WO2023055077A1 - 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체 - Google Patents

레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체 Download PDF

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processing apparatus
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김진하
최병찬
강기석
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(주)레이저발테크놀러지
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    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus, a method including the same, and a processing object processed by the same.
  • Laser processing refers to processing an object using a laser beam, and recently, laser processing is used for the purpose of forming a certain pattern on a surface of an object to be processed.
  • a laser device used in such laser processing is a device that forms a predetermined pattern on an object to be processed using a laser.
  • conventional laser devices have no configuration for directly measuring the heating temperature of an object to be processed.
  • the conventional laser device has a structure that indirectly processes the surface of the object to be processed by adjusting the output of the irradiated laser, and cannot directly measure the temperature of the surface to be processed of the object to be processed, so the processing efficiency is inevitably reduced. .
  • Embodiments of the present invention in the laser processing device of the object to be processed, by enabling direct measurement and correction of the surface temperature and melting temperature of the object in real time during processing such as soldering, welding, patterning, etc., the processing efficiency is greatly improved. It is to provide a laser processing device that can be improved, a method including the same, and a processing object processed by the method.
  • the present invention measures and corrects the surface temperature and melting temperature of the object during processing, thereby enabling more effective processing without loss or change of the center energy distribution in the processing area. It is to provide a laser processing device capable of this, a method including the same, and a processing object processed by the method.
  • a beam conversion device for adjusting the size or shape of the laser beam generated by the laser generator
  • a beam control unit for adjusting a focal position of the laser beam passing through the beam conversion device
  • a heat distribution measurement unit for measuring at least one of the surface temperature and melting temperature of the object to be processed
  • control unit that adjusts or controls the intensity of the laser beam based on the measured temperature of the object to be processed
  • It may include; a beam focusing unit for concentrating and delivering the laser beam passing through the beam conversion device to the object to be processed.
  • the beam focusing unit may further include a laser output detection unit for measuring and adjusting the output of the laser.
  • a laser irradiation unit for obtaining information on a location and alignment state of the laser transmitted from the beam focusing unit to be irradiated and irradiating the laser beam to the object to be processed; may be further included.
  • the area of the measurement point of the thermal distribution measuring unit may be set to a range smaller than the area of the object to be processed.
  • the heat distribution measuring unit may measure the surface temperature or melting temperature of the object to be processed in a temperature range of 1 to 500 degrees.
  • the thermal distribution measurement unit may include at least one of an infrared camera and a pyrometer.
  • the heat distribution measurement unit may be coupled to an upper end of the light collecting unit to increase measurement efficiency of one or more of the surface temperature or melting temperature of the object to be processed.
  • the laser power emitted from the laser irradiation unit may include a structure that is irradiated in a range of 1 to 4,000 Watt.
  • the output power of the laser beam of the laser irradiation unit may be adjusted according to the surface temperature or melting temperature of the processing object of the thermal distribution measuring unit.
  • At least one optical lens for correcting the magnification of the laser may be disposed in the laser generating unit.
  • one side of the laser generating unit may include a structure in which a lighting unit is disposed.
  • information on the irradiation position and alignment state of the laser may be acquired by an imaging device including at least one of CCD and CMOS.
  • the laser irradiated from the laser generating unit may be irradiated with one same central axis after sequentially passing through the beam focusing unit and the laser irradiation unit.
  • control unit of the laser processing apparatus may control to adjust at least one of the output, current, and voltage of the laser according to the measured temperature of the thermal distribution measuring unit.
  • the present invention provides a processing method using the laser processing device, the processing object loading step of loading the processing object to the laser processing device (Loading);
  • processing data including laser output for laser processing of the object
  • It may include adjusting the laser power irradiated to the object to be processed by reflecting the information obtained from the thermal distribution measuring unit.
  • the present invention provides a processing object processed by the laser processing device.
  • the laser processing apparatus according to the present invention, the method including the same, and the processing object processed by the method enable direct measurement and correction of the surface temperature and melting temperature of the object in real time during processing such as soldering, welding, patterning, etc. , there is an effect that the processing efficiency can be greatly improved.
  • the laser processing apparatus the method including the same, and the object to be processed by the laser processing device, measure the surface temperature and melting temperature of the object to be processed in the processing process so as to be able to correct them. By doing so, there is an effect of enabling more effective machining without loss or change of the center energy distribution with respect to the machining area.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a processing area of a processing object according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a laser processing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of laser processing according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is a device for processing an object using a laser, and the processing process is performed by directly measuring and reflecting the temperature of the object to be processed, thereby enabling more effective processing.
  • processing refers to performing processes such as marking, cutting, scribing, patterning, soldering, and welding on the object by transmitting a laser beam.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a processing area of an object to be processed according to an embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 100 is a laser generator 10, a beam conversion device for adjusting the size or shape of a laser beam generated by the laser generator 10 (20), a beam control unit 30 for adjusting the focal position of the laser beam passing through the beam conversion device 20 and measuring the temperature of the object to be processed, measuring one or more of the surface temperature and melting temperature of the object to be processed A heat distribution measuring unit 310, a control unit 70 that adjusts or controls the intensity of the laser beam by reflecting the measured temperature of the processing object, and a beam that focuses and transmits the laser beam to the processing object via a beam conversion device A focusing unit 320 may be included.
