CN102905839B - 基于激光的材料加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

不同的实施例可用于基于激光的改性工件的靶材料，同时有利地实现加工处理量和/或质量的提高。加工的方法的实施例可包括以足够短的脉冲宽度将激光脉冲聚焦并导向工件的一区域，以便通过从所述区域非线性光学吸收有效地去除材料并且热影响区的量和所述区域内或区域附近或两者的材料上的热应力相对于使用具有更长脉冲的激光可得到的量有减少。在至少一个实施例中，超短脉冲激光系统可包括光纤放大器或光纤激光器中的至少一个。不同的实施例可适用于切割、切片、划片和在复合材料上或复合材料内形成结构中的至少一种。

Description

基于激光的材料加工装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求申请日为2010年3月30日、发明名称为“LASER-BASEDMATERIALPROCESSINGAPPARATUSANDMETHODS(基于激光的材料加工装置和方法)”的美国临时专利申请No.61/319,220的优先权，上述专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用并且构成本说明书的一部分。

本申请涉及申请日为2009年12月17日的美国专利申请No.12/641,256（在下文中被称为“’256申请”），该申请于2010年8月5日公开为美国专利申请(公开号为2010/0197116)，根据35U.S.C.120和35U.S.C.365(c)要求国际申请日为2009年3月17日的共同待审的国际专利申请PCT/US2009/037443的优先权，该PCT申请的国际公开日为2009年9月24日、国际公开号为WO2009/117451，发明名称为“LASER-BASEDMATERIALPROCESSINGMETHODSANDSYSTEMS(基于激光的材料加工方法和系统)”，根据35U.S.C.§119(e)要求申请日为2008年3月21日、发明名称为“LASER-BASEDMATERIALPROCESSINGMETHODSANDSYSTEMS(基于激光的材料加工方法和系统)”的美国临时专利申请no.61/038,725，申请日为2008年11月3日、发明名称为“LASER-BASEDMATERIALPROCESSINGMETHODSANDSYSTEMS(基于激光的材料加工方法和系统)”的美国临时专利申请no.61/110,913，和申请日为2009年2月13日、发明名称为“LASER-BASEDMATERIALPROCESSINGMETHODSANDSYSTEMS(基于激光的材料加工方法和系统)”的美国临时专利申请no.61/152,625的优先权。前述非临时、国际、临时专利申请和专利公开中的每一篇的公开内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用并且构成本说明书的一部分。

本申请还涉及国际专利申请号为PCT/US08/51713、申请日为2008年1月22日、发明名称为“ULTRASHORTLASERMICRO-TEXTUREPRINTING”的申请，该申请的国际公开号为WO2008/091898，国际公开日为2008年7月31日，该PCT申请要求申请日为2007年1月23日、发明名称为“ULTRASHORTLASERMICRO-TEXTUREPRINTING”的美国临时专利申请no.60/886,285的优先权。本申请在此结合引用美国专利申请公开号为2009/0268265、公开日为2009年10月29日、发明名称为“ULTRASHORTLASERMICRO-TEXTUREPRINTING”的全部公开内容。本申请还涉及美国专利申请号为10/813,269、申请日为2004年3月31日、发明名称为“FEMTOSECONDLASERPROCESSINGSYSTEMWITHPROCESSPARAMETERS,CONTROLSANDFEEDBACK”的美国专利申请，即现专利号为7,486,705的美国专利。上述专利申请、公开、和专利的每一篇均归本申请的受让人所有。上述专利申请、公开和专利的每一篇的公开内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。

技术领域

本发明总体涉及脉冲激光和利用高重复率脉冲激光加工材料。

背景技术

复合材料是具有例如明显不同物理和/或化学特性的至少两种不同材料的工程材料。所述不同材料的物理和/或化学特性在复合材料内在宏观或微观上可保持基本上独立、不同或可区分。举例来说，材料可由补强物（例如，纤维、微粒、薄片和/或填充物）嵌埋在基材（例如，聚合物、金属和/或陶瓷）中而构成。基材容纳补强物以形成希望的形状，同时补强物改进基材的整体机械特性。复合材料被用于各种应用中，这是由于其不同材料特性的组合，例如强度和轻质、挠性和刚性、耐化学性和耐火性等等。

印刷电路板（PCB）的部分可用复合材料制备，以便具有机械强度、满足重量限制、挠性和/或刚性以及耐热性和耐化学性。用于高速电子器件的PCB可包括低-k电介质(材料)，扩大了复合材料的功能性。低-k材料可包括介电常数小于二氧化硅的介电常数的材料。例如，低-k材料可包括电介质材料，例如掺杂二氧化硅、聚合物电介质等。希求绿色技术(环保技术)以及无铅和无害材料的相关使用也是考虑因素。因此，在各种PCB设计的制造中挑战是显而易见的。

玻璃纤维基材、碳纤维基材或金属结构可被用于强化复合材料的机械结构，其中所述结构被宿驻在聚合物或有机树脂中以便机械稳定形状。例如，Garolite(结合填充有环氧树脂的玻璃纤维网)是电子器件PCB常用的基片。

复合材料（例如，可用于PCB基片）可包括例如NationalElectricalManufacturersAssociation(NEMA)(美国电器制造商协会)等级：FR-1，FR-2，FR-3，FR-4，FR-5，FR-6，G-10，和复合环氧树脂材料包括CEM-1，CEM-2，CEM-3，CEM-4，CEM-5等。复合材料可包括具有环氧树脂粘合剂的玻璃纤维布织物，树脂粘合纸，具有玻璃纤维织物表面的纤维素纸，玻璃布和环氧树脂，棉纸和环氧树脂，毛面玻璃和聚酯，玻璃布和聚酯，以及玻璃强化环氧层压材料。在一些类型的PCB中，PCB的导电层由薄的导电箔片或层（例如，铜）制成，而电介质材料的绝缘层通过环氧树脂预浸（预浸处理）复合(材料)纤维进行层压。在一些情况，电介质材料可包括聚四氟乙烯（PTFE或）、聚酰亚胺、FR-1、FR-4、CEM-1、和/或CEM-3。在一些情况，预浸(处理)材料可包括FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4、和/或CEM-5。例如，某些PCB包括绝缘FR-4层，在绝缘层FR-4层上层压有薄层的铜箔（在FR-4层的一个面或两个面上）。导电层（例如，铜箔）的厚度可以在从约10μm到约100μm的范围内（例如，约18μm或约35μm）。可以采用其它的导电层厚度。PCB基片的厚度可以在从约500μm到约1500μm的范围内（例如，约800μm或约1000μm）。可以采用其它的基片厚度（例如，约30μm到约250μm）。

在一些情况，PCB可包括层压有绝缘（例如，电介质）层的约1和20层之间(即约1-20层)的导电层（例如，铜）。在一些情况，PCB可包括多层PCB，其中多个PCB层被结合在一起。在一些情况，PCB可涂覆有一种或多种物质（例如，蜡、硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸树脂、或环氧树脂），以抑制腐蚀和短路。

包括有所述复合材料的PCB的物理分离例如切割并非没有挑战性。传统的机械切割是最常用的方法，但具有明显的缺陷。当材料厚度变得小于约1000μm时，用机锯进行切割可导致各种问题，例如崩缺、磨损、开裂和分层(脱层)。高速PCB可具有厚度为约125μm的基片，并且基片厚度可在从约30μm到约250μm的范围内。此外，可能需要专用工具对薄PCB进行机械切割，尤其是如果需要不规则的形状。化学处理(化学加工)要承受较高的环境代价并且同时在很多工业应用中被认为是非绿色环保的。

发明内容

至少由于前述的挑战和限制，申请人认识到不仅需要高效地机器加工材料而且还要避免热或机械弱化材料，所述副作用由不希望的热效应所导致。对于某些实施例，能排除昂贵的处理(加工)步骤的解决方案是非常需要的。因此，本文所述的系统和方法的不同实施例可被用于基于激光改性工件的复合靶材料，同时实现加工处理量和/或质量的改进。使用所述系统和方法的实施例的激光加工可能对于替换传统机械切割方法是有吸引力的，并且对于一些应用可结合机械切割（或其它加工工艺）使用。

在一个总体方面，提供了一种激光加工具有复合材料的工件的方法。所述方法可包括以足够短的脉冲宽度将激光脉冲聚焦并导向工件的复合材料的区域，以便控制一种或多种材料内的热积聚使得能够快速材料去除来自所述区域的材料，并且使热影响区（HAZ）减小或最小化和/或使区域内或接近区域的碳化材料量相对于在更长脉冲下可获得的量减少。例如，在所述方法的一些实施例中，脉冲宽度可以在约10fs到约500ps的范围内。

在另一总体方面，一种激光加工具有复合材料的复合工件的方法可包括将激光脉冲聚焦并导向所述复合材料的区域。

在另一总体方面，将超短（例如，fs）脉冲用于加工复合材料例如高速PCB减少了切口宽度、切口质量和脉冲间的空间重叠之间的至少一些权衡。当PCB结构越小时切口尺寸控制可能越重要；切口尺寸和HAZ尺寸可能都需要减小。如本文示例所示，用超短（例如，fs）脉冲在非线性吸收区域中作业产生高质量切割。

至少一个实施例包括划片、切割、切片或加工以便从具有复合材料的工件的一区域去除材料的方法，所述复合材料包括具有不同光学性能的至少两种非金属材料。所述方法包括将激光脉冲导向复合材料工件，所述激光脉冲具有至少一个脉冲宽度在(大于)十飞秒到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率在从大于十(或几十)kHz到约10MHz的范围内。所述方法包括将激光脉冲聚焦成光斑尺寸（1/e²）在几微米(即大于1微米)到约100μm的范围内的激光光斑，其中至少一个聚焦激光脉冲提供的功率密度高于以至少一个激光脉冲的波长在复合材料非线性吸收的阈值。所述方法包括相对于工件定位激光光斑，使得用于去除材料的相邻聚焦光斑（1/e²）之间的空间重叠足以在所述波长、脉冲宽度、重复率和功率密度下划片、切割、切片或加工所述工件。所述方法控制所述工件区域的一种或多种材料内的热积聚，同时限制区域周围不需要材料的积聚。

在不同的实施例中，所述工件的复合材料包括材料结构及其基质材料。

在不同的实施例中，所述工件包括非复合材料，所述非复合材料被设置成与所述复合材料接触，并且所述方法包括去除所述非复合材料中的至少一部分。

在不同的实施例中，作用到非复合材料的脉冲的能量密度高于对应于在所述波长线性吸收的单脉冲烧蚀阈值。

在不同的实施例中，所述非复合材料包括金属。

在不同的实施例中，所述非复合材料包括聚合物。

在不同的实施例中，所述工件包括至少两层非复合材料，并且所述复合材料被设置在至少两层非复合材料之间，并且所述方法包括从至少一层非复合材料中去除至少一部分的非复合材料。

在不同的实施例中，所述工件的厚度小于约1000μm。

在不同的实施例中，至少一个脉冲的能量密度(能流)在从约0.01J/cm²到约10J/cm²的范围内，并且所述定位包括以在从约1mm/sec到约0.5m/sec的范围内的速度相对于聚焦光斑移动复合材料。

在不同的实施例中，至少一个激光脉冲的脉冲能量在约0.1μJ到约500μJ的范围内，其中脉冲能量至少部分通过光斑尺寸和重复率预先确定。

在不同的实施例中，通过超短脉冲激光系统输出激光脉冲。

在不同的实施例中，功率密度为至少约10¹²W/cm²。

在不同的实施例中，功率密度在约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内。

在不同的实施例中，脉冲宽度在从大于十飞秒到约1ps的范围内。

在不同的实施例中，脉冲包括一脉冲序列并且至少两个相应的激光光斑的空间重叠为至少约50%，其中所述脉冲序列提供在深度上去除工件的至少一部分复合材料的约30-300μm，其中光斑尺寸在约10-100μm的范围内。

在不同的实施例中，材料结构及其基质材料增强了工件的机械性能。例如，材料结构（例如，玻璃纤维）可增强或强化复合材料的刚性。

在不同的实施例中，材料结构及其基质材料包括玻璃布(玻璃织物)。

在不同的实施例中，材料结构及其基质材料包括毛面玻璃。

在不同的实施例中，材料结构及其基质材料包括棉纸。

在不同的实施例中，基质材料包括环氧树脂。

在不同的实施例中，基质材料包括聚合物。

在不同的实施例中，所述工件的复合材料选自由FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4和CEM-5构成的组。

在不同的实施例中，所述工件的复合材料选自由（a）玻璃布(玻璃织物)和环氧树脂，（b）毛面玻璃和聚酯，（c）棉纸和环氧树脂，和（d）玻璃布(玻璃织物)和聚酯构成的组中。

在不同的实施例中，所述工件包括印刷电路板。

在不同的实施例中，有图案的金属层被沉积在工件上。

在不同的实施例中，复合材料工件包括用于保护复合材料工件的薄层聚合物。

在不同的实施例中，所述工件包括低-k材料层。

在不同的实施例中，作用在复合材料上(冲击复合材料)的激光脉冲的能量密度小于对应于在所述激光波长线性吸收的单脉冲烧蚀阈值，并且能量密度减少或避免复合材料中的热积聚。在不同的实施例中，作用在复合材料上(冲击复合材料)的激光脉冲的能量密度大于对应于在所述激光波长线性吸收的单脉冲烧蚀阈值，并且能量密度减少或避免复合材料中的热积聚。

在不同的实施例中，空间重叠为至少约50%。

在不同的实施例中，空间重叠为至少约90%。

在不同的实施例中，空间重叠为至少约95%。

在不同的实施例中，空间重叠为至少约98%。

在不同的实施例中，空间重叠为至少约99%。

在不同的实施例中，空间重叠在从约90%到约99%的范围内。

在不同的实施例中，空间重叠在从约95%到约99%的范围内。

在不同的实施例中，重复率在从约100kHz到10MHz的范围内。

在不同的实施例中，划片、切割、切片或加工所述工件包括通过激光脉冲相对于复合材料以约1-10次通过的激光加工脉冲在深度上去除复合材料的至少约25μm到约150μm。

在不同的实施例中，所述波长长于对应于复合材料中线性吸收的吸收边缘，并且用于划片、切割、切片或加工复合材料的能量密度明显小于在所述波长脉冲宽度为至少约1ns的脉冲的能量密度。

在不同的实施例中，能量密度比ns脉冲的能量密度小至少约四倍。

在不同的实施例中，所述波长长于对应于复合材料中线性吸收的吸收边缘，并且用于划片、切割、切片或加工复合材料的能量密度高于复合材料中线性吸收的烧蚀阈值。

至少一个实施例包括激光加工工件的方法，所述工件具有至少一种靶复合材料，所述靶复合材料包括具有不同性能和功能的至少两种不同的材料。所述方法包括：用聚焦激光脉冲以一脉冲重复率反复照射工件的至少一种靶复合材料，并且在激光脉冲相对于复合材料相对运动的过程中，重复率在至少约大于十(几十)kHz到约10MHz的范围内，相对运动包括在从约1mm/sec到约20m/sec的范围内的速度。所述聚焦激光脉冲中的至少一些与至少一个其它脉冲具有至少约50%的空间重叠因子，脉冲宽度小于约1ns，脉冲能量在约100nJ到约1000μJ的范围内，聚焦的1/e²光斑尺寸在约10μm到约100μm的范围内，并且在靶复合材料的能量密度在约0.01J/cm²到约1000J/cm²的范围内。

至少一个实施例包括加工工件的方法，所述工件具有复合材料，所述复合材料包括具有不同性能和功能的至少两种不同的材料，所述不同的材料包括电介质材料和金属材料中的至少一种。所述方法包括：用激光脉冲序列照射复合材料，所述序列中的至少两个脉冲具有应用于工件的不同材料的不同特性，所述激光脉冲序列具有至少一个脉冲的功率密度高于在至少一个激光脉冲的波长非线性吸收的阈值。所述方法包括控制热影响区（HAZ），使得在去除电介质材料和金属材料中的至少一种的过程中产生的至少一个HAZ相对于在去除工件的复合材料的至少一部分的过程中产生的至少一个HAZ在深度方面增大了。

至少一个实施例包括用于划片、切割、切片或加工工件的基于激光的系统，所述工件具有复合材料，所述复合材料包括具有不同的性能和功能的至少两种不同的材料。所述基于激光的系统包括：光学脉冲源，至少一个脉冲的波长长于复合材料工件的线性吸收边缘；光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大成脉冲能量为至少约1μJ并且产生具有至少一个脉冲宽度在从约10fs到几百(即大于一百)皮秒的范围内的输出光学脉冲；调制系统，所述调制系统具有至少一个光学调制器，被设置成将输出光学脉冲的重复率调节成在从约几kHz(即大于1kHz)到约10MHz的范围内；光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦并传送至工件，其中脉冲束被聚焦成在从约10μm到约100μm的范围内的光斑尺寸（1/e²）；所述聚焦光束提供峰值功率密度，所述峰值功率密度高于在激光脉冲波长的非线性吸收的阈值；定位系统，所述定位系统被设置成以在从约1mm/sec到约20m/sec的范围内的速率相对于工件定位光束；和控制器，所述控制器被设置成被连接至至少所述定位系统，所述控制器被设置成在加工工件的过程中以所述重复率控制相邻聚焦光束之间的空间重叠。

