用于激光微切削的切屑捕获及移除的制作方法

专利名称：用于激光微切削的切屑捕获及移除的制作方法
技术领域：
本发明关于激光加工时所产生的碎屑的管理，且特别是通过激光微切削小型目标 样本特性部位所产生的碎屑的管理。
背景技术：
利用激光束切削金属及其它目标样本时会产生相当大量的熔融碎屑，大部分的碎 屑从最接近激光切口周围的区域喷出去，因为激光束会炸穿此目标样本材料。来自激光切 口宽度范围内的区域中的碎屑可能会被沿着激光束传播轴线流动的切割头气体的高压喷 射而弹射出去，且流出激光束所聚集的一喷嘴外。因此，激光束的传播及切割头气体的流动 均沿着一条共同的轴线。剩余的碎屑微粒会沿着垂直于切口的轨迹以高速喷出，这些轨迹 位于进行切削的目标表面的轴向方向(亦即垂直方向)以及平行于目标样本的目标表面 的方向上。这些颗粒的尺寸从次毫米到次微米之间的范围内变化，而且，颗粒温度很高，通 常为摄氏几百度。假如在激光微切削期间没有妥善控制碎屑的话，则激光系统会被轴向碎 屑所污染，且需要每日进行清洁与维修。此外，表面碎屑可能会阻挡激光束切割路径，因而 降低切除效率。在半导体微切削系统中管理碎屑的现有技术水平乃是与其应用情形息息相关。在 一些情形中(例如，半导体晶片刻划)，可能仅限制于晶片背面才可以进行加工，通过此完 全避开目标表面且避开电路的主动层。其它的应用情形中仅提到碎屑经由进行激光微切削 的目标材料底面喷出，但在材料的目标表面上的剩余碎屑则并未受到管理或容纳。大部分 的激光微切削系统被设计成具有盖体与护罩，以保护敏感性的子系统零件免于受到水蒸汽 与熔融沉淀物的影响，但是这些护罩仅能捕捉一小部分的弹出材料。虽然他们能够保护微 切削设备，但是这些护罩并不能确保被加工的电子部件的品质。钻孔时，可以使用一种「三明治」技术，其中以保护层覆盖目标的两个表面，同时钻 穿此保护性覆盖层及目标材料，而稍后一起剥下覆盖层与表面碎屑(参阅Tuan A.Mai的 “朝向无碎屑的激光微切削(Toward Debris-free Laser Micromachining) ”，工业激光解 答23 :1，2008)。另一种类似的技术是在一表面上涂上一良性保护层(例如，光阻层)，其能 够捕捉碎屑且在激光加工之后可以分解掉。另一种技术是在具有冲洗目标表面的水喷雾或水薄膜时实施切削，然而，液体的存在可能会导致雾气或凝结，因而影响激光光学组件(Sim 及d Longtin的“具有一液体薄膜的极速激光微切削(Ultrafast Laser Micromachining with a Liquid Film)”，Proc. ICALEO，2001)。已经在相关产业中使用刷子作为碎屑管理装置，例如，印刷电路板(PCB)铣床利 用端铣床而在塑料PCB的背表面上钻设巨观孔洞，以安排印刷电路的路线。有一些设计运 用真空排气管，但是目前实施此种设计的系统并无法完全包含切割表面，因此，相当大量的 材料可能会从此碎屑管理系统中外漏。在PCB铣磨的应用情形中，可以将一外部真空软管 装附于电路板的背面，以便定期运用真空压力而在钻穿时移走电路板材料。作为另一替代 方式，刷子可以围绕钻头(或端铣床)，且与端铣床的心轴结合在一起，而且一个支撑刷子 的刷子外壳可以设有真空埠，以便将钻穿电路板材料时所产生的碎屑排放出去。这样的PCB 铣磨设备的范例为加州Irvine市「精密PCB产品」中所推出的Final Touch 101型基板切 割机路由器系统。

发明内容
