CN111215754A - 一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备,该方法包括:利用刻槽激光在非均匀绝缘介质层上刻出一条槽形成孤岛;利用铣削激光束铣削孤岛;刻槽激光束的峰值功率密度大于非均匀绝缘介质层中高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;铣削激光束的峰值功率密度,大于孤岛中低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于孤岛中高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于衬底材料的激光破坏阈值。本发明主要解决非均匀绝缘介质层的清除需要采用高峰值功率密度的激光铣削与衬底材料不能承受高峰值功率密度激光的固有矛盾,巧妙用刻槽形成隔离槽的方式,实现了低峰值功率密度激光清除包含高阈值材料的非均匀绝缘介质层,同时保障了不伤及衬底的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光盲孔钻孔领域,具体涉及一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备。
背景技术
一般线路板盲孔钻孔,绝缘介质层有两类,一类是软板盲孔钻孔,绝缘介质层在垂直于激光光束方向属于均匀介质,可以采用高峰值激光进行上导电层进行开盖,低峰值功率密度进行绝缘层铣削,同时能做到不伤害下导电层,完成激光盲孔钻孔。但是,如果涉及到绝缘介质层介质为非均匀介质,例如HDI硬板,以及软硬结合板,非均匀绝缘介质层就包含玻璃纤维,这种玻璃纤维交织在一起,填充了不同类型的胶并进行半固化。这种绝缘材料,采用低峰值功率激光是无法清除干净的,因为低峰值固态激光光源所产生的激光束无法去除夹杂在非均匀绝缘介质层的高激光破坏阈值的玻璃纤维的,无法达到盲孔钻孔效果。目前的HDI硬板盲孔钻孔,都是采用先把上导电层减薄棕化,再用特殊调制的高峰值功率二氧化碳激光脉冲进行加工,市场上这种设备99%为日本三菱镭射钻孔机。由于玻璃纤维对二氧化碳激光也是吸收的,因此这种加工方式是目前的主流加工方式。但是,这种设备被外资垄断,且加工流程非常复杂,需要一系列的前置处理,处理的均匀性也影响钻孔的均匀性,如果能找到一种全新的非均匀介质盲孔钻孔方式,既可以节省成本,也可以突破进口设备的技术封锁,在5G时代来临的时候,非常紧迫与必要。
解决这一问题,不能追着国外公司的盲孔钻孔思路,全世界都在按照这一思路,目前还没有出现进口设备替代的松动迹象,因此,必须采用完全不同的思路,弯道超车才可以达到目的。首先,不可以采用二氧化碳激光器光源,目前,用于HDI盲孔钻孔的二氧化碳光源的核心技术,把控在日本公司手里,不仅仅是专利保护,还有技术诀窍。因此需要采取其他波长的激光光源进行弯道超车。其次,其他波长的激光,HDI硬板内的玻璃纤维,需要一定的激光峰值功率密度的激光才可以破坏掉,但是如此也非常容易破坏掉下导电层,且盲孔孔底非常不容易清除干净,导致孔底残胶,直接导致线路板报废,得不偿失。但只有在采用除了二氧化碳激光波长以外的其他波长的激光,实现完美的非均匀绝缘介质盲孔钻孔,才能够突破日本企业的技术封锁,降低本行业线路板加工成本,促进HDI线路板行业进一步快速发展。本发明就要解决这个行业难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备,解决在衬底上去除包含高激光加工阈值绝缘材料的非均匀绝缘介质同时不伤及衬底的问题。
第一方面,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法,所述方法用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述方法包括如下步骤:
利用刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
利用铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与所述孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成所述孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
第二方面,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀系统,所述系统用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述系统包括如下模块:
