一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统及钻孔方法，铣削钻孔系统包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块，实现了在同一个钻孔光学聚焦系统下，即激光聚焦与焦点切换模块，设置了空间组合激光焦点，在加工多层不同材料的薄片板时，不同特性的激光焦点，可以用来加工不同层材料，这样可以大幅度提高激光加工效率和激光加工品质，特别是在加工多层不同材料叠加的薄片板的盲孔钻孔时候，在盲孔最后一层激光破坏阈值低材料的铣削时，采用选择铣削激光焦点去除该材料，不用担心损伤下一层激光破坏阈值高材料，带来很好的工艺稳定区间，节省了加工时间提高了加工效率，获得很好的加工效果。

Multi layer material layered milling system and method based on space combination laser focus

The invention discloses a combination of laser focus multilayer material layered milling drilling system and drilling method based on drilling milling system including laser, laser milling milling window selection, laser beam combiner and laser focusing and focus switching module, realized in the same borehole optical focusing system, the laser focus and focus switch setting module, spatial combination of laser focus in the processing of different materials, multilayer sheet, laser focus with different characteristics, can be used for processing the different layers of materials, it can greatly improve the efficiency of laser processing and laser processing quality, especially when the blind hole drilling sheet processing multilayer material overlay, in milling the last layer of blind hole laser damage threshold of low material, the choice of cutting laser focus removal of the material, without fear of loss A layer of laser damage, high threshold material, bring a good process stability interval, save processing time, improve the processing efficiency, and get good processing effect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法
本专利技术涉及激光加工
，具体涉及一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法。
技术介绍
目前的紫外激光电路板盲孔钻孔，属于激光加工领域高难度领域，一般PCB板特别是柔性电路板，是多层材料叠加而成，激光需要在很小的维度(一般是10毫米以内)进行去除铜皮、铜皮下面的绝缘层，且不伤下一层的底铜，且要求孔壁光滑，表面铜皮不翘起，并要求高速钻孔。目前据了解所有的紫外激光PCB盲孔钻孔，在去除铜皮之间的绝缘层的时候，主要是去除聚酰亚胺等材料，都是采用激光焦点离焦的做法，即激光先聚焦在铜皮表面，去掉铜皮以后，激光焦点离开铜皮，采用离焦大光斑进行清除铜皮下面的绝缘层材料，由于离焦光斑峰值功率低，因此该离焦光斑仅仅去除绝缘层，不去除铜层，因此可以获得满意的盲孔。但是，由于激光离焦运动时间远远超过激光钻孔时间，因此，激光焦点离焦清除电路板绝缘材料层是一个非常低效但是无奈的办法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法，能够解决现有技术的缺陷和不足。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统，包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块；所述开窗铣削激光器，用于产生第一开窗铣削激光束，并入射激光合束器；所述选择铣削激光器，用于产生第一选择铣削激光束，并入射激光合束器；所述激光合束器，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。需要说明的是，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米，指的是所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的空间最大距离小于10毫米，只有开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点才构成空间组合激光聚焦焦点。只有激光焦点之间足够靠近，才能够在加工盲孔时候发挥最大的加工效率。需要说明的是，激光破坏阈值高材料，说明需要高峰值功率密度的激光脉冲聚焦进行加工；激光破坏阈值低材料，说明只需要满足激光破坏材料阈值的激光脉冲聚焦光斑进行加工即可，即低峰值功率激光器；本专利技术的有益效果为：多束激光通过同一激光聚焦系统聚焦，即多束激光均通过激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦，其中多束激光中开窗铣削激光束进行高速高精度微细光斑聚焦钻孔，对待加工工件中激光破坏阈值高材料进行铣削加工，多束激光中选择铣削激光束对待加工工件中激光破坏阈值低材料进行铣削加工。本专利技术采用不同特性的激光聚焦焦点对待加工工件的不同种类材料的加工层进行铣削加工，结合振镜扫描进行孔与孔之间加工切换等技术，实现高效高精度高质量激光钻孔，非常适合于对由多层材料组成的待加工工件的铣削加工。特别是在由多种不同激光破坏阈值材料构成的多层薄片板的盲孔应用中，采用不同峰值功率密度的激光焦点，高峰值功率密度的开窗铣削激光焦点进行大刀阔斧的开窗铣削加工，在加工到盲孔孔底最后一层的激光破坏阈值低材料时停下，否则高峰值功率密度的开窗铣削激光焦点很容易打穿孔底或者没有打穿孔底但孔底的激光破坏阈值低材料没有清理干净，直接影响后道工序的填空镀铜工序。采用申请技术方案，此时不需要再采用传统的方法，即让开窗铣削激光焦点离焦来加工盲孔孔底最后一层待加工的激光破坏阈值低材料，而是由选择铣削激光焦点进行轻松的选择性铣削这层材料，不担心会伤及孔底，因为选择铣削激光焦点的峰值功率不足以打坏盲孔孔底那层激光破坏阈值高材料，而选择铣削激光束的出光延时时间大约不到1微秒，如果采用激光焦点离焦方式，一般需要300毫秒才可以进行这一层材料的铣削加工，因此，本申请这种方案节省了大量的激光加工时间，此时不担心伤害盲孔孔底材料，稳定工艺参数区间大大扩宽。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以作如下改进。进一步的，所述开窗铣削激光器为短激光脉冲激光器，所述选择铣削激光器为长激光脉冲激光器，其中，长短是所述开窗铣削激光器与所述选择铣削激光器相对而言。如此选择的原因是，激光破坏阈值高材料需要采用高峰值功率激光器加工，因此所述开窗铣削激光器选择窄脉宽激光器，而激光破坏阈值低材料如果也采用高峰值功率激光器加工，非常容易产生大量等离子体，不但影响后续激光脉冲的进一步耦合到材料表面，而且带来大量热影响区(等离子体加热造成加工区域过热)，非常影响激光加工效率和效果，因此所述选择铣削激光器选择长脉宽激光器，可以非常好的避免等离子体的大量产生，非常有利于保障好的激光加工效率和效果。这就是对于多层材料的加工，采用空间组合激光聚焦焦点带来的好处，可以针对待加工材料的种类，选用不同的激光光源进行组合。进一步，所述离散度小于100微米，尽量减少所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点之间的空间距离，为所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点对同一个孔位加工节省空间移动时间，进而节省加工时间。进一步的，还包括光束整形器，所述光束整形器位于所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑；或者所述光束整形器位于所述开窗铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一开窗铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的开窗铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。所述光束整形器可以是微透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块；所述开窗铣削激光器，用于产生第一开窗铣削激光束，并入射激光合束器；所述选择铣削激光器，用于产生第一选择铣削激光束，并入射激光合束器；所述激光合束器，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。...

