CN107309556A - 一种激光钻孔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光钻孔装置及方法，该装置包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、光束整形系统、振镜扫描聚焦系统、加工工件PCB板和加工平台；所述加工工件PCB板设置于加工平台上，振镜扫描聚焦系统位于所述加工工件PCB板上方；第一反射镜、光束整形系统和第二反射镜由上至下同轴设置，并位于振镜扫描聚焦系统的一侧，第二反射镜与振镜扫描聚焦系统沿同一水平轴线布置；激光器沿同一水平轴线设置在第一反射镜的一侧。本发明的优点是利用光束整形系统消除了高斯激光对PCB板钻孔边缘切屑力量不够容易形成残胶的影响，实现高精度、高品质的钻孔效果。

Description

一种激光钻孔装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光钻孔领域，特别是涉及一种激光钻孔装置及方法。
背景技术
印刷电路板英文名：Printedcircuitboard,简称PCB板，是以绝缘板为基材，切成一定尺寸，并在其上附有导电图形及各类功能孔，用来替代以往装置电子元器件的基板，并实现电子元器件之间的相互连接。作为电子元器件连接以及绘制电子导电图形的基本，PCB板因其性能稳定、提高了自动化水平、大大减少了布线以及提高装配精度等优点，确定了其在电子工业中的绝对统治地位。
早期多层PCB板层间互联以及零件脚插装，都是依靠全通式的镀通孔实现。随着电子产品功能提升以及零件的增加，通孔插装演变成了表面贴装以节省空间，使得PCB板小孔细化成为重要课题。目前，PCB板朝着多层化、高密度方向快速发展，PCB板上各种功能孔的尺寸进一步朝小孔径发展。高密度多层板除了用于移动手机上外，在笔记本电脑、数码相机等电子产品上也广泛应用，也使用在CPU等高密度的半导体封装产品上，且应用的产品及领域越来越广。
现在对于PCB板钻孔方法包括机械钻孔方法和激光钻孔方法，机械钻孔的方法以机械微型钻头钻孔加工，钻头需要频繁更换，使用成本和维护成本高，且随着孔径朝着微型化方向发展，机械钻孔方法已经不能满足PCB板钻孔的需求。激光钻孔方法因成本低，速度快，在电路板生产加工中具有很大的优势，并且激光钻孔方法在板层间的电路层连接制程比机械钻孔方法制程少。微孔的激光钻孔方法有两种激光光束类型，分别是高斯光束和平顶(flat-top)光束。高斯光束钻孔因光束边缘能量小，切屑力量弱，待加工件的各层绝缘树脂材料都属于有机的高分子材料，高分子材料的激光加工对孔径宽度或横截面发生的任何变化都很敏感，易造成PCB板微孔孔壁和孔底边缘残留有绝缘层树脂材料，即出现残胶。而平顶光束能量分布均匀，所钻微孔孔壁及孔底平整，能有效消除高斯光束激光对PCB板钻孔边缘切屑力量不够且容易形成残胶的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的高斯光束钻孔方式，其出现的由于边缘切屑力不够易造成PCB板微孔孔壁和孔底边缘残留有绝缘层树脂材料的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种激光钻孔装置，包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、光束整形系统、振镜扫描聚焦系统、加工工件PCB板和加工平台；
所述加工工件PCB板设置于加工平台上，振镜扫描聚焦系统位于所述加工工件PCB板上方；第一反射镜、光束整形系统和第二反射镜由上至下同轴设置，并位于振镜扫描聚焦系统的一侧，第二反射镜与振镜扫描聚焦系统沿同一水平轴线布置；激光器沿同一水平轴线设置在第一反射镜的一侧；
