為材料加工的生成和控制多條獨立可操縱的雷射束的系統與方法
2023-06-08 03:26:46
專利名稱：為材料加工的生成和控制多條獨立可操縱的雷射束的系統與方法
技術領域：
本發明涉及一種生成和引導用於材料加工的多條獨立雷射束的方法與設備。
背景技術：
聚焦定向雷射束普遍用於各種處理，諸如鑽出盲孔、通孔與微通路，雷射成像，切割基片和修整或定製集成電路，鑽孔、切割與選擇性材料去除以及其它複雜的機加工與精機加工操作，其中涉及薄金屬、聚合物、集成電路與基片等材料。有些處理稱為「焦點機加工」，目的一般是把一條或多條雷射束能量聚集起來會聚於一期望的點，或稱為「雷射成像」，目的是把雷射束的孔徑面積成像到目標表面上。這類處理極其複雜，通常涉及在同時發生或連續的操作中，同時或連續地應用單個或多個雷射器或者多類雷射器，諸如可見光、紅外(IR)和紫外(UV)雷射器。
然而，這類處理面對若干重現和相關的問題，例如某一指定的操作，諸如鑽出通路或精機加工集成電路或機械部件，往往只需要一部分雷射束功率，許多雷射功率未被充分利用。該問題又與另一問題相關，即對指定工件加工所需的時間。就是說，許多應用雷射的處理，諸如在電路板、基片或集成電路中鑽通孔或者對集成電路或機械部件作機加工操作，操作次數極多，完成指定工件的時間相當長。
這兩個問題的一般解決方法已經眾所周知，包括把單一的雷射束分為多條子束或細束，平行地同時作多個同樣的操作。
在應用這些方法的原有技術的典型雷射加工系統中，雷射器產生的源束通過一個或多個分束器級，每個分束器級包括一分束器和一與之關聯的準直稜鏡，前者把單條源束分成兩條或多條細束，後者把來自該分束器的細束引導聚集成一組平行細束。連續重複分束與準直過程，在每一組中生成所需數量的細束和所需數量的細束組。然後每組細束通過一「路徑均衡器」，而每個「路徑均衡器」包括一條通過多個檢流計控制型小鏡的傳輸路徑，小鏡被安排控制成均衡各小波到達目標即工件所通過的長度。於是，每組細束最後一對可操縱小鏡和一各組細束共用的掃描鏡允許各組平行細束被平行地「操縱」和聚集到期望的工件目標區上。最後該均衡路徑還包括「細」，據此操縱每組平行細束，使一組的一條或多條細束被掩模或吸收元件攔截，從該組裡被「收集」即消除。
雖然這些方法在普遍應用，但是這類系統長期存在一個問題，例如雖然光束傳輸路徑中可操縱小鏡一般允許每組細束獨立於其它各組而受操縱，但是每組內的細束圖案一般被限於那種像一個或多個分束器級所產生的固定的平行細束圖案。就是說，雖然傳輸路徑中的可操縱小鏡能把組內的細束之間的間隔控制到某一個程度，而且通過把某些細束投入束流收集器而把它們從組內消除掉，但是不能把組內諸細束逐一操縱到期望的目標。
因此，除非目標圖案諸如要鑽出的通路布局與組內現有的細束圖案相符，否則必須通過束流收集法消除組內至少某些細束，以免鑽出不想要的通路。結果，由於要「收集」很大一部分細束，因而就有效雷射功率的利用而言，會使系統很大一部分效率無效。而且，由於減少了各加工步驟有效的細束數量並因此而增加了所需的加工步驟數量，就明顯增加了加工工件所需的時間。
發明內容
本發明針對一種用多條獨立可操縱的雷射細束加工工件的雷射加工系統，該系統包括生成成形源束的雷射器與束成形器、由成形源束生成多條細束的分束器級和細束控制器，其中包含用於和對應於各細束以便獨立引導該對應細束的獨立可操縱細束操縱鏡、控制各細束操縱鏡的小鏡控制器和含有掃描鏡以把各受操縱細束導向工件目標區的光路。
各細束操縱鏡是一種多軸微機電鏡，能繞至少一根軸操縱，一般能繞雙軸操縱。該雷射加工系統還包括一位於光路內的束流收集器，可用相應的細束操縱鏡把受控細束攔入該束流收集器。
下面參照附圖舉例描述本發明，其中圖1A圖示一原有技術的雷射加工系統；圖1B圖示一後接光束準直器的雷射分束器；
圖1C圖示一一般的分束器級；圖1D是原有技術的雷射加工系統生成的一般細束圖案；圖2A圖示一本發明的雷射加工系統；圖2B是圖2A中雷射加工系統的修正；圖3A圖示原有技術的雷射加工系統中的光束操縱法；圖3B圖示本發明雷射加工系統中的光束操縱法；和圖4圖示本發明雷射加工系統的另一實施例。
