TW564196B - Simulated laser spot enlargement - Google Patents

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564196 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種雷射微切割技術，明確地說，係關 於一種應用快速操縱面鏡於一基板上移動具有預期圖案之 聚焦光點尺寸的雷射光點的方法與設備，用以移除該基板 上大於該聚焦光點尺寸的目標區域。 【先前技術】 本文僅透過多層電子工件範例提出本發明的背景技藝 ，該等工件包括積體電路晶片封裝、多重晶片模組（MCM) 、以及高密度的互連電路板，該等工件皆係電子封裝工業 中最佳的組件。 用於封裝單晶片（例如球狀柵格陣列、針狀柵格陣列、 電路板以及混合微電路）的裝置通常都包括由金屬、有機介 電材料及/或強化材料、以及其它新型材料所構成的分離組 件層。近來，大部分的努力皆係朝向開發以雷射爲基礎的 微切割技術，用以於該些電子材料種類中形成通道，或完 成其它製程。本文將僅透過微切割技術的範例來討論通道 ，而且該等通道可能是完整的穿透孔或不完整的穿孔（所謂 的盲孔）。不幸的係，雷射微切割技術涉及的變數眾多，包 括雷射種類；作業成本；以及雷射特有的作業參數及目標 材料特有的作業參數，例如雷射光束的波長、功率及光點 尺寸，因此所產生的切割產能及穿孔品質的變化範圍亦極 爲廣泛。 564196 與大多數應用所預期的切口寬度及穿孔直徑比較起來 ，目前使用於微切割作業中的脈衝式紫外光（uv)雷射可產 生非常小的光點尺寸。運用較大或較低功率密度的雷射光 束便可提高大於該雷射光點尺寸之特徵幾何形狀的雷射切 割（後文稱爲「輪廓切割」）產能。如Owen等人所提出的美 國專利案第5,841，099號中所述般，藉由操作該雷射使其失 焦，便能夠有效地放大該雷射光點尺寸並且降低其能量密 度。由Owen等人所提出的美國專利案第5,593,606號及美 國專利案第5,841，099號中皆說明運用UV雷射系統來產生 有利參數內之雷射輸出脈衝以便於多層裝置中形成通道或 盲孔的優點。該些專利案件提到吾人熟知的技術，其中可 利用圓鋸法（trepanning)、同心圓處理方式、或螺旋處理方 式來製造直徑大於該聚焦光點尺寸直徑的通道。後文中將 該些技術統稱爲「輪廓鑿穿法」。 不幸的係，操作該雷射使其失焦時通常會導致不可預 測且不希望出現的能量分佈與光點形狀，並且會對通道品 質造成負面的影響，該等影響包括通道護壁錐體；該通道 底部的銅質層之熔化程度；以及於鑿穿期間，已熔化之銅 材飛濺時於該通道周圍附近所導致的「框邊」高度。再者 ，因爲輸入慣用的準直與聚焦光學設備中的光點尺寸係與 撞擊該目標的光點尺寸成反比，所以施加於該光學設備中 的功率強度會迅速地超過該光學設備的破壞臨界値。

Ward提出的美國專利案第4,461，947號中發表一種輪廓 鑿穿方法，其中係於與入射雷射光束垂直的平面中旋轉一 564196 透鏡，以產生一尺寸大於該聚焦雷射光點尺寸的目標區域 。雖然，該透鏡的旋轉與該支撐安置臂的位置無關。不過 ，Ward同時發表一種輪廓鑿穿的先前技藝方法，其係有賴 於在一平面內移動該安置臂以進行透鏡的旋轉。在該背景 技術中，Ward提出藉由一旋轉面鏡來旋轉該光束。

Kawasaki等人提出的美國專利案第5,571，430號中則發 表一種運用一凹面聚合面鏡的雷射焊接系統，該面鏡係以 第一軸爲樞軸，並且由一軸承上的旋轉支撐部件加以支撐 ，使得該面鏡可以垂直該第一軸的第二軸爲中心進行旋轉 。該面鏡係以該第一軸爲中心進行擺動，以提高被移除目 標的「寬度」，並且以第二軸爲中心進行旋轉，以產生一 ί哀狀圖案。 【發明內容】 所以，本發明的一項目的係提供一種能夠於空間中快 速擴展該等由高重覆率之雷射脈衝所構成之聚焦雷射光點 的方法與設備，因而可提高其能量強度。 本發明的另一項目的則係快速地產生尺寸大於該聚焦 雷射光點之尺寸的幾何特徵。 本發明的進一步目的則係於此等雷射切割作業中，改 良工件的產能及/或品質。 