激光加工装置及激光加工方法与流程

激光加工装置及激光加工方法
1.本技术主张基于2021年2月22日申请的日本专利申请第2021-026332号的优先权。该日本技术的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
2.本发明涉及一种激光加工装置及激光加工方法。


背景技术：

3.已知有一种使用激光束进行开孔加工的激光加工装置(参考专利文献1)。在专利文献1中公开的激光加工装置中，使用声光偏转器(aod)从来自激光振荡器的脉冲激光束中切出一部分激光并使所切出的激光脉冲入射到加工对象物。
4.专利文献1：日本特开2015-186822号公报
5.从激光振荡器输出的脉冲激光束的峰值功率有时根据振荡条件而变化。例如，根据激光振荡器，峰值功率根据从开始振荡后的经过时间而显示出下降的倾向。并且，若脉冲的重复频率变高，则峰值功率有时显示出下降的倾向。若峰值功率发生变动，则加工品质会发生偏差。
6.并且，在连续波激光束中，峰值功率有时也根据从开始振荡后的经过时间而显示出下降的倾向。若连续波激光束的功率发生变动，则加工品质会发生偏差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种即使从激光振荡器输出的激光束的功率发生变动也能够抑制加工品质的下降的激光加工装置及激光加工方法。
8.根据本发明的一观点，提供一种激光加工装置，其具备：
9.激光振荡器；
10.光开关元件，从输出自所述激光振荡器的激光束中切出时间轴上的一部分激光束并使其朝向对象物；及
11.控制装置，根据从所述激光振荡器输出的激光束的功率而改变所述光开关元件的透射率。
12.根据本发明的另一观点，提供一种激光加工方法，其中，
13.使激光束入射到光开关元件，从而切出时间轴上的一部分激光束并使其朝向对象物，
14.根据入射到所述光开关元件的激光束的功率而改变所述光开关元件的透射率，从而调整入射到所述对象物的激光束的功率。
15.通过根据从激光振荡器输出的激光束的功率而改变光开关元件的透射率，能够调整入射到对象物的激光束的功率。通过透射率的调整，能够补偿从激光振荡器输出的激光束的功率的变动。
附图说明
16.图1是基于一实施例的激光加工装置的概略图。
17.图2是表示光开关元件的输入侧的脉冲激光束的波形、以模拟信号的形式进行指示的衍射效率的值、以数字信号的形式进行指示的切出时刻及光开关元件的输出侧的脉冲激光束的波形的一例的图表。
18.图3是表示光开关元件的输入侧的脉冲激光束的脉冲能量、输出侧的脉冲激光束的脉冲能量及光开关元件的衍射效率的时间变化的一例的图表。
19.图4a及图4b是表示控制装置改变衍射效率的基础信息的一例的图表。
20.图5a是表示基于另一实施例的激光加工装置的脉冲的重复频率与峰值功率之间的关系的一例的图表，图5b是表示用于控制装置控制光开关元件的衍射效率的基础信息的图表。
21.图6是表示光开关元件的输入侧的脉冲激光束的概略波形、以模拟信号(图1)的形式进行指示的光开关元件的衍射效率及输出侧脉冲激光束的概略波形的图表。
22.图7是表示基于又一实施例的激光加工装置的控制装置为了控制光开关元件的衍射效率而使用的基础信息的图表。
23.图8a是表示定义在对象物的表面上的多个被加工点的分布的一例的图，图8b是表示多个被加工点的加工顺序的一例的图。
24.图中：10-激光振荡器，11-光束整形光学系统，12-光圈，13-光开关元件，14-驱动器，21-光束截止器，22-反射镜，25-光束扫描器，25x、25y-摆动反射镜，26-聚光透镜，27-工作台，28-测量器，30-控制装置，41、42-光开关元件的输入侧的激光脉冲，43、44-由光开关元件切出的激光脉冲，50-对象物，51-对准标记，52-扫描区域，53-被加工点。
具体实施方式
25.参考图1～图4对申请发明的一实施例的激光加工装置进行说明。
