CN1511672A - 多束激光开孔加工装置 - Google Patents

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Abstract

在用1个fθ透镜、抑制远心误差并同时加工两个地方用的多束激光开孔加工装置中，对于第1激光束，通过采用有电流计反射镜的以往的光学系统，使电流计反射镜系统靠近fθ透镜，以防止远心误差。第2激光束用第2电流计反射镜系统偏转后，透过偏振光束混合器，入射至第1电流计反射镜系统及f透镜，通过这样与第1激光束一起同时加工两个地方。

Description

多束激光开孔加工装置
技术领域
本发明涉及采用多束激光的高速激光开孔加工装置。
背景技术
移动电话等用的印制电路板年年不断地向小型化及多孔化发展，在一块基板上要设置3000个左右的微细小孔。
为了在印制电路板上形成微细小孔，使用以激光束进行微细小孔加工的方法。该方法如日本专利特开昭63-147138号公报的图1及图2所揭示的那样，主要采用的激光开孔加工方法是利用绕互相垂直的转轴旋转的2个镜面(下面称为电流计反射镜系统)及fθ透镜进行聚焦而且进行焦点定位，但随着孔数增多，则提高加工速度的必要性越来越高。这里的所谓fθ透镜，是指将平行光的入射角度θ与聚焦位置y的关系设计成为y＝fθ的透镜。
为了实现该加工的高速化，如日本专利特开2000-190087号的图1所揭示的那样，提出一个激光加工机的方案，它用偏振光分束器将激光束分割为S偏振振光束及P偏振光束，在这些光束的光路中分别配置能够独立驱动的电流计系统，在决定角度之后，用偏振光束混合器(反过来使用的偏振光分束器)反射及透射，使其入射至1个fθ透镜，同时对两个地方进行加工。
作为本发明有关的以往技术，如日本专利特开2000-263271号的图1所揭示的那样，已知有一种利用2个声光元件将光束分离以便能够加工2个地方的激光加工机。
在对1个fθ透镜采用2个电流计系统时，由于电流计反射镜系统的大小关系，必须将电流计反射镜系统远离fθ透镜配置。于是，由于电流计系统远离fθ透镜的焦点位置，因此产生称为远心误差的问题。所谓远心误差是指下述的现象，即由于入射至fθ透镜的光束不通过焦点位置，因此利用fθ透镜聚焦的光束不垂直入射加工面，即以某一角度入射。
另外，在特开2000-263271号的激光加工装置的情况下，希望是不增加fθ透镜等零部件、并能同时对3个地方以上(含3个地方)进行加工的装置。
发明内容
因为，本发明的目的在于提供能够将电流计反射镜系统尽可能靠近fθ透镜的聚焦位置配置、而且用两束光束能同时加工2个地方的激光头。
再有，本发明的其它目的在于提供能够将1台激光脉冲发生器产生的光束脉冲分离后供给多个上述光学头、并同时对3个地方以上(含3个地方)进行加工的激光加工装置。
为了达到上述的目的，根据本发明的第1概念，是在利用固定镜将第1激光束进行反射、并利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位以便进行开孔加工的开孔加工装置中，将所述固定镜作为偏振光束混合器，将第1激光束作为S偏振光进行反射，使第2激光束作为P偏振光利用第2电流计反射镜系统进行偏转，从所述偏振光束混合器的反面侧透过，利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位，通过这样提供具有利用第1及第2激光束的两束光束同时对2个地方进行加工的激光头的多束激光开孔加工装置。这里的S偏振光束是利用偏振光束混合器进行反射的光束，P偏振光束是利用偏振光束混合器进行透射的光束。
对于第1激光束，即使是采用电流计反射镜系统的以往的光学系统，由于能够将电流计反射镜靠近fθ透镜，因此能够防止远心误差。另外，关于第2激光束，通过使第2电流计反射镜系统仅产生微小的角度变化，能够抑制远心误差。但是，由于响应速度变慢，因而不能增大第1电流计反射镜的大小，若增大第2激光束的偏转角度，则由于存在从第1电流计反射镜偏离的问题，因此不能增大该偏转角。因而，不得不缩小第1激光束的聚焦位置与第2激光束的聚焦位置之间的距离，但在最近的开孔加工中，由于需要使孔的间隔处于1.5mm以下，因此造成问题。
