CN102015195B - 以高斯脉冲做激光钻孔的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

以激光脉冲在工件钻出锥形穿孔的方法及设备，使用失焦激光脉冲加工出具有特定锥度(72、74)及表面粗度(76)的穿孔，同时维持特定的出口直径(74)以及改善的系统生产量。描述一系统(100)，其无须对焦的激光脉冲即可以钻出具有预定锥度及表面粗度的穿孔。

Description

以高斯脉冲做激光钻孔的方法与设备
技术领域
本发明是有关于工件的激光处理。特别是关于对均质工件进行激光钻孔以形成特征而使得光线或其它电磁辐射可以穿透该工件的方法与设备。具体言之，本发明是有关于在一工件中以激光钻出具有精确出口直径(exit diameter)、可选择锥度以及平滑抛光层(finish)的锥形穿孔或其它形状的特征以提高光线或其它电磁辐射的传输。更具体而言，其是有关于钻出小到当无照明时大致无法察觉但当被照明时则可通过足量光线而轻易可见的穿孔。
背景技术
诸如铝质、不锈钢、或塑料的不透光工件上的极小或微加工(micromachined)开孔可以建构出对人类肉眼视觉而言似乎是连续不间断的表面。然而，当光线从另一表面强制贯入，光线彷佛是直接来自该似乎连续不间断的表面。此等开孔必须精确地形成以使得产生的表面达到所有预定的特性，包含该表面的平滑度、足够的光线穿透性、以及足够的滞留强度(retained strength)和完整性。微加工开孔亦有助于允许其它电磁场及流体通过工件，无论是光学上不透明或是其它情形，同时避免降低该工件及相关表面的各种预定特性。
待以此方式进行钻孔的工件包含各种材质，例如铝等金属、各种类型的塑料、环氧化合物(epoxies)、以及诸如玻璃纤维(fiberglass)或各种镀层基板等合成材料。其可以在所有此等不同材质上钻出锥形孔洞，虽然针对特定种类的工件其可能必须改变激光脉冲参数，诸如聚焦平面位置(focal plane location)、脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲时序轮廓(pulsetemporal profile)、脉冲重复率(repetition rate)、脉冲数目、光点大小(spot size)或波长。
图1显示一已知激光钻孔系统1的示意图。典型的激光钻孔系统包含一激光10沿一激光束轴12发出激光脉冲、光束成形光学模块(beamshaping optics)14、光束操控光学模块(beam steering optics)16、扫描透镜(scan lens)18、控制器20、以及附有移动控制装置(未显示于图中)的平台22，该移动控制装置用以承载工件24并相对于多达六个轴的激光束轴移动工件，包括于三个正交轴(X、Y、及Z)平移以及相对于三个坐标轴(ρ、Φ、及θ)旋转。其应注意上述的工件或激光束轴二者或其一均可以沿着上述任一轴移动或旋转以达成相对的运动。控制器20导引激光使其沿激光束路径发出脉冲并协调上述光束操控光学模块和平台的移动以将工件移到适当位置，使得激光束路径以及激光脉冲在预定时间于预定的点与工件交截。
穿孔锥度(ho1e taper)定义为该穿孔上方直径与出口直径的比例，上方直径是穿孔在工件被激光束首先照射的表面上量测的直径，而出口直径则是穿孔在激光束完成鑚孔离开工件的表面上量测到的直径。锥度通常由调整激光功率而达成，其使得每一脉冲仅移除一小部分的穿孔体积，而后程序设定系统在打出激光脉冲时以递减的螺旋型态移动激光束路径。以递减的螺旋型态或连续性递减半径的圆形型态移动激光束路径，称为环锯(trepanning)，可以钻出一个由较大入口直径递减至较小出口直径的锥形钻孔。对于形成深度对直径的比例大于三比一的高长宽比(aspect rat io)穿孔，其困难度更高。