在不同的实施例中，所述光学放大系统包括基于光纤的啁啾脉冲放大系统。

在不同的实施例中，所述光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器。

在不同的实施例中，所述光学放大系统可运行以产生脉冲能量可达到约20μJ的输出脉冲并且产生可达到约10W的平均功率。

在不同的实施例中，光学脉冲源包括光纤振荡器并且放大系统的一个或多个放大器是光纤放大器，并且所述振荡器和放大系统被设置为全光纤设计。

在不同的实施例中，光学脉冲源包括光纤激光器、光纤放大器、被动调Q微芯片激光器、和锁模振荡器中的至少一个。

在不同的实施例中，基于激光的系统可运行以在被传送的脉冲束的聚焦光斑尺寸内提供至少约0.25J/cm²的能量密度。

在不同的实施例中，能量密度为至少约0.01J/cm²。

在不同的实施例中，脉冲能量在约1μJ到约1000μJ的范围内。

在不同的实施例中，重复率在从约10kHz到约5MHz的范围内。

至少一个实施例包括用于划片、切割、切片或加工工件的基于激光的系统，所述工件具有复合材料，所述复合材料包括具有不同性能和功能的至少两种不同的材料。所述系统包括：光学脉冲源，至少一个脉冲的波长长于工件的复合材料的线性吸收边缘；光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大并且产生具有至少一个脉冲宽度在从大于十(几十)飞秒到约500皮秒的范围内的输出脉冲；调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成提供在从至少约1MHz到小于约100MHz的范围内的输出光学脉冲的重复率；光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦并传送到工件，其中脉冲束被聚焦成至少约5微米的光斑尺寸（1/e²）；所述聚焦光束提供峰值功率密度，所述峰值功率密度高于在所述激光脉冲波长的复合材料中的非线性吸收的阈值；和定位系统，所述定位系统被设置成以所述重复率和光斑尺寸在工件的一种或多种材料上或工件的一种或多种材料内产生至少约50%的光斑重叠。

在不同的实施例中，输出脉冲中的至少一些的脉冲能量为至少约100nJ。

在不同的实施例中，光斑重叠超过约50%，超过约90%，超过约95%，或超过约99%。

在不同的实施例中，所述源和放大系统被设置为全光纤设计。

在不同的实施例中，所述放大系统包括基于光纤的啁啾脉冲放大器，所述放大器包括脉冲展宽器和压缩器，被设置成用于啁啾脉冲放大。

在不同的实施例中，所述放大系统包括至少一个大模光纤放大器。

在不同的实施例中，所述定位系统包括光束偏转器。

在不同的实施例中，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大成能量为至少约1μJ并且产生具有至少一个脉冲宽度在约10fs到约500ps的范围内的超短输出脉冲。所述光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器，所述至少一个大模光纤放大器包括掺杂大芯径泄漏信道光纤放大器、光子晶体光纤、和光子带隙光纤中的至少一个，其中至少一个光纤放大器被设置成使得基于激光的系统发出近衍射极限脉冲输出光束；并且其中基于激光的系统被设置成可调节以便产生重复率在从约大于一(即几)kHz到约10MHz的范围内的脉冲输出光束。

在不同的实施例中，重叠至少部分基于工件的材料和结构中的至少一个。

在不同的实施例中，工件包括复合材料和非复合材料，并且所述方法包括可选择性地调节空间重叠以便去除材料。非复合材料可包括金属和/或电介质。选择用于复合材料的空间重叠可能但并不需要与选择用于非复合材料的空间重叠不同。选择用于非复合材料（例如，金属）的空间重叠可能但并不需要大于选择用于复合材料的空间重叠。

本发明披露了一种划片、切割、切片或加工以便从多材料工件的一区域中去除材料的方法的实施例。所述方法包括将激光脉冲导向多材料工件的至少一种材料。激光脉冲的脉冲宽度在大于十飞秒(几十飞秒)到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率为大于一百kHz(几百kHz)到约10MHz。工件可包括金属材料和复合材料。所述方法还包括将激光脉冲聚焦成激光光斑，所述激光光斑的光斑尺寸在从大于一微米(几微米)到约50μm（1/e²）的范围内。所述方法还包括以一扫描速度相对于至少一种材料定位激光光斑，使得用于从金属材料的至少一部分去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于从复合材料的至少一部分去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠。用于从复合材料的至少一部分去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠可以大于约50%。所述方法控制工件的一种或多种材料内的热积聚，同时限制区域周围积聚再沉积的材料。用于划片、切割、切片或加工复合材料的激光脉冲可具有高于在复合材料中非线性吸收的阈值的功率密度。用于划片、切割、切片或加工金属材料的激光脉冲可具有低于在金属材料中非线性吸收的阈值的功率密度。

本发明披露了一种划片、切割、切片或加工以便从多材料工件的一区域中去除材料的方法的实施例。所述方法包括将激光脉冲导向多材料工件的至少一种材料。所述激光脉冲的脉冲宽度在从大于十飞秒(几十飞秒)到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率为大于十kHz(几十kHz)到约10MHz。所述工件包括金属材料和复合材料。所述方法还包括将激光脉冲聚焦成光斑尺寸在从大于一微米(即几微米)到约50μm（1/e²）的范围内的激光光斑，并且可选择性地调节用于去除至少一种材料的至少一部分的激光光斑的空间重叠。所述方法还包括以在从约1mm/s到约20m/s的范围内的速度相对于所述至少一种材料定位激光光斑。所述方法有利地控制了工件的一种或多种材料内的热积聚，同时限制区域周围积聚再沉积的材料。用于划片、切割、切片或加工复合材料的激光脉冲可具有的功率密度高于在复合材料中非线性吸收的阈值。用于去除复合材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠可大于约50%。

在所述方法的一些实施例中，用于去除金属材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠明显大于用于去除复合材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠。

在所述方法的一些实施例中，用于划片、切割、切片或加工金属材料的激光脉冲可具有的功率密度低于在金属材料中非线性吸收的阈值。

附图说明

图1A-1C示意性地示出了表示用于材料去除的多光程(多次通过)基于激光的方法的实施例的顶部和剖面图。

图1D-1E示意性地示出了表示在N次通过后加工深度和不需要的再沉积材料的形成之间的关系的剖视图。图1E是通过脉冲激光系统的至少一个实施例可获得的结果的示意性表示。

图1F示意性地示出了适于通过激光脉冲加工工件的激光系统的实施例。

图1G-1到1G-3示意性地示出了图案化晶圆的部分的示例。图1G-1示出了具有若干晶粒的晶圆，图1G-2示出了图1G-1中的晶圆的一部分的放大图，而图1G-3示出了晶圆的一部分的剖视侧视图。

图2A-2B示意性地示出了用激光脉冲串加工工件的系统的实施例。

图3示意性地示出了用激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。

图4A示意性地示出了用激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。

图4B示意性地示出了大模面积光纤的实施例，所述大模面积光纤包括掺杂有稀土离子的纤芯，可用于光纤放大器或由多模泵浦源泵浦的激光器。

图5示意性地示出了用激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例，所述系统具有基于加工和/或靶信息的反馈和控制。

图6A和6B分别示出了示意性的表示图和照片，示出了对应于用激光脉冲串加工工件的实施例的实验系统。

图7示意性地示出了用于量化加工质量的一个示例技术，以便获得烧蚀量和加工位置附近再沉积量的近似值。

图7A和7B示出了示例实验结果，示出了利用脉冲能量为约10μJ的超短脉冲红外（IR）激光切割复合材料工件。所述复合材料工件包括PCB复合材料并且在激光加工过程中被整体切穿。图7A是切割线的俯视图，而图7B是复合材料的部分分离部分中的切割线的边缘视图。

图7C是示出用于本文所述实验的复合材料工件的透射光谱的示例测量结果的图表。测量结果显示吸收边缘接近约500nm。相信（尽管不要求）短于吸收边缘的波长范围对应于线性吸收。在本示例中在高于吸收边缘的波长范围中，工件是相对透明的，并且相信（尽管不要求）在本波长范围中非线性吸收过程会倾向处于线性吸收过程之上(即占主导地位)，至少对于较高强度的脉冲来说。

图7D是示出用于切割复合材料工件的超短脉冲激光加工示例的峰值强度对激光束半径的图表。所述工件包括由聚酰亚胺顶层涂覆的环氧玻璃纤维层。通过改变激光光斑尺寸（例如，在水平轴上示出的激光束半径）调节峰值强度（在垂直轴上示出）。插图710和715是显微镜图像，示出了在激光加工(处理)后工件的部分。在本示例中，在峰值强度（或功率密度）为约1TW/cm²处开始玻璃纤维层的烧蚀。

图8A和8B示出了利用IR纳秒（ns）脉冲激光切割复合材料工件的示例。图8A和8B分别是已经通过ns激光脉冲进行加工的工件的一部分的俯视图和边缘视图。图8A和8B示出了扩展的热影响区（HAZ）和熔化的重铸材料的存在。

图8C示出了用IR纳秒脉冲照射的工件的一部分的顶视图，所述IR纳秒脉冲提供明显高于飞秒激光脉冲的烧蚀阈值的能量密度。在本示例中没有明显的玻璃纤维层的损伤；只是聚酰亚胺顶层被烧蚀。

现在将结合上述的附图描述这些和其它特征。附图和相关的描述旨在阐明实施例和示例实验结果但并不限制本发明的保护范围。

具体实施方式

激光加工方法的概述

由于其切割玻璃材料的能力，连续波（CW）CO2激光已被用于切割玻璃纤维增强PCB。环氧树脂的碳化和残屑是在没有进一步加工要求的情况下获得高质量切割的问题。脉冲CO2激光已被引入来解决这个问题，但倾向于限制质量和切割速度。K.C.Yung等人在J.Mater.Process.Technology，vol.122,p.278(2002)中研究了用于导孔钻孔的脉冲固态UV激光器。关于脉冲能量和脉冲重复率，这些作者发现：对于给定的重复率，热影响区（HAZ）的等效宽度随平均激光功率的增加而增加（例如，Yung等人，p284）。X.C.Wang等人在OpticsandLasersinEngineering,vol.46,p.404(2008)中进一步证实了脉冲UV波长的使用，建议不仅可以使用低能量脉冲，而且通过低光斑重叠的加工可能实现良好的切割质量。在激光加工领域中认为相对较小的光斑重叠（例如，在一些情况基本上是零）可能对减小热效应是有用的。根据Wang（例如：Wang，p406）披露的参数，我们估计X.C.Wang等人的优化加工的光斑重叠比小于约50%。

此外，M.Henry等人在ProceedingofICALEO,p.412(2005)中建议多程切割，即激光通过希望切口（例如，希望切口的宽度）的高速重复的通过，可能通过空间分离表面上的每个脉冲提供使对基片的热输入降到最小的可能（参见，例如，Henry，page414）。该教导可能倾向于将技术人员引向无光斑重叠（例如，空间分离每个脉冲），对避免横向热膨胀和对于限制不希望的切口尺寸是有用的。Henry等人披露了通过调q激光器在1064nm和532nm波长获得的结果，其中PCB基片具有铜-聚酰亚胺-铜合成。分析了较高速度多程(多次通过)切割（高重叠）和较低速度单程(单次通过)切割之间的权衡。高重复率(例如，约20kHz)被认为是有用的，并且对于切割质量的影响作为切割速率的函数被检查。例如，M.Henry等人在第415页的图5中示出了随着光斑重叠向着无重叠（例如，约0%）下降，切口尺寸减小。至少在切口宽度、空间重叠和加工速度之间的权衡是明显的。

此外，在Henry等人中，推荐高速扫描仪用于将激光束引导到工件上。不过，考虑到在制造中可能处理大尺寸PCB板，由于传统扫描仪可覆盖的区域有限，可能需要扫描仪与平移台的组合。此外，如果脉冲能量增大，使用纳秒激光脉冲的加工方法受限于热效应。

用于PCB切割的IR/UV脉冲激光系统的性能，尤其是在脉冲宽度为ns(级)或更高(级)范围内工作的系统受到热效应的限制。所述效应包括但不限于：（a）扩展的热影响区（HAZ），使结构弱化和变形，（b）吸收激光束产生的热量燃烧和碳化靶，尤其在复合材料中如果存在聚合物，（c）重铸物和碎屑，和（d）由于不同的成分具有不同的热性能，在所述过程中它们可能被不同地切割。UV激光器被用于商用的系统，用于基于线性吸收在工件中产生热量。UV激光波长可包括三倍频（例如，355nm）、四倍频（例如，248nm）波长，或甚至更短的波长。不过，UV脉冲的高光子能量可弱化材料。

尽管考虑用于导孔钻孔，使用近红外激光(从约1-1.5μm波长范围，对应于很多基片的最大基片透射率)还没有被广泛研究用于PCB切割。M.Henry等人在ProceedingofICALEO，p.412(2005)发表的论文显示使用具有较低峰值强度的纳秒脉冲并主要依赖于工件中的线性吸收。在论文中呈现了红外（IR）纳秒脉冲与绿色波长的纳秒脉冲的比较，其中由于铜层对IR能量的低吸收，绿色波长脉冲提供了出众的切割质量（与IR脉冲相比较）。

因此，申请人认识到前述参考文献的教导建议对高质量导孔钻孔或切割PCB的一些一般性指南：i)使用对应于在工件中高度线性吸收的波长，尤其是UV波长，ii)使用减小的光斑重叠比，和iii)加工以减小或避免HAZ。

如在下文将要讨论的，申请人已经发现使用与这些一般性指南中的一些或全部不同的加工参数会产生令人意想不到的结果。例如，在一些情况，使用在工件中导致激光束的非线性吸收的激光束参数可以提供在工件中令人惊讶地有效加工复合材料的效果。此外，在一些情况，使用较大的光斑重叠比（例如，大于约90%）可具有令人惊讶地有效加工复合材料的效果。申请人所发现的令人惊讶的结果的示例将在下文中进行描述。

在本申请中，复合材料一般是指包括具有不同光学性能的至少两种实质上非金属材料（例如，电介质材料）的材料。所述复合材料还可以包括金属材料。复合材料可包括两种或更多种构成材料，其中所述构成材料具有在最终的结构中在宏观（或微观）层面上保持明显分开的、不同的、或可区分的明显不同的物理或化学特性。构成材料可包括基材（或粘合剂）和补强物。许多复合材料包括至少一部分基材和至少一部分补强物。一般，基材通过维持基材和补强物的相对位置环绕和支撑补强物，而补强物赋予其机械和物理特性以增强基材性能。基材和补强物可被选择以提供复合材料，所述复合材料具有可能从单独的构成材料相对不能得到的希望的电学、机械和/或化学性能。基材可包括聚合物（或树脂），例如，聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯、和/或PEEK。补强物可包括纤维（例如，玻璃织物或玻璃布）、微粒、和/或磨细矿物。复合材料可包括基材中的补强物的层或层压制品。

复合材料中的一些类型包括材料结构和主体材料(基质材料)。在一些情况，选择材料结构及其主体(基质)材料以增强复合材料的机械和/或电气性能。在一些复合材料中，材料结构及其基质材料包括例如玻璃布(玻璃织物)、毛面玻璃、棉纸等。在一些复合材料中，基质材料包括例如环氧树脂和/或聚合物。复合材料可包括印刷电路板材料，例如，FR-4（例如，玻璃布和环氧树脂），FR-5（例如，玻璃布和环氧树脂），FR-6（例如，毛面玻璃和聚酯），G-10（例如，玻璃布和环氧树脂），CEM-1（例如，棉纸和环氧树脂），CEM-2（例如，棉纸和环氧树脂），CEM-3（例如，玻璃布和环氧树脂），CEM-4（例如，玻璃布和环氧树脂），和/或CEM-5（例如，玻璃布和聚酯）。复合材料可包括其它级的NEMA材料。

在本申请中，靶材料一般是指要被一个或多个激光脉冲改性的工件的至少一个区域中或至少一个区域上的材料。靶材料可包括具有不同物理特性的多种材料。靶材料可包括复合材料。在一些实施例中，靶材料被称为靶基片。

在本申请中，重复率除非另外说明一般是指在激光加工材料的过程中激光脉冲被传送到靶材料的频率。所述频率可对应于由激光源产生的脉冲的频率，但是在例如脉冲或脉冲组被选通并被传送至靶材料的实施例中，所述频率也可相对于源频率被减小。

在本申请中，提及了超短脉冲。一般，超短脉冲具有小于几十(即大于十)皮秒的脉冲持续时间（或脉冲宽度）。例如，超短脉冲可具有小于约100ps、小于约10ps、小于约1ps、小于约500fs、小于约250fs、或小于约100fs的脉冲持续时间。超短脉冲可具有几(即大于1)fs到几十(即大于10)fs的脉冲持续时间。例如，超短脉冲宽度可能与材料有关，并且由一脉冲宽度表征，低于该脉冲宽度损伤阈值是近似恒定的。

在本申请中，提及了限制靶材料、靶区域等内或附近的不希望材料的积聚。除非另有明确说明，选择性语言不应当被解释为两种（或更多种）选择中的仅一种，而可能包括两种（或更多种）选择。

当在本文中使用时，术语碎屑(debris)不是限制性的，而是一般是指在局部区域内或附近不需要的材料积聚。碎屑可由激光-材料相互作用和/或HAZ产生。重铸物/重铸(recast)、渣滓(slag)、再沉积(redeposit)和其它有关的术语在本领域中也是公知的。通常热影响区包括材料加热和冷却足够迅速以形成熔料，而区域的范围除其它因素外取决于脉冲持续时间和不同的材料参数。短脉冲尤其是超短脉冲已知能够使热量局部化并且减小热影响区的尺寸。

当在本文中使用时，短语线性吸收一般是指物理机制，其中在材料中吸收光是材料特性相关的，而吸收的光（吸收体的每单位厚度）与光强度线性相关。线性吸收一般对应于在材料的深度范围上光功率的指数递减。根据散射和/或吸收的功率量可指定吸收长度。一种材料可被表征成具有线性吸收系数α，其中在给定深度处的功率P由P=Pincexp(-αZ)给定，其中Pinc是入射到材料上的功率而Z是材料内的深度。在很多材料中，线性吸收涉及由单个光子引起的量子力学跃迁。在线性吸收中，吸收系数α独立于光强度(即与光强度无关)。