26.图1是基于一实施例的激光加工装置的概略图。激光振荡器10根据来自控制装置30的指令而输出脉冲激光束。作为激光振荡器10，例如使用二氧化碳激光器。从激光振荡器10输出的脉冲激光束经由光束整形光学系统11后输入到光圈(aperture)12。光束整形光学系统11例如为光束扩展器等，其调整脉冲激光束的光束直径及束散角。
27.通过了光圈12的脉冲激光束入射到光开关元件13。作为光开关元件13，例如使用声光偏转元件。驱动器14根据来自控制装置30的指令而驱动光开关元件13。光开关元件13从输入过来的脉冲激光束p1中切出时间轴上的一部分激光束并使所切出的脉冲激光束p2朝向对象物50。入射到光开关元件13的脉冲激光束p1中的未被切出的部分入射到光束截止器21。
28.作为一例，从控制装置30向驱动器14赋予指示衍射效率的模拟信号am和指示激光束的切出时刻的数字信号dm。在指示切出时刻的数字信号dm为高电平的期间，脉冲激光束分配到朝向对象物50的路径，而在其他期间，脉冲激光束输入到光束截止器21。根据指示衍射效率的模拟信号am设定光开关元件13的衍射效率。衍射效率相当于光开关元件13的输出侧的脉冲激光束p2的功率与输入侧的脉冲激光束p1的功率之比。因此，衍射效率可以认为是朝向对象物50的脉冲激光束的透射率。
29.由光开关元件13切出的脉冲激光束p2经由反射镜22、光束扫描器25及聚光透镜26入射到对象物50。作为光束扫描器25，使用包括一对摆动反射镜25x、25y的加尔瓦诺扫描仪。光束扫描器25在控制装置30的控制下使对象物50的表面上的脉冲激光束的入射位置在二维面内移动。聚光透镜26将脉冲激光束聚光在对象物50的表面。作为聚光透镜26，例如使用fθ透镜。
30.对象物50例如为进行开孔加工的印刷基板，其保持于工作台27的水平支承面上。工作台27根据来自控制装置30的指令而使对象物50在与支承面平行且相互正交的两个方向上移动。
31.在工作台27上安装有测量器28。通过使工作台27移动而使脉冲激光束入射到测量器28，测量器28能够测量出脉冲激光束的每1脉冲的能量(以下，称为“脉冲能量”)或峰值功率。测量器28的测量结果输入到控制装置30。
32.图2是表示光开关元件13的输入侧的脉冲激光束p1的波形、以模拟信号am的形式进行指示的衍射效率的值、以数字信号dm的形式进行指示的切出时刻及光开关元件13的输出侧的脉冲激光束p2的波形的一例的图表。另外，图2所示的脉冲激光束p1的两个激光脉冲41、42的波形是将实际波形简化表示的波形。
33.从激光振荡器10输出的脉冲激光束的峰值功率因各种原因而变动。在图2中，示出了激光脉冲41的峰值功率大于激光脉冲42的峰值功率的例子。在从激光脉冲41的上升(t1)至下降(t4)为止的期间以模拟信号am的形式进行指示的衍射效率m1低于在从激光脉冲42的上升(t5)至下降(t8)为止的期间指示的衍射效率m2。
34.在从激光脉冲41的上升至下降为止的期间中的一部分期间(t2～t3)及从激光脉冲42的上升至下降为止的期间中的一部分期间(t6～t7)，数字信号dm成为高电平。在数字信号dm成为了高电平的期间，输出朝向对象物50(图1)的脉冲激光束p2。脉冲激光束p2包括分别从激光脉冲41、42切出的激光脉冲43、44。
35.所切出的激光脉冲43、44的峰值功率分别成为原来的激光脉冲41、42的峰值功率乘以衍射效率m1、m2的大小。若适当设定衍射效率m1、m2，则能够使所切出的激光脉冲43、44的峰值功率大致相同。
36.激光脉冲41、42、43、44的波形的面积相当于脉冲能量。在激光脉冲41、42的脉冲宽度相等的情况下，激光脉冲41的脉冲能量大于激光脉冲42的脉冲能量。由于所切出的激光脉冲43、44的峰值功率大致相等，因此，在两者的脉冲宽度相等的情况下，两者的脉冲能量也变得大致相等。如此，通过根据输入侧的脉冲激光束p1的峰值功率而改变衍射效率，能够使所切出的脉冲激光束p2的脉冲能量均匀化。
37.接着，参考图3对将脉冲的重复频率设为恒定并输出脉冲激光束一定期间时的光开关元件13的控制方法进行说明。
