KR100413648B1 - 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 방법 및 장치와 공작물들을 결합시키기 위한 방법. - Google Patents

레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 방법 및 장치와 공작물들을 결합시키기 위한 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 커튼 형태의 레이저 빔을 수단으로, 플라스틱이나 다른 물질로 만들어진, 다양한 제품을 결합하거나 분리하기 위한 장치 및 공정에 관련된다. 접촉면의 결합 영역에 제품을 결합하기 위해서, 레이저-불침투성 물질로 만들어진 마스크는 결합될 제품과 레이저원 사이에 배치된다. 레이저 빔과 마스크는 서로에 대해 움직인다. 결합 영역에서 높은 에너지 밀도를 발생시키도록, 적어도 두 개의 다이오드 레이저가 결합된 후에 다른 레이저 라인 길이가 줌 광학 장치에 의해 형성된다. 빔 분할기를 통하여, 마스크의 표면과 직각으로 배열된 제 1 레이저 빔은 제 1 레이저 빔과 직각으로 배열된 적어도 하나의 제 2 레이저 빔에 의해 결합되고, 결국 레이저 빔은 마스크로 향한다. 상이하거나 동일한 파장을 가지지만 다른 극성을 가지는 레이저 빔이 사용된다. 다른 장치에서, 다수의 레이저 빔은 렌즈를 수단으로 결합면으로 서로 평행하게 초점이 모아진다. 본 발명에 따른 방법과 장치는 각 레이저의 출력이 불충분함에도 불구하고 적합한 에너지 밀도를 제공할 뿐만 아니라, 라인 길이를 다양하게 조정할 수 있다.

Description

레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 방법 및 장치와 공작물들을 결합시키기 위한 방법.{A METHOD AND A DEVICE FOR HEATING AT LEAST TWO ELEMENTS BY MEANS OF LASER BEAMS OF HIGH ENERGY DENSITY}
본 발명은 구성요소를 결합하거나 분리하기 위해서, 레이저빔에 의해 적어도 두 개의 구성요소들을 가열하기 위한 방법에 관련된다.
본 발명은, 제조공정에 있는 두 공작물들의 인접한 접촉부가 녹은 후 가압상태에서 냉각되는 동안 서로 결합되도록, 상부의 공작물이 레이저빔을 통과시키는 재료로 제조되고 레이저원을 향하며, 또 다른 공작물이 레이저빔을 흡수하는 재료로 제조되고, 플라스틱 등의 재료로 제조된 공작물들을 결합하기 위한 레이저 결합방법에 관련된다. 접촉부의 특정 결합영역에서 공작물을 결합시키도록 연결될 공작물 및 레이저원사이에 마스크가 배열되고, 상기 마스크구조물의 길이는 형성된 레이저빔의 파장보다 길며, 레이저원은 접촉부를 향해 커튼 형태의 레이저빔을 발생시키고, 한 개의 레이저라인이 접촉부에 형성되며, 레이저빔과 마스크는 서로 상대운동한다. 본 발명은 또한 레이저빔에 의해 두개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 장치에 관련된다.
레이저빔에 의해 공작물들을 가열하기 위한 방법이 계류중인 유럽 특허출원 제 99101816.9호에 설명된다. 미세 구조인 구성요소를 위한 마스크의 결합방법은 연결될 구성부품 및 레이저빔의 고속운동을 요구한다. 요구되는 용융온도에 도달하도록 고에너지밀도를 가진 레이저가 조사되어야 한다. 그러나, 현재 이용할 수 있는 반도체 레이저의 레이저다이오드는 최대 60W 내지 80W의 출력을 가질 수 있다. 레이저다이오드 스택의 출력은 kW의 크기로 제공될 수 있기 때문에, 레이저빔은 알맞은 광학장치에 의해 하나의 라인을 형성할 수 있다. 불필요한 그림자효과를 방지하고, 특히 구조물의 크기가 작은 경우에 레이저빔이 가능한 한 정확하게 투시되도록 레이저빔은 접촉부의 결합영역과 수직으로 배열되어야 한다. 레이저원들이 다이오드스택형태로 배열되기 때문에, 레이저빔은 마스크와 비스듬하게 충돌할 수 있다. 마스크를 이용한 부품들의 결합방법과 관련하여 부정확한 각도는 허용될 수 없다.
