CN101035645A - 通过以圆形和螺旋形轨迹精确移动定时激光脉冲来加工孔的方法 - Google Patents

Abstract

从样本高速移除材料，所述光束定位器用于沿各种圆形(50)和螺旋形(70，90，110)激光工具图案引导激光束轴。材料移除的优选方法需要促成光束轴和样本之间的相对移动，以进入段加速度并沿着进入轨迹(18，52)引导光束轴到所述样本内的进入位置点(16，54)，激光束脉冲发射(58)在所述进入位置被启动，在所述样本内以圆形周界加速度移动光束轴以沿样本的圆周段(40)移除材料，以及将进入段加速度设置为小于圆形周界加速度的两倍。

Description

通过以圆形和螺旋形轨迹精确移动定时激光脉冲来加工孔的方法

技术领域

[0001]本技术领域涉及激光，更具体地涉及采用激光束在各种样本材料中快速加工孔的方法。

背景技术

[0002]电子电路的复杂度持续增加而同时尺寸和成本却在缩减。由此引起的电路密度的增加产生了对高密度集成电路、混合电路和ECB生产量的巨大需求。

[0003]现有技术人员已经采用成组的机械钻和冲头在ECB中加工孔，但孔直径大于规范规定的新的孔直径。此外，机械钻孔法是慢速的、易于工具划伤的，并且限于钻所谓的“贯通”孔。

[0004]最近，基于激光的钻孔法已经发展到可每次加工二百个非常微小的孔(称作“微通孔”或“通孔”)，这些孔通常终止于ECB内的导体层上。

[0005]对于一些钻孔应用，高斯分布的激光束被用来加工材料，并且该光束具有的直径明显小于被钻孔的直径。因此，激光束必须被移动以切掉所述孔或切除其整个区域。运动类型和对运动的约束直接影响钻孔所花的时间，从而影响激光系统产量。

[0006]现有技术人员具有带所谓的“环钻(trepan)”和“螺旋形”运动图案的激光钻孔，所述运动图案通常被称作“工具”。环钻加工开始于孔中心，然后迅速移动到孔周界并且在迅速返回中心之前以设定的重复次数环绕周界来转动光束。螺旋加工开始于孔中心，迅速移动到内径，然后以设定的旋转次数转动光束定位器，逐渐增加直径直到达到孔周界。激光束的移动可通过各种激光束定位系统实现，例如型号Model 53XX系列的工件加工系统，它由俄勒冈州Portland的ElectroScientific Instruments，Inc.公司制造，该公司是本专利申请的受让人。

[0007]现有环钻和螺旋激光钻孔法呈现出至少如下所述的九个问题：

[0008]1.现有工具图案导致对定位器系统的过度加速度限制。现有技术穿孔需要环绕正被加工的孔周界以圆周运动移动激光束。本领域技术人员知道圆周运动的径向加速度等于v²/R，其中v是工具速度，且R是圆周运动的半径。在将工具定位到孔中心之后，为穿孔加上一初始移动段，所述初始移动段在孔中心和圆周运动的开始处之间以平滑的方式过渡以限制工具加速度和加加速度(jerk)(加速度的变化率)。在现有技术穿孔中，初始移动段所需的加速度是2v²/R，其是圆周运动所需加速度的两倍。此外，需要双倍加速度的运动轴与执行半工持续时间加速度脉冲的轴是同一轴，从而导致比圆周运动所需的大四倍的加加速度分布(profile)。激光束定位系统加速度受到限制，这是因为在两倍伺服频率处需要两倍的电机电流。

[0009]2.现有螺旋形工具图案被限于向外盘旋，这限制了可被加工的材料类型。

[0010]3.现有环钻和螺旋形工具需要非常耗时的多个步骤以螺旋形和反复的周界运动来加工孔。执行多个步骤需要光束定位器实行一般移动算法(generic move algorithm)，该算法需要至少两个加速度脉冲以在各步骤之间将工具移回至孔中心。

[0011]4.如果从高加速度恢复需要光束定位器置位时间(settlingtime)，那么从前一孔高速度移出，所述置位时间是通过移动至下一孔目标位置的恒定工具速度实现的，这限制了可用的光束定位器运动范围。当采用基于检流计的光束定位器时，该运动范围是重要的。

[0012]5.如上所描述的置位时间技术同样未能将光束定位器固定在稳态孔加工频率，当振荡圆周运动开始时这导致了瞬态运动响应。

[0013]6.当需要螺旋形工具的多次重复以从各种进入角接近孔时，现有工具图案是过度慢速的。现有光束定位器方法采用了如上描述的一般移动算法，该算法需要至少两个加速度脉冲以在各重复之间返回至孔中心。

[0014]7.现有环钻工具图案可能导致材料的不均匀移除。这是因为当光束从孔中心移动至周界并再次退回时激光束能量被集中在孔的一个象限中。

[0015]8.现有螺旋形和环钻工具没有将激光触发信号的定时与光束定位器运动同步，这就导致因典型的Q开关激光器根据指令不产生第一个脉冲而遗漏了第一个孔加工脉冲。

[0016]9.用于在周界处以多次重复过程钻孔的现有环钻工具图案，基本上环绕孔周界重叠激光脉冲，并因此导致材料的不均匀移除。

[0017]因此，仍然所需的是较低成本的、较高产量的工件加工机器，所述工件加工机器具有在各种工件材料(例如，实际上任何印刷线路板材料，不管是刚性的或柔性的、包铜的或无掩蔽的、纤维增强的或均匀的树脂电介质的)中生产较小的、高质量孔的工具图案。工件材料还可包括陶瓷衬底和硅衬底，例如那些在半导体器件中所采用的材料。

发明内容

[0018]因此，本发明的一个目的是提供一种以可指定的光束定位器加速度来开始和结束圆周钻孔运动的方法。

[0019]另一目的是提供用于产生各种新工具图案的方法。

[0020]进一步的目的是提供一种用于调节工具图案参数以实现孔材料均匀移除的方法。

[0021]另一目的是提供一种用于控制激光激发(firing)图案和定时以用于进行工件加工的方法。

[0022]另一目的是提供一种用于同步激光激发和工件上的任意工具位置点的方法。

[0023]如下实施例产生用于操作激光束定位器和定时相关激光激发指令的工具图案移动指令。如下方面通过一些编号来标识，所述编号匹配用于标识上述作为背景信息的相应问题的编号。

[0024]1.优选的工具图案减少了由从孔中心外靠近孔位置而引起的光束定位器加速度和加加速度的问题。在靠近移动过程中，移动段，被称作dt/2段，其具有的持续时间等于圆周段持续时间的一半且具有零加速度。该靠近移动导致少得多的伺服错误。因为工具速度被可用加速度的平方根约束，所以如果不被其它因素约束，则该孔靠近方法可使工具速度提高41％。来自dt/2段的高加速度移除同样允许增加最大圆周振动频率而同时维持钻孔质量。钻孔时dt/2段加速度与圆周加速度的比率被定义为因子α。当α增加时，初始孔位置点朝向孔中心移动，α＝2代表现有技术的启动位置点。对于α＝0，dt/2段具有优选的零相对加速度。

[0025]2.工具图案支持向外盘旋、向内盘旋以及组合的向外和向内盘旋，所有这些都可被执行而不用在移动段之间关闭激光脉冲发生。向内盘旋常常更适用于加工玻璃增强材料，例如非均匀(nonhomogeneous)的玻璃增强蚀刻电路板材料。

[0026]3.工具图案可在单个步骤中执行螺旋形和反复的周界加工而不关闭激光脉冲发生。

[0027]4.定位器置位时间是用户可设定的且被光束定位器用于跟踪将被加工的初始孔直径的圆周路径，所述跟踪并不会限制光束定位器的范围。

[0028]5.上述的置位时间增加还引起当光束定位器振荡时置位的发生，所以从快速定向(slewing)到振荡运动的过渡都在置位时而不在加工时发生。

[0029]6.工具图案采用一种用于处理所述工具的多次重复的改进方法。这个方法不以一般移动(generic move)来结束圆周运动而建立下一次重复，而是保持相切但是关闭激光脉冲发生，定位器轴之间具有90度的相位差。这导致圆周运动连续进行而移动段持续时间被调整直到达到下一工具重复的进入条件。现有方法需要各重复之间的激光关闭时间，该关闭时间等于初始重复的旋转(revolution)时间的四分之一加上一般移动时间，加上下一重复的旋转时间的四分之一。该方法至多需要初始重复的旋转时间的四分之一加上最少钻孔时间(drill-Tmin)，加上下一工具重复的旋转时间的四分之一。由于所采用的是小幅运动，所以最小drill-Tmin小于一般移动时间Tmin。此外，当下一重复的进入角相对初始重复的退出角偏移180度时，所需的激光关闭时间仅是初始重复的旋转时间的四分之一加上下一重复的旋转时间的四分之一。

