專利名稱：用于機(jī)加工錐形微孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及在微薄材料中機(jī)加工或鉆制微孔。
此申請(qǐng)案主張2007年5月3日申請(qǐng)的序號(hào)為60/915,770的臨時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu) 先權(quán)，所述臨時(shí)專利申請(qǐng)案以全文引用的方式并入本文中。
背景技術(shù)：
近期，己在激光微機(jī)加工系統(tǒng)上做了大量技術(shù)投資并取得了進(jìn)步，所述激光微機(jī) 加工系統(tǒng)用以在薄層材料中鉆制微孔(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，鉆孔工藝后面通常跟隨對(duì)微通孔的電鍍工藝，以在所述層之間建 立電連接或?qū)щ娦?。在此類型的鉆制中，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(cè)壁的陡度或錐度)沒有特定要求或可變化，只要不影 響經(jīng)電鍍通孔的電性能即可。舉例來說，典型的情況是經(jīng)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?yàn)檫M(jìn)入到通孔腔中的 相對(duì)大的突出部可干擾電鍍工藝。關(guān)于通孔的幾何形狀，針對(duì)所述應(yīng)用的典型規(guī)格要 求僅偏向于較陡峭且較平滑的通孔壁。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述鉆制及機(jī)加工工藝并非打算針對(duì)及/或適用于或有用于要求錐形貫通孔 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(duì)貫通孔的所述機(jī)加工的參數(shù)及特定工藝以按要求或規(guī)定的幾何形狀鉆制所述 孔。按規(guī)定的入口及出口大小鉆制微貫通孔的能力(借此建立側(cè)壁的錐度或角度)在 貫通孔被用于使光透射穿過薄材料的情況下特別有用。通過在光透射應(yīng)用中按受控制 的入口及出口開口大小來鉆制微貫通孔，可針對(duì)特定商業(yè)應(yīng)用控制及優(yōu)化穿過出口開 口的輸出光束的光透射量以及發(fā)散光特性。舉例來說，在微貫通孔側(cè)壁太陡峭(從所述 材料的出口開口側(cè)上的表面一直到最近側(cè)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(duì)不良的光發(fā)散需要用戶直接注視出口孔才能看見經(jīng)透射 的光。相反地，如果微貫通孔側(cè)壁不太陡峭(從所述材料的出口開口側(cè)上的表面一直到 最近的側(cè)壁的角度相對(duì)地大致小于90度)，那么當(dāng)從具有較大孔開口的側(cè)(通常為入 口側(cè))照射微貫通孔時(shí)，穿過所述孔的光透射率極大地降低。
揭示用于穿過材料激光機(jī)加工具有特定橫截面幾何形狀的微孔的發(fā)明性方法。發(fā)明性工藝特別有用，雖然并不局限于具有大致均質(zhì)組成的單層材料。實(shí)例性應(yīng)用是將 薄材料及微孔用于透射光。
所述方法包括建立鉆制參數(shù)，包括在待機(jī)加工的材料中移除材料所需的激光功率 及激光脈沖重復(fù)頻率值。其它參數(shù)包括在移除材料以形成微孔時(shí)激光所遵循的至少一 個(gè)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(gè)實(shí)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(nèi)壁的第二軌跡及界定與所述第一孔開口相對(duì)的第 二孔開口的第三軌跡。
在另一實(shí)例中，所述第一激光軌跡包括圍繞所述微孔的縱軸的至少一個(gè)同心旋 轉(zhuǎn)。所述第二軌跡包括圍繞所述縱軸的徑向長(zhǎng)度減小的同心旋轉(zhuǎn)的開放路徑。所述第 三軌跡包括圍繞所述縱軸的至少一個(gè)同心旋轉(zhuǎn)。
結(jié)合附圖閱讀以下說明，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見本發(fā)明的其它應(yīng)用。


本文中的說明參照附圖，其中在數(shù)個(gè)視圖中相同的參考編號(hào)指代相同的部件，且 在圖式中-
圖1是在薄材料中鉆制實(shí)例性微孔的三階段切削加工軌跡的實(shí)例； 圖2是依據(jù)從圖1中的階段l軌跡產(chǎn)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(jù)從圖1中的階段2軌跡產(chǎn)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(jù)從圖1中所示的階段3軌跡產(chǎn)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(jù)從圖2到4中所示的個(gè)別軌跡產(chǎn)生的工作表面上的位置顯示積累的能 量密度分布的編制圖表；及
圖6是從圖1到5中所示的實(shí)例性三階段切削加工軌跡產(chǎn)生的微孔的實(shí)例性SEM 圖片。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1到6，揭示一種用于一直穿過薄襯底或材料鉆制或機(jī)加工微孔(稱為貫 通孔)的方法。已通過下文描述的試驗(yàn)確定數(shù)個(gè)工藝參數(shù)是有用的且在鉆制貫通微孔 以獲得所需或所規(guī)定的孔幾何形狀時(shí)應(yīng)予以考慮。
