KR20010062329A - 고 에너지 밀도의 레이저 빔에 의해 두 개 이상의 구성요소를 가열하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

고 에너지 밀도의 레이저 빔에 의해 두 개 이상의 구성요소를 가열하기 위한 장치 및 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

고 에너지 밀도의 레이저 빔에 의해 두 개 이상의 구성 요소를 가열하기 위한 장치 및 방법{A METHOD AND A DEVICE FOR HEATING AT LEAST TWO ELEMENTS BY MEANS OF LASER BEAMS OF HIGH ENERGY DENSITY}
본 발명은 구성 요소를 결합하거나 분리하기 위해서, 레이저 빔에 의해 적어도 두 개의 구성 요소를 가열하기 위한 방법에 관련된다.
본 발명은, 제조 공정에 있는 두 제품의 인접한 접촉면이 녹아서 가압하에 냉각하는 동안 서로 연결되도록, 위쪽 제품은 레이저 빔이 통과하는 재료로 이루어진 레이저원을 향하고, 제 2 제품은 레이저 빔을 흡수하는 재료로 이루어진, 플라스틱 및 다른 재료로 만들어진 여러 제품을 결합하기 위한 레이저 결합 방법에 관련된다; 마스크는 접촉면의 특정 결합 영역에서 제품을 연결하도록 연결될 제품과 레이저원 사이에 배치되고, 상기 마스크 구조물은 적용된 레이저 빔의 파장보다 길며, 레이저원은 접촉면을 향하여서 커튼 형태의 레이저 빔이 형성되고 한 라인이 접촉면에서 생기며, 레이저 빔과 마스크는 서로에 대해 움직인다. 본 발명은 이 방법을 실시하기 위한 장치에 관련된다.
이 방법은 계류중인 유럽 특허 출원 99101816.9에서 설명된다. 미세 구조인 구성 요소를 위한 마스크를 결합하기 위한 방법은 연결될 구성 성분과 레이저 빔의 고속 운동을 필요로 한다. 필요한 용융 온도를 달성하기 위해서, 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저 조사가 요구된다. 그러나, 현재 활용할 수 있는 반도체 레이저의 레이저 다이오드만 최대 60-80W의 출력을 달성할 수 있다. 다이오드 스택이 있는데 이 출력은 kW 범위 내에 있고, 레이저 빔은 알맞은 광학 장치에 의해 하나의 라인을 형성할 수 있다. 유리하게도 레이저 빔은 불필요한 그림자 효과를 방지하고, 특히 작은 구조물인 경우에 가능한 한 정확하게 투영하도록 접촉면의 결합 영역과 직각을 이루도록 향한다. 다이오드 스택 형태의 레이저 구조 때문에, 레이저 빔은 비스듬하게 마스크에 부딪친다. 부정확성 때문에, 이 각도는 마스크 결합 방법에 대해 수용할 수 없다.
예를 들어 표면 마운트 장치(SMD) 반도체 구성 성분을 캐리어에 배치하기 위해서, 출원중인 유럽 특허 출원 99121031.1은 프린트 회로 기판에서 와이어링 경로를 가지는 레이저 빔에 의해 상기 구성 성분을 가열하기 위한 방법에 대해 기술한다. 납땜을 사용하지 않으면서 결합될 구성 성분을 각각 가열함으로써 또는 납땜에 의해 연결될 수 있다. 이 방법에 따르면, 레이저 빔이 침투하지 않는 재료로 이루어진 마스크는 레이저원과 구성 성분 사이에 배치되고, 연결될 영역은 마스크에서 제거된다. 모든 가열 영역은 하나 또는 다수의 레이저 빔에 의해 개별적으로 또는 동시에 조사되어서, 구성 성분의 가열 영역은 가열되고 결합되거나 분리된다. 라인 형태의 레이저 빔이 선택될 수 있는데 이것은 구성 성분과 캐리어에 대해 움직인다. 이 방법에 따라 전술한 레이저 결합 방법보다 느리게 구성성분을 가열할 수 있는데, 요구되는 에너지 밀도를 제공하면 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 금속, 합금, 플라스틱, 세라믹 및 유기 또는 무기 물질을 포함한, 동일한 물질 또는 다른 물질로 만들어진 적어도 두 개의 구성 요소를 결합하거나 분리하기 위해 적절히 가열하기 위해서 알맞은 에너지 밀도를 부여할 수 있도록 하는 것이다. 특히 본 발명의 목적은, 적어도 하나의 물체는 플라스틱으로 만들어지고, 결합 영역이 뚜렷한, 하나의 평면에서 인접한 물체의 결합 영역에서 고질 조인트를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 전술한 목적은 청구항 1항 또는 2항의 특징을 가지는 방법에 의해 충족된다. 이 방법의 다른 유리한 실시예는 종속항에 포함된다. 또, 이 목적은 청구항 6항의 특징을 가지는 장치에 의해 충족된다. 또다른 유리한 장치의 실시예는 관련된 종속항에서 규정된다.
