CN103252576B - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光加工装置及激光加工方法，该激光加工装置能够减轻远心误差的影响并形成所希望的形状的孔。本发明的激光加工装置的光束扫描器扫描从激光光源射出的脉冲激光束。在载物台与光束扫描器之间的激光束的路径上配置有远心fθ透镜。聚焦面移动机构使远心fθ透镜的聚焦面的高度相对于由载物台保持的加工对象物的表面变化。控制装置控制光束扫描器及激光光源，使多条激光脉冲分别入射到在加工对象物的表面上划定的多个加工点。进而，在入射于各加工点的激光脉冲的最初发射至最后发射期间，至少控制1次聚焦面移动机构来改变聚焦面的高度。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过远心fθ透镜使由光束扫描器扫描的激光束入射于加工对象物来进行加工的激光加工装置及激光加工方法。
背景技术
印制基板的开孔加工中使用组合了电流扫描仪和远心fθ透镜的激光钻孔。激光束垂直入射到可扫描范围内的任意位置，因此能够在扫描范围的中心与周边形成形状偏差较少的孔。
专利文献1：日本特开2000-301374号公报
若使用远心fθ透镜，则最好是激光束垂直入射到可扫描范围内的任何位置。然而，在可扫描范围的周边部附近产生远心误差，从而存在激光束的入射角从90°稍微偏离的情况。当所形成的孔较浅时，即使激光束的入射角从90°稍微偏离问题，也不会明显化。若所形成的孔变深，则有时因激光束的入射角的偏离的影响，所形成的孔的中心轴相对于基板表面倾斜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减轻远心误差的影响并形成所希望的形状的孔的激光加工装置及激光加工方法。
依据本发明的一观点，提供一种激光加工装置，其中，该激光加工装置具有：
载物台，其保持加工对象物；
激光光源，其射出脉冲激光束；
光束扫描器，其扫描从所述激光光源射出的脉冲激光束；
远心fθ透镜，其配置于所述载物台与所述光束扫描器之间的激光束的路径上；
聚焦面移动机构，其使所述远心fθ透镜的聚焦面的高度相对于由所述载物台保持的所述加工对象物的表面变化；及
控制装置，其对所述激光光源、所述光束扫描器及所述聚焦面移动机构进行控制，
所述控制装置控制所述光束扫描器及所述激光光源，使多条激光脉冲分别入射到在所述加工对象物的表面上划定的多个加工点，
按入射到各所述加工点的激光脉冲的每次发射，控制所述聚焦面移动机构，改变所述聚焦面的高度。
依据本发明的另一观点，提供一种激光加工方法，其中，该激光加工方法具有如下工序：
经由光束扫描器及远心fθ透镜使脉冲激光束入射到加工对象物的加工点而形成凹部的工序；
在形成所述凹部之后，使所述远心fθ透镜的聚焦面下降的工序；及
在使所述聚焦面下降之后，经由所述光束扫描器及所述远心fθ透镜，使激光脉冲入射到所述凹部而加深所述凹部的工序。
发明效果
通过针对激光脉冲的每次发射都调节聚焦面的高度，即便在产生远心误差时，也能够形成相对于加工对象物的表面大致垂直的孔。
附图说明
图1是基于实施例1的激光加工装置的概要图。
图2A是加工对象物的俯视图，图2B是加工对象物的剖视图。
图3是基于实施例1的激光加工方法的流程图。
图4A是通过基于实施例1的方法加工的加工对象物的剖视图，图4B是通过基于实施例1的激光加工方法形成的孔的剖视图。
图5是通过基于比较例的激光加工方法形成的孔的剖视图。
图6是基于实施例2的激光加工方法的流程图。
图7是通过基于实施例3的激光加工方法形成的孔的剖视图。
图中：10-基座，11-载物台移动机构，12-载物台，13-加工对象物，14-扫描区，20-激光光源，21-光束扩展器，22-掩模，23-透镜，24-折射镜，25-光束扫描器，26-fθ透镜，27-聚焦面移动机构，30-控制装置，40-基板，41-内层的铜图案，42-树脂膜，43-表层的铜膜，45-加工点，46-孔，47-掩模位置的光束截面形状的图像。
具体实施方式
［实施例1］
图1示出基于实施例1的激光加工装置的概要图。在基座10上经载物台移动机构11支承有载物台12。在载物台12的保持面上保持有印制基板等加工对象物13。通常，以载物台12的保持面与加工对象物13的表面水平的方式确定基座10的姿势。如下定义xyz直角坐标系：即将平行于载物台12的保持面且相互正交的2方向设为x方向及y方向，将保持面的法线方向设为z方向。载物台移动机构11使载物台12及加工对象物13在x方向及y方向上移动。
