激光脈沖能量控制系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】激光脈沖能量控制系統(tǒng)及方法
[0001]相關(guān)交叉引用
[0002]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)主張2013年I月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案第61/751，810號(hào)，其通過(guò)引用而將其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的揭露內(nèi)容一般涉及激光加工設(shè)備以及使用其的加工工件的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在工件的一個(gè)或多個(gè)材料內(nèi)的特征(例如，通孔、盲孔、溝槽、擊潰、切口和其他特征)的激光加工可以是對(duì)激光功率是敏感的。在許多應(yīng)用中(例如，在這些特征通過(guò)遞送激光脈沖在工件上而被激光加工中)，形成特征的速度或效率且最終地形成的所述特征的質(zhì)量可以對(duì)遞送到工件上的個(gè)別的脈沖的脈沖能量是非常敏感的。例如，當(dāng)激光加工例如印刷電路板、可撓性印刷電路或類(lèi)似物的一工件時(shí)，當(dāng)激光處理(例如，燒蝕)諸如銅的導(dǎo)電材料，相對(duì)高的脈沖能量可能是令人滿(mǎn)意的，然而，當(dāng)激光加工(如燒蝕)介電材料而不在所述介電材料中引起熱效應(yīng)(例如，由于炭化及/或熔化)且并不會(huì)損壞相鄰材料(如銅)，相對(duì)低的脈沖能量可能是令人滿(mǎn)意的。
[0005]控制或調(diào)整激光功率或脈沖能量的常規(guī)方法包括衰減光學(xué)組件(例如，偏振光學(xué)組件或聲光調(diào)整器)，或者通過(guò)改變至激光介質(zhì)的泵功率而激光光學(xué)輸出功率的直接控制。這些傳統(tǒng)的方法具有缺點(diǎn)，包括緩慢的速度(例如，用于機(jī)械調(diào)整偏振光學(xué)組件)、在激光傳送中的變化(例如，在激光介質(zhì)泵或Q-開(kāi)關(guān)時(shí)間的控制中)或者缺乏與激光加工設(shè)備的其他操作的協(xié)調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例，如本文所述的范例，解決上述討論的限制以及與控制或調(diào)整激光功率或脈沖能量的常規(guī)方法相關(guān)聯(lián)的其它限制。
[0007]在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)和方法提供激光脈沖能量控制及/或監(jiān)測(cè)。一種示例性激光加工設(shè)備包括:激光系統(tǒng)，產(chǎn)生激光脈沖束；以及脈沖能量控制系統(tǒng)，逐個(gè)脈沖地(pulse-by-pulse basis)調(diào)整在束中的每個(gè)激光脈沖的脈沖能量。所述脈沖能量控制系統(tǒng)包括:開(kāi)環(huán)前饋控制路徑，其基于繪制激光脈沖能量隨激光脈沖重復(fù)頻率的變化的校準(zhǔn)傳輸曲線對(duì)于每個(gè)激光脈沖選擇脈沖能量傳輸值。激光能量監(jiān)視器測(cè)量在激光脈沖束中的每個(gè)激光脈沖的激光脈沖能量。功率控制回路可以基于從激光能量監(jiān)視器的反饋來(lái)進(jìn)一步調(diào)整在激光脈沖束中一個(gè)或多個(gè)激光脈沖的脈沖能量。
[0008]從以下參照附圖進(jìn)行的較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述中，其它的方面和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的激光加工設(shè)備。
[0010]圖2示意性說(shuō)明了與圖1所示的裝置的各個(gè)組件或系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的掃描場(chǎng)。
[0011]圖3和圖4以圖形方式說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例通過(guò)掃描對(duì)于工件的束位置所產(chǎn)生的斑點(diǎn)的圖案。
[0012]圖5是示意性說(shuō)明了形成圖4所示的斑點(diǎn)的圖案的工藝的實(shí)施例。
[0013]圖6示意性說(shuō)明了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的激光功率控制系統(tǒng)的一些組件。
[0014]圖7示意性說(shuō)明了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的激光功率控制算法。
[0015]圖8示意性說(shuō)明了從典型的激光功率曲線發(fā)展至歸一化1/PE (脈沖能量)值隨脈沖周期的變化。
[0016]圖9說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明揭示內(nèi)容的實(shí)施例可以產(chǎn)生的夾頭功率計(jì)(CPM)讀數(shù)瞬
??τ O
[0017]圖10示意性說(shuō)明了穿過(guò)與不同的脈沖周期或脈沖重復(fù)頻率相關(guān)聯(lián)的相繼的工藝區(qū)段的脈沖同步。
[0018]圖11是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性LET校準(zhǔn)工藝的流程圖。
