CN114682932B - 一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法，包括：根据待加工通孔的形状和尺寸，确定激光加工路径的形状和尺寸，控制激光器发出的激光沿已确定的激光加工路径进行通孔加工，直至得到通孔；其中，激光加工路径包括外周路径和被外周路径包围的多个形状和尺寸相同的内路径，所述外周路径的尺寸等于或略小于待加工通孔的尺寸，所述内路径的尺寸小于外周路径的尺寸，所述多个内路径沿外周路径的内周向分布，且各内路径上至少有一点位于所述外周路径上。本发明的方法通过路径拟合方式确定激光加工的实际路径，能够减少激光热量在孔周的堆积，提升通孔加工的质量。
Description
技术领域
本发明涉及多层陶瓷加工技术领域，特别是一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法。
背景技术
生瓷片的通孔加工为多层陶瓷技术的关键工艺之一。随着高、低温共烧陶瓷技术的发展，对生瓷通孔加工的质量和效率的要求越来越高，加工小直径的通孔难度越来越大。激光加工通孔因效率远高于机械冲孔，被广泛采用。但激光加工的缺点是激光产生的热量会在加工处累积，导致加工效果不理想。另一方面，生瓷片一般由一定厚度的生瓷瓷膜层和一定厚度的PET层贴合而成，这种异质材料的组合也加大了激光一次成形加工的难度。
当前激光加工生瓷通孔的方法如附图1所示，对于1个有一定直径的孔，从生瓷面入射激光，采取相同直径的圆形的激光加工路径，并多次重复该路径，直至打透该孔，而后激光移至下一个需要打孔的位置再次进行加工，直到所有通孔加工完成。
上述现有的通孔激光加工方法会导致加工路径处的材料被激光反复加工，热量容易堆积在加工路径处，导致孔的加工质量下降，包括孔路径上的材料过度烧蚀、孔的锥度过大、PET材料熔融并溢出至孔口边缘、孔的圆度不良等等。其中，一些工艺人员为了解决PET熔融并从孔口溢出的问题，以及多种材料难以一次激光加工成形的问题，通常会在激光加工前揭掉PET膜，并只对生瓷部分进行打孔及后续的填孔、印刷等工作。但这一方法使得多层陶瓷工艺非常繁琐。而且失去PET的承载和保护后，陶瓷层容易破损，造成材料损失和工艺周期增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法，通过路径拟合方式确定激光加工的实际路径，减少激光热量在孔周的堆积，提升通孔加工的质量。本发明采用的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法，包括：
获取待加工通孔的形状和尺寸；
根据待加工通孔的形状和尺寸，确定激光加工路径的形状和尺寸；其中，激光加工路径包括外周路径和被外周路径包围的多个形状和尺寸相同的内路径，所述外周路径的尺寸等于或略小于待加工通孔的尺寸，所述内路径的尺寸小于外周路径的尺寸，所述多个内路径沿外周路径的内周向分布，且各内路径上至少有一点位于所述外周路径上；
控制激光器发出的激光沿已确定的激光加工路径进行通孔加工，直至得到通孔。
以上技术方案中，外周路径的尺寸优选为略小于待加工通孔的尺寸，避免加工出的通孔尺寸大于所要求的尺寸。两者之间的尺寸差值可根据激光器的激光光斑直径、激光能量大小（即热影响区域）、加工次数等来决定。
可选的，所述内路径的数量为至少4个，分布于外周路径内周的4个不同方向，且两两之间以外周路径中心点为中心对称分布。内路径的数量应当使得拟合后的路径线密度合适，使得拟合路径与目标加工形状具有一定重合度，保证加工效率，同时避免拟合路径线之间大范围重合，防止激光热量集中。
可选的，所述待加工通孔为圆形，所述外周路径为直径略小于待加工通孔直径的圆形，所述内路径为直径略小于外路径直径的圆形或直径远小于外路径直径的圆形，各内路径内切于外周路径内，且多个内路径在外周路径的内周向均匀分布。
可选的，所述待加工通孔为圆形，所述外周路径为直径略小于待加工通孔直径的圆形，所述内路径为外周路径的内接正方形，且多个内路径与外周路径相接的点均不重合。
可选的，待加工通孔为方形，所述外周路径为位于方形待加工通孔内部，与待加工方形通孔相似且中心点重合的方形或倒圆角方形，所述内路径为圆形、椭圆形或方形，此处所述方形包括正方形和长方形；
