《Metals》：Coaxial Transmitter Optical Sub-Assembly Laser Welding Mechanism and Process Research
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激光焊接作为发射光组件（TOSA）不可或缺的封装技术，用于连接光纤与聚焦透镜，对光电子器件的输出光功率和长期可靠性具有决定性影响。本研究聚焦于2.5 G同轴TOSA封装激光焊接工艺的优化。研究人员开展了系统研究，量化了焊缝微观组织、光纤适配器与激光壳体之间的装
激光焊接作为发射光组件（TOSA）不可或缺的封装技术，用于连接光纤与聚焦透镜，对光电子器件的输出光功率和长期可靠性具有决定性影响。本研究聚焦于2.5 G同轴TOSA封装激光焊接工艺的优化。研究人员开展了系统研究，量化了焊缝微观组织、光纤适配器与激光壳体之间的装配间隙以及激光束焦点位置对三个特征指标的影响：焊后纵向位移、光功率衰减和拉伸力。微观组织观察表明，柱状晶在熔合区占主导地位，沿垂直于焊缝边界固-液界面的方向快速生长。通过参数实验确定了有利的工艺窗口：激光能量2.5 J、装配间隙20–60 μm、焦点位置约为?200 μm。该组合在非牺牲机械鲁棒性的前提下，实现了焊后位移和光功率损失的最小化。研究结果提升了TOSA封装的焊接精度和结构完整性，为激光焊接光电子组件的产业化开发提供了可实施的指导。
随着云计算和人工智能基础设施驱动的数据通信流量爆发式增长，光电子器件正朝着更高带宽、更低功耗和更小封装尺寸的方向发展。在同轴发射光组件（TOSA）的商业化部署中，耦合对准精度和长期封装稳定性面临日益严格的要求。光电子耦合封装是指将激光器、透镜、光纤和光电探测器等分立光学元件精确布置以最大化传输光功率并最小化插入损耗，随后通过连接技术将这些分立元件永久组装为功能性光子器件。作为耦合封装的最后一步，永久连接在很大程度上决定了器件的光学性能和长期可靠性。激光焊接因其加工速度快、接头强度高和热影响区（HAZ）窄等优势，已成为半导体激光器封装的主流连接技术。脉冲激光点焊作为非接触式连接技术，具有热输入可调、加工速度快和焊缝布局灵活等优点，可实现微米级定位精度，确保光纤与器件之间的精确对准和高耦合效率。然而，激光焊接过程中热应力引起的微小焊后位移（PWS）直接降低TOSA器件的光耦合效率，已成为限制封装良率的关键瓶颈。现有研究多集中于偏移预测和补偿策略，对焊接接头本身的机械强度及其对器件长期可靠性的影响关注不足，且焊缝微观组织演变及其与焊接参数的内在关联尚未系统研究。为此，本研究以2.5 G同轴TOSA为研究对象，开展脉冲激光点焊用于光电子耦合封装的系统研究，主要包括：优化焊接工艺参数以获得最佳耦合效率和焊缝质量；表征焊缝微观组织以揭示组织演变规律；开展机械拉伸可靠性测试以评估焊接接头机械强度。
在技术方法方面，研究采用商用2.5 G同轴TOSA（宏思公司，长沙，中国），光纤适配器和聚焦透镜套筒均采用304不锈钢制造。实验装置包括运动控制单元、电荷耦合器件（CCD）监测子系统、光束分光模块、激光焊接头、冷却器和大功率传输光纤。激光源为Nd:YAG固态激光器（镭宝光电，北京，中国），波长1064 nm，峰值功率5 kW，脉冲能量55 J，最大脉冲持续时间30 ms，焦斑直径400 μm。采用三光点焊接几何结构，通过1/3和1/2分束器实现三束光纤能量均匀分配。力学拉伸测试使用测力计（NK500N，爱迪宝，乐清，中国），拉伸速度为6 mm/min。纳米压痕测试采用纳米压痕仪（G200，Keysight，伯布林根，德国），采用恒定压痕深度模式。微观组织表征采用扫描电子显微镜（SEM，TESCAN MIRA3，布尔诺，捷克）和能谱仪（EDS）线扫描分析。