【技术特征摘要】
2016.09.23 CN 2016108459698;2016.09.23 CN 201621071.一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块；所述开窗铣削激光器，用于产生第一开窗铣削激光束，并入射激光合束器；所述选择铣削激光器，用于产生第一选择铣削激光束，并入射激光合束器；所述激光合束器，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。2.如权利要求1所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述开窗铣削激光器为短激光脉冲激光器，所述选择铣削激光器为长激光脉冲激光器。3.如权利要求1所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，还包括光束整形器；所述光束整形器位于所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点横向场强分布为平顶光斑或者准平顶光斑；或者所述光束整形器位于所述开窗铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一开窗铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的开窗铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。4.如权利要求3所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，在所述待加工工件表面，所述选择铣削激光聚焦焦点的光斑直径大于所述开窗铣削激光聚焦焦点的光斑直径。5.如权利要求4所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，还包括激光精细调制运动模块，所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间，用于对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。6.如权利要求5所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统，其特征在于，当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。7.如权利要求5或6所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光精细调制运动模块为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或折射棱镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜或其中任意两者或多者的组合；当所述激光精细调制运动模块为声光偏转器时，声光偏转器通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向；当所述激光精细调制运动模块为电光偏转器时，通过改变电光偏转器的驱动源的电压调节所述入射激光传输方向。8.如权利要求7所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光合束器为偏振合束元件或者为至少两个反射镜的组合。9.如权利要求8所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立国，
申请(专利权)人：张立国，
类型：发明
国别省市：湖北,42