一种透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备系统及方法与流程

本发明涉及激光微纳加工，具体涉及一种透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备系统及方法。

背景技术：

1、在微纳加工领域，透明硬脆材料的微孔阵列加工是一项重要且应用广泛的技术。各种不同成分以及掺杂的透明硬脆材料，如bf33、k9、bk7等透明玻璃，已经广泛的应用于半导体制造等高端精密制造行业，利用激光对这些透明硬脆材料进行加工得到高深径比的微通孔阵列（tgv工艺），这种方法在微电子封装（尤其是玻璃互联基板）中越来越重要，可用于ai芯片的封装环节等。

2、目前，透明硬脆材料微通孔阵列的制备方法主要是使用激光，配合反射镜、扩束镜以及贝塞尔切割头等组成的光学系统和精密的三维运动平台，对玻璃进行改质，之后对透明硬脆材料进行化学腐蚀，改质后的部分与化学腐蚀液反应速度相较未改质的部分更快，最终生成玻璃微通孔。但以上方法存在如下问题：1）加工速度有限：激光改性是逐点或逐线扫描，处理大面积或大孔数量时效率低于传统钻孔或激光直接打孔，尽管可以并行扫描，但高密度阵列仍受激光功率和扫描速度限制；2）改性均匀性受限制：激光在玻璃中的能量分布可能引起孔壁粗糙或微裂纹，且不同玻璃厚度或掺杂物会影响激光改性效果，需要优化工艺参数；3）刻蚀后孔壁存在缺陷：虽然激光改性增加刻蚀速率，但过度改性可能导致孔壁不光滑或有微裂纹，影响电镀或填充性能；4）工艺复杂度高：需要激光改性和化学刻蚀两步配合，工艺参数众多（激光功率、扫描速度、刻蚀浓度、温度等），质量控制难度大，需要在线检测或后处理以确保孔的通透性和尺寸一致性。

3、而直接采用贝塞尔光束进行透明硬脆材料微通孔阵列的加工，虽然省去了化学腐蚀工序、简化了工艺流程，但单纯依靠平台运动实现阵列打孔的加工速度较慢，难以实现微孔阵列的快速制备。声光偏转器（aod）具有偏转精度高、偏转速度快等优点，虽然能够提升扫描加工效率，但是aod在不同偏转角度下出射的贝塞尔光束存在入射倾角差异，光束无法以恒定锥角进入聚焦单元，导致全视场光束焦深长度不一致，同时aod声光偏转和光束传输过程会引入球差、彗差和像散等多种像差，导致不同扫描位置的贝塞尔光束光斑形貌、能量分布及稳定性存在显著差异，最终造成全扫描区域的微孔孔径、深度一致性差，孔壁易出现粗糙纹理与微裂纹，难以满足透明硬脆材料微通孔阵列的高质量快速制备要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备系统及方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为一种透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备系统，包括用于产生高斯光束的激光器，还包括aod单元、聚焦单元、用于将高斯光束转换为贝塞尔光束的光束转换单元以及用于带动透明硬脆材料移动的三维运动平台；所述激光器、所述光束转换单元、所述aod单元和所述聚焦单元沿光路方向依次设置，且所述aod单元与所述聚焦单元之间的光路上设置有用于对所述aod单元出射的贝塞尔光束进行准直与像差校正的远心单元；所述三维运动平台设置于所述聚焦单元的下方。

3、作为实施方式之一，所述远心单元包括4f组件；所述4f组件与所述aod单元之间的光路上设置有物方远心组件，和/或，所述4f组件与所述聚焦单元之间的光路上设置有像方远心组件。

4、作为实施方式之一，所述4f组件包括沿光路方向依次设置的第一透镜、第一孔径光阑和第二透镜，所述第一孔径光阑位于所述第一透镜的后焦面上以及所述第二透镜的前焦面上。

