TWI414388B - 機械加工漸縮微孔之方法 - Google Patents

Description

機械加工漸縮微孔之方法

本發明大體上係關於超薄材料中之微孔的機械加工或鑽孔。

本申請案主張2007年5月3日申請的臨時專利申請案第60/915,770號之權利，該案之全文以引用之方式併入本文中。

近來，在雷射微機械加工系統中已做出技術投資及技術進步以在薄層材料中鑽出微型孔(被稱為微通孔)以在印刷電路板層之間建立路徑。在這些方法中，緊隨該鑽孔方法典型的係該等微通孔之一電鍍方法以建立在該等層之間的電連接或導電性。在此類型之鑽孔中，該微通孔之幾何截面，即孔頂及孔底之直徑及孔側壁之陡度或錐度不受具體要求或可變動，只要該等電鍍孔之電氣性能不受影響。舉例來說，典型的係該等電鍍孔之電氣性能主要由該等孔頂及孔底之直徑決定，一個重要的需考慮之處為該孔壁之粗糙度，因為進入該孔腔之較大突起可能妨礙電鍍進程。顧及該孔之幾何形狀，這些應用之典型具體要求被完全偏向更陡及更平滑之孔壁。

因為上述該鑽孔及機械加工方法不被希望用於且/或不適用於或有用於需要該漸縮貫穿孔之特定幾何形狀之處，例如需要特定之入口及出口孔直徑之處，因此需要用於貫穿孔之這種機械加工之參數的建立及一種特殊方法以鑽出 這種具有所要求的或規定的幾何形狀的孔。鑽出具有規定之入口及出口尺寸之微型貫穿孔之能力，其因此建立該側壁之錐度或角度，尤為有利於該等貫穿孔被用於穿經該薄層材料之光的傳播。在光傳播應用中，藉由鑽出具有受控尺寸之入口及出口之微型貫穿孔，穿經該出口之輸出光束的光傳播量及發散光特徵可被控制及被最優化用於特別的商業應用。舉例來說，在一微型貫穿孔側壁過陡之情況(從該材料之該出口側上之一表面到該側壁達到一接近90度之角)，一般有一穿經該孔之較高的光透射率，但相對較差的光發散度要求一使用者直接看著該出口以查看該被傳播之光。相反地，如果該微型貫穿孔側壁不夠陡(從該材料之該出口側上之一表面到該側壁達到一大體上大於90度之角)，如果該孔從具有較大開口之該側(典型的係該入口側)被照明，這將導致穿經該微型貫穿孔之光透射率大幅降低。

本發明揭示用於雷射機械加工貫穿一材料具有特定幾何截面之微型孔的創新方法。該創新方法尤有用於，但不限於，具有大體上均質成分的單層材料。一示例性應用為該薄層材料及微型孔被使用於光之傳播。

該方法包含建立鑽孔參數，其包含在待加工材料中移除材料所需之雷射功率及雷射脈衝反覆頻率值。其他參數包含至少一個在材料移除中該雷射跟隨以形成該等微型孔之工具加工軌道或路徑及該材料沿著該加工軌道被移除之工 具加工速率。

在一較佳實施例中，該工具加工軌道包含一種三相軌道路徑，其包含一第一軌道以界定該第一微型孔開口，一第二軌道以界定該孔之該漸縮內表面，及一第三軌道以界定一反向於該第一孔開口之第二孔開口。

在一較佳實施例中，該第一雷射軌道包含至少一個圍繞該微型孔之一縱軸的同心回轉。該第二軌道包含一圍繞該縱軸的遞減半徑長度之同心回轉的開放路徑。該第三軌道包含至少一個圍繞該縱軸的同心回轉。

當如下用於實踐本發明之最佳模式之敍述結合隨附圖式而被閱讀時，本發明之其他應用對技術熟練者係顯而易見的。

參考圖1至圖6，以下揭示用於穿經一薄層基板或材料鑽孔或機械加工微型孔的方法，該孔被稱為一貫穿孔。一般而言，經由描述於下之實驗，已決定有多個處理參數係有利於並應被考慮於貫穿微型孔之鑽孔中以獲得一被要求的或規定的孔幾何形狀。

應考慮的第一個參數為當該特別雷射被使用以鑽出該等孔時，該雷射用以鑽出或機械加工該等微型孔的功率及脈衝反覆頻率。被最佳顯示於圖6中，經由實驗在一具有400微米之一厚度15的鋁合金材料3中鑽取一具有90微米直徑之入口5及一具有30微米直徑之出口7的孔1，一532奈米之DPSS Nd：YAG雷射係合適的。鑽出上述孔1之該成功實驗 係用4.5瓦特之平均雷射功率以10千赫茲在該上述材料3之工作表面上執行。上述該成功機械加工處理係在一雷射焦平面上用一光學拓撲而被執行，該光學拓撲產生一照射在該工作表面12上的28微米之聚焦高斯光點。應被理解的係，技術熟練者所知道的不同於該上述實驗的其他雷射、雷射功率及脈衝反覆頻率可被使用而不脫離本發明。進一步被理解的係，不同的材料及厚度可被使用。