由Cutler等人所提出的美國專利案第5,751，585及 5,847,960號以及由Cutler所提出的美國專利案第6,430,465 B2號中便敘述分離軸的定位系統，其中上方處理級並非由 564196 下方處理級來支撐，而且該上方處理級與該下方處理級可 彼此獨立地移動，其中該工件係運載於其中一條軸線或其 中一處理級之上，而治具則係運載於另外一條軸線或另外 一處理級之上。該些定位系統具有一個或一個以上的上方 處理級，各支撐一快速定位器，並且可以極高的產能速率 同時製造一種或多種工件，這全係因爲與堆疊式處理級系 統比較起來，各個彼此獨立支撐的處理級具有較小的慣性 質量，因而能夠更快速地進行加速·、減速以及改變方向。 因此，因爲其中一個處理級的質量並未運載於另一個處理 級之上，所以可提高特定負載的共振頻率。再者，當配合 其個別的移動位置，以便於該資料庫所定義之目標位置上 產生暫時靜止的治具位置時，該等慢速與快速定位器經過 調整後可響應一定位命令資料流來移動，而不需要停止。 該些分離軸、多重速率的定位系統可於大幅提高治具的處 理產能時，同時降低先前系統的快速定位器移動範圍之條 件限制，並且其工作範圍涵蓋平面化資料庫與非平面化資 料庫。 雖然當該等工件的整體尺寸與重量增加時，此等分離 軸的定位系統係變成更有利的，不過由於使用較長因而較 重的處理級，因此其並無法提供足夠的頻寬，以藉由高脈 衝重覆頻率（PRF)下該等雷射脈衝之間的大的幾何間距來有 效地擴展該能量。 所以，本發明係於該光束路徑中運用一種快速操縱的 面鏡（例如壓電控制式面鏡），以便以標稱的目標位置爲中心 564196 ，以高速的規定圖案連續地移動該雷射光束，用以於空間 中分離該等以高速雷射重覆率所產生的聚焦雷射光點，從 而產生尺寸大於該聚焦雷射光點之尺寸的幾何特徵。本發 明可讓特定重覆速率的一連串雷射脈衝以較低脈衝速率之 一連串較大直徑的脈衝型式出現，而不會產生與失焦相關 的光束品質問題。 從下面本發明之較佳實施例的詳細說明，同時參考該 等隨附圖式，便可非常淸楚本發明的額外目的與優點。 【實施方式】 參考圖1，本發明之雷射系統10的示範實施例包括Q 開關、二極管激發（DP)、固態（SS)雷射12，其較佳地係包 括一固態雷射體（lasant)。不過，熟習該項技術者將會發現 除了二極管之外，亦可使用其它的激發光源，例如氪氣弧 光燈。該等激發二極管、弧光燈、或其它慣用的激發構件 可從電源供應器（圖中並未獨立顯示）接收功率，該電源供應 器可能是雷射12的一部份，亦可能分開放置。 該示範雷射12可提供由一種以上主要爲TEM^空間模 式分佈輪廓曲線之雷射脈衝所產生的調諧雷射輸出14。較 佳的雷射波長範圍介於約150奈米（nm)至約2000奈米之間 ，其包括但不僅限於1.3、1.064、或1.047、1.03-1.05、 0.75-0.85 微米（//m)、或是由 Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YV〇4 、Nd:YAP、Yb:YAG、或鈦:藍寶石雷射64等之第二、第三 、第四或第五諧波。此等諧波波長可以包括但不僅限於約 564196 532nm的波長（Nd:YAG的二倍頻）、約355nm的波長 (Nd:YAG的三倍頻）、約266nm的波長（Nd:YAG的四倍頻）、 或約213nm的波長（Nd:YAG的五倍頻）。熟習該項技術者皆 非常熟悉雷射12及諧波產生技術。於Owen等人所提出的 美國專利案第5,593,606號中便詳細地說明其中一種示範雷 射12。較佳的雷射12範例包括位於加州的Lightwave Electronics of Mountain View 所販售之 210 型 UV-3500 雷射 。熟習該項技術者將會發現，在商業用途中亦可使用會發 出其它適當波長的雷射，該等雷射包括光纖雷射或Q開關 C〇2雷射。於Dunsky等人於2002年12月12日所提出的美 國專利案公開案第US 2002/0185474 A1號中便發表一種示 範的Q開關C02雷射。 參考圖1，可利用各種熟知的光學元件來操控雷射輸出 14,該等光學元件包括光束放大透鏡組件16,該組件係放 置於被光束定位系統40之一連串光束導向組件20(例如處 理級軸線定位面鏡）、快速操縱面鏡FSM(30)、以及快速定 位器32(例如一對由檢流計驅動的X軸與Y軸面鏡）導向之 前的光束路徑18之中。