CN104741798B - 一种复合焦点时空同步钻孔系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法，其中，本发明所提供的系统实现了在同一个钻孔光学聚焦系统下面，设置了光斑尺寸大于钻孔激光束焦点的钻孔扫描空间，或者说与所钻微孔空间永远时空同步的激光加热与清洗光束焦点(第二激光聚焦光斑)，所述加热与清洗光束对扫描运动钻孔激光束焦点(第一激光聚焦光斑)扫描区域进行时空同步的激光预处理和激光清洗，节省了大量激光加工时间，并使得钻孔设备特别是印刷电路板盲孔设备常见的孔边缘残留杂质、孔底部残留树脂、孔壁残留玻璃纤维的现象彻底消失，极大的保障了微孔特别是盲孔的钻孔成品率。本发明非常巧妙的解决了密集盲孔钻孔质量问题。

Description

一种复合焦点时空同步钻孔系统与方法

技术领域

本发明涉及激光钻孔加工领域，具体涉及一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法。

背景技术

目前的激光钻孔，都只限于单独激光焦点钻孔，钻孔所产生的粉尘依然附着在所钻微孔的周围、孔壁等位置，需要后端工序清洗进行处理，增加了处理工序，降低了加工效率，甚至使得产品废品率居高不下。有些微孔由于孔径太小，清洗是一个非常大的难题，本发明就是解决这个问题的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法，多光束通过同一激光聚焦系统聚焦，其中多光束中扫描运动钻孔激光束进行高速高精度微细光斑聚焦钻孔，多光束中静态的激光束进行大光斑聚焦并进行激光预处理与激光清洗，结合振镜扫描进行孔与孔之间加工切换等技术，实现高效高精度高质量激光钻孔。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种复合焦点时空同步钻孔系统，所述系统包括扫描运动钻孔激光器、扫描运动钻孔激光调制器、加热与清洗激光器、激光合束器、激光聚焦与焦点切换模块和待加工工件；

所述扫描运动钻孔激光器，用于发射第一扫描运动钻孔激光束；

所述扫描运动钻孔激光调制器，用于对所述发射的第一扫描运动钻孔激光束进行运动空间调制，并将调制后的第一扫描运动钻孔激光束入射所述激光合束器；

所述加热与清洗激光器，用于发射第一加热与清洗激光束，并将发射的第一加热与清洗激光束入射所述激光合束器；

所述激光合束器，用于对所述入射的第一扫描运动钻孔激光束及第一加热和清洗激光束进行合束，分别输出第二扫描运动钻孔激光束及第二加热和清洗激光束，其中，所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10°；

所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴上的一点随着光轴的空间运动，形成一个轨迹曲线，且该曲线在一个平面内；垂直于该平面，且穿过所述轨迹平面内的所述轨迹曲线的几何对称中心的轴线，即为所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线。

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得所述复合聚焦焦点，并控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间进行切换，以使所述复合聚焦焦点对待加工工件的不同孔位进行激光钻孔加工与激光清洗；

其中，所述复合聚焦焦点包括与所述第二扫描运动钻孔激光束对应的第一激光聚焦光斑和与所述第二加热与清洗激光束对应的第二激光聚焦光斑，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于1毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内；所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化；或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗。