本发明提供一种捕获及移除进行激光微切削的一目标样本的目标表面上所产生 的碎屑的方法，其中设置一障壁，此障壁包围最接近激光切割头输出喷嘴周围的体积，以容 纳所喷出的碎屑，且透过一真空出口而撷取碎屑。实施此碎屑管理方法的一较佳系统包括 一个具有挠性纤维刷形式的障壁，其被建构成具有圆环形状，且被定位成能够将喷出的碎 屑捕捉于一局部区域内，此局部区域围绕着激光束入射于此目标金属样本上的一目标区 域。较佳地，目标样本是由金属制成，且环状刷是由能够抵抗熔融金属的材料所制成，环状 刷的周缘被定位成能够包含激光束的传播轴线，而且，此传播轴线到环状刷之间的距离大 到足以使熔融碎屑在遇到刷子之前就冷却下来。以高流动速率沿着金属样本的目标表面所 引导的惰性气体，能够将环状刷中所捕捉到的喷出的表面碎屑朝向一真空出口运送。本发明的系统能容纳喷出的表面碎屑，通过此能够自动捕获并处理目标样本的激 光微加工所产生的表面碎屑与轴向碎屑。挠性纤维刷的材料能够承受至少几百度的温度， 且不会损伤或接触到目标表面。运用激光为主的标准钻孔设备可以重新翻新样式或重新设 计，以适应提供表面气流、碎屑容纳、及真空排放等所需要的零件。从以下伴随附图所做的较佳实施例的详细说明，可以更加清楚地了解本发明的其 它形态与优点。


图1是激光切割头与碎屑管理零件的剖面图，其等包括一环状挠性纤维刷挡板， 其被定位用以捕获激光微切削一目标样本所产生的碎屑；图2是激光切割头与碎屑管理零件的局部立体视图，包括图1的挠性纤维环状 刷；图3类似于图1，但是有标示指出切割气体的流动路径，及激光微切削目标样本所 产生的碎屑的喷出路径。
具体实施例方式图1至3显示一激光微切削系统的激光切割头90，此激光切割头90包括用以管 理激光微切削所产生的碎屑的碎屑管理(亦即容纳与移除)零件100，其与一激光聚焦透 镜组件102及一激光切割头对齐组件104结合在一起而成为单一结构。透镜组件102包括 光束聚焦光学零件106 (图1及3中整体地显示为单一透镜零件)。而且，切割头对齐组件 104在其底端包括一喷嘴及洁净气体安装架108，可供一激光束及气流输出喷嘴110固定至 此。一碎屑移除轴环112支撑住切割头对齐组件104、喷嘴、及洁净气体安装架108。透镜 组件102的光学零件106被安全地定位在一保护性碎屑窗口 114的后面，此窗口 114被一 0形环116安装并密封于喷嘴与洁净气体安装架108的顶端中的一凹穴118内，在此凹穴 118中它与切割头对齐组件104相结合。激光源(未显示)的一激光束120沿着一光束传播与切割头气流的共同轴线122 而传播通过透镜组件102与切割头对齐组件104的输出喷嘴110。激光束120被透镜组件 102聚焦，然后被切割头对齐组件104引导而入射至一夹头1 所固定的目标样本1 的目 标表面IM上。切割头对齐组件104被建构成能够通过相对于碎屑移除轴环112进行三点 调整而侧向定位此共同轴线122。当激光束120通过气体压力室132时，洁净气体入口 130 能允许高压惰性切割头气体进入喷嘴的圆锥型气体压力室132内及洁净气体安装台108。 激光束120传播且高压切割头气体流过输出喷嘴110，以便分别地从目标样本1 切割材 料，且从目标样本1 切出的材料区域中所形成的切口而喷出碎屑材料。以下的说明关于利用红外线(IR)激光束120，以便在金属材料的目标样本1 中 形成通孔。其它适当的目标材料包括涂有聚乙烯醇的金属、玻璃、陶瓷，以及含有KEVLAR与 碳纤维等任何复合材料。从切口所喷出去的碎屑可以被分类成轴向碎屑138及表面碎屑140，其轨迹分别 大致上垂直与平行金属样本126的目标表面124。与捕获这些喷出的碎屑有关的两项挑战 包括目标表面1 中范围广大的不同表面形状(亦即山丘、山谷与峡谷)，其能够捕捉表 面碎屑140及喷出的高温熔融金属碎屑。在目标表面1 上的形状变化例如可以是一夹具 142所代表的5mm阶梯部，此夹具142用以将目标样本1 固持于适当位置上且紧靠着夹头 128。碎屑管理零件100的一较佳实施例包括一挠性纤维刷挡板148，其形状为圆环状 且可能够作为一障壁，此障壁通过尽可能包含输出喷嘴110周围的内部体积150中越大越 好的空间而捕获微切削碎屑。在此较佳实施例中，环状刷148被建构成为一圆环，此圆环以 共同轴线122作为中心且具有位于目标表面IM上的平均半径152。然而，一般来说，环状 刷148可以被建构成椭圆形或直线侧边的多边形。