專利名稱：借助激光光斑放大來激光加工工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光微加工，且特別是涉及一種采用快速偏轉(zhuǎn)反射鏡來移動激光光斑的方法和設(shè)備，其中該激光光斑在襯底上依所需的圖形具有聚焦的光斑尺寸，用以去掉該襯底上比聚焦光斑尺寸大的目標(biāo)區(qū)域。
背景技術(shù)：
這里僅針對多層電子工件以示例方式展示背景技術(shù)，所述多層電子工件例如為集成電路芯片封裝、多芯片模塊(MCM)和高密度互連電路板，它們已成為電子封裝工業(yè)最優(yōu)選的元件。
用于封裝單個(gè)芯片的器件，如球狀矩陣排列、引腳網(wǎng)格陣列、電路板及混合微電路，通常包括分立的金屬、有機(jī)電介質(zhì)和/或增強(qiáng)材料以及其它新材料的元件層。近來，大量的工作已經(jīng)以開發(fā)基于激光的微加工技術(shù)為目標(biāo)，為的是在這類電子材料上形成通路孔(via)或者進(jìn)行其它處理。對于微加工，在這里僅以示例方式來討論通路孔，且其也可采取完整的通孔形式或者采取被稱為盲通路孔的不完整的孔的形式。遺憾的是，激光微加工包含大量的變量，這些變量包括激光器類型、運(yùn)行成本以及激光器和目標(biāo)材料特定的工作參數(shù)，如光束波長、功率和光斑尺寸，因此導(dǎo)致加工生產(chǎn)量和孔的質(zhì)量變化很大。
對于許多用途來說，與所希望的切口寬度和孔的直徑相比，目前在微加工操作中所使用的脈沖紫外激光器產(chǎn)生較小的光斑尺寸。用于形成比激光光斑尺寸大的特征幾何特征(在下文中稱之為“外形加工”)的激光加工的生產(chǎn)量可以通過使用較大和功率密度較低的激光光束來提高。如在Owen等人的美國專利第5841099號中所描述的激光器離焦操作，能夠有效地增大激光光斑尺寸并降低其功率密度。同樣屬于Owen等人的美國專利第5593606號和第5841099號，描述了使用紫外激光器系統(tǒng)在有利的參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生激光脈沖輸出，從而在多層器件中形成通路孔或者盲通路孔的優(yōu)點(diǎn)。這些專利提到了眾所周知的技術(shù)，用這些技術(shù)，通過穿孔、同心圓加工或者螺旋加工(spiral processing)能夠生產(chǎn)直徑比聚焦光斑尺寸大的通路孔。這些技術(shù)在下文中都將被稱為“外形鉆孔(contoured drilling)”。
遺憾的是，激光的離焦操作經(jīng)常導(dǎo)致無法預(yù)料的和不希望的能量分布和光斑形狀并對通路孔質(zhì)量(包括通路孔壁錐度、在通路孔底部的銅層的熔化程度、及在鉆孔期間由熔化銅的飛濺所引起的環(huán)繞通路孔周圍的“邊緣”的高度)產(chǎn)生不利影響。此外，因?yàn)檫M(jìn)入常規(guī)的準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)器件的光斑尺寸與碰撞目標(biāo)的光斑尺寸成反比，因此施加在上述光學(xué)器件上的功率密度很快超出了光學(xué)器件的損壞閾值。
Ward的美國專利第4461947號公開了一種外形鉆孔的方法，在該方法中，以一透鏡在垂直于入射激光光束的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而影響尺寸上比聚焦激光光斑大的目標(biāo)區(qū)域。所述透鏡的旋轉(zhuǎn)與支撐安裝臂的位置無關(guān)。Ward的專利也公開了一種現(xiàn)有技術(shù)的外形鉆孔方法，該方法依靠安裝臂在一平面內(nèi)的移動來實(shí)現(xiàn)透鏡旋轉(zhuǎn)。在該背景技術(shù)中，Ward的專利公開了可以通過旋轉(zhuǎn)反射鏡來旋轉(zhuǎn)光束。
Kawasaki等人的美國專利第5571430號公開了一種激光焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一種凹面聚光鏡，其繞第一軸樞轉(zhuǎn)，并且由一個(gè)旋轉(zhuǎn)支撐部件支撐在軸承上從而使該凹面聚光鏡可以繞與第一軸垂直的第二軸旋轉(zhuǎn)。該凹面聚光鏡繞第一軸轉(zhuǎn)動為的是增加被去掉目標(biāo)的“寬度”，而繞第二軸轉(zhuǎn)動為的是形成環(huán)形圖形。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種方法或者設(shè)備，用以在空間上快速分布高重復(fù)率脈沖激光的聚焦激光光斑，并且由此而分布能量密度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是快速地形成比聚焦激光光斑的尺寸大的幾何特征。
本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的目的是提高在這種激光加工操作中的工件的生產(chǎn)能力和/或質(zhì)量。
Cutler等人的美國專利第5751585號和第5847960號亦即Cutler的美國專利第6430465 B2包含分裂軸定位系統(tǒng)的描述，在該系統(tǒng)中，上部工作臺是不被下部工作臺支撐的并且獨(dú)立于下部工作臺移動，并且在該系統(tǒng)中，工件被承載于一個(gè)軸或者工作臺上，而工具則被承載于另一個(gè)軸或者工作臺上。上述這些定位系統(tǒng)具有一個(gè)或者多個(gè)上部工作臺，它們各自支撐一個(gè)快速定位器，并且能夠同時(shí)以高生產(chǎn)率處理一個(gè)或多個(gè)工件，這是因?yàn)樯鲜霰华?dú)立支撐的工作臺各自承載比堆疊工作臺系統(tǒng)更小的慣性質(zhì)量并且能夠更快地加速、減速或者改變方向。這樣，因?yàn)橐粋€(gè)工作臺的質(zhì)量不由其它的工作臺來承載，給定負(fù)載的諧振頻率就增加了。此外，在響應(yīng)定位命令數(shù)據(jù)流、同時(shí)協(xié)調(diào)定位器各自的移動位置從而在數(shù)據(jù)庫所定義的目標(biāo)位置上產(chǎn)生暫時(shí)固定的工具位置時(shí)，慢速和快速的定位器適合于移動而不停止。這些分裂軸、多速率的定位系統(tǒng)減少了現(xiàn)有系統(tǒng)的快速定位器移動范圍的限制，同時(shí)提供了顯著提高的工具加工生產(chǎn)量，并且能夠根據(jù)面板化(panelized)或者非面板化(unpanelized)的數(shù)據(jù)庫來工作。