首先要考慮的參數(shù)是用來鉆制孔的特定激光、鉆制或機(jī)加工微孔的激光的功率和 激光的脈沖重復(fù)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中鉆制具有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(yàn)，532納米(nm) DPSS Nd:YAG激光是合適的。借助在上述材料3工作 表面上以10千赫茲(Khz)遞送的4.5瓦(W)的平均激光功率實(shí)施了鉆制上述孔1的成功 試驗(yàn)。借助在工作表面12上產(chǎn)生28 tx m聚焦高斯光束點(diǎn)的光學(xué)拓?fù)湓诩す饨姑嫣帉?shí) 施如上所述的以上成功機(jī)加工工藝。應(yīng)了解，可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的與以 上試驗(yàn)不同的其它激光、激光功率及脈沖重復(fù)頻率，而此并不背離本發(fā)明。應(yīng)進(jìn)一步 了解，可使用不同的材料及厚度。
在本發(fā)明機(jī)加工方法中要考慮的下一個(gè)參數(shù)是在鉆制微孔1時(shí)激光將遵循的切削 加工軌跡或路徑。如在圖1到5中的最佳所見，已通過試驗(yàn)確定用于鉆制貫通微孔的 三階段切削加工軌跡20在需要規(guī)定的或特定孔幾何形狀的情況下進(jìn)行鉆制是特別有 用。優(yōu)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?qǐng)Dl、 2及6，其圖解說明優(yōu)選的三階段切削加工軌跡20的優(yōu)選的第一切削 加工軌跡30。已通過試驗(yàn)確定跨越材料3的第一表面12的第一軌跡30用于界定微孔 l的頂部(入口)直徑或第一開口5。在優(yōu)選的第一切削加工軌跡30中，閉合路徑圓 形軌跡適合于界定第一材料表面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(gè)完整旋轉(zhuǎn)組成的圓形軌跡30。在優(yōu)選實(shí) 例中，圍繞縱軸25的多個(gè)完整圓形旋轉(zhuǎn)30足以建立第一開口 5同時(shí)還移除一些體材 料3。
通過使用28 um聚焦高斯光束點(diǎn)在400 um厚的鋁中鉆制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(yàn)，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(gè)圓形旋轉(zhuǎn)組成。
在優(yōu)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(diǎn)處開始且在沿第三軌跡50的一點(diǎn)處結(jié)束的從軸25在徑向距離或長(zhǎng)度上減小的 同心圓圈組成的開放路徑40適合于鉆制具有內(nèi)壁10的所需通孔1。
通過鉆制上述孔幾何形狀的試驗(yàn)，包括在73 mm/sec的切割速度下在第一軌跡60 um外鉆制直徑處開始且在10 um直徑(第三軌跡50) 7處結(jié)束的以10毫米/旋轉(zhuǎn) (mm/rev)的徑向間距或徑向減小圍繞縱軸25的五個(gè)開放螺旋旋轉(zhuǎn)的第二軌跡40是適 合的。
在優(yōu)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(gè)同心旋轉(zhuǎn) 50的閉合軌跡路徑。在優(yōu)選實(shí)例中，使用圍繞縱軸25的圓形路徑中的眾多閉合旋轉(zhuǎn)。
通過鉆制上述孔1的試驗(yàn)，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(gè)完整圓形旋轉(zhuǎn)。
雖然所揭示的試驗(yàn)用于以描述的特定方式使用三個(gè)單獨(dú)軌跡在材料3中鉆制上述 孔1，但應(yīng)了解可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的參數(shù)及軌跡的變化形式，而此并不 背離本發(fā)明。
應(yīng)進(jìn)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(yōu)選的三階段切削加工軌跡20被揭示為單獨(dú)、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(xù)的不中斷工藝來實(shí)施。應(yīng)進(jìn)一步了解，如所屬領(lǐng)域 的技術(shù)人員已知，取決于本文中論述的材料3及其它參數(shù)，可使用額外或較少量的切 削加工階段或軌跡。應(yīng)進(jìn)一步了解，以上關(guān)于圖6中所示特定幾何形狀描述的試驗(yàn)性 孔1僅是實(shí)例性的，且可通過本發(fā)明性工藝制作在材料3中具有相關(guān)聯(lián)第一開口 5、 第二開口 7及錐形內(nèi)壁IO的其它大小和形狀的孔，而此并不背離本發(fā)明。
要考慮的第四工藝參數(shù)是激光沿材料3移動(dòng)以移除材料3的切削加工速度或速 率。通過試驗(yàn)，確定在上述試驗(yàn)性參數(shù)下，73 mm/sec是產(chǎn)生具有所要幾何形狀的滿 意通孔的適合切削加工速度。應(yīng)了解，可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員己知的其它切削加 工速度，而此并不背離本發(fā)明。
