基板加工裝置和採用這樣的裝置加工基板的方法
2024-02-10 04:13:15 3
專利名稱：基板加工裝置和採用這樣的裝置加工基板的方法
技術領域：
本發明涉及如權利要求1前序部分所述的基板加工裝置以及如權利要求7前序部分所述的且採用這樣的裝置的方法。
通常，在藉助雷射束加工基板時，如當對金屬化基板表面進行結構化或在多層基板中鑽設接觸孔時，使用標準雷射器如NdYAG雷射器、NdYVO4雷射器、CO2雷射器、氬離子雷射器或其它本身已知的雷射器。這些雷射器的輸出光束通過光束擴展器、偏轉器和一個光學成像裝置成像於要加工的基板上，該光學成像裝置通常是焦距為150mm～50mm的f-θ透鏡。
在這種情況下，為了在加工基板時獲得儘可能大的能密度和高解析度，雷射能量聚焦於儘可能小的表面上即所謂的最小光斑直徑(「斑徑」)，由於雷射束從光束擴展器作為平行光束地射到光學成像裝置上，所以該光斑位於光學成像裝置的焦面內。在焦面的前面和後面，雷射器的光斑直徑大並因此只能在那裡獲得更低的能量密度。以下，被認為正好適用於加工的、在兩光斑直徑的焦面前後的位置之間的間距被稱為焦深。按已知方式，作為雷射波長、光束擴展和f-θ透鏡焦距的函數而得到焦深。在大多數應用場合中，在波長1064nm的情況下，焦深為1mm～5mm，在波長266nm的情況下，焦深為0.1mm～1mm。
當在具有焦深數量級的厚度的基板上鑽孔時出現這樣的問題，即因為光斑直徑在焦深邊緣加寬，所以不是成圓柱形地鮮明形成孔，而是成尖錐形地形成孔，其中由於所用發雷射器系統規定了孔，所以孔錐度不可調。
為了改變可用的焦深區，已經知道了各種方法。其中一種方法是，可使用更長的波長，但在這種情況下，取決於基板材料地出現了部分被破壞並因而不理想的熱效應。另一個可行方案在於，向在光學成像裝置前面的更小的光束擴展，更小的光束擴展導致更大的焦深，但也導致更大的光斑直徑，這樣的光斑在最細微結構或孔的情況下不夠精細。第三種方法是，在結構化或鑽孔過程中始終使基板移向雷射束，以便留在焦深區內。然而，這樣所需的機械調準太慢，以致不能達到儘可能高的生產率(如大於100個鑽孔/秒)。
因此，本發明的目的在於提供一種靈活的且不太費事的給不同基板鑽孔的裝置以及一種使用這樣的裝置的方法。
根據本發明，通過一種具有權利要求1特徵部分特徵的上述類型的裝置和一種具有權利要求7特徵部分特徵的上述類型的方法完成了該任務。
通過本發明的解決方案，確保了至少兩個不同的焦深區，它們被考慮用於加工不同基板。
在一個如權利要求2所述的優選實施例中，兩個雷射源是同樣地構成的，從而兩道雷射束具有同樣的波長，只根據這個共同的波長來設計偏轉器和光學成像裝置。
如權利要求3所述的光束擴展器的不同擴展導致了兩個不同的焦深區，它們例如可被用於獲得不同的錐形孔。
在如權利要求4所述的有利設計方案和如權利要求7所述的適用方法中，第二光束擴展器是失調準的，從而第二雷射束的最小光斑的位置相對第一雷射束的位置移動。由於在焦深區外的光束髮散不起作用，因此可以在厚基板上鑽設細孔。
通過如權利要求5所述的第二光束擴展器的可變化失調準，可以有利地使裝置適應不同厚度的基板。
通過如權利要求8所述地採用不同波長，首先可以用與各層相匹配的波長來加工多層基板。
根據權利要求9，通過採用麥冬的雷射束而使方法更加靈活，其中用於兩個雷射器的脈衝重複率或脈衝能被調節成是不同的。
結合圖來詳細描述本發明的一個實施例，其中
