TWI406732B - Magnetic field assisted laser plasma device - Google Patents

Description

磁場輔助雷射電漿裝置

本發明係有關一種磁場輔助雷射電漿裝置，特別是指一種具有磁力部之磁場輔助雷射電漿裝置，其兼具加工時間短及可控制、監測以回饋調控孔洞形狀等優點及功效。

雷射鑽孔應用於印刷電路板(PCB)、太陽能電池(Solar Cell)、陶磁(Ceramic)與金屬薄板的鑽孔為主，但雷射加工高反射的金屬往往造成鑽孔速率降低，加工時間延長造成孔洞直徑與熱影響區擴孔等問題。

而業界鑽孔方式一般採用接觸式的方式進行機械鑽孔，對於實際的孔洞精度及表面孔洞品質，都會因鑽針的摩耗而下降，也就是說，不論雷射鑽孔或機械鑽孔，係存在著各自的缺點。

就以雷射在一金屬板上鑽孔來說，雷射光束直接打在該金屬板之表面，形成局部高溫之熱融區，瞬間將較外部的金屬材料汽化形成電漿團，同時也產生電子( )、金屬之帶電粒子(帶正電)、金屬之中子(不帶電)與金屬之離子(帶正電)，當鑽孔之深度增加時，排屑也越困難，特別是在窄且深的孔的加工上，如何提高排屑效率，亦是業界關心的重點。然而，當孔徑小於1.5mm時，若以傳統之強制氣流輔助排屑(即俗稱吹氣排屑法)，其以氣流將此窄孔內之微小金屬粒子排出之效果不佳，而且會降低熱融區之溫度，導致雷射鑽孔速度降低。

此外，傳統設備中亦無法控制電漿團中之微小金屬粒子之移動方向。

因此，有必要研發新產品及計術，以解決上述缺點及問題。

本發明之目的在於提供一種磁場輔助雷射電漿裝置，其兼具加工時間短及可控制孔洞形狀等優點及功效，並可即時回饋 調控，用以解決習知技術加工時間長及無法控制微小金屬粒子之移動方向等問題。

本發明解決上述問題之技術手段係提供一種磁場輔助雷射電漿裝置，其包括：一加工機台，其係具有一基座及一固定部；該固定部係可移動的設於該基座上，用以固定一預定加工物件；該預定加工物件係為一金屬材質，且具有一加工表面；一磁力部，具有一N極及一S極並產生一磁場，該磁力部係可移動的設於該基座上，用以產生一高密度磁力線區及一低密度磁力線區，當該磁力部之N極與S極為分隔開時，該高密度磁力線區係為介於N極與S極間之區域，而當該磁力部為一由通電線圈產生磁力之電磁鐵時，該高密度磁力線區係為緊鄰N極與S極之區域，而該高密度磁力線區以外之區域係為該低密度磁力線區，且該高密度磁力線區磁力線係通過該預定加工物件；又，該磁力部與該加工表面之垂直距離係介於0公釐至11公釐之間；一雷射單元，其係用以發射一雷射光，對該預定加工物件之加工表面進行加工；一磁場感測部、一聲音感測部及一影像擷取部；藉此，當該雷射光照射在該加工表面時產生一電漿游離區，而該高密度磁力線區係大體上通過此電漿游離區，進而能利用該高密度磁力線區之磁場方向來控制帶正電之微小物體之移動方向。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

如第一圖所示，本發明係為一種磁場輔助雷射電漿裝置，其包括：一加工機台10、一磁力部20及一雷射單元30。

關於該加工機台10，其係具有一基座11及一固定部12； 該固定部12係可移動的設於該基座11上，用以固定一預定加工物件70；該預定加工物件70係為一金屬材質，且具有一加工表面71；該固定部12係可為虎鉗。

該磁力部20係具有一N極及一S極並產生一磁場，該磁力部20係可移動的設於該基座11上，用以產生一高密度磁力線區251及一低密度磁力線區252，當該磁力部20之N極與S極為分隔開時，該高密度磁力線區251係為介於N極與S極間之區域(請參閱第四圖)，而當該磁力部20為一由通電線圈產生磁力之電磁鐵時，該高密度磁力線區251係為緊鄰N極與S極之區域(請參閱第八B圖)，而該高密度磁力線區251以外之區域係為該低密度磁力線區252，且該高密度磁力線區251磁力線係通過該預定加工物件70；又，該磁力部20與該加工表面71之垂直距離係介於0公釐至11公釐之間。