环状刷148朝下悬垂以便于替换，此环 状刷148可释放地安装于一障壁或刷子安装板巧4上。环状刷148在图1与3的剖面图中显示成两个梯形，此两个梯形被定位在输出喷 嘴110上而与共同轴线122具有相等距离，且具有使夹具142局部陷入的刷毛。用以捕获 在熔融温度附近喷出的表面碎屑140的环状刷148，由挠性纤维材料所制成，以确保在微切 削期间不会刮伤或损坏零件。因此，较佳地，环状刷148是由具有非常高熔点温度的纤维 所制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)(铁氟龙)材料(其熔点为680oF)，或碳纤维(其熔点为 1500F)。当环状刷148接触不同的目标表面形状时会产生挠曲，如此能使刷子的刷毛中所捕捉的碎屑会成片剥落下来，通过此展现出自行清洁特性。环状刷148具有平均半径152， 其数值能设定一个有效的周缘距离及一内部体积边界，致使在刷子的刷毛捕捉到喷出的表 面碎屑140之前，能够使喷出的表面碎屑140冷却至低于环状刷148的熔点以下的温度。虽然具有比PTFE材料更高的熔点，但是碳纤维比较不适合，这是因为它的弹性较 差，因此当遇到目标表面形状上有所改变时，碳纤维会较慢返回其公称形状。假如目标表面 124是扁平的，则由适当材料所制成的皱褶会提供适当的性能。展现出较长寿命的另一环状刷148被建构成具有混合刷毛，其形式为同心的圆环 构件，其包括PTFE刷毛的一外环及碳纤维的一内环。PTFE刷毛的外环具有较佳的弹性与 记忆性，但是当激光切割头90处于连续制造用途时，PTFE外环会熔化，而碳纤维的内环却 不会熔化。因此，PTFE外环刷毛如同碳纤维内环刷毛的支撑机构，而内环刷毛系用以保护 PTFE刷毛免受熔融碎屑影响。在碎屑移除轴环112中所形成的一流体信道158的真空出口端口 156，与内部体积 150流体相通，以确保能够通过一个远程的真空泵(未显示)而连续地排空表面碎屑140， 此表面碎屑是由激光束110的切割操作所产生且通过由环状刷148而容纳于内部体积150中。图2是激光切割头90从金属样本1 的上方看来的立体图。在所显示的较佳实 施例中，碎屑管理零件100包括可供环状刷148安装的一刷子安装板154及一真空出口埠 156，此真空出口埠156装入碎屑移除轴环112中所形成的流体信道158内。碎屑管理零 件100被翻新改良成为一个运用标准激光的印刷电路板钻孔系统，例如本案受让人「伊雷 克托科学工业股份有限公司」所制造的型号阳00的系统。此型号5500的系统被翻新改良 而成为能够发出顶激光束的激光头，以切割金属样本126。环状刷148被显示成安装于刷 子安装板巧4上，此刷子安装板巧4系被固定于喷嘴的底表面与洁净气体安装架108上，而 且，真空出口埠156被显示成露出碎屑移除轴环112外。环状刷148具有一周缘200，其不 需要完全封闭但最好大致上是连续的，且使沿着此周缘200的多点与喷嘴110之间的距离 够远，而允许喷出的颗粒在接触环状刷148之前冷却下来。在环状刷148中的一小间隙206 能够使一气体导管或软管208(图1与幻进入洁净气体入口 130。环状刷148的刷毛接触 延伸通过间隙206的软管208的外表面，软管206与环状刷148的刷毛一起合作而提供大 致上封闭的障壁，以防止表面碎屑140从内部体积150外漏。图2亦显示在激光切割头90 内具有视觉对齐子系统210的一些零件，而视觉对齐子系统210上安装有相当多组的LED 215(为求简洁，只显示八组)，通过由这些LED而在微切削操作期间提供照明。图3类似于图1，但其利用箭头表示通过激光切割头90内的不同凹穴的切割头气 流、排放气流、及表面气流的路径。引进到气体入口 130中的切割头惰性气体四8的喷射被 限制于圆锥状气体压力室132内，通过此提供一个从输出喷嘴110发出且大致垂直向下引 导的切割头气流300。从输出喷嘴110发出的切割头气流300包括在微切削期间一部分进 入内部体积150的气体及一部分流经目标样本126中所形成的切口的气体。