刻槽激光束加工模块,其用于生成刻槽激光束,并控制所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
铣削激光束加工模块,其用于生成铣削激光束,并控制所述铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与所述孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成所述孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
第三方面,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀装置,所述装置包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序,所述计算机程序运行时实现如上述所述的方法步骤。
第四方面,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀设备,所述设备包括平台、激光器以及如上述所述的装置,所述装置与所述激光器电连接;
所述平台,其用于承载待加工工件;
所述激光器,其用于生成刻槽激光束和铣削激光束;
所述装置,其用于控制所述激光器按上述所述的方法步骤运行,对放置在所述平台上的所述待加工工件进行激光加工,去除非均匀介质。
本发明提供的一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备的有益效果是:对于绝缘介质层包含非均匀绝缘材料的去除,采用高峰值激光功率密度的刻槽激光束在非均匀绝缘介质层刻槽露出衬底形成隔离槽,并在衬底上且位于隔离槽内形成非均匀绝缘介质层的孤岛,再采用低峰值激光功率密度的铣削激光束铣削孤岛,低峰值激光功率密度的铣削激光加工光斑既能够利用低阈值绝缘材料的激光汽化等离子体把孤岛中的高阈值绝缘材料喷发带出,又能实现不伤害或者少伤害衬底,从而完美的实现了在衬底上去除孤岛。本发明主要解决非均匀绝缘介质层的清除需要采用高峰值功率密度的激光铣削与待加工工件中衬底不能承受高峰值功率密度激光(否则激光束伤害衬底,有打穿衬底的风险)的固有矛盾,巧妙用刻槽形成隔离槽的方式,实现了低峰值功率密度激光清除包含高阈值材料的非均匀绝缘介质层,同时保障了不伤及衬底的效果。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为本发明方法中待加工工件的垂直截面粗略示意图;
图3为本发明方法中非均匀绝缘介质层的水平截面示意图;
图4为本发明方法中待加工工件的垂直截面细致示意图;
图5为本发明方法中上导电层局部铣削后的垂直截面示意图;
图6为本发明方法中上导电层局部铣削后的俯视示意图;
图7为本发明方法中刻槽形成隔离槽后的垂直截面示意图;
图8为本发明方法中刻槽形成隔离槽后的水平俯视示意图;
图9为本发明方法中盲孔形成后的垂直截面示意图;
图10为本发明方法中盲孔形成后的水平俯视示意图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、上导电层,2、非均匀绝缘介质层,21、上胶层,22、中间非均匀绝缘层,23、下胶层,3、下导电层,4、开盖区域圆周,5、隔离槽,6、盲孔,7、待加工工件,8、孤岛。
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。
如图1所示,一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法,所述方法用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述方法包括如下步骤:
利用刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
利用铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成所述孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
本发明的方法优选应用于HDI硬板线路板盲孔的加工,则进一步有:所述衬底具体为下导电层,所述待加工工件还包括层叠在所述非均匀绝缘介质层上的上导电层;在利用所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻槽之前,还包括如下步骤,利用所述刻槽激光束的加工光斑去除所述上导电层的预设区域并露出所述非均匀绝缘介质层;利用所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,具体为,沿露出的所述非均匀绝缘介质层的边缘刻出一条槽,所刻出的槽的槽底露出所述下导电层形成隔离槽,使在所述下导电层上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;利用铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛;在完成所述孤岛的铣削后,则形成孔底为所述下导电层的盲孔。
