CN109702328B - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用2束激光束进行加工并且针对2束激光束能够分别测量反射光的强度的激光加工装置。分支合流光学系统将沿入射路径入射的激光束根据偏振方向分支为第1加工路径及第2加工路径。分支合流光学系统将分别沿第1加工路径及第2加工路径入射于分支合流光学系统的第1反射光及第2反射光合流到与入射路径不同的测量路径。分支元件将合流到测量路径的第1反射光及第2反射光分别分支为不同的路径。第1光检测器测量被分支元件分支后的第1反射光的强度，第2光检测器测量被分支元件分支后的第2反射光的强度。

Description

激光加工装置
本申请主张基于2017年10月26日申请的日本专利申请第2017-206874号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明是关于一种激光加工装置。
背景技术
在对印刷电路板进行钻孔等的激光加工装置中，已知有检测出来自加工对象物的反射光来判定加工状态的技术。例如，已知有一种激光加工装置，其根据从激光振荡器射出并被作为加工对象物的多层基板反射的反射光的反射光强度来控制激光(专利文献1)。
专利文献1：日本特开2000-126880号公报
为了提高激光加工效率，使用将从激光振荡器输出的激光束分支为2束并利用2束激光束进行激光加工(2轴加工)的激光加工装置。在进行2轴加工时，为了判定加工状态，必须针对2束激光束分别测量反射光。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用2束激光束进行加工并且针对2束激光束能够分别测量反射光强度的激光加工装置。
根据本发明的一种观点，提供一种激光加工装置，其具有：
分支合流光学系统，其对激光束进行分支及合流，即，将沿朝向所述分支合流光学系统的入射路径入射于所述分支合流光学系统的激光束根据偏振方向分支为第1加工路径及第2加工路径，将分别沿所述第1加工路径及所述第2加工路径入射于所述分支合流光学系统的第1反射光及第2反射光合流到与所述入射路径不同的测量路径；
分支元件，将合流到所述测量路径的所述第1反射光及所述第2反射光分别分支为不同的路径；
第1光检测器，测量被所述分支元件分支后的所述第1反射光的强度；及
第2光检测器，测量被所述分支元件分支后的所述第2反射光的强度。
根据本发明，能够利用第1加工路径和第2加工路径的2束激光束进行加工。并且，针对2束激光束能够分别测量反射光的强度。
附图说明
图1是基于实施例的激光加工装置的概略图。
图2A是加工前的加工对象物的一个被加工点的剖面图、图2B是加工中的加工对象物的一个被加工点的剖面图及图2C是加工后的加工对象物的一个被加工点的剖面图。
图3A是表示加工对象物50的一部分的概略俯视图，图3B是表示向加工对象物的脉冲激光束的入射、第1光束扫描仪及第2光束扫描仪(图1)的驱动期间的时序图。
图4是表示使用基于实施例的激光加工装置进行钻孔加工的步骤的流程图。
图5是表示基于另一实施例的激光加工装置中的向加工对象物的脉冲激光束的入射、第1光束扫描仪及第2光束扫描仪的驱动期间的时序图。
图6是表示使用基于另一实施例的激光加工装置进行钻孔加工的步骤的流程图。
图中：10-激光光源，11-分支合流光学系统，12-第1偏振光束分离器，13A-第1偏振光学元件，13B-第2偏振光学元件，20A-第1光束扫描仪，20B-第2光束扫描仪，21A-第1光束截止器，21B-第2光束截止器，22A-第1聚光透镜，22B-第2聚光透镜，30-第2偏振光束分离器，31A-第1光检测器，31B-第2光检测器，40-控制装置，41-存储装置，45-工作台，50-加工对象物，51-电介质基板，52-内层导体膜，53-前表面导体膜，54-背面导体膜，55-凹部，61-扫描区域，62-被加工点。
具体实施方式
下面，参考图1～图4，对基于实施例的激光加工装置进行说明。
图1是基于实施例的激光加工装置的概略图。激光光源10输出加工用的脉冲激光束。激光光源10例如使用二氧化碳激光器。
从激光光源10输出的脉冲激光束沿入射路径Pi入射于分支合流光学系统11。分支合流光学系统11将沿入射路径Pi入射的激光束根据偏振方向分支为朝向加工对象物50的第1加工路径P1及第2加工路径P2。而且，分支合流光学系统11将被加工对象物50反射而分别沿第1加工路径P1及第2加工路径P2反向行进的第1反射光及第2反射光合流到与入射路径Pi不同的测量路径Pm。