研究结果方面，焊缝形貌表征显示，焊缝断裂边界清晰，断裂面呈规则锥形几何特征，焊缝斑点直径约520 μm，焊缝区中心凹陷深度约23 μm，熔深约260 μm。锥形断裂特征表明焊缝熔核完全穿透结合界面并建立良好的冶金结合，断裂起源于焊缝熔核内部而非结合界面，证明焊缝区为机械薄弱部位，焊接质量令人满意。三维重构形貌显示焊缝横截面轮廓呈两侧凸起和中心凹陷特征，该形貌源于深熔激光焊接过程中的空腔效应。焊缝宽度约600 μm，中心凹坑深度约18 μm。形貌表征确认了有效的冶金熔合，但中心凹坑是该工艺的固有特征。焊接工艺参数优化实验表明：随着装配间隙从0增大到80 μm，焊后位移先快速上升后趋于平稳，零间隙时位移仅约0.5 μm，20 μm间隙时急剧增至约20 μm，40 μm时达到最大值约26 μm；光功率衰减在间隙增至20 μm时快速降至约6%，约40 μm时达到最小值约4%；拉伸力随间隙增大先增后减，60 μm时达到最大值195 N。综合考虑确定20–60 μm为合理焊接间隙范围。焦点偏移从?400 μm到+400 μm变化时，焊后位移整体呈下降趋势，?200 μm处出现最大值4.8%；拉伸力在?200 μm处达到峰值约190 N，显著高于其他焦点位置，确定?200 μm为优选焦点位置。焊接能量从1.5 J增至3.5 J时，焊后位移近似线性增加，从约15.5 μm增至约30 μm；光功率衰减先减后增，2.0 J时达到最小值约5.5%，超过2.5 J后衰减显著上升；拉伸力随焊接能量单调增加，从1.5 J时约40 N快速增至5.5 J时约265 N，1.5–3.5 J为快速增长区间，超过4 J后增速放缓并逐渐饱和。综合考虑确定焊接能量2.5 J可在保证约140 N接头强度的同时将功率损失控制在可接受范围内。纳米压痕测试显示焊缝横截面硬度分布不均匀，焊缝及邻近区域硬度低于母材，焊缝纳米压痕硬度约3 GPa，母材硬度达4.5 GPa，焊缝区出现软化现象，成为拉伸加载时的优先断裂位置，这与断口分析结果一致。显微组织表征显示焊接接头由焊缝熔核区、热影响区和母材三个明显区域组成，熔合区外围以柱状晶为主，中心熔合区形成细小的等轴晶，母材由细小的奥氏体等轴晶组成。激光焊接的高能量密度和超高冷却速率导致极短的高温保持时间，抑制了晶粒粗化，在熔合区内形成细化晶粒，晶粒尺寸向焊缝表面逐渐减小。能谱线扫描结果显示元素分布均匀，主要合金元素为Fe、Cr、Mn和Ni，含微量杂质Al（0.07 wt%），氧信号保持在低水平，未观察到明显氧化特征。残余焊接应力来源于两种主要机制：高温焊缝区与冷态周围基体之间热膨胀不匹配引起的热应力，以及γ-Fe（奥氏体，堆积因子74%）→α-Fe（铁素体，堆积因子68%）固态相变伴随的体积膨胀引起的相变应力。
讨论部分指出，焊接参数不仅决定焊接接头的即时机械性能，还主导TOSA器件的长期可靠性。从光学性能角度，过高焊接能量增大熔池尺寸，凝固收缩应力驱动光纤适配器纵向位移，导致光纤与聚焦透镜失准并恶化耦合效率；2.5 J焊接能量下焊后位移约25 μm，功率衰减保持在6%以下，在接头机械完整性和可接受光功率损失之间实现了令人满意的折衷。从机械强度角度，拉伸力随装配间隙呈非单调变化，60 μm间隙时达到峰值195 N；适中的间隙有利于熔融金属充分填充结合界面以建立良好的冶金结合。从残余应力角度，推测激光焊接304不锈钢快速凝固过程中可能发生γ-Fe→α-Fe相变并伴随体积膨胀，在焊缝内产生相当大的拉伸残余应力；过高焊接能量或超快冷却速率加剧热应力和相变应力的叠加效应。从温度循环可靠性角度，实际TOSA产品需承受标准热循环筛选测试（如?40 °C至85 °C），优化工艺窗口（2.5 J能量、25–60 μm间隙、?200 μm焦点偏移）获得的焊接接头具有相对均匀的微观组织，有望在温度循环中表现出优异的抗疲劳性能。研究结论部分译为：本研究针对2.5 G同轴TOSA开展了Nd:YAG脉冲激光焊接研究，聚焦于光纤适配器与聚焦透镜套筒之间的激光连接。断口样品呈现规则锥形断裂面，熔深约260 μm，断裂在焊缝熔核内部扩展而非结合界面处，证明接头强度超过界面结合强度，验证了良好的焊接质量。观察到明显的区域依赖微观组织特征：细小等轴晶占据中心熔合区，柱状晶沿焊缝边界垂直于固-液界面生长，母材由细小奥氏体等轴晶组成。能谱线扫描确认焊缝熔核/母材界面元素偏析可忽略。焊缝纳米压痕硬度约3 GPa，低于母材硬度4.5 GPa，证实焊缝软化现象，使焊缝成为拉伸加载下的脆弱断裂位置。残余应力源于两种主要机制：高温焊缝区与冷态周围基体之间热膨胀不匹配引起的热应力，以及γ-Fe→α-Fe固态相变伴随体积膨胀引起的相变应力。确定了优化激光焊接参数组合：焊接能量3 J、装配间隙25–60 μm、焦点偏移约?200 μm。在此条件下，焊后光功率衰减控制在4–6%以内，拉伸力约140 N，实现了光学耦合性能与机械接头强度的最佳匹配。