己描述上述實(shí)施例，以便允許容易地了解本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。相反，本發(fā) 明打算涵蓋所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)所包括的各種修改及等效布置，所述范圍與最廣 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(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種用于穿過薄材料圍繞縱軸激光機(jī)加工具有預(yù)定橫截面幾何形狀的微孔的方法，所述方法的特征在于建立在所述薄材料中移除材料所需的激光功率及激光脈沖重復(fù)頻率值；建立至少一個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中建立至少一個(gè)切削加工軌跡的特征在于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(nèi)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(duì)的第二孔開口。
3、 根據(jù)權(quán)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(gè)同心旋轉(zhuǎn)的閉合路徑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)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(zhǎng)度減小的同心旋轉(zhuǎn)的開放路徑。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述同心旋轉(zhuǎn)的開放路徑是圓形螺旋形狀的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2到5中任一權(quán)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(zhǎng)度的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)的閉合路徑。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)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(jù)權(quán)利要求2到7中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述第一孔開口在直徑上大于所述第二孔開口 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2到8中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述第一、第二及第三切削加工軌跡形成一個(gè)連續(xù)路徑。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2到9中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述薄材料是大致均質(zhì)的單層。
11、 一種用于機(jī)加工供在使光透射穿過薄材料中使用的微貫通孔的方法，所述方法的特征在于確定待機(jī)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，所述貫通孔用于界定所述貫通開口的所述錐形側(cè)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(cè)壁及所述出口開口。
12、 根據(jù)權(quán)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征在于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(cè)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求11到13中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于 確定用于從所述薄材料移除材料的切削加工速率。
15、 根據(jù)權(quán)利要求11到14中任--權(quán)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征在于-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(fā)散度。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于在薄的大致均質(zhì)材料中激光機(jī)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(hào)B23K26/02GK101678505SQ200880013958
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月3日
發(fā)明者玲 文, 杰弗里·豪爾頓, 穆罕默德·E·阿爾帕伊, 邁克爾·納什內(nèi)爾 申請(qǐng)人:Esi電子科技工業(yè)公司