通过以圆形和螺旋形轨迹精确移动定时激光脉冲来加工孔的方法技术

从样本高速移除材料，所述光束定位器用于沿各种圆形（５０）和螺旋形（７０，９０，１１０）激光工具图案引导激光束轴。材料移除的优选方法需要促成光束轴和样本之间的相对移动，以进入段加速度并沿着进入轨迹（１８，５２）引导光束轴到所述样本内的进入位置点（１６，５４），激光束脉冲发射（５８）在所述进入位置被启动，在所述样本内以圆形周界加速度移动光束轴以沿样本的圆周段（４０）移除材料，以及将进入段加速度设置为小于圆形周界加速度的两倍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本
涉及激光，更具体地涉及采用激光束在各种样本材料中快速加工孔的方法。
技术介绍
电子电路的复杂度持续增加而同时尺寸和成本却在缩减。由此引起的电路密度的增加产生了对高密度集成电路、混合电路和ECB生产量的巨大需求。现有技术人员已经采用成组的机械钻和冲头在ECB中加工孔，但孔直径大于规范规定的新的孔直径。此外，机械钻孔法是慢速的、易于工具划伤的，并且限于钻所谓的“贯通”孔。最近，基于激光的钻孔法已经发展到可每次加工二百个非常微小的孔(称作“微通孔”或“通孔”)，这些孔通常终止于ECB内的导体层上。对于一些钻孔应用，高斯分布的激光束被用来加工材料，并且该光束具有的直径明显小于被钻孔的直径。因此，激光束必须被移动以切掉所述孔或切除其整个区域。运动类型和对运动的约束直接影响钻孔所花的时间，从而影响激光系统产量。现有技术人员具有带所谓的“环钻(trepan)”和“螺旋形”运动图案的激光钻孔，所述运动图案通常被称作“工具”。环钻加工开始于孔中心，然后迅速移动到孔周界并且在迅速返回中心之前以设定的重复次数环绕周界来转动光束。螺旋加工开始于孔中心，迅速移动到内径，然后以设定的旋转次数转动光束定位器，逐渐增加直径直到达到孔周界。激光束的移动可通过各种激光束定位系统实现，例如型号Model 53XX系列的工件加工系统，它由俄勒冈州Portland的ElectroScientific Instruments，Inc.公司制造，该公司是本专利申请的受让人。现有环钻和螺旋激光钻孔法呈现出至少如下所述的九个问题 1.现有工具图案导致对定位器系统的过度加速度限制。现有技术穿孔需要环绕正被加工的孔周界以圆周运动移动激光束。本领域技术人员知道圆周运动的径向加速度等于v2/R，其中v是工具速度，且R是圆周运动的半径。在将工具定位到孔中心之后，为穿孔加上一初始移动段，所述初始移动段在孔中心和圆周运动的开始处之间以平滑的方式过渡以限制工具加速度和加加速度(jerk)(加速度的变化率)。在现有技术穿孔中，初始移动段所需的加速度是2v2/R，其是圆周运动所需加速度的两倍。此外，需要双倍加速度的运动轴与执行半工持续时间加速度脉冲的轴是同一轴，从而导致比圆周运动所需的大四倍的加加速度分布(profile)。激光束定位系统加速度受到限制，这是因为在两倍伺服频率处需要两倍的电机电流。2.现有螺旋形工具图案被限于向外盘旋，这限制了可被加工的材料类型。3.现有环钻和螺旋形工具需要非常耗时的多个步骤以螺旋形和反复的周界运动来加工孔。执行多个步骤需要光束定位器实行一般移动算法(generic move algorithm)，该算法需要至少两个加速度脉冲以在各步骤之间将工具移回至孔中心。4.如果从高加速度恢复需要光束定位器置位时间(settlingtime)，那么从前一孔高速度移出，所述置位时间是通过移动至下一孔目标位置的恒定工具速度实现的，这限制了可用的光束定位器运动范围。当采用基于检流计的光束定位器时，该运动范围是重要的。5.如上所描述的置位时间技术同样未能将光束定位器固定在稳态孔加工频率，当振荡圆周运动开始时这导致了瞬态运动响应。6.当需要螺旋形工具的多次重复以从各种进入角接近孔时，现有工具图案是过度慢速的。现有光束定位器方法采用了如上描述的一般移动算法，该算法需要至少两个加速度脉冲以在各重复之间返回至孔中心。7.现有环钻工具图案可能导致材料的不均匀移除。这是因为当光束从孔中心移动至周界并再次退回时激光束能量被集中在孔的一个象限中。8.现有螺旋形和环钻工具没有将激光触发信号的定时与光束定位器运动同步，这就导致因典型的Q开关激光器根据指令不产生第一个脉冲而遗漏了第一个孔加工脉冲。9.用于在周界处以多次重复过程钻孔的现有环钻工具图案，基本上环绕孔周界重叠激光脉冲，并因此导致材料的不均匀移除。因此，仍然所需的是较低成本的、较高产量的工件加工机器，所述工件加工机器具有在各种工件材料(例如，实际上任何印刷线路板材料，不管是刚性的或柔性的、包铜的或无掩蔽的、纤维增强的或均匀的树脂电介质的)中生产较小的、高质量孔的工具图案。