CN114939733B - 一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法及装置，所述方法包括：导入待加工样品的加工图层，并设置激光加工参数，所述加工图层根据加工对象的不同而不同；根据可加工幅面将整版加工图层进行均匀分割，形成多个分割区域；将待加工样品放置于运动装置上；开始加工，控制运动装置将待加工样品移动至待加工位置，并在一个分割区域加工完成后自动根据加工图层移动运动装置使激光焦点聚焦至另一个分割区域，直至完成整个样品的加工。本发明通过为不同的加工对象选择不同的加工图层来保证小孔加工的效果，在不改变现有光路的基础上，通过控制图层切换解决了因生瓷片厚度增加导致的加工锥度问题。

Description

一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法及装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体为一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法及装置。

背景技术

冲孔是LTCC/HTCC(低温共烧陶瓷/高温共烧陶瓷)工艺制程里的关键制程之一，其难度在于产品薄、脆、易损且加工幅面较大，要使其在6-8英寸之间满足极小的精度，需要具有更高要求的平台运动控制技术及激光位置精度，同时还要保证一定的效率，尽可能在短时间内完成整个幅面的打孔流程，并且要保证打孔效果，以保证后续产品的加工效果。

目前常用的冲孔设备是机械加工，生瓷片加工边缘效果较好，但精度和效率较低且加工图形有限，而激光打孔因其打孔形式灵活多变，可以制作各种孔径及异形孔，且打孔的精度和效率高，是LTCC/HTCC打孔工艺运用的趋势。

然而激光加工也存在一些问题，如加工正反面孔边缘可能有熔渣、烧痕和碎屑，随着产品厚度的增加存在锥度问题，以及在整个加工幅面内如何保证加工效果和加工精度，进而保证其产品在后续的制程中达到最佳工艺效果的问题。

公开号CN110181172A的中国专利公开了一种激光加工陶瓷异形槽的装置及方法，其通过三维平台、旋转电机和旋转夹具的配合，改变待加工样品的转动角度和移动轨迹，使待加工样品以转动或移动的方式被激光有效地加工，进而降低待加工样品中异形槽的锥度。但该专利申请仅用于表面去除，且加工的孔尺寸较大，不适用于微型孔的大幅面加工。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法及装置，用以解决上述至少一个技术问题。

根据本发明说明书的一方面，提供一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法，应用于微孔大幅面加工，所述方法包括：

导入待加工样品的加工图层，并设置激光加工参数，所述加工图层根据加工对象的不同而不同；

根据可加工幅面将整版加工图层进行均匀分割，形成多个分割区域；

将待加工样品放置于运动装置上；

开始加工，控制运动装置将待加工样品移动至待加工位置，并在一个分割区域加工完成后自动根据加工图层移动运动装置使激光焦点聚焦至另一个分割区域，直至完成整个样品的加工。

上述技术方案通过为不同的加工对象选择不同的加工图层来保证小孔加工的效果，在不改变现有光路的基础上，通过控制图层切换解决了因生瓷片厚度增加导致的加工锥度问题。

上述技术方案应用于微型孔的大幅面加工，通过加工图层选择、对加工图层的均匀分割，及控制待加工样品在加工时进行XY轴的移动，拼接加工完成整个图层。

进一步地，将整版加工图层进行均匀分割时，以尽量不影响图层曲线为前提，避免分割线影响了原始图层。

作为进一步的技术方案，所述运动装置上设置有振镜透镜组，所述振镜透镜组沿运动装置的X轴或Z轴方向移动，以调整激光焦点的位置。

由于振镜透镜组能够相对于运动装置移动，故在加工前，可通过控制振镜透镜组相对于运动装置的移动方向及距离，来对振镜进行透镜可加工幅面内的精度校正，从而进一步确保最终的小孔加工效果满足工艺要求。

作为进一步的技术方案，对于圆形小孔加工，在待加工样品的厚度处于第一预设范围内时，采用螺旋线加工图层；在待加工样品的厚度处于第一预设范围外时，采用圆孔加工图层。

对于生瓷片小孔加工，当产品厚度较小时，加工效果较好，但当产品的厚度增加时，受激光加工装置焦深和热影响的原因所致，此时加工微型小孔的效果较差；而为了改善加工效果，通过控制软件将加工图层一次性替换成螺旋线加工图层，采用螺旋线打孔的方式进行加工，解决因产品厚度增加导致的锥度问题。

当产品的厚度增加到一定程度后，不再适用于螺旋线打孔方式，此时采用圆孔加工图层即画圆的方式进行加工，在保证加工效果的基础上，降低了加工复杂度，提高了加工效率。

进一步地，所述第一预设范围为0.1mm-2mm。当产品厚度小于0.1mm时，采用原始的加工图层即可保证加工效果，当产品厚度增加到大于0.1mm但又小于2mm时，则需要采用螺旋线打孔方式来保证加工效果，而当产品厚度增加到大于2mm时，则采用原始加工图层来保证加工效果。

