CN1024438C - 多功能激光调阻机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多功能激光调阻机。主要包含调准指示激光***、带有开关***的Nd：YAG激光器有消除滞留水构件、泄压孔、三维可调的支撑架；带有单非球面会聚镜、两光程补偿镜和双色转向镜的扩束会聚***；有热沉样品盘、冷光照明和吸排烟器的样品工作台和有列管式换热器的超净循环水冷却***。它具有结构合理，各***部件成本低，制作技术简便易行等优点，适用于调阻、划片、引线焊接等。

Description

本发明涉及用激光加工电阻膜层的加工机。

已有技术：

（1）英国控制激光有限公司（Control    Laser    limited    Industrial）研制的101型手动电阻调值***（Manul    Resistor    Trimming    Systems    Model    101）和102型半自动调值/划片机（Semi-Automatic    Trimmer/Scriber    Model    102）。

（2）美国芝加哥激光设备公司（Chicago    Laser    System    Inc.）研制的CLS-37S型激光电阻调值***。

（3）美国电子科学工业公司（Electro    Scientific    Industries，Inc.）研制的ESI44型激光调值***（ESI    Model    44    Laser    Trimming    System）和ESI    8000b型激光程控***（ESI    Model    8000b    Laser    Processing    System）。

（4）华北光电技术研究所研制的JJ-A型JJ-C型激光微调机（《国内激光产品目录》，国内激光产品目录编写组编，上海科学文献出版社出版发行，1987年7月）

上述几种激光调阻机，主要包括声光调Q的激光头部和光学***、样品工作台、电源、水冷、监测与微机等几部份。这些机型，效率与自动化程度较高，对各组成部件的性能要求，因而价格昂贵，每台需要10-30万美元，中小企业几乎无能力购置。除CLL-102和JJ-A、JJ-C型机可用于切割瓷质基片外，都只能用于电阻膜调阻，均不具备焊接功能，上述各调阻机中，存在下述不足：

1.JJ-A、C型机全水冷聚光腔进出水口外的机械加工圆角，造成循环冷却水的滞留，滞留水受泵浦灯壁加热而产生滞留汽泡，这种滞留的水汽使灯壁冷却不良，往往导致泵浦灯热炸损坏。全水冷聚光腔中包银或镀银的椭圆玻璃聚光筒与金属支座的封闭间层中的空气，受热后等容升压，使玻璃聚光筒受到热气压应力，是损坏玻璃聚光筒的主要原因之一。

2.上述各调阻机中，采用声光调QYAG激光器，由于声光介质熔石英对1.06μm光的声光衍射效率仅为50%左右，使开关比不够理想，经调Q后输出的激光脉冲有（直流）连续激光背底，这对1.06μm反射较大的电阻膜，如铂电阻厚膜，进行激光调阻时，会产生烧蚀汽化切痕附近铂材料发黑现象，独家垄断世界厚膜铂电阻市场的Matthey公司的调阻样品，就存在这个问题。

3.上述各调阻机中，激光工作物质YAG棒在主机光路的位置是靠精密的机械加工一次定位的，由于实际使用的YAG棒的均匀性不是理想的，往往需要沿轴线自旋调整以选取最佳工作状态，机械定位结构在棒位置变动（换新棒时亦然）时，使棒的同轴同心难于调整。

4.上述各调阻机中，采用分离式球面镜进行光束会聚，而且会聚转向镜座是固定不可调的，这给采用带摄影镜筒的体视显微镜作观测***带来光路级联对调的困难。

5.上述各调阻机中，用632.8nm波长的HeNe激光束作为不可见的1.06μm激光的位置指示光束，由于扩束会聚光学***的色差，使两种波长光的焦点不重合，在1.06μm焦斑外，波长为632.8nm的HeNe光斑成为较大的弥散圆斑，指示不够理想。