本发明的方法原理是这样的:要在待加工工件上加工盲孔,激光去除局部上导电层,以及对应的中间的绝缘介质层,露出下导电层,这是柔性线路板激光加工盲孔的过程。但是,对于中间的绝缘介质层含有非均匀绝缘介质,且部分绝缘介质激光破坏阈值比较高的条件下,如果要去除上、下导电层之间的非均匀绝缘介质层,需要高峰值功率密度的激光加工清除,但是这样清除中间的非均匀绝缘介质层并露出下导电层的同时,高峰值功率密度的激光束会直接蚀刻掉一定深度的下导电层(否则孔底残胶),这是不可以接受的。按照本发明的方法,采用高峰值功率密度的刻槽激光束,先完成上导电层的局部区域铣削,露出中间的非均匀绝缘介质层,并沿露出的非均匀绝缘介质层边缘刻槽,直到露出下导电层形成隔离槽,注意高峰值功率密度的刻槽激光束加工光斑是有足够的峰值功率密度切断中间的非均匀绝缘介质层的高阈值绝缘材料,因此隔离槽内不存在高阈值绝缘材料。可以通过控制刻槽激光束的刻槽速度、刻槽次数、刻槽激光束的各种参数(比如激光功率、激光脉冲频率、激光脉冲宽度等),做到刻槽激光束刻槽后露出下导电层,不伤或者少量伤及下导电层(实际应用于可以允许伤及2~5微米深度,即使伤及下导电层,也是很小的局部很浅的深度,可以接受)。由于铣削激光束的激光峰值功率密度比较低,可以通过控制铣削激光束的铣削速度、铣削次数、加工光斑重叠度、铣削激光束的各种参数(比如激光功率、激光脉冲频率、激光脉冲宽度等),在铣削孤岛后,露出下导电层,可以轻松做到不伤或者少量伤及下导电层(实际应用于可以允许伤2~5微米深度);铣削激光束在铣削孤岛时,高阈值绝缘材料由于四周被刻槽激光束刻断形成隔离槽,孤岛中的高阈值绝缘材料不再受隔离槽外围高阈值材料的羁绊束缚与牵引,因此孤岛中的高阈值绝缘材料会随着低阈值绝缘材料的汽化而被激光等离子体喷发带出来,实现了低峰值功率密度激光加工光斑清除高激光破坏阈值绝缘材料的目的。本发明既能很好做到不伤或者少伤及下导电层,又能够用低阈值绝缘材料产生的激光等离子体把孤岛内高阈值绝缘材料全部喷发出来,形成完美的盲孔。
需要说明的是:本发明所指的高阈值绝缘材料和低阈值绝缘材料是相对而言的;对应的,刻槽激光束的加工光斑高激光峰值功率密度与铣削激光束的加工光斑低激光峰值功率密度是相对而言的。
如图2所示,为本发明方法中待加工工件垂直截面粗略示意图,1为上导电层,2为非均匀绝缘介质层,3为下导电层。
优选的,所述上导电层1为铜箔、铝箔、金箔、银箔和不锈钢箔中的任意一种,或/和,所述下导电层3为铜箔、铝箔、金箔、银箔和不锈钢箔中的任意一种。上导电层1和下导电层3根据需要设置相应的厚度。
如图3所示,为本发明方法中非均匀绝缘介质层2的水平截面示意图。图3表达的是玻璃纤维经纬交叉织布情形,实际上可以是玻璃纤维经纬交叉织布,也可以不交叉,玻璃纤维大体平行放置,中间填充环氧胶或者其他材料,然后进行半固化获得,所谓半固化就是不完全固化。
优选的,所述非均匀绝缘介质层2中的所述高阈值绝缘材料为玻璃纤维、特氟龙纤维和碳纤维中的任意一种或任意多种的组合。
优选的,所述刻槽激光束的加工光斑直径小于40微米,所述铣削激光束的加工光斑直径大于40微米。
实施例一二次加工法加工HDI盲孔:
如图4所示,为本发明方法中的待加工工件一种垂直截面图示意图。这是比较常见的一种剖面层次结构图。其中,21为非均匀绝缘介质层2中的上胶层,22为非均匀绝缘介质层2中的中间非均匀绝缘层,23为非均匀绝缘介质层2中的下胶层。
在本实施例中,非均匀绝缘介质层2包含上胶层21、中间非均匀绝缘层22和下胶层23;其中,上胶层21和下胶层23均为25微米厚度的环氧胶层,中间非均匀绝缘层22为100微米厚度的玻璃纤维布的半固化片材料;其中,玻璃纤维布为高激光破坏阈值材料,玻璃纤维布填充环氧胶,所填充的环氧胶为低激光破坏阈值材料。
在本实施例中,上导电层1与下导电层3均为12微米厚度的电解铜铜箔。
优选的,获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑的方法为,
