CN104942430B - 激光加工装置以及激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使频率发生变动，也能够准确地判定激光脉冲的良好及不良的激光加工装置及激光加工方法。光束扫描器使脉冲激光束入射到加工对象物，并且使表面的入射位置移动。光检测器检测各激光脉冲的依赖于脉冲能量的物理量。路径切换器将脉冲激光束的路径在入射到加工对象物的第1路径与不入射到加工对象物的第2路径之间进行切换。控制装置控制光束扫描器，以使脉冲激光束按照加工顺序入射到被加工点的位置，同时检测依赖于脉冲能量的物理量，根据物理量的分布来确定物理量的容许范围。在加工过程中，控制装置使通过光检测器检测出的物理量在容许范围内的激光脉冲的至少一部分沿着第1路径传播，使超出容许范围的激光脉冲沿着第2路径传播。
Description
本申请主张基于2014年3月27日申请的日本专利申请第2014-064974号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种按照顺序使脉冲激光束入射到在加工对象物表面划定的多个被加工点而进行激光加工的激光加工装置及激光加工方法。
背景技术
下述专利文献1中公开有使用脉冲激光束在配线基板上进行开孔加工的技术。在专利文献1所公开的方法中，在具有小于容许值的脉冲能量的激光脉冲入射到配线基板的情况下，通过对该部位入射额外的激光脉冲，能够补偿脉冲能量的不足量。
在下述专利文献2所公开的方法中，检测激光脉冲的上升部分的能量。若检测结果在容许范围内，则使该激光脉冲的后续部分入射到加工对象物而进行加工。若检测结果超出容许范围，则不使该激光脉冲入射到加工对象物。由此，能够防止能量不足或能量过剩的不良激光脉冲入射到加工对象物。
专利文献1：日本专利第2858236号公报
专利文献2：日本特开2009-148812号公报
为了准确地确定激光脉冲的脉冲能量的容许范围或激光脉冲的上升部分的能量的容许范围，需要以不同的脉冲能量进行各种评价试验。也可以根据激光光源正常工作时的脉冲能量的偏差来确定脉冲能量的容许范围。通过该方法能够轻松地确定容许范围。
脉冲能量依赖于脉冲的重复频率(以下简称为“频率”)。因此，若激光加工时的频率产生偏差，则脉冲能量的偏差会变大。若脉冲能量的偏差变大，则即使激光光源正常工作，脉冲能量也有可能超出最初确定的容许范围。若以最初确定的容许范围为基准来判定激光脉冲的良好及不良，则有时正常工作中输出的激光脉冲会被判定为不良。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使频率发生变动也能够准确地判定激光脉冲的良好及不良的激光加工装置及激光加工方法。
根据本发明的一种观点，提供一种激光加工装置，其具有：
激光光源，输出脉冲激光束；
载物台，保持加工对象物；
光束扫描器，使从所述激光光源输出的所述脉冲激光束入射到所述加工对象物，并且使所述加工对象物表面上的入射位置移动；
光检测器，检测从所述激光光源输出的所述脉冲激光束的各激光脉冲的依赖于脉冲能量的物理量；
路径切换器，将从所述激光光源输出的所述脉冲激光束的路径在入射到所述加工对象物的第1路径与不入射到所述加工对象物的第2路径之间进行切换；及
控制装置，存储所述加工对象物表面的多个被加工点的位置及加工顺序，并根据所述被加工点的位置、所述加工顺序及所述光检测器的检测结果来控制所述光束扫描器及所述路径切换器，
所述控制装置执行加工前准备工序，在所述加工前准备工序中控制所述光束扫描器，以使所述脉冲激光束按照所述加工顺序入射到所述被加工点的位置，同时通过所述光检测器检测各个激光脉冲的依赖于脉冲能量的所述物理量，并根据所述物理量的分布来确定所述物理量的容许范围，
在所述加工前准备工序之后，所述控制装置在所述加工对象物的加工过程中使通过所述光检测器检测出的所述物理量在所述容许范围内的激光脉冲的至少一部分沿着所述第1路径传播，使超出所述容许范围的激光脉冲沿着所述第2路径传播。
根据本发明的另一观点，提供一种激光加工方法，其具有以下工序：
控制光束扫描器，以使脉冲激光束按照规定的加工顺序入射到规定的被加工点的位置，同时测量各激光脉冲的依赖于脉冲能量的物理量；