예를 들어 (표면 마운트 장치(SMD)와 같은) 반도체 구성부품을 캐리어에 배열하거나 캐리어로부터 분리하기 위해, 유럽특허출원 제 99121031.1호를 참고할 때, 인쇄회로기판에서 와이어링 경로를 가진 상기 구성부품을 레이저빔에 의해 가열하기 위한 방법이 설명된다. 결합되어야 하는 구성부품이 납땜을 사용하지 않고도 가열되거나 납땜에 의해 연결될 수 있다. 상기 유럽특허출원에 따르면, 연결되어야 하는 결합영역이 마스크로부터 제거되고 다음에 레이저빔이 침투할 수 없는 재료로 구성된 마스크가 레이저원 및 구성부품사이에 배열된다. 모든 가열영역은 하나 또는 다수의 레이저빔에 의해 개별적으로 조사되거나 동시에 조사되어, 구성부품의 가열영역이 가열되어 결합되거나 분리된다. 라인형태의 레이저빔이 구성부품과 캐리어에 대해 움직인다. 상기 유럽특허출원에 공개된 레이저 결합방법을 이용하면, 구성부품들이 느리게 가열되고, 소요 에너지밀도가 제공되어야 하는 문제점이 발생된다.
본 발명의 목적은, 금속, 합금, 플라스틱, 세라믹 및 유기 또는 무기 재료를 포함하고, 동일재료 또는 다른 재료로 만들어진 적어도 두 개의 구성요소들을 결합하거나 분리하기 위해 적합한 에너지밀도를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은, 적어도 하나의 공작물들이 플라스틱으로 제조되고, 결합영역을 형성하며, 하나의 평면에 인접한 공작물의 결합영역에서 고형의 연결부를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 목적이 청구범위 제 1항 또는 제 2항의 특징을 가지는 방법에 의해 충족된다. 본 발명의 또 다른 유리한 실시예가 종속항에 제공된다. 또한 본 발명의 목적은 청구범위 제 6항의 특징을 가지는 장치에 의해 충족된다. 장치에 관한 다른 유리한 실시예가 관련 종속항에 제공된다.
결합영역에서 고에너지밀도를 발생시키도록, 적어도 두 개의 다이오드레이저의 레이저빔은 합쳐지고 다음에 서로 다른 길이의 레이저라인이 줌 광학장치에 의해 형성된다. 예를 들어 마스크까지 거리를 변화시킬 수 있도록, 조사방향으로 움직일 수 있는 실린더렌즈가 상기 줌광학장치에 제공된다. 레이저빔과 구성부품사이의 상대운동은 레이저빔을 이동시키고, 예를 들어 운동가능한 편향거울에 의해 제공되거나 x-y 테이블에서 구성부품을 이동시켜 제공된다.
선호되는 실시예에 의하면, 마스크의 표면과 수직으로 배열된 제 1 레이저빔은 제 1 레이저빔과 수직으로 배열된 적어도 하나의 제 2 레이저빔들과 합쳐지고, 각각의 제 2 레이저빔을 위한 빔 분할기를 통하여 합쳐지거나 혼합되고, 합성레이저빔은 마스크를 향한다. 상기 목적을 위해 빔 분할기가 구성되어 제 1 레이저빔을 통과하고, 제1 레이저빔과 수직으로 충돌하는 각각의 제 2 레이저빔이 상기 빔분할기에 의해 반사된다. 유리하게도, 서로 다른 파장을 가진 레이저빔 또는 동일 파장의 서로 다른 편광특성을 가진 레이저빔이 사용된다. 상기 방법 및 각각의 장치에 의해 200W내지 300W의 출력이 구해질 수 있다.