6.上述各调阻机中，超净循环水冷却***中的热交换器采用螺旋管式结构，占用空间不紧凑，热交换效率不高。

7.上述各调阻机中，无吸烟排尘装置，激光调阻或划片时溅出的汽化粉尘，染污环境和光学***。

本发明的目的是针对上述调阻机的不足之处，设计出一种具有多功能低成本的激光加工电阻膜的调阻机。

本发明的多功能激光调阻机主要包含调准指示激光1、Nd：YAG激光器2、扩束会聚***3、样品工作台4、目视观测与摄像监视***5、阻值动态测量***6、超净循环水冷却***7、激光与Q开关电源8。如方框图1所示。由Nd：YAG激光器2，产生波长1.06μm的激光束，经扩束会聚***3扩束并聚焦在样品工作台4中处于焦平面位置的样品26上，形成高功率密度的微细激光束，用以对样品26的微调加工。加工过程中由一架于样品工作台4顶上的目视观测与摄像监视***5观测，微调加工精度由阻值动态测量***6实时测量，达到所需精度后，阻值动态测量***6输出反馈控制信号输入到激光与Q开关电源8上，进而关闭Nd：YAG激光器2的激光输出。调准指示激光1是选用由可见光波段的激光器，置于工作激光器即Nd：YAG激光器的同一光路中，两激光器光轴完全重合。调准指示激光1是用来调整光路并指示不可见光如1.06μm加工激光束在样品26上的位置，Nd：YAG激光器2所需要的冷却水由超净循环水冷***7提供。

（1）本发明所用的YAG激光器2的全水冷聚光腔17，在出入水口的圆角部位，有消除滞留水构件71，该构件可以是用填充防水滞留填料如环氧树脂粘结剂、氧化铝粉胶粘物、硅橡胶等，用其填料填充水流流线外面的滞水空间，填料表面有光学高反射薄层。该消除滞留水构件71或者是在滞留水汽的空间采取高位开孔，与水冷循环回路并联接出疏导分路，分路管径以不影响激光水冷效果为准。

（2）上述YAG激光器2中，在聚光腔17的玻璃聚光筒金属支 座的底面两侧中央部位，有泄压孔72，去除玻璃聚光筒与支座密封间层中空气热气压对聚光筒的应力，泄压孔的直径通常是φ1-3mm之间。

（3）上述YAG激光器2中，在支撑YAG棒的聚光腔17下面，有转动、平动、升降三维可调的支撑架73，它既可微调，又可锁紧，可以保证YAG棒更换或自旋转动调整时，简便地调成与主光路轴线同轴同心。

（4）上述扩束会聚***3中，用单片非球面会聚镜23代替上述调阻机中的多片分离会聚镜，置于Z方向调焦镜筒47中。

（5）上述扩束会聚***3中，采用两块光补偿镜21，24，对632.8nm波长的调准指示激光1进行色差修正，通过拉推结构，装在扩束负透镜20与非球面会聚镜23后面相应的位置上，当补偿光路时632.8nm光的色差得到修正，HeNe光的可见焦点准确与1.06μm光的不可见焦点重合，借以准确指示其在样品26上的位置，当调阻时再将补偿镜21、24拉出光路。

（6）上述扩束会聚***3中，双色转向镜25，镀1.06μm和632.8nm波长的双色膜。其中1.06μm波长的45°全反射膜，一方面使1.06μm激光经45°转向会聚到样品26上去，另一方面经样品26反射的1.06μm激光，不能透过转向镜25进入目视观测***5，起到对人眼的激光防护作用。双色膜中的632.8nm波长的45°半透膜，则保证HeNe光既可会聚在样品26上，又可使样品26反射光透过转向镜25成像在目视***29-35中以利监测。上面所述1、2、3、4、5、6特点如图2所示。