根据测量出的所述物理量的分布来确定所述物理量的容许范围；及
按照所述加工顺序使脉冲激光束入射到加工对象物上的所述被加工点的位置，从而进行激光加工，
在所述进行激光加工的工序中，测量所述脉冲激光束的各激光脉冲的所述物理量，当测量结果在所述容许范围内时使该激光脉冲的至少一部分入射到所述加工对象物，当测量结果超出所述容许范围时不使该激光脉冲入射到所述加工对象物。
由于实际上在控制光束扫描器的同时输出脉冲激光束，并测量依赖于脉冲能量的物理量，因此，基于加工时的脉冲激光束的频率的偏差的脉冲能量的偏差体现在容许范围的确定中。因此，能够准确地判定激光脉冲的良好及不良。
附图说明
图1是实施例的激光加工装置的示意图。
图2是表示触发信号trg、入射到路径切换器的激光脉冲Lp1、在加工路径中传播的激光脉冲Lp2、在收集器路径中传播的激光脉冲Lp3、控制路径切换器的控制信号con、及从光检测器向控制装置发送的检测信号det的时序图及波形的一例的图表。
图3A是从激光光源以恒定频率输出激光脉冲时的时序图，图3B是以恒定频率输出激光脉冲时的判定能量的直方图。
图4A是加工对象物的示意俯视图，图4B是加工过程中的激光脉冲的时序图，图4C是加工过程中的激光脉冲的判定能量的直方图。
图5是实施例的激光加工方法的流程图。
图6A是在步骤S1中从激光光源输出的激光脉冲的时序图，图6B是在图6A所示的时刻输出的激光脉冲的判定能量的直方图。
图7是表示被加工点的配置图案与容许范围之间的对应关系的图表。
图中：10-激光光源，11-照射光学***，13-光圈，15-路径切换器，16-加工路径，17-收集器路径，18-折回反射镜，20-光束扫描器，21-物镜，23-载物台，24-移动机构，30-部分反射镜，31-束流收集器，32-光检测器，40-加工对象物，41-被加工点，50-控制装置，51-存储装置，Lp1、Lp2、Lp3-激光脉冲，con-控制信号，det-检测信号，trg-触发信号，R0-正常范围，R1-容许范围。
具体实施方式
图1中示出实施例的激光加工装置的示意图。实施例的激光加工装置例如为对配线基板进行开孔加工的激光钻孔器。激光光源10从控制装置50接收触发信号trg，从而输出脉冲激光束。激光光源10例如使用二氧化碳激光器。
从激光光源10输出的脉冲激光束入射到照射光学***11。照射光学***11改变脉冲激光束的束散角及束径中的至少1个。透过照射光学***11的脉冲激光束入射到光圈13。照射光学***11具有使在光圈13位置上的光束分布均匀化的功能。光圈13对光束截面进行整形。
透过光圈13的脉冲激光束入射到路径切换器15。路径切换器15通过从控制装置50接收控制信号con而在加工路径16与收集器路径17之间切换脉冲激光束的路径。路径切换器15例如使用声光元件(AOD)。被输入的激光脉冲Lp1直线前进的路径相当于收集器路径17，激光脉冲衍射的路径相当于加工路径16。
沿着加工路径16传播的激光脉冲Lp2通过折回反射镜18偏向，从而入射到光束扫描器20。光束扫描器20被控制装置50控制，在二维方向上改变脉冲激光束的行进方向。光束扫描器20例如使用一对检流计扫描振镜。
通过了光束扫描器20的脉冲激光束透过物镜21而入射到加工对象物40。物镜21例如使用fθ透镜。加工对象物40例如为应进行开孔加工的配线基板。加工对象物40保持于载物台23。载物台23通过移动机构24沿与加工对象物40的表面平行的二维方向移动。通过控制装置50控制移动机构24。
通过物镜21，光圈13的开口部缩小投影到加工对象物40表面。通过光束扫描器20改变脉冲激光束的行进方向，由此能够使脉冲激光束的入射位置在加工对象物40表面上移动。
沿着收集器路径17传播的激光脉冲Lp3入射到部分反射镜30。透过部分反射镜30的激光脉冲入射到束流收集器31。通过部分反射镜30反射的激光脉冲入射到光检测器32。光检测器32例如使用对从激光光源10输出的脉冲激光束的波长区域具有灵敏度的能量计。基于光检测器32的检测信号det输入到控制装置50。
控制装置50包括存储装置51。存储装置51中存储有加工对象物40的多个被加工点的位置信息、加工顺序、及控制所需的各种信息。
