TWI406728B - Laser processing method and laser processing device - Google Patents

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Description

雷射加工方法及雷射加工裝置
本發明關於藉由旋轉軸線之扭轉位置上配置之2個鏡片定位雷射(以下稱雷射束)而射入聚光透鏡,藉由聚光之雷射束加工工件的雷射加工方法及雷射加工裝置。
圖6為習知雷射加工機之頭部光學系之圖。
由雷射振盪器(未圖示)輸出之P偏光之第1雷射束20,於固定鏡4被反射,透過偏光束混合器30被鏡片1a(X鏡片)、鏡片1b(Y鏡片)反射而射入f θ透鏡3,射入印刷基板100。另外,由雷射振盪器(未圖示)輸出之S偏光之第2雷射束10,於固定鏡5被反射,被鏡片2a、2b反射後,於偏光束混合器30被反射,再度被鏡片1a、1b反射而射入f θ透鏡3,射入印刷基板100。第1雷射束20之加工範圍為區域101,第2雷射束10之加工範圍為區域102。鏡片1a、1b、固定鏡4、5、鏡片2a、2b、偏光束混合器30及f θ透鏡3,被配置於一點虛線所示之頭部Z(專利文獻1)。
以下詳細說明鏡片1a、1b。
圖7為鏡片1a、1b與f θ透鏡3之關係圖,(a)為加工部光學系之上面圖,(b)為(a)之右側面圖,(c)為雷射束進行方向(一點虛線)之展開平面圖。
鏡片1a、1b之反射面平坦時,例如斷面為圓形之雷射束20,被聚焦於焦點距離f之f θ透鏡3之焦點位置Fa(亦即焦點位置Fa為設計上之焦點位置),其中,圖中之1aa為使鏡片1a旋轉之傳動裝置之旋轉軸,1bb為使鏡片1b旋轉之傳動裝置之旋轉軸。
又,焦點位置Fa之前後(於此為Z方向)位置中之雷射束20之直徑(光點徑)雖大於焦點位置Fa中之光點徑,被確保正圓度。例如孔徑50 μm之孔加工用適合之射束徑d=30mm時,正圓度成為95%以上者乃以焦點位置Fa為基準在約±50 μm之範圍。
該雷射加工機之情況下,可使第2鏡片系(鏡片2a、2b)決定之定位範圍102與第1鏡片系(鏡片1a、1b)決定之定位範圍101大致重疊,因此藉由第1雷射束20及第2雷射束10之分別定位可提升加工效率(參照專利文獻1)。
專利文獻1:特開2004-249364號公報
雷射振盪器振盪產生之雷射束之頻率遠高於鏡片1a、1b、2a、2b(以下除需要特別區別以外稱為「鏡片A」)之定位頻率。因此只要能高速定位鏡片A即可提升加工效率。欲高速定位鏡片A時縮小鏡片A之質量為有效者。
如習知般,欲加工具有較佳形狀精確度之小徑孔時,增大雷射束外徑乃有效之方法,因此無法縮小鏡片A之尺寸。因此,欲減少鏡片A之質量,需要削薄鏡片A之板厚。
但是,欲削薄鏡片A之板厚時,硏削加工伴隨之硏削誤差有可能使反射面產生彎曲或傾斜等之變形。另外,即使單體鏡片A之反射面平坦,鏡片A藉由接著而被支撐於傳動裝置時,亦有可能產生反射面之變形。產生反射面變形時,例如不僅X方向與Y方向之焦點位置偏離光軸方向,造成孔之正圓度降低,因為射束模態之劣化使能量分布不均勻,導致孔之品質降低。
因此欲提升加工效率而縮小鏡片A之質量時,加工完成之孔之形狀精確度會降低。另外,欲加工具有較佳形狀精確度之孔,而增大鏡片A之板厚時,鏡片A之質量變大,加工效率會降低。
本發明目的在於解決上述問題,提供一種能以良好效率加工具有較佳形狀精確度之孔的雷射加工方法及雷射加工裝置。
為解決上述問題,本發明第1手段之雷射加工方法,係藉由旋轉軸線為X方向之X鏡片與旋轉軸線為Y方向之Y鏡片定位雷射使射入聚光透鏡,藉由聚光之雷射進行加工者,其特徵為設有:光學手段,用於補正上述X鏡片或上述Y鏡片之反射面之曲率;將上述光學手段配置於上述雷射之光軸上;使上述雷射之X方向及Y方向之聚光位置和光軸方向一致。
本發明第2手段之雷射加工裝置,係具備:旋轉軸線為X方向之X鏡片,旋轉軸線為Y方向之Y鏡片,及聚光透鏡;藉由上述X鏡片與上述Y鏡片定位雷射使射入上述聚光透鏡,藉由聚光之雷射進行加工者,其特徵為設有:光學手段,用於補正上述X鏡片或上述Y鏡片之反射面之曲率,將該光學手段配置於上述雷射之光軸上;使上述雷射之X方向及Y方向之聚光位置和光軸方向一致。
