TWM650396U

TWM650396U - 陣列雷射加工裝置

Info

Publication number: TWM650396U
Application number: TW112207946U
Authority: TW
Inventors: 林士聖; 游智偉
Original assignee: 聚嶸科技股份有限公司
Priority date: 2023-07-28
Filing date: 2023-07-28
Publication date: 2024-01-11

Abstract

本創作揭露一種陣列雷射加工裝置，其包括發射模組、光束調整模組、光學模組以及聚焦模組。發射模組用於提供脈衝雷射光束。光束調整模組被配置以用於接收脈衝雷射光束且將其轉換成調變雷射光束。光學模組被配置以用於接收調變雷射光束且將其轉換成陣列型雷射光束，其中，陣列型雷射光束由多個雷射光束以特定陣列形狀排列而形成。聚焦模組被配置以用於接收陣列型雷射光束，並用於將陣列型雷射光束聚焦且投射至待鑽工件，以使聚焦後的陣列型雷射光束於待鑽工件上形成多個孔洞。藉此，本創作的陣列雷射加工裝置可提升雷射加工的效率。

Description

陣列雷射加工裝置

本創作關於一種陣列雷射加工裝置，特別是關於一種能產生陣列雷射光束的陣列雷射加工裝置。

隨著科技的演進，在電子產品製造領域中，電子產品的尺寸不斷縮小，而且，工作物件表面上需處理的位置(例如鑽孔位置)也越來越多。然而，現有的雷射加工設備在鑽孔或焊接時，都是透過單一雷射光束，依序地一次一次、逐一投射到工作物件上；因此，作業過程不僅相當耗時，而且也導致生產成本增加，產能也難以提升。

故，如何通過結構設計的改良，來克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本創作所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種陣列雷射加工裝置。

為了解決上述的技術問題，本創作所採用的其中一技術方案是提供一種陣列雷射加工裝置，其包括一發射模組、一光束調整模組、一光學模組以及一聚焦模組。發射模組用於提供至少一脈衝雷射光束。光束調整模組對應於該發射模組，該光束調整模組被配置以用於接收該至少一脈衝雷射光束，並用於將該至少一脈衝雷射光束轉換成一調變雷射光束。光學模組對應於該光束調整模組，該光學模組被配置以用於接收該調變雷射光束，並用於將該調變雷射光束轉換成一陣列型雷射光束，其中，該陣列型雷射光束由多個雷射光束以一特定陣列形狀排列而形成。聚焦模組對應於該光學模組，該聚焦模組被配置以用於接收該陣列型雷射光束，並用於將該陣列型雷射光束聚焦且投射至一待鑽工件，以使聚焦後的該陣列型雷射光束於該待鑽工件上形成以該特定陣列形狀排列的多個孔洞。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該至少一脈衝雷射光束的一脈衝寬度介於50~500fs之間，該至少一脈衝雷射光束的一重複頻率介於0.5~10GHz之間，該至少一脈衝雷射光束的一脈衝能量介於100~1000μJ之間。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該發射模組包括一脈衝雷射產生單元、一雷射調製單元以及一雷射放大單元。脈衝雷射產生單元用於產生具有多個脈衝訊號的一雷射光。雷射調製單元鄰近於該脈衝雷射產生單元，該雷射調製單元被配置以用於提高該雷射光的該重複頻率，並用於依據提高後的該雷射光產生具有多個脈衝串的一脈衝串雷射光。雷射放大單元鄰近於該雷射調製單元，該雷射放大單元被配置以用於提高該脈衝串雷射光的該脈衝能量，以產生該脈衝雷射光束，其中，該多個脈衝串包括該多個脈衝訊號，該多個脈衝訊號的頻率介於1~2000KHz之間。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該光學模組為一繞射光學元件。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該光學模組為一空間光調製器；其中，該陣列型雷射光束的每一該雷射光束的光斑呈一預定圖案，且該陣列型雷射光束中的相鄰的兩該雷射光束之間具有一預定間距。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，陣列雷射加工裝置還包括一控制模組，其電性連接該光學模組，該控制模組被配置以用於根據至少一光數控制指令，以驅使該光學模組增加或減少該陣列型雷射光束的該雷射光束的數量。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該控制模組被配置以用於根據至少一間距控制指令，以驅使該光學模組將該陣列型雷射光束的相鄰的兩該雷射光束之間的該預定間距增長或縮短。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該控制模組被配置以用於根據至少一陣列控制指令，以驅使該光學模組將該陣列型雷射光束的該特定陣列形狀轉化成另外一特定陣列形狀。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，該控制模組被配置以用於根據至少一圖案控制指令，以驅使該光學模組將至少一該雷射光束的光斑的由一預定圖案轉化成另外一預定圖案。

