一個微小的 間隙，而沒有間隙的設計在放置馬鞍時則較為困難，因為其最佳放置 點非常的狹小，因此針對這兩種設計，研究其經雷射銲接之後所產生 的位移，以及雷射模組的功率。在馬鞍與光纖套管的材料則是選擇殷 鋼(Invar)，殷鋼的優點為其熱膨脹係數(Thermal Expansion)較其他材 料小(表 4.1)，雷射模組在溫度變化劇烈的環境下，馬鞍與光纖套管 對溫度敏感性較低，光纖與雷射之間的光耦合比較不容易受影響，因 此基於環境溫度變化對雷射模組造成的影響，光纖套管、馬鞍與基板 的材料選擇都必須相當注意。
圖 4.5 型式一 ( Type 1 ) : 馬鞍與光纖套管之間沒有間隙
圖 4.6 型式二 ( Type 2 ) : 馬鞍與光纖套管之間有間隙 Type 1 Saddle shaped
clip
Fiber
Ferrule
Type 2
5
µ
m表 4.1 雷射模組中常用的材料特性比較表
物理特性 Invar Kovar SS304L 楊氏系數(GPa)
(Young’s Module)
141 138 193 蒲松比
(Poisson Ratio)
0.3 0.3 0.29 熱膨脹係數(µm/m℃)
(Thermal Expansion)
1.393 5.87 15.46 熱傳導係數(W/m-k)
(Thermal Conductivity)
16.4 16.3 6 比熱(J/kg℃)
(Specific Conductivity)
439.5 439.5 400 比重(kg/m3)
(Mass Density)
7900 8360 8030
4-4-1 銲後位移的實驗結果
表 4.2 型式一的銲後位移與光功率量測結果
Type 1 銲後位移
與光功率 銲接前 銲點一 銲點二 銲點三 銲點四 銲點五
X 軸位移(µm) 0 4.513 -2.718 0.939 -4.153 1.514 Y 軸位移(µm) 0 0.515 0.961 -0.597 1.974 -0.414
第 一
組 光功率(µW) 1285 97 321 109 0.265 1045
X 軸位移(µm) 0 3.424 -2.338 1.066 -3.147 -0.933 Y 軸位移(µm) 0 0.688 1.236 -0.970 1.451 -0.543
第 二
組 光功率(µW) 1100 170.2 430 336 10 831
X 軸位移(µm) 0 3.138 -2.264 1.017 -3.645 1.031 Y 軸位移(µm) 0 1.093 1.187 -0.734 2.169 -0.696
第 三
組 光功率(µW) 1187 317 613 509 3.9 934
表 4.3 型式二的銲後位移與光功率量測結果
Type 2 銲後位移
與光功率 銲接前 銲點一 銲點二 銲點三 銲點四 銲點五
X 軸位移(µm) 0 0.846 -1.551 -0.615 -2.078 -0.497 Y 軸位移(µm) 0 0.257 0.290 0.062 1.124 0.424
第 一
組 光功率(µW) 1210 1160 1043 1016 4.7 1056 X 軸位移(µm) 0 0.574 -0.312 0.124 0.223 -1.594 Y 軸位移(µm) 0 -0.315 0.429 0.037 2.139 -0.512
第 二
組 光功率(µW) 1200 1170 1010 960 5 1340
X 軸位移(µm) 0 0.437 -0.894 0.214 -1.173 0.825 Y 軸位移(µm) 0 0.126 0.376 0.182 1.396 -0.319
第 三
組 光功率(µW) 1127 1084 979 902 6 1057
圖 4.7 兩種設計在 X 方向銲後位移的比較 Type 1 (without gap)
Type 2 (with gap)
Welding Sequence
PWS in X -axis ( µ m)
圖 4.8 兩種設計在 Z 方向銲後位移的比較 Type 1 (without gap)
Type 2 (with gap)
Welding Sequence
圖 4.9 兩種設計在光功率的比較
Type 1 (without gap) Type 2 ( with gap)
Welding Sequence
Power ( µ w)
4-4-2 實驗結果分析
Ferrule Saddle Shaped
Clip
Substrate
LD
Submount
圖 4.11 有間隙的設計方式可緩衝材料在 X 方向的形變