依據本發明可藉由光學方式消除鏡片A產生之變形,可以良好效率加工具有極佳形狀精確度之孔。
以下參照圖面說明本發明實施形態。
(第1實施形態)
首先說明鏡片A產生之變形之頻度最高的,鏡片A之反射面以旋轉軸之軸線為中心成為大略同樣之凹面或凸面之情況。又,鏡片A假設為僅有鏡片1a與鏡片1b之2個。
圖1為本發明之加工部光學系之展開圖,(a)為雷射束之X方向成份(以下稱X成份),(b)為雷射束之Y方向成份(以下稱Y成份),(c)為習知技術之雷射束之X成份。圖2為鏡片A之變形說明圖。
其中,鏡片A之寬度w係由鏡片A之旋轉(搖動)角度(±θ°)及使用之雷射束之最大徑決定(w≧d/sinθ)。亦即,例如θ=±10°,雷射束之最大徑d設為d=30mm時,鏡片A之寬度w只要31mm以上即可。以下實施形態中,假設d=30,w=31。
如圖2所示,鏡片A之反射面變形為凹面時,變形量設為k時,該凹面之半徑(曲率)R可以式1表示。
R2 =(R-k)2 +(w/2)2 …(式1)
其中k為極小因此k2 之項可以忽視。亦即,R=W2 /8k…(式2)
例如k=0.5μm時,由式2可得R約為240m。
於圖1之情況下,鏡片1a之反射面為曲率R之凹面,鏡片1b之反射面為平坦。此情況下,於雷射束20之光路上配置凹型之圓柱形透鏡50。如該圖(b)所示,不受圓柱形透鏡50之有無影響,雷射束20之Y成份被聚焦於設計上之焦點位置Fa。另外,如該圖(a)之實線所示,雷射束20之X成份,藉由圓柱形透鏡50被擴散,於1鏡片A被反射修正為平行光,和Y成份同樣被聚焦於焦點位置Fa。
未設置圓柱形透鏡50時,如該圖(c)之實線所示,雷射束20之X成份,被聚焦於較焦點位置Fa亙靠近fθ透鏡3之焦點位置Fx,不僅孔之正圓度降低,能量分布亦不以均勻,孔之品質會降低。
假設圓柱形透鏡50之焦點距離為fs,則可以補正雷射束20之X成份者乃fs≒R/2之圓柱形透鏡。因此事先測定鏡片1a之反射面之變形,運算反射面之曲率R即可決定圓柱形透鏡50之焦點距離fs。
又,鏡片A之反射面為凸面(曲率為-R)時,選擇fs=-R/2之凸型之圓柱形透鏡50即可。以下說明鏡片1a、鏡片1b均為凹面之情況。
此情況下,有以下2個方法。(1)第1方法為設置:圓柱形透鏡50a用於消除鏡片1a之變形,及圓柱形透鏡50b用於消除鏡片1b之變形。
此情況下,鏡片1a、鏡片1b之變形分別被補正,可將雷射束10聚焦於焦點位置Fa。
(2)第2方法為僅設置圓柱形透鏡50a用於消除鏡片1a之變形。亦即不設置用於消除鏡片1b之變形的圓柱形透鏡50b。
此情況下,鏡片1b之變形不被補正,雷射束2之Y成份被聚焦於偏離焦點距離f之位置Fy。於此,以雷射束20之X成份被聚焦於位置Fy的方式選定圓柱形透鏡50a之焦點距離fs。
例如假設鏡片1b之曲率為N,鏡片1a之曲率為M,則圓柱形透鏡50b之焦點距離fs如下決定。
Fs=(M-N)/2
此情況下,例如孔徑50 μm之孔加工之較佳射束徑d=30mm時,正圓度成為95%以上者係以位置Fy為基準,窄限於約±40 μm(焦點位置Fa之此情況下約±50 μm),實用上無問題。
又,鏡片A僅為鏡片1a與鏡片1b之2個時,可將圓柱形透鏡50a、50b配置於自加工點起至雷射振盪器為止之任一位置,實用上係配置於雷射振盪器與f θ透鏡3之間。
又,說明鏡片A為鏡片1a、1b與鏡片2a、2b之4個時。
(第2實施形態)
圖3為本發明之鏡片1a、1b、2a、2b與f θ透鏡3之間之關係表示用的加工部光學系之展開圖。
如圖所示,第1雷射束20介由鏡片1a、1b射入f θ透鏡3,第2雷射束10於鏡片2a、2b被反射之後,再度介由鏡片1a、1b射入f θ透鏡3。
此情況下,關於第1雷射束20可藉由第1實施形態說明之方法補正鏡片1a、1b之變形。因此,將圓柱形透鏡50a、50b配置於偏光束混合器30與雷射振盪器之間,則不會影響第2雷射束10,具有實用性。
另外,分別選擇可以抵消鏡片1a與鏡片2a之變形的焦點距離之圓柱形透鏡而作為補正第2雷射束10之X成份的圓柱形透鏡60a,以及可以抵消鏡片1b與鏡片2a之變形的焦點距離之圓柱形透鏡而作為補正Y成份的圓柱形透鏡60b,如此即可。
