TWI798762B - 雷射焊錫系統及其光束整形方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射焊錫系統包含雷射光源模組、偏振調整元件組、溫度感測器以及控制器。雷射光源模組配置以發出雷射光。偏振調整元件組包含複數個偏振元件以及至少一步進馬達。複數個偏振元件配置以使雷射光分為高斯光束與環形光束，其中高斯光束照射於第一元件，環形光束照射於第二元件。第一元件與第二元件相鄰，且須不同的加工溫度。步進馬達配置以調整環形光束的大小。溫度感測器配置以監測第一元件及第二元件的溫度。控制器電性連接溫度感測器、雷射光源模組以及偏振調整元件組。本發明亦揭露一種雷射焊錫系統的光束整形方法。

Description

雷射焊錫系統及其光束整形方法

本揭露是有關於一種雷射焊錫系統及其光束整形方法。

雷射焊錫為焊接技術中具有高精密度的方法，然而因為雷射焊錫具有高瓦數的高斯分布光束，容易造成引腳與焊盤間縫隙下方的元件過熱而損毀。

此外，在精準控制溫度加工上，雖引腳與焊盤元件之間的加工溫度相近，但仍有些許不同，若照射到引腳與焊盤的雷射光強度之間的比例不恰當，容易造成焊盤區域無法有效被加熱而使熔錫不順暢，或者引腳部分因過熱而損壞的狀況。

有鑑於此，如何提供一種可根據不同被加熱元件的區域進行雷射光整形，且可即時監測光強度比例以避免上述問題的雷射焊錫系統及光束整形方法仍是目前亟需發展的目標之一。

本揭露的一技術態樣為一種雷射焊錫系統，應用於加工第一元件及第二元件，第一元件與第二元件相鄰，且須不同的加工溫度。第一元件例如是一引腳，而該第二元件例如是一焊盤。

本揭露的一實施例中， 雷射焊錫系統包含雷射光源模組、偏振調整元件組、溫度感測器以及控制器。雷射光源模組配置以發出雷射光。偏振調整元件組包含複數個偏振元件以及至少一步進馬達。複數個偏振元件配置以使雷射光分為高斯光束與環形光束，其中高斯光束照射於第一元件，環形光束照射於第二元件。步進馬達配置以調整環形光束的大小。溫度感測器配置以監測第一元件及第二元件的溫度。控制器電性連接溫度感測器、雷射光源模組以及偏振調整元件組。

本揭露的一實施例中， 複數個偏振元件包含第一偏振分光鏡以及第二偏振分光鏡。第一偏振分光鏡配置以使雷射光分為第一光路與第二光路。第二偏振分光鏡配置以使第一光路與第二光路合光，且第二光路為高斯光束。

本揭露的一實施例中， 複數個偏振元件還包含錐形透鏡組，位在第一光路上，其中錐形透鏡組位在第一偏振分光鏡與第二偏振分光鏡之間，且錐形透鏡組配置以形成環形光束。

本揭露的一實施例中， 錐形透鏡組包含兩錐形透鏡，兩錐形透鏡個別具有平坦頂面，且步進馬達配置以調整兩錐形透鏡間的距離。

本揭露的一實施例中， 複數個偏振元件還包含至少一波片，位在第一偏振分光鏡與第二偏振分光鏡之間，且波片配置以調整第一光路與第二光路中至少一者的光強度。

本揭露的一實施例中，第一元件為引腳，而第二元件為焊盤。

本揭露的另一技術態樣為一種雷射焊錫系統的光束整形方法。

本揭露的一實施例中，雷射焊錫系統的光束整形方法包含藉由雷射光源模組發出雷射光、執行雷射校正步驟以及執行雷射加工步驟。高斯光束照射於第一元件，環形光束照射於第二元件。第一元件與第二元件相鄰。執行雷射校正步驟包含藉由偏振調整元件組使雷射光分為高斯光束與環形光束；藉由偏振調整元件組調整高斯光束與環形光束的大小；以及決定高斯光束與環形光束的光強度比例。雷射加工步驟包含藉由溫度感測器監測第一元件及第二元件的溫度；以及根據溫度感測器的監測結果調整高斯光束與環形光束的光強度。