所述激光器用于射出高斯激光，第一反射镜用于将高斯激光反射至光束整形系统，所述光束整形系统用于将高斯激光整形成平顶光束后射入到第二反射镜，第二反射镜用于将平顶光束反射至振镜扫描聚焦系统；振镜扫描聚焦系统用于将平顶光束聚焦成加工光斑后，通过光斑对加工平台上的加工工件PCB板进行钻孔加工。
进一步的，所述振镜扫描聚焦系统包括振镜扫描模块和f-theta聚焦镜，所述振镜扫描模块位于f-theta聚焦镜的上方，所述振镜扫描模块用于振镜扫描，将平顶光束偏转至f-theta聚焦镜，所述f-theta聚焦镜用于将平顶光束聚焦成加工光斑，通过光斑对放置于加工平台上的加工工件PCB板进行钻孔加工。
进一步的，所述光束整形系统包括平凹透镜和平凸透镜，所述平凹透镜位于平凸透镜前方，平凹透镜用于对输入的高斯光束进行调制，所述平凸透镜用于根据调制后的高斯光束得到强度均匀分布的平顶光束。
进一步的，还包括视觉定位系统，所述视觉定位系统包括CCD相机和光源，所述CCD相机和光源分别位于振镜扫描模块的一侧，且CCD相机位于光源的上方，所述CCD相机和光源用于对加工工件PCB板进行定位，获取加工工件PCB板的位置坐标信息，并将获取的位置坐标信息传输给振镜扫描聚焦系统，所述振镜扫描聚焦系统根据该位置坐标信息进行扫描聚焦。
进一步的，还包括光阑系统，所述光阑系统同轴位于光束整形系统和第二反射镜之间，用于限制平顶光束直径大小。
进一步的，还包括吸尘系统，所述吸尘系统同轴位于振镜扫描聚焦系统和加工工件PCB板之间，用于将加工过程中产生的粉尘及废气排出。
进一步的，所述的激光器是红外波段的CO2射频激光器，所述的激光器射出高斯激光波长为9.2um、9.4um或10.6um。
进一步的，所述第一反射镜和第二反射镜分别与入射光呈45°角。
进一步的，所述的振镜扫描模块为三维扫描模块，所述的f-theta聚焦镜的聚焦镜头为远心聚焦镜头。
一种激光钻孔方法,包括以下步骤，
步骤1：设置加工参数，包括加工中需要的激光能量和光阑大小；
步骤2：固定加工工件PCB板，即通过加工平台吸附固定加工工件PCB板；
步骤3：视觉定位系统通过CCD相机和光源进行靶标定位，读取加工工件PCB板的二维位置坐标，并协调控制振镜扫描聚焦系统至合适位置；
步骤4：激光器发射高斯激光，发射后的高斯激光经过与入射光呈45度的第一反射镜反射后，进入光束整形系统整形成平顶光束b；
步骤5：整形后的平顶光束b接着经过光阑系统进行过滤和光束直径限制，得到光束直径小于平顶光束b的平顶光束c,平顶光束c经过与入射光呈45度的第二反射镜反射后，进入振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描模块扫描和f-theta聚焦镜扫描聚焦形成加工光斑；
步骤6：所述加工光斑作用在加工工件PCB板上，开始对其钻孔加工。
本发明具有如下有益效果：本发明提供的激光钻孔装置通过光束整形系统将高斯光束转换成平顶光束，保证了钻孔加工能量分布的均匀性，无论钻孔方向如何，都将以均匀的方式加工；低损耗的光束整形系统和光路传输系统保障了激光能量的高效利用率；高速稳定的振镜扫描聚焦系统提高了钻孔的速度；CCD视觉定位系统配合高精度的振镜扫描聚焦系统保证了对工件的高精度加工；加工平台的真空吸附保证了PCB板在加工过程中不发生偏移；吸尘系统排出加工过程中产生的粉尘和废气，有效的避免了对环境的污染和对人体产生的伤害。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1是本发明提供的激光钻孔装置结构示意图；
图2是本发明提供的激光钻孔机光束整形系统工作示意图；
图3是本发明提供的激光钻孔机光阑系统工作示意图；
图4是本发明提供的激光钻孔机振镜聚焦系统工作示意图；