而該雷射單元30係用以發射一雷射光L，對該預定加工物件70之加工表面71進行加工。

藉此，當該雷射光L照射在該加工表面71時產生一電漿游離區72，而該高密度磁力線區251係大體上通過此電漿游離區72，進而能利用該高密度磁力線區251之磁場方向來控制帶正電之微小物體之移動方向。

在設計上，該基座11上係設有一反射鏡組111及一聚焦鏡112，該雷射單元30發射之雷射光L係先照射該反射鏡組111，經由該反射鏡組111反射後，通過該聚焦鏡112而對該預定加工物件70進行加工(如第一圖所示)。

當該雷射光L照射聚焦於該金屬材料表面時(即該預定加工物件70之加工表面71)，會產生一系列的鑽孔過程；如第二圖所示，該雷射光L所提供能量(>10⁹ w /cm ² )經過金屬材料表面吸收瞬間將較外部的金屬材料汽化，而受到汽化能壓縮且溫度尚未達到汽化點的熔化材料70A，則透過汽液介面70B(knudsen層，介於汽化-熔化介面層，通常只擁有數微米厚度)下方排出。

而本發明在電漿經過處增加外部磁場(也就是磁力部20產生之磁力線)，係會使離子運動與磁場運動為同方向發展並擴散。

以該預定加工材料為鋁金屬來說，該雷射光L誘發鋁金屬的電漿中包含電子(e ^- )、帶電粒子(Al ⁺ )、中子(Al )與離子(Al ⁺⁺ )等所合成，當電漿受到磁場之拘束與控制時，帶正電的帶電粒子擁有一個初速度v，與均勻的磁場B垂直，帶電粒子垂直於磁力線並保持圓周運動(如第三圖所示)；當帶電粒子之初速度v與磁場B垂直，帶電粒子拘束力為F =qvB ，從牛頓第二定律F=ma，推導出向心力F =qvB =mv ² /r (r為粒子圓周半徑)，可獲得r =mv /qB ，圓周軌道半徑可直接與線性變化的動量成正比或與磁場強度成反比。

更詳細的說，本發明係利用該雷射光L對該預定加工工件70進行鑽孔，並藉由該磁力部20所產生之磁力線進行輔助，達到所需要之鑽孔效果。

如第四圖所示，該磁力部20係可由左右對稱之磁鐵20A(例如：永久磁鐵)所組成，其變化可為左右各一個磁鐵20A外，也可為左右各兩個磁鐵、左右各三個磁鐵、左右各四個磁鐵。複數磁鐵20A係位於該預定加工物件70之兩側；藉此，當該雷射光L加工出一孔洞75時，該高密度磁力線區251之磁場方向大體上與電漿移動方向垂直而使得部份帶正電之微小物體撞擊至該孔洞75之內壁面。

當然，當磁力線方向及強度有變化時，該雷射光L於該預定加工材料70上所產生的孔洞也會產生不同的變化，也就是說，藉由磁鐵20A數量的改變，即可達到不同之孔洞變化；關於不同磁鐵20A數量與產生孔洞之變化情形，係以下列之實際實驗結果進行說明。

在實驗中，該雷射光L係採用Lotis Nd：YAG脈衝雷射源，脈衝寬度為8ns，波長532nm時最大脈衝能量為255mJ，最高輸出頻率為15Hz，可調整參數為雷射帶動幫浦能量(相對於脈 衝能量)；該預定加工物件70係為兩片厚度為0.6mm之鋁合金a16061，該磁鐵20A水平中心與鋁合金表面之垂直距離為2mm(該磁鐵20A水平中心高於金屬表面)；而在環境方面，係於大氣中進行加工，總共進行225發脈衝加工。

如第五A至自第五E圖所示，其係分別為無該磁力部20輔助、該磁力部20為左右各一個磁鐵20A、該磁力部20為左右各兩個磁鐵20A、該磁力部20為左右各三個磁鐵20A及該磁力部20為左右各四個磁鐵20A時之雷射加工示意圖，且其加工後之孔洞變化，係如第六A至六E圖所示。

由六A至六E、第七A至第七E圖可知，在具有不同數量磁鐵20A之磁力部20的輔助下，該雷射光L對該預定加工材料70加工所形成的孔洞，直徑較無磁力輔助之孔洞小，同時孔洞深度也較深；如第六E及第七E圖所示，當該磁鐵20A增加至左右各四組時，係會產生之葫蘆形狀之孔洞。

