用于横轴微机械加工的快速射束操纵制造技术

一种雷射处理系统包括：第一定位系统(1044)，其用于赋予射束轴沿着射束轨迹(1062)相对于工件(1060)的第一相对移动；处理器，其用于判定射束轴(1061)沿着复数个颤化列的第二相对移动；第二定位系统(1042)，其用于赋予第二相对移动；以及雷射源(1046)，其用于发射雷射射束脉冲。在主要雷射通过期间，可将具有个别地选择的能量的雷射射束脉冲引导至个别地选择的横向光点位置(5310)一次或多次来准许三维图案化。亦可将雷射射束脉冲按时间非依序次序引导至工件上之在空间上相同、重叠或非重叠的相邻光点区域位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于横轴微机械加工的快速射束操纵相关申请案的交互参照本申请为2015年2月27日申请的美国临时专利申请第62/126,420号的非临时申请案，该美国临时专利申请案的内容出于所有目的全部以引用方式并入本文中。版权声明2016ElectroScientificIndustries,Inc.本专利文件的揭示内容的一部分含有受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人传真复制本专利文件或专利揭示内容，如其出现在专利商标局专利档案或记录中，但在其他方面保留所有版权权利。37CFR§1.71(d)。
本专利是关于横轴雷射处理。
技术介绍
介电材料及导电材料的雷射处理通常用于在电子组件中烧蚀细微特征。举例而言，可对晶片封装基板进行雷射处理以便将来自半导体晶粒的信号依路由传递至球栅阵列或类似封装。经雷射处理的特征可包括信号迹线、接地迹线及微介层孔(用于在封装层之间连接信号迹线)。雷射直接烧蚀(LDA)将信号迹线及接地迹线并入于单一层上以便在减少晶片封装中的层数的同时紧密控制信号阻抗。此方法可要求较小特征尺寸及间隔(例如，约10微米(μm)至约25μm)，及每个封装的较长迹线长度(例如，约5米(m)至约10m)。为了经济地建构晶片封装，烧蚀此等特征的速度可非常高(例如，约1米/秒(m/s)至约10m/s)。可例如在约0.5秒(s)至约5s内处理某些封装以满足客户产出量目标。晶片封装的另一个有用特性可为，提供具有受控深度变化的相交迹线。举例而言，接地迹线可在整个图案中的若干个点处分支。在每个分支相交处，可用小于约+/-10％的所要深度变化对迹线进行烧蚀。通常，若将要在一个点处烧蚀两个沟槽，则烧蚀射束的双曝光将产生约100％的深度变化。晶片封装的另一个有用特性可为，在封装的不同部分处提供可变迹线宽度以控制阻抗或为层间连接介层孔提供衬垫。应在对主要迹线的高速处理的干扰有所减少或为最小的情况下提供迹线宽度控制。亦可能有用的是，在对用来改变特征的特性的时间有所减少或为最小的情况下高速处理任意大小及形状的特征。举例而言，特征可包括具有各种直径及/或侧壁锥度的微介层孔、正方形或矩形衬垫、对准框标及/或文数字记号。传统上，为了处理诸如微介层孔的特征，光学系统被设计来提供可变直径的整形强度轮廓(例如，平顶射束)，或纯粹地高斯射束。在改变雷射处理光点特性时，此等光学系统可具有显著的时间延迟(例如，约10毫秒(ms)至约10s)。其他问题与建造机器来满足上述处理参数相关。举例而言，迹线可归因于布线要求而在整个封装中改变方向。在高速处理迹线时，轨迹角度的变化可要求在非常短时间尺度下的较高射束位置加速度。雷射处理可容易超出射束定位器的动态极限，例如在以用于较高产出量的较高速度(例如，约1m/s至约10m/s)来运行时。此等加速度及/或速度可能难以在传统雷射处理机器中达成，该等机器依赖射束定位技术，诸如与反射镜电流计射束偏转器(在本文中称为“电流计”或“电流计反射镜”)相结合的线性级段，以及静态(或缓慢改变的)射束调节光学器件，该等光学器件不能在用于此类型处理的时间尺度(例如，大约为约1微秒(μsec)至约100μsec)下作出回应。实际烧蚀过程亦可为将要考虑的因素。具有较高峰值功率的雷射脉冲可用来烧蚀介电材料，同时使诸如熔化、裂化及基板损坏的热副效应最小化。举例而言，在约5兆赫(MHz)至约100MHz的重复率下具有在约20皮秒(ps)与约50ps之间的范围内的脉冲持续时间(脉冲宽度)的超快雷射可以较高峰值功率来处理材料，同时提供显著的脉冲重叠以避免脉冲间隔效应。光纤雷射现在通常在大于约500千赫(kHz)的重复率下提供奈秒区内的脉冲宽度。通常，对于给定处理条件(烧蚀深度及宽度)，施加至所处理材料的“剂量”(功率/速度)应为恒定的。然而，在低速度下，所施加功率可变得如此低以致于峰值脉冲功率可能不足以在不诱发热效应(例如，熔化及炭化)的情况下烧蚀材料。射束定位器设计可使用电流计来使处理射束偏转。