[0019]圖12是在圖1所示的工件的激光加工期間根據(jù)用于功率控制的一個(gè)實(shí)施例而可以實(shí)現(xiàn)的示例操作順序的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]示例性實(shí)施例參照附圖而描述如下。許多不同的形式和實(shí)施例是可能的而不脫離本發(fā)明的精神和教導(dǎo)，因此本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限于本文所闡述的示例性實(shí)施例。相反地，提供這些示例性實(shí)施例是為了使本公開(kāi)將是徹底和完整的，并且對(duì)熟知本領(lǐng)域的技術(shù)人士將傳達(dá)本發(fā)明的范疇。在附圖中，組件的尺寸和相對(duì)尺寸可以被夸大以為了清晰度。本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅是用于描述具體示例實(shí)施例的目的并且不意圖限制。如本文所用，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”意圖包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確說(shuō)明。將進(jìn)一步理解的是，術(shù)語(yǔ)“包括”及/或“包含”當(dāng)使用于本說(shuō)明書(shū)中指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、組件及/或組件的存在，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、組件、組件及/或它們的群組。除非另有規(guī)定，如引用時(shí)，一個(gè)值的范圍既包括該范圍的最高和最低的限制，也包括任何于其間的子范圍。
[0021]如本文所使用的，“功率控制”是用于描述激光輸出功率的控制的通用術(shù)語(yǔ)。但是，本文描述的示例性實(shí)施例測(cè)量和控制一激光脈沖的脈沖能量(pulse energy，PE)。對(duì)于一給定的脈沖重復(fù)頻率(pulse repetit1n frequency，PRF)，激光功率脈沖功率等于PEXPRF。對(duì)于給定的PRF，PE控制等效于功率控制，并且這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)可互換使用。此夕卜，“PRF”可以由它的反轉(zhuǎn)、脈沖周期(pulse per1d，PP)或脈沖間周期(inter-pulseper1d, IPP)來(lái)指定。通常情況下，機(jī)器的用戶(hù)參考PRF，但功率控制執(zhí)行指定脈沖周期。因此，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)可互換使用在適當(dāng)情況下的此討論中。
[0022]參考圖1所示，例如激光加工設(shè)備100的一種激光加工設(shè)備被配置為通過(guò)沿著路徑P引導(dǎo)激光脈沖束105以撞擊到工件102上以形成特征(例如通孔、盲孔、溝槽、擊潰、切口以及其他特征)在工件102的一個(gè)或多個(gè)材料內(nèi)。特征可以通過(guò)控制激光加工設(shè)備100以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)工具制造的動(dòng)作(例如，沖擊鉆孔動(dòng)作、環(huán)鋸鉆孔動(dòng)作、刮削動(dòng)作、路由動(dòng)作、切斷動(dòng)作、其他動(dòng)作)來(lái)形成，其中每個(gè)工具制造的動(dòng)作可以包括一個(gè)或多個(gè)步驟。如圖所示，激光加工設(shè)備100可包括激光系統(tǒng)104、夾頭106、工件定位系統(tǒng)108、束定位系統(tǒng)110和束調(diào)整系統(tǒng)112。雖然未示出，激光加工設(shè)備100進(jìn)一步可以包括一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充系統(tǒng)(例如，光學(xué)、反射鏡、分束器、擴(kuò)束器及/或束準(zhǔn)直器)，其被配置來(lái)塑造、展開(kāi)、聚焦、反射及/或準(zhǔn)直沿路徑P的任何一點(diǎn)處的激光脈沖105束。在一個(gè)實(shí)施例中，一組的一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充系統(tǒng)可以被稱(chēng)為“光學(xué)組件串”。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，并且如將在本文更詳細(xì)地討論的，工件定位系統(tǒng)108c、束定位系統(tǒng)110以及束調(diào)整系統(tǒng)112的一個(gè)或多個(gè)或全部的操作可以被控制來(lái)改變激光脈沖束105投射到工件102的位置(即，在相對(duì)于工件102束位置)。在另一個(gè)實(shí)施例中，正如也將在此更詳細(xì)地討論的，工件定位系統(tǒng)108、束定位系統(tǒng)110以及束調(diào)整系統(tǒng)112的一個(gè)或多個(gè)或全部的操作可被控制以改變束位置相對(duì)于該工件102變化的速度及/或加速度。
[0024]所述激光系統(tǒng)104可以被配置為產(chǎn)生激光脈沖束105。束105內(nèi)的激光脈沖可以是例如具有在紅外、可見(jiàn)光或紫外光譜的波長(zhǎng)。例如，束105內(nèi)的激光脈沖可以具有例如1064奈米、532奈米、355奈米、266奈米和類(lèi)似的波長(zhǎng)。束105內(nèi)的激光脈沖可以通常在從大約20kHz到大約2000kHz的范圍中的PRF處產(chǎn)生。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所述脈沖重復(fù)頻率可小于20kHz或大于2000kHz。
[0025]所述夾頭106可以作為能夠適當(dāng)?shù)睾陀欣刂喂ぜ?02的任何夾頭來(lái)提供。在一個(gè)實(shí)施例中，夾頭106可以作為真空夾頭、靜電夾頭、機(jī)械夾頭或類(lèi)似物或其組合來(lái)提供。