在該機械加工方法中下一個要考慮的參數為在該微型孔1之鑽孔中該雷射將跟隨的該工具加工軌道或路徑。被最佳地顯示於圖1－5中，經由實驗，已被決定的係一用於鑽出貫穿微型孔之三相工具加工軌道20尤為有利於要求特殊孔幾何形狀的鑽孔。較佳三相工具加工軌道包含一第一軌道(或階段1)30，一第二軌道(或階段2)40及一第三軌道(或階段3)50。

參考圖1、2及圖6，其中顯示該較佳三相工具加工軌道20之一較佳第一工具加工軌道30。經由實驗，已決定一橫跨材料3之一第一表面12的第一軌道30有用於界定該微型孔1之該頂(入口)直徑或第一開口5。在該較佳第一工具加工軌道30中，一閉合路徑環形軌道適於在該第一材料表面12上界定該第一開口5，其最佳顯示於圖6。如圖1中最佳顯示，其係使用一由至少一個圍繞縱軸25的完整的回轉構成的環形軌道30。在一較佳例樣中，複數個圍繞縱軸25之完整的環形回轉30已足夠建立該第一開口5，同時移除一些大塊材料3。

經由實驗以在400微米厚之鋁中鑽出一90微米直徑之第一開口5及一30微米直徑之出口第二開口7，使用一28微米之聚焦高斯光點，由五個具有一60微米直徑的圍繞縱軸25之環形回轉組成的該第一軌道30，其切削速度為73毫米每秒(mm/sec)。

在該較佳三相工具加工軌道20之該第二階段或軌道40中，一由多個同心圓構成之開放路徑40適於鑽出具有內壁10的被要求之導徑1，該等同心圓離該軸25的半徑距離或長度從一沿著第一軌道30之點開始遞減並在一沿著第三軌道50之點結束。

經由實驗以鑽出上述孔之幾何形狀，包含五個圍繞縱軸25以一10毫米每回轉之徑向間距或徑向減量以73毫米每秒之切削速度從該第一軌道之60微米外鑽直徑開始切削並在該10微米直徑(第三軌道50)7結束的開放螺旋回轉之第二軌道40係合適的。

在該較佳第三工具加工階段或軌道50中，圍繞該縱軸25的至少一個同心回轉50之一閉合軌道路徑被使用。在一較佳例樣中，數個圍繞縱軸25之環形路徑閉合回轉被使用。

經由實驗以鑽出上述該孔1，該第三軌道50包含五個圍繞縱軸25具有一10微米直徑7且切削速度為73毫米每秒的完整環形回轉。

雖然用於在材料3中鑽出上述該孔1的所描述的該實驗以所描述之該等特定方式使用三個單獨的軌道，應理解技術熟練者所熟知之該等參數及軌道之變化亦可被使用而不脫 離本發明。

進一步應理解的係雖然該較佳三相工具加工軌道20包含之第一軌道30、第二軌道40及第三軌道50被揭示為單獨、中斷之軌道，該等軌道30、40及50可為無縫的或被實現於一持續不中斷之方法中。應進一步理解的係根據該材料3及討論於此被技術熟練者所熟知之其他參數，額外或更少數量之工具加工階段或軌道可被使用。應進一步被理解，上述於圖6中具有特定幾何形狀的該實驗性之孔1僅為一例樣，在材料3中具有相關之第一開口5、第二開口7及漸縮內壁10的其他尺寸及形狀之孔可經由該創新方法製成而不脫離本發明。

待考慮之該第四處理參數為該雷射沿著材料3移動以移除材料3之該加工速度或速率。經由實驗，已決定在上述該等實驗性參數下，73毫米每秒為一製造一具有該理想幾何形狀的符合要求之通孔的合適速度。應理解技術熟練者熟知之其他工具加工速度可被使用而不脫離本發明。

雖然本發明聯繫被認為係最具實踐性及最佳之實施例而被描述，應理解本發明不應被限制於所揭示之該等實施例，反之，其應涵蓋多種被包含於請求項之精神及範圍內的修改及等價配置，該範圍應為在法律允許下符合最廣泛之解釋以便包含所有此等修改及等價結構。

1‧‧‧孔

3‧‧‧材料

5‧‧‧入口

7‧‧‧出口

10‧‧‧內壁

12‧‧‧工作表面

15‧‧‧厚度

25‧‧‧縱軸

圖1為一在一薄層材料中鑽取一示例性微型孔的三相工具加工軌道之一實例； 圖2顯示作為在一工作表面上的位置之一函數的累積積分通量分佈，該工作表面源於圖1之階段1軌道；圖3顯示作為在一工作表面上的位置之一函數的累積積分通量分佈，該工作表面源於圖1之階段2軌道；圖4顯示作為在一工作表面上的位置之一函數的累積積分通量分佈，該工作表面源於圖1之階段3軌道；圖5為一編輯圖，顯示作為在一工作表面上的位置之一函數的累積積分通量分佈，該工作表面源於圖2至圖4之該等單獨的軌道；及圖6為一源於圖1至圖5中之該等示例性三相工具加工軌道的一微型孔的示例性SEM照片。

