TWI699252B

TWI699252B - 出光方法及出光裝置

Info

Publication number: TWI699252B
Application number: TW107100065A
Authority: TW
Inventors: 胡平浩; 呂紹銓; 李炫璋; 周柏寰; 李閔凱
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2020-07-21
Also published as: TW201929991A

Abstract

一種出光方法，係將一雷射光束依序通過至少一偏移組件與一聚焦組件，且藉由調控機構作動該偏移組件，令該雷射光束產生偏移，以於鑽孔製程中，該雷射光束能依需求快速產生可控制及任意形狀的開孔。

Description

出光方法及出光裝置

本揭露係有關一種出光方法及其裝置，尤指一種出光路徑之調整方法及其裝置。

雷射微孔加工技術目前已廣泛應用於許多產業，如半導體製程檢測用之探針卡、透明硬脆材料、引擎噴油孔、金屬切孔等製程。惟目前雷射加工設備所製作出之微孔係為錐形圓孔，故需配合鑽孔模組，以具備可控制錐角(taper angle)之能力而產生不同需求之微孔形狀，如探針卡之矩形微孔加工、強化玻璃之直孔、引擎噴嘴之錐孔等。

然而，雷射加工設備往往受限於雷射光束繞射特性，而無法任意調整微孔錐角，致使該鑽孔模組不具備靈活的錐孔加工能力，因而無法滿足單一雷射鑽孔製程中需局部調變成直通孔或錐孔之需求，例如，在矩形孔洞之邊緣側之傾斜度與轉角處之傾斜度不同時的狀況。

再者，於習知技術中，係將玻璃平板或稜鏡式繞圓模組(Trepan)藉由中空馬達帶動旋轉，但僅能完成圓形路徑偏移，且該中空馬達之轉速過低(係小於4,000rpm)，致使產能過低，故不僅無法滿足矩形錐孔或其它孔形製程所需之高速且可調控的偏移路徑的條件，且其鑽孔尺寸也受限，例如，無法製作直徑小於50微米(μm)的孔洞。

因此，如何克服習知技術之種種缺點，實為目前各界亟欲解決之技術問題。

鑑於上述習知技術之種種缺失，本揭露揭露一種出光方法，係包括：將一光束依序通過至少一偏移組件與一聚焦組件；以及藉由調控機構作動該偏移組件，以令該光束產生偏移，其中，該調控機構係透過可程式邏輯控制器規劃該偏移組件之位移路徑，以帶動該偏移組件位移，並調控該光束的偏移路徑。

本揭露復揭露一種出光裝置，係包括：偏移組件，係供一光束通過；聚焦組件，係接收來自該偏移組件之光束；以及調控機構，係作動該偏移組件，以令該光束產生偏移，其中，該調控機構係透過可程式邏輯控制器規劃該偏移組件之位移路徑，以帶動該偏移組件位移，並調控該光束的偏移路徑。

前述之出光方法中，該偏移組件之位移路徑係為移動距離變化或角度偏轉變化。

前述之出光方法及出光裝置中，該出光裝置係為雷射裝置，且該光束係為雷射。

前述之出光方法及出光裝置中，該光束之偏移係為平行位移。

前述之出光方法及出光裝置中，該光束係用以形成開孔。例如，該可程式邏輯控制器依據光束移動距離與該開孔壁面傾斜角度規劃該偏移組件之位移路徑。

前述之出光方法及出光裝置中，該偏移組件係包括：分光鏡；波片，係設於該分光鏡上方；以及反射鏡，係設於該波片上方，使該光束從該分光鏡入射，經該分光鏡反射後，經過該波片，再經由該反射鏡反射而再次穿過該波片，之後由該分光鏡反射而出。

前述之出光方法及該出光裝置中，該調控機構具有振鏡馬達，以偏轉該偏移組件於一偏轉角度，且該光束之偏移距離與該偏轉角度兩者之間係相互關聯。

前述之出光方法及出光裝置中，該光束經過兩組該偏移組件，且其中一組該偏移組件係用以令該光束於X方向上產生偏移，而另一組該偏移組件係用以令該光束於Y方向上產生偏移，其中，該X方向與該Y方向係相互垂直。

前述之出光方法及出光裝置中，復包括將通過該偏移組件之光束藉由掃描組件導引至該聚焦組件。例如，該掃描組件與該可程式邏輯控制器係用以調控該光束的偏移路徑，其可為圓形、方形、三角形、多角形或曲折之路徑，以應用於複雜元件之雷射製程。

由上可知，本揭露之出光方法及出光裝置中，主要藉由該調控機構與該偏移組件之配置，以調控該光束之路徑，故應用於雷射加工之鑽孔製程中，不僅能依需求快速地產生可控制及任意形狀的錐形孔或直通孔，且能製作尺寸小尺寸的孔洞。