  • the beam control unit 30 may include the optical head module 300 according to the present invention. That is, the optical head module 300 of the beam adjusting unit 30 includes a beam focusing unit 320 and a beam focusing unit 320 that focus and deliver the laser beam passing through the beam conversion device 20 to the object to be processed.
  • the laser generator 10 may generate a laser beam for processing the sample 1, which is a processing object. Specifically, a continuous wave laser or a pulsed laser may be used. As the wavelength of the laser beam, all laser wavelengths located in the infrared region to the ultraviolet region may be used. For example, it may include an ultraviolet wavelength, a green wavelength, an infrared wavelength, and the like.
  • the laser beam generated by the laser generator 10 may pass through the beam converter 20 and the beam control unit 30 .
  • the beam conversion device 20 may adjust the size or shape of the laser beam generated by the laser generator 10 . Specifically, the beam conversion device 20 may expand or contract the laser beam. In addition, the beam conversion device 20 may generate a laser beam into a parallel collimated beam with less dispersion or concentration. Thus, the laser beam generated by the laser generator 10 may be generated as a collimated beam while being enlarged or reduced through the beam conversion device 20 and adjusted in size.
  • the size of the laser beam changed by the beam conversion device 20 may be the size of the laser beam incident to the lens of the last stage of the laser processing device 100 .
  • the beam conversion device 20 may change the diameter of the laser beam generated by the laser generator 10 and output the changed laser beam.
  • the beam conversion device 20 may be manually or automatically adjustable.
  • the beam conversion device 20 may convert the shape of a Gaussian beam into a shape of a flat top beam or a multi-spot and output the converted shape.
  • the shape of the flat top beam may be one of a circular shape, a polygonal shape, and a ring shape.
  • various optical elements such as a beam attenuator, a polarizer, a half-wave plate, a splitter, a filter, and a shutter may be further disposed.
  • the beam adjusting unit 30 may adjust a position such as a focal height of the laser beam through the dynamic focusing module 31 .
  • the adjusted laser beam may be irradiated with a predetermined laser power to the sample 1, which is an object to be processed, via the optical head module 300 of the beam controller 30.
  • the controller 70 may determine previously input laser output data in order to process the sample 1 as the object to be processed according to the surface temperature or melting temperature of the sample 1 as the object to be processed. Based on this data, the surface of the sample 1, which is a processing object, can be soldered. In some cases, micro-patterning, marking, scribing, and cutting may be performed on the surface of the object to be processed, having a width and depth of a micro-unit to nano-unit.
  • the optical head module 300 includes a beam focusing unit 320 that focuses and delivers the laser beam passing through the beam conversion device 20 to the object to be processed.
  • the laser irradiation unit 330 that obtains information about the location and alignment state of the laser controlled by the beam focusing unit 320 and irradiates the laser beam to the object, and the surface temperature of the processing point of the object, and It may be composed of a thermal distribution measuring unit 310 that measures melting temperature and the like.
  • the thermal distribution measurement unit 310 of the optical head module 300 may measure the surface temperature and melting temperature of the sample 1, which is a processing target.
  • the heat distribution measuring unit 310 is a non-contact radiation thermometer and can measure the surface temperature of the sample 1, which is a processing target, in real time and transmit the measured result to the control unit 70. According to these measurement results, the control unit 70 can adjust the output of the laser beam.
  • the thermal distribution measuring unit 310 may be, for example, an infrared camera or a pyrometer.
  • the beam focusing unit 320 of the optical head module 300 may adjust a position such as a focal height of the laser beam, and the laser irradiation unit 330 of the optical head module 300 may adjust the sample 1 as the object to be processed.
  • the focal position of the laser beam can be adjusted accordingly.
  • the beam focusing unit 320 may adjust the focal position of the laser beam passing through the light concentrating unit 50 according to the processing height set through matching with positional information of the sample 1, which is a processing object. .
  • the beam focusing unit 320 may irradiate by adjusting the focal length of the laser beam transmitted to the laser irradiation unit 330 by driving a motor (not shown) that reciprocates horizontally. For example, when one lens inside the beam focusing unit 320 moves to the right, the focus of the laser beam moves away from the sample 1, which is the object to be processed. The focal height of can be shortened. Conversely, when one lens inside the beam focusing unit 320 moves to the left, the laser beam moves closer to the sample 1, which is an object to be processed, and thus the focus of the laser beam may move to the lower side of the paper.
  • a laser output detection unit 321 for detecting the output of a laser beam may be disposed at one end of the beam focusing unit 320 .
  • the laser output detecting unit 321 detects the output of the laser beam irradiated from the laser generating unit 10, and together with information such as the surface temperature of the sample 1, which is a processing target, measured by the thermal distribution measuring unit 310, the control unit (70).
  • a concentrating unit 50 may be disposed to focus the laser beam passing through the beam focusing unit 320 onto the sample 1, which is an object to be processed.
