CN1274450C - 激光加工设备和激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工设备和激光加工方法，其中来自激光振荡器10的脉冲激光束由光束分离器13分离成两束。分离的激光束由X-Y扫描仪14和16通过工作透镜17和18辐射到工件20上。另外，在工件上，激光光束在X-轴和Y-轴方向摆动。这些X-Y扫描仪同时加工多个被分离并设置在工件上的加工区。

Description

激光加工设备和激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工设备及激光加工方法，尤其涉及一种设计成主要用于孔加工工艺且改进以提高其加工速度的激光加工设备和激光加工方法。
背景技术
在如蜂窝电话、数字视频摄象机，私人电脑等的电子装置中，使用高密度多层布线板。高密度多层布线板是由多个层板构成。在高密度多层布线板的制造过程中，为了将信号导线通过内层板和外层板之间，需要在每个层板上加工出称作通孔的通过孔。尤其是，为了获得高密度的布线，需要减小通孔的直径。
高密度多层布线板是通过以信号母板上取出多层而制造的，特别是，许多具有预定尺寸的用以加工高密度多层布线板的加工区以矩阵方式设置在母板上。然后，在每个预定的尺寸加工区的多个预定的位置上加工孔。将母板称作工件。
近年来，主要采用激光加工设备用于加工微孔。主要设计成用于孔加工的激光加工设备通常装有X-Y台。在X-Y台上，安装上工件且工件能在X-轴和Y-轴方向水平移动。在激光加工设备中，通过移动X-Y台上的工件，用脉冲激光束进行加工的位置也需改变。为了这个目的，通过X-Y台的定位会耗费时间。处理的速度也受到限制。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种激光加工设备和激光加工方法，它能大大地提高加工速度。
为了达到这个及其它的目的，提供一种激光加工设备，其包含多个X-Y扫描仪，每个X-Y扫描仪用于通过一个fθ透镜在工件表面的X轴方向和Y轴方向上摆动激光束，并通过所述多个电扫描系统对所述工件的多个加工区进行加工，其特征在于：从所述多个X-Y扫描仪发射出的所述激光束被辐射到单个工件的多个加工区表面。
本发明还提供一种通过使用多个X-Y扫描仪对工件的多个加工区进行加工的激光加工方法，其中每个X-Y扫描仪用于通过一个fθ透镜在工件表面的X轴方向和Y轴方向上摆动激光束，其特征在于：通过将从所述多个X-Y扫描仪发射出的所述激光束辐射到单个工件的多个加工区而进行加工。
附图说明
图1显示使用电扫描仪的常规激光加工设备的结构和草图；
图2显示X-Y扫描仪的结构的草图；
图3显示了按本发明的激光加工设备的基本结构；
图4显示了由本发明的激光加工设备加工的工件加工区域的示意图；
图5是按本发明的第一实施例的激光加工设备的正视图；
图6是如图5所示的激光加工设备的平面图；
图7是如图5所示的激光加工设备的侧视图；
图8是具有由本发明的激光加工设备进行加工的加工区的工件的另一个实施例示意图；
图9显示了按本发明的第二实施例的激光加工设备的基本结构；
图10是图9中所示的激光加工设备中使用的光束斩波器中旋转体的结构的正视图；
图11是沿图10中的A-A′线的剖视图；及
图12是被图10中所示的光束斩波器分离的脉冲激光光束的示意图。
具体实施方式
为了便于了解本发明，将参照图1对使用电扫描仪的常规激光加工设备进行描述。在图1中，从激光振荡仪1发射出的脉冲激光束经过反射镜2被导入掩模3。通过掩模3的脉冲激光束通过反射镜4向下反射，将由反射镜4反射的激光束通过X-Y扫描仪5在工件6的X-轴方向和Y-轴方向摆动。如后面详细描述的X-Y扫描仪5包括一第一电反射镜5-1及一第二电反射镜5-2。电反射镜能在工作频率为200到800Hz的范围内起作用。由X-Y扫描仪5转动的激光光束通过工作透镜7辐射到设置在工件6上的加工区6a。工作透镜7通常称作fθ透镜。