另外，为了达到上述目的，根据本发明的第2概念，是在利用固定镜将第1激光束进行反射，并利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位以便进行开孔加工的激光开孔加工装置中，在所述固定镜与第1电流计反射镜之间，设置将1个镜作为旋转偏振光束混合器的第2电流计反射镜系统，使作为S偏振光的第2激光束利用将1个镜作为旋转偏振光束混合器的第2电流计反射镜进行偏转后，入射至第1电流计反射镜系统及所述fθ透镜，进行聚焦而且定位，另外通过使第1激光束作为P偏振光，透过所述旋转偏振光束混合器，入射至第1电流计反射镜系统及所述fθ透镜，这样提供具有利用第1激光束及第2激光束这两束光束同时对2个地方进行加工的激光头的多束激光开孔加工装置。
在以上的激光头的情况下，对于第1激光束与前述第1概念的激光头的情况相同，但由于能够将对于第2激光束的第2电流计反射镜系统靠近第1电流计反射镜系统，因此能够增大第2激光束的偏转角度，能够增大第1激光束与第2激光束之间的聚焦位置的距离。
另外，为了达到上述目的，根据本发明的第3概念，是在利用第1固定镜将第1激光束反射、并利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位以便进行开孔加工的激光开孔加工装置中，在第1固定镜与第1电流计反射镜系统之间，设置偏振光束混合器，使第1激光束作为P偏振光透过所述偏振光束混合器，使作为S偏振光的第2激光束利用第2电流计反射镜系统进行偏转，利用所述偏振光束混合器进行反射，利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位，通过这样提供具有利用第1及第2激光束这两束光束同对2个地方进行加工的激光头的多束激光开孔加工装置。
在该激光头的情况下，虽然偏振光束混合器角度严格地取决于透射光，但由于透射的光仅仅是直线前进的光，因此设计的自由度增大。
再有，在本激光头中，用第2固定镜使作为S偏振光的第2激光束进行反射，并且若利用使X方向的电流计反射镜驱动轴与第1电流计反射镜系统的X方向的电流计反射镜驱动轴一致、而使Y方向的电流计反射镜驱动轴与第1电流计反射镜系统的Y方向的电流计反射镜驱动轴垂直的这样构成的第2电流计反射镜系统进行偏转，则由于能够减少反射镜驱动的电动机等的空间干涉，能够使各电流计反射镜更接近，因此能够进一步减少fθ透镜的远心误差。
根据达到上述其它目的的本发明的第4概念，是提供多束激光开孔加工装置，它是用半透明反射镜将1个激光发生器产生的直线偏振光的脉冲激光束一分为二，在该一分为二的激光束的各光路中，设置多级光偏转元件，对每个脉冲分支形成多条光路，组合同蚀刻的脉冲激光束，将1个偏振方向旋转90°，作为1组的第1及第2脉冲激光束，将其他时刻产生的脉冲形成其他组合，形成多个脉冲激光束组，将它们分别引向多个上述激光头。
利用半透明反射镜将1个脉冲激光束一分为二，将分割后的各脉冲激光束利用光偏转元件偏转，而且进行脉冲整形后，将1个脉冲激光束的偏振光方向旋转90°，形成S偏振光与P偏振光的组合。由于用半透明反射镜一分为二的1个脉冲激光束具有同时性，因此这些脉冲激光束同时入射1个激光头。下1个脉冲利用下1级的光偏转元件偏转，而且进行脉冲整形后，被引向别的激光头。通过这样，能够利用多个激光头进行加工。
如上所述，在以往的光学系统中，是在脉冲激光束的光路中设置2级以上的光偏转元件，而且使每个脉冲分支成2条光路，从前级偏转的脉冲激光束与从后级偏转的脉冲激光束，由于通过的光偏转元件个数不同，因此存在的问题是，在每个光偏转元件中，由于热透镜效应而引起的光束扩散将各种各样，互不相同。为了解决该问题，通过调整2级光偏转元件的距离，使得用前级光偏转元件偏转后的脉冲激光束通过后级光偏转元件之中，让光束扩散相同，这样就能够解决上述问题。
本发明的其它目的、特征及优点，根据以下的与附图有关的本发明的叙述将说明清楚。
附图说明
图1所示为根据本发明的激光头光学系统图
图2所示为利用根据本发明的激光头光学系统对第1激光束进行定位的范围示意图。