最後，雷射輸出14便會當作雷射 系統輸出光束46以雷射光點48照射於工件50之前穿過物 鏡42，例如聚焦或遠心掃描透鏡。 於Cutler等人所提出的美國專利案第5,751，585號中便 詳細地說明一種較佳的光束定位系統40，其可以包括於 Cutler所提出的美國專利案第6,430,465 B2號中所述的 ABBE錯誤校正構件。光束定位系統40較佳地係運用一平 11 564196 移處理級定位器，其較佳地係可控制至少兩個處理平台或 處理級52與54，並且支撐定位組件20，用以將雷射系統 輸出光束46對準且聚焦至預期的雷射目標位置60。在較佳 的實施例中，該平移處理級定位器係一分離軸系統，其中 Y處理級52(—般係由線性馬達來移動）會沿著軌道56來支 撐且移動工件50 ; X處理級54則會沿著軌道58來支撐且 移動快速定位器32。該X與Y處理級之間的Z維度係可調 整的，並且光束導向組件20可於雷射12與FSM 30之間經 由任意往返次數來校準該光束路徑18。典型的平移處理級 定位器能夠達到500mm/sec的速度以及1.5G的加速度。爲 方便起見，可將該快速定位器32以及一個以上的平移處理 級52及/或54合稱爲主要或整合定位系統。 光束定位系統40允許於相同的電路板或不同的電路板 上各個目標位置60之間快速地移動，以便根據所提供的測 試或設計資料來執行唯一的或重複的處理作業。示範的快 速定位器能夠達到400或500mm/sec的速度以及300或 500G的加速度，因此該些亦爲示範的整合定位系統之典型 功能。包含上述多種定位系統組件之較佳的雷射系統10範 例爲位於波特蘭之奧勒岡的伊雷克托科學工業股份有限公 司（Electro Scientific Industries，Inc.，ESI)所製造的 5320 型的雷射系統或其該系列中的其它雷射系統。不過，熟習 該項技術者將會發現，亦可運用其它僅具有單一個X-Y處 理級供工件定位使用以及一固定光束位置及/或固定檢流計 供光束定位使用的系統來取代。 12 564196 雷射系統控制器62較佳地係以熟習該項技術者所熟知 的方式將雷射12發光與處理級52、54及快速定位器32的 移動同步化。圖中的雷射系統控制器62 —般係用以控制快 速定位器32、處理級52與54、雷射12以及FSM控制器 64。熟習該項技術者將會發現雷射系統控制器62可以包括 整合的或獨立的控制子系統以控制及/或提供電源功率給任 何或所有的該些雷射組件，如此一來便可將此等子系統放 置在相對於雷射系統控制器62的遠端位置。雷射系統控制 器62較佳地係亦可經由一面鏡控制器64以直接方式或間 接方式來控制FSM 30的移動方式，包括其方向、傾斜角度 或旋轉方式、以及速度或頻率，並且亦可控制與雷射12或 定位系統40之各組件的任何同步化作業。爲方便起見， FSM 30與面鏡控制器64結合之後可合稱爲輔助或非整合的 定位系統。 雷射系統輸出光束46的參數經過選擇之後，有助於在 各種的金屬、介電材料、及其它目標材料（該等材料對於 UV或可見光呈現不同的光學吸收性、切除臨限、或其它的 響應特徵）中進行實質淸潔、有序式鑿穿（也就是，形成通道 )。雷射系統輸出的參數範例包括於整個光束光點區域中所 測量到的平均能量強度大於約120微焦耳，較佳地係 大於200 //光點尺寸直徑或空間主軸小於約5〇//m，較 佳地係介於約l-50/zm之間，一般則係介於約2〇_3〇#m之 間；重覆速率大於約1千赫兹(kHz)，較佳地係大於約 ，最佳的係高於20kHz ;以及波長較佳的係介於約i5〇_ 13 564196 2000nm之間，更佳的係介於約190-1325nm之間，最佳的則 係介於約266-532nm之間。該等雷射系統輸出光束46的較 佳參數經過選擇，便可試圖藉由使用短於約1〇〇奈秒(ns)的 短暫脈衝寬度，較佳的係使用介於約0.1皮秒（ps)至l〇〇ns 之間的短暫脈衝寬度，更佳的係使用介於約.1至90ns之間 甚或更短的短暫脈衝寬度，而避免發生特定的熱破壞效應 。熟習該項技術者 將會發現，該些參數可根據欲處理的材料而加以改變 且予以最佳化，並且可利用不同的參數來處理不同的目標 層。 雷射系統輸出光束46較佳地係可於工件50上之光束 位置60處產生直徑小於約25-50 μ m的光點區48。