CN108176928B

CN108176928B - 一种角度可调的阵列微孔激光加工方法

Info

Publication number: CN108176928B
Application number: CN201711247825.3A
Authority: CN
Inventors: 王成勇; 唐梓敏; 郑李娟; 王宏建; 黄欣; 杜策之; 胡小月
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: CN108176928A

Abstract

本发明提供一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，其包括以下步骤：S1：测试板材中各层材料的烧蚀阈值；S2：将板材固定在精密平台上；S3：根据激光微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，进行微孔加工；S4：通过聚焦模组设定激光输出角度或者通过超精密平台调整板材孔的倾斜角度，重新调整聚焦位置，依据激光微孔加工的深度变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，对孔进行再加工，以达到孔的圆柱度加工要求；本方法适应高深径比的阵列微孔加工，具有高的加工精度与加工效率。

Description

一种角度可调的阵列微孔激光加工方法

技术领域

本发明涉及板材的加工，具体涉及一种角度可调的阵列微孔激光加工方法。

背景技术

随着电子技术的发展，孔加工呈现小型化、高密度集成化等趋势。根据孔径大小，孔加工主要采用机械钻孔、化学蚀除及激光钻孔等方法。孔径＞100μm时，多采用机械加工；孔径＜100μm时，激光加工具有巨大的优势。

激光属于高能束加工方法，可在不与工件接触的情况下完成加工，目前已经广泛运用于各种板状材料的微孔加工。当前对于激光微孔加工，通常采取的措施是寻求适宜的激光加工参数以实现板材的圆柱孔加工。例如，文献报道了利用UV激光输出参数的改变来加工适合PCB（印制电路板）孔形的方法（紫外光激光加工盲孔的工艺研究，印制电路信息，2011，4，62-66）。该方法需进行大量的实验以寻找适宜的激光加工参数。当所加工PCB各层材料发生改变或者厚度发生改变时，往往需要重新实验，不适宜实际生产应用，同时也难以满足大深径比的微孔的加工要求。专利CN201710028825.8公开了一种高速PCB的制作方法及PCB，可以很好的实现PCB大深径比微孔的加工，但是其步骤复杂，在进行激光微孔加工之前需要进行开铜窗等减铜处理，在完成加工微孔加工之后还需进行包括机械钻孔在内等多项后续操作，这不利于PCB上孔径的减小以及阵列微孔的量产。

因此，亟需一种加工精度高、效率高且可提高深径比的圆柱阵列微孔加工方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种可适用于高深径比的、高精度、高效率的角度可调的阵列微孔激光加工方法。

本发明通过以下技术方案实现。

一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测试板材中各层材料的烧蚀阈值；

S2：将板材固定在超精密平台上；

S3：根据激光微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，使用激光进行微孔加工；

S4：通过聚焦模组设定激光输出角度或通过超精密平台调整板材的倾斜角度，重新调整聚焦位置，依据激光微孔加工的深度变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，对孔进行再加工，以达到孔的圆柱度加工要求。

由于激光加工本身的特性，当微孔加工达到一定加工深度时，存在材料无法及时喷出以及激光在传递过程中存在能量被吸收、反射以及衰减等现象，导致激光加工达到饱和状态，无法进一步加工，难以满足大深径比微孔的加工要求。故根据所加工板材材料不同的烧蚀阈值以及所加工微孔的深度调整激光的输出功率等参数，以满足较大深径比的圆柱阵列微孔加工要求。

使用激光进行微孔加工时，由于激光加工时聚焦以及功率等原因，在激光加工参数保持一定时，随着加工深度的增加，已加工孔径逐渐减小，呈现出一定的正锥度，难以加工出圆柱孔。通过调整激光的输出角度或者超精密平台的偏转角度，两者之间角度的设定是相互独立的，对所加工出来的正圆锥孔进行二次加工。

由于超精密平台的偏转角度是可以调整的，所以一次定位后，可以通过调整超精密平台的偏转角度进而改变工件的偏转角度，可以用于加工倾斜平面的孔，而且不用重新定位，同一块工件具有不同的倾斜平面，而且不同平面均需要加工，可以实现一次性定位。