如第八A圖所示，其係為本發明之第二實施例，其中，該磁力部20之設計係為一中空電磁吸盤之形式，該磁力部20係具有一線圈纏繞部21、一磁力產生部22、一中空貫穿圓柱孔23，該磁力產生部22係介於該線圈纏繞部21及該中空貫穿圓柱孔23之間(也就是說，該磁力部20係由一通電線圈產生磁力之電磁鐵)；藉此，當該雷射光L加工出一孔洞75時且該磁力部20之N極係朝該孔洞75時(也就是N極朝向該加工表面71)，該高密度磁力線區251之磁場方向大體上與電漿移動方向平行而使得部份帶正電之微小物體撞擊至該孔洞75之底面(如第八B圖所示)；而當該磁力部之S極係朝該孔洞75時(也就是S極朝向該加工表面71)，該高密度磁力線區251之磁場方向大體上與電漿移動方向平行而使得部份帶正電之微小物體被帶離該孔洞75(如第八C圖所示)。

在該第二實施例之實驗中，係分別對沒有磁力部20及七種不同高度磁力部20之情形下所產生之雷射加工孔洞75進行比較(此實驗中，該磁力部20之S極朝向該加工表面71)。

如第九A及圖所示，其係沒有磁力部20情況下，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75之入口端俯視圖；第九B圖係該磁力部20之底面與該加工表面71於同一平面情況下(即貼合，距離為0mm)，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75之入口端俯視圖；如第九C至第九H圖所示，其係該磁力部20之底面與該加工表面71之垂直距離(該磁力部20水平中心高於該加工表面71)分別為1mm、2mm、5mm、7mm、9mm、11mm之情況下，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75之入口端俯視圖。

如第十A及第十一A圖所示，其係沒有磁力部20情況下，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75形狀；第十B及第十一B圖係該磁力部20底面與該加工表面71於同一平面情況下(即貼合，距離為0mm)，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75形狀；如第十C至第十H、第十一C至第十一H圖所示，其係該磁力部20之底面與該加工表面71之垂直距離(該磁力部20水平中心高於該加工表面71)分別為1mm、2mm、5mm、7mm、9mm、11mm之情況下，該雷射光L對該預定加工材料70加工所產生之孔洞75形狀。

觀察該孔洞75形狀可知，在該磁力部20底面與該加工表面71距離為0mm時所產生之孔洞75，其直徑較無磁力部20產生之孔洞75小，深度也較深；而在該磁力部20水平中心與該加工表面71之垂直距離方面，隨著該磁力部20的升高，則產生之孔洞75係有明顯縮小的現象。

另外，如第十二A及第十二B圖所示，其係分別為在該磁力部20底面與該加工表面71之垂直距離為0mm及2mm時，所形成之該孔洞75周圍之放大示意圖，由圖中可知，該磁力部20底面與該加工表面71之垂直距離為0mm時，再鑄層明顯，而該磁力部20底面與該加工表面71之垂直距離為2mm時，該孔洞75周圍品質較佳，可有效將熔融材料與再鑄層有效排出該孔洞75周圍。。

另外，對於難以加工之材料，係可先藉由本發明之磁場輔助雷射電漿裝置進行加工，使材料形成一盲孔，方便鑽針進行鑽孔；以不鏽鋼304為該預定加工物件70來說，利用單純鑽針鑽孔與利用本發明預先形成盲孔再進行鑽針鑽孔之結果，係如第十三A圖及第十三B圖所示；由第十三A圖可知，單純鑽針鑽孔造成熱影響區75A範圍較大與真圓度失真等現象，而利用本發明預先形成盲孔再進行鑽針鑽孔，雖仍具有熱影響區75A，但範圍較小且不影響真圓度。

由以上說明可知，本發明之輔助效果可歸類為下列三種：

[a]控制電漿方向。該磁力部20位於該預定加工物件70之加工表面71上方，可有效吸引電漿中之電子與帶電離子，可有效控制電漿方向，達到所需之孔洞75形狀。

[b]可達到更深的的孔洞。該磁力部20所產生之集中磁場，可輔助電漿持續向下加工，達到更深的孔洞深度。

[c]可增加電漿之高度及加工溫度。當該磁力部20產生之磁力線方向是往中間集中，造成通過磁場區域的電漿流產生拘束集中作用，能有效提高電漿內電子、離子的密度，同時增加電漿高度及電漿亮度(即加工溫度)。