따라서, 결합 영역에서 높은 에너지 밀도를 발생시키도록, 적어도 두 개의다이오드 레이저의 레이저 빔은 결합되고 그 후에 다른 레이저 선 길이는 줌 관학 장치에 의해 발생된다. 이것은 예를 들어 마스크까지 거리를 바꿀 수 있도록, 조사 방향으로 움직일 수 있는 실린더 렌즈를 포함한다. 레이저 빔과 구성 성분 사이의 상대 운동은 레이저 빔을 움직여줌으로써, 예를 들어 가동성 편향 거울에 의해 또는 x-y 테이블에서 구성 성분을 움직여줌으로써 달성된다.
선호되는 실시예에 의하면, 마스크 표면과 직각으로 정렬된 제 1 레이저 빔은 제 1 레이저 빔과 직각으로 배치된 적어도 하나의 제 2 레이저 빔에 의해 결합되고, 각각의 제 2 레이저 빔을 위한 빔 분할기를 통하여 결합되거나 혼합되고, 합성 레이저 빔은 마스크로 향한다. 이러한 취지로 뚜렷한 빔 분할기가 사용되는데 이것은 하나의 레이저 빔을 통과하고 제 1 레이저 빔에서 수직으로 부딪치는 각각의 제 2 레이저 빔을 반사한다. 유리하게도, 다른 파장 또는 동일한 파장을 가지지만 다른 극성을 가지는 레이저 빔이 사용된다. 이 방법과 각각의 장치로, 200-300W의 성능이 달성될 수 있다.
다른 선호되는 실시예에 의하면, 다수의 레이저 빔은 렌즈를 수단으로 서로 평행하게 결합면에 초점이 모아진다. 레이저원은 서로 근접하여(약 1mm의 간격) 배치된다. 이런 구조는, 초점 라인의 초점 길이가 충분히 길다면 각도 문제를 제한할 수도 있다. 이런 장치에서, 200W의 출력이 달성될 수 있다.
전술한 방법과 장치에 의해, 금속, 합금, 플라스틱, 세라믹, 반도체 재료, 유기 또는 무기 물질에 플라스틱 판, 몰딩된 부분 또는 박을 함께 결합할 수 있고, 이런 결합은 짧은 주기로 일어나고 높은 질을 제공한다; 각 레이저의 출력이 불충분함에도 불구하고 적합한 에너지 밀도를 제공할 뿐만 아니라, 라인 길이를 바꾸어줌으로써 구조물에 손상을 입히지 않으면서 정확하게 원하는 영역에 정밀-구조된 공작물을 표면-결합할 수 있다. 이런 식으로 다양하게 적용할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로 실시예에 의해 자세히 설명된다:
도 1 은 서로 수직으로 배치된 두 개의 레이저원을 가지는 장치의 개략도;
도 2 는 제 1 레이저원과 직각을 이루는 다수의 평행 레이저원을 가지는 도 1에 나타낸 장치의 개략도; 및
도 3 은 평행 반도체 레이저를 가지는 다른 구조의 레이저원을 나타낸 개략도.