具體實施例方式
A、原有技術系統簡介(圖1A與1B)參照圖1A～1D說明原有技術雷射加工系統的一般結構與操作以及原有技術與本發明系統間的差別。
如圖1A～1D所示，原有技術的雷射加工系統10包括雷射器12，它在可見光或者紫外(UV)或紅外(IR)範圍內產生源束14。源束14通過一個或多個成形級16，後者成形與構成源束14，再通過一個或多個分束器級18。各分束器級18包括分束器20，把各輸入光束諸如源束14分成兩條或更多細束22，它包括例如圖示的稜鏡或半反射鏡，可產生反射束與發射束，每個束都是細束22。分束器級18一般還包括一關聯的準直稜鏡24，可將細束20從分束器20再導入平行細束22組26。如圖1A所示，系統10包括兩個或更多分束器級18，每個分束器級18對接收自例如雷射器12或前一分束器級16的一個或多個輸入光束進行分束與準直，在每組26中產生所需數量的細束22和所需細束22的組26的數量。
這方面參照圖1C，必須指出，此時一般的分束器級18沿輸入軸30接收可能是源束14或細束22的輸入光束28，並產生含多條輸出光束34的輸出組32。每條輸出束34的軸線平行於單一輸出軸36，因而平行於各其它輸出光束34的軸線，在通過輸出軸36的圖案平面40內形成圖案38，如圖1C所示。正如下面要討論的，每一組32的輸出光束34即每組26的細束22，通過系統10的光學元件被導成一組平行細束而不是一條條細束，明顯限制了細束22的圖案38對工件目標區各種圖案的適應性。
再參照圖1A，每組26的細束22自分束器級18通過一路徑均衡器42，後者包括兩條均衡支路44，標為均衡支路44A與44B。各自受控於檢流計48的多塊可操縱鏡46通過均衡支路44A或44B操縱各組26的細束22。如相關領域所公知，路徑均衡器42的功能是平衡各細束20到達工件52目標區50所通過的路徑長度。
最後，沿均衡支路44A與44B的最後一對可操縱鏡46和掃描鏡54把組26的細束操縱聚集到工件52的目標區50上，而掃描鏡54被均衡支路44A與44B共用，也是均衡支路44的公共終端。這方面如圖所示，運用x-y工作檯54，工件52一般沿水平面對細束22的最後圖案38作橫向定位，而工作檯54也肯定能沿垂向正軸作定位。
最後，每條均衡支路44A與44B都包括一束流收集器56，據此操縱通過均衡支路44的各組26的平行細束22，使組26的一條或多條細束22被束流收集器40的掩摸或吸收元件攔截，從而從組26裡「收集」或消除細束22。
現在必須指出，一塊或作為一組的多塊可操縱鏡46沿一路徑把每一組導向目標區34，即各組26的所有細束22從各可操縱鏡46成組反射，而且有同樣的入射與反射角，因而保持相互平行並在圖案平面40內相互處於同樣的相對位置。可操縱鏡46每次再引導組26的細束22的唯一作用，是沿新的軸線再引導整個組26的細束20，並可改變穿過圖案平面40的細束20之間的間隔，這從小鏡的入射與反射角幾何形狀知道。還可知道，組26穿過圖案平面40的諸細束22之間的任何間隔變化，在組26所有細束22之間的方向與幅值上呈線性比例關係。換一種話法，組26為成組「可操縱」，其圖案38的尺度按比例變化，但組26內各個細束22在組26內不可操縱。
因此，雖然組26細束22的橫向圖案38可以繞橫軸線擴展或收縮，但是圖案38本身不能改變，除非用束流收集器56「收集」一條或多條細束22。所以，例如若組26細束22的圖案38與細束22在其上工作的目標區50的圖案不相配，就必須收集細束22減少組26的細束22，直到剩餘細束22的圖案38與至少某些目標區50相配。
這方面要指出，束流收集器56一般沿固定的線條「夾住」組26細束22的圖案，因而仍限制了選擇要收集的細束22的能力。而且，「夾住線條」不能與細束22的圖案和目標區50的圖案優化定向。因此，為使細束22的圖案適合目標區50的圖案而「收集」細束22，會造成使用的細束22比可能有用的細束少得多，相應減小了源束14有效功率的利用率，延長了完成所需操作所需的時間。
B、本發明的說明(圖2A與2B)現在說明本發明，應該指出，為便於描述本發明並與上述的原有技術相區分，下面的說明使用標號100和以上的標號，原有技術則使用10～56內的標號。