图2显示以已知的环锯或螺旋方法钻出的一穿孔的剖面示意图。图2显示工件30、上方直径32、出口直径34、以及阶梯状的侧壁36。图中未显示出阶梯状侧壁表面粗度的粗糙品质。当激光脉冲自孔洞移除物质时，物质是呈气态、液态、且可能是固态的形式下被于脉冲冲击工件的处逐出。当钻孔的激光束(其聚焦于一尺寸远小于直径的光点)移动至另一位置以发射下一个脉冲时，已经钻孔的位置得到一个冷却的机会。此使得被后续脉冲逐出的物质得以冷却并粘附于先前完成钻孔的表面，造成一粗糙崎岖不平的表面。前述阶梯状的侧壁以及粗糙的表面粗度共同产生一以不规则方式传送光线的穿孔。以此方式钻出的穿孔将呈现具有不规则侧壁的不同外观，此降低总透光量且导致每一穿孔以不平均的方式传送光，从而使得排列成某图案的穿孔呈现不规则的外观。此效应同时亦致使被光照射的穿孔其外观随不同的视角而变化。
此问题存在的原因之一在于为了满足精确性及生产量的需求，而使用设计用来在电路板钻出穿孔的现行系统进行钻孔。此类型的一示范性系统是位于Portland，O R.的Electro Scientific Industries公司所制造的型号ICP5650的激光钻孔系统。此类系统一般而言是设计以紫外线激光运用前述的环锯方法在电路板材料上钻出小型封闭穿孔。虽然此等系统在可靠度及动力上可以钻出预定精确性和生产量的锥形穿孔，但最终的产品却不如预期。
以此种方式钻出锥形穿孔存在二个问题。首要问题在于使用此方式钻出穿孔需要许多脉冲。可用以钻孔的速度是脉冲重复率及激光束路径可以正确地在点和点间移动的速度二者的函数。这些因素限制了锥形穿孔的钻取速度，从而影响系统的总生产量。第二个问题在于以此种方式钻出锥形穿孔使得穿孔内侧表面粗糙且不均匀，其是使用连续激光脉冲的结果。虽然以此种方法可以相当精确地得到预定的穿孔出口直径及穿孔位置，但侧壁表面不均匀的抛光层使得穿孔在外观上不一致，某些穿孔显得较亮而某些则显得较暗。此外，侧壁的不规则几何形状使得穿孔的外观随视角的不同而改变，此是另一个不欲的影响。
因此，一直对用以在基板上以激光钻出锥形穿孔的设备有所需求，此设备必须能形成具有可预测穿孔出口直径的相对平滑而高品质的穿孔，同时维持可观的系统生产量。
发明内容
本发明的一目标在于以激光处理系统的形式提供一种方法及设备，其具有改良的能力以在工件进行微加工而得到高品质的锥形穿孔。为依照本发明的目的达成本发明以上所述及其它目标，以下经由概括性叙述的实施例揭示符合本发明的方法及设备。
为达到预定的效果，必须相当精确地进行钻孔。首先，穿孔的间隔必须严密控制以使得正确的光量从完成的工件输出。其次，穿孔的出口直径必须精确无误，以使得其在未照明时基本上无法察觉。第三，穿孔的锥度必须完全精确，以聚集正确的光量并使其可以在一大范围的角度内看起来保持一致。第四，穿孔内侧的抛光层必须控制以在预定的视角得到均匀的照明度。最后，穿孔的出口必须平整无残碎状以增进穿孔未被照明时的不可见性。此外，此等穿孔有时是以光导通材质填充以防止气体或液体穿透该孔并保持机件的稳定性。此种情况下，平滑的侧壁得以增进穿孔的填充能力并增进侧壁与填充物间的粘着度。
在一实施例中，穿孔品质的增进是由将光束的聚焦点从迭合于正在加工的工件表面移开而达成。不将光束聚焦以使得功率及激光脉冲的l／e2直径匹配预定的出口直径并将聚焦点设定于工件的表面，反而使激光束路径对齐预定穿孔位置的中心且将聚焦点设定于工件上方表面的上方或下方一确定距离处。在工件上方或下方的距离的典型范围是从1到1000微米(micron)，或较佳者从10到500微米，或更佳者从50到200微米。光点大小随之被调整以产生预定的穿孔出口直径。于工件表面量测的较佳1／e2光点大小的范围从预定出口穿孔直径的1.5倍到出口穿孔直径的10倍，或较佳者从该直径的2倍到该直径的5倍，以及更佳者从该直径的1.5倍到该直径的2.5倍。随后调整功率以产生与完成预定出口直径一致的最快钻孔时间。