由于工件的整個(gè)質(zhì)量和尺寸增加，雖然使用更長并因此而質(zhì)量更大的工作臺的這樣的分裂軸定位系統(tǒng)正在變得甚至更加有利，但是它們不能提供足夠的帶寬以便有效地以大幾何間隔將能量分布到在高脈沖重復(fù)頻率(PRF)的各激光脈沖之間。
因此本發(fā)明采用一種快速偏轉(zhuǎn)反射鏡，例如一種壓電控制鏡，在光路中以高速規(guī)定圖形在標(biāo)稱的目標(biāo)位置周圍連續(xù)地移動激光光束，以便從空間上分離以高激光重復(fù)率產(chǎn)生的聚焦激光光斑，并且因此而形成比聚焦激光光斑的尺寸大的幾何特征。本發(fā)明允許一系列在給定重復(fù)率上的激光脈沖表現(xiàn)為一系列在較低脈沖重復(fù)率上的較大直徑脈沖，而沒有與離焦工作相關(guān)的光束質(zhì)量問題。
本發(fā)明另外的目的和優(yōu)點(diǎn)將從下面參考附圖對優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描述中變得顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明結(jié)合了快速偏轉(zhuǎn)反射鏡的一個(gè)簡化的激光系統(tǒng)的部分為等軸測圖性質(zhì)而部分為示意圖性質(zhì)的視圖。
圖2是圖1的激光系統(tǒng)中所使用的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡機(jī)械裝置的部分為圖解性質(zhì)而部分為示意性質(zhì)的視圖。
圖3是圖1的激光系統(tǒng)中所使用的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡機(jī)械裝置的部分為剖視性質(zhì)而部分為示意性質(zhì)的視圖。
圖4是演示反射鏡怎樣彎曲能夠影響激光光斑的位置的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡的正面視圖。
圖5是借助根據(jù)本發(fā)明的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡的移動而改進(jìn)的示范性的直線切口形成外形的計(jì)算機(jī)模型。
圖6是借助根據(jù)本發(fā)明的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡的移動而改進(jìn)的示范性的通路孔鉆孔外形的計(jì)算機(jī)模型。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明的激光系統(tǒng)10的一個(gè)示范性實(shí)施例包括Q開關(guān)的、二極管泵浦(DP)的固體激光器(SS)12，該激光器優(yōu)選包含固態(tài)激射工作物質(zhì)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，除了二極管之外的泵浦源，例如氪弧光燈，也是可運(yùn)用的。泵浦二極管、弧光燈、或者其它常規(guī)的泵浦裝置從電源接受能量(未單獨(dú)示出)，它們可以構(gòu)成激光器12的一部分，或者可以被設(shè)置成獨(dú)立的。
示范性的激光器12提供諧振產(chǎn)生的具有一個(gè)或者多個(gè)激光脈沖的激光輸出14，所述激光脈沖主要具有TEM00空間模分布。優(yōu)選的激光波長從大約150納米(納米)到大約2000納米，包括發(fā)自Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:YAP、Yb:YAG或者Ti藍(lán)寶石激光器64的1.3、1.064、或者1.047、1.03～1.05、0.75～0.85微米(μm)或者它們的二次、三次、四次或者五次諧波，但并不限于這些波長。這樣的諧波波長可以包括例如大約為532納米(倍頻Nd:YAG激光器)、355納米(三倍頻Nd:YAG激光器)、266納米(四倍頻Nd:YAG激光器)、或者213納米(五倍頻Nd:YAG激光器)的波長，但并不限于這些波長。激光器12和諧波產(chǎn)生技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。在Owen等人的美國專利第5593606號中詳細(xì)地描述了一個(gè)示范性激光器12的細(xì)節(jié)。優(yōu)選激光器12的例子包括由美國加利福尼亞州Mountain View的Lightwave Electronics(光波電子公司)銷售的210型UV-3500激光器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，發(fā)射其它合適波長的激光器是能夠從市場上買到的并且是能夠使用的，包括光纖激光器、或者Q開關(guān)的二氧化碳激光器。2002年12月12日公開的Dunsky等人的公開號為US2002/0185474 A1的美國專利公開了一種示范性的Q開關(guān)二氧化碳激光器。
參見圖1，激光器輸出14在受到光束定位系統(tǒng)40的一系列光束定向元件20(如工作臺軸的定位鏡)、快速偏轉(zhuǎn)反射鏡FSM(30)、和快速定位器32(如一對受電流計(jì)驅(qū)動的X軸和Y軸反射鏡)引導(dǎo)之前，可以被多種公知的光學(xué)元件處理，包括沿著光路18設(shè)置的光束擴(kuò)展器透鏡元件16在內(nèi)。最后，激光輸出14在作為具有激光光斑48的激光系統(tǒng)輸出光束46而被施加到工件上之前，先穿過諸如作為聚焦或焦闌掃描透鏡的物鏡42。
