CN1199661A - 使用多个电扫描装置的激光光束加工设备 - Google Patents

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Abstract

在激光光束的光学路径中,设放一反射镜(11)以将激光光束分成两束分离的激光光束。通过使用分离的激光光束,同步地加工处理工件(17a,17b)。

Description

使用多个电扫描装置的激光光束加工设备
本发明涉及一种激光光束加工设备，尤其是适用于在印刷线路板上形成精细通孔的激光光束加工设备。
近年来，便携式的电子设备，例如数字照相机，摄象机和移动电话设备在尺寸上变的越来越紧凑，在功能上则越来越多。其结果，包含在电子设备中的印刷线路板被改进以便于增加在其上固定的各种元件的密度并且减小引线间距。为了适合这样的改进，需要在印刷线路板上形成的通孔具有不大于0.3mm的直径。
到目前为止，在印刷电路板上以形成通孔的钻孔操作是使用NCC(数控)钻或曝光加工(光蚀通孔技术)。然而，数控钻不能形成小于0.2mm的通孔而且经常折断。另一方面，光蚀通孔技术不能形成小于0.15mm的通孔，并且光照射需要较高的材料成本。
为解决上述缺陷，近来提出了一种激光光束加工设备，用于在印刷线路板上通过使用激光光束钻通孔。该激光光束加工设备包括：用于产生脉冲激光光束的激光振荡器。该激光光束加工设备通过调节对每个通孔的激光脉冲数量或每个脉冲的激光数量进行钻孔加工以达到所要求的深度。另一方面，为了得到需要的通孔直径，在激光光束的光学通路上设置一掩模以限定激光束直径。通过用掩模减小激光束的直径，通孔的直径被减小。
此外，用激光光束加工对金属没有任何损害。因此，激光光束加工设备在不损坏印刷线路板上形成的导体图形的钻孔操作方面是优越的。
激光振荡器通常包括一准分子激光器。然而，准分子激光器具有相对较低的工作速度，而且由于它的较低的刻蚀速率(每个脉冲的钻孔深度)所以需要高的运行成本。比较起来，注意力被引向了一种TEA(横向激发大气压)CO2激光器，其具有窄的脉宽、高的峰值功率和高的能量密度。如果激光光束加工设备用TEACO2激光器作为激光振荡器，那么刻蚀速度与准分子激光器相比要快10倍或10倍以上。因此能够减少形成每个通孔所需的激光脉冲数，并提高了工作速度。
然而，即使采用了上述的TEACO2激光器，工作速度还是受限制的。因此需要实现一种能减少每个通孔工作成本的改进。
本发明的目的是提供一种能够合理地提高工作速度的激光光束加工设备。
本发明的激光光束加工设备包括用于产生激光光束的一激光振荡器，用于将激光光束分离成多个分离的激光光束的分离器装置，及多个激光照射装置，用于将分离的激光光束至少照射到一个将要处理的物体上。
根据本发明的一种方式，是用多个分离的激光光束分别处理多个物体。
根据本发明的另一种方式，用多个分离的激光光束同步地处理一单个物体。
图1是本发明第一实施例激光光束加工设备结构的方块图；
图2是用于描述图1中所示的作为光束分离器的一个45°反射镜的功能的放大视图；
图3是描述激光光束截面的一视图；
图4是用于描述替代在图1中所示的45°反射镜的另一光束分离器的视图；
图5是图4所示的光束分离器的平面图；
图6是用于描述替代在图1中所示的45°反射镜的另一光束分离器的视图；
图7是图1所示的X-Y扫描器结构的视图；
图8是图1所示的掩模结构的侧视图；
图9是图8中所示的掩模平板的前视图；
图10是图8示出的掩模中掩模固定部的前视图；
图11是本发明第二实施例激光光束加工装置结构的示意方块图；以及
图12是用于描述替代在图1中所示的45°反射镜的另一光束分离器的视图；
在本发明中，所注意的为如下内容。尤其是，从激光振荡器发射的一激光光束，其具有每个边近似等于10mm的正方形或长方形截面。该激光光束是通过使用掩模以减少它的截面区之后被照射到将要处理的物体上。换句话说，只有一部分由激光器产生的激光光束被用于加工。在本发明中，来自激光振荡器的激光光束被分成多个分离的激光光束，而没有降低峰值功率或能量密度。分离激光束被用于多个物体的激光加工或用于一个物体的同步加工。其结果，可以增加工作速度。
参照图1，将对本发明第一实施例的激光加工设备进行描述。在图1中，在此实施例中的激光振荡器10包括一个TEACO2激光器。由激光振荡器10产生的脉冲激光光束被传送到作为光束分离器的一反射镜11，并且在它的截面区被分成两个分离的激光光束。这两束分离的激光光束成90°的折射在相反的方向上以被分别引导至掩模13a和13b(可以简化地用13表示)。掩模13a和13b中的每一个至少具有用于限定将要制成的通孔直径的一孔，后面将详细描述。通过在掩模13a和13b中的小孔减小分离的激光光束的直径。分离的激光光束穿过掩模13a和13b分别被引至X-Y扫描器14a和14b。
