TWI792876B - 雷射鑽孔裝置 - Google Patents

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Abstract

一種雷射鑽孔裝置，其包含有一振鏡模組、一第一透鏡、一第二透鏡、一聚焦模組，與一雷射光源，該雷射光源輸出一雷射光束，該雷射光束經該第一透鏡與該第二透鏡整形成一入射環形光束，並經該振鏡模組反射成一反射環形光束，該反射環形光束經過該聚焦模組聚焦形成一類貝索爾光束，該振鏡模組具有一掃描方向，並可偏轉該反射環形光束，該聚焦模組具有一可沿該掃描方向移動的第三透鏡，減少該類貝索爾光束在不同的聚焦位置時，聚焦形狀與聚焦能量密度的改變，可以提升該雷射鑽孔裝置於單一基板上成形多個穿孔的速度，並且同時維持穿孔的品質。

Description

雷射鑽孔裝置
本發明關於一種雷射鑽孔裝置，特別關於一種可以改變雷射光束的聚焦位置，並且維持雷射光束的聚焦能量，而在基板上快速成形多個穿孔的雷射鑽孔裝置。
雷射鑽孔技術已被應用於成形矽穿孔(Through Silicon Via,TSV)或玻璃穿孔(Through Glass Via,TGV)的加工技術，其主要利用雷射光束照射於矽基板或玻璃基板，而在矽基板或玻璃基板上成形出微小的穿孔。
請參考圖9，現有的貝索爾光束雷射裝置，主要將高斯光束(Gaussian Beam)GB經由一軸錐鏡(Axicon Len)91，與至少一透鏡92整形為一環形光束(Ring Beam)RB，再透過與一聚焦鏡93將環形光束RB聚焦形成貝索爾光束(Bessel Beam)BB，貝索爾光束BB具有焦深長的特性，且沿著光束傳播方向的光強度不會發生改變，而適合應用於成形高徑深比的微小穿孔。
然而，現有的貝索爾光束雷射裝置的貝索爾光束BB的聚焦位置固定，如果需要在基板上成形複數個穿孔時，則需要調整基板相對於貝索爾光束BB的位置，而使貝索爾光束BB依序落在該基板上不同的位置，以成形出複數個穿孔，由於帶動基板移動的工作台的重量較重，移動速度較慢，而使得在基板上成形複數個穿孔的加工時間較長。
如果調整雷射光束的光路，雖然可以改變雷射光束相對於基板的聚焦位置，但是雷射光束進入聚焦鏡93時會偏離聚焦鏡93的聚焦軸，而造成 在不同的聚焦位置時，聚焦點與該聚焦鏡93之間的軸向距離會有所改變，聚焦點可能無法落在該基板，進而無法於基板上成形穿孔，而需要選用聚焦折射角度較小的聚焦鏡93，增加焦深長度，反而需要輸出較大的能量才能達到相同的聚焦能量密度，造成能量的浪費，並且容易使成形出的穿孔的表面較粗糙；此外，在不同的聚焦位置時，焦深長度、形狀，及聚焦能量密度皆會有所改變，基板上不同位置的所成形的穿孔的品質無法維持一致。
因此，現有的雷射鑽孔裝置，無法同時兼具加工速度快並同時維持穿孔品質，而有待改善。
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種雷射鑽孔裝置，其可以快速的在基板上成形多個穿孔，並且同時維持穿孔的加工品質。
為了達到上述的目的，本發明的雷射鑽孔裝置，其包含有：一振鏡模組，該振鏡模組具有一入射側、一反射側，與一掃描方向；一第一透鏡，該第一透鏡為一軸錐鏡，並且位在該振鏡模組的入射側；一第二透鏡，該第二透鏡位在該第一透鏡與該振鏡模組之間，並且與該第一透鏡同軸排列；一聚焦模組，該聚焦模組位在該振鏡模組的反射側，該聚焦模組包含有一可沿著該掃描方向線性移動的第三透鏡；以及一雷射光源，該雷射光源輸出一雷射光束，該雷射光束經該第一透鏡與該二透鏡整形成一入射環形光束，該入射環形光束經由該振鏡模組反射形成一反射環形光束，該反射環形光束經由該聚焦模組的第三透鏡聚焦形成一類貝索爾光束； 該振鏡模組可偏轉該反射環形光束，而使該反射環形光束的末端沿著該掃描方向改變位置，該第三透鏡沿著該掃描方向移動至對應該反射環形光束的末端的位置。
藉由上述的技術特徵，本發明的雷射鑽孔裝置，利用該振鏡模組配合可沿該掃描方向移動的該第三透鏡，而可在該振鏡模組偏轉該反射環形光束時，該第三透鏡沿著該掃描方向移動至對應的位置，減少該類貝索爾光束在不同的聚焦位置時，聚焦形狀與聚焦能量密度的改變，因此，可以提升該雷射鑽孔裝置於單一基板上成形多個穿孔的速度，並且同時維持穿孔的品質；進一步，由於該第三透鏡可沿該掃描方向移動，因此可以選用聚焦折射角度較大的透鏡，而縮短該類貝索爾光束的長度，提升該類貝索爾光束的聚焦能量密度，因此可以輸出較低的能量，即可以達到相同的聚焦能量密度，進而可以成形出表面較為光滑的穿孔，並且避免能量浪費。
10:雷射光源
11:雷射光束
13:入射環形光束
15:反射環形光束
150:中心軸
17:類貝索爾光束
21:第一透鏡
22:第二透鏡
23:第四透鏡
30:振鏡模組
31:反射鏡
33:振鏡驅動裝置
40:聚焦模組
41,41A:第三透鏡
410:聚焦軸
43:位移驅動裝置
431:驅動馬達
433:軌道
435:移動座
50:擴束器
80:基板
I:入射側
O:反射側
X:掃描方向
α:折射角度
91:軸錐鏡
92:透鏡
93:聚焦鏡
GB:高斯光束
RB:環形光束
BB:貝索爾光束
圖1為本發明較佳實施例的示意圖。
圖2為本發明較佳實施例的光束路徑示意圖。
圖3為本發明較佳實施例的加工玻璃穿孔的示意圖。
圖4為本發明較佳實施例的使用動作示意圖。
圖5為圖4的A部放大圖。
圖6為圖4的B部放大圖。
圖7為本發明較佳實施例的聚焦裝置的側視圖。
圖8為本發明另一較佳實施例的光束路徑示意圖。
圖9為現有的貝索爾光束雷射裝置的示意圖。