所述时空同步，指在对具体孔位钻孔时，在空间上，所述激光聚焦单元与待加工工件空间方位相对不变，所述第二激光聚焦光斑与激光聚焦单元以及待加工材料相对静止，所述第一激光聚焦光斑与激光聚焦与焦点切换模块相对运动，所述第一激光聚焦光斑并仅限于在所述第二激光聚焦光斑范围内扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑与所述第一激光聚焦光斑在空间上是包含与被包含的关系；在时间上，所述第一激光聚焦光斑与所述第二激光聚焦光斑相配合加工时，所述两束激光出光时序可以根据钻孔加工工艺的需要进行调整，所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔时，所述第二激光聚焦光斑可在所述第一激光聚焦光斑出光前或者出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化，也可以在所述第一激光聚焦光斑出光时或者关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗。其好处是，一方面在激光密集钻孔领域引入了时空同步激光加热与清洗以及激光毛化，提高了钻孔激光束的钻孔效率，也提高了钻孔质量；另一方面，也并没有因为引入激光预处理与清洗光束而增加了激光钻孔期间激光聚焦系统与待加工材料的相对运动工时，因为所述两束激光激光焦点在钻孔位置是时空同步的，所述加热与清洗激光只要出光，激光焦点就覆盖了所述钻孔激光束焦点的运动轮廓范围，可以实时进行空间同步激光清洗。

所述清洗指激光清洗，是指采用加热与清洗激光束照射工件表面，使得表面的污物、颗粒、锈斑、材料毛刺等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清洁净化的工艺过程。其中激光预处理过程中的激光清洗，有利于减少所述扫描钻孔光束进行后续加工中等离子体对扫描钻孔激光束的屏蔽；钻孔的同时或者钻孔结束后的激光清洗，可以直接减少后续工序的超声波清洗或者化学清洗工序工作量，甚至取消后续清洗工序，提高产品质量，降低产品成本。

所述激光毛化，指采用加热与清洗光束对待钻孔区域进行材料表面毛化，有利于待加工材料对所述扫描钻孔光束的吸收，因而提高后续钻孔加工的效率与质量。

进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；

或者，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜和二维运动平台；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；所述二维运动平台用于承载待加工工件以及加工区域的切换；

所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜和线性移动平台，所述静态聚焦镜用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述线性移动平台用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的切换。

进一步的，所述扫描运动钻孔激光调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射光学元件或其中任意两者或多者的组合。

进一步的，所述激光合束器为偏振合束器。

进一步的，所述待加工工件为电路板基材或者硅片或者陶瓷片，所述电路板基材包括印刷电路板基材和低温共烧陶瓷或者陶瓷片。

另一方面，本发明提供了一种复合焦点时空同步钻孔方法，所述方法包括：

将第一加热与清洗激光束和经过空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束进行合束，以输出第二加热与清洗激光束和第二扫描运动钻孔激光束，以使所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10°；

将所述激光合束后的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点，所述复合聚焦焦点由第一激光聚焦光斑和第二激光聚焦光斑组合而成；

控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换；当切换至一个具体孔位时，所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗；

其中，在复合聚焦焦点内，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于1毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内。

进一步的，所述第一扫描运动钻孔激光束为脉冲激光束，所述第一加热与清洗激光束为连续激光束或脉冲激光束。

进一步的，所述第一扫描运动钻孔激光束的空间运动调制由声光偏转器完成，或者由电光偏转器完成，或者由压电陶瓷驱动或电流计驱动的反射镜偏转完成，或者由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成，或者由其中的任意两者或多种组合完成。

本发明的目的在于，实现一种高效高质量激光钻孔方法，主要用于微孔特别是盲孔钻孔，在高效钻孔方面，本发明中扫描运动钻孔激光束采用了高速精细空间调制方法，例如声光偏转调制可以做到371纳秒的偏转响应速度，而待加工工件的孔与孔之间激光偏转由振镜偏振完成切换，但是，仅仅如此还不足以满足实际生产需要，由于激光钻孔会在孔边缘产生大量粉尘，特别是孔内毛刺堆积,以及盲孔底部残留材料，都直接造成废品，因此在高质量钻孔方面，本发明巧妙引入了加热与清洗激光束，该加热与清洗激光束可以在扫描运动钻孔激光束钻孔前或者钻孔时对待加工材料瞬时加热，去除工件表面污渍，提高材料初始表面温度，提高钻孔激光束的钻孔效率；在扫描运动钻孔激光束钻孔过程中或者钻孔结束时，加热与清洗激光束可以对所钻孔进行激光清洗，去除孔内残留粉尘和毛刺，得到质量非常高的微孔。所述钻孔激光束焦点(即第一激光聚焦光斑)远小于加热与清洗激光束的激光焦点(即第二激光聚焦光斑)尺寸，且所述钻孔激光束焦点扫描轮廓小于等于所述加热与清洗激光束的激光焦点尺寸。当激光聚焦与焦点切换模块对激光焦点进行孔与孔之间切换时，所述扫描运动钻孔激光束焦点与所述加热与清洗激光束的激光焦点是同步切换的，非常节省时间，极大提高了生产效率和生产质量。

