CN114682934B - 多脉宽复合的印制电路板激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及多脉宽复合的印制电路板激光加工装置。包括纳秒脉冲激光器、超快激光器、合束器、光束整型器、自动变倍镜组、孔径调节器、振镜及场镜；纳秒脉冲激光器，向合束器发射光束；超快激光器，向合束器发射光束；合束器，将纳秒脉冲激光器发射出的光束和超快激光器发射出的光束，变换成为空间上共光轴的合成光束；光束整型器，将合成光束变换为平顶高斯光束；自动变倍镜组，将平顶高斯光束直径进行自动改变；平顶高斯光束穿过孔径调节器，孔径调节器用于拦截杂散光；振镜，向场镜发射高速偏转后的平顶高斯光束；场镜，向印制电路板发射聚焦后的平顶高斯光束。

Description

多脉宽复合的印制电路板激光加工装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及多脉宽复合的印制电路板激光加工装置。

背景技术

印制电路板（PCB）是各种电子设备中用于承载和连接电子元器件的主要组件，随着以智能手机、智能穿戴设备、计算机等为代表的电子产品快速发展，对于PCB的互联密度有了越来越高的要求。高密度的PCB通常是一种多层结构，不同层之间的走线主要依靠过孔连接，过孔的加工主要有机械钻孔和激光钻孔两种方式。机械钻孔是通过高速旋转的微型钻头对电路板进行钻孔，由于钻头直径的限制，过孔直径小于200微米时由于钻头过细，导致钻头容易折断，而直径小于100微米的孔则无法通过机械钻孔加工；此外因为机械钻孔深度不易控制，通常只被用于通孔加工。而对应的激光钻孔技术，则是利用高能激光脉冲聚焦在PCB上，通过直接气化PCB材料实现钻孔加工。激光加工技术相比于机械钻孔技术，钻孔直径可以更小，达到几十微米，也更容易控制深度，因此适用于盲孔的加工。

目前主流的激光钻孔技术主要采用9.4um波长的二氧化碳脉冲激光器作为光源，这种激光的脉冲宽度通常是微秒级的，主要依靠激光的热效应进行钻孔，即利用激光对待钻孔区域快速加热，使之瞬间气化而成孔。基于二氧化碳激光的钻孔技术发展多年，设备较为成熟，但是由于这种激光器波长较长，因此衍射效应非常明显，这样就要求用于聚焦的场镜有较大的孔径和较小的焦距，同时要求激光偏转的振镜拥有较大的通光孔径，才能尽量减小加工面上光束聚焦的衍射极限尺寸，保证聚焦光斑的尺寸足够小且能量均匀性。而大孔径的振镜由于转动惯量更大不仅难以提高偏转速度，同时成本也极高；而较小的焦距又导致在加工面上跳转单位长度时，振镜需要偏转的量较大，二者一起制约了打孔效率的进一步提高。

另一种激光钻孔技术采用的是紫外激光器，由于紫外激光器波长比二氧化碳激光器小几十倍，因此衍射效应小，可以加工出更小的孔；同时由于它波长极短，可以利用光化学效应气化材料，而不必完全依赖光热效应，因此孔的质量也有所提高。但是因为紫外激光的平均功率难以提高，导致钻孔效率明显不足。

针对上述问题，设计一种能提高加工速度、提高加工质量和节约设备成本的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，就显得十分重要。

例如，申请号为CN201610230272.X的中国专利文献描述的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。虽然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，但不足之处在于采用的光学设备成本较高，采用的激光器仍为二氧化碳激光器，因此波长仍然是9.4um附近，波长较长，因此也受上述衍射极限限制，导致难以提高效率，此外需要经常更换气体以保证功率稳定性，维护运行成本高。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，现有的激光钻孔技术存在打孔效率低和设备成本高的问题，提供了一种能提高加工速度、提高加工质量和节约设备成本的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，包括纳秒脉冲激光器、超快激光器、合束器、光束整型器、自动变倍镜组、孔径调节器、振镜及场镜；