处理射束在工件处的强度轮廓可为高斯轮廓(用于高斯射束的简单聚焦)，或对于藉由固定光学射束整形器调节的射束而言，为整形强度轮廓(例如，平顶轮廓)。雷射射束可大体上沿着切割路径、在切割方向上、沿着射束轴引导以便在工件中产生沟槽，该射束轴沿着射束轨迹相对于工件移动。通常，雷射脉冲在沿着射束轨迹的空间上邻近或重叠的位置处碰撞工件。空间上重叠的脉冲可藉由雷射系统依序产生，或可非依序地递送空间上重叠的脉冲，如美国专利公开案第2010-0252959号所描述。射束轴与工件之间的相对运动通常为连续的(以避免由于加速度、减速度及安定时间所导致的产出量延迟)，并且射束轴通常定向成使得其垂直于工件。雷射脉冲大体上展现每个雷射脉冲的切割深度极限，其经常随着各种雷射输出参数而变化，该等参数包括但不限于雷射功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、波长、碰撞工件的雷射光点的面积，及工件的材料特性。为了弥补切割深度极限，可将射束轴多次引导至沿着沟槽的位置以便增加切割的总深度。该等位置可藉由以下操作来多次定址：执行雷射射束轴沿着射束轨迹的多次通过，使射束轴停留在该等位置上，调整射束轴相对于工件的相对运动的速度，调整空间咬合大小(雷射脉冲的光点区域相对于最近的相邻光点区域的非重叠部分)，调整空间上邻近或重叠的脉冲之间的时间延迟，调整雷射射束相对于工件表面的焦点深度，及调整先前提及的其他雷射输出参数中的一或多者。尽管对所有此等变数进行了控制，沟槽形成大体上取决于锥度。锥度是指沟槽的侧壁的形状及角度。侧壁锥度是重要的，因为在许多材料中，锥度大体上限制沟槽的深度，该深度随着在工件表面处介于侧壁顶部之间的沟槽宽度而变化。举例而言，在将多个雷射脉冲施加至工件上的单一位置时，在工件中形成的孔洞的直径将会随着孔洞的深度增加而增加。孔洞在工件表面处将具有最宽的直径，并且孔洞的侧壁可成锥形以使得孔洞在底部处可具有可忽略的直径。在许多情况下，在达到基本深度之后，每个脉冲的深度减少，此后，产出量减少并且雷射能量在工件中被浪费掉。另外，在许多情况下，在藉由此单一位置、连续冲孔过程达到最大深度之前，临限值可达到工件中的材料的损坏临限值。用于产生深沟槽的一种现有解决方案涉及藉由经由多次通过沿着沟槽引导射束轴来限制连续被引导至工件上的给定位置的雷射功率的量。射束轴的每次通过使沟槽变深。射束轨迹的一些通过亦通常被引导成平行于沟槽的预期中线，向内部及/或向外部延伸，以便增加在工件表面处介于侧壁之间的沟槽宽度。工件表面处的沟槽宽度的增加用来减轻由于锥度所导致的一些深度难题。遗憾的是，射束轴沿着射束轨迹(或平行的射束轨迹)的额外通过需要大幅度增加用来使沟槽(或切口)达到所要深度的时间，在此等射束轨迹覆盖较长距离时尤其如此。图1A是现有的一组射束轨迹22、24、26、28及30的平面图，射束轴可沿着该等轨迹行进以便在工件10中制作深沟槽20。图1B可沿着图1A示出的射束轨迹22、24、26、28及30中的每一者引导射束轴以获得沟槽20的所要深度的通过次数的图形描述。图1C沿着图1A示出的射束轨迹22、24、26、28及30的沟槽的深度的图形描述。图1A至图1C论证沟槽20可能需要在工件10的顶部表面处加宽以获得所要深度，从而增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于颤化一雷射射束以沿着一射束轨迹在一工件中形成一特征的方法，该方法包含：自一雷射源产生沿着一雷射射束路径的多个雷射射束脉冲，该雷射射束路径相对于该工件的一表面形成一雷射射束轴；使用一第一定位系统来赋予该雷射射束轴沿着该射束轨迹相对于该工件的该表面的第一连续相对移动，其中该第一定位系统提供一第一射束偏转范围；使用一第二定位系统来赋予该雷射射束轴的一第二相对移动，该第二相对移动叠加于该第一连续相对移动上，其中该第二定位系统提供小于该第一射束偏转范围的一第二射束偏转范围，其中该第二相对移动包含横向于该射束轨迹的一非零方向分量；选择性地控制该等雷射射束脉冲的能量；以及在沿着该射束轨迹的一主要雷射通过期间，在该第二定位系统的该偏转范围内的复数个选择性光点位置中的每一者处将一雷射射束脉冲递送至该工件，其中在藉由该第二相对移动来定址的不同光点位置处，递送至该工件的该等雷射射束脉冲中的两者或两者以上具有不同能量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.27 US 62/126,4201.