作为后面将详细描述的，X-Y扫描器14a和14b中的每一个都是用于使分离的激光光束扫描将要处理的整个物体。来自X-Y扫描器14a的分离激光光束中的一束穿过处理透镜15a被照射到放在一工作台16a上的工件17a上。同样，来自X-Y扫描器14b的另一分离激光光束穿过另一处理透镜15b被照射到放在另一工作台16b上的另一工件17b上。作为已知技术，处理透镜15a和15b中的每一个都是一激光光束聚焦镜，其可称为fθ透镜。实际使用中，每一个处理透镜15a和15b是多个凸面和凹面透镜的组合，并被容置在筒形壳内。这样一种结合被称为fθ透镜组合。为了便于描述说明，fθ透镜组合用一单个处理透镜表示。fθ透镜组合和X-Y扫描器结合可以被称为激光器照射单元。每一个作为将要被处理的物体的工件17a和17b，可以是，例如印刷线路板。
工作台16a是由具有X轴驱动机构和Y轴驱动机构的平台驱动机构18a驱动的，并且在X-Y平面上是可移动的。因此，工件17a可以在X-Y平面上被移动以调整位置。同样地，工作台16b是由具有X轴驱动机构和Y轴驱动机构的平台驱动机构18b驱动的，并且在X-Y平面上是可移动的。因此，工件17b可以在X-Y平面上移动以调整位置。
参照图2，反射镜11具有互为90°相交的两个反射表面11a和11b。激光光束是以在反射表面11a上的入射区等于在反射表面11b的入射区的方式入射到反射镜11a。其结果，反射镜11在入射到它的激光光束的截面上相等地分开激光光束。例如，具有12×12(mm)的正方形截面的激光光束被相等地分成两个分离激光光束，每个分离激光光束具有6×12(mm)的长方形截面，如图3所示，每个掩模13a和13b通过具有一直径的孔来减小每束分离激光光束，该直径是由减少率M和通孔的直径确定的，通常是在1-2mm之间。在每个掩模13a和13b中的孔具有足够地小于分离的激光光束截面区的一直径。因此，将激光光束分成两束分离的激光光束不会产生任何不利影响。
按照类似的原理，激光光束可以通过使用具有三个反射表面的三角锥形反射镜等分成三束分离的激光光束。类似地，激光光束可以通过使用具有四个反射面的矩棱锥形反射镜分离为四束分离的激光光束。
参照图4和图5，将描述另一光束分离器。在图中所示的例子中，光束分离器包括用于将激光光束分为两束分离激光光束的50％反射镜21。如图5所示，50％反射镜21包括一反射部分21a和一透明部分21b。反射部分21a占了50％反射镜21的一半区域，该区域被敷有反射材料。另一半区域作为全透射的透明部分21b。所以，入射到50％反射镜21的激光光束的截面区2可以被等分。
激光束可以前面所述方式分成三束。在此情况中，30％的反射镜和50％的反射镜组合。该33％反射镜包括一反射部分，该部分占去了33％反射镜的33％的区域。余下的部分作为透光区。该穿过透光区被传送的激光束通过使用50％的反射镜被分成两束激光束。
图6示出了另一光束分离器。在图中所示的例子中，光束分离器包括棱镜31。棱镜31具有与激光光束光轴成45°角的一反射面31a。棱镜31可以反射一半激光光束到与该激光光束光轴成90°的一方向。
这个实施例特征在于激光光束可以通过使用前面所述的任何一种反射镜被分离开，并不降低该激光光束的能量密度。
参照图7，将描述X-Y扫描器14a。X-Y扫描器是被称为电扫描器，它包括两个电镜14-1和14-2的组合。作为已知技术，电镜14-1包括一反射镜14-1a和用于旋转反射镜14-1a的一驱动机构14-1b。同样的，电镜14-2包括一反射镜14-2a和用于旋转反射镜14-2b的一驱动机构14-2b。两个反射镜14-1a和14-2a是根据驱动电流测定仪的原理分别被旋转的，以便于连续地发射以LB表示的分离激光束通过处理透镜15a到工件17a上的多个所要求的位置。X-Y扫描器14b与X-Y扫描器14a结构上是相同的。
参照图8至图10，将描述掩模13的一最佳实施例。掩模13包括一圆盘形掩模板13-1，一掩模板支架13-2和一驱动部分13-3。掩模板13-1圆周边方向上有多个直径不同且等角间隔的孔H1至H16。掩模板支架13-2的面积稍大于掩模板13-1。掩模板支架13-2用于固定掩模板13-1，并且在其与掩模板13-1的孔H1-H16相对应的那些区域形成多个窗口W1-W8。驱动部分13-3旋转相互集合联结的掩模板13-1和掩模板支架13-2的组合。
