一种复合焦点时空同步钻孔系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光钻孔加工领域，具体涉及一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前的激光钻孔，都只限于单独激光焦点钻孔，钻孔所产生的粉尘依然附着在所钻微孔的周围、孔壁等位置，需要后端工序清洗进行处理，增加了处理工序，降低了加工效率，甚至使得产品废品率居高不下。有些微孔由于孔径太小，清洗是一个非常大的难题，本发明就是解决这个问题的。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种复合焦点时空同步钻孔系统及方法，多光束通过同一激光聚焦系统聚焦，其中多光束中扫描运动钻孔激光束进行高速高精度微细光斑聚焦钻孔，多光束中静态的激光束进行大光斑聚焦并进行激光预处理与激光清洗，结合振镜扫描进行孔与孔之间加工切换等技术，实现高效高精度高质量激光钻孔。
[0004]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0005]一方面，本发明提供了一种复合焦点时空同步钻孔系统，所述系统包括扫描运动钻孔激光器、扫描运动钻孔激光调制器、加热与清洗激光器、激光合束器、激光聚焦与焦点切换模块和待加工工件；
[0006]所述扫描运动钻孔激光器，用于发射第一扫描运动钻孔激光束；
[0007]所述扫描运动钻孔激光调制器，用于对所述发射的第一扫描运动钻孔激光束进行运动空间调制，并将调制后的弟一扫描运动钻孔激光束入射所述激光合束器；
[0008]所述加热与清洗激光器，用于发射第一加热与清洗激光束，并将发射的第一加热与清洗激光束入射所述激光合束器；
[0009]所述激光合束器，用于对所述入射的第一扫描运动钻孔激光束及第一加热和清洗激光束进行合束，分别输出第二扫描运动钻孔激光束及第二加热和清洗激光束，其中，所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10° ;
[0010]所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴上的一点随着光轴的空间运动，形成一个轨迹曲线，且该曲线在一个平面内；垂直于该平面，且穿过所述轨迹平面内的所述轨迹曲线的几何对称中心的轴线，即为所述第二扫描运动钻孔激光束的光轴空间运动轨迹对称轴线。
[0011]所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得所述复合聚焦焦点，并控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间进行切换，以使所述复合聚焦焦点对待加工工件的不同孔位进行激光钻孔加工与激光清洗；
[0012]其中，所述复合聚焦焦点包括与所述第二扫描运动钻孔激光束对应的第一激光聚焦光斑和与所述第二加热与清洗激光束对应的第二激光聚焦光斑，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于I毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内；所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化；或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗。
[0013]所述时空同步，指在对具体孔位钻孔时，在空间上，所述激光聚焦单元与待加工工件空间方位相对不变，所述第二激光聚焦光斑与激光聚焦单元以及待加工材料相对静止，所述第一激光聚焦光斑与激光聚焦与焦点切换模块相对运动，所述第一激光聚焦光斑并仅限于在所述第二激光聚焦光斑范围内扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑与所述第一激光聚焦光斑在空间上是包含与被包含的关系；在时间上，所述第一激光聚焦光斑与所述第二激光聚焦光斑相配合加工时，所述两束激光出光时序可以根据钻孔加工工艺的需要进行调整，所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔时，所述第二激光聚焦光斑可在所述第一激光聚焦光斑出光前或者出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者激光毛化，也可以在所述第一激光聚焦光斑出光时或者关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗。其好处是，一方面在激光密集钻孔领域引入了时空同步激光加热与清洗以及激光毛化，提高了钻孔激光束的钻孔效率，也提高了钻孔质量；另一方面，也并没有因为引入激光预处理与清洗光束而增加了激光钻孔期间激光聚焦系统与待加工材料的相对运动工时，因为所述两束激光激光焦点在钻孔位置是时空同步的，所述加热与清洗激光只要出光，激光焦点就覆盖了所述钻孔激光束焦点的运动轮廓范围，可以实时进行空间同步激光清洗。
