CN101678505A - 用于机加工锥形微孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于在薄的大致均质材料中激光机加工具有所要几何横截面要求的贯通微孔的方法。

Description

用于机加工锥形微孔的方法
技术领域
本发明通常涉及在微薄材料中机加工或钻制微孔。
此申请案主张2007年5月3日申请的序号为60/915,770的临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
近期，已在激光微机加工***上做了大量技术投资并取得了进步，所述激光微机加工***用以在薄层材料中钻制微孔(称为微通孔)以在印刷电路板的层之间建立通路。在这些工艺中，钻孔工艺后面通常跟随对微通孔的电镀工艺，以在所述层之间建立电连接或导电性。在此类型的钻制中，典型的情况是微通孔横截面几何形状(即，通孔顶部及底部孔直径和通孔侧壁的陡度或锥度)没有特定要求或可变化，只要不影响经电镀通孔的电性能即可。举例来说，典型的情况是经电镀通孔的电性能主要由其顶部及底部直径确定，且重要的考虑因素是通孔壁的粗糙度，因为进入到通孔腔中的相对大的突出部可干扰电镀工艺。关于通孔的几何形状，针对所述应用的典型规格要求仅偏向于较陡峭且较平滑的通孔壁。
发明内容
由于上述钻制及机加工工艺并非打算针对及/或适用于或有用于要求锥形贯通孔的特定几何形状的情况，例如，要求或需要特定入口及出口孔直径的情况，因此需要建立针对贯通孔的所述机加工的参数及特定工艺以按要求或规定的几何形状钻制所述孔。按规定的入口及出口大小钻制微贯通孔的能力(借此建立侧壁的锥度或角度)在贯通孔被用于使光透射穿过薄材料的情况下特别有用。通过在光透射应用中按受控制的入口及出口开口大小来钻制微贯通孔，可针对特定商业应用控制及优化穿过出口开口的输出光束的光透射量以及发散光特性。举例来说，在微贯通孔侧壁太陡峭(从所述材料的出口开口侧上的表面一直到最近侧壁的角度接近90度)的情况下，通常存在穿过所述孔的高光透射，但相对不良的光发散需要用户直接注视出口孔才能看见经透射的光。相反地，如果微贯通孔侧壁不太陡峭(从所述材料的出口开口侧上的表面一直到最近的侧壁的角度相对地大致小于90度)，那么当从具有较大孔开口的侧(通常为入口侧)照射微贯通孔时，穿过所述孔的光透射率极大地降低。
揭示用于穿过材料激光机加工具有特定横截面几何形状的微孔的发明性方法。发明性工艺特别有用，虽然并不局限于具有大致均质组成的单层材料。实例性应用是将薄材料及微孔用于透射光。
所述方法包括建立钻制参数，包括在待机加工的材料中移除材料所需的激光功率及激光脉冲重复频率值。其它参数包括在移除材料以形成微孔时激光所遵循的至少一个切削加工轨迹或路径以及沿所述切削加工轨迹移除材料的切削加工速率。
在一个实例中，所述切削加工轨迹包括三阶段轨迹路径，其包括界定第一微孔开口的第一轨迹、界定所述孔的锥形内壁的第二轨迹及界定与所述第一孔开口相对的第二孔开口的第三轨迹。
在另一实例中，所述第一激光轨迹包括围绕所述微孔的纵轴的至少一个同心旋转。所述第二轨迹包括围绕所述纵轴的径向长度减小的同心旋转的开放路径。所述第三轨迹包括围绕所述纵轴的至少一个同心旋转。
结合附图阅读以下说明，所属领域的技术人员将显而易见本发明的其它应用。
附图说明
本文中的说明参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件，且在图式中：
图1是在薄材料中钻制实例性微孔的三阶段切削加工轨迹的实例；
图2是依据从图1中的阶段1轨迹产生的工作表面上的位置显示积累的能量密度分布的图表；
图3是依据从图1中的阶段2轨迹产生的工作表面上的位置图解说明积累的能量密度分布的图表；
图4是依据从图1中所示的阶段3轨迹产生的工作表面上的位置显示积累的能量密度分布的图表；
