CN102049611B - 应用于脆性材料的镭射加工装置及镭射加工和位移补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于脆性材料的镭射加工装置及镭射加工和位移补偿的方法，所述装置包含镭射源、镭射控制单元、聚焦控制单元、***控制单元、承载平台、驱动轴控制单元、测量单元以及影像撷取单元。***控制单元依据测量单元的测量值，计算激光束聚焦位置、深度等参数，并控制聚焦控制单元以及驱动轴控制单元，进行镭射加工。所述方法包含准备步骤、扫描步骤、加工步骤以及加工完成步骤，将激光束聚焦于加工件下表面，再将焦距逐层往上表面移动加工，有效改善镭射加工的切削精度、稳定性以及习用锥角，可省略集尘及退屑装置，且缩短工时及节省成本。

Description

应用于脆性材料的镭射加工装置及镭射加工和位移补偿的方法

技术领域

本发明涉及一种镭射加工装置及镭射加工和位移补偿的方法，尤其涉及一种应用于脆性材料的镭射加工装置及镭射加工和位移补偿的方法。

背景技术

镭射加工相较于传统轮刀或钻石切割，因为激光束产生的光点小、切割所需的线宽较窄，可以减少加工时材料的损耗，并具有较小的残留应力，因此适用于高精密度的半导体材料、光电材料或电路板进行加工。

参阅图1A至图1C，为现有技术镭射加工过程的示意图，如图1A至图1C所示，现有技术的镭射加工，以钻孔加工为例，如图1A所示，通常先在组件的上表面聚焦，再如图1B至图1C所示，逐步向下调整聚焦位置进行加工。然而，由上表面开始聚焦的加工方式，因为加工产生的粉尘与切削残留在加工道上不易无法排除，容易造成加工的不均匀，即所谓的锥角。此外，通常对于大尺寸工件加工时，通常采取重复加工的方式进行镭射加工，然而因尘屑产生的锥角问题，通常需要加装集尘及退屑装置排出，除了制造成本提高，排出尘屑的时间也大幅影响了加工时间。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提供一种应用于脆性材料的镭射加工装置。

本发明所述的应用于脆性材料的镭射加工装置，包含镭射源、聚焦控制单元、镭射控制单元、***控制单元、承载平台、驱动轴控制单元、测量单元以及影像撷取单元。

聚焦控制单元与镭射源及***控制单元连接，用以将镭射聚焦于加工件的任一位置及任一深度，使激光束在聚焦位置具时有最大的能量；***控制单元依据测量单元以及影像撷取单元，用以计算镭射的聚焦位置和聚焦深度等参数，并依据所述参数控制聚焦控制单元以及驱动轴控制单元进行镭射加工。

本发明还提供一种应用于脆性材料的镭射加工装置和位移补偿的方法，含准备步骤、扫描步骤、加工步骤以及加工完成步骤，在加工范围较大时进一步包含一平面平移复制加工步骤。首先聚焦于加工件下表面及上表面之间的一聚焦深度，然后***控制单元控制驱动轴控制单元而将承载平台在横方向及纵方向移动，而使得激光束在加工件一聚焦平面上加工，控制测量单元在镭射加工时可实时测量材料表面的轮廓及加工深度，再将测量值传送给***控制单元，***控制单元依据测量值，微调聚焦控制单元，或进一步控制驱动轴控制单元在垂直方向上移动，而由下往上表面逐层加工切除。

本发明利用由下往上表面移动镭射在加工件的聚焦深度的方式，在加工的同时，尘屑藉由自然重力向下掉落，因此可省略现有技术中的集尘及退屑装置，而减少成本，进而缩短加工时间；并可改善以往加工时的锥角问题，依照本发明的镭射加工装置与镭射加工和位移补偿的方法，可将锥角由原本的7～8度减少为小于2.5度，而进一步改善加工精度。

附图说明

图1A至图1C为现有技术中镭射加工过程的示意图。

图2为本发明应用于脆性材料的镭射加工装置的示意图。

图3为本发明应用于脆性材料的镭射加工和位移补偿的方法的流程图。

图4A至图4C为本发明的镭射加工过程的示意图。

图5A、图5B为聚焦方式与离焦方式对热影响区域的比较示意图。

具体实施方式

以下配合说明书附图对本发明的实施方式做更详细的说明，以使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参阅图2，为本发明应用于脆性材料的镭射加工装置的示意图。如图2所示，本发明应用于脆性材料的镭射加工装置1包含镭射源11、聚焦控制单元13、镭射控制单元21、***控制单元23、承载平台31、驱动轴控制单元33、测量单元41以及影像撷取单元43。

