TWI632013B - 用以處理工件上或之內的特徵的雷射處理設備和用於雷射處理工件的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示雷射系統和方法以改善該些擊潰或其它特徵的處理速度以避免超過該雷射系統的動力限制。一雷射處理系統分割對應至該工件上或之中欲處理的複數個特徵的雷射處理命令成為程序段。雷射處理參數和射束軌道被模擬以決定該些程序段中每一個的最大處理速度。該雷射處理系統選取用於處理該工件上或之中的複數個特徵的最大處理速度中之一者或更多。該些最大處理速度中之一最慢處理速度可被使用以處理該複數個特徵中的每一個。替代性地，每一個連續性擊潰序列可使用一不同處理速度來處理之。在其它實施例中，每一個程序段係使用它相對應最大處理速度來處理之。

Description

用以處理工件上或之內的特徵的雷射處理設備和用於雷射處理工件的方法 相關申請案之交互參考

本申請案基於35 U.S.C.§119(e)條款主張2013年3月15日所提申之美國臨時申請案號61/791,361之權益，在此將其全體一併整合參考之。

本揭示大體上關於雷射處理設備及使用該些設備處理工件之方法。

雷射處理一工件的一或更多材料內之特徵(例如，通孔、盲孔、溝渠、擊潰、切口和其它特徵)可使用例如雷射功率、脈衝重複頻率(PRF)、脈衝能量、脈衝寬度、一口大小和其它參數之參數來處理之。在許多雷射處理應用中，用以形成一特徵之速度或效率和最後形成之特徵品質可能對這類處理參數非常敏感。

在複合運動雷射處理機器中之範例性應用係處理該“擊潰”特徵：雷射切割由序列式線性或環形弧段所構成的線條。典型地，這 類處理係藉由以一固定速度沿著一要求軌道來移動該製程射束來完成之。對於一給予雷射功率和脈衝重複頻率而言，這個提供該工件表面一致性流量和一口大小(bite size)。

然而，它係可能在處理擊潰時超過一複合運動系統的動力限制(例如，線性臺階加速度或速度、或電流驅動式掃描場)。例如，對於某些擊潰速度而言，一反向擊潰可輕易地產生超越該系統能力的高峰線性臺階加速度。

如同在此所述範例的本揭示實施例強調上述限制及與雷射處理一工件中的擊潰及其它特徵的傳統方法有關的其它限制。某些實施例最佳化或改善該些擊潰或其它特徵的處理速度以避免超過該雷射系統的驅動限制。

在一實施例中，一雷射處理系統分割對應至該工件上或之中欲處理的複數個特徵的雷射處理命令成為程序段。雷射處理參數和射束軌道被模擬以決定該些程序段中每一個的最大處理速度。該雷射處理系統選取用於處理該工件上或之中的複數個特徵的最大處理速度中之一者或更多。

在一實施例中，該些最大處理速度中之一最慢處理速度被使用以處理該複數個特徵中的每一個。在另一實施例中，每一個連續性擊潰序列係使用一不同處理速度來處理之。在其它實施例中，每一個程序段係使用它相對應最大處理速度來處理之。

額外觀點和優勢會顯而易見於參考該些附圖所進行之下列 較佳實施例詳細說明之中。

100‧‧‧雷射處理設備

102‧‧‧工件

104‧‧‧雷射系統

105‧‧‧射束

106‧‧‧厚塊

108‧‧‧工件定位系統

110‧‧‧射束定位系統

110a、110b‧‧‧電流式反射鏡

112‧‧‧射束調變系統

114‧‧‧系統控制器

116‧‧‧雷射能量監視器

200‧‧‧第一掃描場

202‧‧‧第二掃描場

204‧‧‧第三掃描場

500、502‧‧‧線條

504‧‧‧斑點

610-620‧‧‧連續性擊潰序列

622-636‧‧‧程序段

717、722‧‧‧連續性擊潰序列

712-720‧‧‧程序段

724‧‧‧空隙

726-730‧‧‧時間圖

T1-T4‧‧‧時間

V1-V5‧‧‧速度

800‧‧‧雷射脈衝

802‧‧‧最後脈衝期

808‧‧‧初始化期

810‧‧‧結束期

820、822‧‧‧程序段

PP、PP1、PP2‧‧‧脈衝期

910‧‧‧晶體

912‧‧‧聲波

914‧‧‧雷射脈衝

1010‧‧‧振幅命令資料串流

1012‧‧‧振幅命令

1014‧‧‧聲光偏轉器命令

圖1根據本揭示一實施例略示一雷射處理設備。

圖2略示與圖1所示設備的各種元件或系統有關的掃描場。

圖3和圖4根據本揭示某些實施例圖示藉由掃描與一工件有關的射束位置所產生的斑點圖案。

圖5係略示形成圖4所示斑點圖案的程序實施例曲線圖。

圖6根據某些實施例略示分割成程序段的複數個連續性擊潰序列。

圖7根據各種實施例略示針對相對應連續性擊潰序列的複數個程序段所選取速度的範例性時間圖。

圖8根據一實施例略示將橫跨在與不同脈衝期或脈衝重複頻率有關之序列式程序段的脈衝同步化。

圖9根據一實施例略示聲光偏轉器延遲時序調整。

圖10根據一實施例圖示一振幅命令資料串流。

範例性實施例係參考該些附圖來描述於下。許多不同的形式和實施例係可行而不偏離本發明精神及教示，因此，本揭示不應被建構成為在此所提出範例性實施例的限制。更確切地說，這些範例性實施例被提供以使得本揭示會是完善又完整，且會將本發明範圍傳達給那些熟知此項技術之人士。在該些圖式中，元件尺寸及相對尺寸也許基於清晰起見而被誇大。在此所使用的術語只是基於描述特定範例性實施例目的，並無意成 為限制用。如在此所使用地，除非該內文清楚地另有所指，否則該單數形式「一」(“a”)、「一個」(“an”)和「該」(“the”)係意欲將該些複數形式也納入。會進一步了解到該些術語「包含」(“comprises”)及/或「包括」(“comprising”)在使用於本說明書時，表示所述特徵、整數、步驟、操作、構件及/或元件的存在，但不排除一或更多其它特徵、整數、步驟、操作、構件、元件及/或其族群的存在或增加。除非另有所示，陳述時，一值範圍包含該範圍的上下限及其間的任何子範圍。

