CN115502585B - 一种大孔径镭射孔的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本方案涉及激光钻孔技术领域,具体公开一种大孔径镭射孔的加工方法,所述方法的具体步骤为:对同一脉冲按时序进行切割,形成多个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列覆盖了需加工孔的面积,本发明提供的一种大孔径镭射孔的加工方法,将同一脉冲切割形成的光束,通过振镜来改变光束的角度,形成多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列模拟成大光斑进行大孔径加工,可明显提高大孔径镭射孔的加工效率。
Description
技术领域
本方案属于激光钻孔技术领域,更具体地,涉及一种大孔径镭射孔的加工方法。
背景技术
电子设备采用PCB(印制电路板或印制板)后,由于同类印制板的一致性,从而避免了人工接线的差错,并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测,保证了电子设备的质量,提高了劳动生产率、降低了成本,并便于维修。
印制板从单层发展到双面、多层和挠性,并且仍旧保持着各自的发展趋势。由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展,不断缩小体积、减少成本、提高性能,使得印制板在未来电子设备的发展工程中,仍然保持着强大的生命力。
现有的PCB上的盲孔多采用镭射盲孔加工方式。而针对孔径大于200um的镭射孔时需使用小光斑环绕模式进行加工。此种加工方式由于每个光斑对应一个脉冲进程,当加工孔数较多时,加工效率较低,消耗能量多。
发明内容
鉴于此,本方案旨在克服现有技术中的至少一种不足,提供一种大孔径镭射孔的加工方法,大大提高了大孔径镭射孔的加工效率,减少了能量的消耗。
为了解决上述技术问题,采取下述技术方案:本发明提供一种大孔径镭射孔的加工方法,所述方法的具体步骤为:对同一脉冲按时序进行切割,形成多个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列覆盖了需加工孔的面积。
本发明提供的一种大孔径镭射孔的加工方法将同一脉冲按时序进行切割,形成的多个光束,通过振镜改变多个光速的光束的角度,形成多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列模拟成大光斑,覆盖了需加工孔的面积,本发明提供一种大孔径镭射孔的加工方法,耗时短,明显提高了大孔径镭射孔的加工效率,且耗费能量较少。
进一步地,根据需加工孔直径的不同,本方案中加工路径可选择单圈数圆形或多圈数螺旋形的一种,当需加工孔的直径>8mil时,采用N个单圈数圆形的路径加工,其中N为≥1的正整数,且N个单圈数圆形为同心,每一个单圈数圆形的形成需要切割的脉冲不超过一个,当需加工孔的直径≤8mil时,采用由内到外的或由外到内的多圈数螺旋形的路径加工,所述多圈数螺旋形的形成,需要切割的脉冲也不超过一个。
进一步地,所述圆形光斑的直径为55~65um,同圆形上相邻圆形光斑相互交叠,其圆心之间的距离为4~30um,有利于能量的叠加,更有利于加工孔的切割。
进一步地,当采用N个单圈数圆形的路径加工时,为了确保光斑覆盖加工孔的所有区域,相邻同心圆的半径之差为45~55um。
进一步地,当采用N个单圈数圆形的路径加工时,为了确保加工大孔时,大孔边缘最大的圆形圈均能被光斑覆盖,N个单圈数圆形的路径包括多个脉冲,对所述同一脉冲按时序进行切割,形成80~130个光束,每个脉冲切割的光斑数相同,保证了切割孔时能量相同,又有利于每次切割需加工孔的深度一致。
进一步地,当采用多圈数螺旋形的加工路径时,同圈上的相邻圆心之间的距离为10~30um,对所述同一脉冲按时序进行切割,形成15~45个光束,保证了采用多圈数螺旋形的加工路径时,光斑能够覆盖加工孔的面积的所有区域。
进一步地,所述多圈数螺旋形的加工路径通过多线段拟合得到,其中由内到外的加工路径拟合的具体步骤包括:
S1.找到需加工孔的中心点,确定在中心点的一侧,离中心点距离为x的点为第一点,第一点为第一圈上多线段拟合的起点,也为光斑的起点;
S2.以中心点为对称中心,与起点对称的点为第一圈上多线段拟合的第二点;
S3.与第一点和第二点之间线段的方向垂直,与中心点距离为d的点为第三点,第三点为第二圈上多线段拟合的起点;
S4.第二圈上多线段拟合的点包括第三点(即第二圈上的起点)、第四点…第n-1、第n点,第二圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离均为d;
S5.沿着与第n-1和第n点之间的连线方向,在±15°夹角的方向内,与第n点距离为d的点为第n+1点,第n+1点为第三圈上的多线段拟合的起点;