本揭露的一實施例中，藉由偏振調整元件組使雷射光分為高斯光束與環形光束還包含藉由第一偏振分光鏡使雷射光分為第一光路與第二光路。

本揭露的一實施例中，藉由偏振調整元件組使雷射光分為高斯光束與環形光束還包含藉由第二偏振分光鏡使第一光路與第二光路合光，且第二光路為高斯光束。

本揭露的一實施例中，藉由偏振調整元件組使雷射光分為高斯光束與環形光束還包含藉由錐形透鏡組使得通過第一偏振分光鏡的第一光路形成環形光束。

本揭露的一實施例中，錐形透鏡組包含兩錐形透鏡，兩錐形透鏡個具有平坦頂面，且藉由偏振調整元件組調整環形光束的大小還包含藉由步進馬達調整兩錐形透鏡間的距離。

本揭露的一實施例中，決定高斯光束與環形光束的光強度比例還包含藉由波片調整第一光路與第二光路中至少一者的光強度。

本揭露的一實施例中，藉由偏振調整元件組調整高斯光束的大小還包含調整合光後的雷射光至第一元件與第二元件間的工作距離以調整高斯光束的大小。

本揭露的一實施例中，決定高斯光束與環形光束的光強度比例還包含縮減第一元件的升溫曲線與第二元件的升溫曲線之間的差異。

本揭露的一實施例中，根據溫度感測器的監測結果調整高斯光束與環形光束的光強度還包含調整雷射光源模組的雷射光出光強度。

本揭露的一實施例中，第一元件為引腳，而第二元件為焊盤。

在上述實施例中，雷射焊錫系統可藉由偏振調整元件組對雷射光進行整形，藉此調整高斯光束與環形光束的大小。如此一來，可提升焊錫加工的效率，且避免不必要的能量消耗。此外，控制器可藉由溫度感測器的感測結果，控制偏振調整元件組及雷射光源模組，使得第一元件與第二元件的溫度在加工過程中維持在安全範圍。如此一來，可提升焊錫加工之良率。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。且為了清楚起見，圖式中之層和區域的厚度可能被誇大，並且在圖式的描述中相同的元件符號表示相同的元件。

第1圖為根據本揭露一實施例之雷射焊錫系統100的示意圖。雷射焊錫系統100應用於加工第一元件200及第二元件300。雷射焊錫系統100包含雷射光源模組110、偏振調整元件組120、溫度感測器130以及控制器140。雷射光源模組110配置以發出雷射光L。偏振調整元件組120包含複數個偏振元件以及至少一步進馬達126。偏振元件配置以使雷射光L分為第一光路L1與第二光路L2，接著再將個別經過整形的第一光路L1與第二光路L2合光為整形後的雷射光L’。

偏振調整元件組120包含第一偏振分光鏡122A、第二偏振分光鏡122B、錐形透鏡組124以及兩波片(Waveplate) 128。第一偏振分光鏡122A可將雷射光L根據不同偏振態區為第一光路L1與第二光路L2。第一光路L1為高斯光束G。錐形透鏡組124位在第一光路上L1，其中錐形透鏡組124位在第一偏振分光鏡122A與第二偏振分光鏡122B之間，且錐形透鏡組124配置以形成環形光束R。第二偏振分光鏡122B配置以使環形光束R與高斯光束G合光成為雷射光L’。

錐形透鏡組124包含兩錐形透鏡1242，兩錐形透鏡1242個別具有平坦的頂面1242S。兩錐形透鏡1242彼此相對，且步進馬達126配置以調整兩錐形透鏡1242間的距離，藉此調整環形光束R的形狀。

波片128位在第一偏振分光鏡122A與第二偏振分光鏡122B之間，用來調整偏振的旋轉。波片128配置以調整第一光路L1與第二光路L2中至少一者的光強度。具體來說，波片128為四分之一波長波片，第一光路L1的光線依序經過波片128以及第二偏振分光鏡122B，僅剩下部份偏振方向的光線。因此，皆由設置波片128在第一偏振分光鏡122A與第二偏振分光鏡122B之間，可調整合光後的雷射光L’中高斯光束G的能量。