5、作为实施方式之一，所述4f组件还包括第三透镜，所述第三透镜设置于所述第二透镜的出光侧，且所述第三透镜与所述第二透镜之间的距离为所述第三透镜的焦距和所述第二透镜的焦距之和。

6、作为实施方式之一，所述物方远心组件包括沿光路方向依次设置的第二孔径光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第四透镜与所述第六透镜为正透镜，所述第五透镜为负透镜。

7、作为实施方式之一，所述像方远心组件包括沿光路方向依次设置的第七透镜、第八透镜、第九透镜和第三孔径光阑，所述第七透镜和所述第九透镜为正透镜，所述第八透镜为负透镜。

8、本发明还提供一种透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备方法，采用以上任一项所述的透明硬脆材料微通孔阵列的快速制备系统，该方法包括如下步骤：

9、s1、将透明硬脆材料置于三维运动平台上，调整激光光路，使激光器发射的高斯光束依次经过光束转换单元、aod单元、远心单元和聚焦单元后聚焦在透明硬脆材料的表面；

10、s2、aod单元按照预先编辑的加工路径进行扫描，完成当前加工点的微孔制备，之后三维运动平台带动透明硬脆材料运动，使下一个加工点位于激光束的焦点处；重复上述的扫描加工步骤，直至完成整个微孔阵列的加工。

11、作为实施方式之一，所述远心单元包括4f组件，以及物方远心组件和/或像方远心组件；所述4f组件包括沿光路方向依次设置的第一透镜、第一孔径光阑和第二透镜；在步骤s1之前，根据系统的工作参数，确定存在的像差类型，并根据像差类型，确定远心单元的结构：

12、当像差类型仅为慧差时，在远心单元的4f组件与aod单元之间的光路上设置物方远心组件；

13、当像差类型存在球差时，在远心单元的4f组件与aod单元之间的光路上设置物方远心组件，在4f组件与聚焦单元之间的光路上设置像方远心组件，且物方远心组件与像方远心组件对称布置；

14、当像差类型存在像散时，在远心单元的4f组件的第二透镜的出光侧设置第三透镜。

15、作为实施方式之一，在确定远心单元的结构后，根据远心单元的输入准直光斑大小和输出准直光斑大小，确定远心单元中各透镜的焦距，结合透镜的类型及通光孔径，确定各透镜的型号。

16、作为实施方式之一，所述aod单元按照预先编辑的加工路径进行扫描，完成当前加工点的微孔制备，之后三维运动平台带动透明硬脆材料运动，使下一个加工点位于激光束的焦点处，包括：

17、控制系统接收到开始信号后，分别向激光器、aod单元以及三维运动平台发送控制信号，激光器接收到高平信号并开始出光，三维运动平台接收到低平信号并保持不动，aod单元接收到高平信号并按照预先编辑的加工路径进行扫描，完成当前加工点的微孔制备；

18、之后aod单元和激光器由高电平信号转变为低电平信号，激光器同时停止出光，控制系统接收到低电平信号后向三维运动平台发送高电平信号，三维运动平台接收到高电平信号后带动透明硬脆材料运动，使下一个加工点位于激光束的焦点处。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明中激光器产生的高斯光束经光束转换单元转换为贝塞尔光束后，由aod单元带动进行高速、高精度偏转扫描，配合三维运动平台的进给运动，从而实现透明硬脆材料微通孔阵列的快速、高精度制备；通过在aod单元和聚焦单元之间的光路上增设远心单元，将aod单元任意偏转角度下出射的贝塞尔光束准直为平行光束，确保聚焦单元入射光束的锥角恒定，从而使全扫描视场内的光束焦深长度保持一致，同时有效消除aod光束偏转和光路传输过程中引入的像差，在全视场范围内形成焦深均匀、形态规整、稳定性高的长焦深贝塞尔聚焦光束，从而保障透明硬脆材料微通孔阵列加工的一致性与精度。