[0030]7.当工具图案被用于仅在周界环绕(circle-at-perimeter-only)的模式时，不在周界路径中未放入激光脉冲，这消除了现有不均匀地分布激光能量的问题。

[0031]8.一种光束定位器以及激光同步方法将用于激发第一个激光脉冲的激光激发信号安排在光束定位器到达目标孔位置之前，以使是实际被激发的第一个脉冲的第二个激光脉冲落在所需的位置，并且所有被支配的脉冲其后被传送到工件。该方法进一步包括参数“微小激光延迟(fractional laser delay)”，该参数被加入半正弦轮廓器(half-sine profiler)参数组，用于在加速度段的中部打开激光。

[0032]9.工具图案支持孔周界上的脉冲“递增侵蚀尺寸(incremental bite size)”分布，所述分布说明在周界执行了多少次工具旋转(重复)。这优化了均匀及细致地环绕孔周界的激光脉冲分布。递增侵蚀尺寸被定义为所述工具的第一次和第二次旋转(重复)中所传送的第一个脉冲之间的沿周界距离。递增侵蚀尺寸方法提供了自动地调整工具速度以将递增侵蚀尺寸设置为等于激光侵蚀尺寸除以工具旋转(重复)次数。

[0033]根据如下参照附图对优选实施例的详细描述，本发明的额外方面和优点将会很明显。

附图说明

[0034]图1A是描述第一组X和Y轴位置点与光束定位器时间的关系的曲线图，所述光束定位器用于沿一种工具图案引导激光束。

[0035]图1B是描述进入段、圆周段以及退出段激光束运动的XY坐标图，激光束运动是由图1A的第一组X和Y轴光束位置点产生的。

[0036]图2A是描述第二组X和Y轴位置点与光束定位器时间的关系的曲线图，所述光束定位器用于沿一种工具图案引导激光束。

[0037]图2B是描述进入段、圆周段以及退出段激光束运动的XY坐标图，激光束运动是由图2A的第二组X和Y轴光束位置点产生的。

[0038]图3是描述由一种激光束定位法产生的圆形工具图案的XY坐标图。

[0039]图4是描述由一种激光束定位法产生的向外螺旋形工具图案的XY坐标图。

[0040]图5是描述由一种激光束定位法产生的向内螺旋形工具图案的XY坐标图。

[0041]图6是描述由一种激光束定位法产生的向内和向外螺旋形工具图案的XY坐标图。

[0042]图7是描述由一种激光束定位法产生的向外螺旋形工具图案的两次重复的XY坐标图。

[0043]图8是通过使用现有技术环钻工具图案的多次重复加工的无法接受的蚀刻电路板的照片，所述工具图案采用很小的递增侵蚀尺寸。

[0044]图9是通过使用圆形工具图案的多次重复加工的高质量蚀刻电路板的照片，所述工具图案采用根据脉冲激光发射法而选择的递增侵蚀尺寸。

[0045]图10是描述通过现有技术环钻工具图案的五次重复加工的通孔的XY坐标图，所述工具图案采用现有技术工具速度。

[0046]图11是描述通过圆形工具图案的五次重复加工的通孔的XY坐标图，所述工具图案采用计算的工具速度。

[0047]图12是描述由现有技术环钻工具图案的两次重复引起的环绕孔周界不均匀分布的激光脉冲的XY坐标图。

[0048]图13是描述由采用“均衡周界脉冲重叠”法的圆形工具图案的两次重复引起的环绕孔周界均匀分布的激光脉冲的XY坐标图。

[0049]图14是描述控制和支持上述方法的寄存器结构的简化电气框图。

[0050]图15A和15B是描述支持上述方法的激发激光脉冲的相应常规和特殊情形下的时序关系的电波形时序图。

[0051]图16是显示了激光束定位指令、各种系统延迟和激光束脉冲发生之间的时序关系的电气波形时序图。

具体实施方式

[0052]如背景信息部分所提到的，为获得高速准确的激光束定位，定位器系统必须控制加加速度，所述加加速度是加速度的变化率。许多现有定位器系统以一列短的互连的直线移动来实现圆周运动。但是，在每一互连处突然的角度变化导致无法接受的大加加速度，这限制了速率以及定位准确度。

[0053]在钻孔应用中圆周运动是基本的，因此优选采用正弦定位器驱动波形。尤其，优选的定位器驱动波形采用半正弦曲线形加速度段，该加速度段开始和停止于零加速度点。每一加速度段均具有一个时期T_MIN并避免了定位器共振问题，所述T_MIN是定位器系统的加速性能内最短的非零加速度半正弦段。

[0054]如图1A和2A所示，通过使用一对90度相移的正弦波形驱动定位器的正交轴可实现圆周运动。例如，为形成一始于90度进入角的完整圆，X轴被两个半正弦加速度段驱动，而Y轴被三个90度相移的半正弦段驱动。X轴具有“填充”段，被称为进入和退出段，其用于将孔加工和孔位置间的移动分离。

[0055]因此，本发明的第一个方面是，一种在dt/2段上以可指定的光束定位器加速度开始和结束圆形工具图案的方法。产生圆周运动需要产生一对用于驱动光束定位器X和Y轴的90度相移正弦运动波形。90度相移的产生需要将半正弦段插入所述轴之一(依赖于工具图案进入角的那个轴)中，且dt等于圆周运动段dt的二分之一。因此，相移段被称为dt/2段。用户可指定dt/2段加速度从零到两倍于圆周加速度以权衡初始光束位置点与所需的加速度。因子α被定义为dt/2段加速度与圆周周界(或圆形周界)加速度的比率。随着α增加，初始光束位置点从圆周运动周界外朝向将被加工的孔中心移动，但由此引起的加速度也会增加。对于α＝2，可产生现有技术的启动运动和加速度。对于α＝0，dt/2段具有相对圆周运动的优选的零加速度。

[0056]图1和2说明了对于α的不同值的光束定位器运动。对开始和结束dt/2段可指定不同的α值。

[0057]图1A和1B显示了第一组X轴位置点10和Y轴位置点12与用于沿工具图案光束路径14引导激光束轴的光束定位器(未显示)的时间的关系。光束路径14开始于开始位置16(显示为一个圆点)，包括进入段18、360度圆周段20(以虚线显示)、退出段22和结束位置24(显示为一个圆点)，所述结束位置还是圆周段20的中心25。圆周段20具有直径D，其对应于将被加工的孔的周界或外围，并可具有除360度以外的范围。在本例中，进入段18具有被设为零的α，而退出段22具有被设为二的α。因此，进入段18的加速度为零(恒定速度)，这是优选的，而退出段22的加速度是圆周段20加速度的两倍。

[0058]图2A和2B显示了第二组X轴位置点30和Y轴位置点32与用于沿工具图案光束路径34引导激光束轴的光束定位器的时间的关系。光束路径34开始于开始位置36(显示为一个圆点)，包括进入段38、360度圆周段40(以虚线显示)、退出段42和结束位置44(显示为一个圆点)。在本例中，进入段38具有设为一的α，而退出段42具有设为0.5的α。因此，进入段38的加速度与圆周段20的加速度相同，并且退出段22的加速度是圆周段20的加速度的二分之一。

[0059]工具图案采用进入段，例如进入段18和38，并采用退出段，例如退出段42。通过沿将前一孔的结束位置和下一孔的开始位置连接在一起的路线引导激光束轴，可在工件中加工一连串孔。进入和退出段方法使工具移动速度可增加到超过使用现有方法可获得的速度的41％。

[0060]本发明的第二个方面提供了一种用于产生半正弦参数的方法，所述参数例如为用于实现各种工具图案的图1A和2A中的X和Y轴位置点10、12、30和32。所述参数和方法将参考本发明的Matlab代码表示和若干说明工具图案特征的附图来描述。Matlab是一种基于模型的设计仿真程序，其可从马萨诸塞州的The Math Works of Natick公司获得。用于产生移动段的Matlab代码在附录A中阐述。

[0061]图3显示了由所述方法产生的圆形工具图案50。圆形工具图案50被用于通过环绕正被加工的孔外围51进行切割在材料中切掉孔。当采用所述工具图案时，每一孔都参考环绕X-Y座标轴的旋转角度来加工，在所述X-Y座标轴中+X、+Y、-X和-Y轴分别被定向为0、90、180和270度。

[0062]圆形工具图案50包括进入段52，进入段52具有270度处的开始位置54和0度处的进入位置56，在该进入段52处激光脉冲被启动。在本例中，正被加工的孔具有125μm(微米)的直径且激光脉冲58具有20μm的有效光点尺寸。10.25μm的激光侵蚀尺寸可产生33个激光脉冲58，所述激光脉冲58在工具图案50的单个360度重复期间被分布在外围51内，所述工具图案50开始并结束于进入位置56。激光脉冲58被关闭并且工具图案50沿退出段60前进到90度处的结束位置62。