工件材料还可包括陶瓷衬底和硅衬底，例如那些在半导体器件中所采用的材料。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种以可指定的光束定位器加速度来开始和结束圆周钻孔运动的方法。另一目的是提供用于产生各种新工具图案的方法。进一步的目的是提供一种用于调节工具图案参数以实现孔材料均匀移除的方法。另一目的是提供一种用于控制激光激发(firing)图案和定时以用于进行工件加工的方法。另一目的是提供一种用于同步激光激发和工件上的任意工具位置点的方法。如下实施例产生用于操作激光束定位器和定时相关激光激发指令的工具图案移动指令。如下方面通过一些编号来标识，所述编号匹配用于标识上述作为背景信息的相应问题的编号。1.优选的工具图案减少了由从孔中心外靠近孔位置而引起的光束定位器加速度和加加速度的问题。在靠近移动过程中，移动段，被称作dt/2段，其具有的持续时间等于圆周段持续时间的一半且具有零加速度。该靠近移动导致少得多的伺服错误。因为工具速度被可用加速度的平方根约束，所以如果不被其它因素约束，则该孔靠近方法可使工具速度提高41％。来自dt/2段的高加速度移除同样允许增加最大圆周振动频率而同时维持钻孔质量。钻孔时dt/2段加速度与圆周加速度的比率被定义为因子α。当α增加时，初始孔位置点朝向孔中心移动，α＝2代表现有技术的启动位置点。对于α＝0，dt/2段具有优选的零相对加速度。2.工具图案支持向外盘旋、向内盘旋以及组合的向外和向内盘旋，所有这些都可被执行而不用在移动段之间关闭激光脉冲发生。向内盘旋常常更适用于加工玻璃增强材料，例如非均匀(nonhomogeneous)的玻璃增强蚀刻电路板材料。3.工具图案可在单个步骤中执行螺旋形和反复的周界加工而不关闭激光脉冲发生。4.定位器置位时间是用户可设定的且被光束定位器用于跟踪将被加工的初始孔直径的圆周路径，所述跟踪并不会限制光束定位器的范围。5.上述的置位时间增加还引起当光束定位器振荡时置位的发生，所以从快速定向(slewing)到振荡运动的过渡都在置位时而不在加工时发生。6.工具图案采用一种用于处理所述工具的多次重复的改进方法。这个方法不以一般移动(generic move)来结束圆周运动而建立下一次重复，而是保持相切但是关闭激光脉冲发生，定位器轴之间具有90度的相位差。这导致圆周运动连续进行而移动段持续时间被调整直到达到下一工具重复的进入条件。现有方法需要各重复之间的激光关闭时间，该关闭时间等于初始重复的旋转(revolution)时间的四分之一加上一般移动时间，加上下一重复的旋转时间的四分之一。该方法至多需要初始重复的旋转时间的四分之一加上最少钻孔时间(drill-Tmin)，加上下一工具重复的旋转时间的四分之一。由于所采用的是小幅运动，所以最小drill-Tmin小于一般移动时间Tmin。此外，当下一重复的进入角相对初始重复的退出角偏移180度时，所需的激光关闭时间仅是初始重复的旋转时间的四分之一加上下一重复的旋转时间的四分之一。7.当工具图案被用于仅在周界环绕(circle-at-perime本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过激光工具的操作实现从样本的目标区域高速移除材料的方法，所述目标区域具有基本呈圆形的目标周界，所述目标周界由延伸穿过目标中心的目标直径限定，并且所述激光工具限定一光束轴，激光束沿所述光束轴传播，所述激光束在所述目标区域限定激光光点，该激光光点具有的直径小于所述目标直径，所述方法包括：促成所述光束轴和所述目标区域之间的相对运动，以将所述光束轴引导到所述目标区域中的选定位置或所述目标区域中且靠近所述目标区域的选定位置，从而实现从所述目标区域的移除材料的过程；以进入段加速度并沿着进入轨迹引导所述光束轴到所述目标区域内的进入位置点，所述进入位置点对应一个位置，该位置处所述激光束的发射在所述目标区域之上被启动；以圆形周界加速度在所述目标区域内移动所述光束轴以定位所述激光光点，从而沿所述目标周界的圆周段移除材料；以及设定所述进入段加速度和圆形周界加速度的值，以使所述进入段加速度的值小于所述圆形周界加速度的值的两倍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RM派耶索普，W雷，H马楚莫托，G西门森，DA瓦特，MA昂若斯，WJ乔丹斯，
申请(专利权)人：电子科学工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]