또 다른 실시예에 의하면, 다수의 레이저빔들의 초점이 렌즈에 의해 서로 평행하게 결합영역으로 모아진다. 레이저원은 서로 근접하게(약 1mm의 간격으로) 배열된다. 초점라인의 초점길이가 충분히 길면, 레이저원이 근접하게 배열되어 각도문제가 제거된다. 상기 장치에 의해 200W의 출력이 구해질 수 있다.
상기 방법 및 장치에 의해, 금속, 합금, 플라스틱, 세라믹, 반도체 재료, 유기 또는 무기재료에 플라스틱판, 몰딩부품 또는 포일들이 서로 결합되고, 공작물들이 결합되는 작업주기는 감소되고 품질이 향상된다. 각 레이저의 출력이 불충분함에도 불구하고 적합한 에너지 밀도를 제공할 뿐만 아니라, 라인 길이를 바꾸어줌으로써 구조물에 손상을 입히지 않으면서 정확하게 원하는 영역에 표면이 정밀하게 결합된 공작물을 구성할 수 있다. 본 발명은 다양하게 적용할 수 있다.본 발명이 첨부된 도면을 참고하여 실시예에 의해 자세히 설명된다.
도 1 은 서로 수직으로 배열된 두 개의 레이저원들을 가지는 장치의 개략도.
도 2 는 제 1 레이저원과 직각을 이루고 평행하게 배열된 다수의 레이저원들을 가지며 도 1의 장치에 관한 개략도.
도 3 은 평행하게 배열된 반도체레이저들을 가지는 다른 구조의 레이저원을 나타낸 개략도.*부호설명*1',1",1'",1"" : 레이저원 2 : 레이저빔3 : 마스크 4,5 : 공작물6 : 결합영역 9 : 틈새10 : 빔분할기 12 : 실린더렌즈
도 1의 실시예에 의하면, 마스크(3) 및 레이저빔(2)에 의해 결합영역(6)에서만 용접되는 플라스틱판형태의 공작물(4,5)들이 평면용접되는 장치가 도시된다. 본 발명의 장치에 의해 (캐리어의 표면마운트장치(SMD) 등과 같은 )부품들이 결합되거나 분리될 수 있다. 예를 들어, 직선으로 배열된 한 개 또는 여러 개의 반도체레이저(다이오드레이저)와 같은 레이저원(1')이 상기 장치에 구성되고, 상기 레이저원들로부터 방출된 레이저방사선이 콜리메이터(collimator)렌즈(13')에 의해 시준된다. 커튼형태의 레이저빔(2)이 마스크(3)의 틈새(9)를 수직방향으로 통과하여 상기 공작물(4,5)들사이에 위치한 접촉부(7)의 결합영역(6)내부로 이동하도록 상기 레이저원(1')이 배열된다. 레이저빔이 상기 틈새를 통과하기 전에, 레이저빔(2')이 빔분할기(10)를 통과하고, 상기 빔분할기(10)는 상기 레이저빔(2')에 대해 투과성을 가진다. 상기 레이저빔(2')에 대해 수직으로 배열된 레이저원(1")으로부터 해당 레이저빔(2")이 콜리메이터렌즈(13")에 의해 시준되고, 빔분할기(10)에 도달하며, 상기 레이저빔(2")에 대해 반사특성을 가진 표면(11)에 상기 레이저빔(2")이 충돌하여, 상기 레이저빔(2")은 상기 레이저빔(2')과 합쳐져서, 레이저빔(2)을 형성한다. 상기 레이저빔(2')의 파장은 상기 레이저빔(2")의 파장과 상이하다. 선택적으로 레이저빔(2',2")들이 서로 다른 편광특성의 동일파장을 가질 수 있다. 도 2를 참고할 때, 에너지밀도를 증가시키기 위하여, 여러 개의 레이저빔들이 상기 레이저원(1")과 평행하게 배열되는 한, 상기 레이저빔(2",2'",2"")들은 빔분할기(10',10",10'")와 함께 배열되어야 하며, 파장에 관한 상기 조건들이 동일하게 적용된다.
다음에 레이저빔(2)이 실린더렌즈(12)와 충돌하고, 점선으로 도시된 서로 다른 길이의 레이저라인(8)을 발생시키기 위하여, 상기 실린더렌즈(12)가 레이저빔의 방향으로 운동할 수 있다.