[0063]本领域技术人员将会认识到，进入和退出段52和60的角度位置仅仅代表一组示范性的相对角，所述相对角可绕X和Y轴偏移，这取决于先前和随后将被加工的孔的相对位置。例如，进入段52可开始和结束于0度和90度，从而，退出角60可开始和结束于90度和180度。

[0064]与工具图案50有关的典型的定位器参数、激光参数和孔参数包括工具速度717mm/sec(毫米/秒)、激光脉冲重复频率(“PRF”)70KHz(千赫兹)、定位器最大加速度1,000Gs，通孔钻孔时间0.47msec以及通孔最少移动时间0.7msec，所述参数可产生的最大的通孔加工速率是855vias/sec(通孔数/秒)。

[0065]图4显示了由所述方法产生的向外螺旋形工具图案70。通过沿逐渐远离中心25并朝向正被加工的每个孔外围51的曲线路径从中心25切除材料的方式，向外螺旋形工具图案70被用来在材料上钻孔。向外螺旋形工具图案70包括进入段72，所述进入段72具有270度处的开始位置74和0度处的进入位置76，在该进入段72处激光脉冲78被启动。在本例中，正被加工的孔具有125μm的直径，且激光脉冲58具有20μm的有效光点尺寸和4.47μm的激光侵蚀尺寸。在工具图案70的单次重复期间分布了89个激光脉冲78，工具图案70开始于进入位置76、向外盘旋一360度旋转并在外围51内从0度到大约216度加工，在该点处激光脉冲78被关闭以防止与先前已加工的位置重叠。工具图案70沿退出段80前进，所述退出段80具有270度处的开始位置82到0度处的结束位置84。

[0066]本领域技术人员又将认识到，进入和退出段72和80的角度位置仅仅代表一组示范性的相对角，所述相对角可关于X和Y轴偏移，这取决于先前的和随后将被加工的孔的相对位置。例如，进入段72可开始并结束于0度和90度，从而，退出段80可开始并结束于0度和90度。

[0067]与工具图案70有关的典型的定位器参数、激光参数和孔参数包括工具速度313mm/sec、激光PRF 70KHz、定位器最大加速度1,000Gs，通孔钻孔时间1.27msec以及通孔的最少移动时间0.99msec，所述参数可产生的最大通孔加工速率是442vias/sec。

[0068]图5显示了由所述方法产生的向内螺旋形工具图案90。通过沿逐渐向内远离外围51并朝向每个正被加工的孔中心25的曲线路径从外围51切除材料的方式，向内螺旋形工具图案90被用来在材料上钻孔。向内螺旋形工具图案90包括进入段92，所述进入段92具有90度处的开始位置94和180度处的进入位置96，在进入段92处激光脉冲98被启动。在本例中，正被加工的孔具有125μm的直径，且激光脉冲98具有20μm的有效光点尺寸和4.47μm的激光侵蚀尺寸。在工具图案90的单次重复期间分布了273个激光脉冲98，工具图案90开始于进入位置96、在外围51内进行开始于180度且结束于0度的二又二分之一的旋转(900度)、向内盘旋两个起始且结束于0度的360度旋转，在该点处激光脉冲98被关闭。工具图案90沿退出段100前进，所述退出段具有0度处的开始位置102到90度处的结束位置104。

[0069]本领域技术人员又将认识到，进入和退出段92和100的角度位置仅仅代表一组示范性的相对角，所述相对角可关于X和Y轴偏移，取决于先前的和随后将被加工的孔的相对位置。例如，进入段92可开始并结束于270度和0度，从而，退出段100可开始并结束于90度和180度。

[0070]与工具图案90有关的典型的定位器参数、激光参数和孔参数包括工具速度313mm/sec、激光PRF 70KHz、定位器最大加速度1,000Gs，通孔钻孔时间3.9msec以及通孔最少移动时间0.85msec，所述参数可产生的最大通孔加工速率是211vias/sec。

[0071]图6显示了由所述方法产生的向内且向外的螺旋形工具图案110。通过从外围51向内到正被加工的每个孔中心并向外回到外围51来切除材料的方式，向内且向外的螺旋形工具图案110被用来在材料上钻孔。向内且向外的螺旋形工具图案110包括进入段112，所述进入段112具有180度处的开始位置114和270度处的进入位置116，在进入段112处激光脉冲118被启动。在本例中，正被加工的孔具有125μm的直径，且激光脉冲118具有20μm的有效光点尺寸和4.47μm的激光侵蚀尺寸。在工具图案110的单次重复期间分布了132个激光脉冲118，工具图案110开始于进入位置116、在外围51内进行开始于270度且结束于0度的四分之一的旋转(90度)、向内盘旋一个起始且结束于0度的360度旋转，绕孔中心加工从0度到180度的二分之一的旋转，向外盘旋一个起始且结束于180度的360度旋转，并在外围51内加工从180度到270度的四分之一旋转，在该点处激光脉冲118被关闭。工具图案110沿退出段120前进，所述退出段具有270度处的开始位置122到0度处的结束位置124。

[0072]本领域技术人员又将认识到，进入和退出段112和120的角度位置仅仅代表一组示范性的相对角，所述相对角可关于X和Y轴偏移，这取决于先前的和随后将被加工的孔的相对位置。

[0073]与工具图案110有关的典型的定位器参数、激光参数和孔参数包括工具速度313mm/sec、激光PRF 70KHz、定位器最大加速度1,000Gs、通孔钻孔时间1.88msec以及通孔最少移动时间1.03msec，所述参数可产生的最大通孔加工速率是434vias/sec。

[0074]图7显示了由所述方法产生的两次重复的向外螺旋形工具图案70(两次重复称作70′)。(工具图案70′以半尺寸的激光光点显示以更清楚地显示进入和退出段轨迹)。通过从中心向外到每个正被加工的孔外围51来重复地切除材料的方式，向外螺旋形工具图案70′被用来在材料上钻孔。向外螺旋形工具图案70′包括进入段72′，所述进入段72′具有270度处的开始位置74′和0度处的进入位置76′，在进入段72′处激光脉冲78′被启动。在本例中，正被加工的孔具有200μm的直径，且激光脉冲78具有10μm的有效光点尺寸和4.47μm的激光侵蚀尺寸。在工具图案70′的两次重复期间分布了216个激光脉冲78′，第一次重复首先开始于进入位置76′，向外盘旋一个360度旋转到0度，并在外围51内从0度到大约90度进行加工，在该点处激光脉冲78′被关闭且工具图案70′沿具有90度处的开始位置82′的过渡段80′前进并通常向内盘旋到180度处的过渡结束位置84′。工具图案70′的第二次重复开始于过渡结束位置84′，向外盘旋一个360度旋转到180度，并在外围51内从180度到270度进行加工，在该点处激光脉冲78′再次被关闭且工具图案70′沿着具有270度处的开始位置82″的退出段80″前进到0度处的结束位置84″。

[0075]本领域技术人员又将认识到，进入和退出段72和80的角度位置仅仅代表一组示范性的相对角，所述相对角可关于X和Y轴偏移，取决于先前的和随后将被加工的孔的相对位置。

[0076]与工具图案70′有关的典型的定位器参数、激光参数和孔参数包括工具速度313mm/sec、激光PRF 70KHz、定位器最大加速度1,000Gs、通孔钻孔时间3.08msec以及通孔最少移动时间1.69msec，所述参数可产生的最大通孔加工速率是209vias/sec。

[0077]本发明的第三个方面提供了一种方法，该方法用于调节激光束移动速度以在加工孔时获得均匀的激光能量分布。当使用多次重复的例如圆形工具图案50(图3)加工通孔时，加工优质孔取决于稍微重叠每次随后重复的激光点。从重复到重复的重叠程度是由被称为“递增侵蚀尺寸”的参数决定的。所述递增侵蚀尺寸被定义为激光位置在圆形工具图案的重复中移位的距离。

[0078]激光束速度的小变化可明显地改变重复-到-重复(或重复之间)的脉冲重叠，或递增侵蚀尺寸。优质的通孔加工取决于为圆形工具图案的每次重复稍微移动激光脉冲的位置，以使激光脉冲在随后的重复期间不会击中同一光点且激光能量被更均匀地环绕通孔外围散布。

[0079]例如，如果通孔加工应用采用五次圆周重复，则优选为每次重复移位激光脉冲以使假想的第六次重复具有和第一次重复的脉冲完全重叠的脉冲(递增侵蚀尺寸近似等于被圆周重复次数除后的侵蚀尺寸)。相反，当来自每次重复的脉冲撞击同一位置时，就导致了不良的通孔加工。这通常是由无意地采用与实际侵蚀尺寸相比非常小的或近似等于实际侵蚀尺寸的递增侵蚀尺寸造成的。

