用於機加工錐形微孔的方法

2023-06-17 13:54:06

專利名稱：用於機加工錐形微孔的方法
技術領域：
本發明通常涉及在微薄材料中機加工或鑽制微孔。
此申請案主張2007年5月3日申請的序號為60/915,770的臨時專利申請案的優 先權，所述臨時專利申請案以全文引用的方式併入本文中。
背景技術：
近期，己在雷射微機加工系統上做了大量技術投資並取得了進步，所述雷射微機 加工系統用以在薄層材料中鑽制微孔(稱為微通孔)以在印刷電路板的層之間建立通 路。在這些工藝中，鑽孔工藝後面通常跟隨對微通孔的電鍍工藝，以在所述層之間建 立電連接或導電性。在此類型的鑽制中，典型的情況是微通孔橫截面幾何形狀(即， 通孔頂部及底部孔直徑和通孔側壁的陡度或錐度)沒有特定要求或可變化，只要不影 響經電鍍通孔的電性能即可。舉例來說，典型的情況是經電鍍通孔的電性能主要由其 頂部及底部直徑確定，且重要的考慮因素是通孔壁的粗糙度，因為進入到通孔腔中的 相對大的突出部可幹擾電鍍工藝。關於通孔的幾何形狀，針對所述應用的典型規格要 求僅偏向於較陡峭且較平滑的通孔壁。

發明內容
由於上述鑽制及機加工工藝並非打算針對及/或適用於或有用於要求錐形貫通孔 的特定幾何形狀的情況，例如，要求或需要特定入口及出口孔直徑的情況，因此需要 建立針對貫通孔的所述機加工的參數及特定工藝以按要求或規定的幾何形狀鑽制所述 孔。按規定的入口及出口大小鑽制微貫通孔的能力(藉此建立側壁的錐度或角度)在 貫通孔被用於使光透射穿過薄材料的情況下特別有用。通過在光透射應用中按受控制 的入口及出口開口大小來鑽制微貫通孔，可針對特定商業應用控制及優化穿過出口開 口的輸出光束的光透射量以及發散光特性。舉例來說，在微貫通孔側壁太陡峭(從所述 材料的出口開口側上的表面一直到最近側壁的角度接近90度)的情況下，通常存在穿 過所述孔的高光透射，但相對不良的光發散需要用戶直接注視出口孔才能看見經透射 的光。相反地，如果微貫通孔側壁不太陡峭(從所述材料的出口開口側上的表面一直到 最近的側壁的角度相對地大致小於90度)，那麼當從具有較大孔開口的側(通常為入 口側)照射微貫通孔時，穿過所述孔的光透射率極大地降低。
揭示用於穿過材料雷射機加工具有特定橫截面幾何形狀的微孔的發明性方法。發明性工藝特別有用，雖然並不局限於具有大致均質組成的單層材料。實例性應用是將 薄材料及微孔用於透射光。
所述方法包括建立鑽制參數，包括在待機加工的材料中移除材料所需的雷射功率 及雷射脈衝重複頻率值。其它參數包括在移除材料以形成微孔時雷射所遵循的至少一 個切削加工軌跡或路徑以及沿所述切削加工軌跡移除材料的切削加工速率。
在一個實例中，所述切削加工軌跡包括三階段軌跡路徑，其包括界定第一微孔開 口的第一軌跡、界定所述孔的錐形內壁的第二軌跡及界定與所述第一孔開口相對的第 二孔開口的第三軌跡。
在另一實例中，所述第一雷射軌跡包括圍繞所述微孔的縱軸的至少一個同心旋 轉。所述第二軌跡包括圍繞所述縱軸的徑向長度減小的同心旋轉的開放路徑。所述第 三軌跡包括圍繞所述縱軸的至少一個同心旋轉。
結合附圖閱讀以下說明，所屬領域的技術人員將顯而易見本發明的其它應用。


本文中的說明參照附圖，其中在數個視圖中相同的參考編號指代相同的部件，且 在圖式中-
圖1是在薄材料中鑽制實例性微孔的三階段切削加工軌跡的實例； 圖2是依據從圖1中的階段l軌跡產生的工作表面上的位置顯示積累的能量密度 分布的圖表；
圖3是依據從圖1中的階段2軌跡產生的工作表面上的位置圖解說明積累的能量 密度分布的圖表；
圖4是依據從圖1中所示的階段3軌跡產生的工作表面上的位置顯示積累的能量 密度分布的圖表；
圖5是依據從圖2到4中所示的個別軌跡產生的工作表面上的位置顯示積累的能 量密度分布的編製圖表；及
圖6是從圖1到5中所示的實例性三階段切削加工軌跡產生的微孔的實例性SEM 圖片。
具體實施例方式
