一种激光精密加工设备及激光精密加工方法与流程

1.本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光精密加工设备及激光精密加工方法。


背景技术：

2.pcb(printed circuit board)是电子产品的重要元件，制作待加工件需要加工数量众多的微孔；目前工业上通常采用co2激光器进行待加工件钻孔，随着待加工件紧凑型发展，钻孔的深度和孔径逐渐变小，质量要求越来越高，co2激光器钻孔开始无法满足钻孔的深度和孔径的要求。同样对于多层或涂层材料，需要不伤及基材的加工，目前传统激光加工方法很难控制加工精度，因此亟需一种精密加工方法，实现类似pcb等多层材料的精密加工。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种激光精密加工设备及激光精密加工方法，旨在解决现有技术中传统加工方法无法实现多层材料精密加工的问题。
4.本发明实施例提供一种激光精密加工设备，包括：
5.脉冲激光发射器，用于发射强度可编程的激光脉冲串；
6.光学系统，设置于所述脉冲激光发射器的光束输出端，用于根据预设的成像比例对激光脉冲光束进行聚焦，形成具有预期加工效果的聚焦光斑；
7.振镜，设置于所述光学系统的光束输出端，用于调整所述聚焦光斑的扫描位置。
8.可选的：还包括光束变换装置，设置于所述脉冲激光发射器的光束输出端，用于接收所述脉冲激光发射器发射的激光脉冲串并进行空间光强分布变换。
9.可选的：所述脉冲激光发射器的光束输出端设置有一个或多个所述光束变换装置；其中，所述光束变换装置包括衍射光学器件、微透镜阵列和小孔光阑。
10.可选的：还包括移动平台，设置于所述振镜的光束输出端，用于放置待加工件，并通过聚焦光斑对所述待加工件进行加工。
11.可选的：还包括场镜，设置于所述振镜与所述移动平台之间，用于辅助聚焦形成聚焦光斑。
12.可选的：还包括扩束器，设置于所述脉冲激光发射器与所述光束变换装置之间，用于扩大所述激光脉冲串的光束直径。
13.可选的：还包括反射镜片，设置于所述脉冲激光发射器和所述移动平台之间，用于改变所述激光脉冲串的光路。
14.可选的：还包括光学透镜，设置于所述脉冲激光发射器和所述光学系统之间，用于对所述激光脉冲串的光斑大小进行调整，得到特定大小的高斯光斑。
15.可选的：所述脉冲激光发射器的波长为200nm～11μm，脉宽《100μs。
16.本发明实施例还提供一种采用如上所述的激光精密加工设备的激光精密加工方
法，包括：
17.第一次加工：控制脉冲激光发射器发射第一激光脉冲串，所述第一激光脉冲串对待加工件涂层或待处理层进行去除加工，以使所述涂层或待处理层的剩余部分为与所述待加工件的基材的贴合部分；
18.第二次加工：控制脉冲激光发射器发射第二激光脉冲串，所述第二激光脉冲串对所述涂层或待处理层的剩余部分进行去除加工；
19.其中，去除加工的步骤包括：控制脉冲激光发射器发射预设强度的激光脉冲串；光束变换装置对所述激光脉冲串进行空间光强分布变换，输出强度分布变换后的激光脉冲串；光学系统根据预设的成像比例对截取的所述激光脉冲串进行聚焦，形成聚焦光斑；经过振镜调整所述聚焦光斑的扫描位置，并投射至待加工件进行加工；所述待加工件放置于移动平台上，并通过所述聚焦光斑对所述待加工件进行加工。
20.本发明实施例提供了一种激光精密加工设备及激光精密加工方法，其中，所述激光精密加工设备包括：脉冲激光发射器、设置于所述脉冲激光发射器的光束输出端的光学系统以及设置于所述光学系统的光束输出端的振镜；其中，所述用于发射强度可编程的激光脉冲串；所述光学系统用于根据预设的成像比例对激光脉冲光束进行聚焦，形成具有预期加工效果的聚焦光斑；所述振镜用于调整所述聚焦光斑的扫描位置。本发明实施例利用光学系统对脉冲激光发射器发出的激光脉冲串进行聚焦，形成聚焦光斑，再利用振镜调整聚焦光斑的位置，从而进行精准加工。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例所提供的一种激光精密加工设备的连接关系示意图；