所述纳秒脉冲激光器，向合束器发射光束；

所述超快激光器，向合束器发射光束；

所述合束器，将纳秒脉冲激光器发射出的光束和超快激光器发射出的光束，变换成为空间上共光轴的合成光束，并向光束整型器发射合成光束；

所述光束整型器，将合成光束变换为平顶高斯光束，并向自动变倍镜组发射平顶高斯光束；

所述自动变倍镜组，将平顶高斯光束直径进行自动改变，并向振镜发射改变直径后的平顶高斯光束；所述平顶高斯光束穿过孔径调节器，所述孔径调节器用于拦截杂散光；

所述振镜，将平顶高斯光束高速偏转后，向场镜发射高速偏转后的平顶高斯光束；

所述场镜，将高速偏转后的平顶高斯光束聚焦，向印制电路板发射聚焦后的平顶高斯光束。

作为优选，还包括光隔离器；所述光隔离器，用于防止反射光耦合进入纳秒脉冲激光器和超快激光器。

作为优选，所述超快激光器光路的延伸方向设有光吸收器，用于吸收合束器漏出的超快光脉冲和反射的纳秒光脉冲。

作为优选，所述纳秒脉冲激光器的脉宽范围为1ns-500ns，重频范围为1kHz-10MHz，平均功率为100W-600W，单脉冲能量E满足如下条件：

其中，s为光斑面积，单位毫米；

为脉宽，单位纳秒；

为激光波长，单位纳米。

作为优选，所述超快激光器为皮秒或飞秒激光器，脉宽范围为1fs-500ps，重频范围为1kHz-10Mhz，平均功率为10W-500W；所述超快激光器波长与纳秒脉冲激光器波长差范围为小于±100nm。

作为优选，还包括手动变倍镜组；所述手动变倍镜组，用于将纳秒脉冲激光器的光束和超快激光器的光束调整到相同尺寸，并将光束发射至合束器；所述手动变倍镜组位于纳秒脉冲激光器光路和/或超快激光器光路中；通过调节手动变倍镜组的倍率，使被调节的光束到达光束整型器入口时，所述光束的口径和发散角满足光束整型器要求。

作为优选，所述光束整型器出光口与孔径调节器之间的位置相对固定，且在变倍过程中，所述光束整型器的出光口被自动变倍镜组成像的位置，位于孔径调节器位置的前后100mm内；所述自动变倍镜组为采用电机控制并用于改变倍率的望远系统，所述倍率范围为1/10-10倍。

作为优选，所述孔径调节器与印制电路板的被加工面关于场镜共轭。

作为优选，多脉宽复合的印制电路板激光加工装置还包括分光器；所述纳秒脉冲激光器、合束器、光束整型器、自动变倍镜组、孔径调节器、振镜及场镜构成加工光路，所述加工光路为两路；所述超快激光器，将光束发射至分光器；所述分光器，分别向两路加工光路中的合束器发射光束。

作为优选，多脉宽复合的印制电路板激光加工装置还包括移动平移台，用于扩大印制电路板被加工的面积。

本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）本发明显著提高加工速度，相比于二氧化碳激光器激光打孔，本发明采用的激光器波长更短，能大大缩小振镜通光孔径的要求，同时可以增大场镜的焦距，进而显著提高加工面上光斑的跳转速度，解决了由于振镜和场镜带来的加工速度限制；相比于紫外纳秒激光器方案和纯超快激光器方案，本发明通过结合超快激光高峰值功率和纳秒脉冲激光器低成本、高平均功率的特性，在成本可控的情况下显著提升了整体平均功率，进而提高了打孔效率；（2）本发明降低了设备的成本，避免了昂贵的中红外光学器件，大大降低了光路成本，主流激光打孔设备中的二氧化碳激光器需要经常更换气体以保证功率稳定性，而本发明采用纯固态激光器，能做到免维护运行，由于光纤激光器的光电转化效率高于二氧化碳激光器，因此本发明设备对电能和冷却水的消耗都要更小；（3）本发明提高了加工质量，主流二氧化碳激光打孔方案，由于激光脉宽为微秒级，且波长较长因此打出的孔有强烈的热效应，而本发明因为采用了超快激光破坏玻璃纤维等难加工材质表面，提高光吸收率后再使用纳秒激光器快速气化的方法，解决了电路板基材中难加工材料的问题，热效应得到显著降低。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置的一种光路示意图；

图2为本发明加工过程中不同激光器的一种出光序列图；

图3为典型PCB板的一种结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的双台面激光加工装置的一种光路示意图。