在本實施例中，兩波片128分別位在第一光路L1與第二光路L2上，且波片128位在第一偏振分光鏡122A兩側，但本揭露並不以此為限。在一些實施例中，兩波片128可分別位在第二偏振分光鏡122B的兩側。在另一些實施例中，雷射焊錫系統可以只具有一個波片，位在第一光路L1與第二光路L2中之一者上。

第2圖為根據本揭露一實施例之第一元件200與第二元件300的示意圖。第3圖為高斯光束G與環形光束R的溫度示意圖。在本實施例中，第一元件200為引腳，而第二元件300為焊盤，但本揭露並不以此為限。高斯光束G照射於第一元件200，環形光束R照射於第二元件300。如第1圖及第3圖所示，溫度感測器130可監測第一元件200及第二元件300的溫度，並藉由波片128調整高斯光束G與環形光束R的光強度以控制第一元件200及第二元件300的溫度。

控制器140電性連接溫度感測器130、雷射光源模組110以及偏振調整元件組120。控制器140可根據溫度感測器130的感測結果，設置適當的波片128以及控制雷射光源模組110的出光強度。

雷射焊錫系統100還包含光感測元件150，配置以監測第一元件200、第二元件300、高斯光束G與環形光束R。藉由光感測元件150的感測結果可得知高斯光束G與環形光束R是否分別對準第一元件200與第二元件300。控制器140可根據光感測元件150的感測結果，控制步進馬達126的作動以及調整雷射光L’至第一元件200與第二元件300的工作距離D。如第3圖所示，藉由步進馬達126調整兩錐形透鏡1242間的距離，可進一步調整環形光束R的內徑ID以及環寬W(即內徑ID與外徑OD的差值)。如此一來，可使得環形光束R的照射範圍符合第二元件300需要照射的範圍。雷射光L’至第一元件200與第二元件300的工作距離D可藉由聚焦透鏡180控制。如此一來，可使得高斯光束G的照射範圍符合第一元件200需要照射的範圍。藉由這樣的設計，可避免引腳與焊盤間縫隙下方的元件過熱而損毀，進而增加良率。

雷射焊錫系統100還包含準直透鏡160，位在雷射光源模組110與偏振調整元件組120之間。準直透鏡160可使雷射光源模組110發出的雷射光L準直進入第一偏振分光鏡122A。雷射焊錫系統100還包含分別位在第一光路L1與第二光路L2上的反射鏡170，可分別將第一光路L1與第二光路L2的光線反射至第二偏振分光鏡122B。

第4圖為根據本揭露一實施例之第一元件200與第二元件300的升溫曲線。升溫曲線T11~T14為第一元件200在不同的雷射光強度下的升溫曲線。升溫曲線T21~T24為第二元件300在不同的雷射光強度下的升溫曲線。升溫曲線T11、T21顯示的是在同一雷射光照射下的升溫狀況。根據升溫曲線T11、T21可看出，在未調整光強度比利的狀況下，經過3秒的照射時間後，第一元件200比第二元件300高出約200度。

第5A圖至第5C圖為根據本揭露不同實施例之高斯光束G與環形光束R的光強度比例模擬圖。同時參照第4圖與第5A圖。升溫曲線T12、T22顯示的是高斯光束G強度為10%且環形光束R強度為90%(即比例為1:9)時的升溫狀況。第5A圖為光強度比例1:9的雷射光L’的強度分布。同時參照第4圖與第5B圖。升溫曲線T13、T23顯示的是高斯光束G強度為20%且環形光束R強度為80%(即比例為2:8)時的升溫狀況。第5B圖為光強度比例2:8的雷射光L’的強度分布。同時參照第4圖與第5C圖。升溫曲線T14、T24顯示的是高斯光束G強度為30%且環形光束R強度為70%(即比例為3:7)時的升溫狀況。第5C圖為光強度比例3:7的雷射光L’的強度分布。