  • the light collecting unit 50 may focus the laser beam. Such a condensing unit 50 may condense the laser beam that has passed through the laser irradiation unit 330 and irradiate the laser beam to the sample 1, which is an object to be processed.
  • the light collecting unit 50 may include one or more lenses and may include a telecentric lens.
  • At least one or more of various parameters such as the irradiation position of the laser beam, the focal length, the pulse waveform of the output laser beam, the power, the irradiation time, the processing speed, divergence and convergence characteristics, and the shape of the beam can be adjusted.
  • the control unit 70 may extract focus position data where the laser beam is irradiated in order to process the surface of the sample 1, which is an object to be processed. Based on this data, the laser emitter 330 can control the focus position data. In addition, by controlling the focus position data by the beam focusing unit 320, processing data may be controlled in real time.
  • the laser processing apparatus 100 of an object to be processed may further include a precision stage (not shown).
  • a precision stage not shown.
  • the sample 1, which is an object to be processed is mounted on the stage for processing, there is a possibility that deformation beyond the effective focal length of the optical system will occur. Therefore, the sample 1, which is a processing target, can be controlled to be positioned within the effective processing area and effective focal length of the beam focusing unit 320 and the laser irradiation unit 320 according to a combination of a large number of axes in a coordinate system defined through a precision stage. there is.
  • Figure 3 is a flow chart showing a laser processing method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a graph showing an example of laser processing according to an embodiment of the present invention.
  • a step of correcting the processing position of the laser beam according to the temperature information of the sample 10, which is the object to be processed, measured by the thermal distribution measuring unit 310 (S400) may be further included. That is, when the temperature of the processing point of the sample 1, which is the object to be processed, is determined to be high compared to the input threshold value, the processing point may be changed and soldering may be preferentially performed.
  • preheating and soldering processes may be performed at a predetermined temperature, respectively.
  • the temperature measured in the preheating process and the soldering process may be measured by the above-described high-temperature measuring system 310.
  • the surface temperature or melting temperature of the sample 1, which is an object to be processed may be measured in a temperature range of approximately 1 to 500 degrees.
  • the sample 1, which is an object to be processed is loaded onto a processing stage such as a precision stage (S100).
  • a processing stage such as a precision stage (S100).
  • inspection may be performed.
  • information such as the location and alignment state confirmed by inspection may be obtained from the sample 1 as a processing target by a non-contact method using a camera (not shown) equipped with a CCD or CMOS.
  • Data such as the output, current, and voltage of a laser beam to be soldered may be determined and input according to the outer shape of the sample 1, which is an object to be inspected (S200).
  • the output, current, or voltage of the input laser beam may be determined according to a predetermined set value, but this set value may be adjusted according to the surface temperature or melting temperature of the sample 1, which is to be described later.
  • a step (S300) of obtaining surface temperature or melting temperature information measured in real time from the heat distribution measuring unit 310 may be performed.
  • the step (S200) of inputting processing information of the sample 1, which is a processing object may be the output or power of a laser beam that is primarily set according to the shape or processing area of the sample 1, which is a processing object.
  • it may be the output of the laser beam that is secondarily set according to the surface temperature of the sample 1, which is an object to be processed, measured by the thermal distribution measuring unit 310.
  • the output of the laser beam may be irradiated with a magnitude ranging from about 1 to 4,000W.
  • a step of adjusting the output of the laser beam irradiated from the laser irradiator 330 may proceed (S500).
  • the output of the laser beam may be controlled by the control unit 70 according to surface temperature information or solder melting temperature information of the sample 1, which is an object to be processed, measured by the thermal distribution measurement unit 310.
  • the output of the laser beam irradiated from the laser irradiation unit 330 may be adjusted according to the melting temperature in the processing process in addition to the surface temperature of the sample 1, which is a processing object.
  • a step (S600) of final processing the sample 1, which is an object to be processed may proceed.
  • This processing step (S600) may be defined as a step of performing a processing process such as soldering by the laser beam irradiated from the beam focusing unit 320 and the laser irradiation unit 330.
  • the meaning of laser processing means that the sample 1, which is an object to be processed, is processed by a laser according to the soldering information.
  • the control unit 70 controls the laser processing parameter information such as the wavelength, output, pulse width, beam shape, spot size, and focus position of the laser, and in the case of pattern, marking, cutting, or skiving, their width and spacing, and processing speed.
  • the information may be included so that the laser can be irradiated.
  • the laser beam irradiated from the laser irradiator 330 is adjusted to a predetermined processing area B according to the measurement area C of the high-temperature measuring system 310 as shown in FIG. 2 and irradiated.
  • 'C' defined as the surface temperature measurement area of the sample 1, which is a processing target, is formed smaller than the processing area B to which the laser beam is irradiated. Therefore, the processing area (B) can be moved or adjusted finely according to the surface temperature or melting temperature of the measuring area (C) of the sample (1), which is a processing object, and more effective and detailed processing can be performed.
  • the imaging area (A) of the camera (not shown) provided with the aforementioned CCD and CMOS is set wider than the processing area (B) and the measurement area (C) of the high-temperature measurement system 310, so that the processing state in the processing process is Of course, quality analysis and confirmation may be possible even after processing.