又,鏡片1a、1b之任一均變形時,例如配置僅補正鏡片1a之變形的圓柱形透鏡50a,藉由該圓柱形透鏡50a使X成份對準於Y成份之焦點位置Fy亦可。此情況下,補正第2雷射束10之Y成份用的圓柱形透鏡60b,可設為抵消鏡片2b之變形的焦點距離之圓柱形透鏡。或者,作為補正第2雷射束10之X成份用的圓柱形透鏡60a,可考慮鏡片2a之變形及鏡片1a之變形、而且構成為可使第2雷射束10之X成份聚焦於焦點位置Fy的圓柱形透鏡。
但是,依據每一鏡片A設置抵消反射面之變形用的圓柱形透鏡時,雖可雷射束10與雷射束20聚焦於焦點位置Fa,但是構造變為複雜。以下說明鏡片A之各個變形不大時之圓柱形透鏡之配置。
(第3實施形態)
圖4為圖3之情況下鏡片A之反射面之展開圖。
如圖所示,以雷射束20射入鏡片1a之位置為基準決定X、Y,則射入鏡片1a之A~D的雷射束,係射入鏡片1b之A~D。亦即,相對於鏡片1a之A~D,鏡片1b之A~D成為旋轉90度之位置。第2雷射束10通過鏡片2a、2b之圖中A~D。其中,A~D係以反射面中心為基準,分別於X、Y方向之15mm之位置。
圖5(a)~(d)為反射面之變形之實測例,表示各鏡片之A~D對應之位置相對於各個中心位置的變形量,單位為μm。
以下依據(a)之情況,說明決定圓柱形透鏡之焦點位置的順序。
於圖(a)之情況,首先,藉由式3算出變形量k,將變形量k代入式2,算出此時之曲率Rt。假設焦點距離fs為fs=Rt/2。
k=Avg(Σ A、Σ C)-Avg(Σ B、Σ D)………(式3)
(式3)為計算X方向變形量之和與Y方向變形量之和之間的差之式。之後,藉由將獲得之焦點距離之圓柱形透鏡配置於偏光束混合器30與鏡片2b之間,如此則,可將雷射束10、20之X、Y方向之聚光位置之偏移(偏差)設為約10 μm。
又,測定鏡片A之變形,進行加工測試結果發現,以式3算出之變形量k在0.1 μm以下時亦可不特別修正變形。
又,圖(b)~(d)之情況亦同樣,確認可藉由1個圓柱形透鏡獲得良好結果。
又,本實施形態中使用自鏡片A之中心起於X、Y方向15mm之位置之4點來推斷反射面之變形,但亦可將反射面分割為多數個格子狀,由各個變形來推斷變形。
1a、1b、2a、2b...鏡片
1aa、1bb...傳動裝置之旋轉軸
3...f θ透鏡
4、5...固定鏡
10、20...雷射束
30...偏光束混合器
50、50a、50b...圓柱形透鏡
100...印刷基板
101、102...區域
圖1為本發明之加工部光學系之展開圖。
圖2為鏡片A之變形說明圖。
圖3為本發明之加工部光學系之展開圖。
圖4為圖3之情況下鏡片A之反射面之展開圖。
圖5為反射面之變形之實測例。
圖6為習知雷射加工機之頭部光學系之圖。
圖7為習知技術之說明圖。
1a、1b、2a、2b...鏡片
3...f θ透鏡
10、20...雷射束
30...偏光束混合器
50a、50b、60a、60b...圓柱形透鏡

Claims (4)

  1. 一種雷射加工方法,係藉由旋轉軸線為X方向之X鏡片與旋轉軸線為Y方向之Y鏡片定位雷射使射入聚光透鏡,藉由聚光之雷射進行加工者,其特徵為:設有:光學手段,用於補正上述X鏡片或上述Y鏡片之反射面之曲率;將上述光學手段配置於上述雷射之光軸上;使上述雷射之X方向及Y方向之聚光位置和光軸方向一致;將上述光學手段設於1軸方向,使其焦點距離依據相對於上述X鏡片及上述Y鏡片之各個中心的X方向變形量之和,與Y方向變形量之和之間的差而決定。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射加工方法,其中,上述光學手段為圓柱形透鏡或圓柱形鏡片。
  3. 一種雷射加工裝置,係具備:旋轉軸線為X方向之X鏡片,旋轉軸線為Y方向之Y鏡片,及聚光透鏡;藉由上述X鏡片與上述Y鏡片定位雷射使射入上述聚光透鏡,藉由聚光之雷射進行加工者,其特徵為:設有:光學手段,用於補正上述X鏡片或上述Y鏡片之反射面之曲率,將該光學手段配置於上述雷射之光軸上;使上述雷射之X方向及Y方向之聚光位置和光軸方向一致;將上述光學手段設於1軸方向,使其焦點距離依據相 對於上述X鏡片及上述Y鏡片之各個中心的X方向變形量之和,與Y方向變形量之和之間的差而決定。
  4. 如申請專利範圍第3項之雷射加工裝置,其中,上述光學手段為圓柱形透鏡或圓柱形鏡片。
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