激光光源20射出脉冲激光束。作为激光光源20使用例如二氧化碳激光器、YAG激光器、准分子激光器等。从激光光源20射出的脉冲激光束经由光束扩展器21、掩模22、透镜23、折射镜24、光束扫描器25及fθ透镜26入射于加工对象物13。
光束扩展器21放大激光束的光束截面。掩模22对激光束的光束截面形状进行整形。透镜23对透过掩模22的激光束进行校准。折射镜24使激光束的行进方向朝向下方。光束扫描器25以使激光束的入射点在加工对象物13的表面上在x方向及y方向上移动的方式扫描激光束。光束扫描器25上使用例如一对电流扫描仪。
fθ透镜26配置于光束扫描器25与载物台12之间的激光束的路径上。fθ透镜26使掩模22的位置的光束截面形状成像于加工对象物13的表面。光束扫描器25及fθ透镜26构成像方远心光学系统。即，由光束扫描器25扫描的激光束的主光线垂直入射于加工对象物13。
聚焦面移动机构27使fθ透镜26相对于载物台12升降（在z方向上移动）。若使fθ透镜26在z方向上移动，则聚焦面的高度以加工对象物13的表面为基准变化。其中，聚焦面是指掩模22的位置的光束截面形状所成像的面。
控制装置30对激光光源20、光束扫描器25、聚焦面移动机构27及载物台移动机构11进行控制。
图2A示出加工对象物13的俯视图。加工对象物13的表面被划分为多个扫描区14。1个扫描区14具有与能够由光束扫描器25扫描的范围（以下称为“可扫描范围”）相同或者内含于可扫描范围的大小及形状。在加工对象物13的表面预先确定有待形成孔的多个加工点45的坐标。加工点45的坐标记录于控制装置30。而且，在控制装置30存储入射到1个加工点45的激光脉冲的发射数、及与每次发射相对应的激光脉冲的脉冲能量有关的信息。
图2B示出加工对象物13的1个加工点45的附近的剖视图。在玻璃环氧等基板40上形成有内层的铜图案41。基板40及铜图案41上形成有树脂膜42。在树脂膜42上形成有表层的铜膜43。在加工对象物13的表面定义有待形成孔的加工点45的位置。
图3示出基于实施例1的激光加工方法的流程图。在以下的说明中，依据需要参考图1、图2A、图2B、图4A及图4B。在步骤SA1中，控制装置30（图1）控制载物台移动机构11来将未加工的扫描区14（图2A）配置在可扫描范围内。在步骤SA2中，控制装置30控制聚焦面移动机构27来调整聚焦面的高度。例如，使聚焦面与加工对象物13的表面一致。加工对象物13的厚度预先记录于控制装置30。因此，控制装置30能够计算加工对象物13的表面的高度（z方向上的位置）。
在步骤SA3中，控制装置30控制光束扫描器25和激光光源20，使激光脉冲1发1发地依次入射到扫描区14内的加工点45（图2A）。激光脉冲的脉冲宽度及输出功率预先记录于控制装置30。另外，可依据需要在透镜23与光束扫描器25之间的激光束的路径上配置脉冲宽度调整器。脉冲宽度调整器能够由例如声光元件和光束阻尼器构成。
图4A示出第1发激光脉冲LP1入射到加工点45时的剖视图。聚焦面FS1与加工对象物13的表面一致。因此，在加工对象物13的表面形成有掩模22（图1）的位置的光束截面形状的图像47。图4A中示出发生远心误差的情况。即，激光脉冲LP1的中心光线相对于加工对象物13的表面的法线方向倾斜。在激光脉冲LP1所入射的位置形成孔46。
在图3的步骤SA4中，判定在各加工点45（图2A）是否入射了加工所需的发射数的激光脉冲。重复进行步骤SA2及步骤SA3直至所入射的发射数达到加工所需的发射数。
图4B示出第2发激光脉冲LP2～第4发激光脉冲LP4入射到加工点45时的剖视图。在使激光脉冲入射之前，在步骤SA2（图3）中，使第2发激光脉冲LP2～第4发激光脉冲LP4的各自的聚焦面FS2～FS4的高度与通过前一次发射的激光脉冲的入射形成的孔46的底面一致。
孔46的深度能够通过预先以相同的激光照射条件进行评价实验来求出。从孔46的深度计算出的聚焦面的移动量记录于控制装置30。每当入射第2发激光脉冲LP2～第4发激光脉冲LP4时，如虚线所示，孔46变深。为此，将相对在后发射的激光脉冲的聚焦面FS2～FS4配置在比相对在前发射的激光脉冲的聚焦面FS1～FS3更深的位置即可。聚焦面的移动量不限定于在各发射之间相同。在使第4发激光脉冲LP4入射的时刻，孔46到达内层的铜图案41。