由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路分束聚焦,在所述待加工工件上分别获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路聚焦,并通过改变激光焦点与所述待加工工件的加工表面的相对距离,在所述待加工工件上获得正焦激光焦点与离焦激光焦点,则所述正焦激光焦点与所述离焦激光焦点分别对应为所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路聚焦,并通过激光束空间光相位调制,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑的方法为,由不同激光谐振腔输出的激光入射至同一聚焦系统聚焦,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑。
其中,所述外光路分束,可以是衍射光学元件,其中衍射可以是声光衍射或者固体光栅衍射,还可以是采用声光或者电光对脉冲激光的每一个脉冲进行时空分配,例如一个脉冲偏向左边,另一个脉冲偏转到右边,下一个脉冲再偏转到左边,再下一个脉冲偏转到右边,如此类推,宏观看就是一束激光束变为两束激光束。
采用空间光相位调制器,实现激光束的分束、光路切换、激光焦点动态调整等功能,是目前出现的一种新的技术,目前可以承受10瓦的紫外激光功率。采用空间光相位调制器,可以通过刻槽激光束获得铣削激光束,可以先后获得刻槽激光束的加工光斑和铣削激光束的加工光斑,也可以同时获得,甚至分配其能量比例等。
在本实施例中,刻槽激光束,激光波长为355纳米,激光加工台面功率15瓦,对于激光脉冲重复频率为100KHz,激光脉冲宽度20纳秒,激光光束质量因子小于1.2,刻槽激光束激光加工光斑直径20微米。
盲孔加工第一步,刻槽激光束在上导电层1上开盖。在本实施例中,刻槽激光束先清除上导电层1的局部区域,本实施例中是清除直径100微米的圆形区域,请见图5和图6所示,4为上导电层1中的开盖区域,其为直径为100微米的圆。请继续看图6所示,21是露出的非均匀绝缘介质层2的上胶层21,22为上胶层21下面的中间非均匀绝缘层;7为待加工工件。
盲孔加工第二步,刻槽激光束在上导电层1上开盖后露出的非均匀绝缘介质层2周围刻槽。请见图7和图8所示,5为刻槽激光束在非均匀绝缘介质层2上刻出的隔离槽,刻槽激光束的有效光斑直径为22微米,那么隔离槽5的中心圆直径为78微米,隔离槽5的槽底露出下导电层3。21是非均匀绝缘介质层2表面的上胶层,22为上胶层21下面的中间非均匀绝缘层。隔离槽5的内部为贴在下导电层3上的非均匀绝缘介质层2的孤岛8。
盲孔加工第三步,刻槽激光束聚焦焦点离焦获得铣削激光束。
在本实施例中,将刻槽激光束聚焦光斑相对于待加工工件做离焦处理,离焦2毫米距离,获得光斑直径50微米的铣削激光束的加工光斑;同时激光功率调整为4瓦,其他激光参数保持不变。这样,获得低激光功率(4瓦)、大直径的激光加工光斑(50微米),从而获得低的激光加工峰值功率密度。
盲孔加工第四步,铣削激光清除孤岛,盲孔加工完成。
请见图7所示,本实施例中,孤岛8中的上胶层21和孤岛8中的下胶层23均为环氧胶,属于较低激光破坏阈值绝缘材料;孤岛8中的中间非均匀绝缘层22为玻璃纤维填充环氧胶的半固化片,线路板行业称为半固化片,属于不均匀绝缘材料,其中玻璃纤维布需要较高的激光峰值功率密度才能加工,低峰值功率的激光加工光斑对玻璃纤维布不能形成有效破坏,无法实施有效加工,但是低的激光峰值功率密度的激光,对填充在玻璃纤维布中的低破坏阈值的绝缘材料,本实施例中为填充环氧胶,有足够有效的加工能力。由于孤岛中的玻璃纤维与同层的玻璃纤维布,被隔离槽5隔断,属于孤立放置的材料,铣削激光束在加工(加热效应与汽化效应等)环氧胶时候,环氧胶气化产生的激光等离子体直接带出了孤立的玻璃纤维,打个比方,等离子体火花就是火箭的推动火焰,玻璃纤维就是火箭,或者等离子体火花就是枪管中的火药,玻璃纤维就是枪管里面的钢珠,火药爆炸会推动钢珠冲出来。
这样,采用低峰值功率密度的铣削激光,清除孤岛8中低阈值材料时候,带出高阈值材料,并不伤或者少伤盲孔孔底(下导电层材料表面),完美实现了高难度盲孔钻孔。请见图10所示,为本发明方法中的盲孔水平俯视示意图。其中6为盲孔,4为盲孔在上导电层的开盖区域。请见图9所示,为本发明方法中的盲孔垂直截面示意图,其中6为盲孔垂直剖面。
优选的,获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑的方法为,由不同激光谐振腔输出的激光入射至同一聚焦系统聚焦,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;其中,所述刻槽激光束的加工光斑中心与所述铣削激光束的加工光斑中心间距小于1毫米。
优选的,所述刻槽激光束的加工光斑位于所述铣削激光束的加工光斑范围内,所述刻槽激光束的加工光斑清除所述上导电层的预设区域时,所述铣削激光束出光对待清除的所述上导电层的预设区域进行辅助加热;
