一种激光加工钻孔系统

摘要

本发明专利提供一种激光加工钻孔系统，包括高功率激光器、扩束器、光束整形器、衍射光学元件、二维振镜、F‑theta扫描镜和工件台；所述高功率激光器出射的激光束经所述扩束器后，激光束照射到所述光束整形器和所述衍射光学元件，经所述二维振镜折转到所述F‑theta扫描镜上，最终在其焦面形成10倍微米量级大小的环形聚焦光斑；其中所述光束整形器和所述衍射光学元件改变激光束的空间分布，所述二维振镜和所述F‑theta扫描镜根据使用要求设定运动轨迹并驱动环形聚焦光斑完成预定轨迹的路径扫描。本发明的激光加工钻孔系统，结构简单，光路装调容易，方便系统集成，孔的纵深方向锥度小，孔的深径比值较大，且孔周围无破边，孔形良好，加工效率高。

权利要求

1.一种激光加工钻孔系统，其特征在于：包括激光器(01)、扩束镜(02)、光束整形器(03)、衍射光学元件(04)、二维振镜(05)、F‑theta扫描镜(06)和工件台(07)；

所述激光器(01)为后续光路提供脉冲激光束；

所述扩束镜(02)将所述激光器(01)出射的激光束光斑进行扩展，同时降低激光束的发散角；

所述光束整形器(03)将高斯光强分布的激光束重新整合成平顶均匀分布的激光束，激光束通过所述光束整形器(03)只改变激光束光能量的分布态势，不改变激光束的光斑形状，故整形后的激光束仍为圆形光斑，且为边缘轮廓清晰的圆光斑，另外，激光束的传播方向仍为与系统的光轴保持水平；

所述衍射光学元件(04)改变激光束的空间分布，将平顶均匀分布的激光束转化成与其光轴成特定角度的激光束，即通过所述衍射光学元件(04)的激光束以光轴为旋转轴，并偏折光轴方向射出，该偏折角度值为所述F‑theta扫描镜的视场角；

所述二维振镜(05)根据使用要求预先设定运动轨迹，同时将沿特定角度方向射出的激光束导入到所述F‑theta扫描镜(06)上；

所述F‑theta扫描镜(06)将沿特定角度方向射入的激光束聚焦成环形光斑，所述二维振镜(05)和所述F‑theta扫描镜(06)共同作用使所述F‑theta扫描镜(06)下聚焦的环形光斑按照预定轨迹完成路径扫描；

所述工件台(07)用于将被加工件放置其上，且所述工件台(07)为所述激光精细微加工钻孔系统的基准面；

所述衍射光学元件(04)和所述F‑theta扫描镜(06)的性能参数满足如下关系：D＝2f tan(θ)                   (1)式中D为环形聚焦光斑的直径；f为所述F‑theta扫描镜(06)焦距；θ为所述衍射光学元件(04)使激光束偏折光轴方向出射，并与光轴形成的角度值。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述激光器为纳秒激光器或皮秒激光器。

3.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述扩束镜(02)为变倍系统。

4.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述F‑theta扫描镜(06)为像方远心光学系统。

5.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述工件台(07)为精密二维移动平台，用于实现大幅面激光加工，其定位精度控制在um量级。

6.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：激光束重新整合前后，激光束的光斑大小和光斑形状不变，能量整组后的光斑边缘轮廓清晰且边缘陡度小于

0.2mm，激光束的光强均匀性大于95％。

7.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述光束整形器(03)采用衍射光学元件或采用复眼透镜实现光束匀化。

8.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述衍射光学元件(04)的台阶数为8个或16个。

9.根据权利要求1所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：所述二维振镜(05)内部有空间正交设置的两个反射镜，两个反射镜转动过程无干涉，且由电机驱动两反射镜转动。

10.根据权利要求9所述的一种激光加工钻孔系统，其特征在于：电机的通信线引入到计算机中，计算机根据使用要求预先设定运动轨迹，并配合到所述F‑theta扫描镜(06)上，使聚焦光斑沿预先设定的运动轨迹扫描，每个扫描点为聚焦的环形光斑。

说明书

一种激光加工钻孔系统

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工领域，尤其涉及用于激光精细微加工的激光钻孔系统(精细微：钻孔的孔直径最小可达到10um量级)。