圖1是本發明裝置的側視示意圖；圖2是帶有通過第一雷射束鑽設的盲孔的基板的橫截面圖；圖3表示基板橫截面，其盲孔如圖2所示地繼續用第一雷射束進行鑽設或繼續用第二雷射束進行鑽設；圖4a是第一雷射束的光路圖；圖4b是具有失調準的第二光束擴展器的第二雷射束的光路圖；圖4c是具有有不同放大因數的第二光束擴展器的第二雷射束的光路圖。
在圖1中，在示意側視圖中示出了本發明的裝置。在這裡，第一雷射源1(如固態雷射器如NdYAG雷射器或NdYVO4雷射器或氣體雷射器如CO2雷射器氬離子雷射器或其它適合的雷射器)產生第一雷射束2。第一雷射束2被第一雷射擴展器3擴展。圖4a詳細示出了在第一雷射束2的光路內的第一雷射擴展器3。在這種情況下，雷射擴展器3包括第一透鏡24和第二透鏡25並原則上成克卜勒望遠鏡結構，就是說，焦點(f1第一透鏡的焦距，f2第二透鏡的焦距)重合。如果現在平行光束的細光束先射入具有短焦距f1的第一透鏡24並隨後射入具有長焦距f2的第二透鏡25，則其後的光束27具有更大的直徑，這由光束擴展器3的放大因數決定。
隨後，第一雷射束2穿過半透明鏡4地到達偏轉器5，偏轉器通過作為光學成像裝置6的聚焦鏡頭把第一雷射束2聚集到要加工的基板7上。在這種情況下，孔20通常通過使雷射束2螺旋形或圓形地運動到基板7上而產生。通過聚焦，第一雷射束2在基板平面內一直被聚焦成最小光斑直徑9，其中通過光學成像裝置6的焦距f3給出該最小光斑直徑9的垂直位置10。在這種情況下，把所謂的f-theta透鏡用作光學成像裝置6，它意味著這樣一種透鏡，即其中在基板平面內的透鏡偏轉與雷射束2通過偏轉器5所偏轉的角度成比例。根據光束直徑、所用的光束2波長以及光學成像裝置6的焦距，得到了第一焦深區8，在圖1、圖4a中示意地畫出了這個焦深區。在光學成像裝置6的聚焦面外，光斑擴展，因而，所鑽孔的直徑擴大或無法再象使用最小光斑直徑9時那樣細微地結構化。
根據本發明，設置產生第二雷射束12的第二雷射源11。第二雷射束通過第二光束擴展器13被擴展並通過鏡14和半透明鏡4被耦合到第一雷射束2的光路中，從而通過偏轉器5和光學成像裝置6也被聚焦到基板上。在這種情況下，半透明鏡4被構造成對第一雷射束2是透明的並對第二雷射束12是反射的。
如圖4b所示，在這種情況下，如此選擇第二光束擴展器，即第二雷射束12的焦深區15出現在不同於第一雷射束的焦深區8的位置17上。在其它的同樣構成的雷射源1、11中，例如可如此實現這樣的焦深區位置變化，即第二光束擴展器13是略微失調準(改變兩個透鏡24、25的相互間距)的，從而來自光束擴展器13的光束28不包含平行光束，而是包含略微發散或會聚的光束。光學成像裝置6則在聚焦面前方或後面的平面內構成這種發散或會聚的光束28。如果兩個透鏡(24，25)的失調準被設計成是可相對變化的，則焦深區(8，15)可相應改變並根據理想的加工過程進行最佳調節。
如圖4c所示，不同的焦深區同樣可以通過變化的第二光束擴展器13的放大因數來實現。更大的放大因數導致射出光束29的更大的光束橫截面並因而導致更小的最小光斑直徑16和更小的焦深區15。因此，例如通過具有不同放大因數的第一光束擴展器3和第二光束擴展器13，可鑽設出具有不同錐壁的孔。主要是在給孔鍍覆金屬以便接通的情況下，需要預定的錐度，以便實現儘可能良好附著的塗覆。
在圖2、3中，以橫截面圖示意示出了一個在基板內鑽孔的方法的兩個步驟。在這裡，藉助第一雷射束2，直達第一雷射束2的焦深區地把盲孔20、22鑽設到基板7中。在第二步驟中，通過使用具有第二焦深區的第二雷射束12繼續把右邊的孔23鑽得更細，同時用第一雷射束12繼續鑽左邊的孔21並且左邊的孔通過離開該焦深區而變得更寬。