受限于孔径的大小以及分布密度，在阵列微孔高速加工特别是针对斜圆柱阵列微孔加工领域，常规的激光加工以及单一的激光功率难以满足高速圆柱阵列微孔的加工要求，克服现有技术的弊端，本发明可用于阵列微孔的高速加工。

优选的，聚焦模组的激光输出角度与超精密平台进行再次加工时的倾斜角度调整是相互独立的。

优选的，聚焦模组可沿z轴方向调整激光输出角度，角度可调范围为-5°～＋5°，聚焦模组的激光可沿i方向旋转，旋转角度为0～360°，扫描速度为0～1000mm/s。

优选的，超精密平台可沿x、y、z轴三个方向的平移运动，同时可以沿v、i方向的旋转运动；超精密平台可以沿v方向进行角度调节，调节范围为0～45°，同时可以沿i方向旋转，旋转角度为0～360°，旋转速度为0～500rpm。

优选的，激光的波长可选择范围包括355~1064nm，脉冲宽度范围为0～200ns，输出功率调整范围为0～100W，重复频率范围为2～150kHz，离焦量为-3～3mm。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，通过协调微孔加工深度、材料的烧蚀阈值及激光功率，以满足高深径比的圆柱阵列微孔加工要求，可满足多层不同材料的加工特性。

2、本发明提供的一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，通过调整激光的输出角度或者改变超精密平台的偏转角度，两者之间角度的偏转是相互独立的，对所加工出来的圆锥孔进行二次加工，提高加工精度。

3、本发明提供的一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，一次定位后，可以通过调整超精密平台的偏转角度进而改变工件的偏转角度，可以用于加工倾斜平面的孔，而且不用重新定位，同一块工件具有不同的倾斜平面，而且不同平面均需要加工，可以实现一次性定位，再确保加工精度的同时，提高加工效率高。

4、本发明提供的一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，克服单一激光功率难以满足高速阵列微孔的加工的问题。

附图说明

图1为实施例1中角度可调的阵列微孔激光加工装置结构示意图；

图2为实施例1中板材结构示意图；

图3为实施例2中角度可调的阵列微孔激光加工装置结构示意图；

图4为实施例3中角度可调的阵列微孔激光加工装置结构示意图；

图5为实施例4中角度可调的阵列微孔激光加工装置结构示意图；

其中：1-激光器；2-激光束；3-反射镜；4-聚焦模组；5-板材；51-覆铜板；52-树脂层；53-胶层；6-超精密平台。

实施例1

如图1和2所示，激光器1发出激光束2，经反射镜3到聚焦模组4，聚焦后的激光束2对放置在超精密平台6上的板材5进行加工，板材5为多层PCB。多层PCB主要包括覆铜板51、树脂层52以及胶层53。首先测定多层PCB5各层材料的烧蚀阈值，根据激光束2微孔加工的深度确定激光束2微孔加工时所需要输出的功率，各层所需的激光束2输出功率为P1、P2、P3、P4、P5（常规情况下，各功率随着深度的增加，呈现递增的趋势，即P1＜P2＜P3＜P4＜P5）。其次进行工件的装夹、激光束2的对焦等操作，由于此系列步骤为本领域人员所熟悉的步骤，故在此不做赘述。再次设置激光束2输出功率为P1，对最上层的覆铜板51进行加工，根据覆铜板51厚度进行加工深度的设定，加工完成后测定加工是否完成以确认是否需要对调整功率P1进行再次加工；然后增加激光束2的输出功率至P2，对树脂层52进行加工，根据树脂层52厚度进行加工深度的设定，加工完成后测定加工是否完成以确认是否需要对调整功率P2进行加工；依次类推，完成中间的覆铜板51、胶层53、最下层覆铜板51的加工。

实施例2：

测定所加工的板材5各层材料的烧蚀阈值；将所加工的板材5固定在超精密平台6上；使用参数为波长355nm、脉冲宽度50ns、功率20W、重复频率100kHz、离焦量0等的激光束2进行微孔加工，扫描速度为700mm/s，加工过程中，依据激光束2微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，激光束2输出功率可以在范围0～100W内进行调整，以适应不同的加工要求。