[0026]所述工件定位系統(tǒng)108被配置為沿著平行于X軸、Y軸及/或Z軸(其中，Z軸至少基本垂直于所述夾頭106的表面，并且其中所述X軸、Y軸和Z軸相互正交)的一個(gè)或多個(gè)方向轉(zhuǎn)移支撐工件102的夾頭106，以轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭106繞著X軸、Y軸及/或Z軸的一個(gè)或多個(gè)或類(lèi)似物或它們的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，工件定位系統(tǒng)108可以包括被配置來(lái)移動(dòng)如上文所討論的夾頭的一個(gè)或多個(gè)載臺(tái)。當(dāng)工件102由夾頭106所支撐時(shí)，工件定位系統(tǒng)108可被操作以在相對(duì)于路徑P的第一掃描場(chǎng)(例如，第一掃描場(chǎng)200，如圖2所不)內(nèi)(例如，沿X軸和Y軸)移動(dòng)或掃描工件102。在一個(gè)實(shí)施例中，工件定位系統(tǒng)108可以被操作以從約400毫米至約700毫米(例如，約635毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著X軸的任何方向、從約400毫米至約700毫米(例如，大約533毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著Y軸的任何方向或者它們的組合掃描工件102。
[0027]所述束定位系統(tǒng)110被配置成偏轉(zhuǎn)、反射、折射、衍射或類(lèi)似、或它們的組合激光脈沖束105，以在相對(duì)于工件102的第二掃描場(chǎng)(例如，第二掃描場(chǎng)202，如圖2所示)內(nèi)掃描束的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，束定位系統(tǒng)110可以被操作來(lái)從約I毫米至約50毫米(例如，約30毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著X軸的任何方向、從約I毫米至約50毫米(例如，大約30毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著Y軸的任何方向或者它們的組合掃描束的位置。通常，束定位系統(tǒng)110的操作可以被控制以大于由工件定位系統(tǒng)108可以在第一掃描場(chǎng)200內(nèi)掃描工件102的速度及/或加速度相對(duì)于工件102掃描束的位置。在圖示的實(shí)施例中，束定位系統(tǒng)110包括一對(duì)檢流計(jì)(電流計(jì))為基礎(chǔ)的反射鏡IlOa和110b，其設(shè)置在所述路徑P內(nèi)。每個(gè)反射鏡IlOa和IlOb被配置成可旋轉(zhuǎn)(例如，繞著X軸或Y軸)，從而偏轉(zhuǎn)路徑P和掃描在第二掃描場(chǎng)202內(nèi)束的位置。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所述束定位系統(tǒng)110可以任何其它合適的或有利的方式來(lái)配置。
[0028]所述束調(diào)整系統(tǒng)112被配置成偏轉(zhuǎn)、反射、折射、衍射或類(lèi)似、或它們的組合激光脈沖束，以在相對(duì)于工件102的第三掃描場(chǎng)(例如，第三掃描場(chǎng)204，如圖2所示)內(nèi)掃描束的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，束調(diào)整系統(tǒng)110可以被操作來(lái)從約0.05毫米至約0.2毫米(例如，約0.1毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著X軸的任何方向、約0.05毫米至約0.2毫米(例如，約0.1毫米)的范圍內(nèi)的距離沿著Y軸的任何方向或它們的組合掃描束位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人士將會(huì)體認(rèn)到這些范圍以舉例的方式提供以及束的位置可以在更小或更大的范圍內(nèi)掃描。通常，束調(diào)整系統(tǒng)112的操作可以控制而以大于束定位系統(tǒng)110可以在第二掃描場(chǎng)內(nèi)掃描束的位置的速度及/或加速度相對(duì)于工件102掃描束的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，束調(diào)整系統(tǒng)112包括單一聲光偏轉(zhuǎn)器(AOD)，其配置成偏轉(zhuǎn)激光脈沖束105以在第三掃描場(chǎng)204內(nèi)沿著X軸和Y軸掃描束的位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，束調(diào)整系統(tǒng)112包括兩個(gè)A0D，其中第一 AOD被配置為偏轉(zhuǎn)激光脈沖束105和在第三掃描場(chǎng)204內(nèi)沿著X軸掃描束的位置以及第二 AOD被配置為偏轉(zhuǎn)激光脈沖束105和在第三掃描場(chǎng)204沿著Y軸掃描束的位置。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所述束調(diào)整系統(tǒng)112可以任何其它合適的或有利的方式進(jìn)行配置。例如，束調(diào)整系統(tǒng)112可以包括一個(gè)或多個(gè)聲光調(diào)整器(AOMs)、電光偏轉(zhuǎn)器(EODs)、電光調(diào)整器(EOMs)或類(lèi)似物或它們的組合以及(或者作為代替)A0D。
[0029]所述激光加工設(shè)備100進(jìn)一步可以包括通信地耦合到所述工件定位系統(tǒng)108、束定位系統(tǒng)110、束調(diào)整系統(tǒng)112和激光系統(tǒng)104的系統(tǒng)控制器114。所述系統(tǒng)控制器被配置來(lái)控制這些系統(tǒng)(工件定位系統(tǒng)108、束定位系統(tǒng)110、束調(diào)整系統(tǒng)112及/或激光系統(tǒng)104)的一個(gè)或多個(gè)或所有的上述操作，以在工件102內(nèi)形成特征(例如，通孔、盲孔、溝槽、擊潰、切口和其他特征)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器114可以控制激光系統(tǒng)104的操作(例如，從約