(無元件符號說明)

Claims (13)

1. 一種雷射機械加工圍繞一穿經一薄層材料之縱軸具有預定幾何截面的若干微型孔的方法，該方法包括以下步驟：制定在該材料中移除材料所需的雷射功率及雷射脈衝反覆頻率值；制定至少一個工具加工軌道以界定一微型孔之該所需的幾何截面；制定該材料沿該加工軌道被移除的加工速率；穿經該薄層材料雷射加工該微型孔係藉由：沿一第一工具加工軌道行進以界定一第一孔開口，其中該第一工具加工軌道為一個圍繞該縱軸的閉合環形路徑；沿一第二工具加工軌道行進以界定該微型孔之一漸縮內壁；沿一第三工具加工軌道行進以界定一反向於該第一孔開口的第二孔開口，其中該第三工具加工軌道為一個圍繞該縱軸的閉合環形路徑；其中該第二軌道係為圍繞該縱軸之遞減半徑長度的若干個同心迴轉的一開放路徑，其開始於沿著該第一工具加工軌道的一點，且結束於沿著該第三工具加工軌道的一點。
2. 如請求項1之方法，其中沿著該第一工具加工軌道行進包含沿著該閉合環形路徑圍繞該縱軸行進複數個同心回 轉。
3. 如請求項1或2之方法，其中沿著該第二工具加工軌道行進包含沿著圍繞該縱軸的遞減半徑長度之同心回轉之該開放路徑行進複數次。
4. 如請求項1或2之方法，其中沿著該第三工具加工軌道行進包含沿著該閉合環形路徑以一半徑長度圍繞該縱軸行進複數個回轉。
5. 如請求項1或2之方法，其中該第一孔開口之直徑大於該第二孔開口，且其中用於移除在該薄層材料中的材料的雷射係為具有在10千赫茲下4.5瓦特之平均雷射功率的一532奈米之DPSS Nd：YAG雷射。
6. 如請求項1之方法，其中該第一、第二及第三工具加工軌道包括一個連續路徑。
7. 一種利用一雷射機械加工軌道在若干單層均質材料中雷射機械加工一圍繞一縱軸具有若干預定幾何截面的微型孔之方法，包括以下步驟：沿一同心圍繞該縱軸的第一軌道行進在該材料中界定一第一孔開口，其中該第一軌道係圍繞該縱軸的一閉合環形路徑；沿一圍繞該縱軸的第二軌道行進界定該微型孔之一內壁的幾何形狀；及沿一圍繞該縱軸的第三軌道行進界定該微型孔之一第二開口，其中該第三軌道係圍繞該縱軸的一閉合環型路徑； 其中該第二軌道係為圍繞該縱軸之遞減半徑長度的若干個同心迴轉的一開放螺旋路徑，其開始於沿著該第一工具加工軌道的一點，且結束於沿著該第三工具加工軌道的一點，以使得該孔之該內壁自該第一孔開口朝向該第二孔開口漸縮。
8. 如請求項7之方法，其中該第一軌道包括複數個圍繞該縱軸的閉合式環形回轉，該等回轉具有大體相同的離該軸的徑向距離。
9. 如請求項7或8之方法，其中該第三軌道包括複數個圍繞該縱軸的閉合式環形回轉，該等回轉具有大體相同的離該軸的徑向距離。
10. 一種機械加工若干微型貫穿孔以用於穿經一薄層材料之光的傳播之方法，該加工方法包括以下步驟：決定待加工之該薄層材料之厚度；決定該貫穿孔之一入口開口及一出口開口的尺寸，界定該貫穿孔之漸縮側壁；及沿至少一工具加工軌道行進以移除材料，形成該入口開口、該漸縮側壁及該出口開口，其係藉由：沿一圍繞一縱軸的第一工具加工軌道行進複數個回轉以界定該入口開口，其中該第一工具加工軌道係一閉合式環形軌道；沿著一第二工具加工軌道行進以界定該漸縮內壁；及沿著一圍繞該縱軸的第三工具加工軌道行進複數個回轉以界定該出口開口，其中該第三工具加工軌道係 一閉合式環形軌道；其中該第二工具加工軌道包括圍繞該縱軸的複數個回轉，其開始於沿著該第一工具加工軌道的一點且結束於沿著該第三工具加工軌道的一點。
11. 如請求項10之方法，其中該第二工具加工軌道為一開放螺旋軌道。
12. 如請求項10或11之方法，其進一步包括決定一用於從該薄層材料移除材料的工具加工速率的步驟。
13. 如請求項10或11之方法，其中決定該入口及出口開口之尺寸的該步驟進一步包括決定光穿經該薄層材料之一理想透射率及光穿經該出口開口之發散度的步驟。