或/和,所述铣削激光束的加工光斑铣削清除所述孤岛时,所述刻槽激光束出光对所述孤岛进行辅助蚀刻加工。
实施例二一次加工法加工HDI盲孔
本实施例,待加工工件与实施例一相同。本实施例中,刻槽激光束与实施例一相同。
本实施例,铣削激光束,激光波长355纳米,激光加工台面功率4瓦,对于激光脉冲重复频率为100KHz,激光脉冲宽度20纳秒,激光光束质量因子小于1.2,刻槽激光束激光加工光斑直径50微米。
本发明中的所述刻槽激光束与铣削激光束,可以经过同一个聚焦镜聚焦,也可以经过不同的聚焦镜聚焦。所述聚焦镜,可以是单透镜,可以是组合透镜,可以是静态聚焦镜,还可以是平场聚焦镜等。
本实施例中,刻槽激光束与铣削激光束,经过激光合束,入射同一激光聚焦系统,在待加工工件表面,所述刻槽激光束的加工光斑位于铣削激光束的加工光斑范围内,且刻槽激光束和铣削激光束的加工光斑中间重合或者基本重合。
盲孔加工第一步,刻槽激光束在上导电层1上开盖。在本实施例中,上导电层1局部区域激光加工清除,可以与实施例一相同,请见图5与图6所示;也可以与实施例一有差异,刻槽激光束在清除图6中的开盖区域4所示区域的时候,铣削激光也出光,对刻槽激光束加工区域的上导电层1进行加热与清洗。升高温度后的上导电层1更容易被刻槽激光束清除加工,在一定温度条件以下,高温度的金属对激光吸收效率高于低温度的金属对激光的吸收效率。因此,刻槽激光束与铣削激光束协同清除上导电层1中的开盖区域4,能提高上导电层1中材料的清除效率,进一步提高盲孔钻孔效率。
盲孔加工第二步,刻槽激光束在开盖后露出的非均匀绝缘介质层周围刻槽。
在本实施例中,激光刻槽加工可以与实施例一相同,请见图7与图8所示;也可以与实施例一有差异,刻槽激光束在图8所示的隔离槽5刻槽加工的时候,铣削激光也出光,对刻槽激光束加工区域的非均匀绝缘介质层进行加热与清洗。由于作用于刻槽加工的激光总功率增加,刻槽激光束与铣削激光束协同刻槽,能提高激光刻槽加工效率,进一步提高盲孔钻孔效率。
盲孔加工第三步,铣削激光清除孤岛,盲孔加工完成。
相对于实施例一,本实施例中由于铣削激光束已经具备,不需要刻槽激光束离焦获取刻槽激光束,减少了盲孔钻孔加工步骤,提高盲孔钻孔效率。
在本实施例中,孤岛的激光铣削加工可以与实施例一相同,请见图9与图10所示;也可以与实施例一有差异,铣削激光束在图10所示盲孔6加工的时候,所述刻槽激光改变激光参数和/或激光扫描运动参数并出光,对中间绝缘层孤岛加工区域的中间绝缘层进行低功率刻槽加工。由于作用于中间绝缘层孤岛激光加工的激光总功率增加,刻槽激光束与铣削激光束协同清除中间绝缘层孤岛,能提高激光加工效率,进一步提高盲孔钻孔效率。
在上述过程中,所述刻槽激光改变激光参数和/或激光扫描运动参数,主要表现为,可以改变刻槽激光束的激光脉冲能量、激光平均功率等激光参数,降低刻槽激光束加工光斑的峰值功率密度;也可以进一步加快刻槽激光束的扫描速度,降低刻槽激光束单次扫描的等效的切割深度。
这样,采用低峰值功率密度的铣削激光,清除孤岛低阈值材料时候,带出高阈值材料,并不伤或者少伤盲孔孔底(下导电层材料表面),完美实现了高难度盲孔钻孔。请见图10,为本发明方法中的盲孔水平俯视示意图。其中6为盲孔,4为盲孔在上导电层1的开盖区域,也为盲孔6的孔口圆周。请见图9,为本发明方法中的盲孔垂直截面示意图,其中6为盲孔垂直剖面。
实施例三汽车散热基板盲孔加工
汽车散热基板,一般在1毫米左右厚度的铝板或者铜板(下导电层)上叠加一层绝缘层(非均匀绝缘介质层),再叠加一层厚度12微米或者18微米或者25微米或者36微米的铜层(上导电层),并在上层铜上蚀刻线路,由于线路上工作电流很大,有比较大的发热,需要将热量通过导热盲孔导热到下层基板上去。因此,请见图4,本实施例中,下导电层3的厚度为1毫米,中间的非均匀绝缘介质层2含上胶层21、中间非均匀绝缘层22和下胶层23,其中,上胶层21和下胶层23均为25微米厚度的环氧胶层,中间非均匀绝缘层22为100微米厚度玻璃纤维布的半固化片材料,其中,玻璃纤维布为高激光破坏阈值材料,玻璃纤维布填充环氧胶,所填充的环氧胶为低激光破坏阈值材料。
在本实施例中,刻槽激光束,激光波长532纳米,激光加工台面功率25瓦,对于激光脉冲重复频率为100KHz,激光脉冲宽度20纳秒,激光光束质量因子小于1.2,刻槽激光束激光加工光斑直径20微米。
在本实施例中,铣削激光束,激光波长1060纳米,激光加工台面功率50瓦,对于激光脉冲重复频率为1000KHz,激光脉冲宽度20纳秒,激光光束质量因子小于5,铣削激光加工光斑直径150微米。
本实施例中,刻槽激光与铣削激光通过双色镜合束,所谓双色镜合束,指双色镜对一种波长透射或反射,例如红外波长,就对另一种波长反射或者透射,这样实现两种激光波长的合束。