[0080]图8和9分别显示了通过分别采用现有技术侵蚀尺寸和优选计算出的递增侵蚀尺寸的环钻和圆形工具图案的多次重复在蚀刻电路板材料中加工的无法接受的通孔和高质量的通孔。

[0081]图10和11显示了递增侵蚀尺寸如何被激光束速度的微小变化影响的。图10显示了由于采用环钻工具图案的五次重复而产生的现有技术侵蚀尺寸，其中激光PRF为30kHz，通孔直径为125μm，有效激光束光点尺寸为13μm，且激光束速度为377.5mm/s。图10显示了来自五次环钻重复中每次的激光脉冲几乎完全重叠，从而导致低质量的通孔和/或不良的环钻加工健壮性。相反，图11显示了同一处理，只是激光束速度被些微地变化到379.5mm/s。2mm/sec的微小速度变化引起激光脉冲绕通孔外围的均匀分布，从而产生高质量的通孔和/或改进的加工健壮性。图11的圆周加工采用2.3μm的递增侵蚀尺寸，其使来自假想的第六次重复的激光脉冲与来自第一次重复的激光脉冲重叠。

[0082]用于适当设定与特定圆形工具图案相关的递增侵蚀尺寸所需的激光束速度取决于所采用的重复次数、通孔直径、激光PRF以及有效激光束光点尺寸。激光束速度优选被选择，以使第一次的激光束脉冲位置和假想的最后一次外加一次的工具图案重复的激光束脉冲位置基本上重叠。

[0083]如下显示的是被用来计算递增侵蚀尺寸(Δ_rep)的等式，所述递增侵蚀尺寸作为圆形工具重复次数(Cycles)的函数是使第一次的激光脉冲位置和假想的最后一次外加一次工具图案重复的激光脉冲位置重叠所需的：

定义 $\mathrm{Bite}=\frac{v}{\mathrm{PRE}}$ (等式1)

定义Δ_rep＝(N_rep)(Bite)-π(D-Eff)    (等式2)

因此 ${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{rep}}=\frac{\mathrm{Bite}}{\mathrm{Cycles}}$ (等式3)

其中：

Bite＝侵蚀尺寸(不是递增侵蚀尺寸)，单位为μm；

v＝工具速度，单位为mm/sec；

PRF＝激光脉冲重复率(或激光脉冲重复频率)，单位为kHz；

N_rep＝一次圆周重复中的脉冲数；

D＝通孔直径，单位为μm；

Eff＝有效光点尺寸，单位为μm；

Δ_rep＝递增侵蚀尺寸，单位为μm；以及

Cycles＝所采用的圆周重复次数。

[0084]附录B陈述了基于等式1到3的Matlab编码方法，其用于在采用圆形工具图案的多次重复时调节递增侵蚀尺于以获得均等的脉冲间隔。当用户启动“均衡周界脉冲重叠”按钮或其它启动器时该方法被执行。该方法调节工具速度并且，从而降低侵蚀尺寸很小的量以获得所需的递增侵蚀尺寸而不会明显地改变激光脉冲能量密度。

[0085]当然，通过改变工具速度、PRF和有效光点尺寸的任意组合可调节递增侵蚀尺寸，其对应于改变孔直径。因此，递增侵蚀尺寸的更严格的数学描述被陈述如下。

[0086]有效孔直径被定义为：

D_eff＝D-Eff    (等式4)

[0087]递增侵蚀尺寸的广义方程是：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{rep}}=\mathrm{ceil}\left(\frac{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v}\right)\frac{v}{\mathrm{PRF}}-\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{eff}}$ (等式5)

其中函数ceil(w)返回的是大于或等于w的最小整数，并且表示分数的上舍入过程。

[0088]用于获得被均匀地划分的增侵蚀尺寸的条件是：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{rep}}=\frac{v}{\left(\mathrm{PRF}\right)\left(\mathrm{Cycles}\right)}$ (等式6)

[0089]等式4到6可被合并以产生等式7：

$\mathrm{ceil}\left(\frac{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v}\right)-\frac{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v}=\frac{1}{\mathrm{Cycles}}$ (等式7)

[0090]数量“x”被等式8定义：

$x=\frac{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v}$ (等式8)

[0091]对等式7求解和对等式9求解一样：

$\mathrm{ceil}\left(x\right)-x=\frac{1}{\mathrm{Cycles}}$ (等式9)

[0092]等式9具有一个无穷解集，其中具有分数余项(fractionalremainder)为 $1-\frac{1}{\mathrm{Cycles}}$ 的任何正数可产生一个解。优选的情形产生最小的可能调整，其进一步又被旋转方向约束。当进行调整时，数量x可被向上或向下调节。优选做较小的改变，尽管对可实现的速度和PRF的实际约束可指示某一调整方向。

[0093]调节x到最小量以上以对等式9求解的解答被显示在下面等式10中：

$x_{\mathrm{new}}=\mathrm{ceil}(x+\frac{1}{\mathrm{Cycles}})-\frac{1}{\mathrm{Cycles}}$ (等式10)

[0094]调节x到最小量以下以对等式9求解的解答被显示在下面等式11中：

$x_{\mathrm{new}}=\mathrm{floor}(x+\frac{1}{\mathrm{Cycles}})-\frac{1}{\mathrm{Cycles}}$ (等式11)

[0095]一旦优选的数学调整被确定，可通过根据等式8变动速度、PRF、直径或有效光点尺寸来影响递增侵蚀尺寸。通过调节速度求解递增侵蚀尺寸被显示于下面的等式12中：

$v_{\mathrm{new}}=\frac{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v}$ (等式12)

[0096]通过调节PRF求解递增侵蚀尺寸被显示于下面的等式13中：

${\mathrm{PRF}}_{\mathrm{new}}=\frac{{\mathrm{vx}}_{\mathrm{new}}}{\mathrm{\π}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)}$ (等式13)

[0097]通过调节有效孔直径求解递增侵蚀尺寸被显示于下面的等式14中：

$D_{\mathrm{eff},\mathrm{new}}=\frac{{\mathrm{vx}}_{\mathrm{new}}}{\mathrm{\π}\left(\mathrm{PRF}\right)}$ (等式14)

[0098]当然，通过改变孔直径和有效光点尺寸的组合可改变有效直径。然而，因为改变有效直径会些微地改变激光通孔尺寸，并且改变PRF会具有对激光设置和控制开支(control overhead)的不希望的牵连，所以递增侵蚀尺寸优选通过采用等式12来确定，该等式用于调节光束定位器速度。

[0099]当确定递增侵蚀尺寸时，脉冲间隔不需要很精确以获得合适的通孔加工结果。例如，Δ_rep可增加多达大约百分之二十。此外，在一些样品加工应用中，Δ_rep可导致脉冲间隔小于5um。在这些应用中，激光脉冲之间的间隔应不小于1.0um。

[0100]图12和13显示了分别根据现有技术和这种方法形成的环钻和圆形工具图案之间的比较关系。具体地，图12显示了激光脉冲130不均匀地环绕孔外围132分布，这是由现有技术环钻工具图案134的两次重复引起的。环钻工具图案134采用717mm/sec的激光束速度、70kHz的激光PRF、125μm的孔直径、20μm的有效光点尺寸、10.24μm的激光侵蚀尺寸和8.15μm的侵蚀尺寸136。

[0101]相反，图13显示了激光脉冲130均匀地环绕孔外围132分布，这是通过采用“均衡周界脉冲重叠”法的圆形工具图案138的两次重复实现的。圆形工具图案138采用710.5mm/sec的激光束速度、70kHz的激光PRF、125μm的孔直径、20μm的有效光点尺寸、10.15μm的激光侵蚀尺寸和5.07μm的递增侵蚀尺寸139。采用“均衡周界脉冲重叠”法使激光束速度从717mm/sec变为710.5mm/sec。

[0102]本发明的第四个方面提供了一种用于控制Q开关激光器的方法，所述Q开关激光器发射激光束脉冲，所述激光束脉冲被如上描述的工具图案采用。该方法在逻辑装置上执行，例如数字信号处理器(“DSP”)的微处理器，所述数字信号处理器包括用于控制现场可编程门阵列(“FPGA”)的寄存器，所述现场可编程门阵列相对于驱动激光束定位器的半正弦轮廓指令精确地安排第一个激光脉冲的发射和所有随后的激光脉冲的发射。示例剖面指令可包括沿如上所描述的工具图案段定位激光束所需的指令。