에너지로서 작용하는 레이저라인(8)이 상기 접촉부(7)위에 방출된다. 도 1의 실시예에서, 플라스틱판과 같은 공작물(4)은 레이저방사선을 투과시킬 수 있고, 공작물(5)은 레이저방사선을 흡수할 수 있다. 공작물(4,5) 또는 마스크(3)에 대해 레이저빔(2)이 연속적으로 이동하여, 레이저라인(8)의 바로 아래에서 공작물(4,5)들의 결합영역(6)이 용융상태를 형성하고, 계속해서 상기 결합영역(6)이 냉각된 후에 상기 결합영역은 고형화된다.
도 3의 실시예에 의하면, 여러 개의 레이저원(14',14",14'")들이 서로 평행하게 배열되고, 레이저빔(2',2",2'")들은 각도오차를 제거하기 위해 서로 근접하게 배열된다. 레이저원들의 이격거리는 약 1mm이지만, 각도오차를 제거하기 위해 레이저원의 구성갯수는 상기 레이저빔(2',2",2'")들의 최대두께에 해당하는 갯수로 한정되고, 상기 최대두께는 약 5mm이다. 평행하게 형성되는 레이저빔(2',2")들이 수렴렌즈(15')에 의해 접촉부위에 시준된다.플라스틱판과 같은 공작물(4,5) 또는 레이저빔(2)을 이동시켜 상기 공작물(4,5) 및 레이저빔(2)사이의 상대운동이 형성된다. 예들 들어, 실린더렌즈들 또는 수렴렌즈들의 전방에서 레이저빔의 경로내부로 이동하는 편향거울을 추가로 이용할 수 있다.
플라스틱 판(4,5) 또는 레이저 빔(2)을 움직여 줌으로써 전술한 상대 운동이 일어난다. 이것은 실린더 렌즈나 수렴 렌즈 앞의 빔 경로로 움직일 수 있는 편향 거울을 사용함으로써 달성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 공작물들(4,5)및 레이저원(1',1")사이에 배열되고 레이저빔이 통과할 수 없는 재료로 제조된 마스크(3)를 가지고, 상기 마스크(3)가 틈새(9)를 가지며, 상기 마스크(3)의 하부에 배열된 공작물(4,5)의 결합영역(6)까지 도달하는 레이저빔이 상기 틈새(9)를 통해 제공되고, 상기 결합영역(6)이 레이저빔에 의해 가열되어 상기 공작물(4,5)들이 결합되거나 분리되며, 한 개이상의 레이저빔들과 상기 공작물(4,5)이 서로 상대운동하고, 레이저빔(2)에 의해 두 개이상의 공작물(4,5)들을 선택적으로 가열하기 위한 방법에 있어서,
    고에너지밀도를 발생시키기 위해 두 개이상의 레이저원(1',1",1"',1"")으로부터 제공된 레이저빔(2',2",2"',2"")들이 상기 결합영역(6)내부로 모이고, 서로 다른 길이의 레이저라인(8)이 실린더렌즈(12)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 방법.