如图3所示，板材5经激光束2加工后呈一定角度的正锥孔。此时，通过聚焦模组4设定激光2输出角度为2°（根据实际需要调整激光2的输出角度为-5°～＋5°）以及调整聚焦位置，输出激光2沿z轴方向进行旋转加工，以达到孔的圆柱度加工要求。在加工过程中保持超精密平台6的定位不变，以确保激光束2再次加工定位准确。

实施例3：

测定板材5各层材料的烧蚀阈值；将板材5固定在超精密平台6上；使用参数为波长532nm、脉冲宽度80ns、功率30W、重复频率100kHz、离焦量0等的激光束2进行微孔加工，扫面速度为800mm/s，加工过程中，依据激光束2微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，激光束2输出功率可以在范围0～100W内进行调整，以适应不同的加工要求。

如图4所示，板材5上的孔会形成一定的正锥角度，此时保持激光束2的输出角度以及输出功率等不变，沿y轴方向调整精密平台的旋转角度为30°（根据实际需要超精密平台6的旋转角度为0～45°），超精密平台6沿z轴方向旋转，激光束2对正锥孔进行再次加工，以达到孔的圆柱度要求。

此外，该加工方法还可用于处于板材5不同平面的的孔的激光束2的微孔加工。当板材5存在不同的平面时，处于水平面的平面可以使用如实施例2的方法进行激光束2微孔加工。对于不处于水平面上的孔，可利用本实例进行加工，在常规激光束2钻孔形成正锥孔角度的孔后，先通过聚焦模组4调整激光束2的输出角度为2°（根据实际需要调整激光束2的输出角度为-5°～＋5°）、功率等，其次通过超精密平台6沿z轴方向的旋转实现对倾斜面上的孔进行再次加工，以达到孔的圆柱度加工要求。

实施例4：

测定板材5各层材料的烧蚀阈值；将板材5固定在超精密平台6上；根据板材5斜圆柱孔加工的尺寸要求，沿y轴方向调整超精密平台6的旋转角度为30°（根据实际需要超精密平台6的旋转角度为0～45°），利用聚焦模组4设定激光束2的输出角度为竖直方向，聚焦模组4输出沿z轴方向旋转的激光束2进行加工，选用激光束2波长1064nm、脉冲宽度100ns、功率32W、重复频率100kHz、离焦量1mm等加工参数，依据激光束2微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，激光束2输出功率可以在范围0～100W内进行调整，以适应不同的加工要求。加工完成后，如图5所示，已加工孔存在一定的正锥角度，此时，通过聚焦模组4调整激光束2的输出角度为2°（根据实际需要调整激光束2的输出角度为-5°～＋5°）以及功率等，超精密平台6保持沿y轴方向的旋转角度不变，通过超精密平台6沿z轴方向的旋转进行再次加工，以达到孔圆柱度的加工要求。

以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测试板材中各层材料的烧蚀阈值；

S2：将板材固定在超精密平台上；

S3：根据激光微孔加工深度的变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，进行微孔加工；

S4：通过聚焦模组设定激光输出角度或通过超精密平台调整板材的倾斜角度，聚焦模组的激光输出角度与超精密平台进行再次加工时的倾斜角度调整是相互独立的，重新调整聚焦位置，依据激光微孔加工的深度变化以及不同材料的烧蚀阈值，调整激光输出功率，对孔进行再加工，以达到孔的圆柱度加工要求；聚焦模组可沿z轴方向调整激光输出角度，角度可调范围为-5°～+5°，聚焦模组的激光可沿i方向旋转，旋转角度为0～360°，扫描速度为0～1000mm/s；超精密平台可沿x、y、z轴三个方向的平移运动，同时可以沿v、i方向的旋转运动；超精密平台可以沿v方向进行角度调节，调节范围为0～45°，同时可以沿i方向旋转，旋转角度为0～360°，旋转速度为0～500rpm；

z轴为激光垂直照射方向，i方向为围绕z轴旋转的方向，v方向为围绕y轴旋转的方向。

2.根据权利要求1所述的一种角度可调的阵列微孔激光加工方法，其特征在于，激光的波长可选择范围为355～1064nm，脉冲宽度范围为0～200ns，输出功率调整范围为0～100W，重复频率范围为2～150kHz，离焦量为-3～3mm。