請參考圖1至圖3，本發明的雷射鑽孔裝置的較佳實施例，其包含有一振鏡模組30、一第一透鏡21、一第二透鏡22、一聚焦模組40，與一雷射光源10。
該振鏡模組30包含一入射側I、一反射側O，與一掃描方向X；該第一透鏡21為一軸錐鏡，並且位在該振鏡模組30的入射側I，該第二透鏡22可以是一聚焦鏡或者一軸錐鏡，該第二透鏡22位在該第一透鏡21與該振鏡模組30之間，並且與該第一透鏡21同軸排列；該聚焦模組40位於該振鏡模組30的反射側O，其包含有一可沿著該掃描方向X移動的第三透鏡41，該第三透鏡41具有一聚焦軸410，該聚焦軸410垂直於該掃描方向X，如圖2所示，該第三透鏡41可以是一軸錐鏡，且錐面朝向基板80，如圖8所示，該第三透鏡41A亦可以是一聚焦鏡，如非球面凸透鏡，且弧凸面朝向遠離基板80的一側。
請參考圖1至圖3，該雷射光源10輸出一雷射光束11，如高斯光束(Gaussian Beam)，該雷射光束11經由該第一透鏡21與該第二透鏡22整形成一入射環形光束13，該入射環形光束13經由該振鏡模組30的反射形成一反射環形光束15，該反射環形光束15經由該聚焦模組40的第三透鏡41聚焦形成一類貝索爾光束17。
進一步，如圖1及圖5所示，該振鏡模組30包含有至少一可偏轉的反射鏡31與至少一振鏡驅動裝置33，該至少一振鏡驅動裝置33帶動該至少一反射鏡31偏轉，以調整該至少一反射鏡31的相對角度，該入射環形光束13由該振鏡模組30的入射側I進入該振鏡模組30，並經由該至少一反射鏡31反射，而自該反射側O反射出而該反射環形光束15。
請參考圖4至圖6，當調整該至少一反射鏡31的相對角度時，可以改變該反射環形光束15相對於該掃描方向X的角度，並且使該反射環形光束15的末端，沿著該掃描方向X改變位置。
請參考圖1和圖7，該聚焦模組40包含有該第三透鏡41與一位移驅動裝置43，該位移驅動裝置43帶動該第三透鏡41沿該掃描方向X移動；該位移驅動裝置43包含有一驅動馬達431、一連結裝置，與一移動座435，該連結裝置連結於該驅動馬達431與該移動座435之間，該移動座435可沿一軌道433移動的連結於該軌道433，該軌道433沿該掃描方向X延伸，該第三透鏡41連結於該移動座435，該驅動馬達431帶動該連結裝置，而驅動該移動座435沿著該軌道433位移，進而帶動該第三透鏡41沿著該掃描方向X位移。該連結裝置可以是連桿裝置、導螺桿裝置，或齒輪與齒條組等等。該位移驅動裝置43亦可以使用壓缸裝置，而利用可相對伸縮的推桿帶動該第三透鏡41沿該掃描方向X移動。
請參考圖4至圖7，當該至少一反射鏡31改變角度，而改變該反射環形光束15相對於該掃描方向X的角度，並讓該反射環形光束15的末端沿著該掃描方向X改變位置，該聚焦模組40的位移驅動裝置43同時帶動該第三透鏡41沿著該掃描方向X移動至對應該反射環形光束15末端的位置，減少該反射環形光束15以不同的角度的進入該第三透鏡41時，該反射環形光束15的中心軸150與該第三透鏡41的聚焦軸410之間偏差距離，減少聚焦後的該類貝索爾光束17的變形量。
較佳的是，請參考圖1、圖2，與圖8，該第二透鏡22與該振鏡模組30之間設有一第四透鏡23，該第四透鏡23與該第一透鏡21同軸排列，該第四透鏡23可以是一聚焦鏡，如平凸透鏡或雙凸透鏡，用以調整該入射環形光束13的光環厚度，而縮小該反射環形光束15聚焦成該類貝索爾光束17時，該類貝索爾光束17的直徑，以提升該類貝索爾光束17的聚焦能量密度。
較佳的是，請參考圖1與圖2，該雷射光源10與該第一透鏡21之間設有一擴束器50，該擴束器50與該第一透鏡21同軸排列，該擴束器50可為現有的擴束器，其主要用於擴大該雷射光源10所輸出的雷射光束11的直徑，減少雷射光束11的發散角，進而縮小聚焦後的該類貝索爾光束17的直徑，以提升該類貝索爾光束17的聚焦能量密度。
請參考圖4至圖6，利用該振鏡模組30配合可沿該掃描方向X移動的該第三透鏡41，而可在該振鏡模組30偏轉該反射環形光束15時，該第三透鏡41可同時沿著該掃描方向X移動至相對應的位置，該反射環形光束15偏轉後的中心軸150雖然與該第三透鏡41的聚焦軸410雖然非位於同一軸線，而形成一夾角，但是仍可以讓該反射環形光束15進入該第三透鏡41時，該反射環形光束15的中心軸150接近該第三透鏡41的聚焦軸410，減少該反射環形光束15以不同的角度進入該第三透鏡41時，所產生的相位差，減少以不同角度進入該第三透鏡41的該反射環形光束15聚焦後的類貝索爾光束17的變形量，進而減少該類貝索爾光束17在不同的聚焦位置時，聚焦形狀與聚焦能量密度的變化，而可以快速調整該類貝索爾光束17沿著該掃描方向X相對於該基板80的聚焦位置，以於該基板80成形穿孔，並且同時維持各個穿孔的品質。
如果該振鏡模組30與該第三透鏡41之間的距離越遠，該類貝索爾光束17的聚焦位置移動相同的距離時，該反射環形光束15所需的偏轉角度越小，而可減少該類貝索爾光束17的變形量。
請參考圖3，由於該第三透鏡41可以沿著該掃描方向X移動，因此可以選用聚焦的折射角度α較大的透鏡，而縮短該類貝索爾光束17的長度，提升該類貝索爾光束17的聚焦能量密度，因此可以輸出較低的能量，即可以達到相同的聚焦能量密度，進而可以成形出表面較光滑的穿孔，並且避免能量浪費。
10:雷射光源
21:第一透鏡
22:第二透鏡
23:第四透鏡
30:振鏡模組
31:反射鏡
33:振鏡驅動裝置
40:聚焦模組
41:第三透鏡
43:位移驅動裝置
50:擴束器
I:入射側
O:反射側
X:掃描方向