本实施例采用了双波长扫描振镜,双波长平场扫描聚焦镜。所述刻槽激光与铣削激光通过双色镜合束后入射双波长扫描振镜,经双波长扫描聚焦镜聚焦,在待加工导热基板上形成刻槽激光加工光斑与铣削激光加工光斑。
最优选项,刻槽激光束和铣削激光束的加工光斑中心重合或者接近重合,便于提升钻孔效率。本实施例,刻槽激光束的加工光斑与铣削激光束的加工光斑的光斑中心调整到重合间距小于10微米。
盲孔加工第一步,刻槽激光束在上导电层1上开盖。
在本实施例中,上导电层1的局部区域激光加工清除,可以与实施例一相同,由刻槽激光束独立完成上导电成局部区域清除,请见图5与图6;也可以与实施例二类似,刻槽激光束在清除图6中开盖区域4所示区域的时候,铣削激光也出光,对刻槽激光束加工区域的上导电层进行加热与清洗。升高温度后的上导电层更容易被刻槽激光束清除加工,在一定温度条件以下,高温度的金属对激光吸收效率高于低温度的金属对激光的吸收效率。因此,刻槽激光束与铣削激光束协同清除上导电层1,能提高上导电层1材料的清除效率,进一步提高盲孔钻孔效率。只是铣削激光功率比较高,这一步加工时候铣削激光的激光参数(激光平均功率、激光脉冲能量等)需要调整到合适范围,以满足加工品质为准。
盲孔加工第二步,刻槽激光束在开盖后露出的非均匀绝缘介质层周围刻槽。
在本实施例中,激光刻槽加工可以与实施例一相同,由刻槽激光束独立完成非均匀绝缘介质层的刻槽,请见图7与图8所示;也可以与实施例二思想类似,刻槽激光束在图8所示隔离槽5刻槽加工的时候,铣削激光也出光,对刻槽激光束加工区域的非均匀绝缘介质层进行加热与清洗。由于作用于刻槽加工的激光总功率增加,刻槽激光束与铣削激光束协同刻槽,能提高激光刻槽加工效率,进一步提高盲孔钻孔效率。只是铣削激光功率比较高,这一步加工时候铣削激光的激光参数(激光平均功率、激光脉冲能量等)需要调整到合适范围,以满足加工品质为准。
盲孔加工第三步,铣削激光清除孤岛,盲孔加工完成。
相对于实施例一,本实施例中由于铣削激光束已经具备,不需要刻槽激光束离焦获取刻槽激光束,减少了盲孔钻孔加工步骤,提高盲孔钻孔效率。
在本实施例中,中间绝缘层孤岛激光铣削加工可以与实施例一类似,由铣削激光束独立完成不均匀绝缘介质层的孤岛的清除,请见图9与图10所示。尽管铣削激光平均功率比较高,但是激光脉冲能量低(激光脉冲重复频率很高)、加工光斑大,因此铣削激光束的加工光斑的峰值功率密度低,具体清除方式,本实施例采用铣削激光束冲孔的方式,即扫描振镜此时只需要把铣削激光束的加工光斑中心对准待加工盲孔中心即可(即孤岛中心),持续的激光脉冲能够把低阈值绝缘材料冲出来,并带出高阈值绝缘材料,完成盲孔钻孔。当然,也可以采用铣削激光扫描的方式,此时铣削激光束的加工光斑可以设计小一些,但是相对于冲孔而言,盲孔钻孔效率会低很多。
在本实施例中,非均匀绝缘介质层的孤岛激光铣削加工也可以与实施例二类似,此时需要把铣削激光聚焦光斑设计相对小,例如50微米,调整铣削激光参数到合理范围内(以激光加工光斑内激光峰值功率密度低于下导电层的激光破坏阈值为准),铣削激光束在图10所示盲孔6加工的时候,所述刻槽激光改变激光参数和/或激光扫描运动参数并出光,对孤岛加进行低功率刻槽加工。由于作用于孤岛的激光加工的激光总功率增加,刻槽激光束与铣削激光束协同清除孤岛,能提高激光加工效率,也能保障一定的盲孔钻孔效率。
在上述过程中,所述刻槽激光改变激光参数和/或激光扫描运动参数,主要表现为,可以改变刻槽激光束的激光脉冲能量、激光平均功率等激光参数,降低刻槽激光束加工光斑的峰值功率密度;也可以进一步加快刻槽激光束的扫描速度,降低刻槽激光束单次扫描的等效的切割深度。
这样,采用低峰值功率密度的铣削激光,清除孤岛低阈值材料时候,带出高阈值材料,并不伤或者少伤盲孔孔底(下导电层材料表面),完美实现了高难度盲孔钻孔。请见图10,为本发明方法中的盲孔水平俯视示意图。其中6为盲孔,4为盲孔在上导电层的开盖区域,也为盲孔6的孔口圆周。请见图9,为本发明方法中的盲孔垂直截面示意图,其中6为盲孔垂直剖面。
优选的,通过控制反射光学元件反射扫描和/或透射光学元件折射扫描和/或衍射光学器件衍射扫描和/或声光器件偏转扫描和/或平台驱动所述待加工工件运动,实现控制所述刻槽激光束或/和所述铣削激光束在所述待加工工件上运动。
在本发明中,所述刻槽激光束和/或铣削激光束,通过控制反射光学元件反射扫描和/或透射光学元件折射扫描和/或衍射光学器件衍射扫描和/或声光器件偏转扫描和/或驱动待加工工件运动,实现控制所述激光加工光斑在所述待加工工件表面运动。
所述的反射光学元件对激光束进行扫描,可以是电机驱动反射镜,可以是压电陶瓷驱动反射镜;所述的透射射光学元件对激光束进行扫描,可以是电机或者压电陶瓷驱动棱镜或者平面透镜或者其他类型透镜实现透射光束的运动调制。