在其中一可行的或者較佳的實施例中，陣列雷射加工裝置還包括一載座模組，其對應於該聚焦模組，該載座模組被配置以用於承載該待鑽工件；其中，該發射模組、該光束調整模組、該光學模組以及該聚焦模組設置在同一光學路徑。

本創作的其中一有益效果在於，本創作所提供的陣列雷射加工裝置，其能通過「發射模組用於提供至少一脈衝雷射光束。光束調整模組對應於該發射模組，該光束調整模組被配置以用於接收該至少一脈衝雷射光束，並用於將該至少一脈衝雷射光束轉換成一調變雷射光束。光學模組對應於該光束調整模組，該光學模組被配置以用於接收該調變雷射光束，並用於將該調變雷射光束轉換成一陣列型雷射光束，其中，該陣列型雷射光束由多個雷射光束以一特定陣列形狀排列而形成。聚焦模組對應於該光學模組，該聚焦模組被配置以用於接收該陣列型雷射光束，並用於將該陣列型雷射光束聚焦且投射至一待鑽工件，以使聚焦後的該陣列型雷射光束於該待鑽工件上形成以該特定陣列形狀排列的多個孔洞」的技術方案，以提升雷射加工的效率。

為使能更進一步瞭解本創作的特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本創作加以限制。

Z:陣列雷射加工裝置

1:發射模組

10:脈衝雷射產生單元

11:雷射調製單元

12:雷射放大單元

2:光束調整模組

3:光學模組

4:聚焦模組

5:載座模組

6:控制模組

A1、A2:特定陣列形狀

B:待鑽工件

B1:孔洞

L:脈衝雷射光束

L01:雷射光

L02:脈衝串雷射光

LA:陣列型雷射光束

Lc:雷射光束

LE:調變雷射光束

P1~Pn:脈衝串

PS:預定間距

S1~Sn:脈衝訊號

圖1為本創作第一實施例的陣列雷射加工裝置的裝置架構示意圖。

圖2為本創作第一實施例的陣列雷射加工裝置的發射模組的架構示意圖。

圖3為本創作第一實施例的陣列雷射加工裝置的發射模組的脈衝雷射光束的多個脈衝串的示意圖。

圖4為本創作第一實施例的陣列雷射加工裝置的使用狀態示意圖。

圖5為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的第一裝置架構示意圖。

圖6為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的第二裝置架構示意圖。

圖7為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的加工後待鑽工件的第一俯視示意圖。

圖8為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的加工後待鑽工件的第二俯視示意圖。

圖9為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的加工後待鑽工件的第三俯視示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開有關「陣列雷射加工裝置」的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本創作的優點與效果。本創作可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本創作的構思下進行各種修改與變更。另外，本創作的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到「第一」、「第二」、「第三」等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語「或」，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[第一實施例]

請參閱圖1至圖4，分別為本創作第一實施例的陣列雷射加工裝置的裝置架構示意圖、使用狀態示意圖、發射模組的架構示意圖以及發射模組的脈衝雷射光束的多個脈衝串的示意圖。如圖所示，本創作第一實施例提供一種陣列雷射加工裝置Z，其包括一發射模組1、一光束調整模組2、一光學模組3以及一聚焦模組4。