도 1은 레이저 빔(2)과 마스크(3)를 수단으로 특정 결합 영역(6)에서만 용접되는 플라스틱 판(4,5)의 평면 용접을 위한 장치의 예를 보여준다. 따라서, 이 장치는 구성 성분(캐리어 상의 SMD 등)을 결합하거나 분리하기 위해 형성될 수도 있다. 이 장치는 선으로 배치된, 하나 또는 다수의 반도체 레이저(다이오드 레이저)와 같은 제 1 레이저원(1')을 포함하고, 반도체 레이저로부터 발광된 레이저 방사선은 콜리메이터(collimator) 렌즈(13')에 의해 직접 시준된다. 빔 커텐 방식으로 레이저 빔(2)은 마스크(3)의 구멍(9)을 통하여 두 플라스틱 판(4,5) 사이의 접촉부(7)의 결합부(6) 안으로 도달하도록 레이저원(1')은 배치된다. 그 전에, 레이저 빔(2')은 빔 분할기(10)를 통과하는데 이 빔 분할기는 레이저 빔(2')이 통과한다. 제 1 레이저 빔(2')에 대해 수직으로 배치된 레이저원(1")으로부터, 콜리메이터 렌즈(13")를 수단으로 시준된 대응하는 레이저 빔(2")은 빔 분할기(10)로 통과하는데 여기에서 이것은 레이저 빔(2")을 반사하는 표면(11)에 충돌하여서, 다른 레이저 빔(2')과 결합하여서 레이저 빔(2)을 형성한다. 레이저 빔(2')의 파장은 레이저 빔(2")의 파장과 상이하다. 다른 예에서, 레이저 빔(2',2")의 파장은 동일하지만 극성이 다르다. 여러 레이저 빔이 에너지 밀도를 높이도록 레이저원(1")과 평행하게 배치되는 한, 상기 레이저 빔은 도 2에 개략적으로 나타낸 것처럼 빔 분할기(10'-10'")와 함께 배치된다. 그에 따라서 파장 또는 극성을 위한 조건이 적용된다.
그 후에 레이저 빔(2)은 다른 라인 강도를 생성하도록, 조사 방향으로 움직일 수 있는 실린더 렌즈(12)에 충돌한다. 라인 길이는 점선으로 나타나 있다.
에너지 면에서 효과적인 레이저 라인(8)은 접촉면(7)으로 빛이 방사된다. 본원 방법에 요구되는 것처럼, 플라스틱 판(5)이 흡수성이 있는 한, 플라스틱 판(4)은 레이저 방사선을 전달할 수 있도록 형성된다. 상기 레이저 빔(2)은 마스크(3)나 플라스틱 판(4,5)에 대해 연속적으로 움직여서, 레이저 라인(8) 바로 아래의 결합면(6)에서 플라스틱 판(4,5)은 용융된 상태로 되고 냉각한 후에 응고된다.
도 3은 서로에 대해 평행하게 배치된, 다수의 레이저원(14'-14'")을 포함하는 실시예를 개략적으로 나타내는데, 발생된 레이저 빔(2'-2'")은 가능한 모든 각도 오류를 막기 위해서 서로 인접하여 배치된다. 레이저원의 간격은 약 1mm이지만, 각도 오류를 피하기 위해서 사용된 레이저원의 개수는 약 5mm의 평행 빔(2'-2'")의 최대 두께로 제한된다. 평행 광선(2'-2")은 수렴 렌즈(15')를 수단으로 접촉면(7)으로 시준된다.