雖然光 點區48及直徑一般都係關於Ι/e2的範圍，尤其是在雷射系 統10的說明中，不過該些專有名詞偶爾亦可用於表示由單 一脈衝所產生的穿孔之光點區或直徑。熟習該項技術者還 會發現，輸出光束46的光點區48 —般爲圓形的，不過亦 可將其形狀調整成實質方形。熟習該項技術者還會發現， 針對特定的作業，必要時可對輸出光束46的側翼部或尾翼 部進行成像或削減，尤其是在第一道步驟處理中。 圖2所示的係FSM 30之較佳實施例，其被定位之後可 接收雷射輸出14，並且經由快速定位器32、經由物鏡42 將該雷射輸出偏轉至工件50上的目標位置60，以便達到 ECB通道鑿穿、電路元件裁切、或其它微切割應用的目的 。FSM 30較佳的實現方式係成爲採用頻率響應高於該快速 14 564196 定位器32 _㈣式制_之__光束定位處理級的 -部份。FSM 30可以由鐵電陶瓷_器材料(例如麵鈴錶 _動器22可將電壓 轉換成位移。腦材料類似於常用的壓電制動器材料，不 過少了百分之-的磁滯現象、電機轉換效率極高、呈現極 廣的作業與製造溫度範圍、不必永久極化、並且僅需要小 額的電氣驅動電壓便能夠提供有用的機械活性。 示範的PMN制動器22對於由PMN材料所構成之 40mm長的柱狀體而言，可產生約2()微米之有限位移，不 過對於5mm直徑的柱狀體而言，則具有極高的硬度，約每 微米21〇牛頓。FSM 30會經由—彎曲結構被親合至三個 N制動器22。該等PMN制動器22的第—端點係被排列 成一等邊三角形，其中心係與FSM 3〇的中心24對齊；該 等PMN制動器22的第二端點則係以機械方式被親合至黏 接於X軸平移處理級54的底座26。該等三個pMN制動器 22較佳的係以可使雖2個自由度之模式中的3個自由度 的結構來實現，用以傾斜且傾轉FSM 3〇。該等三個pMN制 動器22較佳的係由PMN材料所構成的中空柱狀體，該中 空柱狀體的周圍可被電氣分割成三個主動區。激發其中一 區域，使其麵或關之後’從難可翻醜斜 3〇 0 該制動器三角形較佳地係具有5mm的邊長，以便讓 FSM 30可以被偏轉約±4毫弧（「㈣…）的角度，當利用 8〇mm之物鏡投影於工件50之上時，便可轉換成土64〇微米 564196 的雷射輸出14偏轉。示範的FSM 30可以提供典型的移動 限制範圍，用以將該圖案尺寸限制在最高約爲該雷射光點 尺寸的25倍或50倍；不過該FSM 30的最大頻率響應的限 制能力更強，其一般係將該圖案尺寸限制在最高約爲該雷 射光點尺寸的15倍，一般係最高爲該雷射光點尺寸的5倍 至10倍之間。FSM 30的操作頻率與加速度可高於快速定位 器32中之示範檢流計驅動的X軸與Y軸面鏡。非整合定位 系統的示範FSM 30可提供l，000mm/sec以上的速度，並且 可達到4,000mm/sec甚至更高的速度，其係該典型的整合定 位系統之速度的5倍至10倍。非整合定位系統的示範FSM 30可提供1，0000以上的加速度，並且可達到30,0000甚至 更高的加速度，其係該典型的整合定位系統之加速度的50 倍至100倍。 明確地說，示範的PMN制動器22具有約2.0微法拉的 特徵電容値、1.0歐姆的直流電阻値、5kHz時17歐姆的電 阻値、並且可於75伏的驅動電壓下吸引三安培以上的電流 。該示範的PMN制動器22驅動的FSM 30具有超過約5kHz 之大信號頻寬、超過約8kHz之小信號頻寬、以及以至少約 4mRad的偏轉角度來偏轉具有約±0.5微米之定位解析度的 雷射輸出14。 熟習該項技術者將會發現，可以運用任何其它精確度 的高頻寬制動器作爲面鏡制動器22。圖3所示的係面鏡制 動器72a與72b(通稱爲面鏡制動器72)之替代FSM 30連同 示範面鏡控制器64之部分示範控制電路70的部分剖面與 564196 部分槪略示意圖，該等面鏡制動器72a與72b較佳地係壓 電式（PZT)裝置，其可用於造成FSM 30之小角度變化，以 便造成雷射系統輸出光束46的小角度變化，因而可造成該 雷射光點48於工件50的表面上之位置60的小量變化。 參考圖3與圖4，在運用PZT面鏡制動器的示範實施 例中，係將實質矩形的FSM 30之其中一個角設計成具有彎 曲結構的參考結構，該彎曲結構可以彎曲但是不會收縮或 伸長。