[0103]图14显示了第一个DSP寄存器，其是一种包括16个读/写单元的“激光重复率(Rep Rate)寄存器”140，所述读写单元用于设定激光脉冲间周期(interpulse period)。激光重复率寄存器140控制着重复率发生器142，所述重复率发生器提供具有范围从305.18Hz(赫兹)(寄存器140值为0xFFFF)到2.0MHz(兆赫兹)(寄存器140值为0x0)的频率fn的信号，并具有大约为0.0047Hz的分辨率。信号频率fn＝1/(寄存器值(reg.value)*50nsec(纳秒))。重复率发生器142仅当如下描述的DSP“脉冲记数寄存器”144存储非零值时才会被激活。

[0104]第二个DSP寄存器是“激光脉冲控制定时器寄存器(TimerRegister)”146，其包括24个读/写单元，所述读写单元用于设定与发射激光脉冲相关的两个时间延迟。单元0-10设定门延迟，而单元12-22设定第一个脉冲延迟。单元12-22优选被移位，从而在将归一化的值应用到如下的“dly”公式之前归一化存储于其中的值。每一个延迟均由该公式确定，dly＝(寄存器146的值*50nsec)，且从0到102.3μsec之间变动。

[0105]第三个DSP寄存器是脉冲记数寄存器144，其包括18个读/写单元，所述读写单元用于设定在一脉冲串中将被发射的激光脉冲的数量。有效的寄存器144值是从0x3FFFF到0变动。值0x3FFFF和0x0具有特殊含义。有效值(1到0x3FFFE，262142D)对应脉冲串中发射的脉冲数。特殊值0x3FFFF产生连续的脉冲串直到一零值被写入脉冲记数寄存器144。特殊值0x0终止当前脉冲串。

[0106]用于启动激光脉冲发射的方法参照图15A和15B在下文被描述。激光脉冲指令被监视定时器限定，如果DSP失效，所述监视定时器将终止激光脉冲的发射。本领域技术人员将会理解如何实现逻辑装置以执行该激光控制方法。

[0107]图15A和15B分别显示了常规和特殊情形下发射支持上述方法的激光脉冲的时序关系。

[0108]图15A所示的常规时序关系以如下方式实现：

[0109]同样参照图14，通过DSP将脉冲间周期150写入激光重复率寄存器140来设定激光PRF。

[0110]脉冲记数寄存器144被初始化为零值。DSP使用“DSP_Write_Strobe_N”写信号152来启动激光脉冲发生过程，所述写信号将多个脉冲值(1到200,000)154载入激光脉冲记数寄存器144中。

[0111]如由激光脉冲控制定时器寄存器146的比特00到10确定的，“FPGA_Gate_N”激光门信号156在适量的门延迟(50ns(毫微秒)到100μs(微秒))158之后变成“真”。

[0112]如由激光脉冲控制定时器寄存器146的比特12到22确定的，第一个“FPGA_QSW_N”激光Q开关信号160在适量的第一个脉冲延迟(50ns到100μs)162之后变成“真”。默认的第一个脉冲延迟162为零。

[0113]激光脉冲数154在脉冲记数寄存器144中被设定，除了如下参照图15B陈述的特殊情形。在最后一个激光脉冲164引起最后一个脉冲发射变成“真”50ns之后，激光门信号156变成“假”。

[0114]图15B显示的特殊情形下的时序关系以如下方式实现：

[0115]同样参照图14，当DSP写信号152将一个值0x3FFFF载入脉冲记数寄存器144时，就发生特殊时序情形。该动作导致脉冲计数器148持续记数直到DSP写信号152′将一零值载入脉冲记数寄存器144，这将导致激光Q开关信号160脉冲在一个不确定脉冲延迟166之后停止，从而避免竞态状态加上门延迟158的剩余和第一个脉冲延迟162。

[0116]本发明的第五个方面需要一种用于协调激光脉冲的发射和它们入射在预定的激光束定位指令位置上的方法。当应用如上描述的用于加工孔的工具图案时，所发射的激光脉冲在所需的工具图案重复次数过程中被精确定位以及，具体地，将每次重复的第一个激光脉冲发射在工具图案的正确位置。因此，该方法改进了如上描述的工具图案采用的激光定时和运动轮廓器(motion profiler)的协调、准确度和性能。

[0117]该方法支持新的工具图案，这是通过为一给定的激光束定位器加速度限制提供较高工具速度来实现的。例如，一种典型的基于检流计的光束定位器具有1,000G的加速度限制。新的工具图案以至少两种方式影响激光脉冲发射定时。第一，圆形工具图案可在移动段的中间启动激光脉冲发射并在工具重复的极小部分中允许激光脉冲发生。因此，激光束定位器系统的一部分，被称为协调运动控制模块(coordinated motion control module，“CMCM”)，其与系统控制计算机协调以在移动段的预定部分引起激光脉冲发射。第二，与接近1.0m/sec(米/秒)的工具速度结合的新的中段激光定时需要非常高的激光脉冲定时准确度。现有激光定时系统具有大约±50μsec(微秒)的第一脉冲定时分辨率，这意味着不可接受的±50μm的第一脉冲定位。

[0118]因此，该方法通过将DSP寄存器的内容和相关的定时控制传送到FPGA中的配对寄存器140′、144′和146′，将激光脉冲的精确定时从DSP控制传送到快很多的FPGA。另外，新的FractionalLaserDelay参数被添加到移动段数据结构，用于协调CMCM运动指令和激光脉冲发射定时。FractionalLaserDelay参数定义移动段的开始和第一个激光脉冲发射之间的时间延迟为全段时间的一小部分ΔT。FractionalLaserDelay参数具有8-比特值，且其值从0到255。如果该值为零，激光脉冲定时就像现有技术一样工作。从移动段的开始到第一个激光脉冲的延迟是：

Delay＝ΔT*FractionalLaserDelay/256。

[0119]图16显示了激光束脉冲发生和光束定位器(“BP”)的时序关系。理想地，第一个激光脉冲的发射170将在光束定位器启动一工具图案进入段(例如图3的进入段52)之后发生FractionalLaserDelay*ΔT 172的时间。然而，许多系统延迟需要用于实际第一个激光脉冲174的发射的协调定时方法。

[0120]协调定时方法首先解释了包括绘轮廓滤波器(profilingfilter)群延迟和检流计延迟的CoordinatedModeFilterDelay 176。绘轮廓滤波器群延迟具有取决于该滤波器频率的50-80msec固定值。美国专利号5,751,585——HIGH SPEED，HIGH ACCURACY MULTI-STAGETOOL POSITIONING SYSTEM描述了协调模式光束定位以及相关群滤波器延迟，该专利被转让给本中请的受让人。GalvoDelay是光束定位器指令到达光束偏转检流计需要的时间。GalvoDelay被固定在200msec左右。

[0121]协调定时方法进一步解释了LaserEventBufferDelay178，其包括剖面钻孔段(例如图3的进入段52)和被命令启动激光发射的时间之间的流逝时间。LaserEventBufferDelay178可被调节到50msec的分辨率。

[0122]GateDelay158(同样见图15A和15B)被存储于FPGA脉冲控制定时器寄存器146′的第一部分中并确定在接收脉冲记数写信号152和激活激光门信号156(同样见图14A和14B)之间的FPGA延迟。GateDelay158具有50nsec的分辨率。

[0123]FirstPulseDelay162(同样见图14A和14B)被存储于FPGA脉冲控制定时器寄存器146′的第二部分中并且确定激光门信号156和第一个激光Q开关信号160之间的延迟，所述第一个激光Q开关信号用于请求第一个实际激光脉冲的发射。FirstPulseDelay162由1/PRF+RuntDelay确定，其中RuntDelay是避免反常的低能量(矮子(runt))激光脉冲所要求的固定延迟。

[0124]每次DSP装载新的移动段，其会按如下方式计算LaserEventBufferDelay178和GateDelay158的值：

CoordinatedModeFilterDelay+GalvoDelay的值被存储为一个被命名为BPDelay的参数。

Delay1＝BPDelay+ΔT*FractionalLaserDelay-FirstPulseDelay。这是LaserEventBufferDelay178和GateDelay158之间所需的延迟。

GateDelay158＝(Delay1模数50msec)+50msec。该延迟确保GateDelay158足够长以避免FPGA边界条件。

LaserEventBufferDelay178＝Delay1-GateDelay158。该延迟是50msec的偶数倍。

[0125]在值被计算出之后，GateDelay 158作为一个域被装载在LaserEventBuffer的LaserOn数据包中的，并且所述数据包的时间标记是当前时间加上LaserEventBufferDelay。

[0126]当光束定位器伺服调用LaserOn数据包时，它会将GateDelay158的值装入FPGA激光脉冲控制定时器寄存器146′，然后询问FPGA脉冲记数寄存器144′以确定所需的激光脉冲数。

