TWI411484B - 雷射製程參數調校方法及自動參數調校之雷射加工機 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種參數調校方法，特別是一種雷射製程參數調校方法。
雷射劃線製程廣泛地應用於太陽能電池片(Solar cell)、矽晶圓(Wafer)、半導體材料及陶瓷材料之劃線切割。以雷射劃線製程取代傳統刀輪切割之優勢在於僅需切割表面，省略刀輪切割後需再經過磨邊與清洗的動作，並改善以刀輪切割易產生碎片之缺點。但其可能造成切割表面焦黑或表面因壓力碎裂而將融熔材料擠壓成山脊狀之突圓現象(Hillock)。因此，雷射參數的選擇是提供良好切割表面品質之重要關鍵。
雷射設備的機構複雜，因此其製程的參數繁多，諸如：雷射功率、雷射焦距、雷射移動速率、雷射觸發頻率、Q開關頻率等。為了迎合不同產品需求，需對各參數進行調整，以找出最佳的參數組合。然而，參數種類眾多，且參數間通常會相互影響將產生多種組合與實驗測試。再者，亦有分析不易之困難。因此，通常需有具雷射調校經驗之專家於生產線上直接針對製程結果進行調整，反覆測試，影響製程效率且耗費人力。
因此，需要一種可針對不同的雷射製程及不同產品品質要求，進行有效率的分析方法，以利快速找出最佳參數組合，而生產出最佳品質的產品。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提出關於雷射製程參數調校方法，用以快速找出適宜之參數以滿足雷射加工品質需求。
本發明提出一種雷射製程參數調校方法，用以調校Q開關雷射之複數個雷射參數，包含下列步驟：以實驗取得雷射參數之候選數值範圍，雷射參數包含焦距深度、Q開關頻率及雷射功率；自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之最佳參數數值組合；根據最佳參數數值組合，以二分法更新雷射參數之候選數值範圍；及重複前一步驟直至雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合雷射參數之最小可設定解析度。據此，可得到雷射參數之最佳設定數值。
較佳地，以實驗取得雷射參數之候選數值範圍之步驟，包含：固定雷射功率及Q開關頻率為適當數值範圍之中間值，以實驗取得焦距深度符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低雷射功率再進行實驗；固定焦距深度為候選數值範圍之中間值，固定雷射功率為適當數值範圍之中間值，實驗出Q開關頻率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低雷射功率再進行實驗；及固定焦距深度及Q開關頻率為候選數值範圍之中間值，實驗出雷射功率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低Q開關頻率再進行實驗。
較佳地，自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之最佳參數數值組合之步驟可採用灰關聯法進行。
較佳地，最佳參數數值組合是否符合製程品質係以複數個特徵參數進行判斷，特徵參數包含切割線寬、熱影響區大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否。
本發明亦提出一種雷射製程參數調校方法，用以調校脈衝式雷射之複數個雷射參數，包含下列步驟：以實驗取得雷射參數之候選數值範圍，雷射參數包含焦距深度及雷射功率；自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之最佳參數數值組合；根據最佳參數數值組合，以二分法更新雷射參數之候選數值範圍；及重複前一步驟直至雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合雷射參數之最小可設定解析度。據此，可得到雷射參數之最佳設定數值。
較佳地，以實驗取得雷射參數之候選數值範圍之步驟，包含：固定觸發頻率及雷射運動速度；固定雷射功率，以實驗取得焦距深度符合製程品質之候選數值範圍；及固定焦距深度為候選數值範圍之中間值，調整雷射功率至可達最低去除能力，並設定為雷射功率之候選數值範圍之中間值，以雷射功率之最小可設定解析度擴大為雷射功率之候選數值範圍之上下限數值。
較佳地，自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之最佳參數數值組合之步驟可採用灰關聯法進行。
較佳地，最佳參數數值組合是否符合製程品質係以複數個特徵參數進行判斷，特徵參數包含切割線寬、熱影響區大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否。