根據第4圖中的升溫曲線T13、T23可看出，在本實施例中，當高斯光束G與環形光束R的光強度比例為2:8時，第一元件200與第二元件300的溫度差異可縮減至約25度。因此，藉由上述模擬以及實驗數據得出的光強度比例，可設置適當的波片128以調整高斯光束G與環形光束R的光強度比例。藉由選擇適當的光強度比例，可避免引腳與焊盤溫差過大，使得其中一者發生過熱或偏冷的現象。

第6A圖至第6C圖為根據本揭露一實施例之雷射焊錫系統的光束整形方法流程圖。在本實施例中，以第1圖所示的雷射焊錫系統100為例。同時參照第1圖及第6A圖，雷射焊錫系統100的光束整形方法起始於步驟S410，藉由雷射光源模組110發出雷射光L，並執行雷射校正。雷射校正的詳細步驟包含步驟S420~S440。

在步驟S420中，藉由偏振調整元件組120使雷射光L分為高斯光束G與環形光束R。如同前述，在此步驟中，偏振調整元件組120的第一偏振分光鏡122A可先將雷射光L分為第一光路L1與第二光路L2。接著，偏振調整元件組120的錐形透鏡組124使得通過第一偏振分光鏡122A的第一光路L1形成環形光束R。偏振調整元件組120的第二偏振分光鏡122B接著將整型後的第一光路L1(即高斯光束G)與第二光路L2(即環形光束R)合光。

在步驟S421中，判斷高斯光束G及環形光束R是否分別與第一元件2000及第二元件300的大小符合。在此步驟中，控制器140可根據光感測元件150的感測結果進行判斷。當步驟S421的判斷結果為是，則進行步驟S422，當步驟S421的判斷結果為否，則進行步驟S423。

在步驟S422中，可判斷是否使用光強度比例估計值。舉例來說，光強度比例估計值可以是經由前述第4圖以及第5A圖至第5C圖的模擬以及實驗數據得出的光強度比例，但本揭露不以此為限。

若步驟S422的結果為是，則執行步驟S430，監測使用光強度比例估計值的第一元件200及第二元件300的溫度。若步驟S422的結果為否，則執行步驟S440，監測調整後的第一元件200及第二元件300的溫度。步驟S430與步驟S440的詳細內容將於第6C圖描述。

在步驟S423中，可藉由調整兩錐形透鏡1242光強度比例估計值間的距離，以調整環形光束R的內徑ID以及環寬W。此外，可藉由調整工作距離D，以調整高斯光束G的照射範圍。經過步驟S423的調整後，即可再次執行步驟S421。

接著同時參照第1圖及第6B圖，當執行完雷射校正的步驟後，接著執行步驟S450的雷射加工步驟。在步驟S450中，將高斯光束G照射於第一元件200，並將環形光束R照射於第二元件300。雷射加工的詳細步驟包含步驟S451~S453。

在步驟S451中，判斷雷射加工效果是否符合預計的結果。舉例來說，可藉由判斷引腳與焊盤的焊錫熔融狀態與焊接效果是否符合預期執行此步驟。當步驟S451的判斷結果為是，則結束雷射加工步驟。當步驟S451的判斷結果為否，則執行步驟S452。

在步驟S452中，可藉由溫度感測器130監測第一元件200及第二元件300的溫度，以判斷第一元件200及第二元件300的溫度是否過熱。當步驟S452的判斷結果為是，則再次執行步驟S440(見第6B圖)。當步驟S452的判斷結果為否，則執行步驟S453。

