光纖束金屬化封裝工藝技術的研究

張冬梅，孫偉雄，周巧林，張恩隆

（江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無錫 214433）

1 研究背景

集束能量光纖組件是全激光顯示系統的核心部件，由多根大芯徑能量光纖集束封裝而成，它的作用是提供柔性傳輸通道，完成顯示系統高功率穩定光源的整合。集束端制備是該組件制作中最重要環節，制備效率與合格率直接影響著組件的批量化生產。在現有制備工藝中，采用無機膠水粘接的方式對大芯徑能量光纖進行集束封裝，而無機膠水由于固化后強度不高，無法保證對集束端光纖保護的充分性，并且研磨時可能有膠塊脫落而參與到研磨過程中，影響研磨效果和效率。

采用金屬化光纖，并通過超高頻感應加熱實現集束封裝的制備工藝，可以根本解決由于無機膠水自身特性產生的系列問題，同時增強可操作性，從而提高組件產能。

2 研究方法及試驗過程

試驗方案：

2.1 光纖金屬化

選取集束光纖連接器的核心原材料——大芯徑能量光纖，規格為芯徑400μm，包層420μm。在光纖一端剝除所需長度的涂覆層，然后進行一系列表面預處理，鍍上一層金屬鎳，鍍層理想厚度為8～10μm。在實際過程中，發現大部分鍍層比較光滑，但少數存在微孔。此外，鍍層厚度的一致性無法保證和控制——這在研磨并進行端檢后可以看出。金屬化光纖及端面示意圖，如圖1，圖2。

圖1 金屬化光纖

圖2 金屬化光纖端面示意圖

2.2 金屬化光纖成束

對步驟1完成的金屬化光纖進行清潔處理后，仿照現有集束端組裝工藝，將光纖穿入所需尺寸的內孔正六邊形硅膠夾具中并微調，得到所需的束狀排列。輕緩調整光纖前后位置，對齊前端，然后調整硅膠至距前端約6cm處，如圖3。

圖3 光纖束硅膠夾具束型圖

2.3 高頻感應加熱

2.3.1 直接感應加熱

用一對內腔也是正六邊形的陶瓷夾具固定光纖束，位置距前端2cm處，如圖4。接著使用高頻感應加熱設備，對陶瓷夾具之前的金屬光纖部分進行高頻感應加熱，使其達到熱熔成型的效果，以取代現有封裝工藝中的膠粘方式。從工藝流程上可以看出，金屬化光纖封裝具有效率高，可操作性強，光纖無損傷且易于排列等諸多優點。但是在按照設想進行試驗之后，發現試驗結果與預期不一致：將光纖束前端置于感應線圈之中，在高頻交變磁場作用下，光纖表面的鍍鎳層金屬并沒有熱熔，這說明鎳層中沒有感應出使之產生大量焦耳熱的渦電流，如圖5。

圖4 光纖束陶瓷夾具束型圖

圖5 直接感應加熱

分析：金屬化光纖鍍鎳厚度為10μm左右，與進行感應加熱的一般金屬材料相比，顯然很薄，加之光纖直徑相對較細，整個金屬的體積量就很小，這可能就是直接感應加熱無法感應生成渦電流的原因。

2.3.2 在前端纏繞鋁絲后再進行感應加熱

鑒于第一種加熱方式的結果分析，制定第二種感應加熱方案：在鍍鎳層外面纏繞鋁絲后再進行高頻感應加熱。試驗結果：鋁絲熔化而鍍層仍舊沒有變化，如圖6。

圖6 前端纏繞鋁絲后進行感應加熱

分析：在光纖束外圈纏繞鋁絲，只是增大了感應對象的外側金屬體積，且鋁絲與鍍層兩部分金屬并非一體，因此在時間只有數秒的感應加熱之后，鋁絲很快熔化了，而光纖鍍層仍舊沒能熔化。

2.3.3 在光纖束中間填充金屬漿料后再進行感應加熱

鑒于第二種加熱方式的結果分析，制定第三種感應加熱方案：通過在光纖束中間填充金屬漿料的方式，增加感應對象內部金屬或含金屬物質，然后對金屬漿料進行固化，再進行感應加熱。試驗結果：集束端仍舊沒有熱熔。

分析：填充金屬漿料，看似增加了感應對象的金屬體積，而且與需要熔化的光纖金屬鍍層形成了整體，但金屬漿料畢竟與金屬存在較大區別，所含金屬散布于漿料中，成分有限，還是無法感應生成渦電流使集束端金屬部分，尤其是鍍鎳層熔化。

3 結語

金屬化光纖集束封裝是一種新型封裝工藝的嘗試，該工藝沒有使用任何膠粘劑，而是以金屬為介質，通過高頻感應加熱的方式實現光纖的集束封裝。

高頻感應加熱是金屬化光纖封裝的關鍵步驟，經過直接感應加熱、在前端纏繞鋁絲、在光纖束中填充金屬漿料三種方案的試驗后，均未達到熔融鍍層的預期效果，因此，金屬化光纖封裝工藝還需在現有基礎上進一步研究和試驗。