CN210967521U

CN210967521U - 超快激光pcb钻孔的装备

Info

Publication number: CN210967521U
Application number: CN201920966195.3U
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 何乐
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2029-06-25

Abstract

本实用新型涉及超快激光PCB钻孔的装备，激光器输出光路上依次布置有光束整形系统和光束快速偏转装置，光束快速偏转装置的输出光路上布置第一分光镜，第一分光镜的透射光路上布置有反射镜组，反射镜组的反射光路上布置第二分光镜，第二分光镜透射光路上布置振镜扫描聚焦系统，振镜扫描聚焦系统的输出端正对于加工平台上的加工工件；第一分光镜反射光路上布置有功率计，第二分光镜反射光路上布置PSD聚焦透镜和位置传感器；功率计和位置传感器与控制器通讯连接，控制器与激光器、光束快速偏转装置、振镜扫描聚焦系统和加工平台控制连接。功率计实时检测激光功率，对激光功率闭环控制；位置传感器实时检测激光偏转位置，对激光位置闭环控制。

Description

超快激光PCB钻孔的装备

技术领域

本实用新型涉及一种超快激光PCB钻孔的装备。

背景技术

印刷电路板(PCB)是承载电子元器件并连接电路的桥梁，作为“电子产品之母”，广泛应用于通讯电子、消费电子、计算机、汽车电子、工业控制、医疗器械、国防及航空航天等领域，是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件。PCB产业的发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区电子信息产业的发展速度与技术水准。在当前云技术、5G网络建设、大数据、人工智能、共享经济、工业4.0、物联网等加速演变的大环境下， PCB行业将成为整个电子产业链中承上启下的基础力量。近年来，受全球主要电子行业领域如个人电脑、智能手机增速放缓，叠加库存调整等因素影响，PCB产业出现短暂调整，在经历了2015年、2016年的连续小幅下滑后，2017年全球PCB产值恢复增长态势。未来5年全球PCB市场将保持温和增长，物联网、汽车电子、工业4.0、云端服务器、存储设备等将成为驱动PCB需求增长的新方向。

在PCB中，互连孔主要有通孔、埋孔、盲孔三类。互连孔的加工方法主要有机械钻孔和激光钻孔。

当前，PCB钻孔方法主要有机械钻孔和激光钻孔。

机械钻孔通常使用数控机床进行钻孔，即机床在电脑的控制下按照事先设计好的程序钻孔。机械钻孔适合加工孔径大于200μm的通孔。当孔径减小到200μm以下时，钻头的制作成本大大增加并且容易折断，带来成本问题和成孔的质量问题。此外，由于机械钻孔在精度控制上较差，不容易控制钻孔的深度，因此机械钻孔不适于制作印刷电路板中的盲孔。

激光钻孔通常使用CO₂激光和紫外激光。

CO₂激光钻孔的原理是采用光热烧蚀的方式。CO₂激光器发射出红外激光，照射到印刷电路板的基材上，产生大量热量，被照射的基材由于导热系数低，温度急剧上升，达到印刷电路板基材的熔点，基材被融化后迅速蒸发，从而形成孔。采用CO₂激光钻孔的会在孔壁上留下黑色的烧焦痕迹，影响后续孔的金属化的质量，因此采用CO₂激光钻孔形成的孔在金属化之前需要清洗干净。CO₂激光属于红外激光，激光波长较长，能量低，当碰到熔点较高和导热系数较高的印刷电路板基材时，加工困难。由于铜的熔点高，导热系数高，当CO₂激光照射到铜表面，其热量会被传导到其他地方，热量散失快，照射点的温度达不到铜的熔点，因此CO₂激光不能直接钻穿铜面。使用CO₂激光钻孔，一般先在需要钻孔处使用化学方法蚀刻掉铜层，然后采用CO₂激光烧蚀绝缘基材。因此CO₂激光适合于钻盲孔。采用CO₂激光加工的孔径一般在75μm～150μm。

另一种用于印刷电路板钻孔的激光是紫外激光。紫外激光波长短，能量高，在钻孔时，能量能够达到分子间化学键的键能，紫外激光在照射到基材表面时可直接打断分子键，从而达到切割基材的目的。紫外激光可以直接加工铜箔，因此可以采用紫外激光直接在印刷电路板上钻孔，通过控制紫外激光的能量可以方便地加工通孔和盲孔。紫外激光加工的孔径可以达到50μm，甚至更小。此外，由于紫外激光是直接打断化学键成孔的，孔内残渣较少。