本发明的工作原理如下：所述扫描运动钻孔激光束的光束扫描动作可以由声光偏转器完成，也可以由电光偏转器完成，也可以由压电陶瓷驱动或者电流计驱动的反射镜偏转完成，也可以由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成。所述扫描运动钻孔激光束完成钻孔任务后切换到另一个孔位进行加工的加工孔位空间切换动作由振镜切换或者平台切换完成。所述加热与清洗激光束由激光合束器与所述扫描运动钻孔激光束进行合束，经过同一光学聚焦系统聚焦，所述扫描钻孔光束焦点运动轮廓位于所述加热与清洗光束焦点光斑范围内。所述扫描钻孔光束焦点与所述加热与清洗光束焦点相配合，所述扫描钻孔光束焦点对待加工工件进行扫描钻孔，所述加热与清洗光束焦点可在所述扫描钻孔焦点出光前或者出光时对扫描钻孔区域进行激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化，也可以在所述扫描钻孔焦点出光时或者关光后对扫描钻孔区域进行激光照射清洗。以柔性电路板为例，柔性电路板可分为两种，有胶柔性板和无胶柔性板，很容易在钻孔过程中产生的大量沾污不易除去，特别是对于有胶柔性电路板更是如此，这样非常影响电路板后续金属化孔的质量，电路板行业内采用了超声波清洗和化学处理的后道工序来解决这些问题，本发明采用时空同步激光清洗第一次完美解决电路板激光微孔钻孔的清洗问题，大大节省了印刷电路板PCB生产流程，减少了生产时间，提高了生产效率和产品质量，对电路板微孔钻孔行业有革命性影响。本发明采用时空同步激光清洗，第一次完美解决激光钻微孔领域钻孔工件清洗问题。

本发明的有益效果是：所述扫描运动钻孔激光束的高速光束扫描保障了微孔钻孔的高效率，振镜偏转光束保障了孔与孔之间切换动作的高效率，所述加热与清洗光束对扫描运动钻孔激光束焦点扫描区域进行预加热，进一步提高了微孔钻孔效率，最重要的是，在同一套钻孔光学聚焦系统下面，设置了与钻孔激光束钻孔扫描空间，或者说与所钻微孔空间永远时空同步的激光加热与清洗光束，所述加热与清洗光束对扫描运动钻孔激光束焦点扫描区域进行时空同步激光清洗，使得钻孔设备特别是印刷电路板盲孔设备常见的孔边缘残留杂质、孔底部残留树脂、孔壁残留玻璃纤维的现象彻底消失，极大的保障了微孔特别是盲孔的钻孔成品率，一张电路板几十万微孔，只要有一个微孔出现瑕疵，整张电路板就报废，这就是目前电路板盲孔设备全球只有一家公司设备被市场认可的真正原因之一。本发明非常巧妙的解决了密集盲孔钻孔质量问题与清洁问题，开创了激光微孔加工与激光微清洗时空同步相统一的激光微加工新时代。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种适用于印刷电路板盲孔的复合焦点时空同步钻孔系统结构示意图：