图中：纳秒脉冲激光器1、光隔离器2、手动变倍镜组3、合束器4、超快激光器5、光吸收器6、光束整型器7、自动变倍镜组8、孔径调节器9、振镜10、场镜11、电路板12、平移台13、分光器14、表层铜1201、树脂1202、玻璃纤维布1203、次表层铜1204、盲孔1205、超快激光的脉冲501，纳秒激光的脉冲101。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1至图3所示的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，包括纳秒脉冲激光器1、超快激光器5、手动变倍镜组3、合束器4、光束整型器7、自动变倍镜组8、孔径调节器9、振镜10、场镜11及平移台13；所述纳秒脉冲激光器和手动变倍镜组之间以及超快激光器和合束器之间均设有光隔离器2；所述超快激光器光路的延伸方向设有光吸收器6，用于吸收合束器漏出的超快光脉冲和反射的纳秒光脉冲。

如图1所示，在合束器之前光路分为两路，图1中水平的一路依次设置有纳秒脉冲激光器、光隔离器、手动变倍镜组，其中纳秒脉冲激光器波段为近红外波段，优选波长1064nm；可选的激光器类型为光纤激光器、固体激光器以及半导体激光器等，优选光纤激光器；光隔离器用于防止反射光耦合进入激光器导致激光器损坏，手动变倍镜组用于调整光束直径，使光束符合光束整型器输入光斑直径和发散角要求。图1中第二光路依次布置超快激光器、光隔离器，其中超快激光器波长与纳秒脉冲激光器接近，波长差±100nm内，优选1064nm，可选的激光器类型为光纤激光器、固体激光器及半导体激光器，优选固体激光器，可选的脉冲长度为飞秒或皮秒级，优选15ps以下脉宽的激光器。

合束器用于将纳秒脉冲激光器和超快激光器的光束合成为空间共光轴的合成光束，合束器可选择偏振合束器件，即对于一种偏振态高透与之正交的偏振态高反的器件。超快激光器光路的延伸方向设置的光吸收器，用于吸收合束器漏出的超快光脉冲和反射的纳秒光脉冲，光吸收器可选择风冷或水冷，优选水冷光吸收器。

光束整型器用于将高斯光束变换为平顶高斯光束，可选用衍射型或非球面组合透镜型，优选组合透镜型。光束整型器后接自动变倍镜组，自动变倍镜组本质上是一个用电机控制并用于改变倍率的望远系统，倍率范围为1/10-10倍，由至少三片透镜组成，其中至少两片可以在电机控制下沿光轴移动；自动变倍镜组可以是开普勒型或伽利略型望远系统，优选开普勒型，这样可以将光束整型器出口处光斑成实像到孔径调节器处；变倍的倍率范围由目标孔径大小、场镜焦距大小、场镜光瞳大小，场镜到小孔的光程以及光束整型器出口处光斑尺寸决定；自动变倍镜组后一定位置设置一个孔径调节器，孔径调节器直径与变倍镜组倍率线性相关，孔径调节器的位置为不同倍率下光束整型器出光口被变倍镜组成像位置的中点附近。孔径调节器后一定距离设置一个可以升降的激光扫描系统，其中包括用于光束偏转的振镜，用于光束聚焦的场镜，场镜与振镜的通光口径在满足加工要求的情况下尽量小，优选10mm以内，场镜需为平场远心设计，在满足加工条件的情况下，焦距适当长一些有利于加工效率的提升，优选焦距在100mm-200mm之间的场镜。

其中，所述手动变倍镜组位于纳秒脉冲激光器光路和/或超快激光器光路中，即手动变倍镜组可根据实际需要考虑是否放入光路中。光隔离器位于激光器内部或位于光路中。

被加工的电路板12置于平移台上，平移台可以在XY（二维）平面内移动，平移台的驱动可以采用直线电机或丝杆驱动，优选直线电机。

光路中根据实际需要可放置反射镜，用于改变光束方向。

如图3所示，被加工的电路板是一种多层的复合结构，包括表层铜1201、树脂1202、玻璃纤维布1203以及次表层铜1204，激光打盲孔通常是需要从表层铜打到次表层铜上，形成一个略有锥度的盲孔1205。为了保证加工效率，表层铜最好进行减铜棕化或黑化处理，打孔时铜厚优选≤10um，介质厚度优选≤100um。