以一或多个激光脉冲钻孔可以产生直径小于激光脉冲1／e2直径的出口穿孔。其原因例示于图3a之中。图3a显示一高斯激光脉冲(Gaussianlaser pulse)的剖面图，其绘出功率相对于距光轴42的位移的光纤。如图3a所示，其可以调整每一激光脉冲的功率以使得消融位准(ablationlevel；其代表消融一特定物质所需的总功率)46大于1／e2直径44所代表的位于1／e2位准的功率位准。因此，此脉冲将从该工件移除在消融直径48内但未超出该范围的物质，从而鑚出其出口直径小于光束1／e2直径的穿孔。
应用此方法进行钻孔的另一优点在于一旦选定1／e2直径，则该穿孔的出口直径对于脉冲能量变化相当地不敏感。脉冲功率或持续时间的巨幅变化将仅造成穿孔出口直径上的微小改变。此例示于图3b之中，其显示具有峰值功率51的一高斯脉冲50以及具有峰值功率52的一第二高斯脉冲53的空间功率分布剖面图，第二高斯脉冲53的峰值功率52是第一高斯脉冲峰值功率51的125％，同时维持同一1／e2直径56。因为该高斯脉冲在消融临界值(ablation threshold)54及55的斜率的缘故，第一脉冲的消融直径57与第二脉冲的消融直径58间的差异远小于25％，因此得证高斯脉冲峰值功率上的变化对该脉冲的消融直径相对地仅造成极小的改变。因此，钻孔的出口直径大小对于脉冲峰值功率的变化相当地不敏感。
此方法的一第三优点在于以此方式进行钻孔使得穿孔内部表面呈平滑、锥形抛光层，此增进了穿孔均匀传导光线的能力。运用此方法产生的锥度极为一致且对功率峰值及脉冲的数目相当地不敏感。
在本发明的第二实施例中，聚焦点被置于工件的表面，且聚焦点被放大使得脉冲的预定1／e2直径达成于工件的上方表面。如图6所示，此是由设计一系统产生适当的光点大小。此系统产生具有包含光点大小等预定参数的激光脉冲，同时由选择产生具有适当特性激光脉冲的激光以提供此应用所需的精确度及生产量，该等适当特性包括脉冲能量以及波长。此外，选择前述的光束成形光学模块以及光束操控光学模块以产生所欲的光点大小以及其它激光束特性。控制器亦被程序设定以协调系统元件的动作而达成预定的结果。
此方法的成果在于其免除在光束操控元件之后放置平场聚焦透镜(以下简称f-theta)或扫描透镜的需要。使用光束操控光学模块的精确微加工系统通常基于二种原因而需要加入一f-theta，或称扫描透镜。第一个原因在于，经由光束操控光学模块传送一严密对焦的激光脉冲会以一种反复无常的形式增加路径长度，故而使得其难以将聚焦光点相对于工件维持在正确的位置。此外，上述的f-theta透镜使得激光束路径可以在光束操控光学模块的整个行进范围中垂直于工件，当运用环锯术进行钻孔时需要此特性。使用较大的聚焦光点大小将景深范围(depth offield)充分增加而免除f-theta透镜的需要。更具体言之，本方法所需要的微弱聚焦性质配合高斯光点几何的运用意味其使用的透镜可以是一标准透镜而不必是f-theta透镜。此外，该等透镜可以置放于操控镜组之前或之后，均不会改变系统的效能。并且，其优越的穿孔几何性质以及平滑的抛光层在一大范围的扫描区域内免除了精确垂直度的需要，该扫描区域大到足以应付本文所述的所有应用。
在本发明的态样中，揭露了一种用以在工件形成穿孔的改良方法，其步骤包含以一激光产生一激光脉冲、以光学模块修改该激光脉冲、以及导引该激光脉冲照射该工件，该穿孔具有一锥度、一表面粗度、以及一出口直径，该工件包含大致上均质的金属材质且具有一上方表面和一消融临界值，该激光脉冲具有一光点大小、一脉冲持续时间和一峰值功率，该改良方法更包含以下的步骤：以该激光产生该激光脉冲，该激光脉冲具有该工件的该消融临界值的至少120％的该峰值功率，且该脉冲持续时间大于10纳秒；以该光学模块修改该激光脉冲以使其具有在该工件的该上方表面具有一1／e2直径的光点大小，该光点大小比该穿孔的该出口直径的二倍还大；及引导至少一被修改后的该激光脉冲以自该工件的一预定体积移除物质，从而产生具有该出口直径、该表面粗度和该锥度的该穿孔。