背景技术

[0002] 激光精细微加工技术作为一门涉及光、机、电、算以及材料等多学科技术，被广泛应用于半导体行业，尤其以集成电路为重。目前激光钻孔的主流技术是采用旋转电机驱动
双光楔旋转，并在聚焦系统焦面上获取环形光斑，该环形光斑并非一次成型，而是由旋转电
机转速决定，同时使用振镜实现使用路径的扫描，故环形光斑的生成存在时间上和空间上
的延迟，该技术的主要问题是旋转电机转速不高，存在动平衡误差，使用寿命不长，旋转电
机使用中需要配有水冷、气路和控制箱等配套设施，使得整个钻孔系统变得复杂，体积庞
大，装调麻烦，同时加工效率。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题在于克服上述技术缺陷，提供一种激光加工钻孔系统，解决现有激光钻孔系统存在的加工效率低、系统复杂、体积大等问题。

[0004] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种激光加工钻孔系统，包括激光器、扩束镜、光束整形器、衍射光学元件、二维振镜、F‑theta扫描镜和工件台；

[0005] 所述激光器为后续光路提供脉冲激光束；

[0006] 所述扩束镜将所述激光器出射的激光束光斑进行扩展，同时降低激光束的发散角；

[0007] 所述光束整形器将高斯光强分布的激光束重新整合成平顶均匀分布的激光束，激光束通过所述光束整形器只改变激光束光能量的分布态势，不改变激光束的光斑形状，故
整形后的激光束仍为圆形光斑，且为边缘轮廓清晰的圆光斑，另外，激光束的传播方向仍为
与系统的光轴保持水平；

[0008] 所述衍射光学元件改变激光束的空间分布，将平顶均匀分布的激光束转化成与其光轴成特定角度的激光束，即通过所述衍射光学元件的激光束以光轴为旋转轴，并偏折光
轴方向射出，该偏折角度值为所述F‑theta扫描镜的视场角；

[0009] 所述二维振镜根据使用要求预先设定运动轨迹，同时将沿特定角度方向射出的激光束导入到所述F‑theta扫描镜上；

[0010] 所述F‑theta扫描镜将沿特定角度方向射入的激光束聚焦成环形光斑，所述二维振镜和所述F‑theta扫描镜共同作用使所述F‑theta扫描镜下聚焦的环形光斑按照预定轨
迹完成路径扫描；

[0011] 所述工件台用于将被加工件放置其上，且所述工件台为所述激光精细微加工钻孔系统的基准面；

[0012] 所述衍射光学元件和所述F‑theta扫描镜的性能参数满足如下关系：

[0013] D＝2f tan(θ)              (1)

[0014] 式中D为环形聚焦光斑的直径；f为所述F‑theta扫描镜焦距；θ为所述衍射光学元件使激光束偏折光轴方向出射，并与光轴形成的角度值。

[0015] 作为本发明的进一步改进，所述激光器为纳秒激光器，或皮秒激光器。

[0016] 作为本发明的进一步改进，所述扩束镜为变倍系统。

[0017] 作为本发明的进一步改进，所述F‑theta扫描镜为像方远心光学系统。

[0018] 作为本发明的进一步改进，所述工件台为精密二维移动平台，用于实现大幅面激光加工，其定位精度控制在um量级。

[0019] 作为本发明的进一步改进，激光束重新整合前后，激光束的光斑大小和光斑形状不变，能量整组后的光斑边缘轮廓清晰且边缘陡度小于0.2mm，激光束的光强均匀性大于
95％。

[0020] 作为本发明的进一步改进，所述光束整形器采用衍射光学元件，或采用复眼透镜实现光束匀化。

[0021] 作为本发明的进一步改进，所述衍射光学元件的台阶数为8个或16个。

[0022] 作为本发明的进一步改进，所述二维振镜内部有空间正交设置的两个反射镜，两个反射镜转动过程无干涉，且由电机驱动两反射镜转动。

[0023] 作为本发明的进一步改进，电机的通信线引入到计算机中，计算机根据使用要求预先设定运动轨迹，并配合到所述F‑theta扫描镜上，使聚焦光斑沿预先设定的运动轨迹扫
描，每个扫描点为聚焦的环形光斑。