图2为本发明实施例2的一种适用于硅晶圆群孔的复合焦点时空同步钻孔系统示意图；

图3和图4为本发明实施例1和实施例2中第二扫描运动钻孔激光束与第二加热与清洗激光束经过聚焦形成的复合焦点的空间位置关系示意图；

图5为本发明实施例3的一种复合焦点时空同步钻孔方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、扫描运动钻孔激光器，2、扫描运动钻孔激光调制器，3、第一扫描运动钻孔激光束，4、加热与清洗激光器，5、第一加热与清洗激光束，6、激光合束器，7、第二光束组，8、第一反射镜片，9、第三光束组，10、第二反射镜片，11、第四光束组，12、第一电机，13、第一电机的电机主轴，14、远心扫描聚焦镜，15、聚焦光束组，16、待加工工件，17、线性移动平台，18、静态聚焦镜，19、反射镜，21、第一声光偏转器，22、第二声光偏转器，30、第二激光聚焦光斑，31、第一激光聚焦光斑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种适用于印刷电路板盲孔的复合焦点时空同步钻孔系统。下面结合图1和图3以及图4对本实施例提供的系统进行详细说明。

图1为运用本实施例提供的方法对印刷电路板盲孔进行钻孔的系统示意图，如图1所示，本实施例提供的系统包括扫描运动钻孔激光器1、扫描运动钻孔激光调制器2、加热与清洗激光器4、激光合束器6、激光聚焦与焦点切换模块和待加工工件16。

扫描运动钻孔激光器1产生第一扫描运动钻孔激光束，并经过扫描运动钻孔激光调制器2对其进行空间运动调制，并将调制后的第一扫描运动钻孔激光束3入射激光合束器6。其中，扫描运动钻孔激光调制器2可以为声光偏转器，也可以为电光偏转器，也可以为压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜，还可以为电主轴电机驱动旋转折射光学元件，或者为前述这几种中的任意两种或两种以上组合。

比如，当扫描运动钻孔激光调制器2为声光偏转器时，声光偏转器通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向；当扫描运动钻孔激光调制器2为电光偏转器时，电光偏转器利用电光晶体折射率随电压而改变的特性，沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压，使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转，则连续改变外加电压就会连续改变光束的偏转角。

加热与清洗激光器4产生第一加热与清洗激光束5，并入射激光合束器6。其中，第一扫描运动钻孔激光束3与第一加热与清洗激光束5的激光波长可以相同，也可以不同，比如，第一扫描运动钻孔激光束3可以为脉冲激光束，第一加热与清洗激光束5可以为连续激光束，也可以为脉冲激光束。例如，第一扫描运动钻孔激光束3与第一加热与清洗激光束5均为355nm波长的紫外激光，或者均为1064nm红外激光，或者第一扫描运动钻孔激光束3与第一加热与清洗激光束5为红外皮秒激光，或者第一扫描运动钻孔激光束3和第一加热与清洗激光束5为绿光激光。

激光合束器6将入射的第一扫描运动钻孔激光束3和第一加热与清洗激光束5进行合束，以使经过激光合束其6输出第二光束组7，其中，第二光束组7包括与第一扫描运动钻孔激光束3对应的第二扫描运动钻孔激光束和与第一加热与清洗激光束5对应的第二加热与清洗激光束。激光合束器6将第一扫描运动钻孔激光束3与第一加热与清洗激光束5进行合束，使得输出的第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与输出的第二加热与清洗激光束光轴空间同轴或近轴，近轴是指上述两光束光轴轴线空间角度小于10°。