38.图3是表示光开关元件13(图1)的输入侧的脉冲激光束p1的脉冲能量、输出侧的脉冲激光束p2的脉冲能量及光开关元件13的衍射效率的时间变化的一例的图表。
39.在从时刻t11至t12为止的期间及从时刻t13至t14为止的期间，脉冲激光束p1以恒定的频率输出。从时刻t12至t13为止的期间不输出脉冲激光束。激光振荡器10(图1)具有脉冲能量根据从脉冲激光束p1的输出开始时刻t11、t13起的经过时间而变动的特性。例如，脉冲能量从脉冲激光束p1的输出开始时刻起随着时间的经过而下降。
40.控制装置30(图1)向驱动器14(图1)发出从脉冲激光束p1的输出开始时刻(t11、t13)起随着时间的经过而提高光开关元件13的衍射效率的指令。更具体而言，控制装置30以使所切出的脉冲激光束p2的脉冲能量大致恒定的方式改变衍射效率。用于改变衍射效率的基础信息预先存储于控制装置30的存储器。由此，在从时刻t11至t12为止的期间及从时刻t13至t14为止的期间，脉冲激光束p2的脉冲能量变得大致恒定。
41.图4a是表示用于控制装置30改变衍射效率的基础信息的一例的图表。图4a所示的基础信息对从脉冲激光束p1的输出开始时刻起的经过时间与衍射效率之间的关系进行了定义。图4a的横轴表示从脉冲激光束p1的输出开始时刻起的经过时间，纵轴表示衍射效率。在激光振荡器10(图1)具有峰值功率随着经过时间的增加而下降的特性的情况下，在基础信息中，随着经过时间的增加而提高衍射效率，以补偿峰值功率的下降。例如，衍射效率随着经过时间的增加而由初始值dini逐渐接近光开关元件13(图1)的最大衍射效率dmax。
42.图4b是表示用于控制装置30改变衍射效率的基础信息的另一例的图表。图4b所示的基础信息对标注于从脉冲激光束p1的输出开始时刻起依次输出的激光脉冲的编号与衍射效率之间的关系进行了定义。图4b的横轴表示标注于激光脉冲的编号，纵轴表示衍射效率。在基础信息中，随着编号的增加而提高衍射效率，以补偿峰值功率的下降。例如，衍射效率随着标注于激光脉冲的编号变大而由初始值dini逐渐接近光开关元件13的最大衍射效率dmax。
43.在图4a及图4b中，以图表形式示出了基础信息，但实际上，对经过时间或激光脉冲的编号与衍射效率之间的关系进行定义的信息以表格形式存储于控制装置30的存储器中。
44.接着，对定义图4a及图4b所示的基础信息的方法进行说明。首先，将光开关元件13的衍射效率固定于某一值，并从激光振荡器10(图1)输出脉冲激光束，用测量器28(图1)测量脉冲能量。根据该测量结果可知与脉冲能量的变动有关的激光振荡器10的特性。以补偿该脉冲能量的变动的方式对基础信息进行定义即可。
45.接着，对上述实施例的优异效果进行说明。
46.在上述实施例中，通过调整光开关元件13的衍射效率来补偿从激光振荡器10输出的脉冲激光束的脉冲能量的经时变化。由此，能够抑制对象物50的表面上的脉冲能量的变动，从而能够抑制加工品质的下降。
47.而且，在上述实施例中，使用从脉冲激光束切出加工用激光脉冲的光开关元件13来补偿脉冲能量的变动。因此，无需追加设置用于补偿脉冲能量的变动的新的光学元件。
48.接着，对图1～图4b所示的实施例的变形例进行说明。
49.在上述实施例中，激光振荡器10输出脉冲激光束，但在本变形例中，激光振荡器10输出连续波(cw)激光束。激光振荡器10具有连续波激光束的功率根据从输出开始时刻起的经过时间而变动的特性。控制装置30根据从连续波激光束的输出开始时刻起的经过时间而改变光开关元件13的衍射效率来补偿连续波激光束的功率的变动。如此，通过调整光开关元件13的衍射效率，能够抑制连续波激光束的功率的经时变化。
50.接着，参考图5a～图6对基于另一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于图1～图4b所示的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