[0127]本领域技术人员将会认识到，本发明的各部分可采用与如上描述的优选实施例的实现不同的方式来实现。例如，工件样本材料实际上可包括任何印刷线路板材料，不管是刚性的或柔性的，包铜的或无掩蔽的，纤维增强的或均匀的树脂电介质的材料，并且还可包括陶瓷衬底和硅衬底，例如那些被应用在微电子和半导体设备中的衬底。

附件A

% generate the move segments

function[x_segs,y_segs]=gen_segs(hole_diameter,eff_spot_size,

    spiral_revs,proc_action,spiral_id,velocity,repetitions,

    revs_at_diam,settle_revs,prf_period,init_entry_angle)

% The preferred rotation direction is CCW.This is allowed by apps and

    minimizes the complexity of switch statements,etc.The true

    entry conditions,however,are determined by the settling revs and

    revs at hole diameter if the spiral action is inward.

entry_angle=init_entry_angle;              % degrees for

    rep_ctr=1:repetitions

    % Compute the dt for the initial revolution

    if(proc_action==2)      % spiral outward

       dt_init=pi*spiral_id/2/velocity;

    else                    % starts at outer diameter

       dt_init=pi*(hole_diameter-eff_spot_size)/2/velocity;

    end

    dt＝dt_init;

    % Compute how far off of the entry angle to start.

    pre_entry_angle_bp_revs＝0;

    if((proc_action==3)|(proc_action==4))      % spiral inward or

    spiral inward,then outward

       pre_entry_angle_bp_revs＝revs_at_diam;

    end

    % settle rev on the initial rep only

    if(rep_ctr==1)

       pre_entry_angle_bp_revs=pre_entry_angle_bp_revs+

    settle_revs;

    end

    % figure the entry angle for starting the definition of bp motion

    pre_entry_angle_bp_revs_mod4=ceil(pre_entry_angle_bp_revs*4)/4;

    entry_angle_bp=entry_angle-pre_entry_angle_bp_revs_mod4*360;

    entry_angle_bp=mod(entry_angle_bp,360);

    % Now start adding move segments. Note that the move segment

    format is:

    % [dp_um dv_umpersec dt_sec pulse_cnt pulse_frac_dly]

    % add the move segments pre entry angle

    % figure out the segment reference times for BP motion

    switch entry_angle_bp,

    case 0,

        x_segs=[0 -2*velocity dt 0 0];    % leader is x axis

        x_ref_time=-dt/2;      % x starts at time -dt/2

        x_total_dt=dt/2;

        y_segs=[0 0 0 0 0];

        y_ref_time=0;          % y starts at time zero

        y_total_dt=0;

        vx=-velocity;

        vy=velocity;

    case 90,

        y_segs=[0 -2*velocity dt 0 0];    % leader is y axis

        y_ref_time=-dt/2;                 % x starts at time -dt/2

y_total_dt=dt/2;

x_segs=[0 0 0 0 0];

x_ref_time=0;                 % y starts at time zero

x_total_dt=0;

vx=-velocity;

vy=-velocity;case 180,

x_segs=[0 2*velocity dt 0 0]; % leader is x axis

x_ref_time=-dt/2;             % x starts at time -dt/2

x_total_dt=dt/2;

y_segs=[0 0 0 0 0];

y_ref_time=0;                 % y starts at time zero

y_total_dt=0;

vx=velocity;

vy=-velocity;case 270,

y_segs=[0 2*velocity dt 0 0]; % leader is y axis

y_ref_time=-dt/2;             % x starts at time -dt/2

y_total_dt=dt/2;

x_segs=[0 0 0 0 0];

x_ref_time=0;                 % y starts at time zero

x_total_dt=0;

vx=velocity;

vy=velocity;end% Now round and round for the rounded bp_revs. Each segmentdefines the next 1/4 of a revolutionfor seg_ctr=1:pre_entry_angle_bp_revs_mod4*4

if(y_total_dt>x_total_dt)

   x_segs=[x_segs; 0 -2*vx dt 0 0];

   vx=-vx;

   x_total_dt=x_total_dt+dt;

else

   y_segs=[y_segs; 0 -2*vy dt 0 0];

   vy=-vy;

   y_total_dt=y_total_dt+dt;

endend% Motion is now defined up to the entry angle. Where to move nextdepends on the processing action.if((proc_action==3)|(proc_action==4))   % spiral inwarddiam_inc=(spiral_id-(hole_diameter-eff_spot_size))/spiral_revs;dt_inc_seg=pi*diam_inc/(8*velocity);for seg_ctr=1:spiral_revs*4

   dt=dt+dt_inc_seg;

   if(y_total_dt>x_total_dt)

      x_segs=[x_segs;0 -2*vx dt 0 0];

      vx=-vx;

      x_total_dt=x_total_dt+dt;

   else

      y_segs=[y_segs; 0 -2*vy dt 0 0];

      vy=-vy;

      y_total_dt=y_total_dt+dt;

   endendend% inward/outward includes extra 1/2 rev which will be at IDif(proc_action==4)for seg_ctr=1:2

   if(y_total_dt>x_total_dt)

       x_segs=[x_segs; 0 -2*vx dt 0 0];

       vx=-vx;

       x_total_dt=x_total_dt+dt;

   else

       y_segs=[y_segs;0 -2*vy dt 0 0];

       vy=-vy;

       y_total_dt=y_total_dt+dt;

   endendendif((proc_action==2)|(proc_action==4))    % spiral outwarddiam_inc=((hole_diameter-eff_spot_size)-spiral_id)/spiral_revs;dt_inc_seg=pi*diam_inc/(8*velocity);for seg_ctr=1:spiral_revs*4

   dt=dt+dt_inc_seg;

   if(y_total_dt>x_total_dt)

      x_segs=[x_segs; 0 -2*vx dt 0 0];

      vx=-vx;

      x_total_dt=x_total_dt+dt;

   else

      y_segs=[y_segs; 0 -2*vy dt 0 0];

      vy=-vy;

      y_total_dt=y_total_dt+dt;

   endendendif((proc_action==1)|(proc_action==2)|(proc_action==4))% docircular revsncircle_segs=ceil(revs_at_diam*4);for seg_ctr=1:ncircle_segs

   if(y_total_dt>x_total_dt)

      x_segs=[x_segs; 0 -2*vx dt 0 0];

      vx=-vx;

      x_total_dt=x_total_dt+dt;

   else

      y_segs=[y_segs; 0 -2*vy dt 0 0];

      vy=-vy;

      y_total_dt=y_total_dt+dt;

   endendend% That defines the BP motion, besides the entry/exit which will behandled later. Next thing to do is compute the number of laserpulses and schedule the laser-on event in the move segments.laser_delay_revs=pre_entry_angle_bp_revs_mod4;     % basic delay% if spiral inward is first process action, back off the delay bythe revs at diameterif((proc_action==3)|(proc_action==4))laser_delay_revs=laser_delay_revs-revs_at_diam;endlaser_delay_time=laser_delay_revs*dt_init*2;% laser on time is equal to the minimum of the two total segmenttimes,then adjusted by the laser delay time and the differencebetween the rounded up final revs and desired final revslaser_on_time=min([x_total_dt y_total_dt]);laser_on_time=laser_on_time-laser_delay_time;if((proc_action==1)|(proc_action==2)|(proc_action==4))fractional revs at endbp_finish_up_time=(ceil(revs_at_diam*4)/4-revs_at_diam)*dt*2;laser_on_time=laser_on_time-bp_finish_up_time;endpulse_count=ceil(laser_on_time/prf_period);% The laser-on event goes into the X segment streamt_tracker=x_ref_time;seg_idx=1;dtseg=x_segs(1,3);while(t_tracker+dtseg<=laser_delay_time)

t_tracker=t_tracker+dtseg;

seg_idx=seg_idx+1;

dtseg=x_segs(seg_idx,3);endfrac=(laser_delay_time-t_tracker)/dtseg;% 1/256 resolution just like cmcmfrac=round(frac*256);% Now stick it into the move segmentsx_segs(seg_idx,4)=pulse_count;x_segs(seg_idx,5)=frac;% Need to pad the move segments with the entry.% The first rep always enters with a generic move.if(rep_ctr==1)switch entry_angle_bp,case 0,

   y_segs=[-x_ref_time*velocity 0 -x_ref_time 0 0; y_segs];

   x0=0;

   y0=x_ref_time*velocity;

   vx0=velocity;

   vy0=velocity;case 90,

   x_segs=[y_ref_time*velocity 0 -y_ref_time 0 0; x_segs];

   x0=-y_ref_time*velocity;

   y0=0;

   vx0=-velocity;

   vy0=velocity;case 180,

   y_segs=[x_ref_time*velocity 0 -x_ref_time 0 0; y_segsl;

   x0=0;

   y0=-x_ref_time*velocity;

   vx0=-velocity;

   vy0=-velocity;case 270,

   x_segs=[-y_ref_time*velocity 0 -y_ref_time 0 0; x_segs];

   x0=y_ref_time*velocity;

   y0=0;

   vx0=velocity;

   vy0=-velocity;end

% generic move from hole center. Create generic move segmentsfrom current position to initial conditions for the via