另外，工件6安装在X-Y台8上。这里省略掉了X-Y台8中的驱动系统的绘制和描述。而且，在反射镜4的上部装有校准系统从而通过使用透镜9a和CCD摄象机9b来完成工件6的定位。也省略掉了对校准系统的描述。
下面将参照图2描述X-Y扫描仪5。称作电-扫描仪的X-Y扫描仪5是由第一和第二电反射镜5-1和5-2。正如众所周知的，第一电反射镜5-1是由反射镜5-1a和用以旋转反射镜5-1a的驱动装置5-1b构成。同样地，第二电反射镜5-2是由反射镜5-2a和用以旋转反射镜5-2a的驱动装置5-2b组成。通过按照电流计的操作原理。单独地旋转两个反射镜5-1a和5-2a，激光束LB可以通过工作透镜7连续辐射到工件6上多个预期的位置上。
在激光加工设备中，通过相对于工件6的加工区6a旋转激光束以完成加工。当加工区6a的加工完成后，通过X-Y台8移动工件6并使下一个加工区正好定位于工作透镜7之下。
通过X-Y扫描仪5和X-Y台8的组合，与前面描述的激光加工设备相比，该激光加工设备的加工速度提高了。
关于工件6的尺寸，工件6是一正方形其每个边约为300到600毫米。为了从工件6上取下多个层片，通常需以矩阵方式预置十个或更多的加工区。另一方面，通过电反射镜扫描的区域通常是具有每个边约为50mm的正方形。因此，激光加工设备需要相当长的一段时间来加工单一工件的所有加工区域。
将参照图3对按本发明的激光加工设备的基本结构进行描述。
在图3中，来自激光振荡器10的脉冲激光束经过反射镜11和12被导入光束分离器13。另外，将掩模(图中未显示)用上图1中所示的相同的方式安置在光束分离器13之前。激光光束因此形成预定的光束尺寸。光束分离器13将入射激光束分离成两束。可以使用棱镜，半反射镜或另一种光学元件替代光束分离器13。分离的激光光束中的一束被引入第一X-Y扫描仪14。另一束分离的激光束经过反射镜15被导入第二X-Y扫描仪16。X-Y扫描仪具有与图2所示的结构相同的结构。从第一和第二X-Y扫描仪14和16发出的激光通过工作透镜17和18被辐射到工件20上。工件20安装在可在X-轴和Y-轴方向水平移动的X-Y台21上。
另外，工作透镜17或18用于按已有的方法对激光束聚焦，且工作透镜17和18也称作fθ透镜。每一个工作透镜17和18是由放置圆柱形壳体中的许多凸透镜和凹透镜的组合构成。该组合称作fθ透镜组件。在图3中，为方便起见，fθ透镜装置用一单一工作透镜表示。另外，前述的构成元件由控制装置来控制(图中未显示)。控制装置是数据输入装置用以输入如数字数据的必要的加工条件。
对于激光振荡器10，可以使用二氧化碳气体激光振荡器，YAG高谐波激光振荡器，准分子激光振荡器等。从激光振荡器，可以获得几十到几百瓦(W)的输出功率。然而，在印刷电路板或另一种树脂板上加工孔所需的输出功率通常为10瓦或更少。因此，即使以激光振荡器10得到的激光光束分离成两束时，对加工也是没有问题的。
图4显示了预置在可以其上取出多层片的工件20上的多个加工区。这里，16(4×4＝16)加工区20-1以矩阵方式设置。每个加工区20-1的尺寸与成品板的尺寸相同。这是由实际安装该成品的电子装置的尺寸决定的。在另一种情况下，当图4显示的工件20被激光加工以在其上加工孔时，半个区域A由第一X-Y扫描仪14和工作透镜17加工。另半个区域B是被第二X-Y扫描仪16和工作透镜18加工。例如，当第一X-Y扫描仪14和工作透镜17从如图4所示的加工区20-1a的左角开始加工，第二X-Y扫描仪16和工作透镜18也开始从图4所示的加工区20-1b的左角开始加工。其结果，当完成加工时，可以获得相同的加工模式。接着，通过在X-轴和Y-轴方向移动X-Y台21，很明显，通过X-Y扫描仪和工作透镜的组合可以按图4中箭头线的顺序完成相同加工模式的激光加工。在这种情况下，距离D是工作透镜17和18的中心点之间的距离。
另外，工件20的尺寸随最终产品的板的尺寸而变化。工件20每边为300到600毫米。因此，工作透镜17和18的中心点之间的距离需在150毫米＜D＜300毫米的范围内变化。为了达到这个目的，第一X-Y扫描仪14和工作透镜17的组合和第二X-Y扫描仪和工作透镜的组合中的至少一个组合需要在水平方向移动。这点在下面进行描述。