51.本实施例中的激光加工装置中使用的激光振荡器10具有脉冲激光束的峰值功率根据脉冲的重复频率而变动的特性。
52.图5a是表示脉冲的重复频率与峰值功率之间的关系的一例的图表。峰值功率随着脉冲的重复频率变高而下降。控制装置30调整光开关元件13的衍射效率，以补偿与脉冲的重复频率相对应的峰值功率的变动。
53.图5b是表示用于控制装置30控制光开关元件13的衍射效率的基础信息的图表。横轴表示脉冲的重复频率，纵轴表示衍射效率。随着脉冲的重复频率变高而提高衍射效率，以使其逐渐接近光开关元件13的最大衍射效率dmax。通过如此控制衍射效率，脉冲激光束p1的峰值功率及脉冲能量的变动得到补偿。
54.图6是表示光开关元件13的输入侧的脉冲激光束p1的概略波形、以模拟信号am(图1)的形式进行指示的光开关元件13的衍射效率及输出侧脉冲激光束p2的概略波形的图表。在图6中，用一条直线表示脉冲激光束p1、p2的一个激光脉冲。
55.在从时刻t21至t24为止的期间，激光振荡器10(图1)输出脉冲激光束。从时刻t11至t22为止的期间、从时刻t22至t23为止的期间及从时刻t23至t24为止的期间的脉冲的重复频率分别为f1、f2、f3。频率f1最高，频率f3最低。激光振荡器10具有图5a所示的特性，因此从时刻t11至t22为止的期间的脉冲激光束p1的峰值功率最低，从时刻t23至t24为止的期间的脉冲激光束p1的峰值功率最高。
56.控制装置30根据图5b所示的基础信息而改变光开关元件13的衍射效率。即，将从时刻t11至t22为止的期间的衍射效率设为最高，将从时刻t23至t24为止的期间的衍射效率设为最低。
57.由光开关元件13切出的输出侧的脉冲激光束p2的峰值功率在从时刻t21至t24为止的期间大致恒定。由此，入射到对象物50的脉冲激光束p2的脉冲能量与脉冲的重复频率无关地大致恒定。
58.接着，参考图7对基于又一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于图1～图6所示的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
59.图7是表示基于本实施例的激光加工装置的控制装置30为了控制光开关元件13的衍射效率而使用的基础信息的图表。在图1～图4b所示的实施例中，作为用于控制光开关元件13的衍射效率的基础信息，定义了从输出开始时刻起的经过时间或标注于激光脉冲的编号与衍射效率之间的关系(图4a及图4b)。在图5a～图6所示的实施例中，作为用于控制光开关元件13的衍射效率的基础信息，定义了脉冲的重复频率与衍射效率之间的关系(图5b)。
60.相对于此，在本实施例中，作为基础信息，定义了脉冲的重复频率及标注于激光脉冲的编号这两者与衍射效率之间的关系。一个编号及一个频率的组合分别定义有一个衍射效率。若着眼于一个频率，则与图4b所示的基础信息同样地，随着激光脉冲的编号变大而提高衍射效率。若着眼于一个编号，则与图5b所示的基础信息同样地，随着脉冲的重复频率变高而提高衍射效率。
61.接着，对图7所示的实施例的优异效果进行说明。
62.在本实施例中，能够补偿与从激光振荡器10(图1)的脉冲激光束的输出开始时刻起的经过时间相对应的峰值功率的变动及因脉冲的重复频率引起的峰值功率的变动这两者，从而能够抑制入射到对象物50的脉冲激光束的脉冲能量的变动。
63.接着，参考图8a及图8b对基于又一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于图1～图7所示的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
64.图8a是表示定义在对象物50的表面上的多个被加工点53的分布的一例的图。在图8a中，仅示出了多个被加工点53中的一部分。对象物50为印刷基板，被加工点53表示应开孔的位置。对象物50的形状为长方形。