当在本文中使用时，非线性吸收一般是指光吸收与光强度I相关的过程。双光子吸收是非线性吸收的一个示例，其中到高能级状态的电子跃迁（基本上同时）由两个光子的吸收产生。例如，对于双光子吸收，吸收（吸收体的每单位厚度）与强度的平方成比例，例如，βI²，其中β是双光子吸收横截面。在其它的非线性吸收过程中，吸收可与更高功率的强度I相关（例如，对于更高阶的多光子吸收过程）或可对强度I具有不同数学函数相关性。由于对强度的非线性，在强光场存在下，非线性吸收的可能性增大（例如，随着强度I增大，非线性吸收比线性吸收增加地更快）。对于足够高的强度，非线性吸收可比线性吸收大的多；因此，在这样的强度下，光主要由媒介（例如，工件）通过非线性吸收过程而非通过线性吸收过程被吸收。

在本申请中，使用扫描、扫描仪、扫描(scanning,指动作)、扫描率等一般是指照射的光束相对于材料的相对运动，并且除非另有明确说明，不应被解释为对光学扫描器（例如，X-Y检流计或其它的光束偏转器）有要求。不同的实施例可采用X，Y，Z、角度、运动台，包括压电或其它定位机构；机电、固态、衍射、折射光学扫描仪/偏转器；或其它定位设备，被设置成任意合适的组合以便满足激光加工目标。在不同的实施例中，光束可被移动或定位而靶材料保持固定，光束可保持固定而靶材料移动或定位，或可采用光束和靶材料的运动或定位的组合。可采用在一维、二维和/或三维中相对运动。

示例和实施例的概述

如上文所讨论，申请人已经认识到对于基于激光加工以划片、切割、切片或其它加工以便从复合材料工件的区域中去除材料存在需求，以便产生具有减小热效应的较窄的切口和较干净的切口，同时保持高处理量。

本文所披露的系统和方法的实施例一般可应用于激光加工工件，并且尤其对于微加工应用。工件可包括复合材料。工件可包括PCB。例如，不同的实施例可应用于切片、切割、划片和/或雕刻(刻制)复合材料以形成通常的横向尺寸在从约1微米到约100微米的范围内和深度从约几(即大于1)微米到几百(即大于100)微米的结构。在一些实施例中，所述结构（例如，切口）的深度可能等于靶材料的厚度（例如，所述结构整个通过靶材料）。在一些实施例中，结构的深度小于靶材料的厚度（例如，结构用于对靶材料的一部分进行划片）。

在不同的实施例中，通过激光加工脉冲相对于材料的一次或多次通过可实现在深度方面至少约10μm，可达到约100μm，或有些更大的去除。激光脉冲可包括超短脉冲。举例来说，本文所述的实验结果显示通过近IR超短脉冲激光（例如，fs激光器输出持续时间为约500fs的激光脉冲）的四次通过可去除约100μm的复合材料。在近似相同的波长下获得的超短脉冲与纳秒(ns)实验结果相比较的图像示出与ns设置相比，超短脉冲设置具有大大减小的HAZ和熔化的重铸物。

激光加工在很多方面比传统机械切割更有优势，尤其是随着工件变得越来越薄并且包括具有非常不同的机械和热性能的材料。精确的轮廓切割和切割高密度稠密的PCB对于传统机械方法提出了挑战。此外，对于激光加工与材料的光学特性相关和HAZ的控制与材料特性相关仍然是挑战。

在本文所披露的某些实施例中，不同于ns激光或CW激光的热加工，用皮秒（ps）或fs脉冲的加工并不主要依赖于线性激光吸收，而是依赖于非线性吸收。高功率脉冲激光可以在靶材料中或靶材料上提供足够的强度，使得激光脉冲主要由非线性吸收过程吸收（例如，与线性吸收过程相比）。

申请人已发现对于某些靶材料，在非线性吸收范围的超短激光加工可具有多个优势，包括例如减少的HAZ、减少的残余应力、和对材料烧蚀阈值的变化的更小灵敏度。在一些实施例中烧蚀透明材料是由使用超短激光脉冲提供的有优势的能力，并且可由高强度下非线性吸收产生。在一些实施例中，一个或多个光学参数可被调整以便用于材料以实现希望的材料加工结果，所述一个或多个光学参数包括但不限于脉冲能量、光子能量、峰值或平均强度、峰值或平均能量密度、脉冲波长（或频率）、峰值或平均脉冲强度、脉冲持续时间、脉冲重复率、峰值或平均功率密度、峰值或平均功率、激光光斑尺寸、激光光斑空间重叠、和加工通过的次数。提供高平均功率的超短脉冲激光是可得到的，并且超短激光加工是对材料加工的机械加工或CW（或ns）激光加工的可行和实用的替换选择。

将超短激光技术应用于高质量切割复合材料提供了对加工改进的潜力，这将通过下文的示例和实验结果证实。尤其令人惊讶的发现是单次通过或几次(大于一次)通过所去除的材料的深度，同时获得高切割质量和低HAZ。

作为一个示例，复合工件可以是具有玻璃纤维网结构和环氧树脂的Garolite板。通常玻璃材料的熔化温度达到约1200°C，而通常环氧树脂的熔化温度仅为约85-95°C。玻璃和环氧树脂材料的蒸发温度分别为约2500°C和约600°C。由于玻璃和树脂的熔化和蒸发温度之间的较大温差，用长脉冲（例如，>ns脉冲）进行的与激光切割相关的热量可能要求对每种材料预定参数，并从而预定大量的加工参数。这样，冲突的替换选择可能产生并且减少加工的可预见性。例如，在一种替换方案中，对于环氧树脂最优化的长脉冲激光参数可能不能切割玻璃材料，而在另一替换方案中，对于玻璃最优化的长脉冲激光参数可能过度加热了环氧树脂。申请人业已发现，与使用长激光脉冲的任一替换方案加工参数相比，使用超短脉冲可提供改进的切割质量。通过CW激光或长激光脉冲系统切割的条件，例如脉冲宽度>1ns、>10ns或大于30ns，与线性吸收的激光脉冲所产生的热量有关。申请人还业已发现，利用超短脉冲在非线性吸收区域进行加工与利用线性吸收的激光脉冲的加工区域相比更具有优势。

通过某些在先的方法和系统，相当大的努力被用于在PCB导孔钻孔中减少或避免热效应。碎屑、过热脱层、重铸物、纤维突出(毛刺)、树脂凹缩是这种热驱动的冲击钻孔的不希望的结果的一些示例。进行了很多努力来改进加工质量以应对激光加工中的热效应。例如，美国专利7,057,133披露了钻取直径小于所需要通孔的直径的导孔，并然后钻取具有所需要直径的通孔。导孔形成在激光钻孔过程中所产生的热能可扩散到外界环境的通道，从而减少扩散到周围靶材料基材的热能的量和对靶材料基材的热影响区的热损伤程度。

从相对较确定的研究区域的PCB激光导孔钻孔到PCT切割的过渡受到切割表面的不同要求的限制，其中同质性没有限制性地施加到单钻孔，而是在扩展的区域上有线或者甚至二维分布的切割表面质量。一个示例是切割线的直线度和切口的尺寸。

X.C.Wang等人（OpticsandLasersinEngineeringvol.46,p.404（2008））证实了高速扫描仪利用通过UVDPSS调q激光器产生的相邻激光光斑的低重叠（例如，<50%）提供切割线作为一个可能的解决方案以产生PCB切割的更好切割质量。

不过，因为高处理量对于PCB制造可能是有利的，申请人已开发了提供高处理量材料加工的系统和方法的实施例。在一些实施例中，高处理量加工可采用更高的平均激光功率。在受限的低脉冲重复率下增大脉冲能量一般不会产生满意的处理量。因此，在某些实施例中，高重复率脉冲串可能是希望的。此外，重复应用适当调节的脉冲可通过提供热效应的有效控制提高切割质量。例如，‘256申请披露了较高重复率的另一个可能的优势是能够在比采用较低重复率时更短的时间内加工基片。这样，在某些实施例中，提高了系统的处理量同时提供了改进的质量。

如下文中某些示例所证实，具有足够强度以便在复合材料中引起非线性吸收的超短激光脉冲在下述光斑重叠条件下提供改进的切割质量，所述光斑重叠条件例如在约50%之上、在约60%之上、在约70%之上、在约80%之上、在约90%之上、在约95%之上、在约98%之上、或在约99%之上。举例来说，一些结果证实通过在90%之上的光斑重叠的高质量切割PCB材料，以便在约1-10次通过中去除约100μm的材料，每次通过的速度为约200mm/sec，从而提供了超短脉冲切割由复合材料制备的高速PCB的实际应用。

一些实施例可包括形成高纵横比结构作为加工过程的部分。例如，薄PCB切割有利地可使用确切和精确切割以分离PCB芯片，而不损坏附近的电路或结构。可利用聚焦激光脉冲切割PCB以便切过整个板，可能在一些实施例的切割过程中改变激光脉冲的焦点的深度位置。可替换的，激光脉冲可形成高纵横比结构，例如，预定深度的窄和深切割。在一些实施例中，利用非激光方法随后分离剩余材料的一薄的深度部分。这可能对于碎屑和杂质被足够好地控制是有利的。

图1A-1C是示出基于激光的材料改性的过程的一部分的示意图。示出了聚焦激光光斑1000-a、1001-a的示例，其中在一些实施例中重叠因子可能是光斑直径的一小部分。重叠因子可能与图1A中示意性所示的不同。例如，光斑和光斑之间的重叠因子可能近似相同（例如，如图1A中示意性所示）或者光斑与光斑的重叠因子可能不同。不同的激光通过次数(光程)可采用不同的重叠因子（和/或光斑形状、光斑直径等）。在不同的实施例中，一些相邻的光斑可能基本上重叠（例如，具有的重叠因子是光斑直径的一小部分）或一些相邻的光斑可能间隔开（例如，具有的重叠因子与光斑直径近似相同或比光斑直径更大）。在不同的实施例中，重叠因子可被选择以提供具有例如光滑直边缘的加工结构，或被选择以影响区域内的热积聚。在这样的实施例中，重叠因子（或其它参数）可以在加工之前被预先选择、在加工过程中被动态选择或调整、或可采用预先选择和动态选择的组合。尽管图1A示出了聚焦激光光斑1000-a和1001-a为具有相同光斑直径的圆圈，在其它实施例中聚焦激光光斑可具有其它形状和尺寸。在光斑形状、光斑尺寸、重叠因子等上的多种变化是可能的。

例如通过扫描机构（未示出），通过一次通过或多次通过可将光斑施加至工件的靶材料。在图1A-1C中，上面的示图示意性地示出了激光脉冲的第一次通过（通过1），而下面的示图示出了激光脉冲的第N次通过（通过N）。在不同的实施例中，可采用任何合适的加工通过次数N，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、50、100、250、700、1000，或更多次通过。图1B中示出了靶区域的简化的上部示意图，示出了通过圆形光斑1000-a、1001-a去除材料的区域。所述区域的横向尺寸在光斑直径的量级，尽管一般已知通过超短脉冲在小于光斑尺寸的区域上可控制地去除材料是可能的，例如美国专利No.5,656,186中所教导的。在图1A-1C所示的上部视图中，去除材料的区域被示意性示出为矩形，尽管至少与扫描方向正交的边缘通常有些圆形，尤其是使用具有椭圆或圆形截面的聚焦激光束。

通过不同的实施例，用激光光斑可形成结构以去除靶材料的深度部分，例如在一些实施例中为约0.5μm或几(即大于1)微米。在一些实施例中，尤其是用于切割复合材料的实施例中，例如，每次通过可去除约25μm的材料或更多的材料，小于10次的通过可用于切片/切割125μm基片。在单次通过中，去除了较小的深度部分1000-c（参见图1C中上面的示图）。第二次通过或第N次通过随后去除额外的深度部分，如曲线1001-c示意性所表示（参见图1C中下面的示图）。在N次通过后，可形成具有希望深度和/或空间轮廓的结构。可替换的，通过足够大的通过次数，材料可被利落地切断（例如，完全切过材料，有时被称为“穿透”）。在不同的实施例中，通过次数N可以是1、2、3、4、5、10、25、100、250、500、750、1000、1500、2000、5000或更多。通过的次数可基于下述因素进行选择，所述因素包括例如结构的希望深度和/或空间轮廓、形成工件的材料、是否希望穿透等。在加工过程中可动态调节通过的次数。

图1B示意性地示出了从工件上方观察的简单的线性/矩形加工图案。不过，加工的结构可以是通过编程激光脉冲源和靶材料的相对位置（例如，通过如下文进一步所阐述的扫描机构）而会形成的圆形、椭圆形、交错的、螺旋的或其它任意的形状。类似的，聚焦光斑分布可以是非圆形的和/或可具有高斯(Gaussian)或非高斯光斑轮廓。此外，不同的形状可形成为深度的函数，例如锥形、阶梯形、和/或曲线结构，其中结构的宽度以预定方式随深度变化，或近似如此。高纵横比结构可单独形成或与其它结构组合形成，并且可被连接至具有较低纵横比结构的区域，例如大直径孔。通过本文所述的系统和方法，很多变化是可行的。

用于“挖沟”或其它应用的实施例的感兴趣的一些参数包括例如形状、深度、和沟的质量。不过，在许多应用中，再沉积的材料（通常被称为重铸物或渣滓）可在窄沟的边缘处或非常接近所述边缘处形成。再沉积材料的量一般随加工深度的增加而增大。

图1D示意性地示出了具有一深度的加工结构1001-c的截面图（如图1A-1C），但具有相当数量的再沉积材料1005-a。再沉积材料1005-a可在工件的表面上和/或在加工结构1001-c内。非加工基片的基线在图1D和1E中被示出为虚线。再沉积材料还可积聚在结构或靶区域内，例如在基线下几微米的深度内（参见图1D）。

图1E是通过本文所述的脉冲激光实施例可得到的示例结果的代表图，其中，对于固定的通过次数N，（与图1D中示意性所示的结果相比）再沉积材料1005-b的积聚减少了。如图1E中所示，（相对于图1D）再沉积材料的截面积减小了和/或所沉积的材料类型是细颗粒形式而非较大尺寸的熔化材料。例如，在一些实施例中，这样的结果可通过增大激光重复率和在本示例中将其它激光参数保持大致恒定而获得。在不同的实施例中，可以在靶区域内、靶区域附近或二者减少再沉积材料的积聚。在不同的实施例中，在靶区域内、靶区域附近或二者可改变再沉积材料的性质（例如，颗粒的尺寸分布）。图1C、1D和1E示意性地示出了加工结构1000-c和1001-c为具有大体为梯形的截面形状。梯形截面形状旨在示意并且不旨在限制通过本文所述的基于激光的加工系统和方法的不同实施例可加工成的结构的截面形状（或任何其它特征）。在其它实施例中，可以加工不具有梯形截面形状的结构，例如，三角形、矩形、圆形形状、收聚成远小于最大宽度的最小宽度的锥形、或任何其它合适的形状。所述结构可具有例如通过结构的深度对结构的宽度的较高比率测得的较高纵横比。许多结构形状、尺寸和纵横比是可行的。此外，再沉积材料1005-a、1005-b的截面尺寸和形状应当被理解成是示意性的并且不应当理解成是对可能的再沉积材料的尺寸和/或形状的限制。

在一些实施例中，通过超短脉冲例如脉冲宽度小于约10ps的脉冲，最好地实现了既获得希望的结构形状又使再沉积材料减少。不过，在一些情况增大的重复率对于约200ps的较长脉冲也是有益的，因为例如相对于较低的重复率减少了再沉积材料的积聚。对于一些应用，对于较长脉冲宽度（例如可达到几(即大于1)纳秒或低于约10ns）也可找到益处。

实施例因此可减少渣滓(熔渣)和/或其它不需要材料的数量（和/或改变再沉积材料的性质），同时提供结构的希望形状、深度和/或宽度。举例来说并且将在下文示出，短脉冲宽度加工影响了再沉积材料的性质和数量。

在一些应用中，例如切割和划片，可提供不同的质量测量。例如，再沉积材料量的量化可能是有用的测量，并且可结合切割质量作为总体质量因数。不同的实施例尤其可应用于希望高效率以及再沉积材料的积聚是不利的或是不希望的加工作业。

在一些实施例中，微加工可包括激光划片、切割或类似(方式)加工复合材料基片，所述复合材料基片可能是裸基片或有图案的基片。划片和切割是具有公认需求的两种应用。划片可去除支撑在复合材料基片上的多种材料的一层或多层但可能不能完全切过复合材料。切割可导致完全切过材料。

由于可能的加工速度是将激光技术用于薄PCB切割的一个可能原因，用于切割薄PCB（例如，在一些情况<300μm）的实用系统是以高速来去除较大量的材料，例如单次通过为至少10μm、25μm、并可达到约50μm、100μm、150μm、或更大。

在不偏向任何特定理论的情况下，电子和晶格激励模式间与随后扩散至周围区域的能量转移时间与材料和时间尺度有关。在热扩散开始前激励模式间的能量转移时间被认为是超快的，在ps或甚至几十(即大于10)fs区域的时间尺度内，取决于材料。当利用具有超短激光的激光脉冲烧蚀材料时，在扩散前在激光光斑中使温度极端局部化（熔化或非熔化）可能是潜在的过程。在不同的实施例中，使温度达到烧蚀材料所需要的点而没有通过扩散传播热量所花费的时间可以是用于至少部分控制材料加工的参数。