基于实施例1，本发明还提供了多脉宽复合的印制电路板激光加工装置的加工方法，包括如下步骤：

S1，驱动振镜转到预定的角度，让超快激光器与纳秒脉冲激光器共同出光，所述超快激光器领先纳秒脉冲激光器若干脉冲；

S2，手动变倍镜组将纳秒脉冲激光器和超快激光器的光束调整到相同尺寸，并将光束发射至合束器；

S3，合束器将纳秒脉冲激光器发射出的光束和超快激光器发射出的光束，变换成为空间上共光轴的合成光束，并向光束整型器发射合成光束；

S4，光束整型器将合成光束变换为平顶高斯光束，并向自动变倍镜组发射；

S5，自动变倍镜组将平顶高斯光束直径进行自动改变，进而改变加工电路板时光斑尺寸，并向振镜发射改变直径后的平顶高斯光束；所述平顶高斯光束穿过孔径调节器，用于拦截杂散光；

S6，振镜将平顶高斯光束高速偏转后，向场镜发射；

S7，场镜将平顶高斯光束聚焦后，向印制电路板发射，印制电路板表面被超快激光器破坏，纳秒脉冲激光器快速蒸发印制电路板表面，形成加工孔；

S8，关闭纳秒脉冲激光器，并使超快激光器再次发出若干脉冲，清理加工孔中的残渣，完成打孔；

S9，移动平移台，并重复步骤S1至步骤S8，扩大印制电路板被加工的面积。

其中，所述超快激光器脉冲频率不低于纳秒脉冲激光器频率。

具体如图2所示，图中501是超快激光的脉冲，101是纳秒激光的脉冲，图2展示了超快激光和纳秒脉冲激光复合加工的过程，即：阶段1，超快激光脉冲和纳秒脉冲首先同时出光快速打孔；阶段2，单独使用超快激光清理盲孔。

加工时，根据所选纳秒脉冲激光器的脉冲能量、波长和脉宽等参数，当待打孔半径小于r_th时采用激光冲孔的钻孔方式，否则采用螺旋式开孔的方式打孔。步骤S8阶段可以使待加工的孔基本成型，其中超快激光器领先脉冲数量、两个激光器频率、脉冲能量及总脉冲数为工艺参数需要工艺工程师针对不同电路板分别设定；步骤S9阶段可以清理掉孔中可能残存的一些杂质，提高孔质量，这个过程中脉冲数量、能量及频率为工艺参数，需要分别设置。

其中，

，r_th为加工孔半径的阈值，高于r_th半径可能导致光斑能量密度不足。

另外，纳秒脉冲激光器的脉宽范围为1ns-500ns，重频范围为1kHz-10MHz，平均功率为100W-600W，单脉冲能量E满足如下条件：

其中，s为光斑面积，单位毫米；

为脉宽，单位纳秒；

为激光波长，单位纳米。

超快激光器为皮秒或飞秒激光器，脉宽范围为1fs-500ps，重频范围为1kHz-10Mhz，平均功率为10W-500W；所述超快激光器波长与纳秒脉冲激光器波长差范围为小于±100nm。

实施例2：

如图4所示，本实施例还提供了双台面激光加工装置，常见PCB激光打孔机为了提高生产效率，通常采用双工位联动设计，这样就要求有两个光路分别在平移台两个工位上加工。从成本上考量，单台超快激光器分光为两路更为合算，同时由于超快激光器本身峰值功率足够高，分光为两路之后每一路上的峰值功率也足以达到破坏材料表面的目的；因此本实施例中超快激光器经过光隔离器、手动变倍镜组后，通过一个分光器14分为两路，其中分光器可以选用偏振分光棱镜，通过精细调整分光棱镜的角度来调整分光能量比。而纳秒脉冲激光器本身峰值功率不够高，因此不宜分光两路。如图4所示，两个纳秒脉冲激光器分别通过两个合束器与超快激光器分出的两路光进行合束，合束之后的光路与实施例1一致。