图5是依据从图2到4中所示的个别轨迹产生的工作表面上的位置显示积累的能量密度分布的编制图表；及
图6是从图1到5中所示的实例性三阶段切削加工轨迹产生的微孔的实例性SEM图片。
具体实施方式
参照图1到6，揭示一种用于一直穿过薄衬底或材料钻制或机加工微孔(称为贯通孔)的方法。已通过下文描述的试验确定数个工艺参数是有用的且在钻制贯通微孔以获得所需或所规定的孔几何形状时应予以考虑。
首先要考虑的参数是用来钻制孔的特定激光、钻制或机加工微孔的激光的功率和激光的脉冲重复频率。如在图6中的最佳所见，通过在具有400微米(μm)厚度15的铝合金材料3中钻制具有90μm直径的入口开口5及30μm直径的出口开口7的贯通微孔1的试验，532纳米(nm)DPSS Nd:YAG激光是合适的。借助在上述材料3工作表面上以10千赫兹(Khz)递送的4.5瓦(W)的平均激光功率实施了钻制上述孔1的成功试验。借助在工作表面12上产生28μm聚焦高斯光束点的光学拓扑在激光焦面处实施如上所述的以上成功机加工工艺。应了解，可使用所属领域的技术人员已知的与以上试验不同的其它激光、激光功率及脉冲重复频率，而此并不背离本发明。应进一步了解，可使用不同的材料及厚度。
在本发明机加工方法中要考虑的下一个参数是在钻制微孔1时激光将遵循的切削加工轨迹或路径。如在图1到5中的最佳所见，已通过试验确定用于钻制贯通微孔的三阶段切削加工轨迹20在需要规定的或特定孔几何形状的情况下进行钻制是特别有用。优选的三阶段切削加工轨迹包括第一轨迹(或阶段1)30、第二轨迹(或阶段2)40及第三轨迹(或阶段3)50。
参照图1、2及6，其图解说明优选的三阶段切削加工轨迹20的优选的第一切削加工轨迹30。已通过试验确定跨越材料3的第一表面12的第一轨迹30用于界定微孔1的顶部(入口)直径或第一开口5。在优选的第一切削加工轨迹30中，闭合路径圆形轨迹适合于界定第一材料表面12中的第一开口5，如图6中的最佳所见。如图1中的最佳所见，使用由围绕纵轴25的至少一个完整旋转组成的圆形轨迹30。在优选实例中，围绕纵轴25的多个完整圆形旋转30足以建立第一开口5同时还移除一些体材料3。
通过使用28μm聚焦高斯光束点在400μm厚的铝中钻制90μm直径的第一开口5及30μm直径的出口第二开口7的试验，第一轨迹30由在73毫米/秒(mm/sec)的切割速度下围绕纵轴25具有60μm直径的五个圆形旋转组成。
在优选的三阶段切削加工轨迹20的第二阶段或轨迹40中，由在沿第一轨迹30的一点处开始且在沿第三轨迹50的一点处结束的从轴25在径向距离或长度上减小的同心圆圈组成的开放路径40适合于钻制具有内壁10的所需通孔1。
通过钻制上述孔几何形状的试验，包括在73mm/sec的切割速度下在第一轨迹60μm外钻制直径处开始且在10μm直径(第三轨迹50)7处结束的以10毫米/旋转(mm/rev)的径向间距或径向减小围绕纵轴25的五个开放螺旋旋转的第二轨迹40是适合的。
在优选的第三切削加工阶段或轨迹50中，使用围绕纵轴25的至少一个同心旋转50的闭合轨迹路径。在优选实例中，使用围绕纵轴25的圆形路径中的众多闭合旋转。
通过钻制上述孔1的试验，第三轨迹50包括在73mm/sec的切割速度下围绕纵轴25具有10μm直径7的5个完整圆形旋转。
虽然所揭示的试验用于以描述的特定方式使用三个单独轨迹在材料3中钻制上述孔1，但应了解可使用所属领域的技术人员已知的参数及轨迹的变化形式，而此并不背离本发明。
应进一步了解，虽然包括第一轨迹30、第二轨迹40及第三轨迹50的优选的三阶段切削加工轨迹20被揭示为单独、中断的轨迹，但第一轨迹30、第二轨迹40及第三轨迹50可以是无缝隙的或可以连续的不中断工艺来实施。应进一步了解，如所属领域的技术人员已知，取决于本文中论述的材料3及其它参数，可使用额外或较少量的切削加工阶段或轨迹。应进一步了解，以上关于图6中所示特定几何形状描述的试验性孔1仅是实例性的，且可通过本发明性工艺制作在材料3中具有相关联第一开口5、第二开口7及锥形内壁10的其它大小和形状的孔，而此并不背离本发明。