作为进一步的技术方案，所述螺旋线加工图层的螺旋线尺寸和螺旋间距可调。这样设置可为无锥度加工提供优化，以满足不同的加工效果需求。在加工时先局部调试，获取最优的螺旋线尺寸和螺旋间距，然后依据获取的螺旋线参数进行整个图层的加工。

作为进一步的技术方案，对于非圆形小孔加工，在待加工样品的厚度小于预设厚度时，采用非圆孔加工图层进行加工；在待加工样品的厚度大于预设厚度时，采用曲线偏移的方式进行加工。

所述非圆形小孔包括方形孔或异形孔。

所述预设厚度为0.45mm-0.55mm。优选地，当所述预设厚度为0.5mm时，若产品厚度增加到大于0.5mm，则采用曲线偏移的方式进行加工，若产品厚度小于0.5mm，则按原始加工图层进行加工。

作为进一步的技术方案，在待加工样品的厚度大于预设厚度时，在原曲线的基础上增加若干线间距一致的回型曲线。

进一步地，增加的回型曲线的圈数为8-10圈。

根据本发明说明书的一方面，提供一种改善生瓷片通孔质量的激光加工装置，包括：激光装置、控制装置和运动装置，所述控制装置分别与激光装置和运动装置相连，所述运动装置设置于激光装置发射的激光照射处；所述激光装置包括激光器、扩束镜和振镜透镜组，所述扩束镜和振镜透镜组沿光路前进方向依次设置于激光器与运动装置之间的光路上，所述振镜透镜组固定在运动装置上且能够沿运动装置的X轴或Z轴方向移动；所述运动装置上设有吸附治具用于吸附待加工样品，以及清洁装置用于在激光加工完成后去除附着在材料表面的粉尘。

上述技术方案通过控制振镜透镜组相对于运动装置的移动方向及距离，来对振镜进行透镜可加工幅面内的精度校正，从而进一步确保最终的小孔加工效果满足工艺要求；通过控制装置发送控制信号给吸附治具控制其吸附待加工样品，并通过发送控制信号给运动装置控制待加工样品的移动，以便于将待加工样品固定并移动到加工区域；通过清洁装置在激光加工完成后去除附着在材料表面的粉尘，进一步改善厚度较大产品的加工效果。

作为进一步的技术方案，所述吸附治具包括镂空吸附平台或透明玻璃吸附平台，所述镂空吸附平台为带吸附小孔、加工位置镂空的金属治具，所述透明玻璃吸附平台为整块铺满吸附小孔的玻璃治具。

具体地，可根据待加工样品的材料特质选择不同的吸附治具，通过不同的吸附治具结构解决加工正反面孔边缘可能有熔渣、烧痕和碎屑的问题，同时，通过镂空结构固定生瓷片，可减少由于治具反伤带来的烧灼，进一步优化加工效果。

作为进一步的技术方案，所述激光加工装置还包括吹气装置和抽尘装置，所述吹气装置和抽尘装置分设于待加工样品的相对两侧，所述吹气装置与运动装置活动连接且与吸附治具共用抽尘装置。

具体地，通过吹气装置和抽尘装置分设于待加工样品相对两侧的方式，使得在启动吹气抽尘时，在样品表面形成气流，提高吹气抽尘效率。此外，吹气装置与活动装置活动连接，便于装置的拆装。吹气装置与吸附治具共用同一抽尘装置，便于设备集成，降低设备成本。

作为进一步的技术方案，所述清洁装置为滚轮式的棉絮装置，通过在产品表面来回滚动去除附着的粉尘。所述清洁装置与控制装置相连，对于厚度较大的加工样品，在激光加工完成后，由控制装置发送控制信号给清洁装置，启动清洁装置对产品表面进行清洁，去除附着在样品正反面的粉尘，进一步改善加工效果。所述滚轮式的棉絮装置在上下两侧均设置有滚轮，可同时作用于样品的上下表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种方法，该方法通过为不同的加工对象选择不同的加工图层来保证小孔加工的效果，在不改变现有光路的基础上，通过控制图层切换解决了因生瓷片厚度增加导致的加工锥度问题。

(2)本发明提供一种装置，该装置通过控制振镜透镜组相对于运动装置的移动方向及距离，来对振镜进行透镜可加工幅面内的精度校正，从而进一步确保最终的小孔加工效果满足工艺要求；通过控制装置发送控制信号给吸附治具控制其吸附待加工样品，并通过发送控制信号给运动装置控制待加工样品的移动，以便于将待加工样品固定并移动到加工区域；通过清洁装置在激光加工完成后去除附着在材料表面的粉尘，进一步改善厚度较大产品的加工效果。

