CN1328001C - 激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一个用于在介电衬底(6)上快速钻出小孔的激光加工方法。作为激光源使用一个高品质的CO2激光器，它可以产生一个脉冲的激光射线(4)，该激光射线具有大于50kHz的脉冲重复频率，脉冲长度短于200ns而每个激光脉冲的能量至少为10-4焦耳。通过偏转单元使激光脉冲(4)偏转到要被加工的衬底(6)上。通过上述表征激光射线(4)的参数不仅可以保证高的钻孔(5)生产量而且可以保证高的钻孔质量。因此可以在0.4mm厚的LCP衬底上每秒钻出500个小孔，其中钻孔的几何形状近似圆柱形或近似圆锥形。所选择的波长、短脉冲长度、高重复频率和与常见的激光加工装置相比在电子产品加工领域中高的脉冲能量的结果是在实现高的生产量的同时实现高的钻孔质量。

Description

激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工方法，用于在介电衬底上快速钻出小孔。
背景技术
通过激光射线进行材料加工由于激光技术的迅速发展在最近几年已经具有越来越重要的意义。尤其是对电子产品加工领域由于结构部件越来越微型化电路板以及衬底的激光加工已经成为不可放弃的工具，一般能够根据结构部件的微型化实现所需的结构部件和/或衬底的微型化。例如可以在衬底上钻出小孔，它具有比常见的钻头钻出的小孔直径相比更小的直径。前提是，精确地已知在衬底上产生的激光射线的激光功率，此外也可以钻出通孔或所谓的盲孔，盲孔对于多层电路板尤其是重要的，因为通过后面的盲孔金属化可以使多层电路板的不同金属层相互间导电连接并因此可以明显地提高在衬底上的集成密度。
由US 5,593,606已知一种激光加工装置，通过它可以在多层衬底上钻出直径在50至200μm之间的小孔。作为激光光源使用一个连续泵汲的品质良好的Nd：YAG激光器，它按照一个频率转换产生在紫外光谱区的激光脉冲。各激光脉冲具有一个约250mW的平均脉冲功率和数量级为100ns的脉冲长度。由此各脉冲得到一个非常微小的约25nJ的能量，使得为了钻出一个孔必需使用许多激光脉冲。此外因为脉冲重复频率被限定在几kHz，产量、即单位时间钻出的小孔数量相应地很少，因此通过这种激光加工装置根据材料和要被钻孔的层厚每单位时间只能钻出相对很少的小孔。
此外已知，用于材料加工和尤其是用于在衬底上钻出小孔可以使用波长为9.2-10.6μm的CO2激光器或基准波长为1064nm的脉冲固体激光器，例如Nd：YAG激光器或Nd：YVO4激光器。使用这种在红外光谱区获得的常见的CO2激光源存在缺陷，所产生的激光脉冲的脉冲长度是相对较长的μs数量级。由此使要被加工的衬底处于较高的热负荷下，使得钻出的小孔的几何形状由于钻孔毛刺或由于在孔边缘上的淀积明显偏离最佳的(圆柱形或圆柱形)形状并由此降低了钻出小孔的质量。淀积例如由固化的蒸汽物产生，这种蒸汽物由于激光射线的加热使衬底材料升华而产生。但是淀积也可能由于固体衬底材料的小颗粒产生，这些颗粒由于剧烈地不均匀的衬底加热而被抛在孔边缘上。
由DE 100 20 559已知一种通过在可见光或在靠近红外的光谱区里的超短激光脉冲加工材料的方法。在此通过一个激光源产生脉冲长度小于300ps且重复率在100kHz至1GHz的激光脉冲。各激光脉冲的强度被总共产生的激光脉冲在一个光学放大器中放大。被放大的激光脉冲具有小于300ps的脉冲长度和1Hz至1MHz的重复率，该激光脉冲用于材料加工。未放大的同样指向要被加工材料的脉冲用于检查要被加工的材料。作为检查方法例如产生所谓的光学相干X照相术。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于在介电衬底上钻出小孔的方法，其中在短时间内能够钻出大量高质量的小孔。