較佳地，於重複前一步驟直至雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合雷射參數之最小可設定解析度之步驟後，更包含：於雷射製程即時回授雷射加工座標及雷射觸發時間，以補償雷射觸發至發射之延遲時間。
本發明之次要目的在於應用前述之雷射製程參數調校方法，使得雷射加工機台自動進行參數最佳化。
本發明提出一種自動參數調校之雷射加工機台，包含：加工平台，承載一加工件；雷射裝置，發出雷射光而加工加工件；複數個感測裝置，感測加工件經加工後之複數個特徵參數；及中央控制裝置，控制加工平台、雷射裝置及複數個感測裝置，並接收外部設定之製程品質需求，中央控制裝置包含：運動控制模組，用以控制雷射裝置與加工平台間相對運動；雷射控制模組，用以控制雷射裝置之觸發時間及複數個雷射參數；及自動調校模組，根據特徵參數，以前述之雷射製程參數調校方法校正雷射參數。
有關本發明之較佳實施例及其功效，茲配合圖式說明如後。
以下舉出具體實施例以詳細說明本發明之內容，並以圖式作為輔助說明。說明中提及之符號係參照圖式符號。
雷射之種類依功率變化可分為連續波雷射(Continuous Wave laser,CW laser)及脈衝雷射(Pulsed laser)二種。而脈衝雷射又可細分為一般脈衝式雷射、Q開關雷射及鎖模雷射(Mode-lock laser)，其脈衝時間分別約為10-3
至10-6
秒、數個至數百個10-9
秒及10-12
至10-15
秒。於此，本發明第一實施例係用於向量模式製程，尤指以Q開關雷射進行向量移動加工；本發明第二實施例係用於離散點運動模式製程，尤指以一般脈衝式雷射進行點陣運動加工。以下實施例係以對面板進行切割為例進行說明。
請參照第1圖所示，係為本發明第一實施例之雷射製程參數調校方法流程圖。一種雷射製程參數調校方法，用以調校Q開關雷射之複數個雷射參數，包含下列步驟：步驟S11：以實驗取得雷射參數之候選數值範圍，雷射參數包含焦距深度、Q開關頻率及雷射功率。
於此，凡熟習本領域者應可理解，本發明所述之方法進行之前，應預先進行雷射加工機台校正，以確認雷射加工之可行性。例如：確認加工平台為水平、瞭解雷射焦距深度(Depth of focus,DOF)範圍。步驟S11更包含下列步驟：步驟S111：固定雷射功率及Q開關頻率為適當數值範圍之中間值，並以實驗取得焦距深度符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低雷射功率再進行實驗。
於此，以雷射功率及Q開關頻率為固定因子，變換焦距深度進行實驗。若加工結果不符合製程品質，則再調整焦距深度，進而取得有效之焦距深度範圍。然而，因雷射功率較Q開關頻率對於加工品質之影響小。故若未能找到符合製程品質之焦距深度範圍，則降低雷射功率再進行實驗，直至找到符合製程品質之焦距深度範圍。
步驟S112：固定焦距深度為候選數值範圍之中間值，固定雷射功率為適當數值範圍之中間值，實驗出Q開關頻率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低雷射功率再進行實驗。
於此，如同步驟S111，但改以焦距深度及雷射功率為固定因子，變換Q開關頻率進行實驗。因步驟S111已找到適當之焦距深度範圍，因此將此步驟之焦距深度設定為候選數值範圍之中間值。
若加工結果不符合製程品質，則再調整Q開關頻率，進而取得有效之Q開關頻率範圍。然而，因雷射功率較焦距深度對於加工品質之影響小。故若未能找到符合製程品質之Q開關頻率範圍，則降低雷射功率再進行實驗，直至找到符合製程品質之Q開關頻率範圍。
步驟S113：固定焦距深度及Q開關頻率為候選數值範圍之中間值，實驗出雷射功率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低Q開關頻率再進行實驗。
於此，如同步驟S112，但改以焦距深度及Q開關頻率為固定因子，變換雷射功率進行實驗。因步驟S111及步驟S112已找到適當之焦距深度範圍及Q開關頻率範圍，因此將此步驟之焦距深度範圍及Q開關頻率設定為候選數值範圍之中間值。
若加工結果不符合製程品質，則再調整雷射功率，進而取得有效之雷射功率範圍。然而，因Q開關頻率較焦距深度對於加工品質之影響小。故若未能找到符合製程品質之雷射功率範圍，則降低Q開關頻率再進行實驗，直至找到符合製程品質之雷射功率範圍。
步驟S12：自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合。