图2中示出触发信号trg、入射到路径切换器15的激光脉冲Lp1、在加工路径16中传播的激光脉冲Lp2、在收集器路径17中传播的激光脉冲Lp3、控制路径切换器15的控制信号con、及从光检测器32向控制装置50发送的检测信号det的时序图及波形的一例。
在时刻t1，若触发信号trg上升，则激光脉冲Lp1稍晚而在时刻t2上升。在该时刻，路径切换器15的输出路径切换为收集器路径17。因此，在收集器路径17中传播的激光脉冲Lp3上升。
光检测器32检测到激光脉冲Lp3，并将检测信号det发送到控制装置50。检测信号det的大小与激光脉冲Lp3的功率基本成比例。控制装置50在从上升时刻t2起经过一定时间之后的时刻t3为止，对检测信号det进行积分。并且将积分结果存储在存储装置51中。
在时刻t4，控制装置50向路径切换器15发送切换为加工路径16的控制信号con。路径切换器15的输出路径由收集器路径17切换为加工路径16，由此激光脉冲Lp3下降而激光脉冲Lp2上升。由于激光脉冲Lp3下降，因而光检测器32的检测信号det也成为0。
在时刻t5，控制装置50向路径切换器15发送切换为收集器路径17的控制信号con。路径切换器15的输出路径由加工路径16切换为收集器路径17，由此激光脉冲Lp3上升而激光脉冲Lp2下降。由于激光脉冲Lp3上升，因而光检测器32的检测信号det也上升。
在时刻t6，触发信号trg下降。由此，激光脉冲Lp1及激光脉冲Lp3下降。由于激光脉冲Lp3下降，因而光检测器32的检测信号det也下降。
将光检测器32的检测信号det从时刻t2至t3进行积分的值(图2中带阴影部分的面积)相当于激光脉冲Lp1的上升部分的能量。若作为加工用而从激光脉冲Lp1切取的激光脉冲Lp2的脉冲宽度恒定，则激光脉冲Lp2的脉冲能量与激光脉冲Lp1的上升部分的能量具有相关关系。因此，能够通过激光脉冲Lp1的上升部分的能量来判定激光脉冲Lp2的脉冲能量是否正常。将激光脉冲Lp1的上升部分的能量称作“判定能量”。判定能量为依赖于脉冲能量的物理量。
从时刻t2至时刻t3为止的时间根据激光脉冲Lp1的平均上升时间来确定。作为从时刻t2至时刻t3为止的时间，可以采用激光脉冲Lp1的功率达到稳定状态为止的平均时间，也可以采用激光脉冲Lp2的功率达到稳定状态功率的90％为止的平均时间。
作为依赖于脉冲能量的物理量，也可以采用激光脉冲Lp1的上升部分的功率来代替上升部分的能量。若将上升部分中的时间轴上的仅1点的功率作为依赖于脉冲能量的物理量而采用，则由功率推测出的脉冲能量的可靠性降低。通过将上升部分中的时间轴上的多个部位的功率作为依赖于脉冲能量的物理量而采用，能够提高由功率推测出的脉冲能量的可靠性。
图3A中示出从激光光源10以恒定频率输出激光脉冲Lp1时的时序图。
图3B中示出以恒定频率输出激光脉冲Lp1时的判定能量的直方图。横轴表示判定能量，纵轴表示度数。当激光光源10正常工作时，判定能量的分布基本按照正态分布。若用m表示判定能量的平均值，用σ表示标准偏差，则绝大部分的激光脉冲Lp1的判定能量在m±3σ范围内(以下称为正常范围R0)。
图4A中示出加工对象物40的示意俯视图。在加工对象物40表面划定有多个被加工点41。通过使激光脉冲Lp2入射到被加工点41(图1)，进行开孔加工。被加工点41的加工顺序是事先确定的。在图4A中，用箭头表示加工顺序的一例。如图4A所示，从已被加工的被加工点41至下一个应加工的被加工点41为止的距离并非恒定，而是存在偏差。若脉冲激光束的入射位置的移动距离变长，则光束扫描器20的稳定时间也变长。因此，在加工对象物40的加工过程中，脉冲激光束的频率并非恒定，而是根据脉冲激光束的入射位置的移动距离而变动。
图4B中示出从激光光源10输出的脉冲激光束在加工期间中的时序图的一例。如图4B所示，脉冲激光束的频率存在偏差。
图4C中示出脉冲激光束的频率存在偏差时的判定能量的直方图。为了方便比较，用虚线表示脉冲激光束的频率为恒定时的判定能量的直方图。通常，从激光光源10输出的脉冲激光束的脉冲能量依赖于频率。例如，二氧化碳激光器中，若频率变高，则脉冲能量具有下降的倾向。
在频率存在偏差时的判定能量的偏差中，重叠有频率恒定时的判定能量的偏差和因频率存在偏差而导致的判定能量的偏差。因此，若频率存在偏差，则判定能量的偏差增大。当频率并非恒定时，即使激光光源10正常工作，也会发生判定能量超出正常范围R0的情况。