在上述用以在工件形成穿孔的改良方法中，该激光脉冲的该峰值功率是介于该消融临界值的120％和该消融临界值的200％之间。该激光脉冲的该峰值功率比该消融临界值大50％。该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于1微秒。该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于100纳秒。
在本发明的态样中，揭露了一种利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，该系统包含一控制器、一激光和光学模块，该穿孔具有一锥度、一表面粗度、以及一出口直径，该工件包含大致上均质的金属材质且具有一上方表面和一消融临界值，而该激光脉冲具有一光点大小、一脉冲持续时间和一峰值功率，该改良系统包含：一控制器，操作时连接至该激光及该光学模块以产生具有比该工件的该消融临界值大20％的该峰值功率的至少一激光脉冲，该光点大小在该工件的该上方表面具有比该穿孔的该出口直径的二倍大的一1／e2直径，且该脉冲持续时间大于10纳秒，并由将该激光脉冲导引至该工件从而产生具有该锥度、该表面粗度和该出口直径的该穿孔。
在上述利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统中，该激光脉冲的该峰值功率是介于该消融临界值的120％和该消融临界值的200％之间。该激光脉冲的该峰值功率比该消融临界值大50％。该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于1微秒。该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于100纳秒。
附图说明
以下配合附图列举较佳实施例，用以对本实用新型的结构及功效进行详细说明，其中：
图1是一示意图，其显示已知的激光钻孔系统。
图2是一以已知方法钻出的锥形钻孔的剖面视图。
图3a是一高斯激光脉冲的剖面示意图。
图3b是具有不同峰值功率的二高斯激光脉冲的剖面示意图。
图4是一高斯激光脉冲聚焦光点的剖面示意图。
图5是一工件的截面视图，其显示利用本发明的方法及设备钻出的一穿孔。
图6是本发明一实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的第一实施例于均质及非均质材料上钻出具有妥善控制的出口直径以及内部表面上具有平滑抛光层的锥形穿孔。在第一实施例中，此等穿孔的钻取是利用显示于图1的已知激光钻孔系统。图3a显示一高斯激光脉冲40的剖面图，其绘出功率相对于距激光束路径的光轴42的位移的光纤。此图显示1／e2直径44，一典型工件的消融临界值46，以及在该消融临界值的高斯激光脉冲的半径48。消融临界值是一功率位准，在此功率位准以上的激光脉冲使物质自工件移除。其脉冲直径在消融临界值以上的脉冲所移除的物质深度与脉冲持续时间有关；脉冲持续时间越长，越多物质被移除。
图4显示在聚焦光点60邻近处的一激光束的示意图。表面64代表该激光脉冲沿着激光束路径光轴62行进时的1／e2直径。应注意其可以使用任何其它激光脉冲直径的量测方式，诸如FWHM，以产生具有类似此型式结果的示意图。线条60所界定区域邻近处的体积是聚焦光点或光束腰径(beam waist)。光点大小一词意指线条60所界定区域的一量测。在激光脉冲大致呈圆形截面的情形下，可以由该区域的直径代表之。
图5显示本发明于一大致上均质金属材质70上进行钻孔所得的一穿孔。上方直径72与出口直径74界定出其锥度。从上方直径72到出口直径74的侧壁76均是平滑且均匀。此种穿孔令人满意，因为其能在一宽广视角范围内均匀地传递光线。同时它的是可重复性也很高。运用本发明钻取所得的穿孔均倾向于具有同一出口直径、锥度、以及平滑的侧壁。此意味在一表面钻取所得的多个穿孔均将以类似方式传递光线，因此得以在一宽广视角范围内具有一大致相同的外观。这意味着若以该等钻孔形成一图案或设计该图案，将在一宽广视角范围内具有相似的外观，此是已知方法所无法达成的另人满意的成果。