如在此所使用地，該術語“脈衝重複頻率”或“PRF”可由它相反的脈衝期(PP)或脈衝間期(IPP)表示之。典型地，機器使用者參考至脈衝重複頻率，但是一功率控制或其它配置可示為脈衝期。因此，該二術語在本討論所在處係互換性地使用之。

I.範例性系統概要

參考至圖1，一雷射處理設備100被架構以藉由導引一雷射脈衝射束105沿著一路徑P來撞擊在工件102上以在工件102的一或更多材料內形成擊潰及其它特徵(例如，通孔、盲孔、溝渠和切口)。特徵可藉由控制該雷射處理設備100來執行一繞線動作及/或其它壓型動作(例如，一衝擊鑽孔動作、一圓鋸鑽孔動作、一削割動作和一切割動作)而被形成，其中，每一個壓型動作可包含一或更多步驟。如所示地，該雷射處理設備100可包含一雷射系統104、一厚塊106、一工件定位系統108、一射束定位系統110和一射束調變系統112。雖未圖示，但是該雷射處理設備100可進一步包含一或更多補充系統(例如，光學儀器、反射鏡、分束器、擴束器及/或射束瞄準器)以架構來塑形、擴大、聚焦、反射及/或瞄準沿著該路徑P的任何 點的雷射脈衝射束105。在一實施例中，一組的一或更多補充系統可被稱之為一“光學儀器系列”。

在一實施例中，該工件定位系統108、射束定位系統110和射束調變系統112中的一者或更多或全部的操作可被控制以改變該雷射脈衝射束105撞擊在該工件102上的所在位置(也就是，相對於該工件102的射束位置)。此外，或在其它實施例中，該工件定位系統108、射束定位系統110和射束調變系統112中的一者或更多或全部的操作可被控制以隨著該工件的相關射束位置變化來改變該速度及/或加速度。

該雷射系統104可被架構以產生雷射脈衝射束105。在該射束105內的雷射脈衝可例如具有在該紅外線、可見光或紫外線光譜中的一波長。例如，在該射束105內的雷射脈衝可具有例如1064奈米、532奈米、355奈米、266奈米和雷同者的波長。在該射束105內的雷射脈衝大體上可以自約20千赫至約2000千赫範圍內的脈衝重複頻率來產生之。然而，會理解到該脈衝重複頻率可小於20千赫或大於2000千赫。例如，鎖模雷射可操作高達200兆赫。

該厚塊106可被提供做為能夠適當地或有利地支撐該工件102的任何厚塊。在一實施例中，該厚塊106可被提供做為一真空厚塊、一靜電厚塊、一機械厚塊，或雷同者或其結合。

該工件定位系統108被架構以沿著平行於一X軸、Y軸及/或Z軸(其中，該Z軸係至少實質上垂直於該厚塊106的表面，且其中，該X軸、Y軸和Z軸彼此間係互為正交)的一或更多方向來轉換支撐該工件102的厚塊106，以在該X軸、Y軸及/或Z軸，或雷同者或其結合中的一者或 更多者周圍旋轉該厚塊106。在一實施例中，該工件定位系統108可包含一或更多臺階以架構來如上所述地移動該厚塊。當一工件102係由該厚塊106所支撐時，該工件定位系統108可***作以移動或掃描在一第一掃描場(例如，如圖2所示之第一掃描場200)內相對於該路徑P的工件102(例如，沿著該X軸和Y軸)。在一實施例中，該工件定位系統108可***作以沿著該X軸的任何方向上掃描該工件102自約400至約700毫米(例如，大約635毫米)範圍內的一距離，以沿著該Y軸的任何方向上掃描該工件102自約400至約700毫米(例如，大約533毫米)範圍內的一距離，或其結合。

該射束定位系統110被架構以偏轉、反射、折射、繞射、或雷同者或其結合，該雷射脈衝射束105掃描在一第二掃描場(例如圖2所示之第二掃描場202)內相對於該工件的射束位置。在一實施例中，該射束定位系統110可***作以沿著該X軸的任何方向上掃描該射束位置自約1毫米至約50毫米(例如，大約30毫米)範圍內的一距離，以沿著該Y軸的任何方向上掃描該射束位置自約1毫米至約50毫米(例如，大約30毫米)範圍內的一距離，或其結合。大體上，操作該射束定位系統110可被控制以大於該工件定位系統108可掃描該第一掃描場200內的工件102那個的速度及/或加速度來掃描相對於該工件102的射束位置。在所示實施例中，該射束定位系統110包含置於該路徑P內的電流式反射鏡(galvos)對110a和110b。該電流式反射鏡對110a、110b被架構來旋轉(例如，在該X軸或Y軸周圍)，藉以偏轉該路徑P並掃描該第二掃描場202內的射束位置。然而，會理解到該射束定位系統110可以任何其它合適或有利方式來架構之。

該射束調變系統112被架構以偏轉、反射、折射、繞射、或 雷同者或其結合，該雷射脈衝射束掃描在一第三掃描場(例如，圖2所示之第三掃描場204)內相對於該工件102的射束位置。在一實施例中，該射束調變系統110可***作以沿著該X軸的任何方向上掃描該射束位置自約0.05毫米至約0.2毫米(例如，大約0.1毫米)範圍內的一距離，以沿著該Y軸的任何方向上掃描該射束位置自約0.05毫米至約0.2毫米(例如，大約0.1毫米)範圍內的一距離，或其結合。那些熟知此項技術之人士會理解到這些範圍係提供做為範例說明，且可在較小或較大範圍內掃描該射束位置。大體上，操作該射束調變系統112可被控制以大於該射束定位系統110可掃描該第二掃描場內的射束位置那個的速度及/或加速度來掃描相對於該工件102的射束位置。