当纳秒（或更长脉冲持续时间）激光被用于切割或划片过程时，照射的区域一般保持在其熔化温度之上达一延长的时间范围。“熔化池”（例如，熔化材料的区域）可被形成并且当冷却下来时可能收缩。“沸腾”和“冷却”过程可能在HAZ中导致裂化、表面粗糙和空隙。这样的过程可能是不稳定的，并且材料改性的质量难以预测，导致不一致的加工结果。

当nsUV脉冲作用在对UV波长不透明的材料上时，线性吸收一般是激光光斑中温度增加的主要来源。ns脉冲持续时间同时导致将所得到的热量从激光光斑传播开。透入材料体的热量可以更强烈地存在，这转而可能导致在扩展的体积上熔化材料。该过程倾向于将在激光光斑中温度的局部升高限制到烧蚀点。举例来说，并且与ns加工形成对比，超短脉冲可能更适用于局部烧蚀。此外，非线性吸收倾向于更少的受材料限制，尽管对于某些材料可能存在对带隙能量的一些相关性。

一些实施例中超短脉冲照射（例如，fs脉冲）提供浅的HAZ，但是由于超短脉冲宽度，与装置的下面层极少发生相互作用。飞秒脉冲加热过程可以是几乎瞬间的，将HAZ限制到有限的厚度，并且不实质影响位于被改性材料之下的(各)层。在某些这样的实施例中可实现更光滑和可预测的表面形态。

在一些实施例中，超短脉冲可用于加工工件的第二深度部分，产生可忽略不计的HAZ。在不同的实施例中，飞秒脉冲被用于至少切过整个PCB、PCB的一部分，并且尤其用于切割非常薄的PCB，例如厚度为100μm或更薄的PCB。

在不同的实施例中，通过超短激光脉冲切割金属层是有优势的。例如，‘256申请披露了用于加工多材料工件的不同实施例。工件可包括半导体材料和图案，并且图案可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在一些实施例中，所述方法包括用激光脉冲序列(一系列激光脉冲)照射工件，其中序列中的至少两个脉冲具有被应用于工件的不同材料的不同特征。所述方法还可包括控制HAZ，使得在去除电介质材料和金属材料中的至少一种的过程中所产生的至少一个HAZ相对于在去除半导体材料的一部分的过程中所产生的至少一个HAZ在深度上增加。许多示例陈述了用于从多材料工件去除材料部分，所述多材料工件具有被设置成不同的侧面和深度方面图案的电介质、金属和半导体材料的不同组合。实验结果证实了高质量Cu切割的重叠比对应于高光斑重叠比。例如，‘256申请(包括但不限于图7-17和相应的段落)描绘了通过不同的激光参数加工多材料微电子工件的示例。

举例来说，并且如‘256申请中所披露的，图1G-1到1G-3（不按比例）示意性地示出了有图案的半导体晶圆120的示例，所述半导体晶圆120具有排列成行和列的若干晶粒，在行和列之间具有道127。在传统的系统中，晶圆通常是激光划片的，并且使用切割机(划片机)切割。随着厚度减小到低于约100μm，例如约50μm或约75μm，机械切割变得越来越困难。因此，希望使用激光切割来减少或淘汰机械切割。

图1G-2示意性地示出了晶圆120的示例部分125。举例来说，沿着道127在区域127-b中进行切割。所述区域可包括若干材料和裸晶圆部分。道中所示的电路结构(例如高密度格栅层/栅级层129)可被用于切割前的电气或其它功能测试。邻近道127的区域包含高密度有源电路，与之相互连接的可包括焊球，或其它组合。在某些有优势的实施例中，进行切割或划片以干净利落地切割晶圆而不对电路造成损伤，不引入可观的碎屑或热影响区（HAZ），并且应提供足够的晶片强度。

图1G-3示意性地示出了一部分晶圆的截面侧视图129-1，即图1G-2中的细格栅区域129。格栅可覆盖有一种或多种电介质和金属材料。

根据加工具有复合材料的工件的实施例，可在高速PCB上找到相似的电路设计，但以更粗的刻度并且基片材料具有与半导体晶圆明显不同的热和光学特性。例如，所述电路可包括球栅阵列和高密度互连在局部区域中。通过与用于晶圆加工相似的方式，当切割具有高密度电路的复合材料基片的高速PCB时，有利地会避免相关损伤。所述PCB可能例如具有复合材料设置在至少两层非复合材料之间，和/或一层非复合材料与复合材料接触。例如，非复合材料可包括金属（例如，铜层）或聚合物。

在至少一个实施例中，可采用单个激光源（参见，例如图1F）。调节激光参数可以平衡加工区域内的发热和将热量从区域向外传递。可以减少或避免层间分层和/或不想要的热应力。此外，在一些实施例中，倍频绿色波长可能是合适的，其中PCB材料（除了金属层）对红外波长（例如，约1微米的波长）在很大程度上是透明的。

用于微加工的脉冲激光系统的示例实施例

图1F示意性地示出了适用于通过激光脉冲加工工件的系统100的实施例。系统100包括激光系统104，激光系统104可操作地连接至控制器114和扫描系统106。在一些实施例中，激光系统104被设置成输出包括一个或多个超短脉冲的激光脉冲。例如，在至少一个实施例中，激光系统104包括超短脉冲激光器。在不同的实施例中，系统100会提供在较大范围上调节某些脉冲参数。这些参数可包括脉冲能量、脉冲重复率、脉冲宽度、脉冲功率、脉冲能流(能量密度)、脉冲功率密度、脉冲强度、脉冲波长（或频率）、光斑直径、相邻光斑的重叠、扫描速度、和扫描通过的次数中的一个或多个。举例来说，可以在从几十(即大于10)kHz到可达到约1MHz、或可达到约10MHz的可调节重复率下产生脉冲。输出脉冲可具有的能量为约1μJ或更高，例如可达到约5-20μJ或更大（例如，500μJ），而脉冲宽度为约1ps或更短。系统100的不同实施例的进一步细节将在下文中描述。

放大激光系统尤其是超短基于光纤的啁啾脉冲放大系统（FCPA）(工作在重复率为至少几百kHz)可适用于加工若干类型的有图案和无图案基片。通过放大的超短脉冲串可获得高脉冲能量，例如几微焦。可获得至少微焦范围的足够的脉冲能量，其中在一些实施例中15-40μm通常的光斑直径提供高处理量。

在一些实施方式中，可使用多次通过。用于所述次通过的脉冲能量可以与用于其它次通过的能量相同或不同。此外，在一些实施方式中，脉冲能量在不同次的通过之间可能不同（或可能在一次通过过程中有变化）。可在不同次的通过之间或一次通过过程中改变激光束的一个或多个其它参数（例如，脉冲持续时间、重复率、能量密度、功率密度、光斑尺寸、光斑重叠等）。

在一些实施例中，可以在不同次的通过之间调节其它的激光脉冲参数。例如，较长的脉冲宽度可被用于去除至少导电和/或电介质材料。这样的脉冲宽度可达到几纳秒（ns）、小于1ns、或约500ps或更短。超短脉冲可用于切割至少下面的复合材料，例如通过亚皮秒脉冲。

在一些实施例中，可以在不同次的通过中应用长和短脉冲，或者在一些实施例中在任何单次通过过程中将激光脉冲群施加至材料的靶区域。在一些情况，脉冲群可在预定重复率下施加，并且可包括时间上移位或重叠的至少第一和第二激光脉冲，并且第一脉冲宽度可大于第二脉冲宽度，并且在一些实施例中在持续时间上大于10ps，第二脉冲宽度为超短脉冲，例如亚皮秒脉冲。脉冲群中脉冲的脉冲间隔可以为约1μsec到0.1μsec，并且在一些实施例中可使用更短的间隔。第二脉冲宽度可以如上所述：亚皮秒（例如，在一些情况大于约100fs）到约10ps，并且一般小于约50ps。此外，第一和第二不受时间顺序限制，并且可按任何顺序施加。例如，可由相应的上侧或底侧开始扫描产生反向顺序。

用于一些微加工实施例的一个可能的激光系统会以约几十(即大于10)kHz到约10MHz的可调重复率（输送至表面的脉冲）提供至少约5μJ的脉冲能量，并且会连接至扫描仪以便以可达到约10m/sec的速率进行扫描。所述系统可包括光功率放大器以便提供高脉冲能量和足够高的处理量。在一些实施例中所述系统的至少一部分是基于光纤的。

在一个实施例中，激光源包括Yb-掺杂的、放大光纤激光器（例如，可从IMRAAmerica，AnnArbor，Michigan购买到的FCPAμJewel）。所述激光器提供优于商用的固态激光系统的若干主要优点。例如，该激光源提供在约100kHz到5MHz范围上的可变重复率。比只有振荡器的系统更高的脉冲能量允许在聚焦几何形状上的更大的灵活性（例如，对于给定能量密度的更大光斑尺寸）。在至少一个实施例中，可以在约1MHz的重复率下施加可达到约10μJ的脉冲能量，在5MHz重复率下具有至少约1μJ。比各种固态再生放大系统更高的重复率允许更大的加工速度。尽管一些振荡器已经被证实产生微焦脉冲能量，它们的复杂性至少比得上CPA系统。

所述能量还可通过使用功率放大器的基于光纤的系统的实施例实现，例如至少一个大模放大器产生近衍射极限的输出光束。在至少一个实施例中，大模放大器可从锁模光纤振荡器接收低能量脉冲，并且将脉冲放大到微焦级别。优选的，振荡器和功率放大器被集成以形成全光纤系统。存在许多可能性。

在一些实施例中，尤其对于通过较低脉冲能量和/或较高重复率进行加工，可采用全光纤超短脉冲激光系统。所述系统可包括基于光纤的脉冲放大系统，产生低于1ps的脉冲宽度。来自光纤振荡器的低能量脉冲可通过光学开关进行选择，并且通过光纤放大器放大至至少约100nJ。在较低能量，亚皮秒脉冲可通过光纤放大器被放大。在其它实施例中，全光纤啁啾脉冲放大系统可包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。所述压缩器可包括进行至少部分脉冲压缩的光纤压缩器、体压缩器或其组合。多种变化例是可行的，包括进一步放大、谐波变换等。

不同的实施例包括适用于多种微加工应用的基于光纤的啁啾脉冲放大系统。所述系统尤其适用于利用可达到几十(即大于10)微焦和可达到最大为约100μJ的脉冲能量加工材料。光斑直径可在从约1微米到约100μm的范围内。在一些实施例中，光斑尺寸可在约10μm到约100μm、或10μm到约60μm、或25μm到50μm的范围内。脉冲宽度可在从几十(即大于10)飞秒（例如，50fs）到约500皮秒的范围内。所述参数一般提供接近或高于被加工的工件材料的烧蚀阈值的能量密度，并且所提供的总能量可例如与光斑直径相关。工件材料可包括但不限于复合材料、金属、无机电介质、有机电介质、半导体材料、低-k电介质材料、或其组合。

图1F示意性地示出了能够用于加工工件例如复合材料基片的系统100的第一实施例。系统100包括激光系统104和扫描系统106。在本实施例中，扫描系统106包括两个光束偏转器108，例如能够进行二维扫描的振镜式(检流计)扫描镜。在其它实施例中，可使用不同数量和/或类型的扫描镜。在一些实施例中，扫描可以是一维的。扫描系统106还可包括聚焦光学器件110，例如能够在靶基片112处产生基本上平像场视场的集成F-θ透镜。

在其它实施例中，在扫描系统106中可使用其它光学元件（例如，镜、透镜、光栅、空间光调制器等）。本领域技术人员会认识到要在基片内形成的图案可通过包括有线和/或无线技术的多种方法与系统100进行通信。在某些实施例中，图案通过包括曲线和/或多边形的矢量图形表示，并且可包括三维加工指令。许多变化例是可行的。

在一些实施例中，激光系统104可包括超短脉冲激光器，所述超短脉冲激光器被设置成输出一个或多个超短脉冲。超短脉冲可具有例如小于约10ps的持续时间。在图1F所示的示例系统100中，激光系统104可包括能够产生超快脉冲串的基于光纤的激光器。例如，所述激光器可包括可从IMRAAmerica，Inc.（AnnArbor，Michigan）购买到的FCPAμJewel激光器。激光脉冲具有的波长可为约1μm。在一些实施例中，使用更短波长激光脉冲，例如约520nm波长的绿色光脉冲。绿色光脉冲在一些实施例中通过对1μm光进行倍频来提供。在其它实施例中，可实施任何其它合适的激光系统。在某些实施例中，激光系统104可产生脉冲宽度小于约10ps的激光脉冲。例如，脉冲宽度可以在从约100fs到约1ps的范围内。在一些实施例中，脉冲宽度可以在从约10fs到约500ps的范围内。在激光系统104的其它实施例中，使用其它脉冲宽度，例如≤10ns、≤1ns、≤100ps、≤1ps、和/或≤100fs。

在一些实施例中，使用较高的激光重复率以实现较快的激光加工。例如，重复率可以大于500kHz。在某些实施例中，可使用约1MHz到10MHz的重复率。其它重复率是可行的。根据本文所述的结果，在一些实施例中可使用较高的重复率以减少图1D中示意性示出的再沉积材料1005-a的量。在一些实施例中，几十(即大于十)或几百(即大于一百)个激光脉冲可重叠在每个聚焦光斑直径中，所述聚焦可以为直径约20μm，或者在一些实施例中为10-50μm。在其它实施例中，不同数量的脉冲可重叠。例如，在一些实施例中，几个脉冲可重叠，例如3个脉冲。较高重复率的另一个可能的优点是与使用较低重复率时相比能够在更短的时间加工基片。这样，在某些实施例中，提高了系统100的处理量，同时提供了改进的质量。

图2A示意性地示出了系统200的一个实施例，所述系统200可用于通过超快脉冲串加工复合材料靶基片112。该系统200大体类似于图1F中示意性所示的实施例。图2A中所示实施例中的激光系统104包括在图1F所示的实施例中未示出的可选的内部脉冲调制器202。光学调制器202可用于调制激光脉冲串的重复率。在一些实施例中，激光脉冲串包括一个或多个超短脉冲，例如一个或多个超短脉冲串。在一些实施例中，调制器202被设置成将来自振荡器重复率（在一些光纤激光器实施例中通常为约50MHz）的激光脉冲重复率变成加工重复率（通常小于或约为1MHz）。例如，调制器202可被设置成允许传输来自振荡器脉冲串的仅每第n个脉冲到最终的功率放大器，或传输脉冲组。在某些实施例中，实施所述振荡器放大器设置用于产生高能量脉冲串可能是方便的，其中为了提高振荡器稳定性，使用50MHz量级的振荡器重复率。所述振荡器放大器系统对于本领域技术人员来说是公知的。

在某些实施例中，内部调制器202允许放大器中的平均功率和热条件保持基本相同，同时基本上瞬间改变脉冲能量和脉冲峰值功率。内部调制器202可包括声光调制器或任何其它合适的光学调制器。在某些实施例中，激光系统104输出脉冲能量高于约1μJ、脉冲持续时间小于约10ps和脉冲重复率大于约100kHz的脉冲。

图2A所示的实施例还包括频率转换器204，例如二次谐波产生（SHG）转换器。在本实施例中，SHG转换器和内部调制器202的组合提供了“快速快门(fastshutter)”，因为谐波转换效率与激光脉冲能量成比例。因此，通过调制来自振荡器的激光重复率，基本瞬时地开和关加工光束（例如，传输的SHG光束）是可能的。所述快速快门在机械上是不可能的并且难以在光学上实施用于高激光功率而不导致光束质量、脉冲持续时间等的下降。一些实施例可包括三次谐波产生转换器和/或四次谐波产生转换器或任何其它合适的谐波产生转换器。

图2A中所示的实施例还包括控制器114，所述控制器114可用于控制激光系统104、扫描系统106、频率转换器204和/或其它系统部件。例如，在某些实施例中，调制器202和扫描系统106（例如，扫描镜108和/或聚焦光学器件110）的控制可被链接，以便能够实现对激光照射条件的更大程度的控制，从而提供加工深度和横向范围的更大程度的控制。例如，在一些实施例中，控制器114被设置成在以所述脉冲重复率加工靶材料的过程中控制相邻的聚焦脉冲（或脉冲组）之间的空间重叠。

图2B示意性地示出了系统230的实施例，所述系统230能够用于通过超快脉冲串加工靶基片。在本实施例中，激光系统104包括啁啾脉冲放大系统，例如基于光纤的啁啾脉冲放大（FCPA）系统。使用FCPA系统的优点包括提高的效率和可靠性。此外，由于光纤放大器的输出能量和峰值功率一般随振荡器的重复率的增大而减小，通过基本恒定的平均输出功率或通过固定的泵浦功率，可利用光纤放大器输出能量和功率变化作为重复率的函数来提供改进的FCPA性能。

转让给本申请的受让人的不同美国专利披露了使用紧凑光纤结构的啁啾脉冲放大系统。下述美国专利的每一篇的公开内容对于本文所特别提及的材料和对于其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用：于1996年3月12日授权给Galvanauskas等人的美国专利no.5,499,134，发明名称为“OpticalPulseAmplificationUsingChirpedBraggGratings”，于1997年12月9日授权给Harter等人的美国专利no.5,696,782，发明名称为“HighPowerFiberChirpedPulseAmplificationSystemsBasedOnCladdingPumpedRare-EarthDopedFibers”，和于2006年9月26日授权给Gu等人的美国专利no.7,113,327，发明名称为“HighPowerFiberChirpedPulseAmplificationSystemUtilizingTelecom-TypeComponents”（在下文被称为‘327专利）。在这些专利中披露的任何激光系统以及其它商用可购得的“全光纤”激光系统可与图2B中所示的系统230一起使用。