本发明的另一实施例运用一特别设计以形成此类穿孔的激光钻具。特别设计以钻出此类穿孔的系统与已知激光钻具相比可以形成大很多的聚焦光点大小。已知激光钻具典型地来说是形成光点大小大约100微米及更小直径的激光束。达成此成果的一系统100的示意图显示于图6。此系统包含一激光80，沿着一激光束路径82传送激光脉冲。激光脉冲通过光束成形光学模块84，该成形光学模块84针对时间及空间上可能的范围决定激光束的形状和大小。光束接着通过选择性的光束操控光学模块86而抵达工件94，该工件94由移动控制平台92所承载。此系统的所有构件的运作均由一控制器90所控制，控制器90协调并指挥每一构件。
激光80典型地是一Q型开关固态激光(Q-switched solid statelaser)，其使用一掺杂钕质(Neodymium doped)的YV04、YAG、或YLF晶体以大于每秒10，000脉冲的重复率以及每一脉冲至少1.0微焦耳(microJoule)的能量产生激光脉冲。此种激光通常产生波长位于光谱红外线区域内的脉冲，一般而言该波长范围是从1.0微米至1.3微米。此等脉冲接着进行频率转换，激光脉冲由此种频率转换程序通过一或多个倍频晶体以产生范围从大约550纳米的绿光至范围在255与365纳米间的紫外线的波长。此外，操作于各种波长的多种激光中的任一种均可以具效益性地搭配此流程，包含CO2或其它操作于光谱IR区域内的气体激光或多种光纤激光中的任一种。
激光脉冲接着由光束成形光学模块84处理，该光束成形光学模块84可以在时间及空间范围上改变激光发出的脉冲。激光脉冲的时间性修改通常是藉由连结至诸如极化器(polarizer)等其它光学构件的诸如声光式调变器(acousto optic modulator)或光电式调变器(electro-opt icmodulator)的光学元件达成，其可以切割脉冲以改变脉冲形状或使脉冲偏斜以避免其抵达工件。脉冲同时亦可以接受空间性的修改，包含校准(collimation)，脉冲于此被塑形以产生沿着平行于激光束路径的光传播、由传统或绕射光学模块的光束成形以产生诸如“平顶式(top hat)”光束或孔径的所欲脉冲截面以塑造脉冲的界限、以及配合更多传统透镜以在工件上产生预定的光点大小。此外，由于此实施例中采用的大尺寸聚焦光点，故光束成形光学模块84可以执行激光束所需的所有聚焦动作，因为其不需要f-theta透镜。
光束操控光学模块86，基本上以检流计(galvanometer)或者是诸如压电式(piezo-electric)或音圈式(voice coil)操控镜组的其它光束操控元件实施，协同移动控制平台92将激光束路径置于相对于工件的适当位置，以在正确的位置进行钻孔。
要注意的是，视所需穿孔的精确组构而定，可以使用移动控制平台、光束操控光学模块、或二者，以将激光束路径置于相对于工件的适当位置。
本发明前述实施例的细节可以在未脱离本发明的基本原理下进行许多修改，此对于本领域的技术人员将是显而易见的。本发明的范畴因此应由权利要求范围所界定。

Claims (17)

1.一种用以在工件形成穿孔的改良方法，其步骤包含以一激光产生一激光脉冲、以光学模块修改该激光脉冲、以及导引该激光脉冲照射该工件，该穿孔具有一锥度、一表面粗度、以及一出口直径，该工件包含大致上均质的金属材质且具有一上方表面和一消融临界值，该激光脉冲具有一光点大小、一脉冲持续时间和一峰值功率，该改良方法更包含以下的步骤：
以该激光产生该激光脉冲，该激光脉冲具有至少比该工件的该消融临界值大20％的该峰值功率，且该脉冲持续时间大于10纳秒；
以该光学模块修改该激光脉冲以使其具有在该工件的该上方表面具有一1/e2直径的光点大小，该光点大小比该穿孔的该出口直径的二倍还大；及
引导至少一被修改后的该激光脉冲以自该工件的一预定体积移除物质，从而产生具有该出口直径、该表面粗度和该锥度的该穿孔。
2.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该光点大小的该1/e2直径是少于该出口直径的5倍。