在一實施例中，該射束調變系統112包含單一聲光偏轉器(AOD)以架構來偏轉該雷射脈衝射束105以沿著單一軸來掃描該第三掃描場204內的射束位置。在另一實施例中，該射束調變系統112包含二聲光偏轉器，其中，一第一聲光偏轉器被架構來偏轉該雷射脈衝射束105並沿著該X軸掃描該第三掃描場204內的射束位置，且一第二聲光偏轉器被架構來偏轉該雷射脈衝射束105並沿著該Y軸掃描該第三掃描場204內的射束位置。然而，會理解到該射束調變系統112可以任何其它合適或有利方式來架構之。例如，除了或取代一聲光偏轉器外，該射束調變系統112還可包含一或更多聲光調變器(AOMs)、電光偏轉器(EODs)、電光調變器(EOMs)、快速操縱反射鏡(FSMs)(例如，高頻寬(約大於10千赫)快速操縱反射鏡)，或雷同者或其結合。

該雷射處理設備100可進一步包含一系統控制器114，其通 訊性耦接至該工件定位系統108、該射束定位系統110、該射束調變系統112及該雷射系統104。該系統控制器114被架構來控制前述這些系統(該工件定位系統108、該射束定位系統110、該射束調變系統112及/或該雷射系統104)之一或更多或全部的操作以在該工件102內形成特徵(例如。擊潰、通孔、盲孔、溝渠、切口及其它特徵)。在一實施例中，該系統控制器114可控制該雷射系統104的操作以改變該雷射系統104所產生脈衝的脈衝重複頻率(例如，自約20千赫至約2000千赫範圍內)。對於在此所揭示之使用高脈衝重複頻率雷射(例如，在自約200千赫至約500千赫範圍內)的某些實施例而言，該系統控制器114不需要在雷射處理一擊潰時改變該脈衝重複頻率。

在一實施例中，該系統控制器114可控制該射束調變系統112的操作以掃描相對於該工件102的射束位置並在該工件102內形成一“高特徵密度區域”(例如，包含由小於或等於500微米間距或其左右所分隔特徵的範圍)。該系統控制器114可進一步控制該射束定位系統110及/或該工件定位系統108的操作，同時形成該高特徵密度區域。

在另一實施例中，該系統控制器114可控制該射束定位系統110的操作以掃描相對於該工件102的射束位置並在該工件102(例如，包含由例如約1000微米之大於500微米間距或其左右所分隔特徵的範圍)內形成一“中特徵密度區域”。該系統控制器114可進一步控制該射束調變系統112及/或該工件定位系統108的操作，同時形成該中特徵密度區域。

在再一實施例中，該系統控制器114可控制該射束定位系統110的操作並以協調方式進一步控制該射束調變系統112的操作，以克服高速的速度限制、小區域定位錯誤和該射束定位系統110的頻寬限制。例如， 若該雷射處理設備100不包含該射束調變系統112，該射束定位系統110可被控制來掃描相對於該工件102的射束位置，使得在該射束內的雷射脈衝依序撞在該工件102上以形成如圖3所示之圓形斑點圖案(如所示地，該環形斑點圖案具有最大寬度約為600微米)。然而，藉由該射束調變系統112與該射束定位系統110的協調操作，該雷射處理設備100可被架構以形成圖4(如所示地，該正方形斑點圖案具有一約600微米x約600微米大小)所示之正方形斑點圖案。

在一實施例中，參考至圖5，圖4所示斑點圖案可藉由控制該射束定位系統110沿著例如線條500之線條掃描該第二掃描場202內的射束位置而形成之，且該射束調變系統112可被控制以沿著一方向進一步掃描該第三掃描場204(其係以該線條500的結尾為中心)內的射束位置(例如，線條502所示，中心位於該第三掃描場204內)，使得雷射脈衝依序撞在該工件102上以形成正方形斑點504(例如圖4所示那個)圖案。藉由施加上面圖5所述範例性程序，該射束位置可透過該工件以約每秒5米(米/秒)速率或甚至更高速率來掃描之，視該電流驅動能力而定。然而，會理解到該射束調變系統112與該射束定位系統110的操作可以任何方式進行協調以在該工件102上形成任何合適或有利的斑點圖案。

大體上，該系統控制器114可包含定義各種控制函數的操作邏輯電路(未顯示)，且可以是一專屬硬體形式，例如一硬接線狀態機器、一處理器執行程式指令及/或不同於那些熟知此項技術之人士會想到的形式。操作邏輯電路可包含數位電路、類比電路、軟體或任何這些類型中的混搭結合。在一實施例中，該系統控制器114可包含一處理器，例如，一可程 式微控制器、微處理器或可包含安排來根據該操作邏輯電路執行儲存於記憶體內的指令之一或更多處理單元的其它處理器。記憶體(例如，電腦可讀取媒體)可包含有半導體、磁性及/或光學類在內的一或更多類型及/或可以是一揮發性及/或非揮發性類。在一實施例中，記憶體儲存可被該操作邏輯電路執行的指令。替代性地或額外地，記憶體可儲存該操作邏輯電路所操控的資料。在一配置中，操作邏輯電路和記憶體係包含於一控制器/處理器的操作邏輯電路形式，其管理並控制該工件定位系統108、該射束定位系統110及/或該射束調變系統112的操作樣式，然而在其它安排中，它們可以是獨立的。