本发明的非球面会聚镜23和双色转向镜25的镜座42-53，有三点独特的结构，如图3所示，一是镜筒有轴向拉伸调节结构（图3中42，43），二是双色转向镜25有旋转调节结构43、52，前者可调焦斑在观测视场中横向位置，后者可方便的调节纵向位置，这对采用体视显微镜29-35作目视观测的视场级联对调，成为轻而易举的事。 三是对会聚镜23有Z方向调焦手轮44-49，可用以调整切痕大小，以利精确调焦。

（7）样品工作台4中，为了适应对热敏膜的调阻，尽量减小热影响并尽快平衡散掉余热，采用具有大热容量的热沉样品盘26，并采用冷光照明28。为去除调阻、切片时汽化粉尘的污染，加装吸口改制过的吸尘器作吸排烟器74。

（8）上述超净循环水冷***7中，热交换器是采用换热效率高、体积小的列管式换热器61代替螺旋管式换热器。

（9）本发明的Nd：YAG激光器2的开关***13可以是声光的开关或者采用开关比大的高重复率电光Q开关代替开关比小的声光Q开关，确保输出调Q脉冲激光中，连续激光分量可忽略，借以提高调阻切痕的质量。

本发明的多功能激光调阻机，因采用上述结构，有下述优点：

（1）YAG激光器中聚光腔的消除滞留水构件可防止泵浦灯热炸而危及灯棒的安全。从而延长其使用寿命。

（2）聚光腔中玻璃聚光筒支座上的泄压孔，可有效地防止玻璃聚光筒的应力损坏，从而也延长聚光腔的使用寿命。

（3）聚光腔下面以调节的支撑架便于更换新棒时的光路调整，和棒自旋转选取最佳工作部位的调整。

（4）采用单片会聚镜，使整机结构简单。

（5）对632.8nm指示光的光程补偿，使其指示不可见1.06μm激光位置更准确。

（6）会聚和转向镜座的特殊结构，使采用的目视监测体视显微镜视场对中调整简便。

（7）热沉样品盘与冷光照明使调阻机适用于热敏膜的激光调阻，吸排烟器可防止粉尘的污染。

（8）列管式换热器使内外循环水冷换热效率提高。

（9）当Nd：YAG激光器的开关***采用大开关比高重复率的电光开关时，使调Q脉冲激光无连续波成分，使调阻切痕，边界清楚，无边缘发黑现象。

（10）在保证激光束调阻、划片性能与已有技术相合情况下，所使用的元部件都是普通的容易获得的，结构合理，各***部件成本低、制造技术简便易行。而且本发明的调阻机适用调阻、划片，还适用引线焊接，具有多种功能。