在某些实施例中，激光系统104包括（可从本申请的受让人IMRAAmerica，Inc.购得的）FCPAμJewel激光器，所述激光器在压缩器252的输出处提供激光脉冲。输出脉冲能够以可达到约1MHz的可调节重复率产生。输出脉冲可具有约1μJ或更高的能量，和约1ps或更短的脉冲宽度。在一些实施例中，如果峰值功率和脉冲能量低到足以避免非线性效应，光纤压缩器而非体(bulk)输出压缩器可被用于脉冲压缩。在某些实施例中，光子带隙光纤或光子晶体光纤可单独使用或与体压缩器或大面积光纤结合使用以提供增大的输出能量和峰值功率。

在图2B中示意性示出的系统230的实施例中，激光系统104包括单次通过(单程)基于光纤的啁啾脉冲放大系统。激光系统104包括高重复率源232、光纤展宽器236、光纤前置放大器240、脉冲选择器/调制器244、光纤功率放大器248、和压缩器252。压缩器252的输出可以是超短脉冲串。在一些实施例中，压缩器252可被解调以提供更长的脉冲宽度（例如，约200ps）。在其它实施例中，不使用压缩器252，并且激光系统104输出的脉冲的宽度可达到约1纳秒、几纳秒、和/或可达到约10纳秒。在一些实施例中，激光系统104可包括单程(单次通过)和双程(双次通过)前置放大器、单程(单次通过)或双程(双次通过)展宽器、和功率放大器结构（未示出）中的一个或多个，其以相称的包尺寸可提供更长的展宽脉冲宽度和更高的脉冲能量。一些实施例可包括保偏（PM）光纤放大器、振荡器、和展宽器光纤。如上所述，控制器114可被设置成通过扫描系统106协调脉冲传送至靶基片112。在不同的实施例中，控制器114可被用于控制激光系统104、扫描系统106和/或其它系统部件中的部件的一些或全部。在一个实施例中，控制器114被设置成通过控制脉冲选择器/调制器244来控制激光系统104。如上所述，扫描系统106可包括例如扫描镜108，例如检流计扫描镜。扫描系统106还可包括聚焦光学器件110。

高重复率源232可提供工作在远远高于1MHz（例如在约20MHz到约100MHz的范围内）重复率的自由运行(free-running)脉冲串。锁模激光器包括基于全光纤的被动锁模或其它装置可被用于产生所述重复率。例如，相应的脉冲宽度可以在从约几百(即大于一百)飞秒到约10皮秒的范围内。在其它的实施例中，可使用非锁模激光源。例如，准连续波半导体激光器的输出可被调制并被可选地压缩以产生皮秒或飞秒脉冲。合适的激光源包括披露于美国专利申请no.10/437,057中的源，该美国专利申请的申请人为Harter，发明名称为“InexpensiveVariableRep-RateSourceForHigh-Energy，UltrafastLasers”，现为美国专利7,330,301，已转让给本申请的受让人，并且对于本文特别提及的材料和对于其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。

光纤展宽器236可包括一长度的光纤（例如，根据光纤色散，约100m到1km），以便展宽来自高重复率源232的脉冲，以避免非线性效应和/或损伤光纤前置放大器240和/或光纤功率放大器248。展宽器236可包括光纤布拉格(Bragg)光栅（FBG）、啁啾FBG、或其组合。展宽器236可包括具有不规则三阶色散（TOD）的光纤，以便部分补偿可能积聚在系统中的残留TOD（如果存在的话）。在一些实施例中，大多数的残留TOD由于使用不匹配的展宽器（基于光纤的）和压缩器色散（基于体光栅）而产生。在不同的示例实施例中，展宽脉冲的宽度可以为约50ps、在从约100ps到约500ps的范围内、或在可达到约1ns的范围内。在双程(双次通过)结构中也可提供脉冲展宽。

光纤前置放大器240（在一些激光系统104中是可选的）放大从高重复率源232发射出的脉冲的能量。所述源232可发射能量从约几百(即大于一百)pJ到约1nJ并可达到约5nJ的脉冲。在一些实施例中，前置放大器240的输出处的脉冲能量可在约1nJ之上，例如，在从约1nJ到约20nJ的范围内，并且在一些实施例中可达到约100nJ。在一些实施例中，大模放大器可被用作前置放大器以便产生微焦种子脉冲。例如，由本申请的受让人开发的提供高质量输出光束的不同放大器选择（例如：使用多模光纤、大芯径泄漏信道光纤、光子晶体光纤、和/或光子带隙光纤的放大器）将在下文进一步进行描述并且可用作前置放大器、功率放大器、或总体用作多级放大器的至少一部分。

脉冲选择器/调制器244可被设置成选择性地将脉冲传输至功率放大器248。脉冲选择器/调制器244可包括声-光调制器（AOM）、电-光调制器（EOM）、高速Mach-Zehnder(马赫-泽德尔)装置（MZ）、和/或电吸收调制器（EAM）。AOM不要求高压电子器件，并且商用可购得的数字驱动器电子设备使用方便。Mach-Zehnder调制器（MZ）是具有GHz带宽和低驱动电压的集成光学设备，并且在很多情况要求偏振输入光束。在一些实施例中，集成的MZ装置的较小区域可能限制可用的峰值功率。在一些实施例中，脉冲展宽器236减少入射到调制器244上的峰值功率，如‘327专利中所述。MZ装置已被用在1.55μm电信波长，并且MZ装置现在可用于1μm波长。’327专利披露了使用MZ调制器的啁啾脉冲放大系统。在某些实施例中，脉冲选择器/调制器244可提供约20dB到约30dB的强度控制，并且可用于基于功率放大器248作为输入的函数的传输特性至少部分控制输出强度。

在某些实施例中，光纤功率放大器248包括多模光纤放大器，所述多模光纤放大器被设置成提供基本上在基模的输出。例如，系统可采用如美国专利no.5,818,630所述的光纤功率放大器，该美国专利授予Fermann等人，发明名称为“Single-ModeAmplifierandCompressorsBasedonMulti-ModeFibers”，转让给本申请的受让人，并且对于本文特别提及的材料和对于其披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。多模光纤放大器在不希望的非线性和增益饱和开始前产生高于在单模（SM）光纤可实现的峰值功率和脉冲能量。在其它实施例中，可采用大面积放大器，例如光子带隙或光子晶体设计。通过泄漏模式设计证实了高质量输出光束，例如，披露于美国专利申请no.11/134,856，发明名称为“SingleModePropagationinFibersandRodswithLargeLeakageChannels”，美国专利申请公开号为2006/0263024，转让给本申请的受让人，并且对于本文特别提及的材料和对于其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。

如上文所述，在一些实施例中压缩器252是全光纤压缩器。不过，如果峰值功率太高，例如在一些实施例中为约100kW或更高，非线性效应可能限制全光纤压缩器的性能。可能就存在光纤设计的紧凑性和与体压缩器相关的灵活性之间的权衡。在一些实施例中，光纤和体部件(bulkcomponent)均可被用于激光系统104。

高重复率源232可产生输出波长为约1μm的脉冲。在一些实施例中，系统230包括可选的频率转换器256。例如，频率转换器256可包括倍频器、三倍频器、和/或四倍频器，产生相应的可见（例如，绿色）或紫外输出波长（对于1μm输入波长）。在一些实施例中，频率转换器256可包括参数放大器。转换效率一般通过更高的峰值强度提高。因此，频率转换器256有利地可被设置成接收压缩器252的输出。在一个示例实施例中，频率转换器256被设置成提供二次、三次、和四次谐波产生。利用I型非临界相位匹配三硼酸锂（LBO）晶体实现二次谐波产生。通过在II型临界相位匹配LBO晶体中和频混合基次谐波和二次谐波产生三次谐波。I型LBO和I型β硼酸钡（BBO）晶体也可用于三次谐波产生的实施例中，产生近UV输出波长。I型临界相位匹配β硼酸钡（BBO）晶体通过倍频二次谐波光产生四次谐波。

在本示例实施例中，在基波长为1040nm处具有50μJ、500fs脉冲的光被输入频率转换器256，其分别对二次、三次、和四次谐波频率提供53%、25%和10%的转换效率。在100kHz的激光重复率，本示例实施例在1040nm产生的平均功率为约5.00W，并且在520nm的平均转换功率为约2.62W，在346nm为约1.20W，和在260nm为约504mW。转换后的脉冲能量在520nm为约26μJ，在346nm为约12μJ，和在260nm为约5μJ。可用于提供频率转换的超短脉冲的激光系统104的进一步细节披露于Shah等人的题为“12μJ,1.2WFemtosecondPulseGenerationat346nmfromaFrequency-tripledYbCubiconFiberAmplifer，”，2005，CLEO2005Postdeadline，CPDB1，对于本文特别提及的材料和对于其披露的所有其它材料该文献在此被结合入本文作为引用。

控制器114可用于协调扫描光束的定位和激光脉冲的选择。在某些实施例中，当高重复率源232是自由运行时，利用耦合至高速光电检测器（未示出）的一长度的光纤来检测一部分光束。光电检测器输出向控制器114提供同步信号。同步信号有利地可以是数字信号。扫描系统106可包括2-D检流计镜108，例如，可从SCANLABAmerica公司（Naperville，Illinois）购得的II14扫描头。使用所述扫描头的优势包括它们是低惯性装置并具有用户友好(界面)的商用可购得的控制器以便镜位置和/或速率信号可易于编程。扫描系统106和控制器114还可用于任何合适的平移台、旋转台、和机械臂（未示出）的组合以定位靶基片112。在一些实施例中，可以省略扫描镜108并且使用相对移动激光束和靶基片112的任何其它合适的系统。合适的聚焦光学器件110（例如，F-θ透镜和/或高分辨率物镜）可用于将每个激光脉冲聚焦到靶材料的表面上或靶材料中。由于材料的色散，一些折射光学元件可能引入光斑定位和聚焦误差，或其它时间或空间变形。在某些实施例中，使用设计用于超短激光脉冲光束的商用可购得的光学元件。在某些实施例中，控制器114被设置成在加工靶材料的过程中控制相邻聚焦激光脉冲（或激光脉冲群/组）之间的空间重叠。

在某些实施例中，可能希望使放大器基本连续地工作以减少损伤的可能性并提供从放大器的最大能量提取。光纤放大器特别适于放大高速脉冲串。不过，在一些实施例中，出现增大的放大器损坏的风险并且在不进行材料加工（”空转时间期间”）的延长时间段期间产生不希望的放大自发发射（ASE）。例如，在一些放大器中，空转时间段可能在从几十(即大于十)微秒至几百(即大于一百)毫秒或更大的范围内。在某些光纤放大器中，约100μs的空转时间可能足以使增益增大至足够的水平以便在高增益(强泵浦)条件下自由产生激光。在约25-40μs的空转时间后，如果注入种子脉冲，放大器中积累的增益可能具有足够的增益以产生能够引起对输出光纤(端)面造成损伤的高能量脉冲。因此，在某些实施例中，通过动态调整输入脉冲能量和/或控制泵浦二极管电流提供激光部件的稳定性和保护，如披露于例如Nati等人的美国专利申请No.10/813,173，发明名称为“MethodAndApparatusForControllingAndProtectingPulsedHighPowerFiberAmplifierSystems”，美国专利公开号为2005/0225846，现为美国专利7,505,196，该专利转让给本申请的受让人，并且对于本文所提及的材料和对于其披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。

在系统230的不同实施例中，控制器114可被设置成在空转时间期间以高重复率（例如，从约50MHz至约100MHz）使脉冲选择器/调制器244工作。在空转时间期间，放大器248一般在非饱和状态工作。功率放大器平均输出可能在基波长稍微增大。在空转时间和“活动”时间（当系统230加工靶时）之间调制脉冲能量可能足以提供光束的快速快门（例如，“关”和“开”功能）。在某些实施例中，在一些空转时间期间靶基片112上的激光能量密度可能高于烧蚀和/或表面改性阈值，但是“空转”和“活动”时间段之间的能量密度的调制可能足以用于加工控制。在某些实施例中，可选的快门260可用于控制入射在靶基片112上的能量。可选的快门260可包括声光装置、光学-机械快门和/或电-光快门。

系统230的某些实施例包括可提供例如倍频和/或三倍频的频率转换器256。在某些所述实施例中，在频率转换器256的输出端的脉冲能量和/或峰值功率可能较低。在所述情况，转换器256的输出可能是较低的能量脉冲，其中大部分的能含量在基波长并聚焦在靶上；能量可能低于靶材料的烧蚀和/或表面改性阈值。在某些系统实施例中，约20dB至约30dB的调制器调整可提供在较大工作范围上的强度的控制，以便避免改变靶材料特性。

在某些实施例中，可采用技术来衰减不想要的光束能量。例如，不想要的能量可以用光谱滤波器（未示出）去除。在一些实施例中，由于I型相位匹配的基频和谐频之间的偏振态的不同，偏振滤光可能是可行的。还可以控制脉冲选择器/调制器244以限制至放大器248的能量。扫描系统106中的聚焦光学器件（或者其它聚焦光学器件，如果不用扫描器）可能针对加工波长（如果使用可选的频率转换器256则可能是频率转换后的波长）而优化。在某些实施例中，聚焦光学器件可被设置成使得基波长的光斑尺寸增大，以便减小靶基片112的表面处的能量密度。

在活动(主动)加工期间，控制器114可用于向脉冲选择器/调制器244提供信号以“倒计数(downcount)”或以其它方式选择脉冲。在一些实施例中，加工重复率可以从约100KHz至约10MHz。在活动(主动)加工期间，激光器在饱和状态或接近饱和状态工作可能是有利的，以便从光纤放大器提取最大的能量。

图3示意性地示出了系统300的实施例，系统300能够用于通过超快脉冲串加工工件（或靶基片）112。该系统300可能总体上类似于图1F和2A,2B所示的实施例。系统300还可包括机械臂系统304，所述机械臂系统连接至靶基片112并被设置成相对于扫描光束操纵靶位置(和/或方向)。机械臂系统304可以是单轴或多轴系统。在一些实施例中，扫描系统106包括扫描头，所述扫描头相对于靶基片112移动。提供扫描光束和靶基片112之间相对移动的实施例的可能优势是系统可实现非平表面的加工。

在图1-F，2A，2B和3分别示意性所示的系统100,200,230和300的一些实施例中，激光光斑尺寸主要由扫描系统106中的F-θ透镜确定。在一些实施例中，为了使图像具有合理的加工区域，采用大于约10μm的光斑尺寸。激光系统104的某些实施例能够加工小的多的光斑尺寸（例如，≤1μm）。对于所述小聚焦尺寸，在一些实施例中采用明显较低的脉冲能量。为了在足够大的工作区域上获得足够高的分辨率，靶和光束可以相对于彼此移动。例如，靶可以相对于基本固定不动的激光束移动（或反之亦然）。在一些实施例中，靶和激光束均是移动的。

在系统100,200,230和300的某些实施例中，可以沿激光系统104和扫描系统106之间的光学路径设置可变望远镜。在某些所述实施例中，可以从扫描系统106略去F-θ透镜。可变望远镜可用于动态改变系统的焦距并且可在靶基片112上提供聚焦光斑尺寸的连续变化。商用可购得的可变望远镜系统可包括，例如，从SCANLABAmerica公司（Naperville，Illinois）可获得的varioSCAN动态聚焦装置。具有动态聚焦的所述系统具有3D调整光束焦点位置的能力，和跟随或补偿靶表面位置中变化的有用能力，所述靶表面位置中的变化可能由于基片翘曲或其它平面度偏差而造成。

图4A示意性地示出了系统400的实施例，所述系统400能够用于通过超快脉冲串加工复合材料基片。该实施例包括激光系统104和平移台408，所述平移台被设置成相对于激光束移动靶基片112。在某些实施例中，平移台408保持具有较高平移速度的基本恒定的运动，以便能够实现足够高的加工速度。在一些实施例中，平移台408可包括X-Y或X-Y-Z平移台。例如，平移台408可包括可从Aerotech公司（Pittsburgh，Pennsylvania）获得的Nano-Translation（ANTTM）台。相对控制脉冲激光束和靶基片的定位的许多技术是已知的，例如，披露于Baird等人的美国专利No.6,172,325，发明名称为“LaserProcessingPowerOutputStabilizationApparatusandMethodEmployingProcessingPositionFeedback”。在一些实施例中，控制器114可执行控制指令，用于协调扫描系统106和平移台408，例如，可从Aerotech公司（Pittsburgh，Pennsylvania）获得的Nmark^TM控制软件。

在图4A示意性所示的系统400的一些实施例中，调制器402可用于提供基本瞬时的激光调制，以便改进激光-材料相互作用的控制。调制器402一般可类似于结合图2所述的调制器202，或者调制器402可以是如图4A示意性所示的外部调制器。在某些实施例中，控制器114提供调制器402和平移台408的链接控制。

在某些实施例中，本文所述的系统（例如，系统100,200,230,300,400，以及图5和6A示意性所示的系统）可利用激光束相对于靶基片的多次(程)通过来加工靶基片。例如，在不同的实施例中可使用十次或更多次通过，并且可能数百次(即大于一百次)以便形成非常高纵横比的结构。可以调节能量密度(和/或其它系统和/或光束参数)以控制在给定(次数)通过期间的材料去除。

在不同的实施例中，系统可以利用关于靶的激光系统的状态的信息和根据反馈信号控制激光参数，如披露于例如申请日为2004年3月31日的美国专利申请No.10/813,269，发明名称为“Femtosecondlaserprocessingsystemwithprocessparameters,controlandfeedback”，现为美国专利no.7,486,705（下文称为’705专利），该专利转让给本申请的受让人，并且对于本文特别提及的材料和其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。

