CN1433350A - 基板加工装置和采用这样的装置加工基板的方法 - Google Patents

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Abstract

当把激光束(2)聚焦到一块基板(7)上以便进行基板加工时，通过光学仪器如光束扩展器(3)、偏转器(5)和光学成像装置(6)形成焦深区(8)，可以在焦深区中用最小光斑直径进行加工。首先在厚基板的情况下，钻设细孔是很困难的。根据本发明来设置第二激光束(12)，它通过第二光束扩展器(13)被扩展并通过偏转器(5)和光学成像装置也被聚焦在基板(7)上。通过选择第二光束扩展器(13)的放大率或通过失调准，可以改变第二焦深区(15)的位置和长度。通过先后使用两道激光束，也可以在厚基板(7)上钻设细孔。

Description

基板加工装置和采用这样的装置加工基板的方法
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的基板加工装置以及如权利要求7前序部分所述的且采用这样的装置的方法。
通常，在借助激光束加工基板时，如当对金属化基板表面进行结构化或在多层基板中钻设接触孔时，使用标准激光器如Nd：YAG激光器、Nd：YVO4激光器、CO2激光器、氩离子激光器或其它本身已知的激光器。这些激光器的输出光束通过光束扩展器、偏转器和一个光学成像装置成像于要加工的基板上，该光学成像装置通常是焦距为150mm～50mm的f-θ透镜。
在这种情况下，为了在加工基板时获得尽可能大的能密度和高分辨率，激光能量聚焦于尽可能小的表面上即所谓的最小光斑直径(“斑径”)，由于激光束从光束扩展器作为平行光束地射到光学成像装置上，所以该光斑位于光学成像装置的焦面内。在焦面的前面和后面，激光器的光斑直径大并因此只能在那里获得更低的能量密度。以下，被认为正好适用于加工的、在两光斑直径的焦面前后的位置之间的间距被称为焦深。按已知方式，作为激光波长、光束扩展和f-θ透镜焦距的函数而得到焦深。在大多数应用场合中，在波长1064nm的情况下，焦深为1mm～5mm，在波长266nm的情况下，焦深为0.1mm～1mm。
当在具有焦深数量级的厚度的基板上钻孔时出现这样的问题，即因为光斑直径在焦深边缘加宽，所以不是成圆柱形地鲜明形成孔，而是成尖锥形地形成孔，其中由于所用发激光器***规定了孔，所以孔锥度不可调。
为了改变可用的焦深区，已经知道了各种方法。其中一种方法是，可使用更长的波长，但在这种情况下，取决于基板材料地出现了部分被破坏并因而不理想的热效应。另一个可行方案在于，向在光学成像装置前面的更小的光束扩展，更小的光束扩展导致更大的焦深，但也导致更大的光斑直径，这样的光斑在最细微结构或孔的情况下不够精细。第三种方法是，在结构化或钻孔过程中始终使基板移向激光束，以便留在焦深区内。然而，这样所需的机械调准太慢，以致不能达到尽可能高的生产率(如大于100个钻孔/秒)。
因此，本发明的目的在于提供一种灵活的且不太费事的给不同基板钻孔的装置以及一种使用这样的装置的方法。
根据本发明，通过一种具有权利要求1特征部分特征的上述类型的装置和一种具有权利要求7特征部分特征的上述类型的方法完成了该任务。
通过本发明的解决方案，确保了至少两个不同的焦深区，它们被考虑用于加工不同基板。
在一个如权利要求2所述的优选实施例中，两个激光源是同样地构成的，从而两道激光束具有同样的波长，只根据这个共同的波长来设计偏转器和光学成像装置。
如权利要求3所述的光束扩展器的不同扩展导致了两个不同的焦深区，它们例如可被用于获得不同的锥形孔。
在如权利要求4所述的有利设计方案和如权利要求7所述的适用方法中，第二光束扩展器是失调准的，从而第二激光束的最小光斑的位置相对第一激光束的位置移动。由于在焦深区外的光束发散不起作用，因此可以在厚基板上钻设细孔。
通过如权利要求5所述的第二光束扩展器的可变化失调准，可以有利地使装置适应不同厚度的基板。
通过如权利要求8所述地采用不同波长，首先可以用与各层相匹配的波长来加工多层基板。
根据权利要求9，通过采用麦冬的激光束而使方法更加灵活，其中用于两个激光器的脉冲重复率或脉冲能被调节成是不同的。
结合图来详细描述本发明的一个实施例，其中：
图1是本发明装置的侧视示意图；
图2是带有通过第一激光束钻设的盲孔的基板的横截面图；
图3表示基板横截面，其盲孔如图2所示地继续用第一激光束进行钻设或继续用第二激光束进行钻设；
图4a是第一激光束的光路图；
图4b是具有失调准的第二光束扩展器的第二激光束的光路图；
图4c是具有有不同放大因数的第二光束扩展器的第二激光束的光路图。
在图1中，在示意侧视图中示出了本发明的装置。在这里，第一激光源1(如固态激光器如Nd：YAG激光器或Nd：YVO4激光器或气体激光器如CO2激光器氩离子激光器或其它适合的激光器)产生第一激光束2。第一激光束2被第一激光扩展器3扩展。图4a详细示出了在第一激光束2的光路内的第一激光扩展器3。在这种情况下，激光扩展器3包括第一透镜24和第二透镜25并原则上成开普勒望远镜结构，就是说，焦点(f1：第一透镜的焦距，f2：第二透镜的焦距)重合。如果现在平行光束的细光束先射入具有短焦距f1的第一透镜24并随后射入具有长焦距f2的第二透镜25，则其后的光束27具有更大的直径，这由光束扩展器3的放大因数决定。
随后，第一激光束2穿过半透明镜4地到达偏转器5，偏转器通过作为光学成像装置6的聚焦镜头把第一激光束2聚集到要加工的基板7上。在这种情况下，孔20通常通过使激光束2螺旋形或圆形地运动到基板7上而产生。通过聚焦，第一激光束2在基板平面内一直被聚焦成最小光斑直径9，其中通过光学成像装置6的焦距f3给出该最小光斑直径9的垂直位置10。在这种情况下，把所谓的f-theta透镜用作光学成像装置6，它意味着这样一种透镜，即其中在基板平面内的透镜偏转与激光束2通过偏转器5所偏转的角度成比例。根据光束直径、所用的光束2波长以及光学成像装置6的焦距，得到了第一焦深区8，在图1、图4a中示意地画出了这个焦深区。在光学成像装置6的聚焦面外，光斑扩展，因而，所钻孔的直径扩大或无法再象使用最小光斑直径9时那样细微地结构化。
根据本发明，设置产生第二激光束12的第二激光源11。第二激光束通过第二光束扩展器13被扩展并通过镜14和半透明镜4被耦合到第一激光束2的光路中，从而通过偏转器5和光学成像装置6也被聚焦到基板上。在这种情况下，半透明镜4被构造成对第一激光束2是透明的并对第二激光束12是反射的。
如图4b所示，在这种情况下，如此选择第二光束扩展器，即第二激光束12的焦深区15出现在不同于第一激光束的焦深区8的位置17上。在其它的同样构成的激光源1、11中，例如可如此实现这样的焦深区位置变化，即第二光束扩展器13是略微失调准(改变两个透镜24、25的相互间距)的，从而来自光束扩展器13的光束28不包含平行光束，而是包含略微发散或会聚的光束。光学成像装置6则在聚焦面前方或后面的平面内构成这种发散或会聚的光束28。如果两个透镜(24，25)的失调准被设计成是可相对变化的，则焦深区(8，15)可相应改变并根据理想的加工过程进行最佳调节。
如图4c所示，不同的焦深区同样可以通过变化的第二光束扩展器13的放大因数来实现。更大的放大因数导致射出光束29的更大的光束横截面并因而导致更小的最小光斑直径16和更小的焦深区15。因此，例如通过具有不同放大因数的第一光束扩展器3和第二光束扩展器13，可钻设出具有不同锥壁的孔。主要是在给孔镀覆金属以便接通的情况下，需要预定的锥度，以便实现尽可能良好附着的涂覆。
在图2、3中，以横截面图示意示出了一个在基板内钻孔的方法的两个步骤。在这里，借助第一激光束2，直达第一激光束2的焦深区地把盲孔20、22钻设到基板7中。在第二步骤中，通过使用具有第二焦深区的第二激光束12继续把右边的孔23钻得更细，同时用第一激光束12继续钻左边的孔21并且左边的孔通过离开该焦深区而变得更宽。
通过使用两个激光源1、11的不同波长或不同的脉冲重复率或脉冲宽度，可以更好地根据各层的材料特性来确定用于多层基板结构化的参数。
因此，通过本发明的装置和方法，可以在厚基板上钻设更细的孔。，因而，也可以轻易地实现在厚基板中的深层结构。