下面將描述本發明的雷射加工系統100，它通過設置獨立可操縱的細束22和其它特徵而解決了上述原有技術的諸問題。
本發明一示例的雷射加工系統100示於圖2A與2B，其中圖2A圖示3雷射加工系統100，圖2B示出圖2A中雷射加工系統100的修正型。
如圖2A與2B所示，至少一個雷射器102例如是一種可見光、紅外(IR)或紫外(UV)雷射器。系統100包含多個不同類型的雷射器102，或是提供用於加工的雷射器類型的靈活性，或是允許用多於一種的雷射器或多於一個的雷射器進行同時或連續的操作。但為了簡單明了，以下描述本發明所討論的示例雷射加工系統100隻示出一個雷射器102。
如圖所示，雷射器102產生的源束104通過一個或多個光束成形器106和可選孔徑陣列110的孔徑108，構成一成形的源束112，然後，成形源束112通過一多級分束器114，後者的每級根據源束112或來自前一分束器級的輸入細束116產生多條細束116。
多級分束器114包括按分支序列排列的分束器級118，各分束器級118把來自前一級的輸入光束分成兩條或更多輸出光束，級數取決於各級產生的細束116的數量和期望的細束116的數量。如在圖2A與2B的示列系統100中，多級分束器114包括分束器級118A～118C，其中輸入分束器級118A把成形源束112分成兩條細束116，每一條輸出細束116導向第二級分束即118B和118C中對應的一個，而第二級分束器級118B與118C都把各自的輸入細束116生成兩條輸出細束116。
在圖2A與2B的實施例中，各分束器級118包括分束器120和後接的準直稜鏡122，分束器級118A輸出的各第一級束116被相應的固定小鏡124A或124B直角導向第二級分束器級118B和118C中對應的一個。但應理解，分束器級118可用多種方式構成，諸如配備一塊或多塊稜鏡或者一塊半反射鏡，以反射和發射一部分束，或配用組合式稜鏡與小鏡。而且，還可將分束器級118設計和構成從單一輸入光束產生多餘輸出細束，並用若干種元件諸如小鏡或稜鏡等導控成形源束112或細束116。還應理解，可將連續的分束器級118構成「直線」排列，不是通過連續的角度把光束從一級導向下一級，若輸出細束之間有足夠的橫向分隔，則級間改向意味著不需要小鏡或稜鏡。
如圖2A與2B所示，多級分束器114還包括由均衡路徑126A與126B組成的路徑均衡器126的入口段，如圖所示，均衡路徑126A與126B都包括細束控制器128，稱為細束控制器128A與128B，對來自多級分束器114的細束116提供獨立的操作與「收集」。
在圖2A的雷射加工系統100中，各細束控制器128A與128B輸出的細束116被導向相應的固定鏡130A與130B，後者通過若干角度把細束116導向操縱鏡132A與132B，它們都是檢流計控制的小鏡。操縱鏡132A與132B接著把細束116可操縱地導入單一掃描鏡136的入口孔徑134，後者把細束116準直並聚集到工件142工作面140上選擇的目標區138上。
在圖2B的雷射加工系統100修正中，由固定鏡130A與130B、操縱鏡132A與132B和掃描鏡136組成的組件，可被劃分和複製為分開而平行的路徑，是來自固定鏡130A與130B的細束116被分別獨立地「可收集」和分別獨立地可操縱。這一修正允許通過固定鏡130A與130B操縱的細束116被操縱和保持在工件142工作面140上不同的目標區138內、工件142不同工作面140上不同的目標區138內或不同工件142不同工作面上不同的目標區138內。
應該明白，這一修正明顯提高了雷射加工系統100的雷射加工的靈活性，而且無論目標區138位於同樣還是不同的工作表面140，或者甚至在不同的工件142上，雷射加工系統100可在其上同時操作的目標區138的數量擴大了一倍。