(3)本发明通过镂空的吸附治具固定生瓷片，减少由于治具反伤带来的烧灼，达到了更好的加工效果。

(4)本发明通过清洁装置对厚度较大的产品进行加工结束后的清洁工作，去除附着在产品正反面的粉尘，相对于现有采用吹气抽尘去除粉尘的方式，进一步改善了厚度较大产品的加工效果。

附图说明

图1示出了本申请实施例提供的激光加工装置第一视角结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的激光加工装置第二视角结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的激光加工装置第三视角结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的吸附治具选型示意图；

图5示出了本申请实施例提供的激光加工装置第四视角结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的清洁装置滚动示意图；

图7示出了本申请实施例提供的激光加工方法流程示意图。

图中：101-激光加工装置；100-激光装置；110-振镜透镜组；121～124-反射镜；130-扩束镜；140-激光器；200-控制装置；300-运动装置；310-吸附装置；311-不镂空吸附治具；312-镂空吸附治具；330-清洁装置；400-待加工样品；500-定位装置；600-吹气装置；700-抽尘装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，图1示出了本申请实施例提供的整套激光加工装置结构示意图。本申请提供了的一种激光加工装置101，激光加工装置101包括：激光装置100、控制装置200和运动装置300；控制装置200分别与激光装置100和运动装置300电性连接，运动装置300设置于激光装置100发射的激光照射处。

控制装置200用于同时或分别发送控制信号至激光装置100及运动装置300，并控制激光在加工过程中运动方向，完成整个加工过程。

激光装置100用于接收控制装置200发送的控制信号，根据控制信号来控制激光器的开关光。

运动装置300包含三维的方向控制，设置于激光装置发射的激光照射处，用于接收控制装置200发送的运动控制信号，以使所述待加工样品400移动到待加工位置。

所述运动装置300包括三维平台；所述三维平台与所述控制装置200电性连接，用于接收所述控制装置发送的所述控制信号。

所述三维平台可通过Y轴的移动将所述待加工样品至待加工位置；可通过X/Z轴方向的移动调整激光焦点的位置。所述三维平台的移动位置通过触发控制信号进行移动到达指定位置。

请参见图3，所述三维平台包括吸附治具320，设置于被经过透镜112反射后的激光照射的路径上，用于吸附待加工样品。所述吸附治具根据待加工样品材质可选择镂空吸附或是透明玻璃吸附平台。

请参见图4，可选地，在本申请实施例中，吸附治具320可选择整块铺满吸附小孔的玻璃吸附治具321，或带吸附小孔，加工位置镂空的金属制具322，根据待加工样品400的材料特质选择。

请参见图2，图2示出了本申请实施例提供的激光加工装置第二视角结构示意图。特别的，所述运动装置300本身具±1um的精度,从而能够保证产品具有较高的加工精度。

可选地，在本申请实施例中，激光装置100包括：激光器140、振镜111、透镜112、扩束镜130和反射镜121～124；激光器140及振镜111与控制装置200电性连接，振镜透镜组110、扩束镜130和反射镜121～124沿光路前进方向依次设置于激光装置100到运动装置300的激光光路上。

振镜111与控制装置200电性连接，用于改变加工过程中激光束的运动方向，所述激光束经过振镜111后在水平方向上会发生90°转折，透镜112与振镜111固定连接，将转折后的激光束在透镜112焦平面上聚焦成一个点。

扩束镜130用于减小激光的发射角。使用扩束镜130来减小激光的发散角，减小聚焦光斑直径，从而有效地提高了对待加工样品的加工精度。

反射镜123～124、振镜111和透镜112都固定在运动装置300上，且反射镜124、振镜111和透镜112作为一个整体，通过接收控制装置100发送的控制信号，可移动Z轴调整焦点的位置，以实现更好的加工效果。

参见图5，可选地，在本申请实施例中，激光加工装置101还包括：吹气装置600和抽尘装置700；吹气装置600设置于待加工样品400的一侧，抽尘装置700设置于待加工样品400远离吹气装置600的一侧，吹气装置600与运动装置300活动连接。通过吹气装置600和抽尘装置700的配合使用，使得待加工样品在被加工时候的粉尘或灰尘减少很多，从而有效地改善了加工环境，而且还可以优化加工效果。

可选地，在本申请实施例中，运动装置300还包括清洁装置330，与所述控制装置200电性连接，用于厚度较大的样品加工时，去除附着在样品正反面的粉尘。请参考图6，所述清洁装置330为滚轮式的棉絮装置，在激光加工完成后，使用滚轮式的棉絮装置在产品表面来回滚动，去除附着在材料表面的粉尘。