在一些实施例中，可以提供一系统，其中每个激光脉冲可具有各自的特征。至少一个激光脉冲可以是超短脉冲。系统可包括用于产生如实施例100,200,230,300,400以及图5和6A示意性所示的系统中的一个或多个所提供的脉冲或高重复率脉冲群的激光装置。另外，可以包括控制装置，所述控制装置控制激光装置和光束操纵装置，用于监控脉冲宽度、波长、重复率、偏振、和/或包括脉冲群的脉冲的时间延迟特征。在一些实施例中，系统可以根据对控制装置所测得的脉冲宽度、波长、重复率、偏振和/或时间延迟特征产生反馈数据。

在一个实施例中，激光装置可包括利用展宽器光栅和压缩器光栅的光纤放大器。光束操纵装置可包括各种装置，包括例如，测量激光脉冲的脉冲持续时间的光学开关装置、测量来自激光装置的激光脉冲输出的功率的功率计、和/或测量激光脉冲的重复率的光电二极管。在一些使用频率转换器的实施例中，例如倍频器或三倍频器，光束操纵装置将部分产生的激光脉冲的基频光学地转换成一个或多个其它光学频率，并且包括至少一个光学元件将激光脉冲的基频的一部分转换成至少一个较高阶谐波信号。光学元件可包括非线性晶体装置，所述非线性晶体装置具有控制晶体方向的控制器。

在某些实施例中，用于转换光频的装置有益地包括分光计，所述分光计测量从非线性晶体装置输出的脉冲的一个或多个预定参数并产生用于控制装置的反馈。另一个实施例的光束操纵装置包括望远光学装置，以控制激光脉冲输入的尺寸、形状、发散度和/或偏振，并引导光学器件以控制激光脉冲在靶基片上的撞击位置。系统还可包括光束分析仪，它监控激光脉冲的特征并产生用于控制装置的反馈。上述系统具有若干用途，包括但不限于，改变靶基片的折射率；表面标记，亚表面标记，和/或表面构造靶基片；制备孔、通道、沟、槽、导孔(via)、和/或靶基片中的其它结构，和沉积和/或去除靶基片上的薄层材料。

如图5中所示的激光加工系统的实施例所示，控制装置5300连接至激光装置5100。激光系统可能总体上类似于’705专利的图5中示意性所示的激光系统的实施例。控制装置5300监控若干个输出激光参数，例如，平均输出功率，脉冲串（重复率和/或脉冲模式结构），脉冲持续时间（和/或时间相位，例如，FROG，频率分辨光学开关），和/或空间相位（波前传感器）。受监控的参数被链接至控制装置5300以便通过反馈回路改变激光性能（脉冲能量、重复率和脉冲持续时间）。此外，反馈回路可被链接至压缩器对准（例如，光栅分离）以便预啁啾激光脉冲，从而补偿由随后的激光系统模块的部件造成的光色散。控制装置5300可包括，例如，台式计算机，便携式计算机，平板电脑，手持式电脑，工作站计算机或任何其它通用和/或专用计算或通信设备。控制装置5300可执行任何公知的MAC-OS，WINDOWS，UNIX，LINUX，或其它适当的计算机操作系统（未示出）。控制装置5300可以通过物理链接和/或无线链接网络连接至其它计算装置。控制装置5300可包括输入设备，输出设备，随机访问存储器（RAM），和/或只读存储器（ROM），CD-ROM，DVD装置，硬盘驱动器，和/或其它磁性或光学存储介质，或其它适当的存储和取回装置。控制装置5300还可包括具有系统时钟或其它合适的计时装置或软件的处理器。输入设备可包括键盘，鼠标，触摸屏，压敏板或其它合适的输入设备，而输出设备可包括视频显示器，打印机，磁盘驱动器或其它合适的输出设备。

在一些实施例中，可包括其它工具来监控靶基片的状态，和/或确认/控制相对于靶基片的表面的聚焦位置。例如，可以采用照明和光学显微镜观察系统（未示出）以定位对准标记，确认/否认激光损伤，和测量激光影响的结构体积和/或形态。通过包括光谱诊断例如激光诱导击穿光谱（LIBS）和/或激光诱导荧光可获得额外的数据。还可以采用精确确定从靶表面至焦点的距离的测距工具。在一些应用中，确定距离可能是有利的，因为一个应用可包括微米级材料加工。还可以使用使靶基片表面成像的摄像系统。在这些尺寸，小误差/不确定性可能降低用户精确控制激光/材料相互作用的能力。这可能变得复杂，因为几种所述应用可能涉及具有非平面表面材料的亚表面加工。来自观察/光谱工具的信号可反馈给其它系统部件（例如，控制装置，用于转换光学频率的装置等等），以精确影响激光/材料相互作用的程度和性质。此外，来自测距工具和/或观察/光谱工具的信号可被反馈以控制工件位置。扫描机构引导光学器件，所述光学器件可包括基于检流计的镜扫描仪和可能的一个或多个额外的精确定位器，并且控制装置5300使得光束被准确地传送至靶基片。

在一些实施例中，可以通过总能量足以用于材料去除的皮秒脉冲串进行加工。例如，脉冲宽度可以在约10ps至约500ps的范围内。在一些实施例中，可以不采用脉冲压缩器。在所述实施例中，可以放大来自一个或多个激光源的脉冲以产生加工脉冲。所述结构可能大体类似于系统100,200,230,300和400的系统的实施例，但省略了脉冲压缩器。

实施例可应用于多种微加工应用，并且很好地匹配在微电子中的应用，包括例如切片、切割，划片，和类似的应用。在一些实施例中，利用适于所述应用的方法和装置可以对系统实施例100,200,230,300和400以及图5和6A中示意性所示的系统中所示的元件进行合适的改动。例如，在一个实施例中，基片定位机构可包括X-Y-Z台408，和额外的旋转机构以提供6-轴能力和/或以保持靶基片（例如，PCB）的平面度和共面性。

系统100,200,230,300和400以及图5和6A示意性所示的系统的某些实施例包括激光器和放大器的不同组合。尽管在某些实施例中基于光纤的技术是优选的，但不同的实施例可采用波导激光器和/或放大器，再生放大器，等等。在某些实施例中，所述技术可与光纤放大器，激光器，和/或一长度的未掺杂传输光纤结合使用。例如，在一个实施例中，被动调Q微芯片激光器可以稍低于1MHz的重复率（例如可达到约100-500kHz或更大些）产生几微焦的脉冲能量。脉冲宽度可在约1ps至约100ps的范围内。在某些实施例中，微芯片激光器可注入光纤放大器，例如披露于上述结合入本文作为引用的Harter的美国专利申请No.10/437,057（现为美国专利7,330,301）。

例如，上述结合入本文作为引用的美国专利申请No.10/437,057披露了利用种子和微芯片激光源的不同实施例，所述种子和微芯片激光源通过各种光纤和非光纤元件被放大和压缩以产生超短脉冲宽度。在一个实施例中，利用半导体激光二极管产生几纳秒的种子脉冲，其部分利用GHz电-光调制被选择，并随后进一步被加工以便获得放大的和压缩的脉冲。通常的重复率为小于约10MHz。所披露的结构提供了本领域技术人员可用的元件和子系统以构造较高重复率（例如，500kHz-10MHz）短脉冲（亚-皮秒至约几纳秒），以便产生预定公差内的几何结构，并且在以较高重复率工作时在加工位置上或非常接近加工位置处具有减少的再沉积材料的积聚。

不同的实施例可以提供在约大于一百皮秒至数百皮秒范围内的脉冲宽度。激光系统可包括FCPA系统。在某些采用皮秒或更长脉冲的实施例中，可以除去任何脉冲压缩器。可替换的，系统可被设置成产生放大的皮秒脉冲而没有啁啾脉冲放大，例如，优选通过光纤放大器系统。

再次参见图4A，激光系统104可包括锁模光纤振荡器或其它种子源，和具有光纤功率放大器的光纤放大器系统。在不同的实施例中，光纤功率放大器包括多模光纤放大器，所述多模光纤放大器被设置成基本以基模提供输出。例如，系统可采用如美国专利no.5,818,630所述的光纤功率放大器，该专利授权给Fermann等人，发明名称为“Single-ModeAmplifiersandCompressorsBasedonMulti-ModeFibers”，转让给本申请的受让人，并且对于本文所特别提及的材料和其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。在不希望的非线性和增益饱和开始之前，多模光纤放大器产生高于单模（SM）光纤可实现的峰值功率和脉冲能量。在其它实施例中，可以采用大面积放大器，例如光子带隙或光子晶体光纤设计。通过泄漏模式设计已证实高质量输出光束，例如，披露于美国专利申请no.11/134,856，发明名称为“SingleModePropagationinFibersandRodswithLargeLeakageChannels”，美国公开号为2006/0263024，该申请转让给本申请的受让人，并且对于本文所特别提及的材料和其所披露的所有其它材料在此被结合入本文作为引用。

在至少一个实施例中，放大器可被包括在激光系统104中。图4B示意性地示出了大模面积光纤的示例实施例470，所述大模面积光纤包括用稀土离子掺杂的纤芯，所述大模面积光纤可用于光纤放大器，或用于由多模泵浦源泵浦的激光器。例如，实施例470可包括在图4A示意性所示的激光系统104中（或本文所述的其它系统）。输入光束456可通过锁模振荡器，半导体二极管，二极管和电-光调制器，和/或其它合适源产生。在用大模放大器放大之前，前置放大器可提高脉冲能量水平。激光系统104还可包括脉冲选择器，偏振控制器，和/或光束成形光学器件以便在放大之前和/或之后调整脉冲。在图4B所示的实施例470中，光纤450分别具有直的输入和输出端451,452，和其间的卷曲部分。多模泵浦455被用于利用耦合透镜454泵浦放大器或激光器。输入光束456通过透镜453进入光纤450。输出457由分色镜458分离。在其它实施例中，光纤450和/或其它部件可被设置成与图4B示意性所示的不同。此外，不同的部件可被除去、添加、和/或不同于图4B所示的示例实施例470所示设置。

在用于产生具有减小或可忽略的非线性效应的飞秒、皮秒、和/或纳秒区域的高峰值功率脉冲的全光纤设计中可以采用不同的激光器或放大器实施例。还可在FCPA系统中采用激光器或放大器以进一步增大可用的脉冲能量。在一个示例实施例中，可以采用约70μm-100μm或更大的纤芯直径以产生能量为几(即大于1)mJ至约10mJ的纳秒脉冲。在另一实施例中，可以产生示例脉冲宽度为约1-10ps的超短脉冲，输出能量在约10μJ至几百(即大于一百)μJ的范围内。在不同的实施例中，可以采用大于约100KHz并可达到至少几(即大于1)MHz的脉冲重复率。在100MHz至1GHz范围内的重复率也是可能的，取决于平均额定功率和系统要求。举例来说，如披露于PCT申请No.PCT/US2008/074668，发明名称为“GlassLarge-CoreOpticalFiber”，国际公开号为WO2009/042347，并如披露于美国专利申请公开号为2010/0157418中所述（上述文献的每一篇为本申请的受让人所有并且每一篇对于本文所特别提及的材料和其所披露的所有其它材料在此被结合入本文引用），从微芯片激光器发射的25KHz重复率、5μJ脉冲能量、和600ps脉冲宽度的输入脉冲在大芯径泄漏信道光纤中被放大至约400μJ，产生近衍射极限的输出光束，并且没有由非线性效应造成的变形。在实验中，没有使用脉冲展宽或压缩。可以实现较高的脉冲能量和重复率。因此，基于光纤的放大激光结构存在多种可能性。

用于PCB切割的不同实施例可包括如上所述的超短脉冲系统，例如FCPA，具有基片和/或光束定位设备的任何合适组合。在一个实施例中，平移台408可用于定位基片，如图4A中所示。定位器可单独使用或与光学扫描仪结合使用以便相对于超短激光脉冲定位基片。在一些实施例中，可省略扫描镜108，和使用的用于相对移动激光束和靶基片112的任何其它适合的系统。可以相对于彼此定位激光加工设备和/或靶基片。多种定位结构已知可用于PCB钻孔和其它激光加工应用，并且任何合适的机构组合可用于加工复合材料的系统中，包括多光束定位器以提高处理量。例如，可采用图2A-4A和6A中所示的光束和/或基片定位机构的合适组合。此外，如前所述，可以包括其它工具以监控靶基片的状态，和/或确认/控制相对于靶基片的表面的焦点位置。

不同的实施例和示例

在另一个一般方面中，一种激光加工复合材料工件的方法包括用具有一脉冲宽度的激光脉冲照射复合材料工件中的至少一种材料。激光脉冲可被聚焦到至少一种材料的光斑上。所述方法包括以一相对速度相对于复合材料移动聚焦光斑。在一些实施例中，所述工件包括有图案区域和复合材料区域。所述有图案区域可包括电子电路，所述电子电路包括电介质和/或金属材料。在一些实施例中，用于去除有图案区域中的至少一部分的激光光斑的相对速度明显小于用于去除复合材料的至少一部分的相对速度。

在一些实施例中，用于照射有图案区域的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于照射复合材料的某个部分的相邻聚焦光斑之间的重叠。例如，在一些情况，用于照射有图案区域的重叠可能大于约95%。

在一些实施例中，利用在约100fs到约500ps的范围内的脉冲宽度改性复合材料区域内的材料的至少一部分。

至少一个实施例包括适用于实施上述激光加工的方法的实施例的超短脉冲激光系统。至少一个实施例包括超短脉冲激光系统，所述超短脉冲激光系统包括光纤放大器或光纤激光器中的至少一个。至少一个实施例包括被设置为“全光纤”设计的超短脉冲激光系统。

在不同的实施例中，脉冲激光系统提供至少一个脉冲小于约10ps的脉冲宽度。在一些实施例中，至少一个脉冲的脉冲宽度小于约几纳秒，例如亚纳秒脉冲。

本发明提供了划片、切割、切片或加工以从复合材料工件的区域中除去材料的方法的实施例。在一些实施例中，所述方法包括将激光脉冲导向复合材料工件中的至少一种材料。所述激光脉冲具有从几十(即大于十)飞秒到约500皮秒的范围内的脉冲宽度和在几十(即大于十)kHz到约10MHz的范围内的脉冲重复率。在一些实施例中，复合材料工件可包括图案和复合材料板，并且所述图案可包括电路，所述电路包括电介质和/或金属材料。在一些实施例中，复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料，并且可包括电介质、金属、半导体、或复合材料的任意合适的组合。所述方法还可包括将激光脉冲聚焦成激光光斑，所述激光光斑的光斑尺寸在从几(至少大于1)微米到约50μm（1/e²）的范围内，并且相对于所述一种材料以一速率定位激光光斑，使得用于从图案的至少一部分去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于从复合材料板的至少一部分去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠。在某些有优势的实施例中，所述方法控制工件的一种或多种材料内的热积聚，同时限制区域周围的再沉积材料的积聚。

本申请提供了一种加工包括图案和复合材料基片的方法的实施例。图案可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在一些实施例中，所述方法包括用包括在从约10ps到约500ps的范围内的脉冲宽度的激光脉冲修改图案中的至少一部分，并且用包括在从约100fs到约10ps的范围内的脉冲宽度的激光脉冲修改复合材料中的至少一部分。

本申请提供了一种激光加工具有复合材料的多材料工件的方法的实施例。在一些实施例中，所述方法包括以在从几十(即大于十)kHz到约10MHz的范围内的脉冲重复率并以足够高的重复率将激光脉冲聚焦并导向工件的一区域，使得从所述区域有效地去除材料并且相对于以低于约100kHz的较低重复率可获得的量限制了在所述区域内或区域附近不想要的材料的量。

在其它实施例中，提供了激光加工具有复合材料的多材料工件的方法。复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。在一些所述实施例中，所述方法包括以一相对速率在相对于工件的至少一种靶材料使聚焦激光脉冲相对运动的过程中用聚焦激光脉冲反复照射工件的至少一种靶材料。激光脉冲的脉冲重复率可在至少约几十(即大于十)kHz到约10MHz的范围内，并且相对速率可在约1mm/s到约20m/s的范围内。在所述方法的不同实施例中，聚焦激光脉冲中的至少一些与至少一个其它脉冲具有非零空间重叠因子，脉冲宽度小于约1ns，脉冲能量在约100nJ到约25μJ的范围内，聚焦（1/e²）光斑尺寸在约5μm到约50μm的范围内，并且靶材料处的能量密度在约0.25J/cm²到约30J/cm²的范围内。

本发明披露了一种加工多材料工件的方法的实施例。所述工件可包括复合材料板和图案，并且所述图案可包括电子电路，所述电子电路包括电介质材料和/或金属材料。复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。在一些实施例中，所述方法包括用激光脉冲序列照射工件，其中序列中的至少两个脉冲具有被应用于工件的不同材料的不同特征。所述方法还包括控制HAZ，使得在去除电介质材料和金属材料中的至少一种的过程中所产生的至少一个HAZ相对于在去除复合材料的一部分的过程中所产生的至少一个HAZ在深度上增加。

本发明披露了一种加工包括图案和复合材料板区域的工件的方法的实施例。复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。图案可包括电介质材料和金属材料。在一些实施例中，所述方法包括用聚焦激光脉冲修改图案中的至少一部分，其中至少一个聚焦脉冲包括在约100fs到约500ps的范围内的脉冲宽度。所述方法还包括在所述图案的所述部分中积聚足够的热量以减少或避免电介质材料从金属材料脱层。