分支合流光学系统11例如包括第1偏振光束分离器12、第1偏振光学元件13A及第2偏振光学元件13B。第1偏振光束分离器12使沿入射路径Pi入射的激光束的P偏振成分透过，并且反射S偏振成分。入射的激光束的偏振方向调整为，P偏振成分与S偏振成分的功率相等。透过第1偏振光束分离器12的P偏振成分沿第1加工路径P1进行传播，被第1偏振光束分离器12反射的S偏振成分沿第2加工路径P2进行传播。
第1偏振光学元件13A配置于第1加工路径P1上。其使两次(去程和回程)通过第1加工路径P1的激光束的偏振方向旋转90°。由此，沿第1加工路径P1返回的第1反射光被第1偏振光束分离器12反射。第2偏振光学元件13B配置于第2加工路径P2上。其使两次(去程和回程)通过第2加工路径P2的激光束的偏振方向旋转90°。由此，沿第2加工路径P2返回的第2反射光透过第1偏振光束分离器12。第1偏振光学元件13A及第2偏振光学元件13B例如可以使用1/4波片。
在分支合流光学系统11与加工对象物50之间的第1加工路径P1上，配置有第1光束扫描仪20A及第1聚光透镜22A。同样，在第2加工路径P2上，配置有第2光束扫描仪20B及第2聚光透镜22B。在第1加工路径P1及第2加工路径P2的附近分别配置有第1光束截止器21A及第2光束截止器21B。
加工对象物50保持于工作台45上。工作台45具有使加工对象物50沿与其表面(被加工面)平行的二维方向(x方向和y方向)移动的功能。加工对象物50例如为印刷基板，并且通过激光束进行钻孔加工。
第1光束扫描仪20A沿二维方向扫描激光束。作为第1光束扫描仪20A，例如可以使用具有一对活动反射镜的加尔瓦诺扫描仪。被扫描的激光束通过第1聚光透镜22A聚光于加工对象物50的被加工面。作为第1聚光透镜22A，例如使用fθ透镜。第1光束扫描仪20A具有使激光束朝向第1光束截止器21A偏转的功能。在激光束朝向第1光束截止器21A偏转的状态下，激光束不会入射于加工对象物50。
配置在第2加工路径P2上的第2光束扫描仪20B、第2聚光透镜22B及配置在第2加工路径P2的附近的第2光束截止器21B分别具有与第1光束扫描仪20A、第1聚光透镜22A及第1光束截止器21A相同的功能。
沿第1加工路径P1反向传播且被第1偏振光束分离器12反射的第1反射光及沿第2加工路径P2反向传播且透过第1偏振光束分离器12的第2反射光合流到测量路径Pm。合流到测量路径Pm的第1反射光及第2反射光入射于第2偏振光束分离器30。第2偏振光束分离器30作为分别将第1反射光及第2反射光分支为不同的路径的分支元件而发挥作用。在被第2偏振光束分离器30分支之后的两个路径上，分别配置有第1光检测器31A及第2光检测器31B。第1反射光及第2反射光分别入射于第1光检测器31A及第2光检测器31B。
第1光检测器31A及第2光检测器31B分别测量第1反射光及第2反射光的强度。其测量结果输入到控制装置40。
控制装置40控制从激光光源10输出的脉冲激光束的输出时间及输出功率。而且，通过控制第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B，扫描沿第1加工路径P1及第2加工路径P2进行传播的激光束。而且，通过控制工作台45，使加工对象物50移动到目标位置。
存储装置41中储存有加工中所需的信息，例如加工对象物50上的多个被加工点的位置信息、加工顺序的指令信息、激光照射条件等。激光照射条件包括脉冲宽度、输出功率、照射各个被加工点的照射次数等。控制装置40具有如下功能：将激光加工中由第1光检测器31A及第2光检测器31B测量的反射光强度的检测结果与各个被加工点建立对应关系后储存于存储装置41。
控制装置40还具有如下功能：根据分别由第1光检测器31A及第2光检测器31B检测出的各个被加工点的反射光的强度，针对各个被加工点确定激光束的照射条件。沿第1加工路径P1传播而入射于加工对象物50的激光束的照射条件与沿第2加工路径P2传播而入射于加工对象物50的激光束的照射条件可以分别独立地进行调整。
接着，参考图2A～图2C，对加工对象物50的加工前的结构、加工中阶段的结构及加工后的结构进行说明。
图2A是加工前的加工对象物50的一个被加工点附近部分的剖面图。在玻璃环氧树脂等电介质基板51的内层，配置有内层导体膜52。在电介质基板51的被加工面上配置有前表面导体膜53，在其背面配置有背面导体膜54。
图2B是照射1次加工用脉冲激光束后的加工对象物50的局部剖面图。通过照射1次脉冲激光束，形成贯穿前表面导体膜53的凹部55。前表面导体膜53之下的电介质基板51的一部分也被激光照射而去除，凹部55达到比内层导体膜52的上表面稍微浅的位置。
图2C是加工后的加工对象物50的局部剖面图。照射1次或多次脉冲能量密度比图2B所示加工时小的脉冲激光束。由此，凹部55到达内层导体膜52的上表面，从而使内层导体膜52露出。