23.图2为本发明实施例所提供的一种激光精密加工设备的激光脉冲串的光束能量分布示意图；
24.图3为本发明实施例所提供的一种采用所述激光精密加工设备的激光精密加工方法的流程示意图；
25.图4为待加工件钻孔示意图；
26.图5为本发明实施例所提供的一种激光精密加工设备的小孔光阑截取光束能量示意图；
27.图6为本发明实施例所提供的一种激光精密加工设备的脉冲激光发射器的激光脉冲/脉冲组的脉冲示意图；
28.图7为本发明实施例所提供的两次加工所调制的激光脉冲组中的脉冲形态示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
31.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
32.下面请参见图1，本发明实施例提供的一种激光精密加工设备，包括：
33.脉冲激光发射器1，用于发射强度可编程的激光脉冲串；
34.光学系统3，设置于所述脉冲激光发射器1的光束输出端，用于根据预设的成像比例对激光脉冲光束进行聚焦，形成具有预期加工效果的聚焦光斑；
35.振镜4，设置于所述光学系统3的光束输出端，用于调整所述聚焦光斑的扫描位置。
36.在本实施例中，利用所述脉冲激光发射器1往所述光学系统3发射强度可编程的激光脉冲串，所述光学系统3根据预设的成像比例对激光脉冲光束进行聚焦，形成具有预期加工效果的聚焦光斑，并发送至所述振镜4，利用振镜4调整所述聚焦光斑的扫描位置。
37.其中，振镜4即两个电流表 指针绑x\y镜片，而振镜光斑数(10光斑、12光斑、20光斑等)就是说这个振镜4的面积能够反射多大的光束。振镜4的镜片越小，所能反射的光束就越小；振镜4的镜片越大，所能反射的光束就越大。但是，振镜4的镜片越大，那么振镜4的镜片的重量就越大，重量越大的东西运动的时候，惯性就越大，惯性越大必然导致我们振镜4的速度就快不起来。为了得到发散角更小的光束，就会使用大倍数扩束器，而使用大倍数扩束器，那么必然会出来大光束，大光束就一定要相应的振镜4来反射。
38.在一实施例中：还包括光束变换装置2，设置于所述脉冲激光发射器1的光束输出端，用于接收所述脉冲激光发射器1发射的激光脉冲串并进行空间光强分布变换。在本实施例中，所述光束变换装置2对所述激光脉冲串进行空间光强分布变换，使所述激光脉冲串的光束能量呈指定形状分布。
39.在一实施例中：所述脉冲激光发射器1的光束输出端设置有一个或多个所述光束变换装置3；其中，所述光束变换装置3包括衍射光学器件、微透镜阵列和小孔光阑。在本实施例中，所述所述光束变换装置3包括但不限于衍射光学器件、微透镜阵列和小孔光阑，在所述脉冲激光发射器1的光束输出端可以设置有所述衍射光学器件、微透镜阵列和小孔光阑中的一个或多个。
40.其中，所述衍射光学器件用于对所述激光脉冲串进行整形处理，以使所述激光脉冲串的光束能量呈平顶分布。在激光脉冲串入射至所述衍射光学器件后，所述衍射光学器件对所述激光脉冲串进行整形，使所述激光脉冲串的光束能量呈平顶分布。如图2所示，所述激光脉冲串的光束能量可以呈现高斯分布(a)、平顶分布(b)或者凹形分布(c)，若所述激光脉冲串的光束能量满足对待加工件的加工需求，则无需利用所述衍射光学器件对所述激光脉冲串的光束能量进行整形。
41.所述微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能。