进入内部体 积150中的此部分切割头气体被流体信道158所取得，且通过由远程真空泵而离开输出埠 156，因此沿着目标表面IM而形成一个大致水平的表面气流305，此表面气流305其路径 上会遭遇到表面碎屑140。将此表面气流305的速率指定成等于或大于切割头气流300的 速率，且主要朝向真空出口埠156，通过此将喷出去的表面碎屑140的路径限制在内部体积150中。表面气流305的较佳速率大约为切割头气流300的速率的1. 25倍，因为如此一来 可以促进连接软管208至洁净气体入口 130时的工作直径。当表面气流305到达真空出口 埠156时，此表面气流305包括惰性切割头气体与来自内部体积150中的空间的周围空气 的混合物。除了限制喷出的碎屑的外，环状刷148限制表面气流305，且增强内部体积150 中的负压作用，通过此增加真空效率。因此，通过由环状刷148包含内部体积150，以及取得 大约1. 25倍的切割头气流300，能够自动捕获及处理激光微切削加工期间所产生的轴向碎 屑138及喷出去的表面碎屑140。 对于熟习此项技术者来说，显然在不违背本发明上述原理之前提下，仍可以产生 出许多变化。因此，本发明的范围应该由「申请专利范围」界定。
权利要求
1.一种捕获及移除激光微切削系统所产生的碎屑的方法，该激光微切削系统包含一喷 嘴，该喷嘴分别地供一激光束通过其而传播，及供一切割头气体喷射沿着一条共同轴线以 切割头气流速率通过其而流动，以微切削并通过在一样本中形成一切口，且将样本微切削 后所产生的碎屑通过该切口喷出去，该方法包含以下步骤引导该激光束，使其入射于该样本的一目标表面上，以便通过切割头气流的协助而微 切削该样本，该样本微切削时会沿着该目标表面的方向以高速从该切口喷出接近该样本的 熔融温度的表面碎屑，且以横贯于该目标表面的方向喷出轴向碎屑；设置一大致封闭的障壁，其具有一熔化温度及一有效中心，从该有效中心开始的一周 缘距离局部界定出一障壁内部体积；定位该障壁，使其包含该共同轴线，且通过将喷出的该表面碎屑捕捉于该障壁内部体 积中；将与该共同轴线之间的周缘距离设定至一值，此值是在该障壁捕捉到被喷出的表面碎 屑之前，可使该被喷出的表面碎屑能够冷却至低于该障壁的熔化温度以下的温度；以及以一表面气流速率引进一表面气流，该表面气流被引导成将被喷出的表面碎屑携带出 该障壁内部体积外，该表面气流速率大于该切割头气流速率，以便能够自动捕获并处理该 样本的激光微切削所产生的表面碎屑。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该障壁展现出挠性，当该样本接触该障壁时 能够使该样本的目标表面不受损伤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该障壁包含一环状的挠性纤维刷。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该纤维环状刷包括分别设置于接近及远离 该共同轴线的第一与第二同心环状构件，该第一环状构件是由耐温刷毛材料所形成，而该 第二环状构件是由弹性且可恢复形状的刷毛材料所形成。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该环状刷具有圆环形式。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切割头气体喷射流经一气体导管，以便输 送至该喷嘴，且其中该障壁包括一间隙，其尺寸够大而使该气体导管得以通过。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该表面气流以真空压力而被输送至该障壁 内部体积。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该表面气流速率等于或大于该切割头气流速率。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该样本包括金属，且入射于该目标表面上的 该激光束具有红外线波长。