在图2B所示加工中，由于脉冲能量密度的偏差、电介质基板51内的玻璃纤维的密度的偏差、表面导体膜53的厚度的偏差等，基于1次照射形成的凹部55的深度也会产生偏差。有时还会出现凹部55达到内层导体膜52而使内层导体膜52的一部分露出的情况。若内层导体膜52露出，则反射光的强度会变大。通过利用第1光检测器31A及第2光检测器31B(图1)分别测量第1反射光的强度及第2反射光的强度，能够得到图2B所示的基于1次照射进行加工的凹部55的深度、大小等与加工状况有关的信息。
在内层导体膜52通过第1次照射的加工已被露出的状态下，若按照规定的照射条件进行第2次照射以后的加工，则内层导体膜52所受的损伤会变大。此时，优选降低第2次照射以后的脉冲激光束的脉冲能量密度，或者减少照射次数。
接着，参考图3A及图3B，对脉冲激光束的入射及入射位置的移动顺序进行说明。
图3A是表示加工对象物50的一部分的概略俯视图。在加工对象物50的被加工面上划定有多个扫描区域61。一个扫描区域61的大小是第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B(图1)能够进行扫描的大小。沿第1加工路径P1传播的激光束对一个扫描区域61进行加工，沿第2加工路径P2传播的激光束对另一个扫描区域61进行加工。
在各个扫描区域61的内部划定有多个被加工点62。通过依次向多个被加工点62照射脉冲激光束，进行钻孔加工。在本实施例中，首先，在一个扫描区域61内的所有被加工点62上形成图2B所示的贯穿前表面导体膜53的凹部55。之后，向同一扫描区域61内的各个被加工点62照射第2次以后的激光脉冲，从而如图2C所示继续挖出凹部55。第2次以后的激光脉冲连续入射于一个被加工点62。如此，对所有被加工点62照射完第1次脉冲激光束之后照射第2次以后的脉冲激光束而进行加工的方法称作循环加工。
图3B是表示向加工对象物50的脉冲激光束的入射、第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B(图1)的驱动期间的时序图。在期间T1中，进行图2B所示的对前表面导体膜53的加工。在期间T1中，重复交替进行向各个被加工点62的激光脉冲LP1的输出和第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B的驱动。在被第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B扫描后的激光束的入射位置定位于被加工点62之后，输出激光脉冲LP1。
在期间T2及期间T3中，进行图2C所示的对电介质基板51的加工。在期间T2中，对多个被加工点62依次照射激光脉冲LP2。同样地，在期间T3中，也对多个被加工点62依次照射激光脉冲LP3。图3B中示出了在图2C所示的工序中向一个被加工点62照射两个激光脉冲LP2、LP3的例子。另外，关于向一个被加工点62照射激光脉冲的照射次数，可以根据照射的脉冲激光束的脉冲能量密度、内层导体膜52的深度、电介质基板51的材质等而设定为最佳次数。在图2C所示的工序中只需照射一个激光脉冲时，无需图3B所示的期间T3的处理。
接着，参考图4对使用基于本实施例的激光加工装置进行钻孔加工的步骤进行说明。
图4是表示使用基于本实施例的激光加工装置进行钻孔加工的步骤的流程图。首先，控制装置40(图1)控制第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B，使第1加工路径P1及第2加工路径P2的激光束的入射位置定位于最初要加工的被加工点62(图3A)的位置(步骤S1)。被加工点62的位置储存在存储装置41。若第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B定位完毕，则控制装置40控制激光光源10以使其输出1次脉冲激光束(步骤S2)。由此，形成图2B所示的凹部55。
利用第1光检测器31A及第2光检测器31B(图1)测量分别沿第1加工路径P1及第2加工路径P2反向传播的第1反射光及第2反射光的强度。控制装置40(图1)获取由第1光检测器31A及第2光检测器31B测量的第1反射光及第2反射光的强度的检测结果，并按照各个被加工点62将第1反射光及第2反射光的强度的测量结果储存在存储装置41(步骤S3)。
对扫描区域61(图3)内的所有被加工点62照射完第1次激光束之后，将第1加工路径P1及第2加工路径P2的激光束的入射位置分别定位于最初的被加工点62的位置(步骤S5)。若扫描区域61(图3)内残留有尚未加工的被加工点62，则将第1加工路径P1及第2加工路径P2的激光束的入射位置定位于下一个要加工的被加工点62的位置(步骤S4)，并且反复执行步骤S2及S3。