进一步的，若外周路径为正方形或倒圆角正方形，内路径为圆形，则内路径的直径远小于或略小于外周路径的边长，且各内路径内切于外周路径上，多个内路径在外周路径的内周向均匀分布。
以上给出了多种待加工通孔形状要求下的激光加工路径拟合方式，旨在通过分散激光实际加工位置达到削弱局部热量集中的同时，又不影响激光切割效应的目的，即，既能够提升通孔加工质量，同时能够保障加工效率。
可选的，本发明所述激光加工路径的绘制方法包括：
根据待加工通孔的形状，确定单个内路径的形状和尺寸，绘制出相应的内路径图形；
对所述单个内路径的图形进行复制，将复制后得到的多个内路径图形，按顺时针或逆时针方向均匀排布一周，使得排布后的全部内路径图形的外轮廓与待加工通孔形状相似；
根据待加工通孔的形状，绘制所有内路径的共同外切图形作为外周路径，使得外周路径与待加工通孔形状相似，且两者中心点重合时，外周路径与待加工通孔边缘之间的距离在前后左右四个方向上均相等。
可选的，所述激光器采用纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、红外激光器、紫外激光器或二氧化碳激光器。且不限于这些已列出激光器。
可选的，所述控制激光器发出的激光沿已确定的激光加工路径进行通孔加工，还包括：控制激光沿激光加工路径进行至少一轮次加工，每轮次均按由内到外的顺序分别沿各内路径和外周路径进行加工，且对各内路径或外周路径加工至少1次；或者，每轮次均沿外周路径与多个内路径拟合成的图形进行加工。前者的加工方式中，加工的轮次即图层次数，每轮次中对各路径的重复加工次数即元素次数，适当减少元素次数增加图层次数可提升通孔的加工质量，增加元素次数可以提升加工效率，但同时可能导致热量在短时间内聚集使得通孔质量受到影响。
可选的，对于直径150um的待加工通孔，激光加工路径的外周路径为直径137um的圆，内路径为内切于外周路径内的直径125的圆，内路径数量为至少8个，在外周路径内周向均匀分布；
激光器采用皮秒紫外激光器，激光加工过程中，控制激光沿激光加工路径进行8个轮次加工，每轮次均按由内到外的顺序分别沿各内路径图形和外周路径图形进行加工，且对每个图形重复加工两次；激光进给距离为0mm，扫描速度为200mm/s，跳转速度为5000mm/s，扫描延时为150ms，跳转延时为150ms，开光延时为150ms，关光延时为150ms。
可选的，方法还包括：在控制激光器工作前，将生瓷片陶瓷面面向激光器，PET面通过真空吸台吸附在样品台上。
可选的，方法还包括：在激光器加工过程中以及工作完毕得到通孔后，利用扫风清理加工产生的碎屑。
可选的，方法还包括：在加工前于生瓷片表面贴合一层微黏膜，在加工结束后揭除微黏膜。该微黏膜在与生瓷片一同加工的过程中可承接粉末状的碎屑，在加工完毕揭除微黏膜后即可得到完全洁净的生瓷表面。
有益效果
本发明提供了一种新型的激光加工通孔工艺，特别适用于多层复合结构的生瓷片。本发明通过采用近似图形拟合目标路径，减少实际加工路径的重复，进而削弱热量在孔边缘的堆积，显著提升生瓷面和PET面的通孔质量，提升孔周整洁度、锥度、圆度等指标，克服PET溢出缺陷，提高生瓷片上孔的加工质量和加工效率。
同时，本发明可通过调整加工工艺中的图层次数、元素次数以及激光参数的配合，达到加工效率和加工质量的提升。
此外，本发明不仅能够适用于生瓷片，还能用适用于其它复合材料上通孔的激光加工，适用范围非常广。
附图说明
图1所示为现有生瓷片通孔加工中的激光加工路径示意图；
图2所示为现有生瓷片通孔的激光加工示意图；
图3所示为本发明一种应用例中生瓷片通孔加工时的激光加工路径示意图；
图4所示为图3中单个圆形通孔的拟合激光加工路径示意图；
图5所示为本发明另一种应用例中生瓷片通孔加工时的激光加工路径示意图；
图6所示为图5中单个方形通孔的的拟合激光加工路径示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本实施例中，一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法，包括：
获取待加工通孔的形状和尺寸；
