CN104668785A - 激光快速打孔的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光快速打孔的装置及方法，激光器的光路输出端布置有扩束镜，扩束镜的光路输出端设有反射镜组，反射镜组的光路输出端衔接有扫描振镜，扫描振镜的光路输出端安装有切割头，切割头内置有聚焦镜，切割头的光路输出端正对于X-Y运动平台。激光器发出激光的经过扩束镜获得更宽的平行光束，经反射镜组调整后水平入射到扫描振镜中，经扫描振镜内部镜片的角度调整，快速拟合出要求打孔孔型，最后激光光束进入聚焦镜，实现激光汇聚，并与影像系统配合、进而控制激光打孔位置，激光按照加工图形以坐标系的方式反馈到匀速运动平台上，既保证加工过程中流畅性，又通过扫描振镜拟合的图形保证加工小孔的圆度。

Description

激光快速打孔的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种激光快速打孔的装置及其方法，用于对陶瓷类(氧化铝、氧化锆、氮化铝)和金属类(薄铜板、薄铝板、薄钢板)等材料的快速打孔。

背景技术

随着器件朝着微型化、便携式的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求。例如，四英寸的陶瓷基板打孔数量由几十个，上升到几百个，有客户最近提出在小区域内加工上千个小孔，小孔直径由几毫米降低到两三百微米以下，希望打孔效率更高。传统的加工方式通常会采用平台插补方式打孔，但是这种加工方式效率比较低，加工一片数千个孔的陶瓷基板往往要1个小时以上，效率一般只有1～2孔/秒。对于激光器的使用，二氧化碳波长长，加工出来的光斑(含热影响区)都将近100um，很难满足在陶瓷上加工几十微米的小孔的应用；而对于波长较短紫外激光和绿光虽然光斑较小，但是受到纳秒脉宽、高频率、单脉冲能量较低以及激光器价格昂贵等因素制约，使得其在加工厚度大于0.4mm的陶瓷上的效率大幅降低，无法开展工业级应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的效率低下等不足，提供一种功能更强大的激光快速打孔的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

激光快速打孔的装置，特点是：包含有激光器、扩束镜、反射镜组、扫描振镜和聚焦镜，所述激光器的光路输出端布置有扩束镜，扩束镜的光路输出端设有反射镜组，反射镜组的光路输出端衔接有扫描振镜，所述扫描振镜包含两个旋转电机，每个旋转电机上设有一片反射镜片，扫描振镜的光路输出端安装有切割头，切割头内置有聚焦镜，切割头的光路输出端正对于X-Y运动平台，所述X-Y运动平台的上方布置有影像系统。

进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述激光器与扩束镜之间光路设置有光闸，防止激光漏光存在。

更进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述激光器为1064nm光纤激光器，具有CW出光模式。

更进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述X-Y运动平台上设有真空吸附装置。

更进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述反射镜组包含第一全反射镜和第二全反射镜，第一全反射镜与第二全反射镜的反射面均匀光路呈45°。

更进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述扫描振镜包含两个旋转电机，每个旋转电机上设有一片反射镜片。

更进一步地，上述的激光快速打孔的装置，其中，所述影像系统为高分辨率辅助定位影像系统。

本发明激光快速打孔的方法，待加工工件固定于X-Y运动平台上，激光器发出激光的经过扩束镜获得更宽的平行光束，继而经反射镜组调整后水平入射到扫描振镜中，经扫描振镜内部镜片的角度调整，快速拟合出要求打孔孔型，最后激光光束进入聚焦镜，实现激光汇聚，并与影像系统配合、进而控制激光打孔位置，激光按照加工图形以坐标系的方式反馈到匀速运动平台上，基于平台位置触发信号，输出激光，聚焦到待加工工件表面，瞬间融化材料，形成微孔，既保证加工过程中流畅性，又通过扫描振镜拟合的图形保证加工小孔的圆度。