[gmt_x,Apk,Vpk]=gm_new(x0,0,vx0);

[gmt_y,Apk,Vpk]=gm_new(y0,0,vy0);

% Take max of move times for two cases.

gmt=max([gmt_x;gmt_y]);

% Round up to modulus of 50 usec

rup=50e-6-mod(sum(x_segs(:,3))+sum(gmt),50e-6);% x,ysame dt

rup=mod(rup,50e-6);

gmt(2)=gmt(2)+rup;

% compute generic move dvs and dps

init_x=x0;

x=0;

init_y=y0;

y=0;

vx_start=0;

vy_start=0;

init_vx=vx0;

init_vy=vy0;

denom=(gmt(1)+2*gmt(2)+gmt(3));

dvx1=(2*(init_x-x)-vx_start*(2*gmt(1)+2*gmt(2)+gmt(3))-init_vx*gmt(3))/denom;

dvy1=(2*(init_y-y)-vy_start*(2*gmt(1)+2*gmt(2)+gmt(3))-init_vy*gmt(3))/denom;

dvx3=(-2*(init_x-x)+vx_start*gmt(1)+init_vx*(gmt(1)+2*gmt(2)+2*gmt(3)))/denom;

dvy3=(-2*(init_y-y)+vy_start*gmt(1)+init_vy*(gmt(1)+2*gmt(2)+2*gmt(3)))/denom;

dpx1=gmt(1)*(vx_start+dvx1/2);

dpy1=gmt(1)*(vy_start+dvy1/2);

dpx2=gmt(2)*(vx_start+dvx1);

dpy2=gmt(2)*(vy_start+dvy1);

dpx3=init_x-x-dpx1-dpx2;

dpy3=init_y-y-dpy1-dpy2;

% pre-pand the generic move segments

x_segs=[dpx1 dvx1 gmt(1)0 0;

        dpx2 0 gmt(2)0 0;

        dpx3 dvx3 gmt(3)0 0;

        x_segs];

y_segs=[dpy1 dvy1 gmt(1)0 0;

        dpy2 0 gmt(2)0 0;

        dpy3 dvy3 gmt(3)0 0;

        y_segs];

prior_x_segs=x_segs;

prior_y_segs=y_segs;else

% subsequent reps will adjust from the prior dt to the new dt

prior_exit_angle=mod(round((atan2(prior_vy,prior_vx)-3*pi/4)/(pi/2))*90,360);

ea_advance_segs=mod((entry_angle_bpprior_exit_angle)/90,4);

if(ea_advance_segs<2)

   ea_advance_segs=ea_advance_segs+4;

end

% If more than 2 segs are required, do them at the minpossible time for maximum speed advantage.

tmin_transition=1e-4;        % 0.1msec

if(tmin_transition<pi*velocity/(1000*9.8e6))

  tmin_transition=pi*velocity/(1000*9.8e6);          % limit1000G

end

% insert extra segments if more than 1/2 of a rev is required

tmin_transition=1e-4;         % 0.1msec

if(tmin_transition<pi*velocity/(1000*9.8e6))

   tmin_transition=pi*velocity/(1000*9.8e6);         % limit1000G

end

for i=1:ea_advance_segs-2

    if(prior_total_dt_y>prior_total_dt_x)

       dt=tmin_transition;

       if(dt<=prior_total_dt_y-prior_total_dt_x+tmin_transition/2)

          dt=prior_total_dt_y-prior_total_dt_x+tmin_transition/2;

       end

       prior_x_segs=[prior_x_segs; 0 -2*prior_vx dt 0 0];

       prior_vx=-prior_vx;

       prior_total_dt_x=prior_total_dt_x+dt;

    else

       dt=tmin_transition;

       if(dt<=prior_total_dt_x-prior_total_dt_y+tmin_transition/2)

          dt=prior_total_dt_x-prior_total_dt_y+tmin_transition/2;

       end

       prior_y_segs=[prior_y_segs; 0 -2*prior_vy dt 0 0];

       prior_vy=-prior_vy;

       prior_total_dt_y=prior_total_dt_y+dt;

    end

end

% now fix things up!

if(prior_total_dt_y>prior_total_dt_x)

   dt=prior_total_dt_y-prior_total_dt_x-y_ref_time;

   prior_x_segs=[prior_x_segs;0 -2*prior_vx dt 0 0];

else

   dt=prior_total_dt_x-prior_total_dt_y-x_ref_time;

   prior_y_segs=[prior_y_segs;0 -2*prior_vy dt 0 0];

end

% conglomerate things!

prior_x_segs=[prior_x_segs; x_segs];

prior_y_segs=[prior_y_segs; y_segs];endprior_total_dt_x=x_total_dt;          % don′t accumulateprior_total_dt_y=y_total_dt;prior_vx=vx;prior_vy=vy;% compute the entry angle for the next rev switch entry_angle,case 0,

switch init_entry_angle,

case 0,

            new_ea=180;

        case 90,

            new_ea=90;

        case 180,

            new_ea=270;

        case 270,

            new_ea=180;

        end

    case 90,

        switch init_entry_angle,

        case 0,

            new_ea=270;

        case 90,

            new_ea=270;

        case 180,

            new_ea=180;

        case 270,

            new_ea=0;

        end

    case 180,

        switch init_entry_angle,

        case 0,

            new_ea=90;

        case 90,

            new_ea=0;

        case 180,

            new_ea=0;

        case 270,

            new_ea=270;

        end

    case 270,

        switch init_entry_angle,

        case 0,

            new_ea=0;

        case 90,

            new_ea=180;

        case 180,

            new_ea=90;

        case 270,

            new_ea=90;

        end

    end

    entry_angle=new_ea;

end

x_segs=prior_x_segs;         % get the conglomerate

y_segs=prior_y_segs;

% Finish up the last rep,just coast to even up the dt

if(y_total_dt>x_total_dt)

    fixup=y_total_dt-x_total_dt;

    x_segs=[x_segs; vx*fixup 0 fixup 0 0];

else

    fixup=x_total_dt-y_total_dt;

    y_segs=[y_segs; vy*fixup 0 fixup 0 0];end

附件B% ---Executes incremental bite size upon button press in eq_pulse_overlap.function eq_pulse_overlap_Callback(hObject,eventdata,handles)% hobject handle to eq_pulse_overlap% eventdata reserved-to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user datahole_diameter=str2double(get(handles.hole_diameter,′String′));eff_spot_size=str2double(get(handles.eff_spot_size,′String′));% Convert to velocity to number in um/seevelocity=str2double(get(handles.velocity,′String′))*1000;revs=ceil(str2double(get(handles.revs_at_diam,′String′)));prf_period=1/(str2double(get(handles.prf,′String′))*1000);% to sec% Want to set incremental bite size to bite size/ceil(revs_at_diam)Trev=pi*(hole_diameter-eff_spot_size)/velocity;x=Trev/prf_period;% Adjustx=ceil(x+1/revs)-1/revs;% back out the new velocityTrev=x*prf_period;velocity=pi*(hole_diameter-eff_spot_size)/Trev;set(handles.velocity,′String′,num2str(velocity/1000)); % to mm/sec% Print the bite size,microns. Also the"incremental" bite size, which isthe advance of the first pulse of the 2nd revolution relative to the lstrevolution set(handles.bite_size,′String′, num2str(velocity*prf_period));imag_bite_size=mod(prf_period-mod(Trev,prf_period),prf_period)*velocity;set(handles.imag_bite_size,′String′, num2str(imag_bite_size));

[0128]如上所描述的实施例的细节可做很多改变而不偏离本发明的基本原理，这对本领域技术人员来说是很明显的。因此，本发明的范围应只被所附权利要求书确定。

Claims (28)

1.一种通过激光工具的操作实现从样本的目标区域高速移除材料的方法，所述目标区域具有基本呈圆形的目标周界，所述目标周界由延伸穿过目标中心的目标直径限定，并且所述激光工具限定一光束轴，激光束沿所述光束轴传播，所述激光束在所述目标区域限定激光光点，该激光光点具有的直径小于所述目标直径，所述方法包括：

促成所述光束轴和所述目标区域之间的相对运动，以将所述光束轴引导到所述目标区域中的选定位置或所述目标区域中且靠近所述目标区域的选定位置，从而实现从所述目标区域的移除材料的过程；