附图说明：

图1.是多功能激光调阻机结构框图

图中1-调准指示激光***

2-Nd：YAG激光器

3-扩束会聚***

4-样品工作台

5-目视观测摄像监视***

6-阻值动态测量***

7-超净循环水冷却***

8-激光与Q开关电源

图2.是多功能激光调阻机光路示意图

图中    9-HeNe指示激光管

10-632.8nm，45°全反镜Ⅰ

11-632.8nm，45°全反镜Ⅱ

12-1.06μm激光全反镜

13-Q开关

14-选模小孔光栏

15-氪泵浦灯

16-YAG棒

17-聚光腔

18-滤紫外护套管

19-1.06μm激光输出镜

20-扩束负透镜

21-补偿镜Ⅰ

22-扩束正透镜

23-非球面会聚镜

24-补偿镜Ⅱ

25-双色转向镜

26-样品与铜热沉样品盘

27-X-Y拖板

28-冷光照明光源

29-体视显微镜物镜Ⅰ

30-转换变倍物镜Ⅱ

31-物镜Ⅲ

32-45°转向棱镜

33-目镜分划板

34-观测目镜Ⅰ

35-目镜Ⅱ

36-摄像转换棱镜Ⅰ

37-摄像转换物镜

38-摄像转换棱镜Ⅱ

39-摄像机物镜

40-摄像机

41-监视器

71-消除滞留水构件

72-泄压孔

73-三维可调的支撑架

74-吸排烟器

图3.是会聚转向镜座改进机械结构图

图中42-镜筒支承

43-镜筒

44-移动螺母

45-滚柱

46-止推螺母

47-调焦镜筒

48-圆头螺钉

49-减压片

50-斜压圈A

51-斜压圈B

52-双色镜座

53-双色镜座压圈

图4.是JLC-15测量显微镜部件改为X-Y拖板示意图

图中54-斜板

55-15J拖板改制件

56-封板

图5.是超净循环水冷却***7的示意图

图中57-磁性泵

58-温度继电器

59-压力控制器

60-离子交换器

61-热交换器

62-水箱

63-粒子过滤器

64-外循环自来水入口

65-外循环自来水出口

66-回水盖

67-管束换热器

68-壳体

69-后盖

70-支座

最佳实施例：参照附图2，3，4，5描述如下：

调准指示激光1，由HeNe激光管9，两块632.8nm的45°全反射镜10，11组成，输出632.8nmHeNe激光1mW。HeNe激光管近阴极或阳极处，串10kΩ外限流电阻以稳定放电输出。HeNe激光管9装在φ30的四维调整架上。两全反镜10，11，分别装在四维可调的支座上。

YAG激光器2，由1.06μm激光全反镜12、融石英声光Q开关13、选模小孔光栏14、掺铈灯管的氪泵浦灯15、YAG棒16、全水冷聚光腔17、滤紫外护套管18、1.06μm激光输出镜19组成。 全反射镜12、镀1.06μm全反射硬膜，输出镜19、镀1.06μm的反射率为90%的硬膜，两者装在φ20的二维调节架上，构成激光谐振腔。全水冷聚光腔17的进出水口外的消除滞留水构件71是采用环氧树脂粘结剂填充滞留水空间，并在其填料表面涂一薄层704硅橡胶。在聚光腔下底面右侧中央部位有φ3的泄压孔72。装好灯棒的聚光腔安放在平动-转动座73上，整个调Q激光器放在导轨支架上，与HeNe管取上下分层放置结构。1.06μm激光连续输出60W，调Q输出平均功率10W（2KHz时）。

扩束会聚***3由扩束负透镜20、补偿镜Ⅰ21、扩束正透镜22、非球面会聚镜23、补偿镜Ⅱ24、双色转向镜25组成。扩束镜20、22装在扩束镜筒中，补偿镜21、24装在推拉机构中，会聚镜23与双色转向镜25装在如图3所示机构中，聚焦的1.06μm激光光斑直径为30μm。

样品工作台4由样品与铜热沉样品盘26、X-Y拖板27、冷光照明源28和吸排烟器74组成。本实施例中样品为厚膜测温铂电阻，样品盘专门为铂电阻膜调阻而设计。X-Y拖板由JLC-15拖板改制，如图4所示的结构。行程50mm，位移手轮最小分度10μm，重复精度小于3μm。工作台后侧装有排烟器74，此排烟器可用通常的吸尘器将吸嘴改制而成。

目视观测摄像监视***5由显微物镜Ⅰ29、转换变倍物镜Ⅱ30、物镜Ⅲ31、45°转向棱镜32、目镜分划板33、观测镜Ⅰ34、目镜Ⅱ35、摄像转换棱镜Ⅰ36、摄像转换物镜（Ⅰ，Ⅱ）37，38，摄像机物镜39、摄像机40、监视器41组成。采用XTT-XE体视显微镜作目视观测，去掉支座，在调焦齿条滑块处与主机联接。采用小型闭路电视***作摄像监视，摄像物镜增加近拍圈，并以三片式支架与 体视显微镜摄影镜筒联接。

调阻动态测量***6，由Flux-45双显示多功能测量仪配以特别精密模拟电压比较线路，作激光调阻测量，消联线接触电阻，阻值精度范围予置，合格通过与阻值显示，并给出关闭声光调制，停止调阻激光输出，达到闭环控制。