一種優(yōu)選的光束定位系統(tǒng)40在Cutler等人的美國專利第5751585號中進(jìn)行了詳細(xì)描述，且該定位系統(tǒng)還可以包括在Cutler等人的美國專利第6430465B2號中描述的阿貝誤差(ABBE error)校正裝置。光束定位系統(tǒng)40優(yōu)選采用一種移動工作臺定位器，該定位器優(yōu)選至少控制兩個(gè)平臺或者說工作臺52和54，并且支撐定位元件20，以便將激光系統(tǒng)的輸出光束46對準(zhǔn)并聚焦到所需要的激光目標(biāo)位置60上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，移動工作臺定位器是一種分裂軸系統(tǒng)，其中通常由線性電機(jī)移動的Y工作臺52支撐并沿著軌道56移動工件50，X工作臺54支撐并沿著軌道58移動快速定位器32和物鏡42，在X和Y工作臺之間的Z的尺寸是可調(diào)節(jié)的，并且光束導(dǎo)向元件20通過在激光器12和快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30之間的任何次轉(zhuǎn)向來調(diào)整光路18。典型的移動工作臺定位器能夠有500毫米/秒的速度和1.5g的加速度。為方便起見，可將快速定位器32以及一個(gè)或多個(gè)移動工作臺52和/或54的組合稱為主定位系統(tǒng)或者集成式的定位系統(tǒng)。
光束定位系統(tǒng)40允許在相同或不同的電路板或芯片封裝上的各個(gè)目際位置60之間快速移動，以基于所提供的測試數(shù)據(jù)或者設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或者雙重的加工操作。一個(gè)示范性的快速定位器能夠有400毫米/秒或者500毫米/秒的速度以及300g或者500g的加速度，并且因此這些參數(shù)也是一個(gè)示范性集成定位系統(tǒng)的典型性能。一個(gè)包含很多上述的定位系統(tǒng)元件的優(yōu)選激光系統(tǒng)10的例子是美國俄勒岡州波特蘭市的電氣科學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的5320型激光系統(tǒng)或者該公司生產(chǎn)的其它該系列產(chǎn)品。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，可以是任取其一地采用具有用于工件定位的單一的X-Y工作臺、及用于光束定位的固定光束位置和/或靜止電流計(jì)的系統(tǒng)。
激光系統(tǒng)控制器62優(yōu)選以本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方式使激光器12的啟動同步于工作臺52和54以及快速定位器32的移動。所示激光系統(tǒng)控制器62通常用于控制快速定位器32、工作臺52和54、激光器12以及快速偏轉(zhuǎn)反射鏡控制器64。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，激光系統(tǒng)控制器62可以包括集成的或者獨(dú)立的控制子系統(tǒng)，以對這些激光器元件中的任何一個(gè)或者全部進(jìn)行控制和/或提供能量，并且這樣的子系統(tǒng)可以被設(shè)置成相對于激光系統(tǒng)控制器62是遠(yuǎn)程的。激光控制器系統(tǒng)62還優(yōu)選通過反射鏡控制器64而直接或者間接地控制快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的運(yùn)動，包括其方向、傾角或旋轉(zhuǎn)以及速度或者頻率，并且控制與激光器12或定位系統(tǒng)40的元件的任何同步。為了方便起見，快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30與反射鏡控制器64的組合可以被稱之為輔助的或者非集成式的定位系統(tǒng)。
激光系統(tǒng)輸出光束46的參數(shù)選擇成便于在各種各樣的金屬、電介質(zhì)和其它目標(biāo)材料中充分地清潔、連續(xù)鉆孔也就是形成通路孔，上述這些材料響應(yīng)紫外光或者可見光可以顯示出不同的光學(xué)吸收、燒蝕閾值或者其它特性。激光系統(tǒng)的輸出的示范性參數(shù)包括在光斑區(qū)域上測量到的大于約120微焦(μJ)、優(yōu)選為200μJ的平均能量密度；小于約50微米、并且優(yōu)選是從約1微米到50微米、通常是從約20微米到30微米的光斑直徑或者空間主光軸；大于約1千赫(kHz)、并且優(yōu)選大于約5kHz、而最優(yōu)選則甚至高于20kHz的重復(fù)率；波長優(yōu)選介于大約150納米到2000納米之間、更優(yōu)選介于大約在190到1325納米之間、最優(yōu)選則介于約266納米和532納米之間。選擇激光系統(tǒng)輸出光束46的優(yōu)選參數(shù)，為的是力圖避免由于使用瞬時(shí)脈沖寬度造成的一定的熱損傷效果，其中該瞬時(shí)脈沖寬度小于約100納秒(ns)，并且優(yōu)選的是從約0.1皮秒(ps)到100納秒，而更優(yōu)選的則是從約1到90納秒甚至更短。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解這些參數(shù)將會根據(jù)被處理的材料而變化并且能夠被優(yōu)化，并且不同的參數(shù)可以被用來處理不同的目標(biāo)層。