以进入段加速度并沿着进入轨迹引导所述光束轴到所述目标区域内的进入位置点，所述进入位置点对应一个位置，该位置处所述激光束的发射在所述目标区域之上被启动；

以圆形周界加速度在所述目标区域内移动所述光束轴以定位所述激光光点，从而沿所述目标周界的圆周段移除材料；以及

设定所述进入段加速度和圆形周界加速度的值，以使所述进入段加速度的值小于所述圆形周界加速度的值的两倍。

2.根据权利1要求所述的方法，其中所述进入位置点是这样的以至于所述束光点位于所述目标周界的所述圆周段之上，并且其中所述光束轴从最接近所述目标周界的所述圆周段的位置退出所述目标区域。

3.根据权利1要求所述的方法，其中所述进入位置点被定位成大体接近所述目标中心，并且所述激光光点沿逐渐地远离所述目标中心到所述目标周界的所述圆周段的曲线路径移除材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述进入位置点构成第一进入位置点，并且所述曲线路径构成第一曲线路径，且所述方法进一步包括：

引导所述光束轴到大体接近所述目标中心的第二进入位置点；以及

引导所述激光光点以沿逐渐地远离所述目标中心到所述目标周界的第二曲线路径移除材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述圆周段包括所述目标周界的全部，并且所述进入位置点是这样的以至于所述激光光点被定位在所述目标周界上；以及

所述激光光点在绕所述目标周界的多次旋转中移除材料，且其后沿朝向所述目标中心的大体螺旋形路径移除材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述样本包括刚性的或柔性的印刷线路板材料、包铜的或无掩蔽的印刷线路板材料、纤维增强的或均匀的树脂电介质的印刷线路板材料、陶瓷衬底以及硅衬底中的任何一种，并且其中从所述样本的所述目标区域移除材料包括加工孔。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述进入位置点是这样的以至于所述激光光点被定位在所述目标周界的所述圆周段上；以及

所述激光光点沿朝向所述目标中心的第一大体螺旋形路径移除材料，且沿远离所述目标中心的第二大体螺旋形路径移除材料，并返回到所述目标周界的所述圆周段。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述进入位置点构成第一进入位置点，且进一步包括：

引导所述光束轴到所述目标区域中的第二进入位置点，所述第一和第二进入位置点互相偏移；

引导所述激光光点以沿朝向所述目标中心的第三大体螺旋形路径移除材料，沿远离所述目标中心的第四大体螺旋形路径移除材料，并返回到所述目标周界；以及

引导所述光束轴退出所述目标区域。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述样本包括蚀刻电路板材料，并且从所述样本的所述目标区域的材料移除包括在所述蚀刻电路板材料中加工孔。

10.一种通过激光工具的操作实现从样本的目标区域移除材料的方法，所述目标区域具有基本呈圆形的目标周界，所述目标周界由延伸穿过目标中心的目标直径限定，并且所述激光工具限定一光束轴，激光束沿所述光束轴传播，所述激光束在所述目标区域限定激光光点，该激光光点具有的直径小于所述目标直径，所述方法包括：

促成所述光束轴和所述目标区域之间的相对运动，以引导所述光束轴到所述目标区域中的选定位置或所述目标区域中且靠近所述目标区域的选定位置，从而实现从所述目标区域移除材料的过程；

沿进入轨迹引导所述光束轴到所述目标区域内的进入位置点，所述进入位置点对应一个位置，在该位置处所述激光束的发射在所述目标区域之上被启动；以及

在所述目标区域内移动所述光束轴以定位所述激光光点，从而沿所述目标周界的圆周段移除材料，且其后沿朝向所述目标中心的大体螺旋形路径移除材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述圆周段包括所述目标周界的全部，并且所述进入位置点是这样的以至于所述激光光点被定位在所述目标周界上，并且所述激光光点在绕所述目标周界的多次旋转中移除材料，且其后沿朝向所述目标中心的大体螺旋形路径移除材料。

12.根据权利要求10所述的方法，其中；

所述进入位置点是这样的以至于所述激光光点被定位在所述目标周界的所述圆周段上；以及

所述激光光点沿朝向所述目标中心的第一大体螺旋形路径移除材料，沿远离所述目标中心的第二大体螺旋形路径移除材料，并返回到所述目标周界的所述圆周段。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述进入位置点构成第一进入位置点，且所述方法进一步包括：

引导所述光束轴到所述目标区域中的第二进入位置点，所述第一和第二进入位置点互相偏移；

引导所述激光光点以沿朝向所述目标中心的第三大体螺旋形路径移除材料，沿远离所述目标中心的第四大体螺旋形路径移除材料，并返回到所述目标周界；以及

引导所述光束轴退出所述目标区域。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述样本包括刚性的或柔性的印刷线路板材料、包铜的或无掩蔽的印刷线路板材料、纤维增强的或均匀的树脂电介质的印刷线路板材料、陶瓷衬底以及硅衬底中的任何一种，并且其中从所述样本的所述目标区域的材料移除包括在所述样本中加工通路孔。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述通路孔包括封闭通路孔。

16.一种使用一定脉冲重复率下的脉冲激光发射光束从样本的目标区域移除材料的方法，所述目标区域具有基本呈圆形的目标周界，所述目标周界由目标直径限定，并且所述光束的每一脉冲激光发射在所述目标区域限定激光光点，该激光光点具有的直径小于所述目标直径，所述方法包括：

环绕所述圆形目标周界以一工具速度相对彼此多次移动所述脉冲激光发射光束和目标区域，以使得所述脉冲激光发射光束在工具图案的多次重复中移除材料，在所述工具图案的多次重复的每次中每一激光光点均入射在所述目标区域的一位置上；以及

通过移位所述工具图案的重复中的所述激光光点的位置来协调所述工具速度和所述脉冲重复率，从而基本均匀地环绕所述圆形目标周界散布激光发射能量，以使所述激光光点与前一重复的所述激光光点入射的位置不重合。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述协调包括调整所述工具速度、所述脉冲重复率、所述激光光点直径和所述目标直径中的至少一个。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括根据如下表达式确定所述激光光点的位置移位距离Δ_rep：

${\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{rep}}=\frac{v}{\left(\mathrm{PRF}\right)\left(\mathrm{Cycles}\right)},$

其中

v＝所述工具速度；

PRF＝所述脉冲重复率；以及

Cycles＝所述工具图案的重复次数。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括根据如下表达式确定所述工具速度v：

$v=\frac{\mathrm{\&pi;}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)\left(\mathrm{PRF}\right)}{v},$

其中

D_eff＝所述目标直径；

PRF＝所述脉冲重复率；以及

其中Cycles＝所述工具图案的重复次数。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括根据如下表达式确定所述脉冲重复率PRF：

$\mathrm{PRF}=\frac{\mathrm{vx}}{\mathrm{\&pi;}\left(D_{\mathrm{eff}}\right)}$

其中

D_eff＝所述目标直径；

v＝所述工具速度；以及

其中Cycles＝所述工具图案的重复次数。

21.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括根据如下表达式确定所述目标直径D_eff：

$D_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{vx}}{\mathrm{\&pi;}\left(\mathrm{PRF}\right)}$

其中

v＝所述工具速度；

PRF＝所述脉冲重复率；以及

其中Cycles＝所述工具图案的重复次数。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括确定所述激光光点的位置移位的距离，并且其中所述距离具有的公差为百分之二十或更小。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述激光光点的位置移位包括确定所述激光光点的位置移位的距离，并且其中所述距离至少在约1.0微米左右。

24.一种为目标样本的预定激光束定位指令位置上的入射协调激光脉冲发射的方法，包括：

提供一光束定位指令以相对所述目标样本启动光束定位器移动段，所述光束定位器移动段包括光束定位指令位置；

促成一组激光脉冲的发射，所述组包括第一个激光脉冲；以及

在所述光束定位器移动段的起始和所述第一个激光脉冲的发射之间引入微小激光束延迟，以使在所述光束定位器移动段中所述第一个激光脉冲入射在所述光束定位指令位置上。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述微小激光束延迟包括多个延迟时间部分，并且其中一组激光脉冲的发射是响应激光门信号而发生的，所述激光门信号发生在所有所述多个延迟时间部分期满之前。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述延迟时间部分包括第一个脉冲延迟部分，并且其中一组激光脉冲的发射发生在所述第一个脉冲延迟部分期满之后，所述第一个脉冲延迟部分是充分的持续时间，以防止异常低能量的激光脉冲被作为所述第一个激光脉冲发射。

27.根据权利要求25所述的方法，其中在定位器延迟期满之后所述激光门信号响应所述光束定位指令而发生，所述定位器延迟由滤波器和光束定位器延迟时间部分产生。

28.根据权利要求24所述的方法，其中一组激光脉冲的发射是响应激光门信号而发生的，并且其中微小激光束延迟的引入导致所述光束定位指令相对于所述激光门信号的一定量的延迟，所述一定量的延迟导致所述第一个激光脉冲入射在所述光束定位指令位置上。

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