S6.第三圈上多线段拟合的点包括第n+1点(即第三圈上的起点)、第n+2点…第n+m-1、第n+m点,第三圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离也均为d;
S7.如此循环到第M圈,直到光斑的范围覆盖需加工孔的面积,其中M≤5。
进一步地,所述d为10~30um,2x为2/d~d。
当采用多圈数螺旋形的加工路径时,拟合得到的第一个圈的直径为20~40um,第M个圈的直径为80~169um。
本方案中多圈数螺旋形的加工路径通过多线段拟合得到,既方便光斑的定位,又在直径≤8mil大孔径的加工中,采用同一脉冲进行切割,克服了传统工艺中需要一个光斑对应一个脉冲进程,当加工孔数较多时,加工效率低下的缺点。
进一步地,所述脉冲的形成包括以下阶段:镭射开始、突发段、下降段、回归段、稳定段、衰减段,所述的加工方法对脉冲的稳定段进行时序切割,其能量稳定,可切割形成多个光束,多个光束平均分配到2~4个加工台面上,可同时进行打孔,提高工作效率,所述同一脉冲的能量为1~16mj。
进一步地,因为不同的加工路径,脉冲的能量、每次分割的数目有所不同,每次切割加工孔的深度为20-40um,根据需加工孔的深度,选择加工路径需重复次数为1~10次。
本方案与现有技术相比较有如下有益效果:本发明提供的一种大孔径镭射孔的加工方法将同一脉冲按时序进行切割,形成的多个光束,通过振镜改变多个光速的光束的角度,形成多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列模拟成大光斑,覆盖了需加工孔的面积,本发明提供进行大孔径加工的方法,耗时短,明显提高了大孔径镭射孔的加工效率,且减少能量的损耗。
附图说明
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本方案的限制;为了更好说明本方案,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的;附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明,不能理解为对本方案发明一种晶体振荡器的基座的结构正面示意图。
图1为仪器Geode的整体图。
图2为脉冲形成的阶段图。
图3为实施例1中两个单圈数圆形的路径加工示意图。
图4为实施例3中多圈数螺旋形的路径加工示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本方案的技术方案,下面结合具体实施例对本方案做进一步详细说明。实施例中所使用的工艺方法如无特殊说明,均为常规方法;所用的材料,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
本发明的具体实施例中,其加工方法均采用仪器Geode进行,其仪器Geode如图1所示,使用仪器Geode时,脉冲的形成如图2所示,包括以下阶段:镭射开始、突发段、下降段、回归段、稳定段、衰减段。
加工过程中,对脉冲的稳定段,通过仪器Geode上的AOD(声光偏转控制器)进行时序切割,切割形成多个光束,其中多个光束平均分配到2~4个加工台面上,图2中形成2个加工台,可同时工作,且AOD切割光束的数目可调节,最多能同时切割形成210个光束。
实施例1
如图3所示,本实施例采用两个单圈数圆形的路径加工直径为8.5mil的孔,需加工孔的深度为6.86mil。
具体步骤为:
(1)使用仪器Geode形成脉冲,并通过AOD(声光偏转控制器)对能量为16mj稳定阶段的同一脉冲,按时序进行切割,形成八十个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的八十个圆形光斑1(图中省略了部分圆形光斑),并按第一单圈数圆形2的路径覆盖在8.5mil孔中心的周围,对需加工孔进行切割21um。
(2)重复步骤(1)的过程7次,在同一个区域再对需加工孔进行切割,总共切割168um深(6.857mil)深;
(3)按步骤(1)步骤方法同一脉冲进行切割,并按第二个单圈数圆形3的路径,覆盖需加工孔的未切割的部分,对需加工孔进行切割21um;
(4)重复步骤(3)的过程7次,同一个区域对需加工孔进行切割,总共切割168um深(6.857mil)深;
(5)最后得到直径为8.5mil、深度为6.857mil的孔。
其中,圆形光斑的直径为55um,同一单圈数圆形上的相邻圆形光斑相互交叠,圆心之间的距离为4um;其中两个单圈数圆形为同心,其2和3的半径之差为51um。
实施例2
本实施例采用五个单圈数圆形的路径加工直径为10mil的孔,需加工孔的深度为8mil,具体步骤为:
(1)使用仪器Geode形成脉冲,并通过AOD(声光偏转控制器)对能量为16mj稳定阶段的同一脉冲,按时序进行切割,形成八十个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的八十个圆形光斑,并按单圈数圆形的路径覆盖在孔中心的周围,对需加工孔进行切割28um;