配合圖1至圖3所示，發射模組1可用於提供至少一個脈衝雷射光束L。舉例來說，發射模組1可為用於提供至少一個脈衝雷射光束L的雷射設備。其中，脈衝雷射光束L的一脈衝寬度可介於50~500fs之間，脈衝雷射光束 L的一重複頻率可介於0.5~10GHz之間，脈衝雷射光束L的一脈衝能量可介於100~1000μJ之間。進一步來說，配合圖2及圖3所示，發射模組1可包括一脈衝雷射產生單元10、一雷射調製單元11以及一雷射放大單元12。脈衝雷射產生單元10可被配置以用於產生具有多個脈衝訊號S1~Sn的一雷射光L01；其中，脈衝雷射產生單元10可為脈衝雷射光產生器。雷射調製單元11可鄰近於脈衝雷射產生單元10，雷射調製單元11被配置以用於提高雷射光L01的重複頻率，並用於依據提高後的雷射光L01而產生具有多個脈衝串(burst)的一脈衝串雷射光L02；其中，雷射調製單元11可為聲光調變器(Acousto-Optic Modulator,AOM)或其他同類型的裝置，且脈衝串雷射光L02的重複頻率可介於0.5~10GHz之間(例如，0.5~10GHz之間的任意正整數)，但不以此為限。雷射放大單元12可鄰近於雷射調製單元11，雷射放大單元12被配置以用於提高脈衝串雷射光L02的脈衝能量，以產生脈衝雷射光束L。其中，多個脈衝串包括多個脈衝訊號S1~Sn，多個脈衝訊號S1~Sn的頻率可介於1~2000KHz之間。

更進一步來說，配合圖3所示，多個脈衝串P1~Pn包括多個脈衝訊號S1~Sn；即，多個脈衝訊號S1形成脈衝串P1、多個脈衝訊號S2形成脈衝串P2、...、多個脈衝訊號Sn形成脈衝串Pn，使多個脈衝串P1~Pn分別形成多個脈衝訊號S1~Sn。其中，多個脈衝訊號S1~Sn的脈衝寬度位於50~500fs之間(例如，50~500fs之間的任意正整數)，多個脈衝訊號S1~Sn的數量位於50~1000個之間(例如，50~1000個之間的任意正整數)，多個脈衝訊號S1~Sn的頻率位於1~2000KHz之間(例如，1~2000KHz之間的任意正整數)，但不以此為限。

因此，脈衝雷射光束L可透過發射模組1進行調整，脈衝雷射光束L的脈衝寬度(即多個脈衝訊號S1~Sn的脈衝寬度)可介於50~500fs之間，脈衝雷射光束L的重複頻率(即脈衝串雷射光L02的重複頻率)可介於0.5~10 GHz之間，且脈衝雷射光束L的平均功率可依據脈衝能量和重複頻率來決定，但不以此為限。值得注意的是，脈衝雷射光束L的脈衝寬度、脈衝雷射光束L的脈衝能量、多個脈衝訊號S1~Sn的頻率、脈衝雷射光束L的重複頻率以及多個脈衝訊號S1~Sn的數量可依據實際需求進行適當調整。舉例來說，若鑽孔或焊接複合材料時所採用的脈衝雷射光束L的脈衝能量較高，則脈衝雷射光束L的重複頻率可調整為較低頻率。此外，更值得注意的是，若鑽孔或焊接複合材料時採用的脈衝雷射光束L的脈衝寬度、脈衝雷射光束L的脈衝能量、多個脈衝訊號S1~Sn的頻率、脈衝雷射光束L的重複頻率以及多個脈衝訊號S1~Sn的數量低於上述預定範圍，則雷射光束難以鑽孔或焊接複合材料；而若鑽孔或焊接複合材料時所採用的脈衝雷射光束L的脈衝寬度、脈衝雷射光束L的脈衝能量、多個脈衝訊號S1~Sn的頻率、脈衝雷射光束L的重複頻率以及多個脈衝訊號S1~Sn的數量超過上述預定範圍，則複合材料的鑽孔處容易產生裂縫(crack)；例如，若鑽孔或焊接複合材料時所採用的脈衝雷射光束L的脈衝寬度為600fs，則複合材料的鑽孔處容易產生裂縫。然而，上述所舉的例子只是其中一可行的實施例而並非用以限定本創作。

接著，配合圖1所示，光束調整模組2可對應於發射模組1，光束調整模組2被配置以用於接收至少一個脈衝雷射光束L，並用於將至少一個脈衝雷射光束L轉換成一調變雷射光束LE。舉例來說，光束調整模組2可為雷射擴束裝置，光束調整模組2可擴大脈衝雷射光束L的雷射光斑，以產生擴束後的調變雷射光束LE。