镭射源11为固体镭射，藉由铷雅铬(Nd:YAG)晶体或钕钒酸钇(Nd:YOV4)倍频晶体，利用Q切换开关(Q-switch)产生脉冲镭射，该脉冲镭射的波长为以1064nm所倍频的任意波长，进一步小于或等于355nm，所采用的重复频率大于或等于10KHz，脉冲能量大于或等于90μJ，且激光束L的光点小于或等于200μm。聚焦控制单元13与镭射源11及***控制单元23连接，用以将激光束L聚焦于加工件50的任一位置及任一深度，在聚焦位置具时有最大的能量；镭射控制单元21用以控制镭射源11的开启或关闭；***控制单元23连接聚焦控制单元13、镭射控制单元21、驱动轴控制单元33、测量单元41以及影像撷取单元43，用以计算激光束L的聚焦位置和聚焦深度等参数，并依据所述参数控制聚焦控制单元13以及驱动轴控制单元33进行镭射加工。承载平台31用以承载加工件50；驱动轴控制单元33直接附接于承载平台31，使承载平台31可在横方向、纵方向以及垂直方向移动，测量单元41配合驱动轴控制单元33测量加工件50在横方向、纵方向以及垂直方向上的尺寸、加工范围以及加工深度等，并将多个测量值传送给***控制单元23以进行该等参数的计算，并在镭射加工进行时，实时监控加工件50表面的曲率或轮廓形状变化，并回授至***控制单元23，使镭射加工深度与表面轮廓维持一定值。影像撷取单元43用以撷取加工的影像，作为检测的辅助。

本发明所涉及的加工件50为脆性材料，包含硅晶圆、玻璃、石英、硅芯片、蓝宝石晶圆、陶瓷、压克力及电路板等，可以接收激光束L的能量，并具有适当的穿透率及吸收率；***控制单元23所计算出激光束L的聚焦深度可为加工件的下表面51至加工件的上表面53之间的任一深度。

本发明可进一步包含一高斯分布滤镜(未显示)，而使激光束L的光点区域缩小，达到切割、划线、钻孔时线宽小于或等于10μm的结果。

参阅图3，为本发明应用于脆性材料的镭射加工和位移补偿的方法的流程图。如图3所示，本发明应用于脆性材料的镭射加工和位移补偿的方法包含准备步骤S10、扫描步骤S20、加工步骤S30以及加工完成步骤S40，参照图2的镭射加工装置1，准备步骤S10是将镭射加工装置1开启暖机，并将加工件50设置于镭射加工装置1的承载平台31上；扫描步骤S20是利用镭射加工装置1的测量单元41以及驱动轴控制单元33扫描加工件50横方向、纵方向以及垂直方向的尺寸以及加工范围，并在扫描后将多个测量值传送给***控制单元23，计算出激光束L的聚焦深度及位置，并将加工范围网格化分割，区分出至少一个网格，每一网格的间距小于或等于0.04mm。

加工步骤S30，参阅图4A至图4C，本发明镭射加工过程的示意图，以钻孔为例，镭射控制单元11启动激光束L，如图4A所示，首先聚焦于加工件下表面51，***控制单元23控制驱动轴控制单元33，将承载平台31在横方向及纵方向移动，而使得激光束L在加工件50一聚焦平面上进行加工，控制测量单元41在镭射加工时会测量加工深度、表面的曲率或轮廓形状变化，再将测量值传送给***控制单元23，***控制单元23依据测量值，微调聚焦控制单元13，或进一步控制驱动轴控制单元33，然后再如图4B至图4C图所示，将激光束L的聚焦深度由下往上表面53移动激光束L在加工件50的聚焦深度。若是刻画或其它的加工时，可改变聚焦的位置，但仍以由下向上改变聚焦深度的方式进行加工。进一步地，本发明可以将激光束L的聚焦深度，聚焦于加工件50的下表面之外，使激光束L以离焦方式进行镭射加工，降低在镭射加工时在加工表面的能量，而减少激光束L的热影响区域。聚焦方式与离焦方式对热影响区域的比较图如图5A、图5B所示。