本发明的技术方案是提供一种用于在介电衬底上快速钻孔的激光加工方法，作为激光源使用一个高品质的CO2激光器，它产生一个脉冲的激光射线，该激光射线具有大于50kHz的脉冲重复频率，短于200ns的脉冲长度和每个激光脉冲至少10-4焦耳的能量，所述激光射线通过一个偏转单元偏转到要被加工的衬底上。
本发明的基本构思在于，对于适合的参数，即波长、脉冲长度、重复率和用于加工的激光射线的脉冲能量不仅可以提高产量、即单位时间内钻出小孔的数量而且可以改善所得到的孔质量。按照本发明为了产生脉冲的激光射线使用一个高品质的CO2激光器。CO2激光器的高品质开关可以通过一个所谓的声电(akustooptisch)开关实现。例如一个CdTe晶体适合于此，它通过一个兆赫区频率的机械振荡激励。
当由激光源发出的激光射线在自身的聚焦镜头前通过一个射线扩径扩大时，按照权利要求4的所加工的激光射线尤其可以聚焦到50至200μm直径上。对此要指出，应用射线扩径的结果是被加工的激光射线具有更微小的焦深，因此必需以尽可能高的精度保持聚焦镜头与要被加工的物体表面之间的距离。通过这种方法可以避免所钻出的小孔存在不期望的扩径或锥形几何形状。
钻盲孔尤其用于多层衬底的加工。
根据衬底材料和厚度或要被钻孔的深度或者通过唯一的激光脉冲或者通过前后衔接地激光脉冲对准被加工物体进行钻孔。在使用连续的多个激光脉冲时要注意，为了避免不好的钻孔质量各激光脉冲尽可能在物体的相同位置上产生。对于已经进行的实验已经证实，为此所需的聚焦面在空间上的重叠要保持至少66％。
用于加工由LCP( Liquid  Cristalline  Polymer)即液晶聚合物衬底材料制成的衬底最好使用长度最大为150ns的脉冲，这种衬底材料具有直达40GHz的突出的电特性并且它不仅不透水份、氧气而且也不透其它气体和液体。
为了加工通过玻璃纤维材料机械强化的介电衬底FR4(FlameRetard 4)，例如ISOLA公司的材料C-1080，按照权利要求8至少50kHz的脉冲重复频率是适合的，并且尤其优选60kHz至100kHz的脉冲重复频率。
附图说明
本发明的其它优点和特征由下面对目前优选的实施例的示例性描述给出。在附图中
图1以示意图示出透穿衬底钻孔，
图2以图表示出与所使用的LCP衬底厚度有关的最大可达到的钻孔生产量。
具体实施方式
按照在图1中所示的本发明的实施例钻孔通过一个激光加工装置由此实现，一个由未示出CO2激光器发出的波长为9.2±0.2μm的激光射线通过一个射线扩径器1这样扩径，使激光射线的直径与激光射线在激光的输出耦合反射镜上的直径相比放大系数1.5至2。扩径的激光射线通过一个偏转单元2偏转90°，该偏转单元包括至少两个未示出的活动镜。偏转的激光射线通过一个远心的聚焦镜头3这样聚焦，使一个激光射线以100μm至200μm的有效聚焦直径对准要被加工的物体，该物体按照在此所示的实施例是一个单层衬底6。所述偏转单元2的两个反射镜这样设置，使激光射线4可以在短时间内在给定区域内部的任意位置对准衬底6的表面。
所述衬底6由LCP材料制成。这种材料例如由Ticona公司的Vectra H840或Dupont de Nemours公司的Zenite 7738提供。但是要指出，对于衬底也可以使用其它的介电材料，如FR4或环氧材料RCC。
由未示出的高品质CO2激光源产生的激光射线4发出重复频率至少为50kHz的激光脉冲，它具有小于150ns的脉冲长度和至少0.7mJ的脉冲能量。在要被加工的衬底6上产生的激光射线4的直径为100μm至200μm。通过这种方法钻出直径为120μm至250μm的小孔5，其中所产生的孔质量与通过常见激光加工装置钻出的小孔相比得到明显地改善。
还要指出，为了达到高的钻孔生产量必需这样构成成像单元2，使偏转到要被加工衬底6上的激光射线4可以麻利地从一个尽可能精确定义的衬底表面上的位置偏转到另一个同样尽可能精确定义的衬底表面的位置上。因此在使用这种快速偏转单元2时由于相对较大的脉冲能量，由于短的脉冲长度和所使用的激光射线4的波长不仅实现高的钻孔生产量而且使衬底材料的热负荷最小并由此避免围绕钻出孔的钻孔毛刺或淀积。