在另外的实施例中,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀系统,所述系统用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述系统包括如下模块:
刻槽激光束加工模块,其用于生成刻槽激光束,并控制所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
铣削激光束加工模块,其用于生成铣削激光束,并控制所述铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
在另外的实施例中,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀装置,包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序,所述计算机程序运行时实现如上述所述的方法步骤。
在另外的实施例中,本发明提供了一种非均匀绝缘介质的刻蚀设备,所述设备包括平台、激光器以及如上述所述的装置,所述装置与所述激光器电连接;
所述平台,其用于承载待加工工件;
所述激光器,其用于生成刻槽激光束和铣削激光束;
所述装置,其用于控制所述激光器按如上述所述的方法步骤运行,对放置在所述平台上的所述待加工工件进行激光加工,去除非均匀介质。
具体地,该设备还可包括用于对准的拍摄装置和位移装置、光路装置等。
本发明提供的一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法、系统、装置与设备具有以下优点:本发明巧妙的解决了非均匀绝缘介质材料清除只采用低激光峰值功率密度激光束加工,而非均匀绝缘介质层中高阈值材料必须采用高峰值激光功率密度激光束加工之间的矛盾。采用高峰值功率密度的刻槽激光束加工光斑在非均匀绝缘介质层中刻槽,使得非均匀绝缘介质层孤岛中的高阈值材料与同层其他高阈值材料之间形成隔离槽,从而使得低峰值功率密度的铣削激光加工光斑在清除孤岛中低阈值材料时候产生激光等离子体把高阈值材料带出来,同时不伤害或者少伤害下导电层,从而去除了中间的非均匀绝缘介质层的孤岛,完美完成盲孔钻孔。
读者应理解,在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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 (12)
1.一种非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述方法用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述方法包括如下步骤:
利用刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
利用铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与所述孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成所述孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
2.根据权利要求1所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述衬底具体为下导电层,所述待加工工件还包括层叠在所述非均匀绝缘介质层上的上导电层;
在利用所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻槽之前,还包括如下步骤,利用所述刻槽激光束的加工光斑去除所述上导电层的预设区域并露出所述非均匀绝缘介质层;
利用所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,具体为,沿露出的所述非均匀绝缘介质层的边缘刻出一条槽;所刻出的槽的槽底露出所述下导电层形成隔离槽,使在所述下层导电层上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
利用铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,在完成孤岛的铣削后,则形成孔底为所述下导电层的盲孔。
3.根据权利要求2所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述上导电层为铜箔、铝箔、金箔、银箔和不锈钢箔中的任意一种,或/和,所述下导电层为铜箔、铝箔、金箔、银箔和不锈钢箔中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述非均匀绝缘介质层中的所述高阈值绝缘材料为玻璃纤维、特氟龙纤维和碳纤维中的任意一种或任意多种的组合。