1,3‧‧‧出光裝置

10‧‧‧光源

11,21,31x,31y‧‧‧偏移組件

12‧‧‧調控機構

13‧‧‧聚焦組件

20,310‧‧‧偏振分光鏡

20a‧‧‧第一表面

20b‧‧‧第二表面

21a,21b,311‧‧‧1/4波片

22a,22b,312‧‧‧反射鏡

32‧‧‧掃描組件

320‧‧‧導引鏡

8‧‧‧目標物

80‧‧‧圓形錐孔

81‧‧‧圓形倒錐孔

82‧‧‧星形開孔

83‧‧‧交叉狀開孔

9‧‧‧探針卡

90‧‧‧開孔

a‧‧‧原點

b‧‧‧偏移點

D‧‧‧平行位移距離

e‧‧‧傾斜度

W‧‧‧長邊

L,L1,L2,L3,L4,L,L6,L7,L9‧‧‧光束

R1‧‧‧矩形路徑

R2‧‧‧圓形路徑

R3‧‧‧偏移路徑

θ‧‧‧偏轉角度

第1圖係為本揭露之出光裝置之第一實施例的示意圖；第1A及1B圖係為第1圖之光束路徑規劃之其它態樣的示意圖；第1C及1D圖係為第1圖之開孔形狀之其它態樣的示意圖；第2A圖係為本揭露之出光裝置之第二實施例的局部示意圖；第2B圖係為第2A圖的光束偏移狀態示意圖；第2C圖係為第2B圖的光束於目標物上的結果示意圖；以及第3圖係為本揭露之出光裝置之第三實施例的示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「下」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

請參閱第1圖，係為本揭露之出光裝置1之第一實施例的示意圖。如第1圖所示，該出光裝置1係模組化，其包括一偏移組件11、一調控機構12以及一聚焦組件13。

所述之偏移組件11係包含分光鏡。

所述之調控機構12係作動該偏移組件11，且包含振鏡馬達(Galvo motor)，以藉由可程式邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)規劃該偏移組件11之位移路徑(如第1圖所示之矩形路徑R1)，使該振鏡馬達帶動該偏移組件位移，其中，該可程式邏輯控制器之規劃方式係依據光束移動距離(如探針卡9導引探針用之開孔90之長邊W之尺寸)與光束開孔壁面傾斜角度(即該開孔90之錐面傾斜度e)，亦即該可程式邏輯控制器之規劃方式係為光束移動距離與光束開孔壁面傾斜角度之關聯方程式。

所述之聚焦組件13係包含聚焦鏡片。

於操作時，由一光源10產生如雷射之光束L，該光束L經由該偏移組件11，再經由該聚焦組件13，以將該光束L聚焦於目標物(如該探針卡9之開孔90處)上，且藉由該調控機構12位移該偏移組件11(如沿著第1圖所示之矩形路徑R1)，以調控該光束L的偏移路徑(依不同偏移路徑而成為光束L或光束L9)。

因此，本揭露之出光裝置1藉由該調控機構12之振鏡馬達與可程式邏輯控制器之設計，以調控該偏移組件11之偏移，使該光束L的路徑(如第1圖所示之矩形路徑R1或第1A及1B圖所示之圓形路徑R2)可依需求規劃，故該出光裝置1能任意調整開孔錐角(如該矩形開孔90之長邊W之傾斜度e與轉角處之傾斜度e不同)，因而能應用於各種孔形之製作，如第1A及1B圖所示之目標物8之圓形錐孔80及圓形倒錐孔81、第1C圖所示之目標物8之星形開孔82及交叉狀開孔83、或如第1D圖所示之探針卡9之具倒角之矩形開孔90，尤其是可製作直徑小於50微米(μm)的孔洞(如該探針卡9之矩形開孔90)。

請參閱第2A及2B圖，係為本揭露之出光裝置之第二實施例的局部示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於偏移組件之構件，其它配置大致相同，故以下不再贅述相同處。

如第2A圖所示，該偏移組件21係包含一偏振分光鏡(Polarizing beam splitter，簡稱PBS)20、兩1/4波片(wave plate)21a,21b與兩反射鏡(mirror)22a,22b。

於本實施例中，該偏振分光鏡20具有相對之第一表面20a與第二表面20b，且該兩1/4波片21a,21b係分別設於該第一表面20a與第二表面20b之一側，而該兩反射鏡 22a,22b係分別設於該兩1/4波片21a,21b之一側。

於使用時，該光源10之光束L1係為S偏振光，其從該偏振分光鏡20之第一表面20a入射，經該偏振分光鏡20之第一表面20a反射後，經過該第一表面20a之一側之1/4波片21a，再經由其上之反射鏡22a反射而再次穿過該第一表面20a上之1/4波片21a，此時光束L2變成P偏振光，故會穿過該偏振分光鏡20之第一表面20a與第二表面20b。之後，該光束L2(P偏振光)穿過該偏振分光鏡20並經過該第二表面20b上之1/4波片21b，再經由其上之反射鏡22b反射而再次穿過該第二表面20b之一側之1/4波片21b，此時光束L3會變回S偏振光，故會由該偏振分光鏡20之第二表面20b反射而出光。