在步骤S5之后，分别针对第1加工路径P1及第2加工路径P2，根据储存在存储装置41中的与被加工点62(图3A)相对应的反射光的强度，确定激光束的照射条件(步骤S6)。
以下，对照射条件的确定方法进行说明。例如，当反射光的强度高于标准值时，可以认为内层导体膜52(图2B)的一部分通过第1次照射的加工已被露出。可以认为，反射光的强度越高，内层导体膜52露出的面积越大。为了在内层导体膜52露出的状态下抑制内层导体膜52损伤，优选将第2次以后的脉冲激光束的照射中的能量投入量设为小于标准值。例如，优选反射光的强度越高越减少能量投入量。能量投入量可以利用每1脉冲的能量密度(脉冲能量密度)或照射次数来进行调整。在调整脉冲能量密度的情况下，只要调整脉冲宽度及激光脉冲的强度中的至少一个即可。
反射光的强度与第2次以后的脉冲激光束的照射条件之间的关系可以通过各种评价试验来预先确定，并将其储存在存储装置41。控制装置40参考储存在存储装置41中的该关系来确定第2次以后的照射条件。
在确定了照射条件之后，控制装置40以在步骤S6中确定的照射条件对被加工点62进行激光照射(步骤S7)。通过该照射，形成图2C所示的凹部55，在凹部55的底面露出有内层导体膜52。
若对扫描区域61(图3)内的所有被加工点62的第2次以后的激光束的照射结束，则结束对当前加工中的扫描区域61的加工。若残留有尚未加工的扫描区域61，则驱动工作台45之后，再次执行图4所示的处理。
在扫描区域61(图3)内残留有尚未进行第2次以后的激光束的照射的被加工点62时，将第1加工路径P1及第2加工路径P2的激光束的入射位置定位于下一个要进行加工的被加工点62的位置(步骤S8)。之后，执行步骤S6及S7。
接着，对以步骤S6中确定的照射条件进行激光照射(步骤S7)的方法的具体例进行说明。
当第1加工路径P1的照射条件与第2加工路径P2的照射条件相同时，控制装置40将从激光光源10输出的脉冲激光束的脉冲宽度调整为所确定的照射条件。另外，也可以调整从激光光源10输出的脉冲激光束的照射次数。
当第1加工路径P1的照射条件与第2加工路径P2的照射条件不同时，例如，通过以下说明中的任一具体方法针对各个加工路径调整照射条件。
在第1具体例中，将第1加工路径P1与第2加工路径P2中的照射次数设为不同。控制装置40根据第1加工路径P1与第2加工路径P2中的必要的照射次数更多的一方而控制激光光源10。在必要的照射次数少的一方的加工路径中，控制装置40控制第1光束扫描仪20A或第2光束扫描仪20B使额外的激光脉冲入射于第1光束截止器21A或第2光束截止器21B。
在第2具体例中，通过调整第1偏振光束分离器12的激光束的分支比，将沿第1加工路径P1传播的激光束的强度与沿第2加工路径P2传播的激光束的强度设为不同。关于第1偏振光束分离器12的分支比的调整，可以通过在第1偏振光束分离器12的前方配置对激光束的偏振方向进行微调的光学元件从而对偏振方向进行微调而进行。
接着，对基于本实施例的激光加工装置的优异效果进行说明。
在本实施例中，根据第1次照射激光脉冲时的加工中产生的反射光的强度，确定第2次以后的照射条件，由此能够实现加工品质的提高。例如，能够抑制内层导体膜52(图2C)的损伤。
而且，在本实施例中，通过将沿第1加工路径P1返回的第1反射光及沿第2加工路径P2返回的第2反射光合流到共同的测量路径Pm(图1)之后使其分支，从而分别测量第1反射光的强度及第2反射光的强度。因此，与在各个加工路径上使反射光从入射激光束的加工路径分支的结构相比，能够削减光学元件的个数。
并且，在本实施例中，即使第2次以后的照射条件在两条加工路径之间互不相同，也能够针对每个加工路径分别调整照射条件。其结果，能够提高在两个加工路径中进行加工的两个被加工点62双方的加工品质。
接着，参考图5及图6，对基于另一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与图1～图4所示的实施例相同结构的说明。
图5是表示基于本实施例的激光加工装置中的向加工对象物50的脉冲激光束的入射、第1光束扫描仪20A及第2光束扫描仪20B(图1)的驱动期间的时序图。在图3B所示的实施例中，在向一个被加工点62照射第1次激光脉冲LP1之后，向下一个被加工点62照射第1次激光脉冲LP1。在本实施例中，在向一个被加工点62照射第1次激光脉冲LP1之后，接着向同一个被加工点62照射第2次以后的激光脉冲LP2。若对一个被加工点62的加工结束，则对下一个被加工点62进行加工。这种加工方法称作猝发(burst)加工。