5.根据权利要求1所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述刻槽激光束的加工光斑直径小于40微米,所述铣削激光束的加工光斑直径大于40微米。
6.根据权利要求1所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑的方法为,
由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路分束聚焦,在所述待加工工件上分别获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路聚焦,并通过改变激光焦点与所述待加工工件的加工表面的相对距离,在所述待加工工件上获得正焦激光焦点与离焦激光焦点,则所述正焦激光焦点与所述离焦激光焦点分别对应为所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,由同一激光谐振腔输出的激光束经过外光路聚焦,并通过激光束空间光相位调制,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
或者为,由不同激光谐振腔输出的激光入射至同一聚焦系统聚焦,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑。
7.根据权利要求2所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑的方法为,由不同激光谐振腔输出的激光入射至同一聚焦系统聚焦,在所述待加工工件上获得所述刻槽激光束的加工光斑和所述铣削激光束的加工光斑;
其中,所述刻槽激光束的加工光斑中心与所述铣削激光束的加工光斑中心间距小于1毫米。
8.根据权利要求7所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:所述刻槽激光束的加工光斑位于所述铣削激光束的加工光斑范围内,所述刻槽激光束的加工光斑清除所述上导电层的预设区域时,所述铣削激光束出光对待清除的所述上导电层的预设区域进行辅助加热;
或/和,所述铣削激光束的加工光斑铣削清除所述孤岛时,所述刻槽激光束出光对所述孤岛进行辅助蚀刻加工。
9.根据权利要求1至8任一项所述的非均匀绝缘介质的刻蚀方法,其特征在于:通过控制反射光学元件反射扫描和/或透射光学元件折射扫描和/或衍射光学器件衍射扫描和/或声光器件偏转扫描和/或平台驱动所述待加工工件运动,实现控制所述刻槽激光束或/和所述铣削激光束在所述待加工工件上运动。
10.一种非均匀绝缘介质的刻蚀系统,其特征在于:所述系统用于去除待加工工件上的非均匀绝缘介质,其中,所述待加工工件至少包括层叠在衬底上的非均匀绝缘介质层,所述非均匀绝缘介质层至少由高阈值绝缘材料填充低阈值绝缘材料构成;
所述系统包括如下模块:
刻槽激光束加工模块,其用于生成刻槽激光束,并控制所述刻槽激光束的加工光斑在所述非均匀绝缘介质层上刻出一条槽,直至刻出的槽的槽底露出所述衬底形成隔离槽,使在所述衬底上且位于所述隔离槽内部的所述非均匀绝缘介质层形成孤岛;
铣削激光束加工模块,其用于生成铣削激光束,并控制所述铣削激光束的加工光斑铣削所述孤岛,所述铣削激光束的加工光斑与所述孤岛中的所述低阈值绝缘材料作用,清除所述低阈值绝缘材料的同时,产生激光等离子冲击波带出所述孤岛中的所述高阈值绝缘材料,直到露出所述衬底,完成所述孤岛的铣削;
所述刻槽激光束的加工光斑激光峰值功率密度大于所述非均匀绝缘介质层中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值;所述铣削激光束的加工光斑激光峰值功率密度,大于所述孤岛中所述低阈值绝缘材料的激光破坏阈值,小于所述孤岛中所述高阈值绝缘材料的激光破坏阈值,同时还小于所述衬底中材料的激光破坏阈值。
11.一种非均匀绝缘介质的刻蚀装置,其特征在于:包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序,所述计算机程序运行时实现如权利要求1至9任一项所述的方法步骤。
12.一种非均匀绝缘介质的刻蚀设备,其特征在于:所述设备包括平台、激光器以及如权利要求11所述的装置,所述装置与所述激光器电连接;
所述平台,其用于承载待加工工件;
所述激光器,其用于生成刻槽激光束和铣削激光束;
所述装置,其用于控制所述激光器按如权利要求1至9任一项所述的方法步骤运行,对放置在所述平台上的所述待加工工件进行激光加工,去除非均匀介质。
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