參照圖1到6，揭示一種用於一直穿過薄襯底或材料鑽制或機加工微孔(稱為貫 通孔)的方法。已通過下文描述的試驗確定數個工藝參數是有用的且在鑽制貫通微孔 以獲得所需或所規定的孔幾何形狀時應予以考慮。
首先要考慮的參數是用來鑽制孔的特定雷射、鑽制或機加工微孔的雷射的功率和 雷射的脈衝重複頻率。如在圖6中的最佳所見，通過在具有400微米(ixm)厚度15的 鋁合金材料3中鑽制具有90 um直徑的入口開口5及30 um直徑的出口開口7的貫通微孔1的試驗，532納米(nm) DPSS Nd:YAG雷射是合適的。藉助在上述材料3工作 表面上以10千赫茲(Khz)遞送的4.5瓦(W)的平均雷射功率實施了鑽制上述孔1的成功 試驗。藉助在工作表面12上產生28 tx m聚焦高斯光束點的光學拓撲在雷射焦面處實 施如上所述的以上成功機加工工藝。應了解，可使用所屬領域的技術人員已知的與以 上試驗不同的其它雷射、雷射功率及脈衝重複頻率，而此並不背離本發明。應進一步 了解，可使用不同的材料及厚度。
在本發明機加工方法中要考慮的下一個參數是在鑽制微孔1時雷射將遵循的切削 加工軌跡或路徑。如在圖1到5中的最佳所見，已通過試驗確定用於鑽制貫通微孔的 三階段切削加工軌跡20在需要規定的或特定孔幾何形狀的情況下進行鑽制是特別有 用。優選的三階段切削加工軌跡包括第一軌跡(或階段1)30、第二軌跡(或階段2)40及 第三軌跡(或階段3)50。
參照圖l、 2及6，其圖解說明優選的三階段切削加工軌跡20的優選的第一切削 加工軌跡30。已通過試驗確定跨越材料3的第一表面12的第一軌跡30用於界定微孔 l的頂部(入口)直徑或第一開口5。在優選的第一切削加工軌跡30中，閉合路徑圓 形軌跡適合於界定第一材料表面12中的第一開口 5，如圖6中的最佳所見。如圖1中 的最佳所見，使用由圍繞縱軸25的至少一個完整旋轉組成的圓形軌跡30。在優選實 例中，圍繞縱軸25的多個完整圓形旋轉30足以建立第一開口 5同時還移除一些體材 料3。
通過使用28 um聚焦高斯光束點在400 um厚的鋁中鑽制90 um直徑的第一 開口 5及30 um直徑的出口第二開口 7的試驗，第一軌跡30由在73毫米/秒(mm/sec) 的切割速度下圍繞縱軸25具有60 u m直徑的五個圓形旋轉組成。
在優選的三階段切削加工軌跡20的第二階段或軌跡40中，由在沿第一軌跡30 的一點處開始且在沿第三軌跡50的一點處結束的從軸25在徑向距離或長度上減小的 同心圓圈組成的開放路徑40適合於鑽制具有內壁10的所需通孔1。
通過鑽制上述孔幾何形狀的試驗，包括在73 mm/sec的切割速度下在第一軌跡60 um外鑽制直徑處開始且在10 um直徑(第三軌跡50) 7處結束的以10毫米/旋轉 (mm/rev)的徑向間距或徑向減小圍繞縱軸25的五個開放螺旋旋轉的第二軌跡40是適 合的。
在優選的第三切削加工階段或軌跡50中，使用圍繞縱軸25的至少一個同心旋轉 50的閉合軌跡路徑。在優選實例中，使用圍繞縱軸25的圓形路徑中的眾多閉合旋轉。
通過鑽制上述孔1的試驗，第三軌跡50包括在73 mm/sec的切割速度下圍繞縱軸 25具有10 Pm直徑7的5個完整圓形旋轉。
雖然所揭示的試驗用於以描述的特定方式使用三個單獨軌跡在材料3中鑽制上述 孔1，但應了解可使用所屬領域的技術人員已知的參數及軌跡的變化形式，而此並不 背離本發明。
應進一步了解，雖然包括第一軌跡30、第二軌跡40及第三軌跡50的優選的三階段切削加工軌跡20被揭示為單獨、中斷的軌跡，但第一軌跡30、第二軌跡40及第三 軌跡50可以是無縫隙的或可以連續的不中斷工藝來實施。應進一步了解，如所屬領域 的技術人員已知，取決於本文中論述的材料3及其它參數，可使用額外或較少量的切 削加工階段或軌跡。應進一步了解，以上關於圖6中所示特定幾何形狀描述的試驗性 孔1僅是實例性的，且可通過本發明性工藝製作在材料3中具有相關聯第一開口 5、 第二開口 7及錐形內壁IO的其它大小和形狀的孔，而此並不背離本發明。