本发明显著提高加工速度，相比于二氧化碳激光器激光打孔，本发明采用的激光器波长更短，能大大缩小振镜通光孔径的要求，同时可以增大场镜的焦距，进而显著提高加工面上光斑的跳转速度，解决了由于振镜和场镜带来的加工速度限制；相比于紫外纳秒激光器方案和纯超快激光器方案，本发明通过结合超快激光高峰值功率和纳秒脉冲激光器低成本、高平均功率的特性，在成本可控的情况下显著提升了整体平均功率，进而提高了打孔效率；本发明降低了设备的成本，避免了昂贵的中红外光学器件，大大降低了光路成本，主流激光打孔设备中的二氧化碳激光器需要经常更换气体以保证功率稳定性，而本发明采用纯固态激光器，能做到免维护运行，由于光纤激光器的光电转化效率高于二氧化碳激光器，因此本发明设备对电能和冷却水的消耗都要更小；本发明提高了加工质量，主流二氧化碳激光打孔方案，由于激光脉宽为微秒级，且波长较长因此打出的孔有强烈的热效应，而本发明因为采用了超快激光破坏玻璃纤维等难加工材质表面，提高光吸收率后再使用纳秒激光器快速气化的方法，解决了电路板基材中难加工材料的问题，热效应得到显著降低。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，包括纳秒脉冲激光器、超快激光器、合束器、光束整型器、自动变倍镜组、孔径调节器、振镜及场镜；

所述纳秒脉冲激光器，向合束器发射光束；

所述超快激光器，向合束器发射光束；

所述合束器，将纳秒脉冲激光器发射出的光束和超快激光器发射出的光束，变换成为空间上共光轴的合成光束，并向光束整型器发射合成光束；

所述光束整型器，将合成光束变换为平顶高斯光束，并向自动变倍镜组发射平顶高斯光束；

所述自动变倍镜组，将平顶高斯光束直径进行自动改变，并向振镜发射改变直径后的平顶高斯光束；所述平顶高斯光束穿过孔径调节器，所述孔径调节器用于拦截杂散光；

所述振镜，将平顶高斯光束高速偏转后，向场镜发射高速偏转后的平顶高斯光束；

所述场镜，将高速偏转后的平顶高斯光束聚焦，向印制电路板发射聚焦后的平顶高斯光束；

所述纳秒脉冲激光器的脉宽范围为1ns-500ns，重频范围为1kHz-10MHz，平均功率为100W-600W，单脉冲能量E满足如下条件：

其中，s为光斑面积，单位毫米；w_ns为脉宽，单位纳秒；λ_ns为激光波长，单位纳米；

所述超快激光器为皮秒或飞秒激光器，脉宽范围为1fs-500ps，重频范围为1kHz-10Mhz，平均功率为10W-500W；所述超快激光器波长与纳秒脉冲激光器波长差范围为小于±100nm。

2.根据权利要求1所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，还包括光隔离器；所述光隔离器，用于防止反射光耦合进入纳秒脉冲激光器和超快激光器。

3.根据权利要求1所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，所述超快激光器光路的延伸方向设有光吸收器，用于吸收合束器漏出的超快光脉冲和反射的纳秒光脉冲。

4.根据权利要求1所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，还包括手动变倍镜组；所述手动变倍镜组，用于将纳秒脉冲激光器的光束和超快激光器的光束调整到相同尺寸，并将光束发射至合束器；所述手动变倍镜组位于纳秒脉冲激光器光路和/或超快激光器光路中；通过调节手动变倍镜组的倍率，使被调节的光束到达光束整型器入口时，所述光束的口径和发散角满足光束整型器要求。

5.根据权利要求1所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，所述光束整型器出光口与孔径调节器之间的位置相对固定，且在变倍过程中，所述光束整型器的出光口被自动变倍镜组成像的位置，位于孔径调节器位置的前后100mm内；所述自动变倍镜组为采用电机控制并用于改变倍率的望远系统，所述倍率范围为1/10-10倍。

6.根据权利要求1所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，所述孔径调节器与印制电路板的被加工面关于场镜共轭。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，还包括分光器；所述纳秒脉冲激光器、合束器、光束整型器、自动变倍镜组、孔径调节器、振镜及场镜构成加工光路，所述加工光路为两路；所述超快激光器，将光束发射至分光器；所述分光器，分别向两路加工光路中的合束器发射光束。

8.根据权利要求1-6任一项所述的多脉宽复合的印制电路板激光加工装置，其特征在于，还包括移动平移台，用于扩大印制电路板被加工的面积。

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