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Abstract

본 발명은 지능형 광학 헤드를 포함하는 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 레이저 발생부, 상기 레이저 발생부에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔변환장치, 상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔의 초점위치를 조절하는 빔 조절부, 가공대상체의 표면온도 및 용융온도 중 하나 이상을 측정하는 열분포 측정부, 상기 가공대상체의 상기 측정된 온도로 상기 레이저 빔의 강도를 조절 또는 제어하는 제어부 및 상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부를 포함하는 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체를 제공한다.

Description

레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체
본 발명은 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체에 관한 것이다.
레이저 가공은 레이저 빔을 이용하여 대상체를 가공하는 것을 의미하고, 최근에는 가공대상체의 피가공면에 일정한 패턴 등을 형성하기 위한 목적으로 레이저 가공이 사용되기도 한다. 이러한 레이저 가공에 사용되는 레이저 장치는 레이저를 이용하여 가공대상체에 소정의 패턴 등을 형성하는 장치이다.
하지만, 종래의 레이저 장치는 직접적으로 가공대상체의 가열 온도를 측정하는 구성이 전무하였다. 예를 들어, 종래의 레이저 장치는 간접적으로 조사되는 레이저의 출력을 조절하여 간접적으로 가공대상체의 표면을 가공하는 구조일 뿐 가공대상체의 피가공면 온도를 직접 측정할 수 없으므로 가공 효율이 떨어질 수밖에 없었다.
본 발명의 실시예들은, 가공대상체의 레이저 가공장치에 있어서, 솔더링, 용접, 패터닝 등의 가공 과정에서 가공대상물의 표면온도 및 용융온도를 실시간으로 직접적으로 측정 및 보정 가능하도록 함으로써, 가공 효율이 크게 향상될 수 있는 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체를 제공하기 위한 것이다.
또, 본 발명은 가공대상체의 레이저 가공장치에서 있어서, 가공 과정에서 가공대상물의 표면온도 및 용융온도를 측정하여 보정이 가능하도록 함으로써, 가공영역에 대한 중심 에너지 분포에 대한 소실이나 변경없이 보다 효과적인 가공이 가능한 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 레이저 가공장치의 일 실시예는,
레이저 발생부;
상기 레이저 발생부에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔변환장치;
상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔의 초점위치를 조절하는 빔 조절부;
가공대상체의 표면온도 및 용융온도 중 하나 이상을 측정하는 열분포 측정부;
상기 가공대상체의 상기 측정된 온도로 상기 레이저 빔의 강도를 조절 또는 제어하는 제어부; 및
상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 빔 포커싱부는, 상기 레이저의 출력을 측정 및 조절하는 레이저 출력 감지부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 빔 포커싱부로부터 전달된 상기 레이저가 조사될 위치 및 정렬상태 정보를 획득하여 상기 가공대상체에 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열분포 측정부의 측정지점 면적은 상기 가공대상체의 면적보다 작은 범위로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열분포 측정부는, 상기 가공대상체의 표면온도 또는 용융온도가 1 ~ 500도 온도 범위에서 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열분포 측정부는, 적외선 카메라, 파이로미터 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열분포 측정부는, 상기 집광부의 상단부에 결합되어 상기 가공대상체의 상기 표면온도 또는 용융온도 중 하나 이상의 측정 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 조사부에서 조사되는 상기 레이저 출력은 1 ~ 4,000 Watt 범위에서 조사되는 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 조사부의 상기 레이저 빔의 출력파워는 상기 열분포 측정부의 상기 가공대상체의 표면온도 또는 용융온도에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 발생부에는 상기 레이저의 배율을 보정하는 적어도 하나의 광학렌즈가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 발생부의 일측에는 조명부가 배치되는 구조 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저의 조사위치 및 정렬상태 정보는 CCD 및 CMOS 중 하나 이상을 포함하는 촬상 장치로 획득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 발생부로부터 조사되는 상기 레이저는 상기 빔 포커싱부와 레이저 조사부를 순차적으로 경유한 후 하나의 동일한 중심축을 갖고 조사되는 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 가공장치의 제어부는, 상기 열분포 측정부의 측정온도에 따라 상기 레이저의 출력, 전류, 전압 중 적어도 하나를 조절하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 레이저 가공장치를 이용한 가공방법을 제공하는 바, 가공대상체를 레이저 가공장치에 로딩(Loading)시키는 가공대상체 로딩 단계;
상기 가공대상체의 레이저 가공을 위해 레이저 출력을 포함하는 가공 데이터를 입력하는 단계;
상기 가공대상체의 레이저 가공을 위해, 열분포 측정부(Infrared camera 또는 Pyrometer)로부터 실시간 측정되는 표면온도 또는 용융온도 정보를 획득하는 단계; 및
상기 열분포 측정부로부터 획득된 정보를 반영하여 상기 가공대상체에 조사되는 상기 레이저 출력을 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 가공장치에 의하여 가공된 가공대상체를 제공한다.