即便孔46变深，各发激光脉冲LP2～LP4的中心光线也仍在xy面内的相同位置入射于孔46的底面。为此，孔46在相对于加工对象物13的表面大致垂直方向上被下挖。
若孔46变深，则由于表层的铜膜43而产生激光脉冲的晕影。但是，激光脉冲的中心光线与加工对象物13的表面的法线方向所成的角度很小，因此由晕影产生的影响是可以忽略的程度。
当在图3的步骤SA4中判定为入射了加工所需的发射数量的激光脉冲时，在步骤SA5中判定是否所有的扫描区14的加工结束。当残留有未加工的扫描区14时，回到步骤SA1，通过控制装置30控制载物台移动机构11来将未加工的扫描区14配置于可扫描范围。若所有的扫描区14的加工结束，则开孔加工结束。
图5示出通过基于比较例的方法形成的孔的剖视图。在基于比较例的方法中，将聚焦面的位置固定而使第1发激光脉冲～第4发激光脉冲入射于加工对象物13。第1发激光脉冲～第4发的激光脉冲的中心光线一致，并且掩模22的位置的光束截面形状的图像47被固定在加工对象物13的表面。因此，孔46沿激光脉冲的中心光线被挖进。当中心光线从加工对象物13的表面的法线方向倾斜时，所形成的孔46也相对于表面倾斜。根据本专利申请的发明人的评价实验，所形成的孔46的倾斜为能够通过目视确认的程度。
通过使用基于实施例1的激光加工装置，能够将孔46在相对于加工对象物13的表面大致垂直的方向上挖进。因此能够防止或减轻孔46的倾斜。
在实施例1中，如图4B所示，使聚焦面FS2～FS4的高度与已形成的孔46的底面的位置一致，但无需严格地一致。作为一例，可将以加工所需的发射数对最终形成的孔46的深度（从表层的铜膜43的表面至内层的铜图案41的上面的深度）进行等分的值设为聚焦面的移动距离。
另外，在实施例1中，示出使4发激光脉冲入射于1个加工点45（图4A、图4B）的例子，但入射到1个加工点45的发射数不限定于4发。加工所需的发射数依存于加工对象物13的材料及厚度。使聚焦面移动的上述的实施例1在使多发激光脉冲入射于1个加工点45时有效。
［实施例2］
图6示出基于实施例2的激光加工方法的流程图。以下，对与实施例1的不同点进行说明，且对相同的结构及工序省略说明。在实施例1中，在1个扫描区14的加工结束之后，进行下一个待加工的扫描区14的加工。在实施例2中，对所有的扫描区14使第1发激光脉冲入射。在对所有的扫描区14的第1发激光脉冲的入射结束之后，对所有的扫描区14进行接下来发射的激光脉冲的入射。
首先，在步骤SB1中，对发射编号进行初始设定。具体而言，将发射编号设为“1”。在步骤SB2中，调整聚焦面的高度。当进行第1发的加工时，如图4A所示，使聚焦面FS1的高度与加工对象物13的表面一致。
在步骤SB3中，将未进行第1发激光脉冲的入射的扫描区14配置于可扫描范围。在步骤SB4中，对配置于可扫描范围的扫描区14内的加工点依次入射第1发激光脉冲。在步骤SB5中，判定对所有的扫描区14的第1发激光脉冲的入射是否结束。当残留有未结束的扫描区14时，回到步骤SB3，进行未结束的扫描区14的处理。
当对所有的扫描区14的第1发激光脉冲的入射结束时，在步骤SB6中，判定必要发射数的入射是否结束。当入射发射数比必要发射数少时，在步骤SB7中更新发射编号之后，回到步骤SB2。在步骤SB2至步骤SB5的工序中，对所有的扫描区14的所有的加工点45，使下1发激光脉冲入射。在步骤SB7中，具体而言在发射编号上加“1”。
当在步骤SB6判定为必要发射数的入射已结束时，结束激光加工。
在实施例2中，也在步骤SB2中调整每发的聚焦面的高度。因此，与实施例1同样，能够形成相对于加工对象物13的表面大致垂直的孔。
［实施例3］
图7示出通过基于实施例3的激光加工方法加工的孔的剖视图。以下，对与实施例1的不同点进行说明，对相同的结构及工序省略说明。在实施例1中，如图4B所示，在激光脉冲的每1发使聚焦面下降，但无需在每1发使聚焦面下降。
如图7所示，在实施例3中，当使第1发激光脉冲LP1与第2发激光脉冲LP2入射时，使聚焦面FS1与加工对象物13的表面一致。当使第3发激光脉冲LP3与第4发激光脉冲LP4入射时，使聚焦面FS3与照射第2发激光脉冲LP2之后的孔46的底面一致。