接下來，配合圖1及圖4所示，光學模組3可對應於光束調整模組2，光學模組3被配置以用於接收調變雷射光束LE，並用於將調變雷射光束LE轉換成一陣列型雷射光束LA，其中，陣列型雷射光束LA由多個雷射光束Lc以一特定陣列形狀A1排列而形成。舉例來說，光學模組3可為一繞射光學元件 (Diffractive Optical Element,DOE)。光學模組3接收調變雷射光束LE後，可將單一光束的調變雷射光束LE轉換成以特定陣列形狀A1排列的多個雷射光束Lc(即陣列型雷射光束LA)。

接著，配合圖1及圖4所示，聚焦模組4對應於光學模組3，聚焦模組4被配置以用於接收陣列型雷射光束LA，並用於將陣列型雷射光束LA聚焦且投射至一待鑽工件B，以使聚焦後的陣列型雷射光束LA於待鑽工件B上形成以特定陣列形狀A1排列的多個孔洞B1。舉例來說，聚焦模組4可為平場聚焦透鏡(F-Theta Lens)，聚焦模組4可將陣列型雷射光束LA的每一個雷射光束Lc聚焦為具有一預定高徑深比的雷射光束，再將陣列型雷射光束LA投射至待鑽工件B。其中，發射模組1、光束調整模組2、光學模組3以及聚焦模組4可設置在同一光學路徑。

因此，配合圖1至圖4所示，在本創作的陣列雷射加工裝置Z對待鑽工件B進行加工時，藉由在光束調整模組2與聚焦模組4之間設置光學模組3，以產生陣列型雷射光束LA；並且，利用聚焦模組4將陣列型雷射光束LA投射到待鑽工件B，以於待鑽工件B的表面上一次形成多個孔洞B1。

藉此，本創作的陣列雷射加工裝置Z藉由上述的技術方案，利用光學模組3產生陣列型雷射光束LA，而能一次性地在待鑽工件B的表面上一次形成多個孔洞B1，進而可提升雷射加工的效率，並可降低生產成本。

進一步地，本創作的陣列雷射加工裝置Z還可包括一載座模組5，其對應於聚焦模組4，載座模組5被配置以用於承載待鑽工件B。舉例來說，配合圖1所示，載座模組5可為多軸向的移動式載台。載座模組5可選擇性地帶動待鑽工件B進行位移。其中，待鑽工件B的厚度可為50~1000μm，待鑽工件B可包括預備進行鑽孔的至少兩個基板，各個基板可以是一玻璃、一金屬、一陶瓷或一半導體晶圓，但不以此為限。

然而，上述所舉的例子只是其中一個可行的實施例而並非用以限定本創作。

[第二實施例]

請參閱圖5至圖9，分別為本創作第二實施例的陣列雷射加工裝置的第一裝置架構示意圖、第二裝置架構示意圖、加工後待鑽工件的第一俯視示意圖、加工後待鑽工件的第二俯視示意圖以及加工後待鑽工件的第三俯視示意圖，並請一併參閱圖1至圖4。如圖所示，本實施例的陣列雷射加工裝置Z與上述實施例的陣列雷射加工裝置Z大致相似，因此，相同元件的設置或作動在此不再贅述。而本實施例與上述第一實施例的差異在於，在本實施例中，光學模組3可為一空間光調製器(Spatial Light Modulator,SLM)；其中，陣列型雷射光束LA的每一個雷射光束Lc的光斑可呈一預定圖案，且陣列型雷射光束LA中的相鄰的兩個雷射光束Lc之間可具有一預定間距PS。並且，本創作的陣列雷射加工裝置Z還可包括一控制模組6，其電性連接光學模組3，控制模組6可被配置以用於根據至少一個光數控制指令，以驅使光學模組3增加或減少陣列型雷射光束LA的雷射光束Lc的數量。

舉例來說，配合圖5及圖6所示，本創作的光學模組3可為透射式或反射式的空間光調製器。並且，控制模組6可為控制設備(例如電腦，但不以此為限)，可用於操作、控制光學模組3。因此，當使用者想要增加或減少陣列型雷射光束LA在待鑽工件B表面上所形成的孔洞B1數量時，可藉由操作控制模組6，給予控制模組6光數控制指令，以使控制模組6控制光學模組3增加或減少陣列型雷射光束LA中的雷射光束Lc的數量。