於此，由步驟S111至步驟S113實驗出雷射參數之候選數值範圍，可得候選數值範圍之上下限數值及中間值。續而，找出加工品質最好之組合，特別是可採用灰關聯法(Grey Relational Analysis,GRA)進行。例如：焦距深度之上限、Q開關頻率之中間值及雷射功率之下限為最佳參數數值組合。
步驟S13：根據最佳參數數值組合，以二分法更新雷射參數之候選數值範圍。
於此，根據最佳參數數值組合位於候選數值範圍之趨勢，以二分法將候選數值範圍縮小一半。例如：焦距深度之最佳參數為其候選數值範圍之上限，則將候選數值範圍縮小為候選數值範圍之上半部。
步驟S14：重複前一步驟直至雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合雷射參數之最小可設定解析度。
於此，根據雷射機台之雷射參數可設定之最小解析度，做為重複進行二分法之停止點。據此，可得到焦距深度、Q開關頻率及雷射功率之最佳設定數值。
上述有關判斷最佳參數數值組合是否符合製程品質之依據，係以複數個特徵參數進行判斷。特徵參數包含切割線寬、熱影響區(Heat-affected zone,HAZ)大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否。實質上，可視實際製程品質需求而定。於此，所述加工可為切割、消融蝕刻、鑽孔或退火(Annealing)。因此熟習本領域者應能理解，上述判斷製程品質之特徵參數並非以此為限。
請參照第2圖所示，係為本發明第二實施例之雷射製程參數調校方法流程圖。一種雷射製程參數調校方法，用以調校脈衝式雷射之複數個雷射參數，包含下列步驟：步驟S21：以實驗取得雷射參數之候選數值範圍，雷射參數包含焦距深度及雷射功率。於此，步驟S21更包含下列步驟：步驟S211：固定觸發頻率及雷射運動速度。
於此，雷射運動速度所指為雷射光與加工平台之相對運動速度，可為加工平台之運動速度或雷射裝置之運動速度，而對加工平台承載之加工件進行加工。依據光斑重疊率(overlap ratio)及雷射線寬，可決定雷射觸發頻率及雷射運動速度。例如：以20μm之線寬、重疊率為50%，若運動速度為500mm/s，約需50kHz的觸發頻率。
步驟S212：固定雷射功率，以實驗取得焦距深度符合製程品質之候選數值範圍。
於此，因焦距深度較雷射功率對於加工品質之影響大，故優先找出焦距深度之候選數值範圍。於此，以雷射功率為固定因子，變換焦距深度進行實驗。若加工結果不符合製程品質，則再調整焦距深度，進而取得有效之焦距深度範圍。
步驟S213：固定焦距深度為候選數值範圍之中間值，調整該雷射功率至可達最低去除能力，並設定為雷射功率之候選數值範圍之中間值，以雷射功率之最小可設定解析度擴大為雷射功率之候選數值範圍之上下限數值。
於此，以焦距深度為固定因子，並設定為候選數值範圍之中間值，變換雷射功率進行實驗。當雷射達到去除材料之最低去除能力時，將此雷射功率設定為候選數值範圍之中間值。續而以雷射功率可設定之最小解析度自候選數值範圍之中間值擴大為候選數值範圍之上下限數值，以利後續步驟進行。
步驟S22：自雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合。
於此，由步驟S211至步驟S213實驗出雷射參數之候選數值範圍，可得候選數值範圍之上下限數值及中間值。續而，找出加工品質最好之組合，特別是可採用灰關聯法進行。例如：焦距深度之上限及雷射功率之中間值為最佳參數數值組合。
步驟S23：根據最佳參數數值組合，以二分法更新雷射參數之候選數值範圍。
於此，根據最佳參數數值組合位於候選數值範圍之趨勢，以二分法將候選數值範圍縮小一半。例如：焦距深度之最佳參數為其候選數值範圍之上限，則將候選數值範圍縮小為候選數值範圍之上半部。
步驟S24：重複前一步驟直至雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合雷射參數之最小可設定解析度。
於此，根據雷射機台之雷射參數可設定之最小解析度，做為重複進行二分法之停止點。據此，可得到焦距深度及雷射功率之最佳設定數值。
為使雷射觸發與雷射運動同步，步驟S24後更包含：步驟S25：於雷射製程即時回授一雷射加工座標及一雷射觸發時間，以補償雷射觸發至發射之延遲時間。
於此，回授雷射對應加工平台之X座標及Y座標，並回授雷射觸發之時間，作為即時校正之用。據以使雷射與加工平台相對運動時，雷射光斑位置符合預期，避免因雷射觸發延遲而使實際加工位置與預期加工位置不符，而造成雷射光斑之重疊率不均勻。於此，可透過校正雷射觸發時間或調整雷射與加工平台之相對運動達成。