要考慮的第四工藝參數是雷射沿材料3移動以移除材料3的切削加工速度或速 率。通過試驗，確定在上述試驗性參數下，73 mm/sec是產生具有所要幾何形狀的滿 意通孔的適合切削加工速度。應了解，可使用所屬領域的技術人員己知的其它切削加 工速度，而此並不背離本發明。
己描述上述實施例，以便允許容易地了解本發明，而非限制本發明。相反，本發 明打算涵蓋所附權利要求書的範圍內所包括的各種修改及等效布置，所述範圍與最廣 義的解釋一致，以便在法律的許可下涵蓋所有此類修改及等效結構。
權利要求
1、一種用於穿過薄材料圍繞縱軸雷射機加工具有預定橫截面幾何形狀的微孔的方法，所述方法的特徵在於建立在所述薄材料中移除材料所需的雷射功率及雷射脈衝重複頻率值；建立至少一個切削加工軌跡以界定所述微孔的所需的橫截面幾何形狀；及建立沿所述切削加工軌跡移除所述材料的切削加工速率。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中建立至少一個切削加工軌跡的特徵在於沿第一切削加工軌跡橫向切削以界定第一孔開口；沿第二切削加工軌跡橫向切削以界定所述孔的錐形內壁；及沿第三切削加工軌跡橫向切削以界定與所述第一孔開口相對的第二孔開口。
3、 根據權利要求2所述的方法，其中所述第一切削加工軌跡是圍繞所述縱軸的至少一個同心旋轉的閉合路徑。
4、 根據權利要求2或權利要求3所述的方法，所述第二切削加工軌跡是圍繞所述縱軸的徑向長度減小的同心旋轉的開放路徑。
5、 根據權利要求4所述的方法，其中所述同心旋轉的開放路徑是圓形螺旋形狀的。
6、 根據權利要求2到5中任一權利要求所述的方法，其中所述第三切削加工軌跡是圍繞所述縱軸以徑向長度的至少一個旋轉的閉合路徑。
7、 根據權利要求3或權利要求6所述的方法，其中所述第一切削加工軌跡的所述閉合路徑及/或所述第三切削加工軌跡的所述閉合路徑是圓形形狀的。
8、 根據權利要求2到7中任一權利要求所述的方法，其特徵在於所述第一孔開口在直徑上大於所述第二孔開口 。
9、 根據權利要求2到8中任一權利要求所述的方法，其特徵在於所述第一、第二及第三切削加工軌跡形成一個連續路徑。
10、 根據權利要求2到9中任一權利要求所述的方法，其特徵在於所述薄材料是大致均質的單層。
11、 一種用於機加工供在使光透射穿過薄材料中使用的微貫通孔的方法，所述方法的特徵在於確定待機加工的所述薄材料的厚度；確定所述貫通孔的入口開口及出口開口的大小，所述貫通孔用於界定所述貫通開口的所述錐形側壁；及沿切削加工軌跡橫向切削以移除材料，從而形成所述入口開口、所述錐形側壁及所述出口開口。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中沿所述切削加工軌跡橫向切削的特徵在於圍繞縱軸沿界定所述入口開口的第一切削加工軌跡橫向切削； 圍繞所述縱軸沿界定所述錐形側壁的第二切削加工軌跡橫向切削；及 圍繞所述縱軸沿界定所述出口開口的第三切削加工軌跡橫向切削。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中所述第一及第三軌跡是閉合圓形軌跡， 且所述第二軌跡是開放的螺旋圓形軌跡。
14、 根據權利要求11到13中任一權利要求所述的方法，其特徵在於 確定用於從所述薄材料移除材料的切削加工速率。
15、 根據權利要求11到14中任--權利要求所述的方法，其中確定所述入口開口 及出口開口的所述大小的特徵在於-確定光穿過所述薄材料的所要透射率及光穿過所述出口開口的發散度。
全文摘要
本發明揭示一種用於在薄的大致均質材料中雷射機加工具有所要幾何橫截面要求的貫通微孔的方法。
文檔編號B23K26/02GK101678505SQ200880013958
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月30日 優先權日2007年5月3日
發明者玲 文, 傑弗裡·豪爾頓, 穆罕默德·E·阿爾帕伊, 麥可·納什內爾 申請人:Esi電子科技工業公司