一种用于颤化一雷射射束以沿着一射束轨迹在一工件中形成一特征的方法，该方法包含：自一雷射源产生沿着一雷射射束路径的多个雷射射束脉冲，该雷射射束路径相对于该工件的一表面形成一雷射射束轴；使用一第一定位系统来赋予该雷射射束轴沿着该射束轨迹相对于该工件的该表面的第一连续相对移动，其中该第一定位系统提供一第一射束偏转范围；使用一第二定位系统来赋予该雷射射束轴的一第二相对移动，该第二相对移动叠加于该第一连续相对移动上，其中该第二定位系统提供小于该第一射束偏转范围的一第二射束偏转范围，其中该第二相对移动包含横向于该射束轨迹的一非零方向分量；选择性地控制该等雷射射束脉冲的能量；以及在沿着该射束轨迹的一主要雷射通过期间，在该第二定位系统的该偏转范围内的复数个选择性光点位置中的每一者处将一雷射射束脉冲递送至该工件，其中在藉由该第二相对移动来定址的不同光点位置处，递送至该工件的该等雷射射束脉冲中的两者或两者以上具有不同能量。2.根据权利要求1的方法，其中每个选择性光点位置在空间上更靠近一相邻选择性光点位置并且在空间上更远离空间非相邻选择性光点位置，并且其中递送至该工件的一时间依序雷射射束脉冲是递送至该第二定位系统的该偏转范围内的一选择性非相邻光点位置。3.根据权利要求1的方法，其中在次要雷射通过期间递送至该工件的该等雷射射束脉冲提供在该第二定位系统的该偏转范围内的三维图案化，其中该三维图案化包括横向于该射束轨迹并且在深度方面在相应光点位置处相对于该工件的该表面处于两个或两个以上深度的图案化。4.根据权利要求1的方法，其中该第二相对移动包含x及y非零方向分量。5.根据权利要求1的方法，其中该第二射束偏转范围在横向方向上延伸了0.01mm与4.0mm之间。6.根据权利要求1的方法，其中该第二射束偏转范围在横向方向上延伸了0.01mm与2.5mm之间。7.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该能量以使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置中的时间依序定址位置处是不同的。8.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该能量使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置的时间依序定址群组处是不同的。9.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该等雷射射束脉冲的光点大小以使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置中的时间依序定址位置处是不同的。10.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该等雷射射束脉冲的光点大小以使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置的时间依序定址群组处是不同的。11.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该雷射射束的焦点以使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置中的时间依序定址位置处是不同的。12.根据权利要求1的方法，其中选择性地控制该雷射射束的焦点以使其在该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置的时间依序定址群组处是不同的。13.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置中的时间依序定址位置在空间上是不连续的。14.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统的该偏转范围内的该等选择性光点位置中的时间依序定址位置在空间上是连续的。15.根据权利要求1的方法，其中该第二相对移动包含在时间上分开的相反方向分量。16.根据权利要求15的方法，其中该等在时间上分开的相反方向分量横向于该射束轨迹。17.根据权利要求15的方法，其中该等在时间上分开的相反方向分量中的一者与该射束轨迹相反。18.根据权利要求1的方法，其中该方向分量是该第二相对移动相对于该射束轨迹的一分向量。19.根据权利要求1的方法，其中在该第二相对移动的一单次次要通过期间，递送至该工件的该等雷射射束脉冲中的两者或两者以上在不同光点位置处具有不同能量。20.根据权利要求1的方法，其中该第二相对移动是非椭圆形的。21.根据权利要求1的方法，其中该第二相对移动是非圆形的。22.根据权利要求1的方法，其中沿着该射束轨迹的该主要雷射通过使该射束轴扫描经过任何光点位置一次。23.根据权利要求1的方法，其中沿着该射束轨迹的该次要雷射通过使该射束轴扫描经过任何光点位置一次。24.