图5是本发明提供的激光钻孔机方法示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，一种激光钻孔装置，包括激光器10、第一反射镜21、第二反射镜22、光束整形系统30、光阑系统40、视觉定位系统(图未示)、振镜扫描聚焦系统(图未示)、吸尘系统70、加工工件PCB板80和加工平台90。激光器10一侧装有第一反射镜21，第一反射镜21的下方装有光束整形系统30，光束整形系统30下方装有光阑系统40，光阑系统40下方装有第二反射镜22，第二反射镜22一侧装有振镜扫描聚焦系统，振镜扫描聚焦系统下方则是加工平台90，加工平台90上表面放置加工工件PCB板80。而在加工工件PCB板80与振镜扫描聚焦系统之间的位置上装有吸尘系统70；第一反射镜21和第二反射镜22分别与入射光呈45°角。
振镜扫描聚焦系统包括振镜扫描模块51和f-theta聚焦镜52，振镜扫描模块51位于f-theta聚焦镜52的上方；视觉定位系统包括CCD相机61和光源62，CCD相机61和光源62分别位于振镜扫描模块51的一侧，且CCD相机61位于光源62的上方。在钻孔过程中，振镜扫描聚焦系统与视觉定位系统的相对位置保存不变。
所述激光器10用于射出高斯光束，高斯光束沿光路传播方向经过与入射光成45度的第一反射镜21反射后入射到光束整形系统30，所述光束整形系统30用于将高斯光束整形成平顶光束后射入到所述光阑系统40，光阑系统40用于限制平顶光束直径大小，限制直径大小后的平顶光束通过与入射光呈45度的第二反射镜22反射后，射入振镜扫描聚焦系统的振镜扫描模块51，通过振镜扫描模块51进行振镜扫描，将平顶光束偏转至f-theta聚焦镜52，f-theta聚焦镜52用于将平顶光束聚焦成加工光斑，通过光斑对放置于加工平台90上的加工工件PCB板80上进行钻孔加工，吸尘系统70用于将钻孔加工过程中产生的粉尘及废气排出。
通过CCD相机61和光源62对加工工件PCB板80进行定位，获取加工工件PCB板80的位置坐标信息，并将获取的位置坐标信息传输给振镜扫描聚焦系统，振镜扫描聚焦系统根据该位置坐标信息进行高速度和高精度的扫描聚焦，以保证加工工件的高精度。
在本实施例中，激光器10是红外波段的CO2射频激光器，激光器10射出高斯激光波长为：9.2um、9.4um或10.6um。
参阅图2所示，光束整形系统30包括平凹透镜31和平凸透镜32，平凹透镜31位于平凸透镜32前方，激光光束在光束整形系统30中，输入高斯光束a首先经过光束整形系统30的平凹透镜31的调制，然后再经过光束整形系统30的平凸透镜32，得到强度均匀分布的平顶光束b，高斯光束a与平顶光束b关于光轴对称，光束沿箭头方向传输，在输入高斯光束a的垂轴截面上r处的光强分布为f(r)，平顶光束b的垂轴截面上R处的光强分布为g(r)，除了透镜发热消耗的极少能量外(几乎忽略不计)，高斯光束a的能量与平顶光束b的能量几乎是相等的，根据能量守恒原理，可以得到一个归一化的等式：
由上述等式可知，光束整形系统30在光束整形过程中能量损耗小，效率高。
参阅图3所示，平顶光束b入射到光阑系统40上的任意光阑41，光阑41与平顶光束b同轴，且将平顶光束b直径大于光阑41直径的部分过滤，只保留光阑直径大小的光束，即平顶光束c，这样可以过滤掉外部因素造成的光束外围不均匀部分，同时限制光束直径大小保证钻孔孔径和切削力满足加工要求。
参阅图4所示，振镜扫描模块51为三维扫描模块，f-theta聚焦镜52的聚焦镜头为远心的聚焦镜头，光学成像聚焦是以几何光学的成像原理为基础的，根据几何光学成像原理得知：
1/f＝1/O+1/I及M＝I/O
式中，f是成像系统焦距，O是物距，I是像距，M是光学成像后的放大率。由图4所示几何光学成像原理知，经过光阑系统40过滤后的光束大小(即光阑直径)及光束能量分布形式作为物，由f-theta聚焦镜52聚焦后的光束d光斑直径取决于光阑系统40。同时f-theta聚焦镜52可以把像空间的光束d垂直于钻孔面，避免了聚焦钻孔产生的锥度过大，保证了钻孔截面垂直，孔壁光滑，光束加工切屑能力强，钻孔精度高。