加工完成步骤S40，是在加工完成后，将镭射加工装置回归初始位置，经过一冷却时间后，将加工件50退出。此外，本发明应用于脆性材料的镭射加工和位移补偿的方法在加工范围较大时，进一步具有较大的加工范围时，在该加工步骤S30之后，进一步包含一平面平移复制加工步骤S35，该平面平移复制加工步骤S35依据扫描步骤S20所区分出的这些个网格，首先在一网格中进行该加工步骤S30，完成一网格后，再以驱动轴控制单元33将承载平台31在横方向及纵方向横移，以平面平移复制的方式移动至加工件50的另一网格，再重复该加工步骤S30进行镭射加工，依此重复。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (15)

1.一种应用于脆性材料的镭射加工装置，其特征在于，包含：

一镭射源，用以产生一激光束；

一聚焦控制单元，与该镭射源连接，以将该激光束聚焦于一加工件；

一镭射控制单元，用以控制镭射的开启及关闭；

一***控制单元，连接该聚焦控制单元及该镭射控制单元，用以计算出该镭射的多个参数，并依据所述参数对该加工件进行镭射加工；

一承载平台，用以承载该加工件；

一驱动轴控制单元，附接于该承载平台并连接该***控制单元，受到该***控制单元控制，可使该承载平台在横方向、纵方向以及垂直方向移动；

一测量单元，与该***控制单元连接，用以测量该加工件的一尺寸、一加工范围及一加工深度，并将多个测量值传送至该***控制单元；以及

一影像撷取单元，与该***控制单元连接，用以撷取该加工的影像；

其中该***控制单元根据所述测量值，而调整该驱动轴控制单元以及该聚焦控制单元的至少其中之一，而改变该镭射位于该加工件一聚焦深度及一聚焦位置，其中该镭射位于加工件的该聚焦深度位于该加工件的一上表面及一下表面之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该镭射源是由一倍频晶体，且利用一Q切换开关产生一脉冲镭射。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该倍频晶体为一铷雅铬或一钕钒酸钇的其中之一。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该脉冲镭射的波长是以1064nm倍频产生的任一种波长。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该脉冲镭射的波长进一步小于或等于355nm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该激光束具有大于或等于10KHz的一重复频率、大于或等于90μJ的一脉冲能量，以及小于或等于200μm的光点。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该加工件为脆性材料，为一硅晶圆、玻璃、一石英、一硅芯片、一蓝宝石晶圆、一陶瓷、一压克力及一电路板的任一种，对于该镭射有一穿透率及一吸收率。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该测量单元在镭射加工进行时实时监控该加工件的表面的一曲率变化或一轮廓形状变化，并回授至该***控制单元，使一镭射加工深度与一表面轮廓维持一定值。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含一高斯分布滤镜，以缩小激光束的一光点。

10.一种应用于脆性材料的镭射加工和位移补偿的方法，其特征在于，步骤包含：

一准备步骤，是将一镭射加工装置开启暖机，并将一加工件设置一承载平台上，其中该镭射加工装置具有一镭射源、一聚焦控制单元、一***控制单元、一镭射控制单元、一驱动轴控制单元、一测量单元以及该承载平台；

一扫描步骤，利用该测量单元以及该驱动轴控制单元扫描该加工件的一尺寸以及一加工范围，并在扫描后将多个测量值传送给该***控制单元，该***控制单元计算出一镭射聚焦深度及一镭射聚焦位置，并将该加工范围区分为至少一个网格；

一加工步骤，以该镭射控制单元启动该镭射源，首先将一激光束聚焦于该聚焦深度，再将该承载平台在横方向及纵方向移动，使得该激光束在一聚焦平面上对该加工件进行加工，然后将该镭射聚焦深度由该加工件的下表面往一加工件的上表面移动，其中该聚焦深度在该加工件的下表面与该加工件的上表面之间；以及

一加工完成步骤，是在该加工步骤完成后，将该镭射加工装置回归一初始状态，经过一冷却时间，将加工后的该加工件退出。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，利用该测量单元测量一加工深度，再将多个测量值传送给该***控制单元，该***控制单元依据所述测量值，微调该聚焦控制单元，或进一步控制该驱动轴控制单元在垂直方向移动，而将该镭射聚焦深度由该加工件的下表面往一加工件的上表面移动。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该聚焦位置位于该加工件的下表面。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该聚焦位置位于该加工件的下表面之外。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包含一平面平移复制加工步骤，在该加工步骤之后，依据该扫描步骤所区分出的所述网格，首先在一网格中进行该加工步骤，完成该网格后，该控制***再以该驱动轴控制单元将承载平台在横方向及纵方向横移，以一平面平移复制的方式移动至另一网格，再重复该加工步骤。

15.如权利要求10或14所述的方法，其特征在于，所述网格之间具有一间距，该间距小于或等于0.04mm。

Images