本实施例中的激光合束器6为偏振合束器，偏振合束器至少可以采用以下三种技术方案，第一种技术方案是偏振分束器(PBS＝polarizingbeamsplitter)反过来使用，所述偏振分束器能够使得一个偏振态光反射，另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束P偏振光和和另一种偏振态光束S偏振光分别从偏振分束器对应输出端输入，那么偏振分束器输入端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束；第二种技术方案是采用薄膜偏振片(ThinFilmPolarizer)，也能够使得一个偏振态光反射，另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束透射，例如P偏振光透过薄膜偏振片，另一种偏振态光束，例如S偏振光从薄膜偏振片输出P偏振光束的位置输入，那么薄膜偏振片会对该S偏振光全反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束，这种方案的优势是激光光束合束效率高，体积小；第三种技术方案是一种特殊情况，采用布儒斯特片进行合束，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束透射，例如P偏振光透过布儒斯特片，另一种偏振态光束，例如S偏振光从布儒斯特片输出P偏振光束的位置输入，那么薄膜偏振片会对该S偏振光部分反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束，这种方案的优势是可以完成相同波长或者不同波长的激光光束进行合束。

从激光合束器6输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束经过激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦，获得复合聚焦焦点，并控制该复合聚焦焦点在待加工工件16的不同孔位之间进行切换，以使复合聚焦焦点对待加工工件16的不同孔位进行激光钻孔加工与激光清洗。

在本实施例中，激光聚焦与焦点切换模块包括振镜扫描聚焦单元，振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，扫描平场聚焦镜有普通平场扫描聚焦镜和远心扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜14，远心扫描聚焦镜14的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米，镜片增透膜波长355纳米。扫描振镜包括第一反射镜片8和第二反射镜片10。所述扫描振镜的第一反射镜片8安装在扫描振镜的第一电机12的电机主轴13上。所述扫描振镜的第二反射镜片10安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴上。所述待加工工件16为100微米厚度双面柔性印刷电路板，其中两层铜层均为15微米厚度铜。

本实施例的整个印刷电路板盲孔钻孔的系统结构图中的光路流程如下：被扫描运动钻孔激光调制器2高速空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束3入射激光合束器6后透射输出第二扫描运动钻孔激光束，第一加热与清洗激光束5入射激光合束器6后透射输出第二加热与清洗激光束，所述第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束经过激光合束器6合束得到第二光束组7，第二光束组7经扫描振镜第一反射镜片8反射得到第三光束组9，所述第三光束组9经扫描振镜的第二反射镜片10反射得到第四光束组11，所述第四光束组11经远心扫描聚焦镜14进行聚焦，得到聚焦光束组15，所述聚焦光束组15直接作用于待加工工件16。

所述第一扫描运动钻孔激光束3为直径是6.5毫米的扩束准直光束，其相关参数如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率10瓦200千赫兹，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围50到300千赫兹。扫描运动钻孔激光调制器2由两个正交放置的声光偏转器(图中没有标示)完成，也可以由电光偏转器完成，也可以由压电陶瓷驱动或者电流计驱动的反射镜偏转完成，也可以由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成，或者由上述器件组合完成。请见图3和图4，与所述第二扫描运动钻孔激光束的对应的第一激光聚焦光斑31的光斑直径为8微米，焦深80微米。

所述第一加热与清洗激光束5为直径是0.5毫米的激光光束，其相关参数如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率4瓦5千赫兹，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围0到10千赫兹。请见图3和图4，与所述第二加热与清洗激光束对应的第二激光聚焦光斑30的光斑直径为100微米，焦深1300微米。

第二激光聚焦光斑30和第一激光聚焦光斑31构成所述复合聚焦焦点。

本实施例工作流程如下：振镜使得待加工工件16处于正确空间位置，所述第一扫描运动钻孔激光束3在高速正交放置声光偏转器偏转调制下进行扫描运动，对应的第一激光聚焦光斑31在所述待加工工件16正确的位置扫描钻出盲孔，请见图4中虚线圆即为所述第一激光聚焦光斑31部分轨迹位置，待盲孔钻完时，所述第二激光聚焦光斑30出光，对所述第一聚光聚焦光斑31所钻盲孔进行激光清洗。本实施例也可以在所述第一激光聚焦光斑31出光扫描钻孔前，采用第二激光聚焦光斑30对待加工工件16进行表面清除污渍以及加热处理，更有利于所述第一激光聚焦光斑31对待加工工件16进行高效钻孔。需要说明的是，待加工工件的孔与孔之间可以重叠，也可以不重叠，当待加工工件的孔与孔之间重叠时，进行宽线槽加工，在加工过程中，激光铣削与激光清洗时空同步。