根据权利要求1的方法，其中该次要雷射通过使该射束轴扫描经过任何光点位置一次。25.根据权利要求1的方法，其中在沿着该射束轨迹的该主要雷射通过期间，该第二相对移动包含该射束轴在该第二射束偏转范围内的多次雷射通过。26.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲是递送至彼此距离大于或等于该第二射束偏转范围的25％的选择性光点位置。27.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲是递送至彼此距离大于或等于该第二射束偏转范围的50％的选择性光点位置。28.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲是递送至彼此距离大于或等于该第二射束偏转范围的75％的选择性光点位置。29.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲是递送至彼此距离大于或等于该第二射束偏转范围的90％的选择性光点位置。30.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的该等时间依序雷射射束脉冲的该等选择性光点位置之间的一距离随着该第二射束偏转范围、该第一定位系统沿着该射束轨迹移动该射束轴的一第一速度及该第二定位系统移动该射束轴的一第二速度而变化。31.根据权利要求1的方法，其中该等选择性相邻光点位置重叠。32.根据权利要求1的方法，其中该第一射束定位系统以大于或等于该第一射束定位系统的一最大速度的25％的速度来沿着该射束轨迹移动该射束轴。33.根据权利要求1的方法，其中该第一射束定位系统以大于或等于该第一射束定位系统的一最大速度的50％的速度来沿着该射束轨迹移动该射束轴。34.根据权利要求1的方法，其中该第一射束定位系统以大于或等于该第一射束定位系统的一最大速度的75％的速度来沿着该射束轨迹移动该射束轴。35.根据权利要求1的方法，其中该第一射束定位系统以大于或等于该第一射束定位系统的一最大速度的90％的速度来沿着该射束轨迹移动该射束轴。36.根据权利要求1的方法，其中该特征为一沟槽。37.根据权利要求1的方法，其中该特征为一切口。38.根据权利要求1的方法，其中该特征为一标记。39.根据权利要求38的方法，其中该特征为一表面下标记。40.根据权利要求1的方法，其中该特征为一电阻器上的一修整。41.根据权利要求1的方法，其中该特征为一盲介层孔。42.根据权利要求1的方法，其中该特征为一通孔介层孔。43.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统包含一零惯性定位装置。44.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统包含一声光装置(AOD)。45.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统包含一个以上换能器。46.根据权利要求1的方法，该第二定位系统可操作以使该射束轴沿着一个以上偏转轴偏转。47.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统包含两个或两个以上声光装置(AOD)。48.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统使用安装于一AOD的横向表面上的换能器。49.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统包含一电光装置(EOD)。50.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统可操作以充当一外腔射束阻断器。51.根据权利要求1的方法，其中使用一外腔射束阻断器来阻断该多个雷射射束脉冲中的选择性脉冲。52.根据权利要求1的方法，其中在沿着该射束轨迹的该雷射通过期间，多个雷射射束脉冲被引导至一个选择性光点位置。53.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的该等时间依序雷射射束脉冲沿着相对于该射束轨迹的不同轴来递送至选择性非相邻光点位置。54.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的该等时间依序雷射射束脉冲沿着相对于该射束轨迹的单一轴来递送至选择性非相邻光点位置。55.根据权利要求1的方法，其中在该雷射通过期间在该第二定位系统的一扫描场内递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲包括10个或更多个雷射射束脉冲。