图3所示为根据本发明的其它激光头光学系统图。
图4所示为根据本发明的其它激光头光学系统图。
图5所示为根据本发明的利用多个激光头构成的装置。
图6所示为根据本发明的利用多个激光头构成的其它装置。
具体实施方式
下面使用附图说明本发明的实施形态。
<实施例1>
图1及图2的所示为根据本发明的激光头光学系统。图中，1a及1b表示第1电流计反射镜系统，2a及2b表示第2电流计反射镜系统，3表示fθ透镜，10表示作为S偏振光的第1激光束，20表示作为P偏振光的第2激光束，30表示偏振光束混合器，100表示被加工的印制电路板，101表示第1激光束的定位范围，102表示第2激光束的定位范围，Z表示激光头。首先，用图2说明第1激光束10的定位范围101。由于第1激光束10是S偏振光，因此利用偏振光束混合器30进行反射，其后与以往相同，利用第1电流计反射镜系统1a及1b进行偏转，入射至fθ透镜3，在被加工的印制电路板100上的101范围内定位而且聚焦。然后，参照图1说明第2激光束20的定位范围102。这里为了简单起见，将第1电流计反射镜系统1a及1b固定在中心位置进行说明。第2激光束20利用第2电流计反射镜系统2a及2b进行偏转，由于是P偏振光，因此透过偏振光束混合器30入射至第1电流计反射镜系统1a及1b，再入射至fθ透镜3，在被加工的印制电路板100上的以第1激光束的照射位置为中心的范围102内定位而且聚焦。这里，第2激光束的定位范围102比第1激光束的定位范围101要狭窄，是因为若在第2电流计反射镜系统2a及2b的偏转角过大，则会偏离第1电流计反射镜系统1a及1b。另外，减小在第2电流计反射镜系统的偏转角，则fθ透镜3的远心误差将减少。
<实施例2>
图3所示为根据本发明的其它激光头光学系统。图中，1a及1b表示第1电流计反射镜系统，用旋转镜2a及旋转偏振光束混合器31形成第2电流计反射镜系统，3表示fθ透镜，4表示固定镜，10表示作为S偏振光的第2激光束，20表示作为P偏振光的第1激光束，100表示被加工的印制电路板，101表示第1激光束的定位范围，102表示第2激光束的定位范围，Z表示激光头。在该图中，与图1相同，表示将第1电流计反射镜系统1a及1b固定时的第2激光束的可动范围102。由于本例中的第2激光束10是S偏振光，因此利用旋转偏振光束混合器31进行反射及偏转，并利用第1电流计反射镜系统1a及1b进行偏转，再入射至fθ透镜3，在以第1激光束20的照射位置为中心的范围102内定位而且聚焦。另外，由于该例的第1激光束20是P偏振光，因此透过旋转偏振光束混合器31，与以往相同地进行定位而且聚焦。在该例的情况下，由于能够将第2电流计反射计系统2a及31靠近第1电流计反射镜系统1a及1b，因此能够将定位范围102比实施例1的情况稍微更扩大一些。
<实施例3>
图4所示为根据本发明的其它激光头光学系统。图中，1a及1b表示第1电流计反射镜系统，2a及2b表示第2电流计反射镜系统，3表示fθ透镜，4及5表示固定镜，10表示作为S偏振光的第2激光束，20表示作为P偏振光的第1激光束，100表示被加工的印制电路板，101表示第1激光束的定位范围，102表示第2激光束的定位范围，Z表示激光头。在该图中，与图1相同，表示将第1电流计反射系统1a及1b固定时的第2激光束的可动范围102。本例中的第2激光束10利用在图中最靠近一侧设置的固定镜5进行反射，再用第2电流计反射镜系统进行偏转，由于是S偏振光，因此利用偏振光束混合器30进行反射，并利用第1电流计反射镜系统1a及1b进行偏转，再入射至fθ透镜3，在将以第1激光束20的照射位置为中心的范围102内定位而且聚焦。另外，用固定镜4反射的第1激光束20由于是P偏振光，因此透过偏振光束混合器30，与以往相同地进行定位而且聚焦。在该例的情况下，由于能够将第2电流计反射镜2a及2b靠近第1电流计反射镜系统1a及1b，而且偏转范围仅由偏振光束混合器30的入射角反射特性来决定，因此能够使定位范围102与第1电流计反射镜系统的定位范围101近似相同。