所述用于完成生瓷片打孔的的激光器波长范围是355～1064nm，包括紫外、红外激光器，所述激光器的脉宽范围是＜10ps。

可选地，在本申请实施例中，所述激光加工装置还包括定位装置300；所述定位装置300用于拍摄待加工样品的实际位置，并将所述实际位置处理后获得坐标位置信息，将所述坐标位置信息发送给所述控制装置；所述定位装置还用于所述振镜的幅面校正，提高加工幅面内的精度。

请参见图7，图7示出了本申请实施例提供的激光加工方法流程示意图。本申请还提供了一种激光加工方法，所述激光加工方法应用于微孔大幅面加工，具体包括：

步骤S11：控制装置控制运动装置和激光装置对振镜进行透镜可加工幅面内的精度校正；

步骤S12：导入所述待加工样品的加工图层，所述图层可根据加工效果进一步优化，并调试好工艺参数；

步骤S13：根据所述可加工幅面将整版图层在尽量不影响图层曲线的前提下进行均匀分割；

步骤S14：打开抽尘装置、吹气装置和吸附装置，并将待加工样品放置于吸附装置上；

步骤S15：点击开始加工，控制装置自动将控制运动装置将所述待加工样品移动至待加工位置，并根据在一个分割区域加工完成后自动根据加工图层移动运动装置使激光焦点聚焦至另一个分割区域；

步骤S16：切割完成后，控制装置自动将样品送出，完成整个样品的加工。

为便于理解，下面介绍本申请提供的激光加工方法的另一种实施方式，本申请提供的激光加工方法的另一种实施方式的描述如下：

所述样品为6～8英寸尺寸大小，5μm～1mm厚度的生瓷片，加工的范围约4～7英寸，所述吸附治具大小应能吸附最大尺寸的生瓷片。

对于0.1mm以下的生瓷片，一般加工效果较好，而当产品的厚度增加时，受激光加工装置焦深和热影响的原因，切割微型的小孔效果较差。

为改善微型切割效果，采用螺旋线打孔的方式，所述控制装置可将图层中的圆一次性替换成尺寸和螺旋间距可受调控的螺旋线；而加工方形或异性的图档则可采用将曲线偏移的方式，在原曲线基础上增加线间距一致的回型曲线。同时采用镂空的吸附治具固定生瓷片，可以达到更好的效果，减少由于治具反伤带来的烧灼。

通过以上所述激光加工装置，及工艺方法能够有效改善通孔的边缘效果，解决加工正反面孔边缘附有熔渣、烧痕和碎屑的问题，以及产品厚度的增加所带来的锥度问题。

对于需要重复加工的样品，可通过定位装置将样品的位置数据发送至控制装置，并由控制装置输送信号至运动装置，将所述样品移动至原图层加工位置进行二次加工，且重复加工精度高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法，其特征在于，应用于微孔大幅面加工且不改变现有光路，所述方法包括：

导入待加工样品的加工图层，并设置激光加工参数，所述加工图层根据加工对象的厚度的不同而不同；

以不影响图层曲线为前提，根据可加工幅面将整版加工图层进行均匀分割，形成多个分割区域；

将待加工样品放置于运动装置上；

开始加工，控制运动装置将待加工样品移动至待加工位置，获取当前分割区域的待加工孔型及产品厚度，根据获取的孔型及产品厚度为当前分割区域匹配相应的加工图层，并在一个分割区域加工完成后自动根据加工图层移动运动装置使激光焦点聚焦至另一个分割区域，直至完成整个样品的加工；对于圆形小孔加工，在分割区域的待加工样品厚度小于0.1mm或大于2mm时，采用圆孔加工图层来保证加工效果，在分割区域的待加工样品厚度处于0.1mm-2mm时，通过控制软件将加工图层一次性替换成螺旋线加工图层，并在加工时先局部调试，获得最优的螺旋线尺寸和螺旋间距，再依据获取的螺旋线参数进行当前整个图层的加工；对于非圆形小孔加工，在分割区域的待加工样品厚度大于0.5mm时，通过控制软件将加工图层一次性替换为曲线偏移方式的加工图层，曲线偏移是指在原曲线的基础上增加若干线间距一致的回型曲线。

2.根据权利要求1所述一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法，其特征在于，所述运动装置上设置有振镜透镜组，所述振镜透镜组沿运动装置的X轴或Z轴方向移动，以调整激光焦点的位置。

3.根据权利要求1所述一种改善生瓷片通孔质量的激光加工方法，其特征在于，对于非圆形小孔加工，在待加工样品的厚度小于预设厚度时，采用非圆孔加工图层进行加工。