对于本实施例而言，所述第一扫描运动钻孔激光束3可以是红外皮秒激光，所述第一加热与清洗激光束5可以是脉冲绿光激光，振镜反射镜片镀双波长反射膜，聚焦系统也采用双波长聚焦设计。总之，本发明的核心思想就是扫描运动钻孔激光束进行高速运动精细聚焦，完成局部微孔高速钻孔，并在钻孔聚焦系统与待加工材料相对位置不变情况下，即扫描运动钻孔激光束与待加工材料定位完成后，激光钻孔光束钻孔工序内，所述加热与清洗激光束完成钻孔前钻孔部位的清洗或加热，或者完成钻孔后的钻孔部位的激光清洗，如此没有增加工序时间，但是增加了激光预处理以及激光清洗内容，大幅度改善了激光钻孔效率和钻孔质量，节省了后道清洗工序。

本实施例也可以用于激光陶瓷钻孔。在对陶瓷进行精密激光钻孔时，激光在代加工工件表面运动过程中，起始点阶段总是表现较浅，这是由于开始阶段陶瓷温度处于常温的缘故，此时如果采用第二激光聚焦光斑30在所述第一激光聚焦光斑31出光扫描钻孔前对待加工陶瓷进行表面清除污渍以及加热处理，更有利于所述第一激光聚焦光斑31对待加工陶瓷板进行高效钻孔。

本实施例可以应用于绝大部分材料精细激光钻孔领域，是激光钻孔领域领域的又一大突破。

实施例2、一种适用于硅晶圆群孔的复合焦点时空同步钻孔系统。下面结合图2、图3和图4对本实施例提供的系统进行说明。

适用于硅晶圆群孔的复合焦点时空同步钻孔系统与实施例1中的适用于印刷电路板的复合时空同步钻孔系统具有相似之处，可以参见图2，本实施例提供的系统包括扫描运动钻孔激光器1，扫描运动钻孔激光调制器2，加热与清洗激光器4，激光合束器6和激光聚焦与焦点切换模块。

其中，扫描运动钻孔激光调制器2为正交放置的声光偏转器21和22，也可以为电光偏转器，也可以是压电陶瓷驱动或者电流计驱动的反射镜，也可以是电主轴电机驱动旋转折射光学元件，或者上述任意两个或多种的组合。

所述激光聚焦与焦点切换模块为平台移动静态聚焦单元，包括静态聚焦镜18和线性移动平台17。所述静态聚焦镜18用于对从所述激光合束器6输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，以得到复合聚焦焦点；所述线性移动平台17用于控制复合聚焦焦点在待加工工件16的不同加工孔位之间的切换。

本实施例中，静态聚焦镜18的焦距为50毫米，镜片增透膜为双波长532和1064纳米，所述待加工工件16为100微米厚度硅晶圆。

整个硅晶圆群孔钻孔系统结构中的光路流程如下：扫描运动钻孔激光器1输出第一扫描运动钻孔激光束3，经过扫描运动钻孔激光调制器2，即正交放置的声光偏转器21和22的空间运动调制，获得空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束3，所述第一扫描运动钻孔激光束3入射激光合束器6后透射输出第二扫描运动钻孔激光束；所述加热与清洗激光器4输出第一加热与清洗激光束5入射激光合束器6后反射输出第二加热与清洗激光束，所述第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束合束得到第二光束组7，第二光束组7经反射镜片19反射得到第三光束组9，所述第三光束组9经所述静态聚焦镜18进行聚焦，得到聚焦光束组15，所述聚焦光束组15直接作用于待加工工件16即硅晶圆上,所述硅晶圆固定于所述线性移动平台17上。