56.根据权利要求1的方法，其中在该雷射通过期间在该第二定位系统的一扫描场内递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲包括100个或更多个雷射射束脉冲。57.根据权利要求1的方法，其中在该雷射通过期间在该第二定位系统的一扫描场内递送至该工件的时间依序雷射射束脉冲包括500个或更多个雷射射束脉冲。58.根据权利要求1的方法，其中该射束轴横向于该射束轨迹被颤化以加宽在每次雷射通过期间藉由该雷射来加工的区域。59.根据权利要求1的方法，其中该多个雷射射束脉冲是以大于或等于100kHz的一脉冲重复率产生。60.根据权利要求1的方法，其中沿着该射束轨迹在该射束轴与该工件之间的相对运动大于或等于400mm/s。61.根据权利要求1的方法，其中该多个雷射射束脉冲具有短于或等于100ps的一脉冲宽度。62.根据权利要求1的方法，其中该多个雷射射束脉冲具有短于或等于10ps的一脉冲宽度。63.根据权利要求1的方法，其中该多个雷射射束脉冲具有短于或等于1ps的一脉冲宽度。64.根据权利要求1的方法，其中选择性相邻光点位置之间的咬合大小小于或等于4微米。65.根据权利要求1的方法，其中递送至该工件的该等时间依序雷射射束脉冲具有一光点区域，该光点区域具有小于或等于15微米的一长轴。66.根据权利要求1的方法，其中该等时间依序雷射射束脉冲是以选择性雷射光点的一微动图案来递送至该工件。67.根据权利要求1的方法，其中该轨迹形成一介层孔的表面周边。68.根据权利要求1的方法，其中该雷射射束脉冲递送至一第一光点位置的一第一雷射射束脉冲，其中递送至该工件的该时间依序雷射射束脉冲递送至一第二光点位置的一第二雷射射束脉冲，其中一在时间上稍后的依序雷射射束脉冲递送至一第三光点位置的一第三雷射射束脉冲，并且其中该第三光点位置是该相邻选择性光点位置。69.根据权利要求1的方法，其中该第二定位系统沿着自该雷射源至该工件的一射束路径定位于该第一定位系统上游。70.根据权利要求1的方法，其中该第一定位系统使用一或多个电流计驱动反射镜。71.根据权利要求1的方法，其中在沿着该射束轨迹的该主要雷射通过期间，在该雷射射束轴处于该第二射束偏转范围内时，该雷射源产生总数目个该等雷射射束脉冲，并且其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目10％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹5微米的一距离内碰撞该工件。72.根据权利要求1的方法，其中该等工作雷射射束脉冲在该复数个选择性光点位置中的每一者处具有一光点大小，并且其中在沿着该射束轨迹的该主要雷射通过期间，在该雷射射束轴处于该第二射束偏转范围内时，该雷射源产生总数目个该等雷射射束脉冲，并且其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目10％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹一个光点大小的一距离内碰撞该工件。73.根据权利要求72的方法，其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目20％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹一个光点大小的一距离内碰撞该工件。74.根据权利要求72的方法，其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目30％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹一个光点大小的一距离内碰撞该工件。75.根据权利要求72的方法，其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目50％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹一个光点大小的一距离内碰撞该工件。76.根据权利要求72的方法，其中该等雷射射束脉冲的该总数目超过工作雷射射束脉冲的一所期望数目10％以上，以用于沿着该射束轨迹在距该射束轨迹五个光点大小的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海滨，杨川，马克·艾伦·昂瑞斯，马汀·奥瑞克，
申请(专利权)人：伊雷克托科学工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US