超净循环水冷却***7由磁性泵57、温度继电器58、压力控制器59、离子交换器60、热交换器61、水箱62、粒子过滤器63、外循环出入水口64，65组成。采用抗腐蚀性能优异，无轴封渗漏的CQB型氟塑料合金磁力泵驱动超净水内循环。采用结构新颖紧凑的GLC2型列管式油冷却器作热交换器，将回水盖66、壳体68、后盖69的内侧面，管束换热器67的外侧镀防锈层，如镍铬锡等。

激光与Q开关电源8由连续YAG激光电源、JD-252型HeNe激光电源和AOQ-40Ⅱ型声光电源组成，与水冷***一并装在机箱中。

本实施例，用于测温铂电阻厚膜样品，经实验可成功的对其进行调阻、切片（瓷片）、焊接（引线）的多功能加工，加工后的样品符合国际IEC751-85标准。

Claims (7)

1、一种多功能激光调阻机，是有Nd：YAG激光器(2)产生激光束，经扩束会聚***(3)扩束聚焦在样品工作台(4)中处于焦平面位置上的样品盘(26)上，样品工作台(4)上还架有目视观测与摄像监视***(5)，由阻值动态测量***(6)实时监测输出反馈控制信号给激光与Q开关电源(8)，从而由激光与Q开关电源(8)控制Nd：YAG激光器(2)的激光输出，在Nd：YAG激光器(2)的同一光路中有可见光波段的调准指示激光(1)，还有供Nd：YAG激光器(2)冷却所用的超净循环水冷***(7)，其特征在于Nd：YAG激光器(2)的全水冷聚光腔(17)出入水口的圆角部位有消除滞留水构件(71)，聚光腔(17)金属支座的底面两侧中央部位有泄压孔(72)，聚光腔(17)下面有转动、平动、升降三维可调的支撑架(73)；扩束会聚***(3)中有置于Z方向调焦镜筒(47)中的非球面会聚镜(23)，在会聚镜(23)与样品(26)之间置有双色转向镜(25)，当补偿光路时，有补偿镜(21)置于扩束负透镜(20)和扩束正透镜(22)之间，将补偿镜(24)置于非球面会聚镜(23)和双色转向镜(25)之间；样品工作台(4)上的样品是置于有大热容量的样品与铜热沉样品盘(26)里，样品盘(26)是置于X-Y拖板上，样品盘(26)的顶上有冷光照明光源(28)和吸排烟器(74)；作为Nd：YAG激光器(2)水冷***的超净循环水冷却***中有列管式换热器(61)。

2、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于消除滞留水构件（71）可用填料填充于水流线外面的滞水空间，填料表面有光学高反射薄层;或者是在滞留水汽的空间于高位处开孔，与水冷循环回路并联接出疏导分路。

3、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于非球面会聚镜（23）和双色转向镜（25）的镜座有轴向拉伸调节结构（42）、（43），双色转向镜（25）还有旋转调节结构（43）、（52），对非球面会聚镜（23）有Z方向调焦的由移动螺母（44）、滚柱（45）、止推螺母（46）、调焦镜筒（47）、圆头螺钉（48）和减压片（49）构成的手轮。

4、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于Nd：YAG激光器（2）的开关***（13）是声光Q开关，或者是电光Q开关。

5、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于聚光腔（17）金属支座上泄压孔（72）的直径是φ1-3mm之间。

6、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于作为光程补偿所用的补偿镜（21）和补偿镜（24）有拉推结构的支撑架，分别装于扩束负透镜（20）及扩束正透镜（22）之间和非球面会聚镜（23）及双色转向镜（25）之间。

7、根据权利要求1所述的一种多功能激光调阻机，其特征在于双色转向镜（25）镀有的双色膜是对Nd：YAG激光器（2）的1.06μm波长的45°全反射膜和对作为调准指示激光器（1）的氦氖激光器波长632.8nm的45°半透膜。

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