[0024] 本发明的有益效果是：

[0025] 本发明的激光加工钻孔系统，结构简单，光路装调容易，方便系统集成，孔的纵深方向锥度小，孔的深径比值较大，且孔周围无破边，孔形良好，加工效率高。

附图说明

[0026] 图1是本发明激光精细微加工钻孔系统示意图；

[0027] 图2是本发明光束整形器实现激光束光强调制示意图；

[0028] 图3是本发明环形聚焦光斑形成过程示意图；

[0029] 图4是本发明激光钻孔示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0031] 一种激光加工钻孔系统，包括激光器01、扩束镜02、光束整形器03、衍射光学元件04、二维振镜05、F‑theta扫描镜06和工件台07；

[0032] 所述激光器01为高功率的激光器，一般功率在5瓦以上；

[0033] F‑theta扫描镜：F‑theta扫描镜就是扫描镜或扫描场镜。

[0034] 所述激光器01为后续光路提供光源，具有高重复频率、高峰值功率、窄线宽的脉冲激光束，较佳地，所述激光器为纳秒激光器，或皮秒激光器；(高重复频率：高重复频率：至少
在500KHZ上；高峰值脉冲：一般在20uJ以上；窄线宽：纳秒或皮秒。)

[0035] 所述扩束镜02用于将所述激光器01出射的激光束光斑进行扩展，同时降低激光束的发散角，较佳地，所述扩束镜02为变倍系统，其目的用于后续光路获取最佳的激光束光
斑；

[0036] 所述光束整形器03用于将高斯光强分布的激光束重新整合成平顶均匀分布的激光束，激光束通过所述光束整形器03只改变激光束光能量的分布态势，不改变激光束的光
斑形状，故整形后的激光束仍为圆形光斑，且为边缘轮廓清晰的圆光斑，另外，激光束的传
播方向仍为与系统的光轴保持水平；

[0037] 所述衍射光学元件04用于改变激光束的空间分布，将平顶均匀分布的激光束转化成与其光轴成特定角度的激光束，即通过所述衍射光学元件04的激光束以光轴为旋转轴，
并偏折光轴方向射出，该偏折角度值为所述F‑theta扫描镜的视场角；

[0038] 本处及下文的特定角度，用字母θ表示，是指：利用公式D＝2f tan(θ)计算出的θ值，其中f为所述F‑theta扫描镜06焦距。

[0039] 所述二维振镜05根据使用要求预先设定运动轨迹，同时将沿特定角度方向射出的激光束导入到所述F‑theta扫描镜06上；

[0040] 所述F‑theta扫描镜06用于将沿特定角度方向射入的激光束聚焦成环形光斑，最终在其焦面形成10倍微米量级大小的环形聚焦光斑；所述二维振镜05和所述 F‑theta扫描
镜06共同作用使所述F‑theta扫描镜06下聚焦的环形光斑按照预定轨迹完成路径扫描，较
佳地，所述F‑theta扫描镜06为像方远心光学系统；

[0041] 所述工件台07用于将被加工件放置其上，且所述工件台07为所述激光精细微加工钻孔系统的基准面，较佳地，所述工件台07为精密二维移动平台，用于实现大幅面激光加
工，其定位精度控制在um量级。

[0042] 所述衍射光学元件04和所述F‑theta扫描镜06的性能参数满足如下关系：

[0043] D＝2f tan(θ)            (1)

[0044] 式中D为环形聚焦光斑的直径；f为所述F‑theta扫描镜06焦距；θ为所述衍射光学元件04使激光束偏折光轴方向出射，并与光轴形成的角度值；为了使激光钻孔的锥度小和
孔的深径比值较大，为大于10：1，则环形聚焦光斑的直径要小于10um,且所述F‑theta扫描
镜06焦距要长，大于100mm，因此通过所述衍射光学元件04的激光束的偏折角θ较小。