激光系統(tǒng)的輸出光束46優(yōu)選在工件50上的光束位置60產(chǎn)生直徑小于大約25至50微米的光斑區(qū)域48。雖然特別是在與激光系統(tǒng)10的描述有關(guān)的時(shí)候，光斑區(qū)域48和直徑通常指的是1/e2尺寸，這些術(shù)語偶爾也會用來指光斑面積或是由單個(gè)脈沖所形成的孔的直徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員也將會理解，輸出光束46的光斑區(qū)域48大致是圓形的，但是也可以被成形為大體上方形的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將會理解，如果需要用于特定的操作，特別是對于第一步處理來說，輸出光束46能夠被成像，或者是被截去其翼部和尾部。
圖2示出了快速偏轉(zhuǎn)反射鏡(FSM)30的優(yōu)選實(shí)施例，該反射鏡被定位以便接收激光輸出14，令其偏轉(zhuǎn)而穿過快速定位器32，通過物鏡42到達(dá)工件50上的目標(biāo)位置60，以用于ECB通路孔鉆孔、電路元件修整、或者其它微加工用途?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30優(yōu)選作為有限偏轉(zhuǎn)光束定位工作臺的一部分而被實(shí)現(xiàn)，該工作臺使用具有比快速定位器32更高的頻率響應(yīng)的電致伸縮調(diào)節(jié)器?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30被鐵電陶瓷調(diào)節(jié)器(ferroelectric ceramic actuator)材料如鈮酸鉛鎂(PMN)所偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)器(actuator)22將電壓轉(zhuǎn)換成位移。鈮酸鉛鎂(PMN)材料與更普通的壓電調(diào)節(jié)器材料相似，但是具有小于百分之一的滯后現(xiàn)象、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，表現(xiàn)出寬的工作溫度范圍和加工溫度范圍，不需要永久極化，并且以小的電驅(qū)動電壓提供了有用的機(jī)械有效性。
示范性的PMN調(diào)節(jié)器22對于40毫米長的PMN材圓柱體料具有大約20微米的有限位移，但是對于5毫米直徑的圓柱體具有大約每微米210牛頓的非常高的剛度?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30通過彎曲部分連接到三個(gè)PMN調(diào)節(jié)器22上，這些PMN調(diào)節(jié)器具有排列成等邊三角形的第一端，該等邊三角形的中心對準(zhǔn)快速偏轉(zhuǎn)反射鏡120的中心24。PMN調(diào)節(jié)器22的第二端機(jī)械連接到附著于X軸移動工作臺54的安裝座26上。三個(gè)PMN調(diào)節(jié)器22優(yōu)選以三個(gè)自由度的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，該三個(gè)自由度的構(gòu)造被用于以兩個(gè)自由度的模式來傾斜和翻轉(zhuǎn)快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30。三個(gè)PMN調(diào)節(jié)器22優(yōu)選形成一個(gè)PMN材料的中空圓柱體，這個(gè)PMN材料的中空圓柱體從電氣上看被從圓周上分成三個(gè)活動區(qū)域。激活一個(gè)區(qū)域而使其伸展或者收縮，由此來翻轉(zhuǎn)或者傾斜快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30。
優(yōu)選的是調(diào)節(jié)器三角形具有5毫米的邊，使得快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30能夠被偏轉(zhuǎn)大約±4毫弧度(“mRad”)的角度，該角度當(dāng)被利用80毫米的物鏡42投射到工件50上的時(shí)候，就被轉(zhuǎn)換成激光輸出14的±640微米的偏轉(zhuǎn)。一個(gè)示范性的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30可以提供典型的行程限制范圍，其限制圖形尺寸最高達(dá)到激光光斑尺寸的約25或50倍；然而，快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的最大響應(yīng)頻率可以是一個(gè)約束更強(qiáng)的限制，其限制圖形尺寸最高達(dá)到激光光斑尺寸的約15倍，并且通常達(dá)到激光光斑的5到10倍?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30以比快速定位器32的示范性的電流計(jì)驅(qū)動的X軸和Y軸反射鏡更高的頻率和加速度工作。非集成式定位系統(tǒng)的示范性的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30提供大于1000毫米/秒的速度，并且能夠提供4000毫米/秒或者更高的速度，這是典型集成式定位系統(tǒng)速度的5到10倍。非集成式定位系統(tǒng)的示范性快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30提供大于1000g的加速度，并且能夠提供30000g或者更高的加速度，這是典型集成式定位系統(tǒng)的加速度的50到100倍。