10.一种用于捕获及移除激光微切削一样本所产生的碎屑的设备，其特征在于，包含 一激光切割头，其包括一喷嘴，该喷嘴供一激光束通过其而传播，及供一切割气体喷射沿着一共同轴线而以切割头气流速率通过其而流动；一支架，其用于具有一目标表面的样本，该支架被定位成使得该激光束能够入射于该 目标表面上，以便微切削该样本，及通过此从该样本中所形成的一切口喷出熔融的碎屑，喷 出的熔融碎屑的表面碎屑部分一般沿着该目标表面流动；一大致封闭的障壁，其操作式地连接至该激光切割头，且当其安装于该支架上以形成 一障壁内部体积时，能够操作式地接触该样本的目标表面，该障壁被定位成能够包含该共同轴线，且通过此将该样本的微切削期间所喷出的该表面碎屑部分捕捉到该障壁内部体积 中；以及一真空出口，其与该障壁内部体积形成流体相通，以便该被喷出的表面碎屑部分携带 出该障壁内部体积外。
11.如权利要求10所述该的设备，其特征在于，该障壁展现出挠性，致使当该样本接触 该障壁时，该障壁能够使该样本的目标表面不受损伤。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，该障壁包含一环状的挠性纤维刷。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，该纤维环状刷包括分别设置于接近及远 离该共同轴线的第一与第二同心环状构件，该第一环状构件是由耐温刷毛材料所形成，而 该第二环状构件是由弹性且可恢复形状的刷毛材料所形成。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，该环状刷具有圆环形式。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该切割头气体喷射流经一气体导管，以便 输送至该喷嘴，且其中该障壁包括一间隙，其尺寸够大而使该气体导管得以通过。
16.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包含一碎屑移除轴环，其形成该激光切割头的一部分；以及一流体信道，其形成于该碎屑移除轴环中，以便使该真空出口与该障壁内部体积形成 流体相通。
17.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包含一碎屑移除轴环，其形成该激光切割头的一部分；以及一障壁安装板，其装附于该碎屑移除轴环，且使该障壁能够操作式地连接至该激光切 割头。
18.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该样本包括金属，且入射于该目标表面上 的该激光束具有红外线波长。
全文摘要
本发明公开了一种捕获并移除激光微切削一目标金属样本(126)的目标侧上所产生的金属碎屑(140)的方法，其中设有一障壁(148)，此障壁包围最接近激光切割头输出喷嘴(110)周围的体积，以容纳所喷出的碎屑，且透过一真空出口(156)而撷取碎屑。实施此碎屑管理方法的一较佳系统(100)包括一个具有挠性纤维刷形式的障壁，其被建构成具有圆环形状，且被定位成能够将喷出的碎屑捕捉于一局部区域内，此局部区域围绕着激光束入射于此目标金属样本上的一目标区域。该环状刷是由能够抵抗熔融金属的材料所制成。以高流动速率沿着金属样本的目标表面引导的一惰性气体(298)，能够将环状刷中所捕捉到的喷出的表面碎屑朝向真空出口运送。
文档编号B23K26/36GK102112267SQ200980129843
公开日2011年6月29日 申请日期2009年6月11日 优先权日2008年6月18日
发明者马克·T·寇斯摩瓦斯基 申请人:伊雷克托科学工业股份有限公司