如在此所述地，該雷射處理設備100被架構來致能該射束定位系統110和該射束調變系統112的協調操作以形成高速且具高位置精確度的特徵。在某些實施例中，該些雷射處理設備100可進一步包含具有例如該射束調變系統112和該系統控制器114及例如一雷射能量監視器(LEM)116的雷射功率控制(LPC)系統。大體上，該雷射功率控制系統可被架構來測量個別雷射脈衝(例如基於品質和控制目的)的脈衝能量，控制個別雷射脈衝的脈衝能量，促進對脈衝能量和脈衝重複頻率的快速變化，協調個別雷射脈衝的脈衝能量控制與射束位置一致，協調該些雷射脈衝的產生和調變，或雷同者或其結合。

II.範例性擊潰處理實施例

如上所述地，當處理擊潰或其它特徵時，可能超過例如圖1所示雷射處理設備100之複合運動系統的動力限制(例如，線性臺階加速度或速度，或電流驅動式掃描場)。例如，再參考至圖1和2，若一擊潰或其 它特徵的工具路徑係落在例如該第二掃描場202的電流驅動式領域內，則該電流式反射鏡對110a、110b可提供充足射束速度和加速度來產生可接受處理生產能力。然而，若該擊潰或其它特徵的工具路徑係大於該電流驅動式領域，則該工件定位系統108的臺階也許需要考慮到。大體上，在習知系統中，因為最大處理速度由於該雷射系統104的功率限制而保持相當地低，故已提供臺階充足的速度來跟上雷射處理。在雷射功率持續增加時，處理速度也同時增加以改善生產能力。然而，若超過臺階速度和加速度限制，經由較高雷射功率所提供生產能力增加的利益也許不被實現。

因此，在此所揭示某些實施例藉由將雷射處理命令(例如，自該系統控制器114引發至該雷射系統104、該工件定位系統108、該射束定位系統110及/或該射束調變系統112中的一者或更多)分割成一系列獨立“程序段”來提供工具路徑或擊潰最佳化，每一個程序段包含描述該射束位置、脈衝重複頻率或脈衝期、用於雷射脈衝的脈衝能量設定點、射束速度和其它雷射處理參數或其結合之資訊。因此，該系統控制器114可包含一程序段處理子系統，架構來過濾、分割、處理或在其它方面上將每一個“程序段”內含資訊轉換成射束位置命令、脈衝期命令和雷射脈衝能量命令。

例如，圖6根據某些實施例略示分割成程序段的複數個連續性擊潰序列610、612、614、616、618、620。在本範例中，每一個連續性擊潰序列610、612、614、616、618、620係在該整個序列期間打開雷射(例如，射出一雷射脈衝系列)進行處理的連續線條。雷射處理可包含例如在該連續性擊潰序列610的第一程序段622起始處打開該雷射，依序處理該連續性擊 潰序列610的程序段622、624、626、628、630、632，在該連續性擊潰序列610的最後程序段632結尾處關閉該雷射，當該射束路徑到達該連續性擊潰序列612的第一程序段634起始處再次打開該雷射，依序處理該些程序段634、636，及在該連續性擊潰序列612的最後程序段636結尾處再次關閉該雷射。類似地，該雷射處理包含在該些連續性擊潰序列614、616、618、620各自的開始和結尾處，打開和關閉該雷射。

為了維持一致性處理品質，自一程序段至下一段(例如，自程序段622至程序段624)及/或自一連續性擊潰序列至下一序列(例如，自連續性擊潰序列610至連續性擊潰序列612)的一或更多雷射處理參數也許需要被調整。進一步，有可能增加某些程序段期間的程序速度。例如，該臺階的動力限制可允許該線性程序段630以較該圓弧段628那個更高的射束速度進行處理。如下所述地，改變該速度會需要改變該脈衝重複頻率或其它雷射參數。因此，根據某些實施例，該系統控制器114執行一最佳化常式來模擬雷射處理參數和射束***軌道以決定該些程序段中每一個的最大速度。該系統控制器114接著選取該些預定速度之一或更多來處理該些連續性擊潰序列610、612、614、616、618、620中的每一個程序段。

圖7根據各種實施例略示針對相對應連續性擊潰序列的複數個程序段所選取速度的範例性時間圖。在一第一時間圖710中，第一複數個程序段712、714、716對應至一第一連續性擊潰序列717，且第二複數個程序段720對應至一第二連續性擊潰序列722。該第一連續性擊潰序列717係連續性且藉由在時間T1打開一雷射並在時間T2關閉該雷射來處理之。類似地，該第二連續性擊潰序列722係連續性且藉由在時間T3打開該雷射 並在時間T4關閉該雷射來處理之。

如上所述地，該系統控制器114執行一最佳化常式，其模擬雷射處理參數及射束***軌道以決定用於程序段712、716的最大速度V1，用於程序段714的最大速度V2，用於程序段718的最大速度V3，和用於程序段720的最大速度V4。應注意到，在其它實施例中，每一個程序段可被決定為具有一不同的最大可允許處理速度，而非如圖7所示地多個程序段具有相同最大速度(例如，四個連續程序段具有最大速度V3)。在該第一連續性擊潰序列717和該第二連續性擊潰序列間的空隙724被指定為速度V5。因為該空隙724代表該雷射不動作而該射束軌道自該第一連續性擊潰序列717結尾行進至該第二連續性擊潰序列722開始時的時間，該指定速度V5可為一最大整體系統速度，用以極小化非雷射處理時間並增加生產能力。在本範例中，V5>V4>V3>V2>V1。對於每一個程序段和該整體系統而言，一最大速度係決定為滿足該動力限制(例如，臺階速度和加速度)的速度。

用於選取一處理速度的第一範例性實施例係示於第二時間圖726中。在本實施例中，所選取最慢速度V1用於全部的第一連續性擊潰序列717、該空隙724和全部的第二連續性擊潰序列722。換言之，本實施例藉由簡單地減少該擊潰速度直到全部動力限制被關照過為止的方式來選取該擊潰速度。這個可例如藉由執行一最佳化常式來得之，該常式模擬射束***軌，檢查違反動力限制的行為並重複不斷地降低該擊潰速度直到全部限制被關照過為止。