FSM 30的另外兩個角則係由該等壓電式面鏡制動器 72a與72b響應一正弦波之後加以驅動，以便於該光束路徑 18中引入小幅的角度’以便在暨加於由光束定位系統4 0之 其它組件所建構之目標位置60上的雷射光點48之光束位 置中造成小幅的變化。 在較佳的實施例中，sine(a)信號74係以相反的方向來 驅動該等壓電式面鏡制動器72a與72b，用於在其中一個方 向中產生角度變化；而sine(a+90)信號76則會以相同的方 向利用正弦函數來驅動該等壓電式面鏡制動器72a與72b， 用於產生與該第一角度變化相差90度的角度變化。該雷射 輸出14會於趨近於中心的位置處偏離FSM 30。如此一來， 當掃描透鏡42將因爲該面鏡移動所引入的小角度轉換成位 置變化之後，便會在該工件表面上造成圓形運動。 爲達到雷射鑿穿作業的目的，當該Z處理級（圖中未顯 示）位於其垂直聚焦高度處時，較佳的物鏡焦距應該約爲 50-100mm，而從該FSM 30至掃描透鏡42的較佳距離則必 須落在設計條件內越小越好，而且較佳的係小於約300mm 17 564196 ’更佳的係小於100mm。在較佳的雷射系統l〇中，psM 30 係安裝於X處理級54中快速定位器32的上游處，並且取 代部分慣用的光束定位系統之最終面鏡。在較佳的實施例 中’ FSM 30可調整成易於更新既有的雷射與定位系統40， 就如同位於波特蘭之奧勒岡的伊雷克托科學工業股份有限 公司（Electro Scientific Industries，Inc.)所製造的 5200 或 5320型雷射系統所採用的方式，並且可易於更換慣用的雷 射系統之X處理級54中的最終面鏡。熟習該項技術者將會 發現，FSM 30亦可放置於光束路徑18中，而非安裝於該X 處理級54中的其它位置。 熟練的人士將會發現，亦可運用各種替代的技術，於 以一中樞點（例如中心24)爲中心之兩條軸線中控制動器 FSM 30的移動。該些技術所包括的FSM 30可能採用的係 一彎曲結構機制與發聲線圏制動器、取決於壓電形變的壓 電制動器、電伸縮式或PMN制動器材料、以及壓電式或電 伸縮式制動器等，用以讓面鏡的表面產生變形。於Baker 所提出的美國專利案第5,946，152號中便敘述一種示範的發 聲線圈制動式的FSM 30，經過調整之後便可使其運作於高 頻中。適當的發聲線圈制動式的FSM 30包括由位於科羅拉 多州、Broomfield 的 Ball Aerospace Corporation 及位於 加州、Irvine的Newport公司所販售的產品。適當的 壓電式制動器則有由位於德國Karlsruhe的Physik Instrumente(「PI」）GmbH & Co.所製造的 S-330 型 Ultra-past Piezo Tip/Tilt Platform 〇 564196 在模擬雷射光點放大的應用中，雷射控制器64係命令 該整合定位系統的處理級52與54以及快速定位器32遵循 預設的治具路線，例如裁切輪廓曲線或盲孔鑿穿輪廓曲線 ;同時該雷射控制器64會獨立地讓該FSM 30以預期的圖 案（例如小圓形或擺動圖案）來移動雷射系統輸出光束46的 雷射光點位置。此疊加的、自由運行的光束移動或振動可 將雷射系統輸出光束46的能量分佈於較大的面積上，並且 沿著該治具路線有效地進行較廣的切割。有效的切口寬度 通常係等於該圖案尺寸加上該光點直徑。光束移動時亦可 將雷射能量分佈於較大的面積上’進而有效地增加特定的 平均能量強度能夠於一時間週期內進行處理的面積。 因爲被傳送至FSM 30的面鏡控制器64之命令並未與 用於定址該整合定位系統的處理級52與54以及快速定位 器32的定位命令整合在一起，而僅係疊加於其上，所以當 增加大量的功能時便可避免大幅地提高其複雜度與費用， 並且亦可達到預期的產能。不過’面鏡控制器64可能會與 雷射控制器62共同合作，用以於特殊的雷射應用中實現雷 射系統輸出光束46的特殊預期圖案’或實現該整合定位系 統之特殊治具路線。該FSM的有效光點«案之圖案尺寸可 以加以選擇以便於裁切作業中取得特殊的切口寬度，及/或 可以加以選擇以便在穿孔鑿穿作業期間提供特殊的穿孔邊 緣品質。不過熟習該項技術者將會發現，使用者亦可直接 對該面鏡控制器64進行程式化’而不需S配合該雷射控制 器62，亦不必經由其來進行控制。 564196 已經有人開發出電腦圖形擇型用以顯示經由採用上述 PZT制動器之FSM 30的連續移動之後於該工件表面上所呈 現的雷射光點48之個別位置。