Claims (9)

1、一种基板(7)加工装置，它包括：用于产生第一激光束(2)的第一激光源；在第一激光束(2)的光路内的第一光束扩展器(3)；一个偏转器(5)和一个光学成像装置(6)，它们先后设置在第一激光束(2)的光路内并把第一激光束(2)成像于基板(7)上，其特征在于，设有产生第二激光束(12)的第二激光源(11)，在第二激光束(12)的光路内设置第二光束扩展器(13，如此在第二激光束(12)的光路内设置一个偏转器(4，14)，即第二激光束(12)也通过偏转器(5)和光学成像装置(6)成像于基板(7)上，第一、第二光束扩展器(3，13)是如此形成的，即在通过光学成像装置(6)聚焦后，至少在光束方向上的最小光斑直径(9，16)的位置(10，17)或这两道激光束(2，12)本身的最小光斑直径是不同的。
2、如权利要求1所述的基板(7)加工装置，其特征在于，第一、第二激光源(1，11)是同样地构成的。
3、如权利要求1所述的基板(7)加工装置，其特征在于，第二光束扩展器(13)具有不同于第一光束扩展器(3)的放大率，这两道激光束(2，12)的最小光斑直径是不同的。
4、如权利要求1-3之一所述的基板(7)加工装置，其特征在于，第二光束扩展器是失调准的，由此一来，第一、第二激光束(2，12)的最小光斑直径(9，16)的位置相对移动。
5、如权利要求4所述的基板(7)加工装置，其特征在于，第二光束扩展器是可变地失调准的，由此一来，第二激光束(12)的最小光斑直径(16)的位置(17)是可变化地改变的。
6、如权利要求1-5之一所述的基板(7)加工装置，其特征在于，所述偏转器由一个偏转镜(14)和一个半透明镜(4)构成。
7、一种采用如权利要求4-5之一所述的装置加工基板(7)的方法，其特征在于，如此选择最小光斑直径(9，16)的位置(10，17)，即它们位于基板(7)的不同深度处，首先基本上到达第一激光束(2)的最小光斑直径(9)地用第一激光束(2)把一个孔(22)钻到基板(7)中，随后用第二激光束(12)继续钻孔(22，23)。
8、如权利要求6或7所述的基板(7)加工方法，其特征在于，这两道激光束(2，12)具有不同的波长。
9、如权利要求6-8之一所述的基板(7)加工方法，其特征在于，使激光束(2，12)脉冲化并且相对地调节出不同的脉冲能量和/或不同的脉冲重复率。
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