要考虑的第四工艺参数是激光沿材料3移动以移除材料3的切削加工速度或速率。通过试验，确定在上述试验性参数下，73mm/sec是产生具有所要几何形状的满意通孔的适合切削加工速度。应了解，可使用所属领域的技术人员已知的其它切削加工速度，而此并不背离本发明。
已描述上述实施例，以便允许容易地了解本发明，而非限制本发明。相反，本发明打算涵盖所附权利要求书的范围内所包括的各种修改及等效布置，所述范围与最广义的解释一致，以便在法律的许可下涵盖所有此类修改及等效结构。

Claims (15)

1、一种用于穿过薄材料围绕纵轴激光机加工具有预定横截面几何形状的微孔的方法，所述方法的特征在于：
建立在所述薄材料中移除材料所需的激光功率及激光脉冲重复频率值；
建立至少一个切削加工轨迹以界定所述微孔的所需的横截面几何形状；及
建立沿所述切削加工轨迹移除所述材料的切削加工速率。
2、根据权利要求1所述的方法，其中建立至少一个切削加工轨迹的特征在于：
沿第一切削加工轨迹横向切削以界定第一孔开口；
沿第二切削加工轨迹横向切削以界定所述孔的锥形内壁；及
沿第三切削加工轨迹横向切削以界定与所述第一孔开口相对的第二孔开口。
3、根据权利要求2所述的方法，其中所述第一切削加工轨迹是围绕所述纵轴的至少一个同心旋转的闭合路径。
4、根据权利要求2或权利要求3所述的方法，所述第二切削加工轨迹是围绕所述纵轴的径向长度减小的同心旋转的开放路径。
5、根据权利要求4所述的方法，其中所述同心旋转的开放路径是圆形螺旋形状的。
6、根据权利要求2到5中任一权利要求所述的方法，其中所述第三切削加工轨迹是围绕所述纵轴以径向长度的至少一个旋转的闭合路径。
7、根据权利要求3或权利要求6所述的方法，其中所述第一切削加工轨迹的所述闭合路径及/或所述第三切削加工轨迹的所述闭合路径是圆形形状的。
8、根据权利要求2到7中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
所述第一孔开口在直径上大于所述第二孔开口。
9、根据权利要求2到8中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
所述第一、第二及第三切削加工轨迹形成一个连续路径。
10、根据权利要求2到9中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
所述薄材料是大致均质的单层。
11、一种用于机加工供在使光透射穿过薄材料中使用的微贯通孔的方法，所述方法的特征在于：
确定待机加工的所述薄材料的厚度；
确定所述贯通孔的入口开口及出口开口的大小，所述贯通孔用于界定所述贯通开口的所述锥形侧壁；及
沿切削加工轨迹横向切削以移除材料，从而形成所述入口开口、所述锥形侧壁及所述出口开口。
12、根据权利要求11所述的方法，其中沿所述切削加工轨迹横向切削的特征在于：
围绕纵轴沿界定所述入口开口的第一切削加工轨迹横向切削；
围绕所述纵轴沿界定所述锥形侧壁的第二切削加工轨迹横向切削；及
围绕所述纵轴沿界定所述出口开口的第三切削加工轨迹横向切削。
13、根据权利要求12所述的方法，其中所述第一及第三轨迹是闭合圆形轨迹，且所述第二轨迹是开放的螺旋圆形轨迹。
14、根据权利要求11到13中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
确定用于从所述薄材料移除材料的切削加工速率。
15、根据权利要求11到14中任一权利要求所述的方法，其中确定所述入口开口及出口开口的所述大小的特征在于：
确定光穿过所述薄材料的所要透射率及光穿过所述出口开口的发散度。
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