圖5B爲藉由FSM 30的移動 而增強後，圖5A之示範直線切口治具路線80之電腦模型 。參考圖5A與圖5B(合稱爲圖5)，該等參數包括：約 18kHz的PRF、約25// m的光點尺寸、約50mm/sec的直線 速度（該小形旋轉圓形圖案於該工件表面上的移動速率）、約 2kHz的旋轉速率（該圓形圖案的旋轉速率）、約30// m的旋 轉傾向（該圓形圖案（到光束中心）的直徑）、約10# m的內徑 (該螺旋圖案（到圓形圖案中心）的初始直徑）、約150// m的 外徑（該螺旋圖案（到圓形圖案中心）的結束直徑）、以及約爲 2次的循環次數（該螺旋圖案的旋轉次數）。從該模型顯示出 ，爲支援15至20kHz範圍內的雷射脈衝速率，實際的脈衝 重疊必須要有1kHz至2.5kHz的旋轉速率（每次旋轉有5至 15個脈衝）。 再次參考圖5，面鏡增強直線輪廓曲線82係產生一大 於輸出光束46之光點直徑86的切口寬度84。此項技術可 以較少的來回次數形成比該光點直徑86還寬的切口，同時 又可維持使用聚焦輸出光束46的切割品質及其它優點（也 就是，並不必讓該光束失焦以達到較寬光點的目的）。此外 ，針對高重覆速率的應用來說，該面鏡增強直線輪廓曲線 82可能會超過最快速定位器32的頻寬能力，並且允許該等 快速定位器32保留簡單的定位移動指令即可，而不必如同 該子圖案化處理般地規定其實現該面鏡增強直線輪廓曲線 564196 82中顯而易見的子圖案。 圖6B爲藉由FSM 30的移動而增強後圖6A之示範通道 螺旋治具路線90之電腦模型。參考圖6A與圖6B(合稱爲圖 6)，該等參數包括：約15kHz的PRF、約15// m的光點尺 寸、約30mm/sec的直線速度（該小形旋轉圓形圖案於該工件 表面上的移動速率）、約1.5kHz的旋轉速率（該圓形圖案的 旋轉速率）、約20//m的旋轉傾向（該圓形層案（到光束中心) 的直徑）、約10# m的內徑（該螺旋圖案（到圓形圖案中心）的 初始直徑）、約150/zm的外徑（該螺旋圖案（到圓形圖案中心 )的結束直徑）、以及約爲2次的循環次數（該螺旋圖案的旋 轉次數）。從該模型顯示出，爲支援15至20kHz範圍內的 雷射脈衝速率，實際的脈衝重疊必須要有1kHz至2.5kHz 的旋轉速率（每次旋轉有5至15個脈衝）。 在採用一 Q開關C02雷射系統10與一 PMN FSM 30的 示範實施例中，C〇2雷射系統10所採用的係每個通道穿孔 20-30 個脈衝之 30-40kHz 的 PRF。該 FSM 30 會以 1.0- 1.5kHz來振盪該雷射系統輸出光束46，以便於鑿穿該穿孔 時使其產生一完整的旋轉，而所花費的鑿穿時間少於〇 6_ lms 0 參考圖6,盲孔的形成方式係藉由將具有光點面積86 之雷射光點射系統輸出光束46以循序的方式，沿著螺旋治 具路線90中重疊連續的位置朝周圍移動。光束46較佳的 係以充分的速度連續移動經過每個位置，以便讓系統1 〇傳 达爲tb夠於該處達到切割深度所需要的光束脈衝數量。光 21 564196 束46係沿著螺旋治具路線90前進， 每當光束46移動至心的切割位置後，目標材料便會被 「啃餓」掉，以形成一尺寸變大的穿孔。當光束46沿著圓 形路線移動至周圍時，便形成該穿孔的最終形狀。 熟習該項技術者將會注意到，該面鏡增強通道鑿穿輪 廓曲線92係產生一大於輸出光束46之光點直徑86的切口 寬度84，使得所生成之通道的直徑94遠大於由尺寸與該光 點尺寸相同之切口寬度所製造出來之螺旋的直徑。本發明 可讓特定重覆速率的一連串雷射脈衝光點48以較低脈衝速 率之一連串較大直徑的雷射脈衝型式出現，而不會產生與 失焦相關的光束品質問題。通道直徑或切口寬度的範圍通 常介於25-300 //m之間，不過吾人亦希望能夠出現具有大 於等於1毫米（mm)之直徑或寬度的通道或切口。 形成盲孔的替代治具路線亦可從中心開始，並且切除 以切口寬度84所定義之半徑逐漸遞增的同心圓。當該等同 心圓通道於距離區域中心較遠距離處的圓形路徑中移動時 ，該通道的整體直徑便會隨之增加。或者，此項處理方式 亦可從定義預期的周長開始，並且朝中心來處理該等邊緣 。與同心圓處理方式比較起來，朝外旋轉之螺旋處理方式 較爲連續且迅速；不過，亦可利用朝內旋轉之螺旋處理方 式來製造肓孔。 