图2示出一个实验结果，其中图解地示出与衬底厚度相关地能够以高的钻孔质量所钻出的最大钻孔数量。在此在水平座标上厚度d的单位为毫米(mm)。在纵坐标上给出每秒钟钻出的钻孔生产量N/t。所使用的衬底仍然由LCP材料制成。要被钻孔的LCP衬底越薄，钻孔的生产量就越高。对于0.5mm的厚度每秒可以钻出300个孔。对于0.4mm的厚度能够以相同质量钻出的孔的数量可以提高到每秒500个。在厚度为0.15mm时钻出孔的生产量提高到每秒1250个孔。
还要指出，在电子产品加工中经常使用由所谓注塑衬底构成的0.4mm的LCP衬底，因此每秒500个钻出孔的生产量与通过常见的激光加工设备可以达到的生产量相比明显增加。
总之本发明实现一个用于在介电衬底6上快速钻出小孔的激光加工方法。作为激光源使用一个高品质的CO2激光器，它可以产生一个脉冲的激光射线4，它具有大于50kHz的脉冲重复频率，脉冲长度短于200ns而每个激光脉冲的能量至少为10-4焦耳。通过偏转单元使激光脉冲4偏转到要被加工的衬底6上。通过上述表征激光射线4的参数不仅可以保证高的钻出孔5生产量而且可以保证高的钻孔质量。因此可以在0.4mm厚的LCP衬底上每秒钻出500个小孔，其中钻出孔的几何形状近似圆柱形或近似圆锥形。所选择的波长、短脉冲长度、高重复频率和与常见的激光加工装置相比在电子产品加工领域中高的脉冲能量的结果是在实现高的生产量的同时实现高的钻孔质量。

Claims (11)

1.一种用于在介电衬底上快速钻孔的激光加工方法，其特征在于，
·作为激光源使用一个高品质的CO2激光器，它产生一个脉冲的激光射线(4)，该激光射线
-具有大于50kHz的脉冲重复频率，
-具有短于200ns的脉冲长度并
-具有每个激光脉冲至少10-4焦耳的能量，
·所述激光射线(4)通过一个偏转单元(2)偏转到要被加工的衬底(6)上。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，使用一个波长范围在9.2±0.2μm的激光射线(4)。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，使用能量为0.7毫焦耳的激光脉冲。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光射线(4)以50μm-200μm的直径聚焦在要被加工的衬底(6)上。
5.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，在要被加工的衬底(6)上钻出盲孔。
6.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，通过单个激光脉冲或通过多个激光脉冲钻出一个孔(5)，多个激光脉冲前后衔接地对准要被加工的衬底(6)。
7.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，加工一种液晶聚合物衬底，其中使用短于150ns的脉冲长度。
8.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，加工一种以玻璃纤维材料机械强化的介电衬底，其中使用至少50kHz的脉冲重复频率。
9.如权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，使用60kHz至100kHz的脉冲重复频率。
10.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，加工一种环氧材料，其中使用至少80kHz的脉冲重复频率。
11.如权利要求10所述的激光加工方法，其特征在于，使用接近100kHz的脉冲重复频率。
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