一般來說銲接前馬鞍與基板時，光纖不易產生 Y 方向的銲後位 移，主因是馬鞍與光纖套管的接觸面是在 X 方向上，因此不容易有 Y 方向的位移產生。但是在銲接第四與第五個銲點時，也就是銲接馬鞍 與光纖套管，馬鞍與光纖套管的接觸面與垂直方向夾角約 15°，因此 銲接之後會產生 Y 方向形變(參考圖 4.12)，所以在銲接第四個銲點的 時候是雷射銲接中最困難的部分，因為還會有一個明顯的 Y 方向位 移，使得光功率降的很低，而銲接第五個銲點也會有這樣的 Y 方向 位移，但因第四點已銲接完畢，所以第五點 Y 方向的銲後位移較小。
目前 Y 方向的位移量測主要的困難度是在雷射銲接工作機台設 計之初並未考慮量測的問題，整個夾持雷射模組的平台是屬於凹陷型
When welding After welding X-axis
Y -axis
式(參考圖 3.11)，因此除了改變其夾持方式成為開放式之外，實在難 以使用其他量測儀器直接量測 Y 方向的銲後位移。
圖 4.12 銲點四的金相分析圖 Saddle
Shaper Clip
Fiber Ferrule
Welding Spot Welding
Spot
Saddle Shaper Clip
4-4-3 金相分析的結果
將銲接完的成品拿去做金相分析後，我們發現光纖套管與馬鞍之 間沒有間隙的另一個缺陷。當放置馬鞍於光纖套管上時，由於尺寸剛 好，或是匹配太緊，都可能在放置的過程中，造成馬鞍的形變，如圖 4.13 所示，馬鞍右側產生了形變，使得馬鞍與基板間並沒有密合，而 這樣的形變連帶的也使得銲接馬鞍與基板時，馬鞍對光纖套管的影 響，不再單純的只是影響光纖產生 X 方向的銲後位移，而是也會產 生 Y 方向的銲後位移，並且馬鞍與基板之間沒密合，又會造成材料 之間的接合位移。
Gap
圖 4.14 馬鞍與基板金相分析的側視圖
4-4-4 實驗結論
經由銲後位移的量測與金相分析的比較，可以發現馬鞍與光纖套 管之間保持一個微小的間隙將有助於減少銲後位移的產生，其原因為 間隙成為了材料形變上的緩衝，而減少了其對光纖原始位置的影響，
而這微小的間隙設計，也使得在進行銲接第五點之前的 Y 方向位移 修正容易許多，因為有間隙的設計可以比沒間隙的設計提供更多自由 度，以方便修正其 Y 軸位移，而在放置馬鞍的過程中，也不易因為 放置不當，使得馬鞍產生些微的扭曲形變，造成馬鞍與基板之間不易 密合。綜合以上，在馬鞍與光纖套管之間保持間隙將有助於雷射模組 良率的提高，並且本實驗室在此種設計下，已經發展出穩定的製程。
但要小心的是倘若間隙太大，將會使得銲後位移變大，而一般材料形 變的量約是 3 到 5µm，所以保持每邊 5µm 間隙的設計是一個較佳的
Weld Spot Saddle Shaped Clip
方式。
4-5 Y 軸的銲後位移的模擬
由於無法透過直接的方式量測得 Y 方向的銲後位移值，因此我 們希望透過模擬的方式去估算 Y 方向可能的位移值。由於光功率對 Z 方向的銲後位移較不敏感，以一個光功率可以耦到 1µw 左右的樣本 為例，Z 方向位移 1µm，其功率損失約為 10-20µw，而 X 或 Y 方向位 移 1µm，其功率可能損失約 80-100µw，因此假設 Z 方向的位移不影 響光功率的值，而在固定 Z 方向，只變動 X、Y 方向時，可以獲得 X、Y 方向位移與功率的關係圖近似高斯分佈，因此將三者之間的關
圖 4.15 X、Y 方向位移與功率的關係圖 Shift of fiber in X and Y-axis (µm)
Power (µW)
係假設成一高斯曲面
2 2
0 1 2
P = C exp(-C X -C Y )
(4-1)其中 P 為功率，X 為 X 方向位移，Y 為 Y 方向為移，C0、C1、C2為常數 由實驗中所取得功率與 X、Y 方向位移的關係，將之輸入 Matlab 做 數值分析之後，可獲得 3 個常數而構成一個高斯曲面方程(圖 4.16)，
再由實驗中所量得的 X 軸位移與功率的值推算 Y 方向的位移，透 過這樣的方式推算出在銲接第四點時 Y 軸的銲後位移約 4 至 5µm 左 右，第五點則是 1 至 2µm 之間。但此種方式的誤差約為 0.2 至 0.8µm，
主因為隨著 Z 方向位移的改變，X、Y 方向位移與功率的關係圖也會 隨之些微的改變，因此造成了一些誤差，雖然有這些誤差的因素存在 著，但模擬出來的結果仍可供實驗上參考改進。
圖 4.16 X、Y 方向位移與功率所構成的高斯曲面
Y-axis (µ m) X-axis (µ m)
Power (µW)