当进行仅将判定能量在正常范围R0内的激光脉冲用于激光加工的控制时，即使激光光源10正常动作，具有超出正常范围R0的判定能量的激光脉冲也无法用于加工。因此，激光能量的利用效率会降低。以下说明的实施例中，能够抑制在激光光源10正常工作的条件下因判定能量的偏差导致的激光能量的利用效率的降低。
图5中示出实施例的激光加工方法的流程图。在步骤S1中，根据加工对象物40的被加工点41(图4A)的位置及加工顺序来控制激光光源10及光束扫描器20，由此从激光光源10输出脉冲激光。此时，路径切换器15维持输出路径切换为收集器路径17的状态。因此，载物台23上不会入射脉冲激光束。但是，由于控制着光束扫描器20，因此脉冲激光束的频率中体现了光束扫描器20的稳定时间的偏差。
图6A中示出在步骤S1中从激光光源10输出的激光脉冲Lp1的时序图。与图4B所示的加工期间中的脉冲激光束的频率相同，步骤S1中的脉冲激光束的频率也存在偏差。光束扫描器20根据实际被加工点41的位置及加工顺序而被控制，因此步骤S1中的脉冲激光束的频率的偏差程度与加工时的脉冲激光束的频率的偏差程度相同。
光检测器32的检测结果输入到控制装置50。控制装置50求出各激光脉冲Lp1的判定能量，并将求出的判定能量存储在存储装置51中。
在步骤S2中，根据判定能量的分布来确定判定能量的容许范围R1。
参考图6B对判定能量的容许范围R1的确定方法进行说明。图6B中示出判定能量的直方图。为了方便比较，用虚线表示脉冲激光束的频率恒定时的判定能量的分布。用m1表示在步骤S1中求出的判定能量的分布的平均值，用σ1表示标准偏差。作为一例，将容许范围R1的上限值设为m1+3σ1，下限值设为m1-3σ1。由于判定能量的偏差，与频率恒定时的正常范围R0相比，频率存在偏差时的容许范围R1变得更宽。
在步骤S3(图5)中，将加工对象物40载置于载物台23(图1)。在步骤S4中，使光束扫描器20动作，并等待至脉冲激光束的光束扫描器20稳定为止。光束扫描器20稳定后，在步骤S5中，从激光光源10输出1个激光脉冲Lp1。在激光脉冲Lp1的输出开始时刻，路径切换器15的输出路径切换为收集器路径17。因此，基于光检测器32的光强度的检测信号det输入到控制装置50。控制装置50根据从光检测器32输入的检测信号det来计算判定能量。
在步骤S6中，判定判定能量是否在容许范围R1内。若判定能量超出容许范围R1，则激光脉冲Lp1下降后，返回到步骤S5，输出下1个激光脉冲Lp1。若判定能量在容许范围R1内，则进入步骤S7，通过控制路径切换器15，从激光脉冲Lp1切取激光脉冲Lp2(图2)，使激光脉冲LP2沿着加工路径16传播。激光脉冲Lp2入射到加工对象物40而进行开孔加工。
在步骤S8中，判定所有的被加工点41的加工是否已经结束。若还留有未加工的被加工点41，则返回到步骤S4，进行下一个被加工点41的加工。对每1个被加工点41入射多个激光脉冲而进行加工时，可应用循环模式加工或脉冲模式加工。
在循环模式加工中，对1个被加工点41入射1个激光脉冲后，使入射位置移动到下1个被加工点41。将对所有的被加工点41入射1次激光脉冲的顺序设为1个循环，通过重复多次该循环，能够使所希望的发射次数的激光脉冲入射到被加工点41。在进行循环模式加工时，在步骤S8中，若重复了所希望次数的循环，则判定为加工结束。
在突发模式加工中，对1个被加工点41连续入射所希望的发射次数的激光脉冲之后，进行下一个应加工的被加工点41的加工。在进行突发模式加工时，在使上一次激光脉冲及下一次激光脉冲入射到相同的被加工点41的情况下，无需在步骤S4中使光束扫描器20动作。
当所有的被加工点41的加工结束时，在步骤S9中，判定是否留有被加工点41的配置图案相同的未加工的加工对象物40。若留有未加工的加工对象物40，则返回到步骤S3，将下一个应加工的加工对象物40载置于载物台23。若没有未加工的加工对象物40，则结束加工工序。
在加工具有与上一次加工的加工对象物40的被加工点41的配置图案不同的配置图案的加工对象物40时，执行步骤S1～步骤S2的加工前准备工序，重新确定容许范围R1。