紫外激光按照脉冲脉宽的不同，可以分为纳秒紫外激光、皮秒紫外激光、飞秒紫外激光等。目前主流的PCB激光微孔钻孔设备使用的是纳秒紫外激光。纳秒激光由于脉冲持续时间较长，仍然有一定的热效应，容易使PCB基材碳化，残留在孔壁上，影响加工的质量。

随着PCB技术的发展，PCB的互连孔孔径更小、密度更高、精度更高，同时对于互连孔的加工质量要求更高。由于振镜的机械惯性，在加工孔径50μm以下的孔时，加工速度受到很大影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种超快激光 PCB钻孔的装备。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

超快激光PCB钻孔的装备，特点是：激光器的输出光路上依次布置有光束整形系统和光束快速偏转装置，光束快速偏转装置的输出光路上布置第一分光镜，第一分光镜的透射光路上布置有反射镜组，反射镜组的反射光路上布置第二分光镜，第二分光镜透射光路上布置振镜扫描聚焦系统，振镜扫描聚焦系统的输出端正对于加工平台上的加工工件；第一分光镜的反射光路上布置有功率计，第二分光镜的反射光路上依次布置PSD聚焦透镜和位置传感器；功率计和位置传感器与控制器通讯连接，控制器与激光器、光束快速偏转装置、振镜扫描聚焦系统和加工平台控制连接，功率计实时检测激光功率，并将信号反馈至控制器，对激光功率闭环控制，位置传感器实时检测激光偏转位置，并将信号反馈至控制器，对激光位置闭环控制。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述激光器为皮秒紫外激光器或者飞秒紫外激光器。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述皮秒紫外激光器是波长200nm～400nm、重复频率1kHz～10MHz、功率1W～100W、脉宽1ps～500ps的皮秒紫外激光器。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述飞秒激光器是中心波长200nm～400nm或515nm～550nm或1030nm～1080nm、重复频率1kHz～10MHz、功率1W～100W、脉宽10fs～1000fs的飞秒激光器。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述光束整形系统为衍射光学元件或者空间光调制器。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述光束快速偏转装置为声光偏转器、电光偏转器或者压电陶瓷偏转镜。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，所述振镜扫描聚焦系统包括振镜扫描模块和f-θ聚焦镜，振镜扫描模块位于f-θ聚焦镜之上。

进一步地，上述的超快激光PCB钻孔的装备，其中，加工平台上加工工件与振镜扫描聚焦系统之间安装一吸尘装置，振镜扫描聚焦系统一侧安装有视觉定位系统。

本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本实用新型采用皮秒紫外激光或者飞秒激光，皮秒激光和飞秒激光脉冲持续时间更短，热效应更小，不容易使PCB基材碳化残留，加工质量高；

②光束整形系统通过光束的相位和强度调制，将高斯光束整形为平顶光束；

③采用光束快速偏转装置改变光束的传播方向，使聚焦光斑在工件上沿着特定的轨迹运动，从而钻出所要求的孔；光束快速偏转装置进行光束的快速偏转，提供小幅度快速的光束偏转功能，与现有的振镜形成互补，有效地提高钻微孔(孔径小于50μm)时的加工效率；

④由第一分光镜从光路中分出一部分光，射入功率计中，功率计实时监控激光功率，并将监控信息实时反馈至与激光器、光束快速偏转装置控制连接的控制器，进而对激光功率闭环控制；这样可以保证激光功率的稳定，从而更好地控制钻孔的深度，提高钻孔的质量和稳定性；

⑤第二分光镜从光路中分出一部分光，通过PSD聚焦透镜射入至位置传感器上，位置传感器实时监控光束快速偏转装置偏转所对应的光斑位置，并将监控信息实时反馈到与光束快速偏转装置、振镜扫描聚焦系统、加工平台控制连接的控制器中，对激光位置闭环控制；这样可以保证激光光斑位置的准确性，提高加工的定位精度、钻孔的真圆度等指标；

⑥适用于PCB钻孔，钻孔方式包括冲孔和非冲孔法，非冲孔法包含环切法、螺旋法、同心圆加工法等。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型具体实施方式了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明的光路结构示意图；

图2：高斯光束通过光束整形系统整形为平顶光束的示意图；

图3a：环切法的光斑加工轨迹示意图；

图3b：螺旋法的光斑加工轨迹示意图；

图3c：同心圆法的光斑加工轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，超快激光PCB钻孔的装备，包含：