(2)重复步骤(1)的过程6次,在同一个区域对需加工孔进行切割,总共切割196um(8mil)深;
(3)按步骤(1)步骤方法同一脉冲进行切割,并按第二个单圈数圆形的路径,覆盖了需加工孔的未切割的一部分,对需加工孔进行切割;
(4)重复步骤(3)的过程6次,在同一个区域再对需加工孔进行切割,总共切割深度196um;
(5)如此循环,最后一次按第五个单圈数圆形的路径,覆盖了需加工孔的还未切割的部分,对需加工孔进行切割,总共切割深度196um;
(5)重复上一个步骤的过程6次,在同一个区域再对需加工孔进行切割,总共切割196um mil深度;
(6)最后得到直径为10mil、深度为8mil的孔。
其中圆形光斑的直径为57um,同一单圈数圆形上的相邻圆形光斑相互交叠,圆心之间的距离为10um;其中五个单圈数圆形为同心,其中同心单圈数圆形的半径之差均为50um。
实施例3
如图4所示,本实施例采用多圈数螺旋形的路径加工直径为5mil的孔,需加工孔的深度为4mil,具体步骤为:使用仪器Geode形成脉冲,并通过AOD(声光偏转控制器)对能量为10mj稳定阶段的同一脉冲,按时序进行切割,形成十六个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的十六个圆形光斑4,并按多圈数螺旋形的加工路径覆盖了5mil孔的面积,对需加工孔进行切割24.5um,其中圆形光斑4的直径为55um(图4仅仅是示意图),其中同一圈上相邻的圆形光斑相互交叠(图4仅仅是示意图,事实上圆形光斑4是相互交叠),其圆心之间的距离为10-30um(不同圈上圆心距离不同)。
通过四次切割,得到直径为5mil、深度为4mil的孔。
其中,多圈数螺旋形的加工路径为通过多线段拟合得到,本实施例中由内外加工路径的拟合的具体步骤包括:
S1.找到需加工孔的中心点o,确定在中心点一侧,离中心点o距离为x的点,为第一圈5上多线段拟合的第一点a,第一点为第一圈上多线段拟合的起点,也为光斑的起点;其中x的距离为10um;
S2.以中心点o为对称中心,与起点对称的点为第一圈上多线段拟合的第二点b;其中拟合得到第一圈的直径为20um;
S3.与第一点a和第二点b之间线段的方向垂直,与中心点o距离为20um的点为第三点c,第三点c为第二圈6上多线段拟合的起点;
S4.第二圈6上多线段拟合的第三点c(即第二圈上的起点)、第四点e、第五点f、第六点g、第七点h,第二圈上多线段拟合的点均与中心点o等距,其点与相邻点之间线段的距离均为20um;
S5.沿着与g和h点之间的连线方向,在15°夹角的方向内,与h点距离为20um的点为第八点i,第八点为第三圈7上的多线段拟合的起点;
S6.第三圈7上多线段拟合的点包括第八点i(即第三圈上的起点)、第九点j、第十点k、第十一点p、第十二点q、第十三点r,第十四点s、第十五点t、第十六点w,第三圈上多线段拟合的点均与中心点o等距,其点与相邻点之间线段的距离也均为d,本实施例中d为20um,其中拟合得到第三圈的直径为95um,确保光斑的范围覆盖了需加工孔的面积。
实施例4
本实施例采用多圈数螺旋形的路径加工直径为8mil的孔,需加工孔的深度为6.4mil,具体步骤为:使用仪器Geode形成脉冲,并通过AOD(声光偏转控制器)对能量为12mj稳定阶段的同一脉冲,按时序进行切割,形成三十个光束,通过振镜改变光束的角度,,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的三十个圆形光斑,并按多圈数螺旋形的加工路径覆盖在8mil的孔的面积,对需加工孔进行切割39.5um,其中圆形光斑的直径为55um,其中同一圈上相邻的圆形光斑相互交叠,其圆心之间的距离为10-30um(不同圈上圆心距离不同)。
通过四次切割,得到直径为8mil、深度为4mil的孔。
其中,多圈数螺旋形的加工路径为通过多线段拟合得到,本实施例中由内外加工路径的具体步骤包括:
S1.找到需加工孔的中心点,确定在中心点一侧,为第一圈上多线段拟合的第一点,第一点为第一圈上多线段拟合的起点,也为光斑的起点;其中x的距离为10um;
S2.以中心点为对称中心,与起点对称的点为多线段拟合的第二点;
S3.与第一点和第二点之间线段的方向垂直,与中心点o距离为20um的点为第三点,第三点为第二圈上多线段拟合的起点;
S4.第二圈上多线段拟合的点包括第三点(即第二圈上的起点)、第四点、第五点、第六点,第二圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离也均为d的点,本实施例中d为20um;
S5.沿着与第五点和第六点之间的连线方向,在15°夹角的方向内,与第六点距离为20um的点为第七点,第七点为第三圈上的多线段拟合的起点;
S6.第三圈上多线段拟合的点包括第七点(即第三圈上的起点)、第八点、……、第十二点,第三圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离也均为20um;