通过手工或自动工件移位装置将工件20放置在X-Y台21上的板上。该板(图中未显示)以真空方式支撑住工件。另外，与如图1中同样的方式，由一图象加工装置(图中未显示)组成的校准系统安装于图3所示的光束分离器13和反射镜15之上。在校准系统中，在确认了预先放置在工件20上的参考位置标记之后(通常指标准掩模)，测得的工件20的设定位置的精确度为10μm或更少。加工区20-1也是这样确定的。在这种情况下，操作者借助数据输入装置事先输入加工区20-1的尺寸，间隙等等。控制装置根据输入数据确定最优距离D。根据距离D，安置第一X-Y扫描仪14和工作透镜17的组合和第二X-Y扫描仪16和工作透镜18的组合，同时设定了加工区20-1。
下面将参照图5至图7对按本发明的第一实施例的激光加工设备进行详细描述。在图5中激光加工设备具有一第一扫描系统31，在其中可整体安装第一X-Y扫描仪14和工作透镜17，而第二扫描系统32中可整体安装第二X-Y扫描仪16和工作透镜18。第一X-Y扫描仪14具有第一和第二电反射镜14-1和14-2。第二X-Y扫描仪16具有第一和第二电反射镜16-1及16-2。第一扫描系统31安装在可以在Z轴方向(垂直于工件)操作的第一Z-轴台33上，第一Z-轴台33安装在可以在和工件20表面平行的L-轴方向操作的L轴台34上。L-轴台34与基架35相固定。另一方面，第二扫描系统32安装在可以在Z-轴方向操作的第二Z-轴台上。第二Z轴台36与基架35相固定。因此，第一扫描系统31可以在Z-轴方向和L-轴方向移动，而第二扫描系统32可以只在Z-轴方向移动。
本实施例的激光加工设备和图3中所示的基本结构不同，其区别在于第一和第二扫描系统31和32以第一和第二X-Y扫描仪14和16对称的方式安置。第一和第二工作透镜17和18的中心点之间的距离Da因此减小。相反，如在图5中，当第二X-Y扫描仪16中的第一和第二电反射镜16-1和16-2与在第一X-Y扫描仪14中的第一和第二电反射镜14-1和14-2取向相同时，如在图5中所示，第一和第二电反射镜16-1和16-2的光轴向右偏离。在这种情况下不得不增加距离Da。
这里，用以接收分离的激光光束的反射镜37和38反向放置以接收来自相反方向的分离的光束。由反射镜38反射的激光光束通过反射镜39导入第二X-Y扫描仪16。同样地，来自反射镜37的激光束通过一反射镜(图中未显示)导入第一X-Y扫描仪14。
在这种结构中，通过第一和第二扫描系统31和32可以对称地进行加工。例如，当第一扫描系统31从图4可见的加工区20-1a的左角开始加工时，第二扫描系统32从图4可见的加工区20-1b的右角开始加工。然而，当完成加工时，可以获得相同的加工模式。在加工过程中，第二X-Y扫描仪16的扫描顺序可以和第一X-Y扫描仪14的扫描顺序相反。为了这个目的，提供到第二X-Y扫描仪16的扫描操作信号可以和提供第一X-Y扫描仪14的扫描操作信号相反。当然，这是在控制装置中完成的。另外，用和图4中所示的相同的方法通过操作和控制X-Y台21可按顺序移动加工区。
同样在本实施例中，按照工件的尺寸和加工区的尺寸，第一扫描系统31在L-轴方向移动以改变第一和第二工作透镜17和18的中心点之间的距离Da。另外，通过与L-轴台34相似的L-轴台，第二扫描系统32可以在与第一扫描系统31移动的方向相反的方向移动。
如前面提到的，通过控制装置操作和控制第一和第二X-Y扫描仪14和16。在一定数目的加工区的激光加工完成之后，通过控制装置操作X-Y台21来移动工件20到下一个加工区。X-Y台21在X-轴和Y-轴方向水平移动。
相对于加工区20-1上的加工位置是控制装置给出到每个X-Y扫描仪的旋转角度的指令值来确定的。不仅可加工规则设置的孔而且可加工不规则设置的孔。
该激光加工设备可以以两倍于图1所示的激光加工设备的加工速度完成加工。