本第一擊潰最佳化配置的優勢係為它提供該整個應用一均勻速度設定參數，其可由一程序控制立場中有所期待。對於任何擊潰速度 變化而言，該些雷射參數會需要適當地修改。例如，它也許有用於維持一口大小(雷射脈衝間的間距)和份量(每單位長度累積的雷射能量)大約等於原始程序參數的一口大小和份量。來自這些參考程序參數的一些變異可因為雷射/材料互相作用細節和該雷射參數變異為一脈衝重複頻率(例如，雷射脈衝寬度)函數而產生。在一些案例中，若該些雷射/材料敏感性係已知，則這類變異可被程式化。例如，該工件消融率(workpiece ablation rate)(施加雷射能量的每單位移除的材料量)可隨脈衝寬度而變。給予一雷射脈衝寬度對脈衝重複頻率和該消融率敏感性的映射，該雷射流量可被正確地調整(例如，藉由調整雷射功率)以維持該要求的材料消融量。類似補償技術可針對例如射束速度、熱負載和其它處理參數的其它處理敏感性來執行之。

然而，對於某些處理應用而言，本方式的缺點係為一些連續性擊潰序列或程序段也許會過度地限制該整個應用。進一步，某些最糟案例連續性擊潰序列(例如，一速度反向)也許會嚴重地減少該應用的潛在生產能力。因此，在某些應用中，利用與針對在較高速度下引起無限制違反行為的其它擊潰所選取速度不同(較低)的速度來最佳化該些最糟案例擊潰。

用於選取處理速度的第二範例性實施例係示於第三時間圖728中。在第二範例性實施例修改時間圖726所示第一範例以允許大於一個處理速度。每一個連續性擊潰序列717、722(例如在該整個序列期間打開雷射)係各自最佳化。然而，該些最佳化連續性擊潰序列717、722中的每一個係以單一(最低)速度來處理之。因此，如該時間圖728所示地，該速度V1係選取用於該第一連續性擊潰序列717(其中V1<V4)，且該速度V2係選取用於該第二連續性擊潰序列722(其中V2<V3)。

在該時間圖728所示第二範例中，為了進一步改善生產能力，因為假設V5說明T2和T3處的任何需求加速度及/或減速度，故該最大系統速度V5係選取用於該空隙724。在其它實施例中，為了減少速度變化量，不是選用於該第一連續性擊潰序列717的速度V1就是選用於該第二連續性擊潰序列722的速度V2被選取用於該空隙724。在另外其它實施例中，該空隙724被使用以將選用於該第一連續性擊潰序列717的速度V1轉換成選用於該第二連續性擊潰序列722的速度V2。

該時間圖728所示第二範例性實施例至少部分解決時間圖726所示第一範例性實施例的生產能力限制問題。然而，某些案例仍是會過度地限制。例如，單一長彎曲擊潰或具有交替速度的一系列長擊潰仍可能於該整個擊潰限制至一較低速度。

用於選取處理速度的第三範例性實施例係示於第四時間圖730。在本範例中，速度和脈衝重複頻率(或脈衝期)係基於一段和段基礎而被選取。因此，如該第一連續性擊潰序列717所示地，該最大速度V4係選取用於該些程序段712、716，且該最大速度V1係選取用於該些程序段714。類似地，對於該第二連續性擊潰序列722而言，該最大速度V3係選取用於該些程序段718，且該最大速度V2係選取用於該些程序段720。

在某些實施例中，每一個連續性擊潰序列717、722可被分割成某一最大尺寸(例如，0.5毫米)的較小程序子段。每一個子段的結束點可被視為零程序時間的“程序特徵”(因為未費時間在自一子段至下一子段的轉換中)，具有在該壓型速度和程序段長度所設定這些“特徵”之間的移動時間。接著，給予一預先定義程序段排序，該程序段序列可如一系列 不同壓型特徵般地進行處理並以一傳統最佳化程序來最佳化。在該最糟案例中，本最佳化結果可被使用以設定一整個連續性擊潰序列的速度上限。例如，如上面對示於該第三時間圖728的第二範例所述地，該程序可包含最佳化該連續性擊潰序列，找出位在任何點上的最低速度，接著將該整個擊潰設定為那個速度。該能有該最快整體處理時間的範例性實施例(該第四時間圖730所示的第三範例)指定一獨一無二的速度給每一個子段。在傾向於產生限制違反行為的程序段中，該所選速度會是較低的，而在無違反限制的“安全”段中，該速度可相對地較高。

該些程序參數(例如，脈衝重複頻率和功率)可接著如上所述地針對每一個獨一無二的子程序段速度來調整。大體上，許多消融程序可藉由標示材料處理的功率/速度比值而非固定功率和速度來模組化。例如，在速度降低時，本比值可藉由不是降低一固定脈衝重複頻率的脈衝能量就是降低脈衝重複頻率並維持固定脈衝能量來降低功率維持之。具有該些子段界限的脈衝時序同步化係論述於下。

該注意的是，該射束調變系統112包含聲光偏轉器，其致能該第三擊潰最佳化範例性實施例所需程序子段間的程序速度的瞬變變異。該聲光偏轉器偏轉該射束位置的能力實際上立即允許該射束軌道速度馬上改變，因而致能程序子段速度(在該聲光偏轉器偏轉範圍限制內)的隨意指定。

圖8根據一實施例略示將橫跨在與不同脈衝期或脈衝重複頻率有關之序列式程序段820、822的脈衝同步化。該脈衝期(PP)(也就是1/脈衝重複頻率)可改變於程序段之間(例如，在程序段820和接下來程序段822 之間)而沒有一同步化無效區，以允許該脈衝期或脈衝重複頻率上的“無縫”變化。在自一脈衝期至另一脈衝期的轉換期間，只有該二脈衝期存在，也就是，在該二者之間沒有中間者或非常高或低的脈衝期。這個允許該雷射系統104以一可預期脈衝能量在任何脈衝期下產生雷射脈衝800。大體上，該聲光偏轉器傳輸改變於該二脈衝期設定參數之間以控制傳送至每一個程序段內的工件102的雷射脈衝800的脈衝能量。