根据待加工通孔的形状和尺寸，确定激光加工路径的形状和尺寸；其中，激光加工路径包括外周路径和被外周路径包围的多个形状和尺寸相同的内路径，所述外周路径的尺寸等于或略小于待加工通孔的尺寸，所述内路径的尺寸小于外周路径的尺寸，所述多个内路径沿外周路径的内周向分布，且各内路径上至少有一点位于所述外周路径上；
控制激光器发出的激光沿已确定的激光加工路径进行通孔加工，直至得到通孔。
本发明通过拟合激光加工路径分散激光实际加工位置，达到削弱局部热量集中的同时不影响激光切割效应的目的，从而既能够提升通孔加工质量，同时能够保障加工效率。
本发明对复合结构的生瓷片进行通孔加工的关键在于激光加工路径形状和尺寸的确定，由于激光器光斑具有一定的直径，其能量的影响区域具有一定的范围，对于单个位置处的加工次数也将影响通孔的尺寸，因此，外周路径的尺寸应当略小于待加工通孔的尺寸，两者之间的尺寸差值可根据激光器的激光光斑直径、激光能量大小（即热影响区域）、加工次数等来决定，避免加工出的通孔尺寸大于所要求的尺寸。
本发明的加工方法能够适用于各种通孔形状的加工，典型的如圆形通孔或者方形通孔：
若待加工通孔为圆形，拟合激光加工路径的外周路径优选为圆形，内路径可以选择圆形或者方形，或者也可以采用其它能够与外周路径拟合出环形区域的图形；
若待加工通孔为方形，拟合激光加工路径的外周路径优选为方形，内路径可选择圆形或者方形，或者其它能够与外周路径拟合出环形区域的图形。
如图3和图4所示，待加工的通孔形状为圆形，外周路径选择为直径比待加工通孔直径略小的圆形，内路径选择为比待加工通孔直径略小的圆形，多个形状相同的内路径图形均匀排布在外周路径内，并分别与外周路径相切，使得外周路径与所有内路径图形在一个环形区域内构成了一组相互交叉的拟合路径。
对于待加工通孔为圆形，外周路径选择圆形的情形，内路径还可以选择直径远小于外周路径直径的圆形，该圆形内路径的直径可参考图4中拟合路径所在环形区域的宽度，多个小直径的内路径在外周路径的内周均匀排布，并分别与外周路径相切，同样可在一环形区域内构成拟合路径（图形未示出），达到在激光加工时分散激光热量的目的。
如图5和图6所示，待加工通孔为方形，一般的，对于非圆孔型会要求在转角处做倒圆角处理，有利于孔的边缘圆滑，因此，本实施例将外周路径选择为与待加工通孔形状相似的倒圆角方形，内路径选择为直径远小于方形外周路径边长的小圆，小直径的圆形内路径均匀排布一周，外周路径为所有内路径的共同外切图形。
对于待加工通孔为方形，外周路径选择方形的情形，内路径还可以选择为直径略小于外周路径边长的圆形，与图4同理地，这些圆形内路径在外周路径内均匀排布一周后，将与外周路径一同在一个环形区域内构成拟合路径（图形未示出）。
以上拟合路径的形式中，内路径的数量应当使得拟合后的路径线密度合适，使得拟合路径与目标加工形状具有一定重合度，保证加工效率，同时避免拟合路径线之间大范围重合，且相邻弧线之间的间距合适，防止激光热量集中。
以上图4和图6所示的拟合激光路径的绘制方法可以为：
根据待加工通孔的形状，确定单个内路径的形状和尺寸，绘制出相应的单个内路径图形，如图6中直径远小于待加工通孔直径的圆形；
对单个内路径的图形进行复制，将复制后得到的多个内路径图形，按顺时针或逆时针方向均匀排布一周，使得排布后的全部内路径图形的外轮廓与待加工通孔形状相似，且外轮廓应当小于待加工通孔的轮廓；
根据待加工通孔的形状，绘制所有内路径的共同外切图形作为外周路径，使得外周路径与待加工通孔形状相似，且两者中心点重合时，外周路径与待加工通孔边缘之间的距离在前后左右四个方向上均相等，对于外周路径和待加工通孔均为圆形的情形，则两者之间的距离处处相等。
以上拟合激光路径的绘制方式，按照加工孔形的外轮廓通过内切圆边缘进行阵列排布，有利于孔的尺寸控制；参考图6，对于非圆孔型在转角处方便做圆角处理，有利于孔的边缘圆滑，且容易得到密度适合的拟合路径区域。最后绘制的外周路径有利于孔的边缘圆滑。
激光拟合路径确定后，即可控制激光器从指定的参考点开始按照激光拟合路径进行通孔加工，为了更好的分散激光能量，通常对于一个通孔需要按照拟合路径加工多个图层，也即需要控制激光按照拟合路径进行多轮次的加工，每个轮次可以控制激光依次遍历拟合后的路径，但是本实施例优选为，每个轮次按照从内到外结合顺时针或逆时针的顺序，依次对各内路径和外周路径进行加工，对每个单路径可重复加工多次，也即，元素次数为多次。以图4为例，激光斑点从第一个内圆路径行进两周，结束后跳转至第二个内圆路径行进两周，依此类推，直至所有内路径和外周路径加工完毕后，若通孔仍未得到，则进行下一图层的加工。