熟練的人士將會發現，不論是工件50或處理輸出光束 46皆可相對於彼此的位置而固定或相對移動。在較佳的實 施例中，工件50及處理輸出光束46則會同時移動。於美 22 564196 國專利案第5,593,606號中提出於數個不同的基板上製造具 有各種深度與直徑的穿透孔通道及盲孔。於Dunsky等人所 提出之美國專利案第6,407,363 B2號中亦發表各種的通道 處理技術，包括其它的治具路線輪廓曲線在內，此處以引 用的方式將其倂入本文中。熟習該項技術者將會發現，利 用相同處理方法亦可切除非圓形的通道。舉例來說，方形 的、矩形的、橢圓形的、狹長形的、或其它表面幾何形狀 的通道。 熟習該項技術者還會發現可讓該整合定位系統朝單一 隹置前進，用以處理一小面積的通道；並且使用該非整合 FSM 30來製造出大於輸出光束46之光點直徑48的通道直 徑，因而可免去因爲移動該整合定位系統以實現如治具路 線90般的治具路線所導致的長駐留時間與複雜度。再者， 亦可大幅地改良通道品質，包括邊緣品質與底部均勻度在 內。 熟習本技術的人士將可輕易地明白，在不脫離本發明 的基本原理下，可對本發明上述的實施例之細節部分進行 各種的變化。所以，本發明的範疇應該僅由下面的申請專 利範圍來決定。 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 圖1爲根據本發明之含有快速操縱面鏡的簡化雷射系 統之部分等比例與部分槪略示意圖。 23 564196 圖2爲圖1之雷射系統中所採用的快速操縱面鏡機制 之部分立體與部分槪略示意圖。 圖3爲圖1之雷射系統中所採用的快速操縱面鏡機制 之部分剖面與部分槪略示意圖。 圖4爲圖解面鏡彎曲如何能夠影響該雷射光點位置之 該快速操縱面鏡的正面示意圖。 圖5爲根據本發明藉由移動一快速操縱面鏡而增強之 示範直線切口輪廓之電腦模型。 圖6爲根據本發明藉由移動一快速操縱面鏡而增強之 示範通道鑿穿輪廓之電腦模型。 (二）元件代表符號 10 雷射系統 12 雷射 14 雷射輸出 16 光束放大透鏡組件 18 光束路徑 20 光束導向組件 22,72 面鏡制動器 24 FSM 30的中心 26 底座 30 快速操縱面鏡 32 快速定位器 40 光束定位系統 42 物鏡 24 564196 46 雷射系統輸出光束 48 雷射光點 50 工件 52 Y處理級 54 X處理級 56,58 軌道 60 雷射目標位置 62 雷射系統控制器 64 面鏡控制器 70 控制電路 74 sine(a)信號 76 sine(a+90)信號 80 直線切口治具路線 82 面鏡增強直線輪廓曲線 84 切口寬度 86 光點直徑 90 通道螺旋治具路線 92 面鏡增強通道鑿穿輪廓曲線 94 通道直徑 25

Claims (1)

1. 564196 拾、申請專利範圍 ：， .... - ^ ........ ... .Λ.. .:…上、 · ·. ...... 1. 一種利用雷射輸出脈衝於工件上進行雷射切割一有效 切口寬度的方法，該些雷射脈衝之每一個係具有於該工件 上小於該有效切口寬度之雷射光點直徑，其包括下列步驟 由一主要光束定位系統以第一組有限的速度與加速度 ，於該工件上提供一雷射光點位置之主要相對移動，該主 要光束定位系統可從一雷射提供一條光束定位路徑至該工 件上該雷射光點位置處，該主要相對移動定義著一條主要 切割路徑；以及 由一位於該光束定位路徑中的輔助光束定位系統以實 質高於第一組有限的速度與加速度之第二組速度與加速度 ，於該工作件上提供該雷射光點位置之輔助相對移動，該 輔助相對移動係疊加於該主要相對移動之上，並且包括一 垂直該主要切割路徑之圖案，該圖案尺寸約小於等於該雷 射光點直徑的15倍，該些主要與輔助相對移動配合之後便 可沿著該條主要切割路徑提供實質等於該圖案尺寸加上該 光點直徑的有效切口寬度。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二組速度與 加速度包括大於l，〇〇〇mm/sec的速度與大於l，〇〇〇G的加速 度。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該第二組速度與 加速度包括介於1,000至4,000mm/sec之間的速度與介於 1,000至3,000G之間的加速度。 