본 발명에 따른 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체는, 솔더링, 용접, 패터닝 등의 가공 과정에서 가공대상물의 표면온도 및 용융온도를 실시간으로 직접적으로 측정 및 보정 가능하도록 함으로써, 가공 효율이 크게 향상될 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따른 레이저 가공장치와 이를 포함하는 방법 및 그에 의하여 가공된 가공대상체는, 가공대상체의 레이저 가공장치에서 있어서, 가공 과정에서 가공대상물의 표면온도 및 용융온도를 측정하여 보정이 가능하도록 함으로써, 가공영역에 대한 중심 에너지 분포에 대한 소실이나 변경없이 보다 효과적인 가공이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 가공영역을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법을 나타내는 흐름도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 예시를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 레이저를 통해 대상물을 가공하는 장치로서, 가공대상체의 온도를 직접적으로 측정 및 반영하여 가공 과정이 수행됨으로써, 보다 효과적으로 가공이 가능하도록 할 수 있다. 이러한 가공은 레이저 빔을 전달하여 상기 대상물에 마킹, 커팅, 스크라이빙, 패터닝 및 솔더링, 용접 등의 공정을 수행하는 것을 의미한다.
이하에서는 이러한 가공대상체의 레이저 가공장치 및 방법을 각각 구분하여 설명하되, 장치의 설명에서 기재가 생략되고, 방법의 설명에만 기재된 구체적인 단계들도 본 발명의 실시예에 따른 장치를 통해 수행될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 가공영역을 나타내는 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는, 레이저 발생부(10), 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔변환장치(20), 빔변환장치(20)를 경유한 상기 레이저 빔의 초점위치를 조절하고 가공대상체의 온도를 측정하는 빔 조절부(30), 가공대상체의 표면온도 및 용융온도 중 하나 이상을 측정하는 열분포 측정부(310), 상기 가공대상체의 측정온도를 반영하여 상기 레이저 빔의 강도를 조절 또는 제어하는 제어부(70) 및 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부(320)를 포함할 수 있다.
경우에 따라, 빔 조절부(30)에는 본 발명에 따른 광학 헤드 모듈(300)을 포함하여 구성될 수도 있다. 즉, 빔 조절부(30)의 광학 헤드 모듈(300)은, 빔변환장치(20)를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부(320), 빔 포커싱부(320)로부터 조절된 상기 레이저가 조사될 위치 및 정렬 상태 정보를 획득하여 상기 가공대상체에 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부(330) 및 상기 가공대상체의 가공지점에 대한 표면온도 및 용융온도를 측정하는 열분포 측정부(310)를 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 발생부(10)는, 가공대상체인 샘플(1)의 가공을 위한 레이저 빔을 생성할 수 있다. 구체적으로, 연속파 레이저 또는 펄스화된 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 빔의 파장은 적외선 영역에서부터 자외선 영역 내에 위치하는 레이저 파장 전부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 자외선 파장, 그린 파장, 적외선 파장 등을 포함할 수 있다. 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔은, 빔변환장치(20) 및 빔 조절부(30)를 경유할 수 있다.
빔변환장치(20)는 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절할 수 있다. 구체적으로, 빔변환장치(20)는 레이저 빔을 확대 또는 축소시킬 수 있다. 또한, 빔변환장치(20)는 레이저 빔을 분산이나 집중이 적은 평행한 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 생성시켜 줄 수 있다. 이로써, 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔은 빔변환장치(20)를 경유하며 확대 또는 축소되어 크기 조절되면서, 콜리메이트 빔으로 생성될 수 있다.
빔변환장치(20)에 의하여 변경된 레이저 빔의 크기는 레이저 가공장치(100)의 마지막 단의 렌즈로 입사되는 레이저 빔의 크기일 수 있다. 빔변환장치(20)는 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔의 직경을 변경하고, 변경된 레이저 빔을 출력할 수 있다. 빔변환장치(20)는 수동 또는 자동으로 조절이 가능할 수 있다. 여기서, 빔변환장치(20)는 가우시안 빔의 형상을 플랫탑 빔 또는 멀티 스폿의 형상으로 변환하여 출력할 수 있다. 플랫탑 빔의 형태는 원형, 다각형, 링형 중의 하나일 수 있다.
이 밖에도, 빔 어테뉴에이터(attenuator), 편광판, 반파장판, 스플리터, 필터, 셔터 등의 다양한 광학소자가 더 배치될 수 있다.
빔 조절부(30)는 다이나믹 포커싱 모듈(31)을 통하여 상기 레이저 빔의 초점 높이 등의 위치를 조절될 수 있다. 조절된 상기 레이저 빔은 빔 조절부(30)의 광학 헤드 모듈(300)을 경유하여 가공대상체인 샘플(1)에 소정의 레이저 파워로 조사될 수 있다.