再參照細束控制器128，各控制器128包括一用於和對應於來自多級分束器114的各輸入細束116的獨立可操縱的細束操縱鏡144，它在圖2A與2B中標為細束操縱鏡144A～144D。各細束操縱鏡144位於來自多級分束器114相應各個細束116的路徑內，一般由微機電(MEM)鏡組成。各細束控制器128的各個細束操縱鏡144逐個分開地受控於相應細束控制器128的MEM控制器146，標為MEM控制器146A與146B，故可獨立地操控各細束116。
這方面需指出，含細束操縱鏡144的MEM鏡的尺寸比檢流計控制型小鏡的尺寸小得多，使細束操縱鏡144沿通過來自多級分束器114每組細束116軸線的一平面或若干平面間隔得足以緊靠在一起，而細束操縱鏡位於每條這樣的細束120的路徑內。正如相關領域的技術人員所知，MEM小鏡還通常構成可繞一根或兩根軸線旋轉或傾斜，因而可控制各細束116的入射角，相應細束操縱鏡144的反射面相對這兩根軸線而受控。這樣又可精密地逐一控制各細束116的方向，因而細束操縱鏡114能逐一操縱來自多級分束器114的相應的各條細束116，並由來自MEM控制器146A與146B相應的控制信號逐一決定各條細束116的角度與方向。
這方面還要指出，雷射加工系統100的各束控制器128包括至少一個束流收集器148，而且一獨立從束流收集器148用於並對應於光束控制器128處理的每條細束116。如討論的那樣，束流收集器148可以取吸收材料包圍細束116路徑的「掩蔽」形式，因而通過沿任一軸線作充分的偏移，就可把細束116導入「掩蔽」，即沿細束116的路徑設置的吸收阱，只要細束116被操縱入該「陷阱」。如在圖2B的實施例中，束流收集器148位於細束操縱鏡114的「下遊」並在各細束116正常可操縱路徑之外，因而相應的細束操縱鏡114可將各條細束116操縱入束流收集器148。圖2A示出的實施例中，各細束116有一獨立的束流收集器148，它位於光路旁邊。在其它實施例中，被若干條細束116共用的束流收集器148包圍每條光路，故細束46通過束流收集器148中的一「窗口」。
如前所述，束流收集器148用來減少細束116的數量，其方法例如是用「光閘」阻擋細束116的路徑，或把細束116的路徑導入吸收材料的「陷阱」。正如討論的那樣，在原有技術的系統中，細束116隻被組成操縱，而且成組的細束116在組內排成固定圖案，因而要通過沿掩蔽限定的一固定線條「夾住」細束116的圖案從該圖案中除去細束116。然而，由於雷射加工系統100的細束116是逐一可操縱的，因此不僅能修改細束116的圖案，還能通過把每條選出的細束116獨立地操縱入一共同的「束流收集器」或對該選擇的細束116各自專用的束流收集器148，逐一「收集」細束116。
總之，在原有技術的系統中，每組細束形成固定的平行細束圖案，該圖案只能組成操縱，而且只能通過沿固定的直線或曲線「夾住」一組光束的形式將光束收集，才能更改細束圖案。相反地，在本發明的雷射加工系統100中，可用細束操縱鏡144逐一公開地操縱每條細束116，因而本發明雷射加工系統100的細束116可以操縱到從細束操縱鏡144延伸到掃描鏡136的光路內的任一點並穿過孔徑或橫向平面，所以每條細束116可獨立地逐一操縱到工件142工作面140上相應的自由選擇的目標區138。以同樣方式，可將每條細束116逐一分開地操縱入束流收集器148，因而可從一組細束116裡消除各條細束116，這與細束116在組內的位置無關。
圖3A與3B示出了本發明的雷射加工系統100與原有技術的雷射加工系統10的這種差別，即獨立於組內其它細束116分開地操縱每條細束116的能力，與只能成組操縱一組26的細束22的能力成對照。
圖3A是原有技術的雷射加工系統10的局部簡化圖，示出了細束22的控制，其中組26的細束22隻能成組控制。如圖所示，組26的細束22被導向可操縱小鏡46A，為簡單明白起見，圖中把可操縱小鏡46A示為繞兩條軸線轉動。小鏡46A通過一可選的角度把組26的細束22導向下一塊小鏡，後者也是一塊如圖示的可操縱小鏡46B或一塊固定的小鏡。如已指出的那樣，因可操縱小鏡46A可繞x與y兩根軸線操縱或旋轉，故小鏡46A可沿相對於組26法向中心線軸線任一或全部或任意組合的±x或±y坐標或軸線操縱或偏轉組26的細束22。