S7.如此循环,第四圈上多线段拟合的点有八个,第四圈上多线段拟合的点有十个,直到到达第五圈的最后一点,即第三十点,其中拟合得到的第五圈的直接为169um,保证光斑的范围覆盖了需加工孔的面积。
对比例1
对比例1采用小光斑环绕模式进行加工直径为8.5mil的孔,需加工孔的深度为6.86mil。
测试例1
使用实施例4和对比例1的方法加工直径为8mil、深度为6.4mil的孔5000个,计算需要的时间和能量的消耗,如表1所示。
表1:耗费的时间和消耗的能量
耗费的时间h | 消耗的能量mj | |
实施例4 | 0.025 | 64 |
对比例1 | 0.091 | 234 |
由表1可知,采用实施例4的方法(即模拟成大光斑进行加工)进行大孔径孔的加工,比对比例1的方法(即小光斑环绕模式)进行加工耗费的时间和消耗的能量要少的多,由此可见,本发明提供的一种大孔径镭射孔的加工方法,可明显提高大孔径镭射孔的加工效率,且消耗的能量小。
显然,本方案的上述实施例仅仅是为清楚地说明本方案所作的举例,而并非是对本方案的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本方案权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,所述加工方法的具体步骤为:对同一脉冲按时序进行切割,形成多个光束,通过振镜改变光束的角度,形成一系列具有先后时序的多个圆形光斑,所述多个圆形光斑按一定的加工路径排列覆盖了需加工孔的面积;
所述加工路径包括单圈数圆形或多圈数螺旋形,当所述需加工孔的直径>8mil时,采用N个单圈数圆形的路径加工,其中N为≥1的正整数,所述N个单圈数圆形为同心,一个单圈数圆形不超过一个脉冲,当所述需加工孔的直径≤8mil时,采用由内到外或由外到内的多圈数螺旋形的路径加工,多圈数螺旋形不超过一个脉冲;
当采用多圈数螺旋形的加工路径时,同圈上相邻圆心之间的距离为10~30um,对所述同一脉冲按时序进行切割,形成15~45个光束;
所述多圈数螺旋形的加工路径通过多线段拟合得到,其中内到外的加工路径拟合的具体步骤包括:
S1.找到需加工孔的中心点,确定在中心点的一侧,离中心点距离为x的点为第一点,第一点为第一圈上多线段拟合的起点,也为光斑的起点;
S2.以中心点为对称中心,与起点对称的点为第一圈上多线段拟合的第二点;
S3.与第一点和第二点之间线段的方向垂直,与中心点距离为d的点为第三点,第三点为第二圈上多线段拟合的起点;
S4.第二圈上多线段拟合的点包括第三点(即第二圈上的起点)、第四点…第n-1、第n点,第二圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离均为d;
S5.沿着与第n-1和第n点之间的连线方向,在±15°夹角的方向内,与第n点距离为d的点为第n+1点,第n+1点为第三圈上的多线段拟合的起点;
S6.第三圈上多线段拟合的点包括第n+1点(即第三圈上的起点)、第n+2点…第n+m-1、第n+m点,第三圈上多线段拟合的点均与中心点等距,其点与相邻点之间线段的距离也均为d;
S7.如此循环到第M圈,直到光斑的范围覆盖需加工孔的面积,其中M≤5。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,所述圆形光斑的直径为55~65um,相邻圆形光斑相互交叠,其圆心之间的距离为4~30um。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,当采用N个单圈数圆形的路径加工时,相邻同心圆的半径之差为45~55um。
4.根据权利要求1所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,当采用N个单圈数圆形的路径加工时,N个单圈数圆形的路径包括多个脉冲,对所述同一脉冲按时序进行切割,形成80~130个光束,每个脉冲切割的光斑数相同。
5.根据权利要求1所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,所述d为10~30um,2x为d。
6.根据权利要求1所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,当采用多圈数螺旋形的加工路径时,拟合得到的第一个圈的直径为20~40um,第M个圈的直径为80~169um。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种大孔径镭射孔的加工方法,其特征在于,脉冲的形成包括以下阶段:镭射开始、突发段、下降段、回归段、稳定段、衰减段,所述的加工方法对脉冲的稳定段进行时序切割,可切割形成多个光束,多个光束平均分配到2~4个加工台面上,所述稳定段的脉冲能量为1~16mJ,每次切割加工孔的深度为20-40um,所述加工路径需重复次数为1~10次。
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