제어부(70)는 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 또는 용융온도에 따라 가공대상체인 샘플(1)을 가공하기 위해, 기입력된 레이저 출력 데이터를 결정할 수 있다. 이 데이터를 기반으로 가공대상체인 샘플(1)의 표면을 솔더링할 수 있다. 경우에 따라서, 가공대상체 표면에 마이크로 단위에서 나노 단위의 폭과 깊이를 갖는 미세 패턴, 마킹, 스크라이빙 및 커팅을 수행할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 헤드 모듈(300)은, 전술한 바와 같이, 빔변환장치(20)를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부(320), 빔 포커싱부(320)로부터 조절된 상기 레이저가 조사될 위치 및 정렬 상태 정보를 획득하여 상기 가공대상체에 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부(330) 및 상기 가공대상체의 가공지점에 대한 표면온도 및 용융온도 등을 측정하는 열분포 측정부(310)로 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 광학 헤드 모듈(300)의 열분포 측정부(310)는 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 및 용융온도를 측정할 수 있다. 열분포 측정부(310)는 비접촉식 방사온도계로써 가공대상체인 샘플(1)의 표면 온도를 실시간으로 측정 및 측정된 결과가 제어부(70)로 전송될 수 있다. 이러한 측정결과에 따라 제어부(70)는 레이저 빔의 출력을 조절할 수 있다. 열분포 측정부(310)는, 예를 들어 적외선 카메라 또는 파이로미터(Pyrometer) 일 수 있다.
광학 헤드 모듈(300)의 빔 포커싱부(320)는 상기 레이저 빔의 초점 높이 등의 위치를 조절할 수 있으며, 광학 헤드 모듈(300)의 레이저 조사부(330)는 상기 가공대상체인 샘플(1)을 따라 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 예를 들어, 빔 포커싱부(320)는, 가공대상체인 샘플(1)의 위치 정보와의 매칭을 통해 설정된 가공 높이에 따라, 집광부(50)를 통과하는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다.
빔 포커싱부(320)는 수평 왕복 이동을 하는 모터(미도시)의 구동에 의해, 레이저 조사부(330)로 전달되는 레이저 빔의 초점거리를 조절하여 조사할 수 있다. 예를 들어, 빔 포커싱부(320) 내부에 하나의 렌즈가 우측으로 이동하게 되면, 레이저 빔의 초점이 가공대상체인 샘플(1)로부터 멀어지게 되므로, 레이저 빔이 지면의 상측으로 이동하여 레이저 빔의 초점 높이가 짧아질 수 있다. 반대로, 빔 포커싱부(320) 내부 하나의 렌즈가 좌측으로 이동하게 되면, 레이저 빔이 가공대상체인 샘플(1)로 가까워지므로, 레이저 빔의 초점이 지면의 하측으로 이동할 수 있다.
빔 포커싱부(320)의 일측 단부에는 레이저 빔의 출력을 감지하는 레이저 출력 감지부(321)이 배치될 수 있다. 이러한 레이저 출력 감지부(321)는 레이저 발생부(10)에서 조사되는 상기 레이저 빔의 출력을 감지하고 열분포 측정부(310)에서 측정되는 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 등 정보와 함께 제어부(70)로 전송될 수 있다.
광학 헤드 모듈(300)의 레이저 조사부(330)의 하부에는, 빔 포커싱부(320)를 통과한 상기 레이저 빔을 가공대상체인 샘플(1)로 집속하기 위한 집광부(50)가 배치될 수 있다.
집광부(50)는 레이저 빔을 집속시킬 수 있다. 이와 같은 집광부(50)는 레이저 조사부(330)를 통과한 레이저 빔을 집광시켜서, 가공대상체인 샘플(1)에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 집광부(50)는 한 개 이상의 렌즈로 구성될 수 있으며, 텔레센트릭 렌즈를 포함할 수 있다.
이러한 구성들을 통해, 레이저 빔의 조사 위치, 초점 거리, 출력되는 레이저 빔의 펄스 파형, 파워, 조사 시간, 가공 속도, 발산 및 수렴 특성, 빔의 형상 등 다양한 파라미터 중 적어도 하나 이상을 조절할 수 있다.
제어부(70)는 가공대상체인 샘플(1)의 표면을 가공하기 위해, 레이저 빔이 조사되는 초점 위치 데이터를 추출할 수 있다. 이 데이터를 기반으로 초점 위치 데이터는 레이저 조사부(330)가 제어할 수 있다. 또한, 초점 위치 데이터는 빔 포커싱부(320)가 제어함으로써 가공 데이터를 실시간으로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 가공장치(100)는 정밀 스테이지(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 가공대상체인 샘플(1)이 가공을 위해 스테이지에 장착되었을 때, 광학계의 유효 초점거리를 벗어나는 변형이 발생할 개연성이 있다. 따라서, 정밀 스테이지를 통해 정의된 좌표계 안에서 다량의 축의 조합에 따라 빔 포커싱부(320)과 레이저 조사부(320)의 유효 가공영역과 유효 초점거리 내에 가공대상체인 샘플(1)이 위치하도록 제어할 수 있다.
이하에서는 전술한 본 발명에 따른 레이저 가공장치(100)를 사용하여 가공대상체를 가공하는 과정에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법을 나타내는 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 예시를 나타내는 그래프이다.
