采用固态紫外高斯激光束成孔的波束成形和投射成像制造技术

采用激光系统（５０）中的一种二极管注入泵式固态激光器（５２）来提供紫外波的高斯输出（５４），该输出经一光学衍射组件（９０）转换成照度轮廓一致的成形输出（９４）。高比例的成形输出（９４）经聚焦穿过掩膜（９８）的孔眼以提供成像成形输出（１１８）。该激光系统（５０）有助于将该方法的打孔能力提高到比类似的剪切高斯激光系统的打孔能力还高的水平。本发明专利技术特别适于打取盲孔（２０ｂ），并且该盲孔的孔边、孔底以及锥度的质量高于剪切高斯激光系统打取的盲孔。另一种激光系统（１５０）采用一对波束转向检流镜（１５２、１５４）其可使高斯输出绕过包含光学衍射组件（９０）和掩膜（９８）的成形成像系统（７０）。激光系统（１５０）为用户在高斯输出或成像成形输出（１１８）之间提供了一种选择。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二极管注入泵式固态激光器，尤其涉及采用这样一种激光器来形成具有TEM00非散射空间模式的紫外激光波束以进行打孔的技术。
技术介绍
在美国专利文献US5,593,606和US5,841099中描述了一种采用UV激光系统在优选参数范围内形成激光输出脉冲并在多层设备的至少两个不同层上形成通孔或盲孔的技术以及该技术的优点。这些参数通常包括瞬时脉冲宽度小于100ns的非激励输出脉冲，点域的直径小于100μm，并且该点域在重复速率大于200Hz时其平均强度或照度大于100mW。这里所述的激光器仅以紫外(UV)二极管注入泵式(DP)固态(SS)TEM00激光器为例来进行，该激光器可生成图1所示标准高斯照度轮廓10，但其说明与几乎所有生成高斯输出的激光器都密切相关。采用任何一种激光器特别是UV DPSS激光器来烧蚀特定的材料时，只要输送到工件上的激光通量或能量密度(通常以J/cm2为单位)达到对象材料的烧蚀阈值之上即可发生。通过物镜的聚焦作用，原始高斯波束的激光点可做得非常小(通常在1/e2直径点处为10-15μm的量级上)。这样，能量在很小的聚焦点上很容易超过普通电子电路组装材料的烧蚀阈值，特别是普通用作金属导体层的材料铜的阈值。因此，该UVDPSS激光器在用于原始聚焦波束的结构配置时，是一种非常优秀的、在电子电路组装件的一或多个铜层上打孔的方法。由于聚焦点通常都小于所需孔的尺寸，因此聚焦点要沿着螺旋、同心圆、或者“环锯”的路径移动以去掉多余的材料从而获得所需尺寸的孔。这种方法通常被称为原始聚焦波束螺旋打孔法或环锯法。为了方便，螺旋法、环锯法以及同心圆加工法通常被称作“非冲孔法”。现有技术中，另一种公知方法是使具有高斯照度轮廓的TEM00激光波束穿过预定直径12的一个圆形孔眼或一个掩膜。然后用一个或多个普通的光学折射透镜将该亮孔的像投射到工作面上。成像圆点的尺寸取决于孔的尺寸以及成像折射镜的光学汇聚倍数。这种技术就叫作投射成像技术或者简单地说叫成像技术，其通过对孔尺寸或光学汇聚倍数的调节或者对二者同时进行调节来使成像点的尺寸与所需孔的尺寸相配，由此即可获得所需的孔径。由于高斯照度轮廓中低强度的“翼部”被孔眼的边缘掩膜去掉或剪切去掉，因此这种技术还被称作剪切高斯成像技术。用成像点打孔时，激光波束驻留于某一孔位并发出多个脉冲直到去掉足够的材料。这种打孔方法通常被称作“冲孔”，其不需原始聚焦波束环锯法或螺旋法在打孔时激光点在孔内移动时所需的极高的准确度和速度。因此采用剪切高斯波束打孔可减少对高速波束定位器的要求，因为其消除了与孔内运动有关的复杂的小半径弧形路径及其附带的高加速度。由于没有什么加工参数需被优化，因此投射成像技术的开发也更为容易。剪切高斯处理还可生产出更圆并且重复性更好的孔，这是因为激光器之间的激光点在圆度上所固有的偏差不再决定孔的形状，成孔的圆度更多地是由孔眼的圆整度以及用来将孔像投射到工作面的光学组件的质量来决定。其次，圆度还会受到产量的影响和原始高斯输出翼部被剪除程度的影响。圆度或圆整度可被量化为最小直径与通常在孔顶所测的最大直径之比，即R＝dmin/dmax。由于只有激光波束高斯照度轮廓的中心部分才能通过孔眼，因此有可能获得很圆的点，这样高斯波束低照度的外部区域就被孔眼掩膜阻挡或剪切掉了。然而，剪切高斯波束的问题在于波束中心明显亮于边缘部分。这种不一致性反过来会影响该波束形成的孔的质量，特别是盲孔的质量，其会使孔的底部很圆但边缘部分不齐并且有可能会损伤下层的或者旁边的基质。采用剪切高斯技术的激光系统在使用时需用孔眼将不同比率的高斯波束阻挡掉。如果高斯照度轮廓被剪切的非常多从而仅使中心一小部分输出波束穿过孔眼，那么成像在工作面上的照度轮廓则会更加一致。这种一致性是以大部分能量被孔眼掩膜去掉不能输送到工作面为代价的。浪费掉大部分的波束能量会影响打孔的速度。