通過使用兩個雷射源1、11的不同波長或不同的脈衝重複率或脈衝寬度，可以更好地根據各層的材料特性來確定用於多層基板結構化的參數。
因此，通過本發明的裝置和方法，可以在厚基板上鑽設更細的孔。，因而，也可以輕易地實現在厚基板中的深層結構。
權利要求
1.一種基板(7)加工裝置，它包括用於產生第一雷射束(2)的第一雷射源；在第一雷射束(2)的光路內的第一光束擴展器(3)；一個偏轉器(5)和一個光學成像裝置(6)，它們先後設置在第一雷射束(2)的光路內並把第一雷射束(2)成像於基板(7)上，其特徵在於，設有產生第二雷射束(12)的第二雷射源(11)，在第二雷射束(12)的光路內設置第二光束擴展器(13，如此在第二雷射束(12)的光路內設置一個偏轉器(4，14)，即第二雷射束(12)也通過偏轉器(5)和光學成像裝置(6)成像於基板(7)上，第一、第二光束擴展器(3，13)是如此形成的，即在通過光學成像裝置(6)聚焦後，至少在光束方向上的最小光斑直徑(9，16)的位置(10，17)或這兩道雷射束(2，12)本身的最小光斑直徑是不同的。
2.如權利要求1所述的基板(7)加工裝置，其特徵在於，第一、第二雷射源(1，11)是同樣地構成的。
3.如權利要求1所述的基板(7)加工裝置，其特徵在於，第二光束擴展器(13)具有不同於第一光束擴展器(3)的放大率，這兩道雷射束(2，12)的最小光斑直徑是不同的。
4.如權利要求1-3之一所述的基板(7)加工裝置，其特徵在於，第二光束擴展器是失調準的，由此一來，第一、第二雷射束(2，12)的最小光斑直徑(9，16)的位置相對移動。
5.如權利要求4所述的基板(7)加工裝置，其特徵在於，第二光束擴展器是可變地失調準的，由此一來，第二雷射束(12)的最小光斑直徑(16)的位置(17)是可變化地改變的。
6.如權利要求1-5之一所述的基板(7)加工裝置，其特徵在於，所述偏轉器由一個偏轉鏡(14)和一個半透明鏡(4)構成。
7.一種採用如權利要求4-5之一所述的裝置加工基板(7)的方法，其特徵在於，如此選擇最小光斑直徑(9，16)的位置(10，17)，即它們位於基板(7)的不同深度處，首先基本上到達第一雷射束(2)的最小光斑直徑(9)地用第一雷射束(2)把一個孔(22)鑽到基板(7)中，隨後用第二雷射束(12)繼續鑽孔(22，23)。
8.如權利要求6或7所述的基板(7)加工方法，其特徵在於，這兩道雷射束(2，12)具有不同的波長。
9.如權利要求6-8之一所述的基板(7)加工方法，其特徵在於，使雷射束(2，12)脈衝化並且相對地調節出不同的脈衝能量和/或不同的脈衝重複率。
全文摘要
當把雷射束(2)聚焦到一塊基板(7)上以便進行基板加工時，通過光學儀器如光束擴展器(3)、偏轉器(5)和光學成像裝置(6)形成焦深區(8)，可以在焦深區中用最小光斑直徑進行加工。首先在厚基板的情況下，鑽設細孔是很困難的。根據本發明來設置第二雷射束(12)，它通過第二光束擴展器(13)被擴展並通過偏轉器(5)和光學成像裝置也被聚焦在基板(7)上。通過選擇第二光束擴展器(13)的放大率或通過失調準，可以改變第二焦深區(15)的位置和長度。通過先後使用兩道雷射束，也可以在厚基板(7)上鑽設細孔。
文檔編號H05K3/00GK1433350SQ00816419
公開日2003年7月30日 申請日期2000年11月21日 優先權日1999年11月29日
發明者L·希金斯, H·J·馬耶爾, E·雷蘭茨, A·施雷納, U·維格爾曼 申請人:西門子公司