詳細(xì)地說，示范性的PMN調(diào)節(jié)器22具有大約20微法的電容、1.0歐姆的直流阻抗、在5kHZ時(shí)17歐姆的阻抗、并在75V驅(qū)動時(shí)流過超過3安培的電流。驅(qū)動快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的示范性PMN調(diào)節(jié)器22具有超過約5kHZ的大信號帶寬，超過約8kHZ的小信號帶寬，和用于偏轉(zhuǎn)激光輸出14的、具有±0.5微米定位分辨率的至少約4毫弧度的偏轉(zhuǎn)角度。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解任何其它精密的高帶寬調(diào)節(jié)器都能夠被用于反射鏡調(diào)節(jié)器22。圖3是一個(gè)可選的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30與一個(gè)示范性反射鏡控制器64的一些示范性控制電路70的部分為剖視性質(zhì)而部分為示意性質(zhì)的視圖，其中該反射鏡控制器64系用于反射鏡調(diào)節(jié)器72A和72B(概括地稱為反射鏡調(diào)節(jié)器72)，它們優(yōu)選為壓電式(PZT)器件，這些壓電器件被用于造成在快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的角度上有微小變化，從而導(dǎo)致在激光輸出光束46角度上有微小變化，進(jìn)而引起在工件50的表面上的激光光斑48的位置60有微小變化。圖4是快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的正面視圖，演示反射鏡彎曲能夠怎樣影響激光光斑48的位置60。
參見圖3和圖4，在一個(gè)使用PZT反射鏡調(diào)節(jié)器72的示范性實(shí)施例中，大致矩形的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的一角被固定在一個(gè)具有彎曲部分的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)上，該彎曲部分能夠彎曲但是不能壓縮或者伸展?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30的另外兩個(gè)角被響應(yīng)正弦波的壓電式反射鏡調(diào)節(jié)器72A和72B所驅(qū)動，從而將造成激光光斑48的光束位置(其疊加在由光束定位系統(tǒng)40的其它元件建立的目標(biāo)位置60上)中的變化的小角度引入到光路18中。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，正弦sin(a)信號74沿相對的方向驅(qū)動壓電反射鏡調(diào)節(jié)器72A和72B，以在一個(gè)方向上形成角度變化，而sin(a+90°)信號76則沿相同的方向以正弦驅(qū)動反射鏡調(diào)節(jié)器72A和72B，從而產(chǎn)生與上述第一種角度變化呈90度的角度變化。激光輸出14在接近中心的一點(diǎn)被反射出快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30。這樣在反射鏡的移動所引入的小角度被掃描透鏡42轉(zhuǎn)換為位置變化之后，就導(dǎo)致在工件表面的圓周運(yùn)動。
對于激光鉆孔操作而言，優(yōu)選的物鏡焦距大約為50～100毫米，從快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30到掃描透鏡42的優(yōu)選距離在設(shè)計(jì)約束條件范圍內(nèi)盡可能的小，并且當(dāng)Z工作臺(未示出)處于其標(biāo)準(zhǔn)聚焦高度時(shí)，優(yōu)選小于約300毫米，更優(yōu)選的則是小于100毫米。在優(yōu)選的激光系統(tǒng)10中，快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30被安裝在X工作臺54上的快速定位器32的上游，并取代了一些常規(guī)光束定位系統(tǒng)中的最后的轉(zhuǎn)向鏡(turnmirror)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30適合于方便地升級現(xiàn)有的激光器和定位系統(tǒng)40，如美國俄勒岡州波特蘭市電氣科學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的5200型或5300型中所采用的，并且能夠方便地與常規(guī)激光系統(tǒng)的X工作臺54上的最后一級轉(zhuǎn)向鏡調(diào)換。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，除了X工作臺54上之外，快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30尚可被設(shè)置在光路18中的其它位置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，可以有選擇地采用多種技術(shù)，以控制快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30繞一樞軸點(diǎn)例如中心24在兩個(gè)軸上移動。這些技術(shù)包括快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30，該快速偏轉(zhuǎn)反射鏡使用彎曲機(jī)構(gòu)和音圈調(diào)節(jié)器、壓電式調(diào)節(jié)器(其依賴于壓電變形、電致伸縮或PMN材料)、和使得反射鏡的表面變形的電致伸縮或者壓電式調(diào)節(jié)器。在Baker的美國專利第5946152號中描述了示范性的音圈調(diào)節(jié)的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30，且其適于以高頻率工作。合適的音圈驅(qū)動的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30能夠從美國科羅拉多州Broomfield市的Ball Aerospace Corporation和加利福尼亞州Irvine市的Newport Corporation購到。合適的壓電調(diào)節(jié)器市則為德國Karlsruhe市的Physik Instrumente(“PI”)GmbH & Co.所制造的S-330型超快速壓電翻轉(zhuǎn)/傾斜平臺。