图6是表示使用基于本实施例的激光加工装置进行钻孔加工的步骤的流程图。将两条加工路径的激光束的入射位置分别定位于被加工点62的位置的处理(步骤S11)及输出1次脉冲激光束的处理(步骤S12)与图4所示的实施例的步骤S1及步骤S2的处理相同。
输出了1次激光脉冲之后，控制装置40(图1)获取由第1光检测器31A及第2光检测器31B测量的第1反射光的强度及第2反射光的强度的测量结果(步骤S13)。针对两条加工路径，根据在步骤S13中获取的反射光的强度的测量结果，分别确定第2次以后的激光束的照射条件(步骤S14)。
在确定了照射条件之后，控制装置40以在步骤S14中确定的照射条件对被加工点62进行激光照射(步骤S15)。通过该照射，形成图2C所示的凹部55，在凹部55的底面露出有内层导体膜52。
在扫描区域61(图3A)内残留有尚未加工的被加工点62时，将两条加工路径的激光束的入射位置分别定位于下一个被加工点62的位置(步骤S16)。之后，反复进行从步骤S12到步骤S15的处理。若对扫描区域61内的所有被加工点62的加工结束，则结束对当前加工中的扫描区域61的处理。
在本实施例中，也能够得到与图1～图4所示的实施例相同的效果。并且，在本实施例中，由于对一个被加工点62连续进行照射第1次激光脉冲时的加工及照射第2次以后的激光脉冲时的加工，因此无需将反射光强度的测量结果储存在存储装置41，而是在测量反射光强度之后即可直接确定第2次以后的照射条件。
上述各个实施例为示例，理所当然，在不同的实施例中所示的结构可以进行部分取代或组合。针对各个实施例中的由相同结构带来的相同的作用效果，并不在每个实施例中逐一进行说明。而且，本发明并不只限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改良、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：
分支合流光学系统，其对激光束进行分支及合流，即，将沿朝向所述分支合流光学系统的入射路径入射于所述分支合流光学系统的激光束根据偏振方向分支为第1加工路径及第2加工路径，将分别沿所述第1加工路径及所述第2加工路径入射于所述分支合流光学系统的第1反射光及第2反射光合流到与所述入射路径不同的测量路径；
分支元件，将合流到所述测量路径的所述第1反射光及所述第2反射光分别分支为不同的路径；
第1光检测器，测量被所述分支元件分支后的所述第1反射光的强度；及
第2光检测器，测量被所述分支元件分支后的所述第2反射光的强度。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述分支合流光学系统包括：
第1偏振光束分离器，其使沿所述入射路径入射的激光束的一部分成分透过以使其向所述第1加工路径传播，并且反射一部分成分以使其向所述第2加工路径传播；
第1偏振光学元件，使沿所述第1加工路径进行传播的激光束的偏振方向旋转，以使所述第1反射光被所述第1偏振光束分离器反射；及
第2偏振光学元件，使沿所述第2加工路径进行传播的激光束的偏振方向旋转，以使所述第2反射光透过所述第1偏振光束分离器。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述激光加工装置还具有控制装置，其根据分别由所述第1光检测器及所述第2光检测器检测的所述第1反射光的强度及所述第2反射光的强度，调整沿所述第1加工路径及所述第2加工路径进行传播而入射于加工对象物的激光束的照射条件。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制装置具有如下功能：分别单独调整沿所述第1加工路径进行传播而入射于加工对象物的激光束的照射条件及沿所述第2加工路径进行传播而入射于加工对象物的激光束的照射条件。
5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，还具有：
第1光束扫描仪，扫描沿所述第1加工路径进行传播的激光束；
第2光束扫描仪，扫描沿所述第2加工路径进行传播的激光束；及
存储装置，储存加工对象物上的多个被加工点的位置，
所述控制装置将由所述第1光检测器及所述第2光检测器检测到的检测结果与各个被加工点建立对应关系之后储存在所述存储装置，
所述控制装置根据与所述被加工点建立对应关系后储存在所述存储装置中的测量结果来确定向所述多个被加工点照射的激光束的照射条件。
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