本发明提供了一种用于划片、切割、切片或加工具有复合材料的多材料工件的基于激光的系统的实施例。复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。在一些实施例中，基于激光的系统包括光学脉冲源和光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大到脉冲能量为至少约1μJ并且产生输出光学脉冲，所述输出光学脉冲具有在从约500fs到几百(即至少大于一百)皮秒的范围内的至少一个脉冲宽度。所述系统还可包括调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成将输出光学脉冲的重复率调节成在从约几十(即大于十)kHz到约10MHz的范围内；和光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦并传送到所述工件，使得脉冲光束被聚焦成在从约15μm到约50μm的范围内的光斑尺寸（1/e²）。所述系统还可包括定位系统，所述定位系统被设置成以在从约1mm/sec到约20m/sec的范围内的相对速度相对于工件中的一种或多种材料定位所述光束；和控制器，所述控制器被设置成被连接到至少所述定位系统。所述控制器可被设置成在以所述重复率加工工件的过程中控制相邻聚焦光束之间的空间重叠。

本文提供了一种用于划片、切割、切片或加工具有复合材料的多材料工件的基于激光的系统的实施例。复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。所述系统的实施例包括光学脉冲源和光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大并且产生输出脉冲，所述输出脉冲具有在从几十(即大于十)飞秒到约500皮秒的范围内的至少一个脉冲宽度。所述系统还可包括调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成使输出光学脉冲的重复率在从至少约1MHz到小于约100MHz的范围内。所述系统还可包括光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦并传送至工件，使得脉冲光束被聚焦成至少约5微米的光斑尺寸（1/e²）；和定位系统，所述定位系统被设置成相对于多材料工件定位脉冲激光束，以便在工件的一种或多种材料上或内产生光斑重叠。在不同实施例中的光斑重叠在所述重复率和光斑尺寸可以为至少约95%。

本发明提供了一种用于切割、切片、划片或在具有复合材料的工件上或内形成结构的系统的实施例。所述复合材料可包括结构化特性增强材料和结构固定材料。在一些实施例中，所述系统包括脉冲激光系统，所述脉冲激光系统被设置成在聚焦激光脉冲相对于工件的运动过程中，用聚焦激光脉冲重复照射材料的至少一部分。所述激光脉冲具有脉冲重复率。所述重复率可以在约100kHz到约5MHz的范围内并且足够高到足以有效地从靶位置去除材料的可观的深度部分并限制靶位置周围不需要的材料的积聚。所述系统还可包括光束传送系统，所述光束传送系统被设置成聚焦和传送激光脉冲；和定位系统，所述定位系统被设置成在运动过程中相对于所述复合材料基片定位所述激光脉冲。所述定位系统可包括光学扫描仪、基片定位器中的至少一个或两者。在一些实施例中，控制器被设置成被连接至所述脉冲激光系统、光束传送系统和定位系统。所述控制器可被设置成以所述重复率在加工工件的过程中控制相邻聚焦激光脉冲之间的空间重叠。

示例性实验结果

与ns脉冲相比用超短脉冲的切割示例

进行实验来比较用超短脉冲和纳秒脉冲得到的切割结果。所用的系统结构与图6A示意性所示的系统相似。在这些实验中，激光系统104包括D-10K激光器以提供超短脉冲并且包括基于光纤的ns激光器装置以提供ns脉冲；两种激光器的制造商均是IMRAAmericaInc.（AnnArbor，Michigan）。

图6A中示意性地示出了实验结构。对于超短脉冲实验，激光系统104提供大于10μJ的可用脉冲能量，脉冲宽度在从约500fs到约500ps的范围内，并且重复率超过100kHz。所述实验系统的激光器参数可不同，尽管并不必然所有的参数彼此独立(无关)。例如，脉冲能量影响最小可实现的脉冲宽度。在一些实验中，基片表面处的聚焦光斑尺寸为约15μm，在能量为约10μJ提供约5-6J/cm²的平均能量密度和约1013W/cm²的功率密度。在一些实验中，在重复率为500kHz，由系统产生的平均功率为约5W。

系统的照片在图6B中示出。实验设置包括排烟装置614，所述排烟装置可操作地去除在加工过程中产生的颗粒烟雾。排烟装置614以约350立方英尺/每分钟的排烟速率工作。实验设置包括XYZ运动系统610。

测量工具、方法和说明

图7示意性地示出了一种示例技术，用于量化加工质量以便获得烧蚀量和接近于加工位置的再沉积量的近似值。对于一些加工应用，沟深度相对于重铸峰值或平均高度的粗略测量结果可能足够量化激光(器)参数对加工质量的影响。不过，对于其它加工应用，表征已去除的材料的量对比重铸的材料的量可能更准确。

作为示例，图7示意性地示出了用于量化工件的基于激光的材料加工的一种可能方法。从所获得的沟的截面图可见，例如，通过扫描电子显微镜（SEM），烧蚀面积通过将三角形拟合到沟的竖直等分线的形状来近似（图7中的阴影三角形）。三角形近似还被用于近似重铸材料的量（图7中的交叉阴影三角形）。从而通过三角形烧蚀面积对三角形重铸面积的比率来量化沟（或其它结构）质量。在下面的示例结果中，使用了从JEOLUSA，Inc.（Peabody，Massachusetts）可购得的JEOLJSM6060SEM。利用自动或半自动工具，例如全自动SEM系统、白光干涉仪、表面轮廓仪和/或原子力显微镜可获得其它的测量结果。

在一些情况，通过用多边形围住所述区域来近似沟和重铸物并由多边形的面积估计所述区域来估计烧蚀面积。在不同的实施例中，多边形可具有3,4,5,6,7,8或更多侧。在其它的实施例中，可采用不同的形状来估计沟和/或重塑物面积。例如，可通过仿样、最佳拟合曲线等来近似得到结构的截面轮廓。在其它的实施例中，可通过”拟合”结构（例如，大体类似于利用梯形法则或辛普森法则(Simpson’srule)在曲线下近似区域）的多个几何形状（例如，矩形、梯形等）的求和面积来估计沟和/或重铸物面积。可使用各种各样的数值技术来估计面积。

基于示例性实验结果的观察

D-10K激光器产生超短脉冲串，重复率为1MHz并且平均功率为10W，对应脉冲能量为约10μJ。脉冲持续时间为约0.5ps（500fs）并且中心波长为约1045nm。为了证实非线性吸收的效应（可提供对HAZ的测量），在这些实验中纳秒光纤激光器还被用于加工复合材料。ns光纤激光器的中心波长为约1066nm并且脉冲持续时间为约20ns，明显长于D-10K激光器的500fs脉冲。ns激光器的脉冲重复率被设定在14kHz，在平均功率为440mW下，对应于脉冲能量为约31μJ。使用D-10K超短脉冲激光器的示例性实验结果在图7A-7D中示出，而使用ns激光器的示例性实验结果在图8A-8C中示出。

在这些实验中，工件是包括G10/FR4复合材料的5mil（125μm）厚的PCB片材700。激光通常被聚焦到工件上，具有的聚集光斑直径为约30μm。通过3D运动平移台控制靶的位置。在这些实验中，通过改变围绕焦点的样本位置得到最佳聚焦条件以实现最大功率密度。通过烧蚀具有不同样本高度的测试图案来表征功率密度。

图7A和7B示出了由超短脉冲激光器沿着切割线702切割的G10/FR4样本700的光学显微镜图像。在该实验中，通过检流计扫描镜108提供约200mm/s的扫描速度，并且重复扫描四次。应当理解，对于该复合材料加工，对镜108可以另外添加和/或可替换的使用平移台。图7A提供了切割线702的俯视图，对应于完全切过复合材料700。切口702包括宽度为约40μm的切穿区域701。切割线702还包括沿着切穿区域701的边缘设置的窄部分705。相信（尽管不要求）窄部分705至少部分由去除复合材料700的聚酰亚胺顶层而产生，这是由于在强度的高斯分布中离开激光光斑的中心的较低光束强度，以及部分由从切穿区域701重铸环氧玻璃材料而产生。

图7B示出了工件的部分分离(脱开)部分的切割线702的边缘视图。与图8A和8B中所示的ns激光切割示例相比，超短脉冲激光提供更清晰的切割边缘，在切割表面上几乎没有或没有重铸物或残留物。当ns激光用于包括环氧树脂的复合材料时（例如，在实验中所用的示例G-10/FR-4工件），由于过热环氧树脂的汽化，热效应可能在切割表面上产生空隙，如K.C.Yung等人，J.Mater.ProcessTechnology，122,278（2002）中所披露。相反的，图7A和7B中的示例结果显示当通过高重复率超短脉冲激光加工时在切割表面上几乎没有（如果有的话）空隙。该优点有望机械加强切割边缘。

在图7C中示出了包括G-10/FR-4的复合材料工件的吸收能力的透射(传输)测量结果。在约500nm处找到吸收边缘，在大于吸收边缘并且到约2700nm的波长范围内具有相对透明的状态。该示例工件在接近约1000nm的IR波长处是相对透明的。图7C中在约1045nm处的竖直线表示用于一些超短脉冲实验的IR波长。用于透射(传输)测量实验的靶材料不是光学平的和同质的，这可能至少部分解释了在图7C中的曲线上观察到的振荡。图7中所示的曲线支持（但不要求）一种合理的假设，对于波长范围实质低于500nm处的吸收边缘，线性吸收在该工件中起作用。约200nm到约360nm的波长的UV范围可由激光源的基IR波长（约1000nm）的谐波产生而实现并且很好地匹配线性吸收范围。对于长于吸收边缘的波长，该工件是相对透明的，并且线性吸收会比非线性吸收过程在吸收激光上倾向于起更小的作用。因此，当用高功率激光脉冲照射该示例工件时，非线性吸收过程会倾向于超过线性吸收过程起主导作用，至少在波长大于约500nm的吸收边缘。因此，使用基IR波长在约1μm和高功率密度对于激光加工该工件的复合材料可能是有利的。

图7D是示出用于切割复合材料工件的超短脉冲激光加工示例的峰值强度对激光束的半径的曲线图。工件包括由聚酰亚胺顶层涂覆的环氧玻璃纤维层。通过改变激光光斑尺寸（例如，在水平轴上示出的激光束半径）调节峰值强度（在垂直轴上示出）。从这些示例结果可以估计示例工件的烧蚀阈值。通过改变工件上激光光斑的尺寸同时将脉冲能量保持在恒定值来获得图7D中所示的示例实验结果。插图710和715是激光加工后工件的区域的显微镜照片。插图710,715中可见的每个环对应于已烧蚀聚酰亚胺的边缘并示出了已烧蚀聚酰亚胺材料的尺寸。插图710和715示出了在本示例中，开始烧蚀玻璃纤维层发生在峰值强度为约1TW/cm²，这在这些示例实验中可能对应于非线性吸收的阈值。例如，插图715显示在聚酰亚胺顶层725下的玻璃纤维层721高于阈值并且在约3-4TW/cm²的峰值强度被烧蚀，例如，如通过接近或稍高于玻璃纤维层的阈值的光斑分布的峰值所示。玻璃纤维区域723低于阈值并且在插图715中没有明显的玻璃纤维区域723的大量材料改性。相反，聚酰亚胺顶层725的阈值强度明显低于玻璃纤维层的阈值强度并且在这些实验中被烧蚀（例如，在插图710、715中所示的环内）。插图710显示在接近约1TW/cm²的较低峰值强度，在接近光斑分布的中心的小区域中玻璃纤维层727非常接近于烧蚀阈值。因此，玻璃纤维层727事实上没有损伤，除了在插图710的中心附近示出的小区域的改性材料。

图8A和8B示出了实验的光学显微镜图像，其中通过上文所述的ns激光器切割G10/FR4样本。注意样本尤其是环氧树脂在约1060nm处不是完全透明的并且显示某种不透明性导致弱的线性吸收IRns脉冲的一些能量。加工参数包括平移速度为约1mm/sec，2次加工通过，大于约99%的光斑重叠，和14kHz重复率。相信（尽管不要求）该弱的线性吸收引起材料改变，导致线性和非线性吸收范围的进一步级联吸收。如上文所述，相信（尽管不要求）线性吸收对ns脉冲烧蚀具有更具决定性的影响。通过超短脉冲可以减少用于烧蚀的能量，并且在这些示例中申请人估计与超短脉冲相比通过ns脉冲完全切割工件使用了事实上4倍高的累积脉冲能量。该估计至少部分基于ns和超短脉冲结果之间在这些实验中所用的重复率、脉冲能量、扫描速度和通过次数上的差异。

图8A示出了在本示例实验中切割线802的俯视图。观察到的切口803的宽度是约90μm，是图7A中所示的切穿区域701的宽度的两倍之上。切割线802示出了沿着切口803的两边缘约400μm宽的HAZ807。图8A还示出了HAZ中明显存在熔化的重铸物804。图8A中还示出了扩展的HAZ805。扩展通过ns脉冲产生的热量而不烧蚀靶材料也可对切口803和/或HAZ805、807的宽度有贡献。

图8B示出了部分脱离样本的切割线802的边缘视图811，示出了重铸物和残留物。由于通过ns脉冲过度加热，环氧树脂可能燃烧和收缩，变成碳，并导致重铸物。这种过度加热还导致光纤从切割表面突出和不均匀的切割线。通过比较图7A和8A，很明显超短脉冲激光切割（参见，例如图7A）提供例如通过碳化或变黑区域确定的更窄切口和/或HAZ。对于激光加工高密度电路PCB封装，减小的切口宽度、减少的碳(化)和/或减小的HAZ可能是有利的。

为了证实图7A和7B中所示用于PCB层的全切的烧蚀机构与线性吸收相比更多地依赖于非线性吸收，图8C示出了在与用于图7D所示的超短脉冲加工相同的工件上的IR纳秒脉冲加工的结果。通过纳秒脉冲产生的能量密度被设定比对应于用500fs脉冲的玻璃纤维层的烧蚀阈值的能量密度高四倍之上。在图8C中没有观察到玻璃纤维层812的明显材料改性；仅烧蚀了聚酰亚胺顶层813。烧蚀区域的边界815包含熔化的聚酰亚胺，并且区域中的液滴817是明显的。相信（但不要求）这些结果由纳秒脉冲的过量HAZ产生，这在对全切的能量密度增加时降低了干净利落的切割。

尽管ns激光器提供比D-10K超短脉冲激光器更高的脉冲能量，ns激光脉冲由于其更长的脉冲宽度具有低的多的峰值强度。结果，在这些实验中，使用ns脉冲比使用超短脉冲更难以获得烧蚀并且效率更低。此外，由于ns激光比超短脉冲激光在样本上产生更多的热量，通过ns激光的最初切割在切割线周围产生碳化。碳化区域可增加激光束的吸收，进一步对激光光斑的周围区域加速形成碳化和熔化重铸物。因此，当用ns脉冲加工复合材料时，可产生不均匀的切割线。

K.C.Yung等人在J.Mater.ProcessTechnologyvol.122,p.278(2002)中建议可以优选UV激光器以减少热积聚和减少HAZ。图7A-7D中所示的示例实验结果表明，使用近IR波长（例如，在从约1μm到约1.1μm的范围内）的超短脉冲激光可有优势地提供几乎无HAZ的切割表面和减少的碳化。与K.C.Yung等人中所披露的切割相比（并且与图8A和8B中所示的切割的质量相比），图7A和7B中所示的切割702的质量提高了。

本发明系统和方法的实施例可提供其它优势。例如，使用基IR光束的实施例不仅相比于使用谐波产生以形成短UV波长的系统减少了系统的复杂性，而且还大大增加了具有高重复率的激光源的工作功率。在一些材料加工实施例中，增加的工作功率提供高处理量。此外，保持UV脉冲产生可限制由于谐波晶体的降低（尤其是在较短波长）的UV激光源的成本和可靠性。此外并且对于一些实施例可能更为重要的是，使用非UV激光束（例如，可见或IR光束）提供对于一些材料不使有机树脂聚合的优势。

在X.C.Wang等人，OpticsandLasersinEngineering46,404(2008)的结果中所示的一些实验切割是通过25-30ns脉冲并以激光光斑的高重叠比获得的。申请人的实验显示了令人惊讶的结果，其中具有高光斑重叠比的超短脉冲（例如，大于约50%，例如具有25μm的光斑直径和1000mm/sec的单扫描速度）可提供与用25-30ns脉冲的Wang’结果相比提高的切割质量。因此，申请人相信高光斑重叠比可能在一些实施例中对高重复率超短脉冲串的高处理量加工是希望的。当例如采用光斑重叠大于约99%（在一些示例实验中）并且激光束功率密度足够使脉冲被非线性吸收过程在复合材料中吸收时，超短激光脉冲加工的实施例可导致高质量无HAZ（从碳化角度）和直线切割。因此，在一些实施例中，可以进行环氧(树脂)和玻璃纤维增强PCB的高速、高质量激光切割，这可能对于高速PCB设计是尤其有益的。

根据通过超短脉冲和ns激光脉冲切割G10/FR-4材料的这些示例实验结果，申请人相信超短脉冲激光切割可能在某些材料加工实施例中对于激光切割复合材料具有很好的特性。这些很好的特性预期对于下述复合材料可以找到，所述复合材料包括但不限于FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3和CEM-4。