在模擬激光光斑放大的應(yīng)用中，激光控制器64命令集成式定位系統(tǒng)的工作臺52和54以及快速定位器32遵循預(yù)定的工具路徑，例如修整外形或者盲通路孔的鉆孔外形，同時(shí)反射鏡控制器64獨(dú)立地使得快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30以所需要的圖形如小圓或者振動來移動激光系統(tǒng)輸出光束46的激光光斑位置。這種疊加的、自由運(yùn)動的光束移動或者振動，使激光系統(tǒng)輸出光束46的能量分布于一個(gè)較大的區(qū)域上，并且有效地沿著工具路徑造成了一個(gè)較寬的切口。有效的切口寬度通常等于圖形尺寸加光斑直徑。光束移動也使激光能量分布在一個(gè)較大的區(qū)域上，從而有效地增加能夠在一段時(shí)間內(nèi)以給定的平均能量來處理的面積。
因?yàn)榉瓷溏R控制器64傳送給快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的命令不是與發(fā)送給集成式定位系統(tǒng)的工作臺52和54以及快速定位器32的定位命令合為一體、而是與之疊加的，故可避免大量的復(fù)雜性和成本而獲得大幅提高的功能和生產(chǎn)能力。然而，反射鏡控制器64可以與激光控制器62配合，以便在特定的激光應(yīng)用中或集成式定位系統(tǒng)的特定工具路徑中實(shí)現(xiàn)激光系統(tǒng)輸出光束46的特定的所需移動圖形。快速偏轉(zhuǎn)反射鏡的有效光斑圖形可以受到選擇，使之具有一定圖形尺寸，以獲得例如用于修整操作的特定的切口寬度，和/或者受到選擇，以便在諸如鉆孔操作這樣的時(shí)候給出特定的孔洞邊緣質(zhì)量。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，反射鏡控制器64能夠被使用者直接編程，并且不需要與激光控制器64配合，也不需要通過激光控制器64來控制。
已開發(fā)出一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形模型，用來顯示如上所述的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30被壓電調(diào)節(jié)器連續(xù)移動所導(dǎo)致的激光光斑48在工件表面上的單個(gè)位置。圖5B是圖5A的為快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的移動所改善的示范性直線型切口成形工具路徑80的計(jì)算機(jī)模型。參見圖5A和圖5B(統(tǒng)稱圖5)，各參數(shù)包括約18kHz的脈沖重復(fù)頻率(PRF)；約25μm的光斑尺寸；約50毫米/秒的直線速度(小的旋轉(zhuǎn)圓形圖案移動穿過工件表面的速率)；約2kHz的旋轉(zhuǎn)速率(圓形圖案旋轉(zhuǎn)的速率)；約30μm的旋轉(zhuǎn)性能(圓形圖案的直徑(到光束的中心))；約10μm的內(nèi)徑(螺旋形圖案的起始直徑(到圓形圖案的中心))；約150μm的外徑(螺旋形圖案的終止直徑(到圓形圖案的中心))；圓圈的數(shù)目大約是2個(gè)(螺旋形圖案的旋轉(zhuǎn)數(shù)目)。該模型顯示，為了支持介于15到20kHz范圍內(nèi)的激光脈沖頻率，需要1kHz到2.5kHz(每個(gè)旋轉(zhuǎn)5到15個(gè)脈沖)的旋轉(zhuǎn)速率用于實(shí)際的脈沖交疊。
再次參見圖5，以反射鏡增強(qiáng)的直線型外形82形成切口寬度84，該切口寬度比輸出光束46的光斑直徑86寬。這種技術(shù)允許以較少的次數(shù)形成比光斑直徑86寬的切口，同時(shí)保持加工質(zhì)量和其它使用聚焦輸出光束46(也就是不用離焦光束來獲得較寬光斑)的優(yōu)點(diǎn)。此外，對于高重復(fù)率的應(yīng)用來說，以反射鏡增強(qiáng)的直線型外形82可以超出大多數(shù)快速定位器32的帶寬能力，并且允許快速定位器32保留簡單的定位移動指令，與之對照的是，子圖形另外需要這些定位移動指令，以使其在反射鏡增強(qiáng)的直線型外形82中實(shí)現(xiàn)子圖形。
圖6B是被快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的移動所增強(qiáng)的示范性通路孔形成旋轉(zhuǎn)工具路徑90(圖6A)的計(jì)算機(jī)模型。參見圖6A和圖6B(統(tǒng)稱圖6)，各參數(shù)包括約15kHz的脈沖重復(fù)頻率(PRF)；約15μm的光斑尺寸；約30毫米/秒的直線速度(小的旋轉(zhuǎn)圓形圖案移動穿過工件表面的速率)；約1.5kHz的旋轉(zhuǎn)速率(圓形圖案的旋轉(zhuǎn)速率)；約20μm的旋轉(zhuǎn)性能(圓形圖案的直徑(到光束的中心))；約10μm的內(nèi)徑(螺旋形圖案的起始直徑(到圓形圖案的中心))；約150μm的外徑(螺旋形圖案的終止直徑(到圓形圖案的中心))；圓圈的數(shù)目大約為2個(gè)(螺旋形圖案的旋轉(zhuǎn)數(shù)目)。該模型顯示出為了支持介于15到20kHz范圍內(nèi)的激光脈沖頻率，需要1kHz到2.5kHz(每個(gè)旋轉(zhuǎn)5到15個(gè)脈沖)的旋轉(zhuǎn)速率用于實(shí)際的脈沖交疊。