在本实施例中，f-theta聚焦镜52聚焦后用于加工的光斑经过光阑系统40的直径限制介于50um与250um之间。
在本实施例中，所述吸尘系统70用于吸附并排出加工过程中产生的粉尘和废气，从而避免对人体产生的伤害和对环境的污染。
在本实施例中，所述的加工工件PCB板80放置并通过真空吸附固定在加工平台90上，真空吸附压力不低于10MP。通过加工平台90的真空吸附，能够保证了加工工件PCB板80在加工过程中不发生偏移。所述的待加工工件为PCB板，是以绝缘板为基材，切成一定尺寸，并在其上附有导电图形及各类功能孔，用来替代以往装置电子元器件的基板，并实现电子元器件之间的相互连接。
参阅图5所示，本发明实施例激光钻孔的方法包括以下步骤：
步骤1：设置加工参数，包括加工中需要的激光能量和光阑41大小；
步骤2：固定加工工件PCB板80，即通过加工平台90吸附固定加工工件PCB板80；
步骤3：视觉定位系统通过CCD相机61和光源62进行靶标定位，读取加工工件PCB板80的二维位置坐标，并协调控制振镜扫描聚焦系统至合适位置；
步骤4：激光器10发射高斯激光，发射后的高斯激光经过与入射光呈45度的第一反射镜21反射后，进入光束整形系统30整形成平顶光束b；
步骤5：整形后的平顶光束b接着经过光阑系统40进行过滤和光束直径限制，得到光束直径小于平顶光束b的平顶光束c,平顶光束c经过与入射光呈45度的第二反射镜22反射后，进入振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描模块51扫描和f-theta聚焦镜52扫描聚焦形成加工光斑；
步骤6：所述加工光斑作用在加工工件PCB板80上，开始对其钻孔加工。
本发明实施例所述的激光钻孔装置的激光器10发出的优质质量激光光束可以达到良好的钻孔效果；光束由高斯光束整形成平顶光束的光束整形系统30保证了钻孔加工能量分布的均匀性，无论钻孔方向如何，都将以均匀的方式加工；低损耗的光束整形系统30、第一反射镜21和第二反射镜22保障了激光能量的高效利用率；高速稳定的振镜扫描聚焦系统提高了钻孔的速度；视觉定位系统配合高精度的振镜扫描聚焦系统保证了对工件的高精度加工。
加工完成后，检查样板的钻孔效果来进一步调整更佳的加工参数，直到加工出的样板效果最佳为止。最佳参数调整设定完成后，就可以使用该参数对相同加工要求的批量待钻孔加工工件PCB板80进行钻孔加工。
综上所述，激光钻孔方法利用平顶光束能量分布均匀和低损耗的特性，所钻微孔孔壁及孔底平整，能有效消除高斯光束激光对PCB板钻孔边缘切屑力量不够容易形成残胶的影响。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光钻孔装置，其特征在于：包括激光器(10)、第一反射镜(21)、第二反射镜(22)、光束整形系统(30)、振镜扫描聚焦系统、加工工件PCB板(80)和加工平台(90)；
所述加工工件PCB板(80)设置于加工平台(90)上，振镜扫描聚焦系统位于所述加工工件PCB板(80)上方；第一反射镜(21)、光束整形系统(30)和第二反射镜(22)由上至下同轴设置，并位于振镜扫描聚焦系统的一侧，第二反射镜(22)与振镜扫描聚焦系统沿同一水平轴线布置；激光器(10)沿同一水平轴线设置在第一反射镜(21)的一侧；
所述激光器(10)用于射出高斯激光，第一反射镜(21)用于将高斯激光反射至光束整形系统(30)，所述光束整形系统(30)用于将高斯激光整形成平顶光束后射入到第二反射镜(22)，第二反射镜(22)用于将平顶光束反射至振镜扫描聚焦系统；振镜扫描聚焦系统用于将平顶光束聚焦成加工光斑后，通过光斑对加工平台(90)上的加工工件PCB板(80)进行钻孔加工。