Claims (7)

  1. 一種雷射鑽孔裝置，其包含有： 一振鏡模組，該振鏡模組具有一入射側、一反射側，與一掃描方向； 一第一透鏡，該第一透鏡為一軸錐鏡，並且位於該振鏡模組的入射側； 一第二透鏡，該第二透鏡位於該與該第一透鏡與該振鏡模組之間，並且與該第一透鏡同軸排列； 一聚焦模組，該聚焦模組位於該振鏡模組的反射側，該聚焦模組包含有一可沿著該振鏡模組掃描方向線性移動的第三透鏡；以及 一雷射光源，該雷射光源輸出一雷射光束，該雷射光束經該第一透鏡與該第二透鏡整成形一入射環形光束，該入射環形光束經由該振鏡模組反射形成一反射環形光束，該反射環形光束經由該聚焦模組的第三透鏡聚焦形成一類貝索爾光束； 該振鏡模組可偏轉該反射環形光束，而使該反射環形光束的末端沿著該掃描方向移動，該第三透鏡沿著該掃描方向移動至對應該反射環形光束的末端的位置。
  2. 如請求項1所述之雷射鑽孔裝置，其中該第二透鏡與該振鏡模組之間設有一第四透鏡，該第四透鏡與該第一透鏡同軸排列，用以調整該入射環形光束的光環厚度。
  3. 如請求項2所述之雷射鑽孔裝置，其中該雷射光源與該第一透鏡之間設有一擴束器。
  4. 如請求項3所述之雷射鑽孔裝置，其中該第三透鏡為一軸錐鏡。
  5. 如請求項3所述之雷射鑽孔裝置，其中該第三透鏡為一聚焦鏡。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之雷射鑽孔裝置，其中該聚焦模組包含一位移驅動裝置，該位移驅動裝置帶動該第三透鏡沿該掃描方向移動。
  7. 如請求項6所述之雷射鑽孔裝置，其中該振鏡模組包含至少一可偏轉的反射鏡與至少一振鏡驅動裝置，該至少一振鏡驅動裝置帶動該至少一反射鏡偏轉。
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