第2发激光脉冲LP2及第4发激光脉冲LP4的中心光线在稍微偏离第1发激光脉冲LP1的中心光线的入射位置的位置到达孔46的底面。但是，第3发激光脉冲LP3的中心光线入射到孔46的底面的位置与第1发激光脉冲LP1的中心光线的入射位置大致一致。因此，与将聚焦面固定于加工对象物13的表面进行加工的情况相比，能够减轻孔46的倾斜程度。
更通常地，通过在最初发射至最后发射之间，使聚焦面至少下降1次，与固定聚焦面来进行加工的情况相比，能够减轻孔的倾斜程度。
根据以上实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。本领域的技术人员可知能够进行例如各种变更、改良、组合等。
本申请主张基于2012年2月20日申请的日本专利申请第2012-033847号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。
Claims (5)
1.一种激光加工装置，其中，该激光加工装置具有：
载物台，其保持加工对象物；
激光光源，其射出脉冲激光束；
光束扫描器，其扫描从所述激光光源射出的脉冲激光束；
远心fθ透镜，其配置于所述载物台与所述光束扫描器之间的激光束的路径上；
聚焦面移动机构，其使所述远心fθ透镜的聚焦面的高度相对于由所述载物台保持的所述加工对象物的表面变化；及
控制装置，其对所述激光光源、所述光束扫描器及所述聚焦面移动机构进行控制，
所述控制装置控制所述光束扫描器及所述激光光源，使多条激光脉冲分别入射到在所述加工对象物的表面上划定的多个加工点，
在入射到各所述加工点的激光脉冲的最初发射至最后发射之间，至少对所述聚焦面移动机构控制1次来改变所述聚焦面的高度，
其中，在所述加工对象物的表面上划定多个扫描区，所述多个扫描区具有能够由所述光束扫描器扫描的大小，
所述控制装置进行如下控制：
在能够由所述光束扫描器扫描的可扫描范围内配置1个所述扫描区，使激光脉冲1发1发地入射到配置于所述可扫描范围内的所述扫描区的所述多个加工点，
之后，使所述聚焦面下降，
在使所述聚焦面下降之后，使接下来发射的激光脉冲入射到配置在所述可扫描范围内的所述扫描区内的所述多个加工点。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述控制装置针对各所述加工点控制所述聚焦面移动机构以使所述聚焦面变低。
3.如权利要求2所述的激光加工装置，其中，
所述控制装置存储所述聚焦面的移动量，并且使所述聚焦面在入射到各所述加工点的激光脉冲发射之间移动的距离与所存储的所述移动量相等。
4.一种激光加工装置，其中，该激光加工装置具有：
载物台，其保持加工对象物；
激光光源，其射出脉冲激光束；
光束扫描器，其扫描从所述激光光源射出的脉冲激光束；
远心fθ透镜，其配置于所述载物台与所述光束扫描器之间的激光束的路径上；
聚焦面移动机构，其使所述远心fθ透镜的聚焦面的高度相对于由所述载物台保持的所述加工对象物的表面变化；及
控制装置，其对所述激光光源、所述光束扫描器及所述聚焦面移动机构进行控制，
所述控制装置控制所述光束扫描器及所述激光光源，使多条激光脉冲分别入射到在所述加工对象物的表面上划定的多个加工点，
在入射到各所述加工点的激光脉冲的最初发射至最后发射之间，至少对所述聚焦面移动机构控制1次来改变所述聚焦面的高度，
其中，在所述加工对象物的表面上，划定多个扫描区，所述多个扫描区具有能够由所述光束扫描器扫描的大小，
所述控制装置进行如下控制：
对多个所述扫描区依次执行使激光脉冲1发1发地依次入射到所述扫描区内的多个所述加工点的处理，
之后，使所述聚焦面下降，
在使所述聚焦面下降之后，对所述多个扫描区依次执行使接下来发射的激光脉冲1发1发地依次入射到所述扫描区内的多个所述加工点的处理。
5.一种激光加工方法，其中，
该激光加工方法具有如下工序：
经由光束扫描器及远心fθ透镜使脉冲激光束入射到加工对象物的加工点而形成凹部的工序；
在形成所述凹部之后，使所述远心fθ透镜的聚焦面下降的工序；及
在使所述聚焦面下降之后，经由所述光束扫描器及所述远心fθ透镜，使激光脉冲入射到所述凹部而加深所述凹部的工序，
其中，在使所述聚焦面下降的工序中，使所述聚焦面下降为所述聚焦面与使所述聚焦面下降之前的所述凹部的底面一致。
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