再有，如本例所示，在第2电流计反射镜系统中，若使X方向的电流计反射镜2a的驱动轴与第1电流计反射镜系统的X方向的电流计反射镜1a的驱动轴一致、使Y方向的电流计反射镜2b的驱动轴与第1电流计反射镜系统的Y方向的电流计反射镜1b的驱动轴垂直那样构成，则由于能够减少反射镜驱动的电动机等的空间干涉，因此能够使各电流计反射镜1a、1b、2a及2b更接近，所以能够进一步减少fθ透镜的远心误差，而且能够小型化。另外，由于通过使电流计反射镜接近，能够减小在电流计反射镜1a及1b上的第2激光束10的振幅，因此能够减小电流计反射镜1a及1b。通过这样，具有能够使惯性变小、提高电流计反射镜1a及1b的高速响应性的效果。
<实施例4>
图5所示为根据本发明的采用多个激光头而构成的装置例子。Z1及Z2表示实施例1的激光头，11及12表示作为S偏振光的第1脉冲激光束，21及22表示作为P偏振光的第2脉冲激光束，40表示激光振荡器，41表示使光束强度分布均匀的光束整形器，50表示半透明反射镜，51-57表示固定镜，60、61、70及71表示光偏转元件，81及82表示1/2波片，91及92表示光束挡板(beam damper)，100表示被加工的印制电路板，101及201表示第1脉冲激光束的定位范围，102及202表示第2脉冲激光束21、22的定位范围。激光振荡器40是采用CO2气体激光器，光偏转元件是采用声光的光偏转元件。在该例子中，作为使偏振光方向旋转90度的手段，采用的是1/2波片81及82，但也可以利用通过2片镜片改变高度而将前进方向偏转90度时使偏振光方向旋转90度的现象。
由激光振荡器40出射的直线偏振光(S偏振光)的脉冲激光束，利用光束整形器41使强度分布均匀，用半透明反射镜50一分为二，引向光偏转元件60、61、及70、71。这里，若使光偏转元件60及70同步驱动，则脉冲激光束同时向固定镜54及55的方向分支。然后，1束脉冲激光束通过1/2波片81，并将偏振光方向旋转90度，入射至激光头Z1。
若对于下1个脉冲使光偏转元件61及71同步驱动，则脉冲激光束同时向固定镜56及57的方向分支。然后，1束脉冲激光束通过1/2波片82，将偏振光方向旋转90°入射至激光头Z2。
在本实施例中，由于将同时发生的脉冲相互之间作为第1及第2脉冲激光束入射至激光头用于加工，因此在利用1个激光头加工结束之后，到其它激光头加工结束之前的期间，产生与脉冲周期相应的等待时间。能够将该等待时间用作为电流计反射镜系统对下1个加工位置进行定位动作的时间。
这里，光偏转元件60、61及70、71如图5所示，最好靠近配置，达到用60或70进行偏转后的脉冲激光通过61或71之中的程度。通过这样，由于例如脉冲激光束11及12这两束激光束都通过2个光偏转元件70及71，因此能够使光偏转元件的热透镜效应的影响对于脉冲激光束11及12近似相同。
在该例子中，所示的激光头是采用2个的情况，但若增加光偏转元件的级数，则对于更多的激光头也能够以同样的结构进行组装。
另外，在该例子中，所示的是采用实施例1的激光头，但在用实施例2及实施例3的激光头时，仅仅使第1脉冲激光束为P偏振光，使第2脉冲激光束为S偏振光，而其它则相同。
<实施例5>
图6所示的装置例子是在实施例4的装置中，能够将半透明反射镜50切换为全反射镜59。
用半透明反射镜50分割激光束时，由于分割的激光束的能量成为二分之一，因此难以对直径200μm以上的大孔进行开孔，而这种情况下可以通过切换为全反射镜59来进行加工(由于能量成为使用半透明反射镜时的2倍，因此即使简单计算，也能够加工约1.4倍直径的孔)。
另外，即使利用实施例4的结构，在对这样的大直径孔进行开孔时，通过用各激光头Z1及Z2将用第1激光束的加工位置与用第2激光束的加工位置设定为相同位置，也能够进行加工。但是，由于透射的光学零部件增多，因此与本实施例相比，能量损失稍大。
这里还可以考虑一种结构，它是将半透明反射镜50从光路中去掉，使其全透明，来代替切换为全反射的反射镜59。在这种情况下，对于第2激光束的光学系统由于形成的是与半透明反射镜50的折射加在一起的光路，因此必须对因没有半透明反射镜50而导致的光路偏移进行补偿，例如采用插入与半透明反射镜50相同折射率及相同厚度的补偿板的方法等。