上述有關判斷最佳參數數值組合是否符合製程品質之依據，係以複數個特徵參數進行判斷。特徵參數包含切割線寬、熱影響區大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否。實質上，可視實際製程品質需求而定。於此，本發明第一級第二實施例雖以面板切割進行說明，但本發明並非以此為限，所述加工可為切割、消融蝕刻、鑽孔或退火(Annealing)。因此熟習本領域者應能理解，上述判斷製程品質之特徵參數並非以此為限。
請參閱第3圖所示，係為本發明第三實施例之雷射加工機台方塊示意圖。一種自動參數調校之雷射加工機台3包含加工平台31、雷射裝置32、複數個感測裝置及中央控制裝置34。其中，複數個感測裝置係選自同軸視覺模組(Coaxial vision sensor)331、表面輪廓儀(Laser profiling sensor)332、高度量測儀333、四點探針量測儀(Four-point probe)334、相位顯微儀335及其組成之群組。
加工平台31用以承載一加工件4。雷射裝置32用以發出雷射光321而加工加工件4。感測裝置用以感測加工件4經加工後之複數個特徵參數。舉例而言，同軸視覺模組331用以判別切割線寬及熱影響區大小；表面輪廓儀332用以量測切割邊緣之突圓大小；高度量測儀333量測加工件4表面平坦度及劃線(Film scribing)厚度，而可得知切割線均勻與否；四點探針量測儀334量測加工件4阻抗，用以檢測切割線切斷與否；相位顯微儀335用以快速量測加工件4表面平坦度，以供加工時即時修正。
中央控制裝置34控制加工平台31、雷射裝置32及複數個感測裝置，並具有操控介面以供接收外部設定之製程品質需求。其中，中央控制裝置34包含運動控制模組341、雷射控制模組342及自動調校模組343。運動控制模組341用以控制雷射裝置32與加工平台31間相對運動。雷射控制模組342用以控制雷射裝置32之觸發時間及複數個雷射參數。自動調校模組343根據特徵參數，以前述第一及第二實施例之雷射製程參數調校方法校正雷射參數。
於此，前述第一及第二實施例中判斷符合製程品質之步驟，實質上可透過複數個感測裝置取得複數個特徵參數而輸入至自動調校模組343。自動調校模組343進一步根據外部輸入之製程品質需求，比對各特徵參數，而判斷加工是否符合製程品質；續而，通知雷射控制模組342進行雷射參數之調整。
並且，自動調校模組343接收加工平台31之X、Y座標及雷射裝置32之觸發時間，以獲得雷射何時觸發及對應之加工位置之資訊。進而可進行如前述步驟S25，由雷射控制模組342補償雷射觸發至發射之延遲時間，而調整雷射觸發時間，以使雷射加工可同步於加工平台31運動；或者，調整加工平台31之運動控制參數進行同步。
特別是，加工平台31除具有供加工件4進行加工之加工區外，更具有一測試區，以供利用前述第一及第二實施例之雷射製程參數調校方法先行進行雷射參數選擇。待選定雷射參數之最佳設定數值後，於加工區進行加工。加工時，可透過高度量測儀333及相位顯微儀335快速檢測加工件4表面，藉以微調雷射參數以符合製程品質。
綜上所述，透過本發明提出之雷射製程參數調校方法可有條理地進行雷射製程參數調校，並使加工產品符合預期。並且，由本發明提出之雷射加工機台配合前述雷射製程參數調校方法，可達到雷射機台自動參數校正之功效。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S11～S14、S21～S25．．．步驟
3．．．雷射加工機台
31．．．加工平台
32．．．雷射裝置
321．．．雷射光
331．．．同軸視覺模組
332．．．表面輪廓儀
333．．．高度量測儀
334．．．四點探針量測儀
335．．．相位顯微儀
34．．．中央控制裝置
341．．．運動控制模組
342．．．雷射控制模組
343．．．自動調校模組
4．．．加工件
第1圖為本發明第一實施例之雷射製程參數調校方法流程圖。
第2圖為本發明第二實施例之雷射製程參數調校方法流程圖。
第3圖為本發明第三實施例之雷射加工機台方塊示意圖。
S11～S14．．．步驟
Claims (8)
- 一種雷射製程參數調校方法，用以調校Q開關雷射之複數個雷射參數，該調校方法包含下列步驟：以實驗取得該些雷射參數之候選數值範圍，該些雷射參數包含一焦距深度、一Q開關頻率及一雷射功率；自該些雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合，其中該最佳參數數值組合是否符合製程品質係以複數個特徵參數進行判斷，該些特徵參數包含切割線寬、熱影響區大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否；根據該最佳參數數值組合，以二分法更新該些雷射參數之候選數值範圍；及重複前一步驟直至該些雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合該些雷射參數之最小可設定解析度。