所述第一扫描运动钻孔激光束3为直径为5毫米的扩束准直光束，其相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率10瓦150千赫兹，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围30到200千赫兹。请见图3和图4，与所述第一扫描运动钻孔激光束3对应的第一激光聚焦光斑31的光斑直径为10微米，焦深120微米。

所述第一加热与清洗激光束5为直径为1毫米光束，其相关参数如下：激光波长1064纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率20瓦5千赫兹，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围0到10千赫兹。请见图3和图4，与所述第一加热与清洗激光束5对应的第二激光聚焦光斑30的光斑直径为100微米。

本实施例工作流程如下：线性移动平台17使得待钻孔硅晶圆(即待加工工件16)处于正确空间位置，所述扫描运动钻孔激光器1输出的第一扫描运动钻孔激光束3经过扩束准直(图中没有标示)并经过正交放置的声光偏转器21和22的高速空间运动调制，对应的第一激光聚焦光斑31在所述待钻孔硅晶圆正确的位置扫描钻出通孔，请见图4中虚线圆即为所述第一激光聚焦光斑31部分轨迹位置，待孔钻完时，所述第二激光聚焦光斑30出光，对所述第一激光聚焦光斑31所钻通孔进行激光清洗。

本实施例也可以在所述第一激光聚焦光斑31出光扫描钻孔前，采用第二激光聚焦光斑30对待加工硅晶圆进行表面清除污渍以及加热处理，更有利于所述第一激光聚焦光斑31对待钻孔硅晶圆进行高效钻孔。

总之，本实施例的核心思想就是扫描运动钻孔激光束进行高速运动精细聚焦，完成局部微孔高速钻孔，而加热与清洗激光束完成扫描运动钻孔激光束对待加工工件钻孔前的钻孔部分的清洗或加热，或者完成钻孔后的钻孔孔内与孔周围部位的激光清洗。

实施例3、一种复合焦点时空同步钻孔方法流程图。下面结合图5对本实施例提供的方法进行详细说明。

参见图5，本实施例提供的方法主要工作过程为：将第一加热与清洗激光束和经过空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束进行合束，以输出第二加热与清洗激光束和第二扫描运动钻孔激光束组成激光光束组，以使第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴轴线空间角度小于10°。然后将所述激光合束后的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点，并控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，以使所述复合聚焦焦点对待加工工件的不同孔位进行钻孔加工与清洗。

其中，所述复合聚焦焦点包括与所述第二扫描运动钻孔激光束对应的第一激光聚焦光斑和与所述第二加热与清洗激光束对应的第二激光聚焦光斑，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于200微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于1毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内；所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化等；或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行激光时空同步激光照射清洗。

其中，第一扫描运动钻孔激光束和第一加热与清洗激光束的激光波长可以相同，也可以不同，比如，第一扫描运动钻孔激光束为脉冲激光束，而第一加热与清洗激光束为连续激光束或脉冲激光束。

另外，第一扫描运动钻孔激光束的空间运动调制由声光偏转器完成，或者由电光偏转器完成，或者由压电陶瓷驱动或电流计驱动的反射镜偏转完成，或者由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成，或者由其中的任意两者或多种组合完成。