為了以至少實際上“無縫”方式來產生脈衝期之間的轉換(例如，切換於PP1和PP2之間)，該系統控制器114標示在該程序段820(以802示之)的最後脈衝期PP1期間的一新脈衝期。該系統控制器114識別這個新脈衝期(例如，PP2)並根據這個新值來設定下一雷射脈衝。該系統控制器114排定本命令時間以使得PP1和PP2之間的切換發生於正確的時間(例如，1微秒內)。

在一實施例中，對於任何開機程序段系列而言，該第一和最後脈衝引發落於該程序段界限內的(PP/2)秒。因此，相對於程序段界限804的雷射脈衝時序被描述。該射束位置的速度可改變於程序段之間，以產生與該新脈衝期PP2相關的轉換脈衝806在一口大小上的變化。在另一實施例中，用於在該新程序段822期間產生雷射脈衝的聲光偏轉器傳輸被建立，因為該新脈衝期PP2很可能會改變該雷射系統所產生用於該新程序段822的雷射脈衝的脈衝能量。因此，該轉換脈衝806係由該雷射系統104在適當程序段內以適當脈衝能量命令(聲光偏轉器傳輸)來產生之。

根據圖8所示實施例的脈衝同步化程序，在一特定程序段期間所產生的第一雷射脈衝係產生於該程序段開始後的初始化期808(例如， 等於與該程序段820相關脈衝期PP1的一半)內(例如，若PP1為1微秒，則初始化期為0.5微秒)。進一步，在一特定程序段期間所產生的最後雷射脈衝係產生於一結束期810(例如，等於與該程序段820相關脈衝期PP1的一半)內。

一旦那個第一脈衝被同步化，該系統控制器114係負責產生正確定時和定位段，使得該最後脈衝結束於該程序段界限前的(PP/2)處。在某些實施例中，該程序段界限結束點係即時(該PP/2緩衝器負責)移位，使得該些脈衝實際上落在該指定工具路徑座標上。

若該脈衝期在一系列開機程序段內變化，則如圖8所示地，用於一第一脈衝期的最後脈衝和一第二脈衝期的第一脈衝的類似時序跟隨於後。

使用一高脈衝重複頻率的某些實施例(例如，當使用操作高達200兆赫的鎖模雷射)不會如圖8所示地提供橫跨在序列式程序段的脈衝同步化。因為該高脈衝重複頻率實際上消除該關心的離散脈衝，故不需這類同步化。對於該最高速度案例而言，這個很可能是在該一口大小(脈衝間的距離)係小於約該斑點大小的5%至10%時的案例。在某些這類實施例中，是否維持該一口大小的決定係依據該特定應用的雷射/材料互相作用而定。

III.範例性時序調整

在某些實施例中，具有至少二時序調整。該第一時序調整(其可被稱之為“聲光偏轉器延遲”)將該聲光偏轉器射頻波形對準著該引發的雷射脈衝，且該第二時序調整(其可被稱之為“脈衝系列延遲”)將該整個脈衝系列對準著該射束***。

圖9根據一實施例略示聲光偏轉器延遲時序調整。一聲光偏轉器晶體910設定已對準的一系列行進聲波912，使得一雷射脈衝914通過該適當聲波段的中心。在該所示範例中，該射頻功率每一微秒變化一次。該注意的是，本圖式係粗略地適當縮放該聲光偏轉器晶體910和聲波912的尺寸。為了正確對準，該雷射脈衝914通過該聲波912的中心。在另一方面，若該雷射脈衝914通過一邊界，該雷射脈衝914會變得失真。儘管圖9指示該邊界為一射頻振幅上的變化，然一類似效應隨著射頻頻率變化而發生。

在圖9所建議的一實施例中，一種用於設定該聲光偏轉器延遲的方法包含引發一具有變化性振幅(例如鋸齒狀振幅)的序列並改變該時序，直到該所引發脈衝的最大脈衝能量係極大化為止。經由定義，該聲光偏轉器延遲會少於一更新期(例如，1微秒)。在某些實施例中，這個係一自動化校準程序且可維持一給予系統固定。該時序可對纜線佈線(cabling)、雷射參數、光學路徑長度和其它因素敏感。

圖10根據一實施例圖示一振幅命令資料串流1010。上述脈衝時序可與該1微秒命令資料串流1010非同步。為了估算這個不確定性，如圖10所示的施用振幅命令1012中所示地，根據某些實施例的控制器保持該最近聲光偏轉器命令1014固定，直到該脈衝已引發為止。該控制器可具有導因於該聲光偏轉器延遲補償而內建的一些“預防措施”，其係有用於實現這類實施例。

在某些實施例中，該第二延遲(脈衝系列延遲)係使用一自動化程序來校準，其中，該射束***前後掃過以產生平行線。該延遲被調 整直到該些線正確地被對準為止。

材料的雷射處理係對雷射功率敏感且在脈衝式雷射所處理的許多應用中對個別脈衝的脈衝能量(PE)敏感。例如，高脈衝能量典型地係可期待於鑽透一銅層之時，而較低脈衝能量典型地係可期待於消融一介電層之時沒有熱作用(燒黑、熔化)或損傷下方銅層。為了靈活處理這類材料，隨意調整施用至該工件表面的脈衝能量的方法被使用。

調整雷射功率或脈衝能量的傳統方法包含衰減光學儀器(例如，偏振光學儀器或聲光調變器)或直接控制雷射光學輸出功率(藉由改變注入至該發射雷射媒介物的泵功率(pump power))。這些傳統方式具有包含速度慢(對於機械性地調整的偏振光學儀器)、雷射傳送上的變異(在雷射媒介物注入或Q開關時序的控制中)或缺乏與該處理操作(以所有方法)協調之缺點。