26 564196 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一組速度與 加速度包括小於500mm/sec的速度與小於500G的加速度。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該圖案尺寸約小 於等於該雷射光點直徑的10倍。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該輔助光束定位 系統具有大於約5kHz的大信號頻寬以及大於約8kHz的小 信號頻寬。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該輔助光束定位 系統包括一快速操縱面鏡。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該快速操縱面鏡 包括一 PMN或PZT制動式的面鏡。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該主要光束定位 系統包括至少一個平移與快速定位器。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該快速定位器 包括至少一個檢流計驅動的面鏡。 11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該快速定位器 係安裝於一平移處理級之上。 12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該主要光束定 位系統包括一分離軸的定位系統。 13. 如申請專利範圍第1項之方法，其係進一步包括利 用該等雷射輸出脈衝實現通道鑾穿的應用。 14. 如申請專利範圍第1項之方法，其係進一步包括利 用該等雷射輸出脈衝實現雷射裁切的應用。 15. —種利用雷射輸出脈衝於工件上進行雷射切割一有 27 564196 效切口寬度的方法，該些雷射脈衝之每一個係具有於該工 件上小於該有效切口寬度之雷射光點直徑，其包括下面的 步驟： 由一平移處理級定位系統以平移處理級限定的速度與 加速度，於該工件上提供一雷射光點位置之處理級相關的 相對移動； 由一快速定位系統以快速之限定的速度與加速度，於 該工作件上提供該雷射光點位置之快速相關的相對移動， 其中該快速定位系統的加速度能力高於該平移處理級定位 系統的加速度能力； 整合該平移處理級定位系統與該快速定位系統，以便 以第一組有限的速度與加速度，於該工件上提供該雷射光 點位置之主要相對移動，該主要光束定位系統可從一雷射 提供一條光束定位路徑至該工件上該雷射光點位置處，該 主要相對移動定義著一條主要切割路徑；以及 由一位於該光束定位路徑中的快速操縱面鏡以實質高 於第一組有限的速度與加速度之第二組速度與加速度，於 該工件上提供該雷射光點位置之輔助相對移動，該輔助相 對移動係疊加於該主要相對移動之上，並未與其整合，並 且包括一垂直該主要切割路徑之圖案，該圖案尺寸約小於 等於該雷射光點直徑的15倍，該等主要與輔助相對移動配 合之後便可沿著該條主要切割路徑提供實質等於該圖案尺 寸加上該光點直徑的有效切口寬度。 16.如申請專利範圍第15項之方法，其中該第二組速度 28 564196 與加速度包括大於i，〇〇〇mm/sec的速度與大於i，〇〇〇g的加 速度。 17. 如申請專利範圍第16項之方法’其中該第二組速度 與加速度包括介於I，000至4,000mm/sec之間的速度與介於 1，000至3,000G之間的加速度° 18. 如申請專利範圉第15項之方法，其中該快速之限定 的速度與加速度包括小於500mm/sec的速度與小於500G的

   加速度。 19.如申請專利範_第15項之方法，其中該快速操縱面 鏡包括一 PMN或PZT制動式的面鏡。 20. 如申請專利範β第15項之方法’其中該快速定位器 包括至少一個檢流計驅動的面鏡。 21. 如申請專利範®第15項之方法，其中該主要光束定 位系統包括一分離軸的定位系統。

   22. 如申請專利範β第15項之方法，其係進一步包括利 用該等雷射輸出脈衝實現通道繫穿的應用。 拾壹、圖式 如次頁 29