  2. 레이저빔(2)을 통과시키는 재료로 구성되고 레이저원(1',1",1"',1"")을 향하는 상부의 공작물(4)을 가지고, 레이저빔(2)을 흡수하는 재료로 구성되는 공작물(5)을 가져서, 상기 두 개의 공작물(4,5)들이 접촉하는 접촉부(7)가 용융된 후에 계속해서 압력을 받으며 냉각되어 공작물들이 결합되며, 접촉부(7)의 결합영역(6)에서 상기 공작물(4,5)들을 결합시키기 위해, 상기 공작물(4,5) 및 레이저원(1',1",1"',1"")사이에 배열되고 레이저빔을 통과시킬 수 없는 재료로 제조된 마스크(3)가 제공되고, 레이저빔(2)의 파장보다 큰 틈새(9)가 상기 마스크(3)에 구성되며, 커튼형태의 레이저빔이 형성되고 레이저라인(8)이 접촉부(7)에 제공되도록 상기 레이저원(1',1",1"',1"")이 상기 접촉부(7)에 대해 배열되고, 레이저빔(2)과 상기 마스크(3)가 서로 상대운동하며, 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물(4,5)들을 결합시키기 위한 방법에 있어서,
    고에너지밀도를 발생시키기 위해 두 개이상의 레이저원(1',1",1"',1"")으로부터 제공된 레이저빔(2',2",2'",2"")들이 상기 결합영역(6)내부로 모이고, 서로 다른 길이의 레이저라인(8)이 실린더렌즈(12)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 결합시키기 위한 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 마스크(3)의 표면과 수직을 이루며 배열된 레이저빔(2')이 빔분할기(10, 10', 10", 10'")들에 의해 상기 레이저빔(2')과 수직으로 배열된 한 개이상의 레이저빔(2",2'",2"")들과 합쳐지고, 상기 레이저빔(2",2'",2"")들을 위한 빔분할기(10, 10', 10", 10'")들에 의해 상기 레이저빔(2') 및 레이저빔(2",2'",2"")들이 합쳐져서 형성된 레이저빔(2)이 결합영역(6)을 향하는 것을 특징으로 하는 두 개이상의 공작물들을 가열하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 서로 다른 파장을 가진 레이저빔 또는 서로 다른 편광특성을 가진 동일한 파장의 레이저빔들이 이용되는 것을 특징으로 하는 두 개이상의 공작물들을 가열하기 위한 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 서로 평행하게 배열된 레이저빔(2',2",2'")들의 초점이 수렴렌즈(15')에 의해 결합영역(6)위로 모아지는 것을 특징으로 하는 두 개이상의 공작물들을 가열하기 위한 방법.
  6. 공작물들(4,5) 및 레이저원(1',1")사이에 배열되고 레이저빔이 통과할 수 없는 재료로 제조된 마스크(3)를 가지고, 상기 마스크(3)가 틈새(9)를 가지며, 상기 틈새(9)를 통해 상기 마스크(3)의 하부에 배열된 공작물(4,5)의 결합영역(6)까지 도달하는 레이저빔이 제공되고, 상기 결합영역(6)이 레이저빔에 의해 가열되어 상기 공작물(4,5)들이 결합되거나 분리되며, 한 개이상의 레이저빔들과 상기 공작물(4,5)이 서로 상대운동하고, 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물(4,5)들을 선택적으로 가열하기 위한 장치에 있어서,
    상기 공작물(4,5)들사이에 구성된 접촉부(7)위에 고에너지밀도를 발생시키는 두 개이상의 레이저원(1',1",1"',1"")들이 제공되고, 상기 레이저원으로부터 발생한 레이저빔(2',2",2'",2"")들을 집중시키는 레이저빔의 집중장치 및 상기 집중장치와 근접하게 배열되고 서로 다른 길이의 레이저라인을 발생시키는 실린더렌즈(12)가 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 마스크(3)의 표면에 대해 수직으로 상기 레이저원(1')이 레이저빔(2')을 발생시키고, 상기 레이저원(1')과 수직으로 배열된 또 다른 레이저원(1",1'",1"")이 레이저빔(2",2'",2"")을 발생시키며, 상기 레이저빔(2",2'",2"")이 레이저빔(2')과 수직으로 충돌하고, 상기 집중장치로서 빔분할기(10,10',10",10")가 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 레이저원(1',1",1'",1"")들이 서로 다른 파장을 가진 레이저빔 또는 서로 다른 편광특성을 가진 동일파장의 레이저빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 여러 개의 레이저원(14',14",14'")들이 서로 평행하게 배열되며, 서로 다른 길이의 레이저라인을 발생시키고 레이저빔을 집중시키는 장치로서 수렴렌즈(15')가 레이저빔의 경로에 배열되며, 상기 수렴렌즈(15')에 의해 레이저빔(2',2")들이 접촉부(7)에 집중되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의해 두 개이상의 공작물들을 선택적으로 가열하기 위한 장치.
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