[0045] 如图1所示，本发明实施例提供一种激光加工钻孔系统，所述激光器01输出高重复频率、高峰值功率和极窄线宽的脉冲激光束，经由所述扩束镜02后，使激光束的光斑进行了
延展，同时降低了激光束的发散角，该激光束再传输至所述光束整形器03 之后，重新整合
光斑能量分布的激光束照射到所述衍射光学元件04上，所述衍射光学元件04使激光束与光
轴方向形成特定角度值，沿特定角度出射的激光束在所述衍射光学元件04形成空心的圆
环，该空心圆环经过所述二维振镜05折转至所述F‑theta扫描镜06上，所述F‑θ扫描镜06将
空心圆环的激光束聚焦到所述工件台07上，其光斑为聚焦环形光斑，所述工件台07的载物
台面上放置被加工件，因此激光精细微加工钻孔系统的聚焦激光束照射到被加工件的表面
上。

[0046] 如图2所示，所述光束整形器03用于将激光束的光强能量分布进行重新整合，即输入端为高斯光强分布的激光束11通过所述光束整形器03后，将中心区域高能量削平并填充
到激光束的边缘区域，则输出端为平顶光强能量均匀分布的激光束12，不考虑激光束通过
所述光束整形器03存在的光强损失，所述高斯光强分布的激光束11 总能量与平顶光强能
量均匀分布的激光束12总能量相同；激光束能量重组前后，激光束的光斑大小和光斑形状
不变，能量重组后的光斑边缘轮廓清晰且边缘陡度小于0.2mm，激光束的光强均匀性大于
95％；另外，激光束的传播方向仍为与系统的光轴保持水平；所述光束整形器03实现光能量
重组的主要目的是使后续光路生成的环形光斑上的能量分布均匀，是使打出的孔周围无破
边和孔形良好的先决条件；所述光束整形器03可以采用衍射光学元件，也可采用复眼透镜
实现光束匀化。

[0047] 如图3所示，由于所述二维振镜05不影响激光束的性能，只改变激光束传播方向，因此环形聚焦光斑形成过程不考虑所述二维振镜05；所述衍射光学元件04改变激光束的空
间分布，输入端为平顶均匀分布的激光束经过所述衍射光学元件04后，激光束均沿与光轴
成θ角度的方向照射到所述F‑theta扫描镜06上，激光束在所述衍射光学元件04后形成空心
的发散的环形激光束，即越靠向所述F‑theta扫描镜06，激光束光斑变大，且激光束的环形
宽度不变；另外，θ角度等价于所述F‑theta扫描镜06的视场角；环形激光束由所述F‑theta
扫描镜06聚焦后在所述工件台07上产生环形的聚焦光斑，其位于坐标系平面24的光斑分布
形状25的光斑大小为D，所述衍射光学元件04和所述F‑theta扫描镜06的性能参数满足如下
关系：

[0048] D＝2f tan(θ)              (1)

[0049] f为所述F‑theta扫描镜焦距；为了使激光钻孔的锥度小和孔的深径比值较大，则环形聚焦光斑的直径要小,且所述F‑theta扫描镜06的焦距要长，因此通过所述衍射光学元
件04的激光束的偏折角θ较小。当选取的所述F‑theta扫描镜06的焦距被确定后，打孔要求
的环形光斑一般在10倍um量级左右，便可计算出θ值，从而可确定所述衍射光学元件04的性
能参数。在制作所述衍射光学元件04过程中，综合考虑加工工艺和制造代价，制作所述衍射
光学元件04的台阶数8个为益，一方面衍射效率达到95％以上，另一方面加工工艺较易实
现。台阶数也可以为16个。

[0050] 所述二维振镜05内部有空间正交设置的两个反射镜，两个反射镜转动过程无干涉，且由电机驱动两反射镜转动，另外，电机的通信线引入到计算机中，计算机根据使用要
求预先设定运动轨迹，并配合到所述F‑theta扫描镜06上，使聚焦光斑沿预先设定的运动轨
迹扫描，每个扫描点为聚焦的环形光斑；如图4所示，驱动所述二维振镜 05，同时配合所述
F‑theta扫描镜06进行扫描，其扫描路径31由环形聚焦光斑32 的运动轨迹构成的，即每个
扫描点产生一个环形聚焦光斑32，同时上一个扫描点到下一个扫描点之间的间隔由计算机
设定的扫描点间距的具体值所决定。

[0051] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在
不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的
保护范围。