3.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该光点大小的该1/e2直径是该出口直径的2.5倍。
4.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该激光脉冲的该峰值功率是介于比该消融临界值大20％和比该消融临界值大100％之间，但该消融临界值的120％除外。
5.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该激光脉冲的该峰值功率是大于该消融临界值50％。
6.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于1微秒。
7.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于100纳秒。
8.如权利要求1所述的用以在工件形成穿孔的改良方法，其中该表面粗度是大致平滑的。
9.一种利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，该系统包含一控制器、一激光和光学模块，该穿孔具有一锥度、一表面粗度、以及一出口直径，该工件包含大致上均质的金属材质且具有一上方表面和一消融临界值，而该激光脉冲具有一光点大小、一脉冲持续时间和一峰值功率，该改良系统包含：
一控制器，操作时连接至该激光及该光学模块以产生具有至少比该工件的该消融临界值大20％的该峰值功率的至少一激光脉冲，该光点大小在该工件的该上方表面具有比该穿孔的该出口直径的二倍大的一1/e2直径，且该脉冲持续时间大于10纳秒，并由将该激光脉冲导引至该工件从而产生具有该锥度、该表面粗度和该出口直径的该穿孔。
10.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该激光光点大小的该1/e2直径是少于该出口直径的5倍。
11.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该选定的激光光点大小的该1/e2直径是该出口直径的2.5倍。
12.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该激光脉冲的该峰值功率是介于比该消融临界值大20％和比该消融临界值大100％之间，但该消融临界值的120％除外。
13.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该激光脉冲的该峰值功率比该消融临界值大50％。
14.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于1微秒。
15.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该激光脉冲的该脉冲持续时间是少于100纳秒。
16.如权利要求9所述的利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，其中该表面粗度是大致平滑的。
17.一种利用至少一激光脉冲在工件形成穿孔的改良系统，该系统包含一控制器、一激光和光学模块，该穿孔具有一锥度、一表面粗度、以及一出口直径，该工件具有一上方表面和一消融临界值，而该激光脉冲具有一光点大小和一峰值功率，该改良系统包含：
一控制器，操作时连接至该激光及该光学模块以产生具有至少比该工件的该消融临界值大20％的该峰值功率的至少一激光脉冲，该光点大小在该工件的该上方表面具有大于该穿孔的该出口直径1.5倍的一1/e2直径，并由将该激光脉冲导引至该工件从而产生具有该锥度、该表面粗度和该出口直径的该穿孔。
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