某些實施例協調功率或脈衝能量上的變異與該工件表面上之雷射斑點定位。為了極大化生產能力和製程品質，在一脈衝接著一脈衝基礎上，該雷射脈衝能量的協調和控制可被使用。此外，測量每一個個別雷射脈衝的脈衝能量以便控制脈衝能量並為了可能影響該處理工件品質的脈衝能量偏差而監視該製程係可期待的。

那些具有熟知此項技術之人士會了解到對於上述實施例細節的許多變化可被產生而不偏離本發明基本原理。因此，本發明範圍應只由下列申請專利範圍決定之。

Claims (26)

1. 一種用以處理一工件上或之內的複數個特徵的雷射處理設備，該雷射處理設備包括：一雷射系統，用以產生一雷射脈衝射束；一複合運動系統，用以掃描至少一第一掃描場和一第二掃描場內相對於該工件的一表面的該射束，該第二掃描場係位在該第一掃描場內，且該複合運動系統被配置來以較該第一掃描場內高的速度和加速度掃描在該第二掃描場內的該射束；一或更多處理器，用以：將對應至該複數個特徵的雷射處理命令分割成程序段；模擬雷射處理參數和射束軌道以決定該程序段中每一個的最大處理速度，每一個最大處理速度至少部分依據該複合運動系統的動力限制來掃描該第一掃描場和該第二掃描場內的該射束；及選取該最大處理速度之一或更多來處理該工件上或之內的該複數個特徵。
2. 如申請專利範圍第1項之雷射處理設備，其中，該一或更多處理器係進一步被配置來：決定該最大處理速度中的一最低處理速度；及協調該雷射系統和該複合運動系統的操作以使用該最低處理速度來處理該工件上或之內的該複數個特徵中的每一個。
3. 如申請專利範圍第1項之雷射處理設備，其中，該複數個特徵包括至少一第一連續性擊潰序列和一第二連續性擊潰序列，且其中，該一或更 多處理器係進一步被配置來：決定對應至該第一連續性擊潰序列的第一組最大處理速度中的一第一最低處理速度；決定對應至該第二連續性擊潰序列的第二組最大處理速度中的一第二最低處理速度；協調該雷射系統和該複合運動系統的操作以使用該第一最低處理速度來處理該第一連續性擊潰序列；及協調該雷射系統和該複合運動系統的操作以使用該第二最低處理速度來處理該第二連續性擊潰序列。
4. 如申請專利範圍第3項之雷射處理設備，其中，該一或更多處理器係進一步被配置來：在處理該第一連續性擊潰序列時，打開該雷射系統以射出該雷射脈衝射束；在控制該複合運動系統給予一射束軸和該工件的該表面之間的相對移動來將該射束軸自該第一連續性擊潰序列導引至該第二連續性擊潰序列時，關閉該雷射系統以阻止該雷射脈衝射束到達該工件的該表面；及在處理該第二連續性擊潰序列時，打開該雷射系統以射出該雷射脈衝射束。
5. 如申請專利範圍第4項之雷射處理設備，其中，該一或更多處理器係進一步被配置來：控制該複合運動系統以將該射束軸以高於該第一最低速度和該第二最低速度的速度自該第一連續性擊潰序列導引至該第二連續性擊潰序列。
6. 如申請專利範圍第1項之雷射處理設備，其中，該複數個特徵包括一連續性擊潰序列，且其中，該一或更多處理器係進一步被配置來：協調該雷射系統和該複合運動系統的操作以將該連續性擊潰序列內的程序段中的每一個以它相對應的最大速度來處理。
7. 如申請專利範圍第1項之雷射處理設備，其中，該一或更多處理器係進一步被配置來：決定該程序段中每一個的脈衝期；協調該雷射系統和該複合運動系統的操作以在對應該程序段中每一個的該脈衝期和該最大速度下，處理該程序段中的每一個；及將橫跨在具有不同脈衝期的相鄰程序段的雷射脈衝同步化。
8. 如申請專利範圍第7項之雷射處理設備，其中，為了將橫跨在該相鄰程序段的雷射脈衝同步化，該一或更多處理器係進一步被配置來：自該程序段開始處，對準該相鄰程序段中每一個的初始雷射脈衝為用於該程序段的該脈衝期的一預定分數；及自該程序段結尾處，對準該相鄰程序段中每一個的最後雷射脈衝為用於該程序段的該脈衝期的該預定分數。
9. 如申請專利範圍第8項之雷射處理設備，其中，該預定分數包括該相對應程序段的該脈衝期的一半。
10. 如申請專利範圍第1項之雷射處理設備，其中，該複數個特徵包括複數個連續性擊潰序列，其中，該連續性擊潰序列中的至少一者係大於該第二掃描場，且其中，用於該第二掃描場之外的該連續性擊潰序列中的一程序段的最大處理速度係依據該複合運動系統的線性臺階速度限制和加速 度限制中的至少一者來在該第一掃描場內進行掃描。
11. 一種用於雷射處理一工件的方法，該方法包括：將對應至該工件上或之內的複數個特徵以進行處理的雷射處理命令分割成程序段；模擬雷射處理參數和射束軌道以決定該程序段中每一個的最大處理速度；決定該最大處理速度中的一最慢處理速度；及使用該最慢處理速度來處理該工件上或之內的複數個特徵中的每一個。
12. 一種用於雷射處理一工件的方法，該方法包括：將對應至一第一連續性擊潰序列和一第二連續性擊潰序列的雷射處理命令分割成程序段；模擬雷射處理參數和射束軌道以決定該程序段中每一個的最大處理速度；決定對應至該第一連續性擊潰序列的第一組最大處理速度中的一第一最慢處理速度；決定對應至該第二連續性擊潰序列的第二組最大處理速度中的一第二最慢處理速度；使用該第一最慢處理速度來處理該第一連續性擊潰序列；及使用該第二最慢處理速度來處理該第二連續性擊潰序列。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，進一步包括：在處理該第一連續性擊潰序列時，射出一雷射脈衝射束； 在以高於該第一最慢速度和該第二最慢速度的速度來給予一射束軸和該工件的一表面之間的相對移動而將該射束軸自該第一連續性擊潰序列導引至該第二連續性擊潰序列時，阻止該雷射脈衝射束到達該工件的該表面；及在處理該第二連續性擊潰序列時，射出該雷射脈衝射束。