如第十四圖所示，本發明又包括一磁場感測部41、一聲音感測部42及一影像擷取部43；分別用以檢測該雷射光L對該預定加工物件70加工時之磁場、聲、光訊號，並透過檢測結果進行適當之調整，以達到所需之加工要求。

如第十五及第十六圖所示，本發明又包括一電場輔助部50及一電場感測部44；該電場輔助部50用以產生一電場51，且該電場51係通過該預定加工物件70；藉此，利用該磁場感測部41、該聲音感測部42該影像擷取部43及該電場感測部44，分析雷射誘發電漿之內電流、電壓與聲、光訊號，藉以測量電場及磁場對帶電粒子、電漿電壓和電漿電流的影響，並透過檢測結果進行適當之調整，以達到所需之加工要求。關於該電場輔助部50、該磁場感測部41、該聲音感測部42該影像擷 取部43及該電場感測部44，在第十四至第十六圖中係僅以簡單之圖形進行示意。

綜上所述，本發明之優點及功效可歸納為：

[1]加工時間短。雷射加工高反射的金屬往往造成鑽孔速率降低，加工時間延長造成孔洞直徑與熱影響區擴孔等問題；而本發明之該磁力部20，可使通過磁場區域的電漿流產生拘束集中作用，增加電漿之高度，改善熱影響區並降低孔洞75錐度比，降低穿孔所需之加工時間。

[2]可控制、監測以回饋調控孔洞形狀。本發明利用磁力部之形式及高度變化，即可使該磁力線之方向及強度產生變化，控制電漿團中之微小金屬粒子之移動方向，進而影響該雷射光L加工形成之孔洞75形狀；在加工過程中，本發明可同時利用監測機制進行即時回饋調控，進而達到所需之孔洞75形狀。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出發明專利申請。

10‧‧‧加工機台

11‧‧‧基座

111‧‧‧反射鏡組

112‧‧‧聚焦鏡

12‧‧‧固定部

20‧‧‧磁力部

20A‧‧‧磁鐵

21‧‧‧線圈纏繞部

22‧‧‧磁力產生部

23‧‧‧中空貫穿圓柱孔

251‧‧‧高密度磁力線區

252‧‧‧低密度磁力線區

30‧‧‧雷射單元

41‧‧‧磁場感測部

42‧‧‧聲音感測部

43‧‧‧影像擷取部

44‧‧‧電場感測部

50‧‧‧電場輔助部

51‧‧‧電場

70‧‧‧預定加工物件

70A‧‧‧熔化材料

70B‧‧‧汽液介面

71‧‧‧加工表面

72‧‧‧電漿游離區

75‧‧‧孔洞

75A‧‧‧熱影響區

L‧‧‧雷射光

第一圖係本發明之磁場輔助雷射電漿裝置之示意圖

第二圖係雷射加工之孔洞氣液相層之示意圖

第三圖係帶電粒子速度與向心力之示意圖

第四圖係本發明之第一實施例之磁力線分佈之示意圖

第五A圖係無磁力部之雷射加工之示意圖

第五B圖係本發明之磁力部變化一之雷射加工之示意圖

第五C圖係本發明之磁力部變化二之雷射加工之示意圖

第五D圖係本發明之磁力部變化三之雷射加工之示意圖

第五E圖係本發明之磁力部變化四之雷射加工之示意圖

第六A圖係無磁力部之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第六B圖係本發明之磁力部變化一之雷射加工所形成之孔洞 之示意圖

第六C圖係本發明之磁力部變化二之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第六D圖係本發明之磁力部變化三之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第六E圖係本發明之磁力部變化四之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第七A圖係無磁力部之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第七B圖係本發明之磁力部變化一之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第七C圖係本發明之磁力部變化二之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第七D圖係本發明之磁力部變化三之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第七E圖係本發明之磁力部變化四之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第八A圖係本發明之第二實施例之示意圖

第八B圖係本發明之第二實施例之磁力線變化一之示意圖

第八C圖係本發明之第二實施例之磁力線變化二之示意圖

第九A圖係無磁力部之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九B圖係本發明之磁力部變化五之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九C圖係本發明之磁力部變化六之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九D圖係本發明之磁力部變化七之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九E圖係本發明之磁力部變化八之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九F圖係本發明之磁力部變化九之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九G圖係本發明之磁力部變化十之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第九H圖係本發明之磁力部變化十一之雷射加工所形成之孔洞之俯視圖