在步驟S453中，根據溫度感測器130的監測結果調整雷射光源模組110的雷射光出光強度，藉此降低高斯光束G與環形光束R的光強度。

接著同時參照第1圖及第6C圖，步驟S430的步驟包含步驟S431~S434。在步驟S431中，根據光強度比例估計值決定高斯光束G與環形光束R個別光強度。在步驟S432中，利用溫度感測器130取得第二元件300的溫度。在步驟S433中，利用溫度感測器130取得第一元件200的溫度。在步驟S434中，判斷第一元件200與第二元件300的溫度差值是否小於門檻值。舉例來說，門檻值可為第4圖的升溫曲線T13、T23所示的溫差，約為25度，但本揭露不以此為限。若步驟S434的判斷結果為是，則接續到第6B圖的步驟S450。若步驟S434的判斷結果為否，則可藉由波片128調整高斯光束G與環形光束R中至少一者的光強度。如此一來，可縮減第一元件200與第二元件300的升溫曲線之間的差異(見第4圖)。接著可再次執行步驟S432、S433以取得經過調整後的第一元件200與第二元件300的溫度。

步驟S440與步驟S430大致相同，其差異在於步驟S440中使用的光強度比例是已經根據溫度感測器130的感測結果進行微調後的光強度比例，其詳細步驟於此不再贅述。

根據上述可知，本揭露的光束整形方法為即時回授系統，可在雷射加工過程中即時調整光強度比例以避免熱傷害。相較於傳統高斯光束，本揭露的光束整形方法具有較高的自由度，可提升加工效果。此外，由於高斯光束與環形光束可個別針對第一元件與第二元件的照射範圍進行調整，可避免引腳與焊盤間縫隙下方的元件過熱而損毀，進而增加良率。本揭露的雷射焊錫系統可應用於不同型態與材料的元件，具有較高的適應性。

綜上所述，本揭露的雷射焊錫系統及光束整形方法，可根據不同被加熱元件的區域進行雷射光整形，且即時監測光強度比例以避免照射到引腳與焊盤的雷射光強度之間的比例不恰當，而造成焊盤區域無法有效被加熱而使熔錫不順暢，或者引腳部分因過熱而損壞等問題。本揭露的雷射焊錫系統及光束整形方法，可藉由偏振調整元件組對雷射光進行整形，藉此調整高斯光束與環形光束的大小。如此一來，可提升焊錫加工的效率，並避免不必要的能量消耗。此外，控制器可藉由溫度感測器的感測結果，控制偏振調整元件組及雷射光源模組，使得第一元件與第二元件的溫度在加工過程中達到精準控制，維持在安全範圍區間內。如此一來，可提升焊錫加工之良率。

雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:雷射焊錫系統 110:雷射光源模組 120:偏振調整元件組 122A:第一偏振分光鏡 122B:第二偏振分光鏡 124:錐形透鏡組 1242:錐形透鏡 1242S:頂面 126:步進馬達 128:波片 130:溫度感測器 140:控制器 150:光感測元件 160:準直透鏡 170:反射鏡 200:第一元件(引腳) 300:第二元件(焊盤) L, L’: 雷射光 L1:第一光路 L2:第二光路 G:高斯光束 R:環形光束 ID:內徑 OD:外徑 W:環寬 D:工作距離 T11~T14、T21~T24:升溫曲線 S410、S420~S423、S430、S431~S434、S440、S450~S453:步驟

第1圖為根據本揭露一實施例之雷射焊錫系統的示意圖。 第2圖為根據本揭露一實施例之第一元件與第二元件的示意圖。 第3圖為高斯光束與環形光束的溫度示意圖。 第4圖為根據根據本揭露一實施例之第一元件與第二元件升溫曲線。 第5A圖至第5C圖為根據本揭露不同實施例之高斯光束與環形光束的光強度比例模擬圖。 第6A圖至第6C圖為根據本揭露一實施例之雷射焊錫系統的光束整形方法流程圖。

100:雷射焊錫系統 110:雷射光源模組 120:偏振調整元件組 122A:第一偏振分光鏡 122B:第二偏振分光鏡 124:錐形透鏡組 1242:錐形透鏡 1242S:頂面 126:步進馬達 128:波片 130:溫度感測器 140:控制器 150:光感測元件 160:準直透鏡 170:反射鏡 180:聚焦透鏡 200:第一元件 300:第二元件 L, L’: 雷射光 L1:第一光路 L2:第二光路 G:高斯光束 R:環形光束 D:工作距離