14. 一種用於雷射處理一工件的方法，該方法包括：將對應至一第一連續性擊潰序列和一第二連續性擊潰序列的雷射處理命令分割成程序段；模擬雷射處理參數和射束軌道以決定該程序段中每一個的最大處理速度；決定該程序段中每一個的脈衝期；在它相對應脈衝期和最大速度下，處理該程序段中的每一個；及將橫跨在具有不同脈衝期的相鄰程序段的雷射脈衝同步化。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，將橫跨在該相鄰程序段的雷射脈衝同步化包括：在該程序段開始後，對準該相鄰程序段中每一個的初始雷射脈衝為用於該程序段的該脈衝期的一預定分數；及在該程序段結尾前，對準該相鄰程序段中每一個的最後雷射脈衝為用於該程序段的該脈衝期的該預定分數。
16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中，該預定分數包括該相對應程序段的該脈衝期的一半。
17. 一種用以處理一工件上或之內的包括複數個序列式程序段的一連 續性擊潰序列的雷射處理設備，該雷射處理設備包括：一雷射系統，用以產生一雷射脈衝射束；一定位系統，用以沿著該複數個程序段掃描相對於該工件的該射束，其中該定位系統包括一第一***和一第二***，該第一***和該第二***每一者皆被配置以掃描該射束，且其中由該第一***和該第二***所組成的群組所選出的至少一者被配置以在至少兩個非平行的方向上掃描該射束；以及一控制器，其耦合至該定位系統且被配置以控制該雷射系統和該定位系統以通過將一系列的雷射脈衝導引至該工件來依序地處理該複數個程序段，以使得該射束沿著該複數個程序段中的一者而以大於或小於該複數個程序段中的另一者的射束速度之射束速度被掃描，並且使得當該射束沿該複數個程序段中的該一者被掃描時的該射束的功率是與當該射束沿該複數個程序段中的該另一者被掃描時的該射束的功率不同。
18. 如申請專利範圍第17項之雷射處理設備，該第一***包括聲光偏轉器。
19. 如申請專利範圍第17項之雷射處理設備，該第二***包括電流式反射鏡。
20. 一種用以處理一工件上或之內的包括複數個序列式程序段所組成的一連續性擊潰序列的雷射處理設備，該雷射處理設備包括：一雷射系統，用以產生一雷射脈衝射束；一定位系統，用以在該射束和該工件之間產生相對運動，從而沿著該複數個程序段掃描該射束；以及 一控制器，其被配置以控制該雷射系統和該定位系統以通過將一系列的雷射脈衝導引至該工件來依序地處理該複數個程序段，以使得該射束沿著該複數個程序段中的一者而以不同於該複數個程序段中的另一者的射束速度被掃描，其中該控制器被進一步配置以：控制該雷射系統以將該系列的雷射脈衝導引至該工件，以使得在該射束沿著該複數個程序段中的該一者被掃描時該雷射脈衝以一第一脈衝重複率被導引至該工件；以及控制該雷射系統以將該系列的雷射脈衝導引至該工件，以使得在該射束沿著該複數個程序段中的該另一者被掃描時該雷射脈衝以一第二脈衝重複率被導引至該工件，其中該第一脈衝重複率不同於該第二脈衝重複率。
21. 如申請專利範圍第20項之雷射處理設備，其中該定位系統包括電流式反射鏡。
22. 如申請專利範圍第20項之雷射處理設備，其中該定位系統包括被配置以移動該工件的臺階。
23. 如申請專利範圍第20項之雷射處理設備，其中該***包括聲光偏轉器，並且其中該控制器被配置以控制該聲光偏轉器以傳送該系列的雷射脈衝，以使得用該第一脈衝重複率被導引至該工件的該系列的雷射脈衝具有與用該第二脈衝重複率被導引至該工件的該雷射脈衝相同的脈衝能量。
24. 一種用以處理一工件上或之內的具有複數個序列式程序段的一連續性擊潰序列的雷射處理設備，該雷射處理設備包括： 一雷射系統，用以產生一雷射脈衝射束；一定位系統，用以在該射束和該工件之間產生相對運動，從而沿著該複數個程序段掃描該射束，其中該定位系統包括聲光偏轉器；以及一控制器，其被配置以控制該雷射系統和該定位系統以通過將一系列的雷射脈衝導引至該工件來依序地處理該複數個程序段，以使得該射束沿著該複數個程序段中的一者而以不同於該複數個程序段中的另一者的射束速度被掃描，其中該控制器被進一步配置以：控制該聲光偏轉器以傳送該系列的雷射脈衝，以使得在該射束沿著該複數個程序段中的該一者被掃描時具有一第一脈衝能量的雷射脈衝被導引至該工件；以及控制該聲光偏轉器以傳送該系列的雷射脈衝，以使得在該射束沿著該複數個程序段中的該另一者被掃描時具有一第二脈衝能量的雷射脈衝被導引至該工件，其中該第一脈衝能量不同於該第二脈衝能量。
25. 如申請專利範圍第24項之雷射處理設備，其中該控制器被配置以控制該雷射系統以導引該系列的雷射脈衝至該工件，以使得具有該第一脈衝能量的該雷射脈衝用與具有該第二脈衝能量的該雷射脈衝相同的脈衝重複率被導引至該工件。
26. 如申請專利範圍第24項之雷射處理設備，其中該定位系統進一步包括電流式反射鏡。