因此，利用該偏振分光鏡20對S偏振光具備高反射特性及P偏振光具備高穿透特性，以調整該光束L1的偏振特性，使該光束L3在該偏振分光鏡20之第二表面20b反射出光，即可產生可控制且任意的偏移位置。

再者，如第2B圖所示，利用該調控機構12之振鏡馬達(Galvo motor)朝順時針偏轉調整該偏振分光鏡20的角度，使該光束L3產生平行之位移(如位移後之光束L4)，且可達到高速調控(例如，馬達每分鐘轉速大於20,000rpm)。具體地，該偏振分光鏡20之初始位置如虛線位置(或如第2A圖所示)，且該振鏡馬達朝順時針或逆時針偏轉該偏振分光鏡20的偏轉角度為±θ，故可推得該光束L3之平行位移距離D為2(D1+D2)tan(2θ)，其中，D1 係表示該第一表面20a上之反射鏡22a至該偏振分光鏡20之距離，且D2係表示該第二表面20b上之反射鏡22b至該偏振分光鏡20之距離。例如，當該偏振分光鏡20的偏轉角度θ為1度且該偏移組件21之長度為86mm(即D1與D2視為43mm)時，則D=2(43+43)tan(2．1)=6.006mm，使該光束L3之平行位移6.006mm而成為第2B圖所示之下方光束L4，亦即如第2C圖所示之由原點a(位移前之光束L3於聚焦後之目標物8上之開孔處)位移至偏移點b(位移後之光束L4於聚焦後之目標物8上之開孔處)。應可理解地，若該振鏡馬達朝逆時針偏轉該偏振分光鏡20，則位移前之光束L3會向上偏移成另一光束L5。

又，依據上述公式可知，該平行位移距離D與該偏振分光鏡20的偏轉角度θ兩者之間係相關聯，故於實際運作(如鑽孔製程)中，藉由該調控機構12之可程式邏輯控制器(PLC)之規畫方式，即光束移動距離(如該平行位移距離D)與開孔壁面傾斜角度(即孔錐度)之相關聯方程式，因而只要輸入所欲位移之數值(平行位移距離D)即可推算出所需之偏轉角度θ，進而令該可程式邏輯控制器(PLC)操控該振鏡馬達偏轉該偏振分光鏡20。

本揭露藉由該偏移組件21配合該調控機構12之設計，不僅可調控該光束L3之偏移，且調控速度高，故該出光裝置能任意調整開孔錐角，因而能應用於各種孔形之製作。

再者，該偏移組件21之體積小，故該出光裝置之模組空間亦得小型化。

第3圖係為本揭露之出光裝置3之第三實施例的示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於偏移組件之佈設，其它配置大致相同，故以下不再贅述相同處。

如第3圖所示，該出光裝置3係包括至少兩組偏移組件31x,31y及掃描組件32。

所述之偏移組件31x,31y係可採用如第二實施例所示之偏移組件21，其包含一偏振分光鏡310、兩1/4波片311與兩反射鏡312，以利用調控機構12之振鏡馬達調整該偏振分光鏡310的偏轉角度，其中，一組偏移組件31y係用以令光束於Y軸方向產生偏移，而另一組偏移組件31x係用以令光束於X軸方向產生偏移。

所述之掃描組件32係為振鏡式，例如有限狀態機(finite-state machine，簡稱FSM)掃描器(scanner)或XY掃描器等二維掃描器，其具有兩垂直排設之導引鏡320。有關掃描組件32之種類繁多，並不限於上述型式，例如可為一維掃描器。

於使用時，該光源10之光束L6先後經過該兩偏移組件31x,31y，再經由該掃描組件32之導引鏡320反射導引至該聚焦組件13，以將該光束聚焦於目標物上。若應用於鑽孔製程中，藉由該兩偏移組件31x,31y可調整開孔之錐面傾斜度(即孔錐度，相關說明可參考第二實施例，如第3圖所示之虛線所表示之調整後之光束L7)，且藉由該掃描組件32與該可程式邏輯控制器(PLC)以調控該光束L6 的偏移路徑R3，其圖示係為圓形路徑，但於其它實施例中，該偏移路徑R3可為任意路徑，如方形、三角形、多角形或曲折等路徑，以應用於複雜元件之雷射製程。

本揭露以兩組獨立的偏移組件31x,31y，分別使該光束L6於X、Y方向產生偏移，且藉由該掃描組件32在XY平面與聚焦光軸上產生可控制且任意的錐角。

綜上所述，本揭露之出光方法及其出光裝置，係藉由該調控機構與該偏移組件之配置，以調控光束之路徑，故應用於雷射加工之鑽孔製程中，不僅能依需求快速地產生可控制及任意形狀的錐形孔或直通孔，且能製作尺寸大於、等於或小於50微米的孔洞。

另外，該調控機構12之振鏡馬達可由音圈馬達或轉矩馬達取代，並無特別限制。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧出光裝置