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. 마스크(3)는 방사선 소오스(1)와 물질(4,5) 사이에 배치된 방사선이 통과할 수 없는 물질로 만들어지고, 영역(9)은 마스크(3)에서 옮겨지며, 레이저 방사선은 상기 영역(9)을 통하여 마스크(5) 아래에 배치된 물질(4,5)로 이루어진 선택된 가열 영역(6)으로 보내지고, 모든 가열 영역(6)은 조사에 의해 가열되어서, 물질(4,5)을 결합하거나 분리하며, 하나 또는 다수의 레이저 빔과 물질(4,5) 사이에서 상대 운동이 일어나는, 레이저 빔(2)을 수단으로 둘 이상의 물질(4,5)을 선택적으로 가열하기 위한 방법에 있어서, 높은 에너지 밀도를 발생시키기 위해, 둘 이상의 다이오드 레이저(1'-1"")로부터 레이저 빔은 가열 영역(6)으로 향하고 다른 레이저 라인 길이(8)는 줌 광학(12)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 레이저원(1)을 향한 위쪽 제품(4)은 레이저 빔(2)이 통과하는 재료를 포함하고, 제 2 제품(5)은 레이저 빔(2)을 흡수하는 재료를 포함하여서 두 제품(4,5)의 인접한 접촉면(7)은 가압하에 냉각하는 동안 녹아서 연결되며; 레이저 불침투성 재료로 만들어진 마스크(3)는 연결면(7)의 결합 영역(6)에서 제품을 연결하도록 연결될 제품(4,5)과 레이저원(1) 사이에 배치되고, 상기 마스크의 구조물(9)은 적용되는 레이저 빔(2)의 파장보다 길며, 커텐 형태의 레이저 빔이 형성되고 라인(8)이 접촉면에서 발생하도록 레이저원(1)은 접촉면(7)에 설정되고, 레이저 빔(2)과 마스크(3)는 서로에 대해 움직이는, 플라스틱 및 다른 물질로 만들어진 여러 제품(4,5)을 결합하기 위한 방법에 있어서, 결합면(6)에서 높은 에너지 밀도를 발생시키기 위해, 둘 이상의 다이오드 레이저(1'-1"")의 레이저 빔이 함께 결합되고, 그 후에 줌 광학 장치(12)에 의해 다른 레이저 라인 길이(8)가 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 마스크(3)의 표면과 직각으로 배치된 제 1 레이저 빔(2')은 제 1 레이저 빔과 직각으로 배치된 하나 이상의 제 2 레이저 빔(2'-2"")에 의해 결합되고, 각각의 제 2 레이저 빔을 위해 빔 분할기(10-10'")를 통하여 결합 및 혼합되고, 합성 레이저 빔(2)은 결합 영역(6)으로 향하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 다른 파장 또는 동일한 파장을 가지지만 다른 극성을 가지는 레이저 빔이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 또는 2항에 있어서, 다수의 레이저 빔(2'-2'")은 렌즈(15)에 의해 결합면(6)으로 서로 평행하게 초점이 모아지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 마스크(3)는 방사선 소오스(1)와 물질(4,5) 사이에 배치된 방사선이 침투할 수 없는 물질로 만들어지고, 영역(9)은 상기 마스크(3)에서 옮겨지며, 레이저 방사선은 상기 영역(9)을 통하여 마스크(5) 아래에 배치된 물질(4,5)의 선택된 가열 영역(6)으로 통과하고, 모든 가열 영역(6)은 방사선에 의해 가열되어서, 물질(4,5)을 결합하고 분리하며, 하나 또는 다수의 레이저 빔과 물질(4,5) 사이에서 상대 운동이 일어나는, 레이저 빔(2)에 의해 둘 이상의 물질(4,5)을 선택적으로 가열하기 위한 장치에 있어서, 다른 레이저 라인 길이를 생성하기 위한 인접한 줌 광학 장치(12)뿐만 아니라, 레이저 빔을 결합하기 위해 레이저 빔 집중 장치의 접촉면(7)에서 높은 에너지 밀도를 발생시키기 위한 둘 이상의 다이오드 레이저(1'-1"")를 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 레이저 빔 집중 장치로서 빔 분할기(10-10'")뿐만 아니라, 제 1 레이저 빔에 수직으로 충돌하는 레이저 빔(2"-2"")을 발생시키는 제 1 다이오드 레이저(1')와 직각을 이루는 하나 이상의 다이오드 레이저(1"-1""), 마스크(3)의 표면과 직각으로 레이저 빔(2')을 발생시키는 제 1 다이오드 레이저(1')를 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 다이오드 레이저(1'-1"")는 상이하거나 동일한 파장을 가지지만 다른 극성을 가지는 레이저 빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 다수의 다이오드 레이저(14'-14'")는 서로 평행하게 배치되고 레이저 빔 집중 장치로서 동시에 줌 광학 장치로서, 수렴 렌즈(15)는 빔 경로에 배치되며, 상기 수렴 렌즈(15)는 레이저 빔(2'-2")을 접촉면(7)에 집중하는 것을 특징으로 하는 장치.
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