在一個(gè)使用Q開關(guān)的二氧化碳激光系統(tǒng)10和PMN快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30的示范性實(shí)施例中，該二氧化碳激光系統(tǒng)10使用30kHz到40kHz的脈沖重復(fù)頻率，其中每個(gè)通路孔20到30個(gè)脈沖?？焖倨D(zhuǎn)反射鏡30以1.0到1.5kHz的頻率振動激光系統(tǒng)輸出光束46，使其在鉆孔時(shí)形成完整的旋轉(zhuǎn)，并且鉆孔時(shí)間小于0.6到1毫秒。
參見圖6，通過沿螺旋形工具路徑90順序地將具有光斑面積86的激光系統(tǒng)輸出光束46引導(dǎo)到周邊上，而在重疊的鄰接位置形成一個(gè)盲通路孔。光束46優(yōu)選連續(xù)地移動通過每個(gè)位置，其速度足以使系統(tǒng)10提供必要數(shù)目的光束脈沖以在上述位置達(dá)到切削深度。隨著光束46沿螺旋形工具路徑90行進(jìn)，每次光束46被移動到一個(gè)新的切削位置時(shí)，目標(biāo)材料就被“一點(diǎn)一點(diǎn)切下”，從而形成一個(gè)尺寸持續(xù)增大的孔洞。該孔洞的最終形狀通常是在光束46沿著圓形路徑移動到達(dá)周邊時(shí)得到的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會注意到，以反射鏡增強(qiáng)的通路孔外形92形成了比輸出光束46的光斑直徑86更大的切口寬度84，從而使最后所得到的通路孔的直徑94遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切口寬度與光斑尺寸相同的螺旋形所形成的直徑。本發(fā)明允許一系列具有給定重復(fù)率的脈沖光斑48作為一系列具有較低脈沖重復(fù)頻率的較大直徑激光脈沖光斑出現(xiàn)，從而沒有與離焦有關(guān)的光束質(zhì)量問題。通路孔直徑或者切口寬度通常處于從25到300微米的范圍，但是具有1毫米(mm)或者更大的直徑或?qū)挾鹊耐房谆蛘咔锌诨蛟S也是需要的。
一個(gè)可選用的用于形成盲通路孔的工具路徑可以從中心開始，并且切削由切口寬度84所限定的半徑遞增的同心圓。隨著形成通路孔的該同心圓在圓形路徑上以離區(qū)域中心更大的距離移動，通路孔的整體直徑就會增加?？蛇x擇的是，這一過程可以通過限定所需要的圓周開始并且向著中心來加工邊緣。向外的螺旋形加工會比同心圓加工稍稍更為連續(xù)和更快；然而盲通路孔也能夠以向內(nèi)的螺旋形來形成。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，無論是工件50或是加工輸出光束46都可以相對于另一方的位置而被固定或者移動。在優(yōu)選的實(shí)施例中，工件50和加工輸出光束46二者同時(shí)被移動。在美國專利第5593606號中提出了在多種不同襯底之上形成的具有不同深度和直徑的貫穿通路孔和盲通路孔的若干例子。不同的通路孔加工技術(shù)，包括其它的工具路徑外形，也同樣公開于Dunsky等人的美國專利第6407363 B2號中，本說明書將其結(jié)合引為參考文件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，非圓形的通路孔也可通過類似的加工而被燒蝕。舉例來說，這樣的通路孔可以具有正方形、矩形、橢圓形、狹縫形或者其它表面形狀。
本領(lǐng)域技術(shù)人員也將理解，集成式定位系統(tǒng)可以被指向單一的位置以加工一個(gè)小面積通路孔，非集成式快速偏轉(zhuǎn)反射鏡30則被用于形成一個(gè)直徑比輸出光束46的光斑直徑48大的通路孔，而無需顯著的作用時(shí)間，也無需為形成像工具路徑90這樣的工具路徑而移動集成式定位系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，通路孔質(zhì)量，包括邊緣質(zhì)量和底部均勻性，均能夠被大幅提高，而當(dāng)激光系統(tǒng)輸出光束相對是高斯分布時(shí)尤其如此。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見的是，不背離本發(fā)明的原理可以對上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)做出很多更改。本發(fā)明的范圍因此而僅應(yīng)被所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種以激光輸出脈沖在工件上用激光加工出有效切口寬度的方法，每個(gè)所述激光脈沖在所述工件上所具有的激光光斑直徑均小于所述有效切口寬度，所述方法包括從一主光束定位系統(tǒng)，以第一組限定的速度和加速度，將一激光光斑位置的主相對運(yùn)動傳遞到所述工件上，該主光束定位系統(tǒng)設(shè)置從激光器到所述工件上的所述激光光斑位置的光束定位路徑，所述主相對運(yùn)動限定主加工路徑；從沿著所述光束定位路徑定位的一輔助光束定位系統(tǒng)，以顯著高于第一組速度和加速度的第二組速度和加速度，將所述激光光斑位置的輔助相對運(yùn)動傳遞到所述工件上，該輔助相對運(yùn)動是疊加到所述主相對運(yùn)動上的，并且包括垂直于所述主加工路徑、具有圖形尺寸的圖形，該圖形尺寸小于或者等于約15倍的所述激光光斑直徑，所述的主相對運(yùn)動和輔助相對運(yùn)動配合而沿著所述主加工路徑提供所述有效切口寬度，該有效切口寬度大致等于所述圖形尺寸加所述光斑直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二組包括大于1000毫米/秒的速度以及大于1000g的加速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第二組包括從1000毫米/秒到4000毫米/秒的速度以及從1000