이들 도면을 참조하면, 가공대상체인 샘플(1)을 레이저 가공장치에 로딩(Loading)시키는 가공대상체 로딩 단계(S100), 가공대상체인 샘플(1)의 레이저 가공을 위해 레이저 출력을 포함하는 가공 데이터를 입력하는 단계(S200), 가공대상체인 샘플(1)의 레이저 가공을 위해, 열분포 측정부(310)로부터 실시간 측정되는 표면온도 또는 용융온도 정보를 획득하는 단계(S300) 및 열분포 측정부(310)로부터 획득된 정보를 반영하여 가공대상체인 샘플(1)에 조사되는 상기 레이저 빔의 출력, 파워를 조절하고 가공하는 단계(S500, S600))를 포함할 수 있다.
필요한 경우, 열분포 측정부(310)으로부터 측정된 가공대상체인 샘플(10)의 온도정보에 따라 레이저 빔의 가공위치를 보정하는 단계(S400)가 더 포함될 수 있다. 즉, 가공대상체인 샘플(1)의 가공지점의 온도가 기 입력된 임계값과 비교하여 고온으로 판단되는 경우에는 가공지점을 변경시켜 우선적으로 솔더링(soldering)을 수행할 수 있다.
전술한 레이저 가공장치(100)를 이용한 가공과정은, 도 4에 도시된 바와 같이, 예열(preheating) 및 솔더링(soldering) 과정이 각각 소정의 온도로 수행될 수 있다. 이 때, 상기 상기 예열과정과 솔더링 과정에서 측정되는 온도는 전술한 고온 측정계(310)에 의하여 측정될 수 있다. 바람직하게는 상기 예열과정과 솔더링 과정에서 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 또는 용융온도가 대략 1 내지 500도 온도 범위에서 측정이 이루어질 수 있다.
먼저, 가공대상체인 샘플(1)을 정밀 스테이지와 같은 가공 스테이지에 로딩한다(S100). 상기 가공 스테이지에 가공대상체인 샘플(1)의 로딩이 완료되면 검사를 수행할 수 있다. 이때, 검사로 확인되는 위치, 정렬상태 등의 정보는 CCD, CMOS로 구비된 카메라(미도시)를 이용하여 비접촉 방식에 의해 가공대상체인 샘플(1)로부터 획득될 수 있다.
검사가 완료된 가공대상체인 샘플(1)의 외형 등에 따라 솔더링(soldering)을 수행할 레이저 빔의 출력, 전류, 전압 등의 데이터가 결정 및 입력될 수 있다(S200). 입력되는 레이저 빔의 출력, 전류 또는 전압은 기 결정된 설정값에 따라 결정될 수 있으나, 이러한 설정값은 후술할 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 또는 용융온도에 따라 조절될 수 있다.
가공대상체인 샘플(1)의 가공 정보가 입력되는 단계(S200) 수행 후에는 열분포 측정부(310)로부터 실시간 측정되는 표면온도 또는 용융온도 정보를 획득하는 단계(S300)가 수행될 수 있다. 여기서, 가공대상체인 샘플(1)의 가공 정보가 입력되는 단계(S200)는 가공대상체인 샘플(1)의 외형이나 가공면적에 따라 1차적으로 설정되는 레이저 빔의 출력 또는 파워일 수 있다. 또, 열분포 측정부(310)으로부터 측정되는 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도에 따라 2차적으로 설정되는 상기 레이저 빔의 출력일 수 있다. 바람직하게는, 상기 레이저 빔의 출력은 대략 1 내지 4,000W 범위의 크기로 조사될 수 있다.
가공대상체인 샘플(1)의 표면온도에 따른 상기 레이저 빔의 출력 조절 이후에는 레이저 조사부(330)에서 조사되는 상기 레이저 빔의 출력이 조절되는 단계가 진행될 수 있다(S500). 상기 레이저 빔의 출력 조절은 열분포 측정부(310)로부터 측정되는 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 정보 또는 솔더 용융온도 정보에 따라 제어부(70)에 의하여 조절되도록 제어될 수 있다.
여기서, 레이저 조사부(330)에서 조사되는 상기 레이저 빔의 출력은 가공대상체인 샘플(1)의 표면 온도 이외에도 가공 과정에서의 용융 온도에 따라 조절될 수도 있다.
마지막으로, 가공대상체인 샘플(1)을 최종 가공하는 단계(S600)가 진행될 수 있다. 이러한 가공 단계(S600)는 빔 포커싱부(320) 및 레이저 조사부(330)로부터 조사되는 레이저 빔에 의하여 솔더링 등의 가공 처리를 수행하는 단계로 정의될 수 있다. 여기서 레이저 가공의 의미는, 상기 솔더링의 정보에 따라 레이저에 의해 가공대상체인 샘플(1)이 가공되는 것을 의미한다. 이때 제어부(70)는 상기 레이저의 파장, 출력, 펄스폭, 빔의 형상, 스폿사이즈, 포커스 위치 등의 레이저 가공 파라미터 정보와 패턴, 마킹, 커팅 또는 스카이빙인 경우에 이들의 폭 및 간격, 가공속도 정보를 포함하여 레이저가 조사될 수 있도록 할 수 있다.