42.所述小孔光阑用于对所述激光脉冲串进行截取，所述小孔光阑为圆形光阑、方形光阑或者不规则光阑，根据实际需求选择。结合图5所示，当激光脉冲串呈平顶光斑分布时，通过小孔光阑截取图中平顶光斑的中间部分e，得到适用的激光脉冲串。
43.在一实施例中：还包括移动平台5，设置于所述振镜4的光束输出端，用于放置待加工件，并通过聚焦光斑对所述待加工件进行加工。在本实施例中，将待加工件放置在移动平台5上，所述脉冲激光发射器1向所述移动平台5发射激光脉冲串，所述激光脉冲串经过所述光束变换装置2光学系统3和振镜4进行处理后形成聚焦光斑对所述移动平台5上的待加工件进行加工。由于所述脉冲激光发射器1、光束变换装置2、光学系统3以及振镜4的位置是固定的，因此从所述脉冲激光发射器1发射的激光脉冲串的光道是固定不变的，因此需要对所述移动平台5进行移动，从而调整所述待加工件的加工位置，以完成所有部位的加工需求。
44.在一实施例中，还包括场镜，设置于所述脉冲激光发射器1与所述移动平台5之间，用于辅助聚焦形成聚焦光斑。在本实施例中，所述场镜用于辅助聚焦形成聚焦光斑，在所述脉冲激光发射器1与所述移动平台5可以设置有一个或者多个所述场镜。在所述脉冲激光发射器1与所述移动平台5之间设置所述场镜具体是指：在所述脉冲激光发射器1、所述光束变换装置2、所述光学系统3、所述振镜4和所述移动平台5这5个器件中的其中两个相邻的器件之间设置一个或多个所述场镜。场镜即一种聚焦镜，也可以认定为在其焦距位置一个规定的平面内的每个点都是聚焦点的透镜。场镜有一个参数，叫入射光瞳，也叫入瞳。对于入瞳，要求场镜的入瞳≥振镜的光斑，如果场镜入瞳小于振镜的光斑，那么就有可能出现，打标到场镜边缘的时候，边缘会打标明显浅于中间位置，甚至出现能打到的范围会小于场镜标称的范围。
45.在一实施例中，还包括扩束器，设置于所述脉冲激光发射器1与所述光束变换装置2之间，用于扩大所述激光脉冲串。在本实施例中，所述扩束器在所述激光脉冲串入射时，将所述激光脉冲串的直径进行扩大。激光的束腰半径与发散角的乘积是一个定值，一束激光经过一个x倍的扩束器，其束腰半径增大x倍，但是光束的发散角缩小为原来的1/x，发散角小的激光光束，经过同样规格的聚焦镜，得到的聚焦点会更小。采用扩束器的优点如下：一、使聚焦效果更好，得到更小的聚焦光斑，倍数越大的扩束器出来的光经聚焦镜聚焦的效果更好；二、使能量均匀分散，使到达振镜片或者反射镜的能量密度降低，使振镜片或者45度反射镜片更耐用。
46.在一实施例中，还包括反射镜片，设置于所述脉冲激光发射器1和移动平台5之间，用于改变所述激光脉冲串的光路。在本实施例中，在所述脉冲激光发射器1发射激光脉冲串后，若所述光束变换装置2、光学系统3、振镜4和移动平台5与所述激光脉冲串之间具有一定的角度差异时，利用所述反射镜片将所述激光脉冲串进行折射，从而改变所述激光脉冲串的光路，使所述激光脉冲串可以准确入射至所述光束变换装置2、光学系统3、振镜4和移动平台5的激光入射端。
47.在一实施例中，还包括光学透镜，设置于所述脉冲激光发射器和所述光学系统之间，用于对所述激光脉冲串的光斑大小进行调整，得到特定大小的高斯光斑。在本实施例中，当所述激光脉冲串的光束能量呈现高斯分布，且满足对待加工件的加工需求时，在所述脉冲激光发射器和所述光学系统之间添加光学透镜，从而对所述激光脉冲串的光斑大小进行调整，得到特定大小的高斯光斑。
48.在一实施例中，所述脉冲激光发射器的波长为200nm～11μm，脉宽《100μs。在本实施例中，所述脉冲激光发射器1的参数范围为：波长200nm～11μm，脉宽《100ns，脉冲组内子脉冲频率》1mhz，脉冲组内脉冲数为1～10，脉冲组内脉冲能量》1uj，脉冲组频率》100hz。根据加工需求选择对应的参数进行加工，从而达到最优的加工效果。脉冲激光发射器的激光脉冲组的单个脉冲形态可调制，每一串脉冲的脉冲个数可设置，脉冲组中的脉冲与脉冲之间的间隔小于等于50ns，远小于普通脉冲激光器中脉冲与脉冲的间隔。