掩模13被定位于，当掩模板13-1被旋转时，孔H1至H16中的每一个穿过激光光束的光学路径。换句话说，掩模板13-1具有与激光束光学路径平行的一旋转轴。此外，激光束的光学路径被定位在连接孔H1至H16的中心的一个虚环上，并且在图9中用点划线表示。掩模13还包括在图中没有画出的用于它的位置精细调节的一两轴精密控制器。通过这个两轴精密控制器，掩模板13-1和掩模板支架13-2的组合或进一步包括驱动部分13-3的整个掩模13的位置，与掩模板13-1的平面平行地得到精细调整。其结果，孔的中心位置与激光束的光学路径相对应被给予精细调整。
掩模板13-1是用金属材料如SUS(均衡不锈钢基片)或铜构成。在这种情况下，一部分入射到孔之外掩模板13-1的区域的激光光束作为反射激光光束被反射。为避免反射的激光光束对位于激光光束光学路径内的其它光学组件的影响，需要无规则的反射。从这点考虑，对掩模板13-1进行如喷丸加工的表面处理。在掩模板13-1中孔的直径是根据掩模投影技术的原理设计的。具体地说，该孔的直径被设计为致使对于在高密度多层印刷线路板中通常使用的树脂，如环氧树脂和聚酰亚胺能获得很好的可加工性，而且工作面上的能量密度是在10焦耳/cm2的量级。在这个实施例中，减少率(M)被设计为10的量级。在这种情况下，当选择了掩模板13-1的孔H10时，形成一直径为0.1mm的通孔。减少率(M)可以通过改变掩模板13-1和处理透镜间的距离来选择到所要求的值。
目前所采用的通孔的直径通常等于0.1mm。与此相联系，在掩模板13-1中形成的孔H1至H16具有的直径多数被选择在1mm和2mm之间的一范围内，另一些是稍大于或稍小于这个范围。例如，H1：8mm，H2：6mm，H3：4mm，H4：3mm，H5：2mm，H6：1.8mm，H7：1.6mm，H8：1.4mm，H9：1.2mm，H10：1.0mm，H11：0.9mm，H12：0.8mm，H13：0.7mm，H14：0.6mm，H15：0.5mm，H16：0.4mm。这些孔是从最大的开始反时针排列的。
驱动部分13-3在图中未画出的主控制单元的控制下转动掩模板13-1。具体地说，主控制单元对应于由操作者和如CAD文件这样的主控数据设定的一钻孔数据的通孔直径选择这些孔中的一特定孔，并且使掩模板13-1旋转以致使该特定孔定位在激光束的光学路径上。通常，通孔的直径是用钻孔数据中的一T码说明的。在这个实施例中，掩模板13-1是按照T码旋转的以便于选择所要求的通孔直径。
再回到图1，X-Y扫描器14a和14b最好是与反射镜11对称地放置。这是因为激光光束具有一光束扩张角。光束扩张角自然使激光光束的直径随着光学路径长度的增加而增加。按照上述的对称排列，从激光振荡器10的光束发射口到工件17a和17b的工作表面的距离很方便地修正到相互相等。其结果，在工作表面上分离的激光光束的能量密度可以做到相互相等。
总之，在本实施例中，来自激光振荡器10的激光光束在没有降低它的能量密度的情况下被分成两束分离的激光光束，以引导分离的激光光束到两个激光照射单元。然后，两工件17a和17b经受完全相同的钻孔操作。其结果，钻孔的速度可以加倍。因此，每个孔的工作成本可以大大地减少。应认识到X-Y扫描器14a和14b可以按相同的钻孔图形或不同的钻孔图形扫描工件17a和17b。
参照图11，将描述本发明的第二实施例的激光加工设备。在这个实施例中激光加工设备不同于第一实施例，激光加工设备有一个工作台16。激光加工设备使X-Y扫描器14a和14b同步地扫描放置在工作台16上的单一工件17以完成同步地钻孔操作。为便于说明，在图中X-Y扫描器14a和14b扫描工件17的两靠外边的部分。然而，X-Y扫描器14a和14b可以相互邻近地设置。因此将可以理解为了钻孔可以对工件17的相邻区域同步地扫描。还有，X-Y扫描器14a和14b能够以相同的钻孔图形或不同的钻孔图形扫描工件17。
参照图12，光束分离器可以使用一能量分离型的。光束分离器41是一个半一分离型的，并且包含一50％的反射表面。50％反射表面反射一半激光束能量。另一半激光束能量穿过50％反射表面。
如果采用TEACO2激光器，本发明是最有效的。然而，本发明也可应用于任何已有的激光加工设备，例如二氧化碳(CO2)激光器，钇铝石榴石(YAG)激光器及准分子激光器。激光光束可以是脉冲光束或是连续波。本发明尤其适用于处理印刷线路板或柔性印刷线路板，而且也可适用于其它物体，如树脂或玻璃。