再进一步地，上述的激光快速打孔的方法，其中，所述扫描振镜包含两个旋转电机，其中每个旋转电机上设有一片反射镜片，加工的孔型通过旋转电机控制反射镜片的摆动实现。

再进一步地，上述的激光快速打孔的方法，其中，所述影像系统用于激光出光中心与样品加工中心的对位，以及寻找焦点，确定切割头与待加工工件的相对高度，并抓靶识别待加工工件上的十字或者圆孔定位，定位完成后自动切换加工中心。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明通过光学搭配，采用经过优化的激光光路和光学模块的应用，综合光纤激光在氧化铝陶瓷方面划线和打孔领域的优势，并改进传统的打孔方式，可获得10孔/秒以上的加工效果，不仅可以提升效率、降低成本，还可以打更小更密的微孔。适用于芯片封装、LED照明等行业，实现划线、切割和微孔加工，相比于应用传统的激光设备打孔方式，本发明具有打孔10秒/孔以上的效率，孔径在30um到500um可调等优点，特别适合用于各种波长的激光对材料的加工，通用性强。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构示意图；

图2：激光打孔效果示意图；

图3：加工过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，激光快速打孔的装置，包含有激光器1、扩束镜2、反射镜组3、扫描振镜4和聚焦镜5，激光器1的光路输出端依次布置有光闸、扩束镜2，扩束镜2的光路输出端设有反射镜组3，反射镜组3的光路输出端衔接有扫描振镜4，扫描振镜4的光路输出端安装有切割头6，切割头6内置有聚焦镜5，切割头6的光路输出端正对于X-Y运动平台10，X-Y运动平台10的上方布置有影像系统7。

激光器1为1064nm光纤激光器，具有CW出光模式，脉宽可调至，范围在微秒到毫秒量级。1064nm红外光纤激光器，具有较高的重复频率和平均功率，尤其是在与材料作用时通过瞬间高功率，较低占空比与材料发生高温烧蚀了去除物质，使用这种方式可以极大地减小热影响区域；可以获得很好的边缘效果；陶瓷背面挂渣比较松软。

X-Y运动平台10上设有真空吸附装置8，在兼顾划线和快速打孔同时，真空吸附装置8吸收加工过程中所产生的粉尘，尽可能保持腔体的洁净。

反射镜组3包含第一全反射镜和第二全反射镜，第一全反射镜与第二全反射镜的反射面均匀光路呈45°。

扫描振镜4包含两个旋转电机，其中每个旋转电机上设有一片反射镜片，加工的孔型通过旋转电机控制反射镜片的摆动实现，最终由运动控制系统和软件控制旋转电机；快速扫描出各种孔径的痕迹，可实现锥孔和直孔孔形的加工。扫描振镜与切割头配合使用，既解决了常规使用Ftheta镜聚焦后无法同轴吹气的问题，又增加了扫描振镜高速钻孔的优点。这种方式的打孔直径范围在激光光斑到1mm之间的任意孔径。采用这样方式加工的小孔不仅圆度优良，而且效率也很高(无需使用平台插补)。

影像系统7为高分辨率辅助定位影像系统，整幅面内的打孔位置由平台移动来实现，以确保打孔的位置精度。影像系统7用于激光出光中心与样品加工中心的对位，以及寻找焦点，确定切割头6与待加工工件9的相对高度，并抓靶识别待加工工件9上的十字或者圆孔定位，定位完成后自动切换加工中心。

采用气路切割系统，可以实现在相同加工件上运用两路以上不同气源的打孔要求，亦可以实现单一气源不同气压同步加工要求。

具体应用时，待加工工件9固定于X-Y运动平台10上，激光器1发出激光的经过扩束镜2获得更宽的平行光束，继而经反射镜组3调整后水平入射到扫描振镜4中，经扫描振镜内部镜片的角度调整，快速拟合出要求打孔孔型，最后激光光束进入聚焦镜，实现激光汇聚，提高激光功率密度，实现加工功能，并与影像系统配合、进而控制激光打孔位置，激光按照加工图形以坐标系的方式反馈到匀速运动平台上，基于平台位置触发信号，输出激光，聚焦到待加工工件9表面，瞬间融化材料，形成微孔，既保证加工过程中流畅性，缩短加工时间，又通过扫描振镜拟合的图形保证加工小孔的圆度。