進一步地，控制模組6可被配置以用於根據至少一個間距控制指令，以驅使光學模組3將陣列型雷射光束LA的相鄰的兩個雷射光束Lc之間的預定間距PS增長或縮短。舉例來說，配合圖5至圖7所示，當使用者想要調整在待鑽工件B表面上所形成的多個孔洞B1之間的間距時，使用者可藉由操作控制模組6，給予控制模組6間距控制指令，以使控制模組6控制光學模組3調整陣列型雷射光束LA中相鄰的兩個雷射光束Lc之間的預定間距PS，即增長或縮短相鄰的兩個雷射光束Lc之間的預定間距PS。

更進一步地，控制模組6可被配置以用於根據至少一個圖案控制指令，以驅使光學模組將至少一個雷射光束Lc的光斑的由一預定圖案(例如圓形)轉化成另外一個預定圖案(例如方形)。舉例來說，配合圖5至圖8所示，當使用者想要調整待鑽工件B上所形成的孔洞B1形狀時，使用者可藉由操作控制模組6，給予控制模組6陣列控制指令，以使控制模組6控制光學模組3調整雷射光束Lc的光斑形狀，進而使得陣列型雷射光束LA投射到待鑽工件B後，可在待鑽工件B上形成特定形狀的孔洞B1。

更進一步地，控制模組6可被配置以用於根據至少一個陣列控制指令，以驅使光學模組3將陣列型雷射光束LA的特定陣列形狀A1(例如正方形)轉化成另外一個特定陣列形狀A2(例如長方形)。舉例來說，配合圖5至圖7及圖9所示，當使用者想要調整在待鑽工件B表面上形成特定陣列形狀的孔洞B1陣列(或者改變原先的陣列形狀設定時)時，使用者可藉由操作控制模組6，給予控制模組6陣列控制指令，以使控制模組6控制光學模組3調整特定陣列形狀，以於待鑽工件B表面上形成呈特定陣列形狀的多個孔洞B1(或另外一個特定陣列形狀A2)。

[實施例的有益效果]

本創作的其中一有益效果在於，本創作所提供的陣列雷射加工裝置Z，其能通過「發射模組1用於提供至少一個脈衝雷射光束L。光束調整模組2對應於發射模組1，光束調整模組2被配置以用於接收至少一個脈衝雷射光束L，並用於將至少一個脈衝雷射光束L轉換成一調變雷射光束LE。光學模組3對應於光束調整模組2，光學模組3被配置以用於接收調變雷射光束LE，並用於將調變雷射光束LE轉換成一陣列型雷射光束LA，其中，陣列型雷射光束LA由多個雷射光束以一特定陣列形狀A1排列而形成。聚焦模組4對應於光學模組3，聚焦模組4被配置以用於接收陣列型雷射光束LA，並用於將陣列型雷射光束LA聚焦且投射至一待鑽工件B，以使聚焦後的陣列型雷射光束LA於待鑽工件B上形成以特定陣列形狀A1排列的多個孔洞B1」的技術方案，以提升雷射加工的效率。

更進一步來說，本創作的陣列雷射加工裝置Z藉由上述的技術方案，利用光學模組3產生陣列型雷射光束LA，而能一次性地在待鑽工件B的表面上一次形成多個孔洞B1，進而可提升雷射加工的效率，並可降低生產成本。並且，本創作的陣列雷射加工裝置Z可透過採用具有脈衝寬度位於50~500fs之間的GHz脈衝串(burst)之脈衝雷射光束L，對待鑽工件B的多個鑽孔處進行鑽孔，以避免於加工後的待鑽工件B的多個鑽孔處發生分層現象，並維持小熱影響區域，進而可避免待鑽工件B的鑽孔處產生任何碎片與裂縫。而且，本創作的陣列雷射加工裝置Z還可藉由光學模組3調整陣列型雷射光束LA中相鄰的兩個雷射光束Lc之間的間距、雷射光束Lc的數量、雷射光束Lc的光斑以及陣列型雷射光束LA的陣列形狀中的至少一者。

以上所公開的內容僅為本創作的優選可行實施例，並非因此侷限本創作的申請專利範圍，所以凡是運用本創作說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本創作的申請專利範圍內。