如前面所描述的，来自一激光振荡器的激光光束没有降低能量密度地被分成多个分离的激光束，且分离的激光束被引导至多个激光照射单元。因此，由于一个工件或多个工件是同步地用分离的激光光束加工的，所以本发明的激光加工设备可以显著地提高工作速度。其结果，工作成本可以大大降低。

Claims (16)

1.一种激光加工设备，其特征在于它包括：用于产生一激光光束的激光振荡器，用于将所述激光光束分离为多束分离的激光光束的光束分离装置，及用于将所述分离的激光光束照射到至少一个所要加工处理的物体上的多个激光照射装置，其中所述的多个物体是由所述的多个分离的激光光束分别加工处理。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述的光束分离器装置包括具有相互以90°角相交的两反射表面的一个半分离反射镜。
3.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述的光束分离器装置是一个半分离型的，并且包括一半区域为反射面而另一半区域为透射面的一个50％反射镜。
4.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述的光束分离器装置是半分离型的并且包括一棱镜，该棱镜用于反射所述激光光束的截面区的一半的激光光束到与所述激光光束的光学轴成90°的一角度的方向。
5.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述光束分离器装置是半分离型的，并且包含一50％的反射表面用于反射一半所述激光束能量，并传送所述另一半激光束能量。
6.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，每一个所述的激光照射装置包括由多个电镜组合构成的一个电扫描器以便用所述分离的激光光束扫描所述物体。
7.根据权利要求6所述的激光加工设备，其特征在于，数量为两个的所述电扫描器被设置在相对于所述光束分离器装置对称的位置，所述的设备设有两个工作台用于分别固定与所述的两个电扫描器对应的所述物体。
8.根据权利要求7所述的激光加工设备，其特征在于，两个所述工作台的每一个是由在X-Y平面上可移动的一平台驱动装置驱动。
9.一种激光加工设备，其特征在于它包括：用于产生激光光束的一激光振荡器，用于将激光光束分离成多个分离的激光光束的光束分离器装置，及用于将所述分离的激光光束照射到至少一个要被加工处理的物体的多个激光照射装置，其中所述的单个物体是同步地由所述的多个分离激光光束加工处理。
10.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，所述的光束分离器装置包括具有以90相交的两反射表面的一个半分离反射镜。
11.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，所述光束分离器装置是一半分离型的，并包括有一半区域为反射表面而另一半区域为透射表面的一个50％反射镜。
12.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，所述光束分离器装置是一半分离型的，并且包括一棱镜，该棱镜用于反射所述激光光束的截面区的一半的激光光束到与所述激光光束光轴成90角的一方向。
13.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于所述光束分离装置是半分离型的，并包括一个50％反射表面用于反射所述激光光束的一半能量和用于传输所述激光光束的另一半能量。
14.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，每一个所述的激光照射装置包括由多个电镜的组合形成的一电扫描器以便用所述分离的激光光束扫描所述的物体。
15.根据权利要求14所述的激光加工设备，其特征在于，数目为两个的所述电扫描器被设置在相对于所述光束分离装置对称的位置，所述的设备具有单个工作台用于固定所述的物体。
16.根据权利要求15所述的激光加工设备，其特征在于所述共所台是由在X-Y平面上可移动的一平台驱动机构驱动。
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