구체적인 예에서, 레이저 조사부(330)로부터 조사되는 상기 레이저 빔은, 도 2에 도시된 바와 같이, 고온 측정계(310)의 측정영역(C)에 따라서 소정의 가공영역(B)으로 조절되어 조사될 수 있다. 본 발명에 따르면, 가공대상체인 샘플(1)의 표면온도 측정영역으로 정의되는 'C'는 상기 레이저 빔이 조사되는 가공영역(B) 보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 가공대상체인 샘플(1)의 측정영역(C) 표면온도 또는 융융온도에 따라 가공영역(B)을 미세하게 이동 또는 조절하며 보다 효과적이고 세밀한 가공이 가능할 수 있다.
이는, 가공대상체에 대한 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 가공 과정에서 가공대상물인 샘플(1)의 표면온도 및 용융온도를 측정하여 실시간으로 직접 보정이 가능하도록 함으로써, 광학헤드에 레이저 빔의 크기조절을 위한 추가장치가 필요 없고, 가공영역에 대한 중심 에너지 분포에 대한 소실이나 변경없이 보다 효과적인 가공이 가능할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 가공대상물인 샘플(1)를 솔더링 하기 위하여 솔더볼에 따라 레이저 스폿(spot)의 면적을 조절하기 위한 레이저 초점의 디포커싱으로 발생될 수 있는 가공대상체 샘플(1)의 주변 영향, 예를 들어 burning, underheating 에 의한 냉납 등의 현상을 방지할 수 있다.
여기서, 전술한 CCD, CMOS로 구비된 카메라(미도시)의 촬상영역(A)은 가공영역(B)과 고온 측정계(310)의 측정영역(C) 보다 넓게 설정됨으로써, 가공과정에서 가공상태는 물론 가공 후에도 품질 분석 및 확인이 가능할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (16)

  1. 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔변환장치;
    상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔의 초점위치를 조절하는 빔 조절부;
    가공대상체의 표면온도 및 용융온도 중 하나 이상을 측정하는 열분포 측정부;
    상기 가공대상체의 상기 측정된 온도로 상기 레이저 빔의 강도를 조절 또는 제어하는 제어부; 및
    상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔을 상기 가공대상체에 집속하여 전달하는 빔 포커싱부;를 포함하는, 레이저 가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 포커싱부는,
    상기 레이저의 출력을 측정 및 조절하는 레이저 출력 감지부;를 더 포함하는, 레이저 가공장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 포커싱부로부터 전달된 상기 레이저가 조사될 위치 및 정렬상태 정보를 획득하여 상기 가공대상체에 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부;를 더 포함하는, 레이저 가공장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분포 측정부의 측정지점 면적은 상기 가공대상체의 면적보다 작은 범위로 설정되는, 레이저 가공장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분포 측정부는, 상기 가공대상체의 표면온도 또는 용융온도가 1 ~ 500도 온도 범위에서 측정되는, 레이저 가공장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분포 측정부는, 적외선 카메라, 파이로미터 중 하나 이상을 포함하는, 레이저 가공장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분포 측정부는, 상기 집광부의 상단부에 결합되어 상기 가공대상체의 상기 표면온도 및 용융온도 중 하나 이상의 측정 효율을 증대시킬 수 있는, 레이저 가공장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 조사부에서 조사되는 상기 레이저 출력은 1 ~ 4,000 Watt 범위에서 조사되는 구조를 포함하는, 레이저 가공장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 조사부의 상기 레이저 빔의 출력파워는 상기 열분포 측정부의 상기 가공대상체의 표면온도 및 용융온도 중 적어도 하나에 따라 조절되는, 레이저 가공장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생부에는 상기 레이저의 배율을 보정하는 적어도 하나의 광학렌즈가 배치되는, 레이저 가공장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생부의 일측에는 조명부가 배치되는 구조 포함하는, 레이저 가공장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저의 조사위치 및 정렬상태 정보는 CCD 및 CMOS 중 하나 이상을 포함하는 촬상 장치로 획득되는, 레이저 가공장치.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 발생부로부터 조사되는 상기 레이저는 상기 빔 포커싱부와 레이저 조사부를 순차적으로 경유한 후 하나의 동일한 중심축을 갖고 조사되는, 레이저 가공장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 가공장치의 제어부는, 상기 열분포 측정부의 측정온도에 따라 상기 레이저의 출력, 전류, 전압 중 적어도 하나를 조절하도록 제어하는, 레이저 가공장치.
  15. 가공대상체를 레이저 가공장치에 로딩(Loading)시키는 가공대상체 로딩 단계;
    상기 가공대상체의 레이저 가공을 위해 레이저 출력을 포함하는 가공 데이터를 입력하는 단계;
    상기 가공대상체의 레이저 가공을 위해, 열분포 측정부로부터 실시간 측정되는 표면온도 또는 용융온도 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 열분포 측정부로부터 획득된 정보를 반영하여 상기 가공대상체에 조사되는 상기 레이저 출력을 조절하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법.
  16. 제 1 항 내지 제 14 항의 가공장치 및 제 15 항의 가공방법 중 어느 하나에 따라 가공된 가공대상체.
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