需要说明的是，本实施例的利用复合焦点进行时空同步钻孔的整个过程可以参见上述实施例1和实施例2，在此不再重复说明。

总之，本发明提出的一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法，其重要特点是：扫描运动钻孔激光束(指经过激光合束以及激光聚焦后的扫描运动钻孔激光束)的高速光束扫描保障了微孔钻孔的高效率，振镜偏转光束保障了待加工工件的孔与孔之间切换动作的高效率，加热与清洗激光束(指经过激光合束以及激光聚焦后的加热与清洗激光束)对扫描运动钻孔激光束焦点扫描区域进行预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化，进一步提高了微孔钻孔效率。最重要的是，本发明实现了在同一套钻孔光学聚焦系统下面，设置了与扫描运动钻孔激光束钻孔扫描空间，或者说与所钻微孔空间永远时空同步的加热与清洗激光束，该加热与清洗激光束对扫描运动钻孔激光束焦点扫描区域进行时空同步激光清洗，使得钻孔设备(即待加工工件)特别是印刷电路板盲孔设备常见的孔边缘残留杂质、孔底部残留树脂、孔壁残留玻璃纤维的现象彻底消失，极大的保障了微孔特别是盲孔的钻孔成品率。本发明非常巧妙的解决了密集盲孔钻孔质量问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合焦点时空同步钻孔系统，其特征在于，所述系统包括扫描运动钻孔激光器、扫描运动钻孔激光调制器、加热与清洗激光器、激光合束器、激光聚焦与焦点切换模块和待加工工件；

所述扫描运动钻孔激光器，用于发射第一扫描运动钻孔激光束；

所述扫描运动钻孔激光调制器，用于对所述发射的第一扫描运动钻孔激光束进行运动空间调制，并将调制后的第一扫描运动钻孔激光束入射所述激光合束器；

所述加热与清洗激光器，用于发射第一加热与清洗激光束，并将发射的第一加热与清洗激光束入射所述激光合束器；

所述激光合束器，用于对所述入射的第一扫描运动钻孔激光束及第一加热和清洗激光束进行合束，分别输出第二扫描运动钻孔激光束及第二加热和清洗激光束，其中，所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10°；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点，并控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间进行切换，以使所述复合聚焦焦点对待加工工件的不同孔位进行激光钻孔加工与激光清洗；

其中，所述复合聚焦焦点包括与所述第二扫描运动钻孔激光束对应的第一激光聚焦光斑和与所述第二加热与清洗激光束对应的第二激光聚焦光斑，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于1毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内；所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗。

2.如权利要求1所述的复合焦点时空同步钻孔系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；

或者，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜和二维运动平台；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；所述二维运动平台用于承载待加工工件以及加工区域的切换；

所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜和线性移动平台，所述静态聚焦镜用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述线性移动平台用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的切换。

3.如权利要求1所述的复合焦点时空同步钻孔系统，其特征在于，所述扫描运动钻孔激光调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射光学元件或其中任意两者或多者的组合。

4.如权利要求1所述的复合焦点时空同步钻孔系统，其特征在于，所述激光合束器为偏振合束器。

5.如权利要求1所述的复合焦点时空同步钻孔系统，其特征在于，所述待加工工件为电路板基材或者硅片或者陶瓷片，所述电路板基材包括印刷电路板基材和低温共烧陶瓷。

6.一种复合焦点时空同步钻孔方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将第一加热与清洗激光束和经过空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束进行合束，以输出第二加热与清洗激光束和第二扫描运动钻孔激光束，以使所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10°；

S2、将所述激光合束后的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点，所述复合聚焦焦点由第一激光聚焦光斑和第二激光聚焦光斑组合而成；

S3、控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换；当切换至一个具体孔位时，所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗；

其中，在复合聚焦焦点内，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于1毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内。

7.如权利要求6所述的复合焦点时空同步钻孔方法，其特征在于，所述第一扫描运动钻孔激光束为脉冲激光束，所述第一加热与清洗激光束为连续激光束或脉冲激光束。

8.如权利要求6所述的复合焦点时空同步钻孔方法，其特征在于，所述第一扫描运动钻孔激光束的空间运动调制由声光偏转器完成，或者由电光偏转器完成，或者由压电陶瓷驱动或电流计驱动的反射镜偏转完成，或者由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成，或者由其中的任意两者或多种组合完成。

9.如权利要求6所述的复合焦点时空同步钻孔方法，其特征在于，所述第一加热与清洗激光束和经过空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束的合束由偏振合束器完成。