另一方面，如果允许大部分波束能量穿过孔眼，那么会有更多波束通量输送到工作面上。然而，点中心的照度Ic与点边缘的照度Ie之间的差会更大。穿过孔眼的能量比率通常被称为发射水平T。对于高斯波束来说存在下面的数学关系式T＝1-Ie/Ic比如说，如果70％的波束能量穿过孔眼，那么成像点边缘的照度和通量都将只有成像点中心值的30％。Ie和Ic之间的这种差值就要求在打孔中进行比较权衡。如果为了打得更快采用了更高功率的激光，点中心的通量Fc有可能会超过孔底的铜开始烧蚀并回流的通量值。同时，如果T很大(这样在点内，边缘与中心的通量比Fe/Fc很小)，成像点边缘的通量很低则不能使有机绝缘材料快速的烧蚀掉。图2为剪切高斯输出在典型的孔加工参数下边缘通量与孔眼直径的关系曲线。这样，就需要许多的脉冲才能将绝缘材料(环氧树脂)从孔底边缘去掉，并获得所需的孔底直径。然而，施加这些脉冲时，由于孔心区域的通量很高会使底部的铜烧蚀，因此会损伤孔的中心部分。因此，剪切高斯技术必须在高脉冲能量和低能量脉冲之间进行权衡。其中高能量脉冲打孔快但会损伤孔底中心，低能量脉冲值虽然低于使铜产生再流动的通量阈值但打孔慢并需要许多脉冲来清理孔的边缘。通常，根据孔尺寸的不同，发射水平定在30％到60％之间，这样可在激光能量的浪费(阻挡)和成像点内通量不均匀引起的不好加工现象之间取得一个可接受的折衷结果。小孔能以较低的发射水平(如25-30％)在所能接受的速度下打取，这样成像点会有更高的一致性。然而，在许多场合下，最好使50％＜T＜60％从而使速度达到可接受的水平，但孔的质量会由于底部铜的损伤而受到影响。由此，需要一种能量更多和速度更快的打孔方法。专利技术概述本专利技术的一个方面是提供一种方法和/或系统，其在提高成孔质量的同时可提高高斯波束打孔的速度或效率。本专利技术的另一个方面是提供一种方法或系统，其采用UV、二极管注入泵式(DP)、固态(SS)激光器。本专利技术能够提高投射成像技术。在本专利技术的一个实施例中，UVDPSS激光系统配有一个光学衍射组件(DOE)从而将原始激光高斯照度轮廓变形为“顶帽”式或基本均匀的照度轮廓。然后将所形成的成形激光输出用一个孔眼或掩膜剪切以提供成像成形输出波束。该成像成形的输出波束具有从中心到边缘强度基本均匀一致的激光点，这样就能以很快的速度打出高质量的孔而不会对孔底有任何损伤。传统的采用波束成形、投射成像、或光学衍射组件的系统都采用低亮度非UV激光器或高散射多模式激励激光器，并广泛用于材料加工以外的许多场合中。在波束成形以获得近乎一致照度的许多场合中，加工工艺要求照度的空间分布具有一致性。如果不具有，那么激光通量在工作表面的不一致性会导致聚焦点或成像点的点心过度加工而其边缘则加工不足。在本专利技术中，波束成形不仅能打孔，而且其能提高加工工艺使其更快并具有更高的可控性。因此本专利技术提供的UV激光打孔工艺能提高打孔的质量、速度以及强度。尽管已有其它许多类型的设备与激励激光器一起来形成近乎一致或“均匀”的材料加工波束，然而这种均质器不能与一致性高、接近TEM00空间分布模式的DPSS高亮度激光器一起工作。此外，不同于激励激光器波束所固有的成像点很大的性质，TEM00空间模式具有很高的聚焦性，因此本专利技术能利用更高比例的入射能量。参照附图，从本专利技术下面优选实施例的详细说明中能够清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来提高在多层工件上打孔能力的方法，其中该多层工件至少包括分别由第一层材料和第二层材料构成的第一层和第二层，并且第一层材料和第二层材料分别具有不同的第一、第二烧蚀通量阈值，该方法包括： 生成第一高斯激光输出，该第一高斯激光输出具有第一高斯能量和波长小于４００ｎｍ的、基本上为高斯曲线的照度轮廓； 使第一高斯激光输出沿着一条光路穿过一个光学衍射组件从而将第一高斯激光输出转换成更为均匀一致的第一成形输出； 使该均匀的第一成形输出的主要部分穿过一个孔眼从而将均匀的第一成形输出转换成第一过孔成形输出，该第一过孔成形输出具有第一过孔成形能量，其能量值大于第一高斯激光输出的第一高斯能量的５０％； 将第一过孔成形输出穿过一个或多个成像透镜组件以提供第一成像成形输出； 将第一成像成形输出加到工件的靶位上以去掉靶位内的第一层材料从而形成孔，该第一成像成形输出在一个第一点域上具有第一能量密度，并且该第一能量密度大于第一烧蚀通量阈值但小于第二烧蚀通量阈值。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：CM丹斯基，X刘，NJ克罗利奥，HW罗，BC冈德拉姆，H马特萨毛托，
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]