如图2所示，在陶瓷横截面上打孔孔型的效果图，激光通过聚焦镜汇聚后获得了高能量密度的最小光斑，即为焦点(其中焦点为一柱状体结构)适当对焦点与被加工件的相对位置进行微调和对聚焦镜焦距的搭配(聚焦镜焦距的选择是根据加工材料的厚度和焦深理论计算公式得出)，最终能够得到满足要求的孔型，激光光束11实现锥孔12和直孔13孔形的加工。

如图3所示，激光光束11基于平台位置信号而出光，位置加工圆度和精度稳定。由高精度平台和高分辨率辅助定位影像系统，使设备的整体打孔精度控制在10um以内。

在陶瓷类和金属类保留了基本划线和切割功能上实现快速打孔，其效率能够达到10孔/秒以上，最主要的是为激光打孔(直径≤0.635mm)提供新的思路方案，适用于工业级量产，解决了激光钻小孔过程中的效率及效果问题，同时也扩大了激光打孔在微制造领域新的应用。

综上所述，本发明适用于芯片封装、LED照明等行业，实现划线、切割和微孔加工，相比于应用传统的激光设备打孔方式，本发明具有打孔10秒/孔以上的效率，孔径在30um到500um可调等优点，特别适合用于各种波长的激光对材料的加工，通用性强。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.激光快速打孔的装置，其特征在于：包含有激光器(1)、扩束镜(2)、反射镜组(3)、扫描振镜(4)和聚焦镜(5)，所述激光器(1)的光路输出端布置有扩束镜(2)，扩束镜(2)的光路输出端设有反射镜组(3)，反射镜组(3)的光路输出端衔接有扫描振镜(4)，所述扫描振镜(4)包含两个旋转电机，每个旋转电机上设有一片反射镜片，扫描振镜(4)的光路输出端安装有切割头(6)，切割头(6)内置有聚焦镜(5)，切割头(6)的光路输出端正对于X-Y运动平台(10)，所述X-Y运动平台(10)的上方布置有影像系统(7)。

2.根据权利要求1所述的激光快速打孔的装置，其特征在于：所述激光器(1)与扩束镜(2)之间光路设置有光闸。

3.根据权利要求1所述的激光快速打孔的装置，其特征在于：所述激光器(1)为1064nm光纤激光器，具有CW出光模式。

4.根据权利要求1所述的激光快速打孔的装置，其特征在于：所述X-Y运动平台(10)上设有真空吸附装置(8)。

5.根据权利要求1所述的激光快速打孔的装置，其特征在于：所述反射镜组(3)包含第一全反射镜和第二全反射镜，第一全反射镜与第二全反射镜的反射面均匀光路呈45°。

6.根据权利要求1所述的激光快速打孔的装置，其特征在于：所述影像系统(7)为高分辨率辅助定位影像系统。

7.利用权利要求1所述装置实现激光快速打孔的方法，其特征在于：待加工工件(9)固定于X-Y运动平台(10)上，激光器(1)发出激光的经过扩束镜(2)获得更宽的平行光束，继而经反射镜组(3)调整后水平入射到扫描振镜(4)中，经扫描振镜内部镜片的角度调整，快速拟合出要求打孔孔型，最后激光光束进入聚焦镜，实现激光汇聚，并与影像系统配合、进而控制激光打孔位置，激光按照加工图形以坐标系的方式反馈到匀速运动平台上，基于平台位置触发信号，输出激光，聚焦到待加工工件(9)表面，瞬间融化材料，形成微孔，既保证加工过程中流畅性，又通过扫描振镜拟合的图形保证加工小孔的圆度。

8.根据权利要求7所述的激光快速打孔的方法，其特征在于：所述扫描振镜(4)包含两个旋转电机，其中每个旋转电机上设有一片反射镜片，加工的孔型通过旋转电机控制反射镜片的摆动实现。

9.根据权利要求7所述的激光快速打孔的方法，其特征在于：所述影像系统(7)用于激光出光中心与样品加工中心的对位，以及寻找焦点，确定切割头(6)与待加工工件(9)的相对高度，并抓靶识别待加工工件(9)上的十字或者圆孔定位，定位完成后自动切换加工中心。