- 如請求項1之雷射製程參數調校方法，其中，以實驗取得該些雷射參數之候選數值範圍之步驟，包含：固定該雷射功率及該Q開關頻率為適當數值範圍之中間值，以實驗取得該焦距深度符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低該雷射功率再進行實驗；固定該焦距深度為候選數值範圍之中間值，固定該雷射功率為適當數值範圍之中間值，實驗出該Q開關頻率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低該雷射功率再進行實 驗；及固定該焦距深度及該Q開關頻率為候選數值範圍之中間值，實驗出該雷射功率符合製程品質之候選數值範圍，若均不符製程品質，則降低該Q開關頻率再進行實驗。
- 如請求項1之雷射製程參數調校方法，其中，自該些雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合之步驟可採用灰關聯法進行。
- 一種雷射製程參數調校方法，用以調校脈衝式雷射之複數個雷射參數，該調校方法包含下列步驟：以實驗取得該些雷射參數之候選數值範圍，該些雷射參數包含一焦距深度及一雷射功率；自該些雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合，其中該最佳參數數值組合是否符合製程品質係以複數個特徵參數進行判斷，該些特徵參數包含切割線寬、熱影響區大小、切割邊緣之突圓大小、切割線切斷與否及切割線均勻與否；根據該最佳參數數值組合，以二分法更新該些雷射參數之候選數值範圍；及重複前一步驟直至該些雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合該些雷射參數之最小可設定解析度。
- 如請求項4之雷射製程參數調校方法，其中，以實驗取得該些 雷射參數之候選數值範圍之步驟，包含：固定一觸發頻率及一雷射運動速度；固定該雷射功率，以實驗取得該焦距深度符合製程品質之候選數值範圍；及固定該焦距深度為候選數值範圍之中間值，調整該雷射功率至可達最低去除能力，並設定為該雷射功率之候選數值範圍之中間值，以該雷射功率之最小可設定解析度擴大為該雷射功率之候選數值範圍之上下限數值。
- 如請求項4之雷射製程參數調校方法，其中，自該些雷射參數之候選數值範圍之上下限數值及中間值之組合中，以實驗取得符合製程品質需求之一最佳參數數值組合之步驟可採用灰關聯法進行。
- 如請求項4之雷射製程參數調校方法，其中，於重複前一步驟直至該些雷射參數之候選數值範圍之中間值至上下限數值之間距符合該些雷射參數之最小可設定解析度之步驟後更包含：於雷射製程即時回授一雷射加工座標及一雷射觸發時間，以補償雷射觸發至發射之延遲時間。
- 一種自動參數調校之雷射加工機台，包含：一加工平台，承載一加工件；一雷射裝置，發出一雷射光而加工該加工件；複數個感測裝置，感測該加工件經加工後之複數個特徵參數；及 一中央控制裝置，控制該加工平台、該雷射裝置及該些感測裝置，並接收外部設定之製程品質需求，該中央控制裝置包含：一運動控制模組，用以控制該雷射裝置與該加工平台間相對運動；一雷射控制模組，用以控制該雷射裝置之觸發時間及複數個雷射參數；及一自動調校模組，根據該些特徵參數，以如請求項1至請求項7中任一項之雷射製程參數調校方法校正該些雷射參數。
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- 2010-11-17 TW TW99139588A patent/TWI411484B/zh active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200920533A (en) * | 2007-11-02 | 2009-05-16 | Disco Corp | Laser beam machining apparatus |
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|---|---|---|---|---|
| CN110640316A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-03 | 温州大学 | 一种双光束激光焊接优化方法 |
| CN110640316B (zh) * | 2019-09-03 | 2021-05-21 | 温州大学 | 一种双光束激光焊接优化方法 |
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