49.请参阅图3，图3为本发明实施例提供一种采用如上所述的激光精密加工设备的激光精密加工方法的流程示意图；该方法包括步骤s101～s103。
50.s101、第一次加工：控制脉冲激光发射器发射第一激光脉冲串，所述第一激光脉冲串对待加工件涂层或待处理层进行去除加工，以使所述涂层或待处理层的剩余部分为与所述待加工件的基材的贴合部分；
51.s102、第二次加工：控制脉冲激光发射器发射第二激光脉冲串，所述第二激光脉冲串对所述涂层或待处理层的剩余部分进行去除加工；
52.s103、其中，去除加工的步骤包括：控制脉冲激光发射器发射预设强度的激光脉冲串；光束变换装置对所述激光脉冲串进行空间光强分布变换，输出强度分布变换后的激光脉冲串；光学系统根据预设的成像比例对截取的所述激光脉冲串进行聚焦，形成聚焦光斑；经过振镜调整所述聚焦光斑的扫描位置，并投射至待加工件进行加工；所述待加工件放置于移动平台上，并通过所述聚焦光斑对所述待加工件进行加工。
53.在本实施例中，在进行第一次加工时，控制所述脉冲激光发射器连续发射多个较大脉冲能量的激光脉冲串，完成移动平台上的待加工件的90％以上的涂层或待处理层的去除工作，以使所述涂层或待处理层的剩余部分为与所述待加工件的基材的贴合部分，完成第一次加工；在进行第二次加工时，控制所述脉冲激光发射器连续发射多个较小脉冲能量的激光脉冲串(所述较小脉冲能量的激光脉冲串的能量密度略高于绝缘层的损伤阈值，而低于金属层的损伤阈值)对所述涂层或待处理层的剩余部分进行去除加工，完成所述待加工件的剩余涂层或待处理层的去除工作。
54.具体的，将待加工件置于移动平台上，并对待加工件进行第一次加工：调制脉冲组中每个脉冲的能量大小、脉冲间隔，控制脉冲激光发射器发射第一激光脉冲串，实现对待加工件上目标孔内的材料去除。一般情况下，第一次加工即可达到加工效果，如果因为特殊原因，例如孔较深，去除材料较多，或待加工件中采用了特殊的材料添加，导致第一次加工无法完全去除材料，则需要配置第二次加工；第二次加工：调制脉冲组中每个脉冲的能量大小、脉冲间隔，控制脉冲激光发射器发射第二激光脉冲串，实现对待加工件上目标孔内的剩余材料去除，脉冲组中单个脉冲能量远小于第一次加工中的参数，第一次加工和第二次加工的时间间隔很短，可达到百纳秒级的间隔，也可根据去除材料的量，适当增加间隔。两次加工不需要发生任何移动，在同一位置完成。两次加工所调制的激光脉冲组中的脉冲形态如图7所示。
55.在一具体应用场景中，如图4所示，利用上述激光精密加工设备对绝缘层d1为pi膜，金属层d2为铜的待加工件进行钻孔，钻孔上直径为d1(本场景中d1＝50um)，钻孔下直径为d2。根据上述绝缘层材料(pi膜)以及入口孔径的要求，选择合理的波长、脉宽、doe、成像比例、脉冲/脉冲组参数进行加工。具体如下：针对pi膜特性，选取脉冲激光发射器的激光波
长355nm，脉宽《5ns；光束变换装置选取衍射光学器件将高斯光斑整形为平顶光斑，直径约600um；设置光学系统的成像比例为10:1，即可在加工表面得到直径为50um的平顶光斑，再经过振镜调整所述聚焦光斑的扫描位置后，用以钻孔；进一步设置所述脉冲激光发射器的激光脉冲/脉冲组参数：如图6所示，每个脉冲组包含100个脉冲，前50个脉冲的单脉冲能量为100uj，后50个脉冲的单脉冲能量为50uj，脉宽《5ns,脉冲组内脉冲频率为20mhz，每个脉冲组能量为7.5mj，宽度5us，脉冲组频率为10khz，激光器平均功率为75w。
56.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
57.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。