以下以一待加工通孔的复合结构生瓷片为例进行加工过程介绍。
参考图3和图4所示，待加工通孔的生瓷片材料为LTCC氧化铝陶瓷和PET承载膜，生瓷片长200mm、宽200mm150um，陶瓷层厚0.15mm，PET膜层厚0.075mm，待加工通孔为150um直径的圆形孔阵列。
激光器可采用纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、红外激光器、紫外激光器或二氧化碳激光器，且不限于这些已列出激光器。本实施例采用紫外皮秒激光器。
首先需要确定外周路径和内路径的形状及尺寸，本实施例中外周路径选择为圆形，内路径选择为直径略小于外周路径的圆形。
紫外皮秒激光器光斑直径为8um，考虑到激光功率等参数影响，热影响范围会略大于该值，经过调试发现，当外周路径的直径与通孔的目标直径相差13um时，加工效果最好，即外周路径的直径为137um。当采用更大的激光功率时，应增大该直径差；反之，采用更小的激光功率，应减小该直径差。
一般来说，纳秒紫外激光器功率和光斑直径大于皮秒紫外激光器，因此若采用纳秒紫外激光器则需要增大外周路径直径与通孔目标直径的直径差；而飞秒紫外激光器功率和光斑该直径小于皮秒紫外激光器，因此需要减小直径差。加工次数越多，热影响的堆积效应约明显。当加工次数较多时，需要适当增大图纸与目标孔的直径差，反之加工次数较少时，需要适当减小图纸与目标孔的直径差。选择不同激光器时，工艺人员可根据激光器种类、激光能量参数、加工次数等参数并结合实际实验，调试到最适合加工图纸上直径距目标直径的补偿值，一般为0-30um。
本实施例中，内圆路径的直径选择为125um，内路径的数量可为8个或以上，均匀排布在外周路径内。在确定外周路径及内路径形状和尺寸后，即可按照前述的拟合激光路径绘制方法进行路径的绘制，待绘制完成后开始激光加工。
皮秒紫外激光器的总功率为30W，基频为608kHz，选频17，功率因子70%。激光加工过程设置元素次数为2次，图层次数为3次，进给距离0mm，扫描速度200mm/s，跳转速度5000mm/s，扫描延时150ms，跳转延时150ms，开光延时150ms，关光延时150ms。为保证加工质量可根据实际情况，调整激光的其他参数，如扫描速度、跳转速度、跳转延时、开关光延时等。
以上参数设置中，元素次数即每轮次激光加工时对单个路径的重复次数，图层次数为对一个通孔的全部拟合激光加工路径的重复次数。一般来说较少的元素次数和较多的图层次数可以得到的更好的通孔质量，较多的元素次数则可以减少图层次数，加工效率可得到提升，但是由于激光热量在短时间内重复作用不利于通孔质量的大幅度提升。
在控制激光器工作前，将生瓷片陶瓷面面向激光器，PET面通过真空吸台吸附在样品台上。在激光加工过程中，可同时开启扫风吹起，以及时清理掉加工产生的碎屑。加工结束后，关闭扫风和载台吸气回收样品。
以上实施例的加工方法可实现的加工效率约为10孔/秒，激光入口、出口孔径差约为15um（含PET层），加工完成的生瓷片通孔质量得到显著提高。
本发明加工方法所适用的被加工材料可以为LTCC、HTCC生瓷片，陶瓷成分可以为氧化铝、钛酸钡等多种常见陶瓷材料。承载膜可以为PET等多种高分子薄膜材料，也可以是无承载膜的生瓷片材料。
生瓷片的长宽尺寸可以为任意尺寸，生瓷片的陶瓷层厚度可以为0.01mm-1mm，承载膜的厚度可以为0-0.1mm。需要加工的孔形可能为圆、方或其他任意形状，直径或边长可以为0.03mm及更大，均可以采用本发明路径拟合的思路进行实际加工路线的分散，以减少实际加工过程中的激光热量聚集。
综上，本发明通过采用近似图形拟合目标路径，减少了实际加工路径的重复，削弱了激光热量在孔边缘的堆积，可显著提升生瓷面和PET面的通孔质量，同时可避免PET材料熔融并溢出至孔口边缘，减少PET材料残渣堆积，减小由于材料残渣堆积造成的通孔锥度，提高通孔的圆度。同时，本发明的加工工艺中，图层次数、元素次数可配合调整的设计，以及激光参数的配合，能够使得加工质量和加工效率均得到提升。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种适用于生瓷片的激光加工通孔的方法，其特征是，包括：