g到30000g的加速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一組包括小于500毫米/秒的速度以及小于500g的加速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述圖形尺寸小于或者等于約10倍的所述激光光斑直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助定位系統(tǒng)具有大于約5kHz的大信號帶寬和大于約8kHz的小信號帶寬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二光束定位系統(tǒng)包括快速偏轉(zhuǎn)反射鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述快速偏轉(zhuǎn)反射鏡包括PMN或者PZT調(diào)節(jié)的反射鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述主光束定位系統(tǒng)至少包括一個(gè)移動和快速定位器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述快速定位器至少包括一個(gè)電流計(jì)驅(qū)動的反射鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述快速定位器是安裝在移動工作臺上的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述主定位系統(tǒng)包括分裂軸定位系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括以所述激光輸出脈沖來實(shí)施通路孔鉆孔操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括以所述激光輸出脈沖來實(shí)施激光修整操作。
15.一種以激光輸出脈沖在工件上用激光加工出有效切口寬度的方法，每個(gè)所述激光脈沖在所述工件上所具有的激光光斑直徑均小于所述有效切口寬度，所述方法包括從一移動工作臺定位系統(tǒng)，將一激光光斑位置的與工作臺相關(guān)的相對運(yùn)動以移動工作臺限定的速度和加速度傳遞到所述工件上；從一快速定位系統(tǒng)，以快速限定的速度和加速度，將所述激光光斑位置的快速相對運(yùn)動傳遞到所述工件上，該快速定位系統(tǒng)具有比所述移動工作臺定位系統(tǒng)高的加速能力；結(jié)合所述的移動工作臺定位系統(tǒng)和快速定位系統(tǒng)，以第一組限定的速度和加速度，將所述激光光斑的主相對運(yùn)動傳遞到所述工件上，所述主光束定位系統(tǒng)設(shè)置從激光器到所述工件上的所述激光光斑位置的光束定位路徑，所述主相對運(yùn)動限定主加工路徑；從沿著所述光束定位路徑定位的一快速偏轉(zhuǎn)反射鏡，以顯著高于第一組速度和加速度的第二組速度和加速度，將所述激光光斑位置的輔助相對運(yùn)動傳遞到所述工件上，該輔助相對運(yùn)動是疊加到所述主相對移動上且不與之合為一體的，并且包括垂直于所述主加工路徑、具有圖形尺寸的圖形，該圖形尺寸等于或者小于約15倍的所述激光光斑直徑，所述的主相對運(yùn)動和輔助相對運(yùn)動配合而沿著所述主加工路徑提供所述有效切口寬度，該有效切口寬度大致等于所述圖形尺寸加所述光斑直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述第二組包括大于1000毫米/秒的速度以及大于1000g的加速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述第二組包括從1000毫米/秒到4000毫米/秒的速度以及從1000g到30000g的加速度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述快速限定的速度和加速度包括小于500毫米/秒的速度以及小于500g的加速度。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述快速偏轉(zhuǎn)反射鏡包括PMN或者PZT調(diào)節(jié)的反射鏡。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述快速定位器至少包括電流計(jì)驅(qū)動的反射鏡。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述主定位系統(tǒng)包括分裂軸定位系統(tǒng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其進(jìn)一步包括以激光輸出脈沖來實(shí)施通路孔鉆孔操作。
全文摘要
一種如PMN調(diào)節(jié)的反射鏡這樣的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡(30)，其設(shè)置在基于工作臺的定位系統(tǒng)(40)的光束路徑(18)中，用于以高速預(yù)定的圖形繞標(biāo)稱目標(biāo)位置(60)移動激光光束(46)，以便從空間上分散開以高激光重復(fù)率產(chǎn)生的聚焦激光光斑(48)且借此形成具有大于聚焦激光光斑(48)尺寸的幾何特征。一系列給定重復(fù)率的激光光斑(48)表現(xiàn)為一系列低脈沖頻率的具有較大直徑的激光光斑而沒有與離焦相關(guān)的光束質(zhì)量問題。
文檔編號G02B26/10GK1612793SQ03801991
公開日2005年5月4日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者D·R·卡特勒 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司