[0014]所述清洗指激光清洗，是指采用加热与清洗激光束照射工件表面，使得表面的污物、颗粒、锈斑、材料毛刺等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清洁净化的工艺过程。其中激光预处理过程中的激光清洗，有利于减少所述扫描钻孔光束进行后续加工中等离子体对扫描钻孔激光束的屏蔽；钻孔的同时或者钻孔结束后的激光清洗，可以直接减少后续工序的超声波清洗或者化学清洗工序工作量，甚至取消后续清洗工序，提高产品质量，降低产品成本。
[0015]所述激光毛化，指采用加热与清洗光束对待钻孔区域进行材料表面毛化，有利于待加工材料对所述扫描钻孔光束的吸收，因而提高后续钻孔加工的效率与质量。
[0016]进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；
[0017]所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；
[0018]或者，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜和二维运动平台；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换；所述二维运动平台用于承载待加工工件以及加工区域的切换；
[0019]所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜和线性移动平台，所述静态聚焦镜用于对从所述激光合束器输出的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点；所述线性移动平台用于控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的切换。
[0020]进一步的，所述扫描运动钻孔激光调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射光学元件或其中任意两者或多者的组合。
[0021]进一步的，所述激光合束器为偏振合束器。
[0022]进一步的，所述待加工工件为电路板基材或者硅片或者陶瓷片，所述电路板基材包括印刷电路板基材和低温共烧陶瓷或者陶瓷片。
[0023]另一方面，本发明提供了一种复合焦点时空同步钻孔方法，所述方法包括:
[0024]将第一加热与清洗激光束和经过空间运动调制后的第一扫描运动钻孔激光束进行合束，以输出第二加热与清洗激光束和第二扫描运动钻孔激光束，以使所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间同轴或近轴，所述近轴指所述第二扫描运动钻孔激光束光轴空间运动轨迹对称轴线与所述第二加热和清洗激光束光轴空间角度小于10° ;
[0025]将所述激光合束后的第二扫描运动钻孔激光束和第二加热与清洗激光束进行聚焦，获得复合聚焦焦点，所述复合聚焦焦点由第一激光聚焦光斑和第二激光聚焦光斑组合而成；
[0026]控制所述复合聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换；当切换至一个具体孔位时，所述第一激光聚焦光斑对待加工工件进行扫描钻孔，所述第二激光聚焦光斑在所述第一激光聚焦光斑出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步激光预处理，或者，在所述第一激光聚焦光斑出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步激光照射清洗；
[0027]其中，在复合聚焦焦点内，所述第一激光聚焦光斑尺寸小于300微米，所述第二激光聚焦光斑直径小于I毫米，所述第一激光聚焦光斑运动轮廓位于所述第二激光聚焦光斑范围内。
[0028]进一步的，所述第一扫描运动钻孔激光束为脉冲激光束，所述第一加热与清洗激光束为连续激光束或脉冲激光束。
[0029]进一步的，所述第一扫描运动钻孔激光束的空间运动调制由声光偏转器完成，或者由电光偏转器完成，或者由压电陶瓷驱动或电流计驱动的反射镜偏转完成，或者由电主轴电机驱动旋转折射光学元件完成，或者由其中的任意两者或多种组合完成。
[0030]本发明的目的在于，实现一种高效高质量激光钻孔方法，主要用于微孔特别是盲孔钻孔，在高效钻孔方面，本发明中扫描运动钻孔激光束采用了高速精细空间调制方法，例如声光偏转调制可以做到371纳秒的偏转响应速度，而待加工工件的孔与孔之间激光偏转由振镜偏振完成切换，但是，仅仅如此还不足以满足实际生产需要，由于激光钻孔会在孔边缘产生大量粉尘，特别是孔内毛刺堆积，以及盲孔底部残留材料，都直接造成废品，因此在高质量钻孔方面，本发