本文所述的示例示出了激光加工某些复合材料的实验结果。超短激光脉冲加工的系统和方法的实施例提供了按照减少的崩缺、碳化、脱层和/或更均匀的切割部分和(切割)线测得的高切割质量。某些所述实施例与更长脉冲（例如，>ns）实施例相比，有利地减少了过度的切口尺寸、激光光斑区域外部的过度热量和/或与电介质材料相关的重铸熔化碎屑。通过偏离传统观念的使用在UV波长的较长脉冲（例如，>ns脉冲）通过高度线性吸收和几乎没有或没有光斑重叠，某些本文所述的示例技术和示例系统对超短激光加工提供了令人惊讶的结果。本文所述的不同实施例提供实现至少下述列项的可能性：i）大于约90%的高光斑重叠比、以及高平均功率和高重复率激光源用于提高加工处理量；和/或ii）通过利用非线性吸收控制HAZ。在不同的实施例中，采用了超短激光脉冲，其中波长长于材料中的线性吸收边缘。在一些实施例中，IR和/或IR波长的二次谐波（线性吸收系数较低）可被用于激光加工复合材料。用于加工复合材料的实施例可有利地利用非线性吸收作为吸收光的主要过程（相比于线性吸收过程），可能的例外（在一些实施例中）是加工金属材料（在一些情况可利用线性吸收过程）。此外，在不同的实施例中，可利用与用于加工复合材料的加工参数中的一些或全部基本相同或明显不同的加工参数（例如，功率密度、空间重叠、扫描速度、脉冲能量、脉冲重复率等）提供金属材料的激光加工。在至少一个实施例中，已经进行了切割包括混合有环氧树脂的玻璃纤维补强物的薄印刷电路板。

其它实施例

在一些实施例中，基于激光的加工系统的光学参数可包括下述的一个或多个：

在从约0.5μm到约2μm的范围内的波长；在从约0.9μm到约1.1μm的范围内的波长；在从约1μm到约1.5μm的范围内的波长；约1045nm的波长；在电磁光谱的红外或可见部分中的波长；对应于基于激光的加工系统的基输出波长的波长；

在复合材料对激光脉冲相对透明的范围内的波长；

在大于复合材料的吸收边缘的范围内的波长；

在对于激光脉冲非线性吸收过程明显大于线性吸收过程的范围内的波长；

工件的峰值强度大于约10¹²W/cm²，并且在不同的实施例中在从约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内；

工件的峰值强度为至少约10⁹W/cm²，或在从约10¹⁰W/cm²到约10¹²W/cm²的范围内；

可提供通过高重复率加工的峰值强度，例如重复率在从约1MHz到约1GHz的范围内；

工件的功率密度可大于复合材料中的一材料的烧蚀阈值；对于不同的复合材料，所述烧蚀阈值可大于约10⁹W/cm²，例如，约1TW/cm²。

脉冲持续时间可在从约100fs到约10ps的范围内；

脉冲持续时间可为约100fs、约500fs、约1ps、或约10ps；

相邻光斑（1/e²）之间的空间重叠可为至少约50%、至少约80%、至少约90%、至少约95%、至少约98%、或至少约99%；

复合材料工件的厚度可小于约1000μm、小于约500μm、小于约400μm、小于约300μm、小于约200μm、或小于约100μm。复合材料可包括玻璃和环氧树脂。

披露了一些实施例，其中在从约1μm到约1.5μm的范围内的近IR波长提供了上文所述的很好的结果（例如，与用较长脉冲加工相比）并且可通过目前商用可购得的基于光纤激光的系统实施。

在用于多材料加工的一些实施例中，其中应用表示需求，超短脉冲激光器（例如，fs激光器）可与其它激光器包括nsUV激光器结合使用。

在一些实施例中，可采用产生谐波生成的可见或近UV激光脉冲的超短脉冲基于激光的系统。例如，Lai的美国专利6,210,401披露了产生皮秒UV脉冲用于烧蚀有机材料，而且还建议了所披露的设置还可用于在电路维修、掩膜制备和维修、和直写电路的领域中的微电子器件的应用。根据本文的教导，基于超短光纤的激光系统可为基波长提供合适的源，所述基波长被谐波转换成短波长以满足不同的应用要求。

本文所述的示例实验、实验数据、表格、图片、图表、照片、附图、和加工和/或操作参数（例如，值和/或范围）应当被理解成是所披露的系统和方法的操作条件的说明，而不应当被理解成是对本文所述的方法和系统的不同实施例的操作条件的限制。此外，本文所述的实验、实验数据、计算的数据、表格、图片、图表、照片、附图、和其它数据演示了所述系统和方法的实施例可有效操作以产生一个或多个希望的结果的不同范围。所述操作范围和希望的结果不仅限于例如在表格、图片、图表、附图或照片中所示的操作参数、条件或结果的特定值，而且还包括合适的范围，所述合适的范围包括或涵盖(跨越)这些特定的值。因此，本文披露的值包括在表格、图片、图表、附图、照片等中所列或所示的任意值之间的值的范围。此外，本文披露的值包括可能由表格、图片、图表、附图、照片等中所列或所示的其它值演示的在表格、图片、图表、附图、照片等中所列或所示的任何值之上或之下的值的范围。此外，尽管本文披露的数据可建立用于某些实施例的一个或多个有效的操作范围和/或一个或多个希望的结果，但应当理解并非每个实施例需要在每个所述操作范围中工作或需要产生每个所述希望的结果。此外，披露的系统和方法的其它实施例可在其它操作范围进行操作和/或产生其它结果，所述其它操作范围和其它结果不同于结合本文的示例实验、实验数据、表格、图片、图表、照片、附图和其它数据所示和所述。

其它系统、设置、和参数可用于其它实施例，可能具有相同或不同的结果。很多变化例是可能的并且被认为在本发明的范围内。可以添加、除去、组合或重新排列薄膜、层、部件、特征、结构、和/或元件。此外，可以添加、除去、或重新排序过程或方法步骤。对于每个实施例，没有单个特征或步骤、或特征或步骤的组是必不可少的或者是必须的。

本文披露的方法的某些加工步骤或动作可通过硬件、软件、或固件实施，所述硬件、软件、或固件可通过一个或多个通用和/或专用计算机、处理器或控制器执行，包括一个或多个浮点门阵列（FPGA）、可编程逻辑器件（PLD）、专用集成电路（ASIC）和/或任何其它合适的处理装置。在某些实施例中，由控制器或控制装置提供的一个或多个功能可被实施为可通过一个或多个处理装置执行的软件、指令、逻辑和/或模块。在一些实施例中，所述软件、指令、逻辑和/或模块可储存在计算机可读媒介上，所述计算机可读媒介包括在物理储存装置上实现的储存媒介和/或便于传递信息的通信媒介。在不同的实施例中，披露的方法中的一些或全部步骤或动作可通过一个或多个处理装置自动执行。很多变化例是可行的。

为了本发明，在本文中披露了某些方面、优势和新颖性特征。应当理解，根据任何特定的实施例，不必然所有所述的优点可被实现。因此，例如，本领域的技术人员会认识到，所述系统和方法可能通过实现本文披露的一个优点或一组优点而不必然实现本文披露或建议的其它优点的方式被体现或执行。此外，实施例可包括若干新颖性特征，没有单个特征单独负责实施例的希望特性或对实施本文披露的系统和方法是必不可少的。此外，在本文披露的任何方法或过程中，所述方法或过程的动作或操作可按照任何合适的顺序进行而不必然限于任何特定的披露的顺序。

本文所用的条件性语言，例如，除其它外，“可以(can)”，“可(could)”，“可能(might)”，“可能(may)”，“例如(e.g.)”等，除非特别说明或在上下文中有其它理解意思，一般旨在表达某些实施例包括而其它实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，所述条件性语言一般不旨在暗示对于一个或多个实施例无论如何要求特征、元素和/或步骤或者一个或多个实施例必然包括用于决策（有或没有作者的输入或提示）是否这些特征、元素和/或步骤被包括或在任何具体的实施例中被执行的逻辑。术语“包括(comprising)”，“包括(including)”，“具有(having)”等是同义的并且是以开放式的方式包含性的使用，并且不排除其它元素、特征、动作、操作等等。此外，术语“或(or)”是以包含性的含义（而非以排他性含义）使用，以便当例如用于连接一系列元件(元素)时，术语“或(or)”表示该列中的元件(元素)中的一个、一些或全部。

尽管已经描述了本文所述的发明的某些实施例，但这些实施例仅是以示例的方式呈现，并且不旨在限制本文所述发明的保护范围。贯穿本发明提及的“一些实施例”、“实施例”等表示结合实施例所述的具体特征、结构、步骤、过程或特点被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本发明的短语“在一些实施例中”、“在(一个)实施例中”等的出现不必然全部是指相同的实施例并且可指相同或不同实施例中的一个或多个。事实上，本文披露的新颖的方法和系统可通过不同的其它形式体现；此外，在不偏离本文所述发明的精神的前提下，可通过本文披露的方法和系统的形式进行改变。

Claims (52)

1.一种划片、切割、切片或加工以便从具有复合材料的工件的区域去除材料的方法，其中所述复合材料包括具有不同光学特性的至少两种非金属材料，所述方法包括：

将激光脉冲导向所述工件的所述复合材料，所述复合材料包括至少一部分基材和至少一部分补强物，其中基材环绕和支撑补强物，所述复合材料包括增强纤维，所述激光脉冲具有至少一个脉冲宽度在从大于十飞秒到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率在从大于十kHz到约10MHz的范围内；

将所述激光脉冲聚焦成激光光斑，所述激光光斑的光斑尺寸(1/e²)在从大于1微米到约100μm的范围内，其中至少一个所述激光脉冲提供的功率密度高于用于以所述至少一个激光脉冲的波长在复合材料的增强纤维的非线性吸收的阈值；其中所述功率密度在约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内，和

相对于所述工件定位所述激光光斑，使得用于去除所述复合材料的相邻聚焦光斑(1/e²)之间的空间重叠足以用于在所述波长、脉冲宽度、重复率和功率密度划片、切割、切片或加工所述工件，

其中所述方法控制所述工件区域的一种或多种材料内的热积聚，同时限制所述区域周围不需要的材料的积聚；

其中所述划片、切割、切片或加工所述工件包括通过所述激光脉冲以激光加工脉冲相对于所述复合材料的单次通过，通过所述功率密度并在非线性吸收范围作业，在深度上去除至少约25μm的复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的所述复合材料包括材料结构及其基质材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件还包括非复合材料，所述非复合材料被设置成与所述复合材料接触，并且所述方法还包括去除所述非复合材料中的至少一部分。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非复合材料包括金属。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述非复合材料包括聚合物。

6.根据权利要求3所述的方法，其中冲击所述非复合材料的脉冲的能量密度高于对应于在所述波长线性吸收的单脉冲烧蚀阈值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约0.5μm到约2μm的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约1μm到约1.5μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约0.9μm到约1.1μm的范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件还包括至少两层非复合材料，并且所述复合材料被设置在所述至少两层非复合材料之间，并且所述方法还包括从所述非复合材料的至少一层去除所述非复合材料的至少一部分。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的厚度小于约1000μm。

12.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个脉冲的能量密度在从约0.01J/cm²到约10J/cm²的范围内，并且所述定位包括以在从约1mm/sec到约0.5m/sec的范围内的速度相对于所述聚焦光斑移动所述复合材料。

13.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个激光脉冲的脉冲能量在约0.1μJ到约500μJ的范围内，其中所述脉冲能量至少部分由所述光斑尺寸和所述重复率确定。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光脉冲通过超短脉冲激光系统输出。

15.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲宽度在从大于十飞秒到约1ps的范围内。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲包括一脉冲序列并且至少两个相应激光光斑的空间重叠为至少约50％，其中所述脉冲序列当被定位以冲击所述工件的所述复合材料的至少一部分时，所述脉冲序列提供深度为约30-300μm的去除，其中所述光斑尺寸在从约10-100μm的范围内。

17.根据权利要求2所述的方法，其中所述材料结构及其基质材料增强所述工件的机械特性。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述机械特性包括工件的刚性。

19.根据权利要求2所述的方法，其中所述材料结构及其基质材料包括玻璃织物。

20.根据权利要求2所述的方法，其中所述材料结构及其基质材料包括毛面玻璃。

21.根据权利要求2所述的方法，其中所述材料结构及其基质材料包括棉纸。

22.根据权利要求2所述的方法，其中所述基质材料包括环氧树脂。

23.根据权利要求2所述的方法，其中所述基质材料包括聚合物。

24.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的复合材料选自由FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4和CEM-5构成的组。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的复合材料选自由(a)玻璃织物和环氧树脂，(b)毛面玻璃和聚酯，(c)棉纸和环氧树脂，和(d)玻璃织物和聚酯构成的组。

26.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括印刷电路板。

27.根据权利要求1所述的方法，其中有图案的金属层被沉积在所述工件上。

28.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括薄层的聚合物，用于保护所述工件的复合材料。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括低-k材料层。

30.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间重叠为至少约90％。

31.根据权利要求1所述的方法，其中所述重复率在从约100kHz到10MHz的范围内。

32.根据权利要求1所述的方法，其中用于划片、切割、切片或加工所述复合材料的能量密度明显小于在所述波长脉冲宽度为至少约1ns的脉冲的能量密度。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述能量密度比在所述波长脉冲宽度为至少约1ns的脉冲的能量密度小至少约四倍。

34.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长长于对应所述复合材料的线性吸收的吸收边缘。

35.一种用于划片、切割、切片或加工具有复合材料的工件的基于激光的系统，其中所述复合材料包括具有不同特性和功能的至少两种不同的材料，所述基于激光的系统包括：

所述工件，其中所述工件的复合材料包括至少一部分基材和至少一部分补强物，其中所述基材环绕和支撑补强物，所述复合材料包括增强纤维，

光学脉冲源，至少一个脉冲的波长长于所述工件的所述复合材料的线性吸收边缘；

光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大成脉冲能量为至少约1μJ并且产生具有至少一个脉冲宽度在从约10fs到几百皮秒的范围内的输出光学脉冲；

调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成将所述输出光学脉冲的重复率调节成在从大于1kHz到约10MHz的范围内；

光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦并传送至所述工件，其中脉冲光束被聚焦成在从约10μm到约100μm的范围内的光斑尺寸(1/e²)；所述聚焦光束提供的峰值功率密度高于在所述激光脉冲的波长在所述复合材料的所述增强纤维中的非线性吸收的阈值，其中所述功率密度在约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内；

定位系统，所述定位系统被设置成以在从约1mm/sec到约20m/sec的范围内的速率相对于所述工件定位所述光束；和

控制器，所述控制器被设置成连接至至少所述定位系统，所述控制器被设置成在以所述重复率加工所述工件的过程中控制相邻聚焦光束之间的空间重叠，

其中所述划片、切割、切片或加工所述工件包括通过所述激光脉冲以激光加工脉冲相对于所述复合材料的单次通过，通过功率密度并在非线性吸收范围中作业，在深度上去除至少约25μm的复合材料。

36.根据权利要求35所述的系统，其中所述光学放大系统可操作地产生脉冲能量可达到约20μJ的输出脉冲并且产生可达到约10W的平均功率。

37.根据权利要求35所述的系统，其中所述光学脉冲源包括光纤振荡器并且所述放大系统的一个或多个放大器是光纤放大器，并且其中所述振荡器和放大系统被设置为全光纤设计。

38.根据权利要求35所述的系统，其中所述光学脉冲源包括光纤激光器、光纤放大器、被动调Q微芯片激光器、和锁模振荡器中的至少一个。

39.根据权利要求35所述的系统，其中所述基于激光的系统可操作以在传送的脉冲光束的聚焦光斑尺寸内提供至少约0.25J/cm²的能量密度。

40.根据权利要求39所述的系统，其中所述能量密度为至少约0.01J/cm²。

41.根据权利要求35所述的系统，其中所述脉冲能量在约1μJ到约1000μJ的范围内。

42.根据权利要求35所述的系统，其中所述重复率在从约10kHz到约5MHz的范围内。

43.根据权利要求35所述的系统，其中所述波长在从约0.5μm到约2μm的范围内。

44.根据权利要求35所述的系统，其中所述波长在从约1μm到约1.5μm的范围内。

45.根据权利要求35所述的系统，其中所述波长在从约0.9μm到约1.1μm的范围内。

46.根据权利要求35所述的系统，其中所述波长是所述系统的基输出波长。

47.一种划片、切割、切片或加工以便从多材料工件的区域去除材料的方法，所述方法包括：

将激光脉冲导向多材料工件中的至少一种材料，所述激光脉冲的脉冲宽度在从大于十飞秒到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率为大于十kHz到约10MHz，所述工件包括金属材料和复合材料，所述复合材料包括至少一部分基材和至少一部分补强物，其中所述基材环绕和支撑补强物；所述复合材料包括增强纤维；

将所述激光脉冲聚焦成光斑尺寸在从大于1微米到约50μm(1/e²)的范围内的激光光斑；

选择性地调节所述激光光斑的空间重叠以便去除所述至少一种材料的至少一部分；和

以在从约1mm/s到约20m/s的范围内的速度相对于所述至少一种材料定位所述激光光斑，

其中所述方法控制所述工件的一种或多种材料内的热积聚，同时限制所述区域周围再沉积材料的积聚，和

其中用于划片、切割、切片或加工所述复合材料的激光脉冲具有的功率密度高于在所述复合材料的增强纤维中的非线性吸收的阈值，其中所述功率密度在约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内，并且用于去除所述复合材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠大于约50％，

其中所述划片、切割、切片或加工所述工件包括通过所述激光脉冲以激光加工脉冲相对于所述复合材料的单次通过，通过功率密度并在非线性吸收范围中作业，在深度上去除至少约25μm的复合材料。

48.根据权利要求47所述的方法，其中用于去除所述金属材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠明显大于用于去除所述复合材料的至少一部分的相邻聚焦光斑之间的空间重叠。

49.根据权利要求47所述的方法，其中用于划片、切割、切片或加工所述金属材料的所述激光脉冲的功率密度低于在所述金属材料中非线性吸收的阈值。

50.根据权利要求47所述的方法，其中所述脉冲的波长在从约0.5μm到约2μm的范围内。

51.根据权利要求47所述的方法，其中所述脉冲的波长在从约1μm到约1.5μm的范围内。

52.根据权利要求47所述的方法，其中所述脉冲的波长在从约0.9μm到约1.1μm的范围内。