Claims (13)

1. 一種雷射焊錫系統，應用於加工一第一元件及一第二元件，該第一元件與該第二元件相鄰，且須不同的加工溫度，該雷射焊錫系統包含：一雷射光源模組，配置以發出一雷射光；一偏振調整元件組，包含：複數個偏振元件，配置以使該雷射光分為一高斯光束與一環形光束，其中該高斯光束照射於該第一元件，該環形光束照射於該第二元件，其中該些偏振元件包含：一第一偏振分光鏡，配置以使該雷射光分為一第一光路與一第二光路；以及一第二偏振分光鏡，配置以使該第一光路與該第二光路合光，且該第一光路為該高斯光束；以及至少一步進馬達，配置以調整該環形光束的大小；一溫度感測器，配置以監測該第一元件及該第二元件的溫度；以及一控制器，電性連接該溫度感測器、該雷射光源模組以及該偏振調整元件組。
2. 如請求項1所述之雷射焊錫系統，其中該複數個偏振元件還包含：一錐形透鏡組，位在該第一光路上，其中該錐形透鏡組位在該第一偏振分光鏡與該第二偏振分光鏡之間，且該錐形透鏡組配置以形成該環形光束。
3. 如請求項2所述之雷射焊錫系統，其中該錐形透鏡組包含：兩錐形透鏡，該兩錐形透鏡個別具有一平坦頂面，且該步進馬達配置以調整該兩錐形透鏡間的距離。
4. 如請求項1所述之雷射焊錫系統，其中該複數個偏振元件還包含：至少一波片，位在該第一偏振分光鏡與該第二偏振分光鏡之間，且該波片配置以調整該第一光路與該第二光路中至少一者的光強度。
5. 如請求項1所述之雷射焊錫系統，其中該第一元件為一引腳，而該第二元件為一焊盤。
6. 一種雷射焊錫系統的光束整形方法，包含：藉由一雷射光源模組發出一雷射光；執行一雷射校正步驟，包含：藉由一偏振調整元件組使該雷射光分為一高斯光束與一環形光束；藉由該偏振調整元件組調整該高斯光束與該環形光束的大小，包含：藉由一第一偏振分光鏡使該雷射光分為一第一光路與一第二光路；以及 藉由一第二偏振分光鏡使該第一光路與該第二光路合光，且該第一光路為該高斯光束；以及決定該高斯光束與該環形光束的一光強度比例；以及執行一雷射加工步驟，其中該高斯光束照射於一第一元件，該環形光束照射於一第二元件，該第一元件與該第二元件相鄰，該雷射加工步驟包含：藉由一溫度感測器監測該第一元件及該第二元件的溫度；以及根據該溫度感測器的監測結果調整該高斯光束與該環形光束的光強度。
7. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中藉由該偏振調整元件組使該雷射光分為該高斯光束與該環形光束還包含：藉由一錐形透鏡組使得通過該第一偏振分光鏡的該第一光路形成該環形光束。
8. 如請求項7所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中該錐形透鏡組包含兩錐形透鏡，該兩錐形透鏡個具有一平坦頂面，且藉由該偏振調整元件組調整該環形光束的大小還包含：藉由一步進馬達調整該兩錐形透鏡間的距離。
9. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形 方法，其中決定該高斯光束與該環形光束的該光強度比例還包含：藉由至少一波片調整該第一光路與該第二光路中至少一者的光強度。
10. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中藉由該偏振調整元件組調整該高斯光束的大小還包含：調整合光後的該雷射光至該第一元件與該第二元件間的一工作距離以調整該高斯光束的大小。
11. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中決定該高斯光束與該環形光束的該光強度比例還包含：縮減該第一元件的一升溫曲線與該第二元件的一升溫曲線之間的差異。
12. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中根據該溫度感測器的監測結果調整該高斯光束與該環形光束的光強度還包含：調整該雷射光源模組的雷射光出光強度。
13. 如請求項6所述之雷射焊錫系統的光束整形方法，其中該第一元件為一引腳，而該第二元件為一焊盤。

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