激光器10，输出激光光束，提供工件材料去除的能量；

光束整形系统20，将高斯光束整形为平顶(flat-top)光束；

光束快速偏转装置30，将激光聚焦光斑在微小曲率半径曲线上快速移动；

振镜扫描聚焦系统50，将激光聚焦光斑于工件上移动；

二维运动的加工平台70，带动其所吸附的加工工件(PCB板)60平移；

超快激光PCB钻孔的装备，激光器10的输出光路上依次布置有光束整形系统20和光束快速偏转装置30，光束快速偏转装置30的输出光路上布置第一分光镜81，第一分光镜81的透射光路上布置有反射镜组，反射镜组包含依光路布置的第一反射镜41和第二反射镜42，反射镜组的反射光路上布置第二分光镜82，第二分光镜82透射光路上布置振镜扫描聚焦系统50，振镜扫描聚焦系统50的输出端正对于加工平台70上的加工工件 60；第一分光镜81的反射光路上布置有功率计90，第二分光镜82的反射光路上依次布置PSD聚焦透镜101和位置传感器102；功率计90和位置传感器102与控制器通讯连接，控制器与激光器10、光束快速偏转装置 30、振镜扫描聚焦系统50和加工平台70控制连接，功率计90实时检测激光功率，并将信号反馈至控制器中，对激光功率闭环控制，位置传感器 102实时检测激光偏转位置，并将信号反馈至控制器中，对激光位置闭环控制。

激光器10采用皮秒紫外激光或者飞秒激光，皮秒激光和飞秒激光脉冲持续时间更短，热效应更小，不容易使PCB基材碳化残留，加工质量高。皮秒紫外激光器是波长200nm～400nm、重复频率1kHz～10MHz、功率 1W～100W、脉宽1ps～500ps的皮秒紫外激光器；飞秒激光器是中心波长 200nm～400nm或515nm～550nm或1030nm～1080nm、重复频率1kHz～10MHz、功率1W～100W、脉宽10fs～1000fs的飞秒激光器。

在光路中采用光束快速偏转装置30改变光束的传播方向，使聚焦光斑在工件上沿着特定的轨迹运动，从而钻出所要求的孔。光束快速偏转装置进行光束的快速偏转，光束快速偏转装置30采用声光偏转器(AOD)、电光偏转器(EOD)或者压电陶瓷偏转镜。

光束整形系统20为衍射光学元件或者空间光调制器。

振镜扫描聚焦系统50包括振镜扫描模块51和f-θ聚焦镜52，振镜扫描模块51位于f-θ聚焦镜52之上。

加工平台70上加工工件与振镜扫描聚焦系统50之间安装一吸尘装置，振镜扫描聚焦系统50一侧安装有视觉定位系统，视觉定位系统包括 CCD相机、影像镜头、照明光源，在钻孔过程中，振镜扫描聚焦系统50 与视觉定位系统保持相对位置不变。

具体应用时，激光器10输出高斯光束，入射至光束整形系统20，光束整形系统20将高斯光束整形为平顶光束后射入光束快速偏转装置30，光束快速偏转装置30快速改变光束指向，偏转后的光束以45°入射角通过第一分光镜81，少部分光束由第一分光镜81反射进入功率计90，由功率计90实时检测激光功率，光束经第一分光镜81透射后以45°入射角分别由第一反射镜41和第二反射镜42反射，再以45°入射角通过第二分光镜82，少部分光束由第二分光镜82反射后通过PSD聚焦透镜101聚焦在位置传感器102上，由位置传感器102实时检测光束快速偏转装置偏转的角度，光束经第二分光镜82透射后射入振镜扫描聚焦系统50，振镜扫描聚焦系统50的振镜扫描模块51对光束进行偏转后射入f-θ聚焦镜52，f-θ聚焦镜52将平顶光束聚焦为加工光斑，对放置于加工平台70上加工工件 60进行钻孔加工。

第一分光镜81从光路中分出一部分光，射入功率计90中，功率计90 实时监控激光功率，并将监控信息实时反馈至与激光器10、光束快速偏转装置30控制连接的控制器，进而对激光功率闭环控制；这样可以保证激光功率的稳定，从而更好地控制钻孔的深度，提高钻孔的质量和稳定性；

第二分光镜82从光路中分出一部分光，通过PSD聚焦透镜101射入至位置传感器102上，位置传感器102实时监控光束快速偏转装置偏转所对应的光斑位置，并将监控信息实时反馈到与光束快速偏转装置30、振镜扫描聚焦系统50、加工平台70控制连接的控制器中，对激光位置闭环控制；这样可以保证激光光斑位置的准确性，提高加工的定位精度、钻孔的真圆度等指标。

吸尘装置将钻孔加工过程中产生的粉尘及废气吸走排出。

视觉定位系统由CCD相机、影像镜头、照明光源组成，通过视觉定位系统对加工工件(PCB板)60进行定位，获得PCB板的位置坐标信息，并将位置坐标信息传输给控制器，控制器根据位置信息控制振镜扫描模块 51、加工平台70和光束快速偏转装置30进行高精度、高速度的扫描，保证加工的精度。