获取待加工通孔的形状和尺寸；
根据待加工通孔的形状和尺寸，确定激光加工路径的形状和尺寸；其中，激光加工路径包括外周路径和被外周路径包围的多个形状和尺寸相同的内路径，所述外周路径的尺寸等于或略小于待加工通孔的尺寸，所述内路径的尺寸小于外周路径的尺寸，所述多个内路径沿外周路径的内周向分布，且各内路径上至少有一点位于所述外周路径上；
控制激光器发出的激光沿已确定的激光加工路径进行通孔加工，直至得到通孔，其中：控制激光沿激光加工路径进行至少一轮次加工，每轮次均按由内到外的顺序分别沿各内路径和外周路径进行加工，且对各内路径或外周路径加工至少1次；或者，每轮次均沿外周路径与多个内路径拟合成的图形进行加工；
所述激光加工路径的绘制方法包括：
根据待加工通孔的形状，确定单个内路径的形状和尺寸，绘制出相应的内路径图形；
对所述单个内路径的图形进行复制，将复制后得到的多个内路径图形，按顺时针或逆时针方向均匀排布一周，使得排布后的全部内路径图形的外轮廓与待加工通孔形状相似；
根据待加工通孔的形状，绘制所有内路径的共同外切图形作为外周路径，使得外周路径与待加工通孔形状相似，且两者中心点重合时，外周路径与待加工通孔边缘之间的距离在前后左右四个方向上均相等。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述内路径的数量为至少4个，分布于外周路径内周的4个不同方向，且两两之间以外周路径中心点为中心对称分布。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述待加工通孔为圆形，所述外周路径为直径略小于待加工通孔直径的圆形，所述内路径为直径略小于外路径直径的圆形或直径远小于外路径直径的圆形，各内路径内切于外周路径内，且多个内路径在外周路径的内周向均匀分布。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述待加工通孔为圆形，所述外周路径为直径略小于待加工通孔直径的圆形，所述内路径为外周路径的内接正方形，且多个内路径与外周路径相接的点均不重合。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述待加工通孔为方形，所述外周路径为位于方形待加工通孔内部，与待加工方形通孔相似且中心点重合的方形或倒圆角方形，所述内路径为圆形、椭圆形或方形；
若外周路径为正方形或倒圆角正方形，内路径为圆形，则内路径的直径远小于或略小于外周路径的边长，且各内路径内切于外周路径上，多个内路径在外周路径的内周向均匀分布。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述激光器采用纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、红外激光器、紫外激光器或二氧化碳激光器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对于直径150um的待加工通孔，激光加工路径的外周路径为直径137um的圆，内路径为内切于外周路径内的直径125的圆，内路径数量为至少8个，在外周路径内周向均匀分布；
激光器采用皮秒紫外激光器，激光加工过程中，控制激光沿激光加工路径进行8个轮次加工，每轮次均按由内到外的顺序分别沿各内路径图形和外周路径图形进行加工，且对每个图形重复加工两次；激光进给距离为0mm，扫描速度为200mm/s，跳转速度为5000mm/s，扫描延时为150ms，跳转延时为150ms，开光延时为150ms，关光延时为150ms。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，方法还包括：在控制激光器工作前，将生瓷片陶瓷面面向激光器，PET面通过真空吸台吸附在样品台上；
和/或，在激光器加工过程中以及工作完毕得到通孔后，利用扫风清理加工产生的碎屑；
和/或，在加工前于生瓷片表面贴合一层微黏膜，在加工结束后揭除微黏膜。
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