第十A圖係無磁力部之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十B圖係本發明之磁力部變化五之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十C圖係本發明之磁力部變化六之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十D圖係本發明之磁力部變化七之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十E圖係本發明之磁力部變化八之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十F圖係本發明之磁力部變化九之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十G圖係本發明之磁力部變化十之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十H圖係本發明之磁力部變化十一之雷射加工所形成之孔洞之示意圖

第十一A圖係無磁力部之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一B圖係本發明之磁力部變化五之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一C圖係本發明之磁力部變化六之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一D圖係本發明之磁力部變化七之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一E圖係本發明之磁力部變化八之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一F圖係本發明之磁力部變化九之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一G圖係本發明之磁力部變化十之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十一H圖係本發明之磁力部變化十一之雷射加工所形成之孔洞之截面圖

第十二A圖係本發明之磁力部變化五之雷射加工所形成之孔洞周圍之放大示意圖

第十二B圖係本發明之磁力部變化七之雷射加工所形成之孔洞周圍之放大示意圖

第十三A圖係單純鑽針鑽孔所形成之孔洞示意圖

第十三B本發明預先形成盲孔再進行鑽針鑽孔之孔洞示意圖

第十四圖係本發明之第三實施例之示意圖

第十五圖係本發明之第四實施例之示意圖

第十六圖係本發明之第四實施例之俯視示意圖

10‧‧‧加工機台

11‧‧‧基座

111‧‧‧反射鏡組

112‧‧‧聚焦鏡

12‧‧‧固定部

20‧‧‧磁力部

30‧‧‧雷射單元

70‧‧‧預定加工物件

L‧‧‧雷射光

Claims (5)

1. 一種磁場輔助雷射電漿裝置，其包括：一加工機台，其係具有一基座及一固定部；該固定部係可移動的設於該基座上，用以固定一預定加工物件；該預定加工物件係為一金屬材質，且具有一加工表面；一磁力部，具有一N極及一S極並產生一磁場，該磁力部係可移動的設於該基座上，用以產生一高密度磁力線區及一低密度磁力線區，當該磁力部之N極與S極為分隔開時，該高密度磁力線區係為介於N極與S極間之區域，而當該磁力部為一由通電線圈產生磁力之電磁鐵時，該高密度磁力線區係為緊鄰N極與S極之區域，而該高密度磁力線區以外之區域係為該低密度磁力線區，且該高密度磁力線區磁力線係通過該預定加工物件；又，該磁力部與該加工表面之垂直距離係介於0公釐至11公釐之間；一雷射單元，其係用以發射一雷射光，對該預定加工物件之加工表面進行加工；一磁場感測部、一聲音感測部及一影像擷取部；藉此，當該雷射光照射在該加工表面時產生一電漿游離區，而該高密度磁力線區係大體上通過此電漿游離區，進而能利用該高密度磁力線區之磁場方向來控制帶正電之微小物體之移動方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁場輔助雷射電漿裝置，其中，該磁力部係由左右對稱之複數磁鐵所組成；複數磁鐵係位於該預定加工物件之兩側；藉此，當該雷射光加工出一孔洞時，該高密度磁力線區之磁場方向大體上與電漿移動方向垂直而使得部份帶正電之微小物體撞擊至該孔洞之內壁面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁場輔助雷射電漿裝置，其中，該磁力部係具有一線圈纏繞部、一磁力產生部、一中空貫穿圓柱孔，該磁力產生部係介於該線圈纏繞部及該中 空貫穿圓柱孔之間；藉此，當該雷射光加工出一孔洞時且該磁力部之N極係朝該孔洞時，該高密度磁力線區之磁場方向大體上與電漿移動方向平行而使得部份帶正電之微小物體撞擊至該孔洞之底面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁場輔助雷射電漿裝置，其中，該磁力部係具有一線圈纏繞部、一磁力產生部、一中空貫穿圓柱孔，該磁力產生部係介於該線圈纏繞部及該中空貫穿圓柱孔之間；藉此，當該雷射光加工出一孔洞時且該磁力部之S極係朝該孔洞時，該高密度磁力線區之磁場方向大體上與電漿移動方向平行而使得部份帶正電之微小物體被帶離該孔洞。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁場輔助雷射電漿裝置，其又包括一電場輔助部，用以產生一電場，且該電場係通過該預定加工物件。