2.根据权利要求1所述的激光钻孔装置，其特征在于：所述振镜扫描聚焦系统包括振镜扫描模块(51)和f-theta聚焦镜(52)，所述振镜扫描模块(51)位于f-theta聚焦镜(52)的上方，所述振镜扫描模块(51)用于振镜扫描，将平顶光束偏转至f-theta聚焦镜(52)，所述f-theta聚焦镜(52)用于将平顶光束聚焦成加工光斑，通过光斑对放置于加工平台(90)上的加工工件PCB板(80)上进行钻孔加工。
3.根据权利要求1或2所述的激光钻孔装置，其特征在于：所述光束整形系统(30)包括平凹透镜(31)和平凸透镜(32)，所述平凹透镜(31)位于平凸透镜(32)前方，平凹透镜(31)用于对输入的高斯光束进行调制，所述平凸透镜(32)用于根据调制后的高斯光束得到强度均匀分布的平顶光束。
4.根据权利要求3所述的激光钻孔装置，其特征在于：还包括视觉定位系统，所述视觉定位系统包括CCD相机(61)和光源(62)，所述CCD相机(61)和光源(62)分别位于振镜扫描模块(51)的一侧，且CCD相机(61)位于光源(62)的上方，所述CCD相机(61)和光源(62)用于对加工工件PCB板(80)进行定位，获取加工工件PCB板(80)的位置坐标信息，并将获取的位置坐标信息传输给振镜扫描聚焦系统，所述振镜扫描聚焦系统根据该位置坐标信息进行扫描聚焦。
5.根据权利要求1或4所述的激光钻孔装置，其特征在于：还包括光阑系统(40)，所述光阑系统(40)同轴位于光束整形系统(30)和第二反射镜(22)之间，用于限制平顶光束直径大小。
6.根据权利要求5所述的激光钻孔装置，其特征在于：还包括吸尘系统(70)，所述吸尘系统(70)同轴位于振镜扫描聚焦系统和加工工件PCB板(80)之间，用于将加工过程中产生的粉尘及废气排出。
7.根据权利要求1或6所述的激光钻孔装置，其特征在于：所述的激光器(10)是红外波段的CO2射频激光器，所述的激光器(10)射出高斯激光波长为9.2um、9.4um或10.6um。
8.根据权利要求7所述的激光钻孔装置，其特征在于：所述第一反射镜(21)和第二反射镜(22)分别与入射光呈45°角。
9.根据权利要求2所述的激光钻孔装置，其特征在于：所述的振镜扫描模块(51)为三维扫描模块，所述的f-theta聚焦镜(52)的聚焦镜头为远心聚焦镜头。
10.一种基于权利要求1-9所述激光钻孔装置的激光钻孔方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：设置加工参数，包括加工中需要的激光能量和光阑(41)大小；
步骤2：固定加工工件PCB板(80)，即通过加工平台(90)吸附固定加工工件PCB板(80)；
步骤3：视觉定位系统通过CCD相机(61)和光源(62)进行靶标定位，读取加工工件PCB板(80)的二维位置坐标，并协调控制振镜扫描聚焦系统至合适位置；
步骤4：激光器(10)发射高斯激光，发射后的高斯激光经过与入射光呈45度的第一反射镜(21)反射后，进入光束整形系统(30)整形成平顶光束b；
步骤5：整形后的平顶光束b接着经过光阑系统(40)进行过滤和光束直径限制，得到光束直径小于平顶光束b的平顶光束c,平顶光束c经过与入射光呈45度的第二反射镜(22)反射后，进入振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描模块(51)扫描和f-theta聚焦镜(52)扫描聚焦形成加工光斑；
步骤6：所述加工光斑作用在加工工件PCB板(80)上，开始对其钻孔加工。
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