65.在对象物50的四个角上分别设置有对准标记51。在对象物50的表面上定义有多个被加工点53。在图8a中用圆形记号示出了被加工点53，但实际上在对象物50的表面上并没有标有任何标记，而是定义了多个被加工点53的位置的位置数据存储于控制装置30中。
66.在对象物50的表面上定义有多个扫描区域52。各个扫描区域52的形状为正方形，其大小与使光束扫描器25(图1)动作从而能够使脉冲激光束的入射位置移动的范围的大小大致相等。多个扫描区域52配置成，对象物50上的所有被加工点53包含于任一扫描区域52内。有时存在多个扫描区域52局部重叠的情况，有时还存在被加工点53未分布的区域中未配置有扫描区域52的情况。位于多个扫描区域52重叠的区域的被加工点53属于任一个扫描区域52中，该被加工点53在对被加工点53所属的扫描区域52进行加工时进行加工。
67.在对对象物50进行加工时，使对象物50的一个扫描区域52移动至聚光透镜26(图1)的正下方。通过将脉冲激光束的入射位置依次定位在配置于聚光透镜26的正下方的扫描区域52内的多个被加工点53，对该扫描区域52进行加工。若一个扫描区域52的加工结束，则使工作台27(图1)动作而使下一个应加工的扫描区域52移动至聚光透镜26正下方。在对一个扫描区域52进行加工的过程中，工作台27静止。在图8a中，用箭头示出了扫描区域52的加工顺序。
68.图8b是表示多个被加工点53的加工顺序的一例的图。多个被加工点53上标有编号。使光束扫描器25(图1)进行动作以使脉冲激光束按编号顺序入射到多个被加工点53，从而对一个扫描区域52进行加工。在图8b中，用箭头示出了多个被加工点53的加工顺序。被加工点53的加工顺序例如确定为使脉冲激光束的入射位置的移动路径变得最短。
69.对一个被加工点53进行加工之后到使脉冲激光束的入射位置移动至下一个应加工的被加工点53所需时间取决于两个被加工点53之间的距离。在两个被加工点53之间的距离长时，激光脉冲的时间间隔变长。换言之，脉冲的重复频率会降低。因此，在对被加工点53密集分布的扫描区域52进行加工时，与对被加工点53的分布稀疏的扫描区域52进行加工时相比，能够提高脉冲的重复频率。如此，加工中使用的脉冲激光束的优选的脉冲重复频率在每个扫描区域52中不同。
70.在图8a所示的例子中，与第1个加工的扫描区域52相比，被加工点53更密集分布于第2个加工的扫描区域52中。因此，将第2个加工的扫描区域52的加工中使用的脉冲激光束的脉冲重复频率f1设为高于第1个加工的扫描区域52的加工中使用的脉冲激光束的脉冲重复频率f2。
71.如此，将脉冲激光束的脉冲的重复频率在每个扫描区域52中设定为最佳值来进行加工。此时，像图5b或图7所示的实施例那样，根据脉冲的重复频率而调整光开关元件13的衍射效率。
72.接着，对图8a及图8b所示的实施例的优异效果进行说明。在本实施例中，即使使每个扫描区域52中的脉冲的重复频率设为不同，也能够以大致恒定的脉冲能量进行加工。因此，能够抑制因脉冲能量的偏差而引起的加工品质的下降。
73.接着，对上述实施例的变形例进行说明。
74.在图1～图8b所示的实施例中，由光开关元件13切出并朝向对象物50的激光束的路径为一个，但也可以朝向光开关元件13的衍射角不同的两个路径上传输脉冲激光束。例如，可以从输入侧的脉冲激光束p1的一个激光脉冲中切出朝向一个路径的激光脉冲和朝向另一个路径的激光脉冲。在该情况下，通过控制衍射效率，也能够使所切出的激光脉冲的峰值功率及脉冲能量大致恒定。
75.并且，在上述实施例中，作为光开关元件13，使用了声光偏转器，但也可以使用其他光学元件。例如，可以使用电光调制器(eom)和偏振光束分离器。
76.上述各实施例仅为示例，理所当然，在不同实施例中所示的结构可以进行部分置换或组合。多个实施例中的基于相同结构的相同的作用效果并不在各个实施例中逐次提及。而且，本发明并不仅限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改良、组合等，这对本领域技术人员而言是显而易见的。