在沿組26的路徑在圖中示為與可操縱小鏡46B關聯的某一點，可設置束流收集器56，因而組26沿±x、+y或-y坐標或軸線之一作足夠大的偏轉，將導致一條或多條細束22被束流收集器56捕獲而從組26中消除。組26的細束22級需通過剩下的一般還包含可操縱小鏡46(圖示為46C)和掃描鏡54的光路而到達工件52。顯然如前所述，組26的細束22隻能作為具有固定圖案38的組26來操縱。就是說，組26可沿任一±x、+y或-y坐標或軸線或者沿任意組合的±x、+y或-y坐標或軸線只能組成地偏移，而組26本身通過這樣的偏移充分使這些細束22攔截束流收集器56，只能被改成「收集」或「夾住」某些細束22。
圖3B是本發明雷射加工系統100的局部簡圖，可以看出，雷射加工系統100一般類似於雷射加工系統10。但要指出，單塊可操縱小鏡46A已被多塊獨立可操縱的細束控制鏡144取代，後者都是可通過雙軸線操縱的微機電(MEM)小鏡。如前所述，對應於每條細束116有一塊獨立的細束操縱鏡114，因而能沿任一或全部或任意組合的+x、+y、-x或-y坐標或軸線逐一獨立地操縱每條細束116，如圖3B所示。因此，不僅能把每條細束116獨立地定位在該組細束116內，還可將任一條細束116或任意組合的細束116分別獨立地操縱入束流收集器148。這種情況示於圖3B，圖中把來自該組細束116當中的一條細束116示成被操縱入束流收集器148，這樣就可把細束116逐一獨立地操縱到工件142工作面140上目標區138內的任一位置。而且圖3B還示出，細束116在不規則排列的目標區138中操縱，而這種排列包括四條細束116中的三條，組中間的一條細束116正被「收集」。
現在研究本發明雷射加工系統100的其它實施列，圖4示出應用分束器120的雷射加工系統100的實施例，分束器120由例如一條輸入成形源束112或一條輸入細束116產生多條細束116。如在圖3實施例中，分束器120由輸入光束產生6條細束116，每條細束116被相應的準直稜鏡122接收和定向，準直稜鏡122例如包括相應的多塊準直稜鏡122或一塊衍射鏡，引導相應的雙軸線細束操縱鏡144。
還應理解，在其它雷射加工系統100的實施例中，可用連續或級聯的分束器120產生所需數量的細束116，還可用多塊單軸線MEM小鏡執行雙軸線微機電(MEM)小鏡所執行的操作。
因此，由於可對上述雷射加工系統作一定變化而不違背本文所提及的本發明的精神與範圍，所以上述說明或附圖所示的所有主要內容只能被解釋為示明本文創新理念的例子，不得認為限制本發明。
權利要求
1.一種用多條獨立可操縱的雷射細束加工工件的雷射加工系統，其特徵在於包括生成成形源束的雷射器與光束成形器，由成形源束生成多條細束的分束器級，細束控制器包括用於對應於每條細束以獨立地引導該相應細束的獨立可操縱的細束操縱鏡，和控制每塊細束操縱鏡的小鏡控制器，以及包括把每條操縱的細束導向工件目標區的掃描鏡的光路。
2.如權利要求1所述的雷射加工系統，其特徵在於，每塊細束操縱鏡是一多軸微機電小鏡。
3.如權利要求2所述的雷射加工系統，其特徵在於，細束操縱鏡可繞一根軸線操縱。
4.如權利要求2所述的雷射加工系統，其特徵在於，細束操縱鏡可繞至少兩根軸線操縱。
5.如權利要求1所述的雷射加工系統，其特徵在於，還包括一位於光路內的束流收集器，用於用相應的細束操縱器把一受操縱的細束攔入該束流收集器。
全文摘要
一種具有多條獨立可操縱的雷射細束的雷射加工系統，包括雷射器與光束成形器，用於生成成形源束；分束器級，用於由該成形源束生成多條細束；包括用於和對應於每條細束的獨立可操縱細束操縱鏡的細束控制器，用於獨立地引導相應的細束；小鏡控制器，用於控制每塊細束操縱鏡；和包含一掃描鏡的光路，用於把每條受操縱的細束導向工件目標區。每塊細束操縱鏡都是一塊多軸微機電小鏡，系統還包括一位於光路內的束流收集器，可用相應的細束操縱鏡把受操縱的細束攔入束流收集器。
文檔編號B23K26/067GK1714982SQ200410076960
公開日2006年1月4日 申請日期2004年8月31日 優先權日2004年7月1日
發明者T·E·裡造特, O·奧哈爾 申請人:日立比亞機械股份有限公司