高斯分布的激光经过聚焦镜聚焦后的光斑也是高斯分布，高斯光斑的中心和边缘光强相差较大，容易造成边缘绝缘材料去除不尽，或者光斑中心造成下层铜箔损伤过大；平顶(flat-top)光束光强分布均匀，可以更好地控制盲孔的深度，提高钻孔的质量。高斯光束通过光束整形系统20整形为平顶光束，如图2所示。光束整形系统30通过光束的相位和强度调制，可以将高斯光束整形为平顶光束。光束整形系统30可以是衍射光学元件(DOE)，也可以是空间光调制器(Space Light Modulator,SLM)。

衍射光学元件(DOE)，是基于光波的衍射理论，在基片上(或光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构，形成同轴或离轴再现、且具有极高衍射效率的一类衍射型光学元件。纯相位型DOE，一般做成多相位阶数的浮雕结构，具有高衍射效率，衍射效率一般大于90％；利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近100％的衍射效率。

空间光调制器(SLM)是一类能将电子或光学信息转化成一维或二维的光学信息，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。一般地，SLM调制器由许多独立单元组成，在空间上排成二维阵列结构，每个单元独立接受光学信号或者电学信号的控制，改变空间上接收到光的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。

按照光斑在加工工件(PCB板)60上的移动轨迹，加工方法可以分为冲孔法和非冲孔法，非冲孔法包括环切法(trepanning)(如图3a)、螺旋法 (spiraling)(如图3b)、同心圆加工法(concentric circle processing)(如图 3c)等方法。冲孔是使用激光单脉冲直接打孔，孔径较小；环切法是激光聚焦光斑的轨迹为沿着孔边缘的圆，如图3a所示环切法的光斑加工轨迹；螺旋线钻孔是激光聚焦光斑的轨迹为从圆心直到孔边缘的螺旋线，如图3b 所示螺旋法的光斑加工轨迹；同心圆加工法是加工轨迹为一系列同心圆，如图3c所示同心圆法的光斑加工轨迹，直到孔径符合要求。以上几种加工方式中，冲孔和环切法主要用于通孔的加工，螺旋法、同心圆法既可以加工通孔，也可以加工盲孔。

在光路中设置光束快速偏转装置，提供小幅度快速的光束偏转功能，与现有的振镜形成互补，有效地提高钻微孔(孔径小于50μm)时的加工效率。

本实用新型适用于PCB钻孔加工，PCB板包括PCB硬板、柔性电路板(FPC)与软硬结合PCB板，FPC的基板包括但不限于以LCP(液晶聚合物)、PI(聚酰亚胺)、MPI(改性聚酰亚胺)、FR4等材料为基材的柔性覆铜板。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims

1.超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：激光器的输出光路上依次布置有光束整形系统和光束快速偏转装置，光束快速偏转装置的输出光路上布置第一分光镜，第一分光镜的透射光路上布置有反射镜组，反射镜组的反射光路上布置第二分光镜，第二分光镜透射光路上布置振镜扫描聚焦系统，振镜扫描聚焦系统的输出端正对于加工平台上的加工工件；第一分光镜的反射光路上布置有功率计，第二分光镜的反射光路上依次布置PSD聚焦透镜和位置传感器；功率计和位置传感器与控制器通讯连接，控制器与激光器、光束快速偏转装置、振镜扫描聚焦系统和加工平台控制连接。

2.根据权利要求1所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述激光器为皮秒紫外激光器或者飞秒紫外激光器。

3.根据权利要求2所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述皮秒紫外激光器是波长200nm～400nm、重复频率1kHz～10MHz、功率1W～100W、脉宽1ps～500ps的皮秒紫外激光器。

4.根据权利要求2所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述飞秒紫外激光器是中心波长200nm～400nm或515nm～550nm或1030nm～1080nm、重复频率1kHz～10MHz、功率1W～100W、脉宽10fs～1000fs的飞秒激光器。

5.根据权利要求1所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述光束整形系统为衍射光学元件或者空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述光束快速偏转装置为声光偏转器、电光偏转器或者压电陶瓷偏转镜。

7.根据权利要求1所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：所述振镜扫描聚焦系统包括振镜扫描模块和f-θ聚焦镜，振镜扫描模块位于f-θ聚焦镜之上。

8.根据权利要求1所述的超快激光PCB钻孔的装备，其特征在于：加工平台上加工工件与振镜扫描聚焦系统之间安装一吸尘装置，振镜扫描聚焦系统一侧安装有视觉定位系统。