上述实施例中，即使是具有超出图6B所示的正常范围R0的判定能量的激光脉冲Lp1，判定能量在容许范围R1内的激光脉冲也可用于加工。因此，能够抑制激光能量的利用效率的降低。并且，在激光光源10工作不稳定导致判定能量超出容许范围R1时，该激光脉冲Lp1不会用于加工。因此，能够防止因入射脉冲能量不足或过多的激光脉冲Lp2而导致的加工品质的下降。
上述实施例中，在开始被加工点41的配置图案相同的多个加工对象物40的加工之前，实施步骤S1～步骤S2(图5)的加工前工序，确定容许范围R1。也可以将对所确定的容许范围R1与被加工点41的配置图案建立关联的对应关系存储在存储装置51中。
图7中示出该对应关系的一例。按照每1个被加工点41的配置图案，存储有容许范围R1的下限值及上限值。当下一个应加工的加工对象物40的被加工点41的配置图案存储在图7的对应表中时，可以省略步骤S1～步骤S2(图2)。在步骤S6中，只要判定判定能量是否在存储于存储装置51中的容许范围R1之内即可。
以上，根据实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，能够进行各种变更、改进以及组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (7)
1.一种激光加工装置，其具有：
激光光源，输出脉冲激光束；
载物台，保持加工对象物；
光束扫描器，使从所述激光光源输出的所述脉冲激光束入射到所述加工对象物，并且使所述加工对象物表面上的入射位置移动；
光检测器，检测从所述激光光源输出的所述脉冲激光束的各激光脉冲的依赖于脉冲能量的物理量；
路径切换器，将从所述激光光源输出的所述脉冲激光束的路径在入射到所述加工对象物的第1路径与不入射到所述加工对象物的第2路径之间进行切换；及
控制装置，存储所述加工对象物表面的多个被加工点的位置及加工顺序，并根据所述被加工点的位置、所述加工顺序及所述光检测器的检测结果来控制所述光束扫描器及所述路径切换器，
所述控制装置执行加工前准备工序，在所述加工前准备工序中控制所述光束扫描器，以使所述脉冲激光束按照所述加工顺序入射到所述被加工点的位置，同时通过所述光检测器检测各个激光脉冲的依赖于脉冲能量的所述物理量，并根据所述物理量的分布来确定所述物理量的容许范围，
在所述加工前准备工序之后，所述控制装置在所述加工对象物的加工过程中使通过所述光检测器检测出的所述物理量在所述容许范围内的激光脉冲的至少一部分沿着所述第1路径传播，使超出所述容许范围的激光脉冲沿着所述第2路径传播。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述控制装置根据所述物理量的标准偏差来确定所述容许范围的上限值及下限值。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，
所述控制装置在下一个应加工的加工对象物的被加工点的配置图案与上一次加工的加工对象物的被加工点的配置图案不同时，在进行下一个应加工的加工对象物的加工之前，执行所述加工前准备工序，重新确定所述容许范围。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，
所述物理量为所述激光脉冲的上升部分的能量。
5.一种激光加工方法，其具有以下工序：
控制光束扫描器，以使脉冲激光束按照规定的加工顺序入射到规定的被加工点的位置，同时测量各激光脉冲的依赖于脉冲能量的物理量；
根据测量出的所述物理量的分布来确定所述物理量的容许范围；及
按照所述加工顺序使脉冲激光束入射到加工对象物上的所述被加工点的位置，从而进行激光加工，
在所述进行激光加工的工序中，测量所述脉冲激光束的各激光脉冲的所述物理量，当测量结果在所述容许范围内时使该激光脉冲的至少一部分入射到所述加工对象物，当测量结果超出所述容许范围时不使该激光脉冲入射到所述加工对象物。
6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其中，
根据所述物理量的标准偏差来确定所述容许范围的上限值及下限值。
7.根据权利要求5或6所述的激光加工方法，其中，
所述物理量为所述激光脉冲的上升部分的能量。
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