由于对第1激光束通过利用有电流计反射镜的以往的光学系统，能够使电流计反射镜靠近fθ透镜，因此能够防止远心误差。对于第2激光束，通过利用第2电流计反射镜系统进行偏转后，利用偏转光束混合器进行透射或反射，入射至第1电流计反射镜系统及fθ透镜，能够与第1激光束一起，同时加工2个地方。
将从1个激光振荡器射出的脉冲激光束利用半透明反射镜一分为二，将该各激光束利用多级光偏转元件进行偏转而且脉冲整形后，使1个偏振光方向旋转90°，形成S偏振光与P偏振光的组合，通过这样能够利用多个激光头进行加工。

Claims (8)

1.一种多束激光开孔加工装置，在利用固定镜将第1激光束进行反射、并利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位以便开孔加工的激光开孔加工装置中，其特征在于，
将所述固定镜作为偏振光束混合器，
将第1激光束作为S偏振光进行反射，
使作为P偏振光的第2激光束利用第2电流计反射系统进行偏转，从所述偏振光束混合器的反面透射，利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位，
通过这样，具有利用第1及第2激光束这两束光束同时对2个地方进行加工的激光头。
2.一种多束激光开孔加工装置，在利用固定镜将第1激光束进行反射、并利用第1电流计反射镜系统及fθ透镜进行聚焦而且定位以便开孔加工的激光开孔加工装置中，其特征在于，
在所述固定镜与第1电流计反射镜系统之间，设置将1个镜作为旋转偏振光束混合器的第2电流计反射镜系统，
使作为S偏振光的第2激光束利用将1个镜作为旋转偏振光束混合器的第2电流计反射镜系统进行偏转后，入射至第1电流计反射镜系统及所述fθ透镜进行聚焦并定位，
通过使第1激光束作为P偏振光，透过所述旋转偏振光束混合器，入射至第1电流计反射镜系统及所述fθ透镜，
具有利用第1及第2激光束这两束光束同时对2个地方进行加工的激光头。
3.一种多束激光开孔加工装置，在利用第1固定镜将第1激光束进行反射、并利用第1电流计反射镜系统和fθ透镜进行聚焦而且定位以便开孔加工的激光开孔加工装置中，其特征在于，
在第1固定镜与第1电流计反射镜系统之间，设置偏振光束混合器，
使第1激光束作为P偏振光透过所述偏振光束混合器，
使作为S偏振光的第2激光束利用第2电流计反射镜系统进行偏转，利用所述偏振光束混合器进行反射，
利用第1电流计反射镜系统及所述fθ透镜进行聚焦而且定位，
通过这样，具有利用第1及第2激光束这两束光束同时对2个地方进行加工的激光头。
4.如权利要求3所述的多束激光开孔加工装置，其特征在于，用第2固定镜使作为S偏振光的第2激光束进行反射，利用使X方向的电流计反射镜驱动轴与第1电流计反射镜系统的X方向的电流计反射镜系统驱动轴一致、而与Y方向的电流计反射镜系统驱动轴垂直的这样构成的第2电流计反射镜系统进行偏转。
5.如权利要求1至4的任一项所述的多束激光开孔加工装置，其特征在于，用半透明反透射镜将1个激光发生器产生的直线偏振光的脉冲激光束一分为二，在该各自的光路中，设置多级光偏转元件，对每个脉冲分支形成多条光路，组合同时刻的脉冲激光束，将1个偏振光方向旋转90°，作为1组的第1及第2脉冲激光束，将其他时刻产生的脉冲形成其他组合，以形成多个脉冲激光束组，将它们分别引向多个激光头。
6.如权利要求5所述的多束激光开孔加工装置，其特征在于，采用在脉冲激光束的光路中设置2级光偏转元件而对每个脉冲分支形成2条光路的光学系统，调整2级光偏转元件的距离，使得利用前级光偏转元件进行偏转的脉冲光束通过后级光偏转元件之中。
7.如权利要求5所述的多束激光开孔加工装置，其特征在于，能够将使脉冲激光束一分为二用的半透明反射镜与全反射的反射镜进行切换。
8.一种多束激光开孔加工装置，其特征在于，采用在脉冲激光束的光路中设置2级光偏转元件而对每个脉冲分支形成2条光路的光学系统，调整2级光偏转元件的距离，使得利用前级光偏转元件进行偏转后的脉冲激光束通过后级光偏转元件之中。
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