如图8中所示，当加工区20-1的总数不能被分离成两部分时，工件20′被用如下方法加工：首先，和加工区20-1具有相同数目的分离的区域A和B被同时加工。对存留区域C，例如，通过在来自第一扫描系统31的激光光束的通路上安置光束断路器，激光光束被切断。于是，区域C由第二扫描系统32来加工。
将参照图9至图12描述按本发明第二实施例的激光加工设备。在图9中，和图3中相同的部分用相同的参照数码代表，且省略掉对它的描述。在第二实施例中，用机械分离器或所谓的光束斩波器来替代如上述的光学元件以分离激光光束。如图9至图11所示，光束斩波器包括一旋转体60。旋转体60是通过围绕旋转轴61在相等的区域内交替地设置激光光束反射镜62和穿透部分63而构成的。光束斩波器由含有一用来旋转和操作旋转体60的电机的驱动装置64和用于控制驱动装置64一同步控制器65构成。同步控制器65以将来自激光振荡器10的脉冲激光束重复反射和穿透的方式控制驱动装置64。在本实施例中，旋转体60通过将四个反射镜62以相对于激光束入射方向成45度角度的方式安装到环形架66上。
同步控制器65发射触发脉冲到激光振荡器10以确定脉冲激光束的输出间隔。和输出间隔相同步，同步控制器65以连续的脉冲激光束交替反射和穿透的方式控制驱动装置64的电机旋转速度，其结果，如图12显示，由螺纹线所示的脉冲激光束通过光束斩波器到达反射镜15(图9)。不带螺纹线的脉冲激光束由反射镜62反射以到达第一X-Y扫描仪14(图9)。
当使用不同于图3所示的由光学元件构成的分离器的光束斩波器时，在加工表面上的激光束的每脉冲能量密度不能减少。换句话说，在图3的实施例中，例如，当使用具有50％穿透作用的光束分离器13时，在加工表面上的每脉冲激光束的能量密度减少到一半。因此，按照本实施例，本发明可以适用于具有低脉冲能量的激光振荡器。例如，当在印制板上加工通孔时，在加工表面的激光能量密度最好为10焦耳/厘米2或更多，它随着印制板的材料而变化。然而，在激光振荡器具有低脉冲能量的情况下，由于能量密度降低，难于通过光学元件的分离在印制板上加工孔。然而，通过使用按本实施例的光束斩波器，可用所需的能量密度来加工通孔。
如上所述，对本发明的两个实施例进行了描述。然而，本发明不只限于实施例且可以作各种各样的改变。例如，实施例中所使用的两套X-Y扫描仪和工作透镜。也可以使用三套或更多套的X-Y扫描仪和工作透镜。另外，不仅是印制板而且别的材料也可以打孔或加工。

Claims (6)

1.一种激光加工设备，其包含多个X-Y扫描仪，每个X-Y扫描仪用于通过一个fθ透镜在工件表面的X轴方向和Y轴方向上摆动激光束，并通过所述多个电扫描系统对所述工件的多个加工区进行加工，其特征在于：从所述多个X-Y扫描仪发射出的所述激光束被辐射到单个工件的多个加工区表面。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于所述激光加工设备还包含控制装置，该装置用于控制所述两个相邻X-Y扫描仪以便所述两个相邻X-Y扫描仪的扫描顺序彼此相反，从而对所述工件的多个加工区进行加工处理。
3.如权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：
所述激光加工设备还包含一个驱动装置，其在与所述工件垂直的方向上移动所述多个X-Y扫描仪。
4.一种通过使用多个X-Y扫描仪对工件的多个加工区进行加工的激光加工方法，其中每个X-Y扫描仪用于通过一个fθ透镜在工件表面的X轴方向和Y轴方向上摆动激光束，其特征在于：通过将从所述多个X-Y扫描仪发射出的所述激光束辐射到单个工件的多个加工区而进行加工。
5.根据权利要求4所述的激光加工方法，通过所述多个X-Y扫描仪中的对称设置的两个相邻的且扫描顺序彼此相反的X-Y扫描仪对工件的多个加工区进行加工处理。
6.如权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于所述多个X-Y扫描仪在与所述工件垂直的方向上移动。
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