激光脉冲能量控制系统及方法
【专利说明】激光脉冲能量控制系统及方法
[0001]相关交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)主张2013年I月11日提交的美国临时申请案第61/751，810号，其通过引用而将其整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明的揭露内容一般涉及激光加工设备以及使用其的加工工件的方法。
【背景技术】
[0004]在工件的一个或多个材料内的特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)的激光加工可以是对激光功率是敏感的。在许多应用中(例如，在这些特征通过递送激光脉冲在工件上而被激光加工中)，形成特征的速度或效率且最终地形成的所述特征的质量可以对递送到工件上的个别的脉冲的脉冲能量是非常敏感的。例如，当激光加工例如印刷电路板、可挠性印刷电路或类似物的一工件时，当激光处理(例如，烧蚀)诸如铜的导电材料，相对高的脉冲能量可能是令人满意的，然而，当激光加工(如烧蚀)介电材料而不在所述介电材料中引起热效应(例如，由于炭化及/或熔化)且并不会损坏相邻材料(如铜)，相对低的脉冲能量可能是令人满意的。
[0005]控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法包括衰减光学组件(例如，偏振光学组件或声光调整器)，或者通过改变至激光介质的泵功率而激光光学输出功率的直接控制。这些传统的方法具有缺点，包括缓慢的速度(例如，用于机械调整偏振光学组件)、在激光传送中的变化(例如，在激光介质泵或Q-开关时间的控制中)或者缺乏与激光加工设备的其他操作的协调。
【发明内容】
[0006]本发明公开内容的实施例，如本文所述的范例，解决上述讨论的限制以及与控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法相关联的其它限制。
[0007]在某些实施例中，系统和方法提供激光脉冲能量控制及/或监测。一种示例性激光加工设备包括:激光系统，产生激光脉冲束；以及脉冲能量控制系统，逐个脉冲地(pulse-by-pulse basis)调整在束中的每个激光脉冲的脉冲能量。所述脉冲能量控制系统包括:开环前馈控制路径，其基于绘制激光脉冲能量随激光脉冲重复频率的变化的校准传输曲线对于每个激光脉冲选择脉冲能量传输值。激光能量监视器测量在激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量。功率控制回路可以基于从激光能量监视器的反馈来进一步调整在激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。
[0008]从以下参照附图进行的较佳实施例的详细描述中，其它的方面和优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0009]图1示意性地说明了根据本发明的一个实施例的激光加工设备。
[0010]图2示意性说明了与图1所示的装置的各个组件或系统相关联的扫描场。
[0011]图3和图4以图形方式说明了根据本发明的某些实施例通过扫描对于工件的束位置所产生的斑点的图案。
[0012]图5是示意性说明了形成图4所示的斑点的图案的工艺的实施例。
[0013]图6示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制系统的一些组件。
[0014]图7示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制算法。
[0015]图8示意性说明了从典型的激光功率曲线发展至归一化1/PE (脉冲能量)值随脉冲周期的变化。
[0016]图9说明了根据本发明揭示内容的实施例可以产生的夹头功率计(CPM)读数瞬
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[0017]图10示意性说明了穿过与不同的脉冲周期或脉冲重复频率相关联的相继的工艺区段的脉冲同步。
[0018]图11是根据一个实施例的示例性LET校准工艺的流程图。
[0019]图12是在图1所示的工件的激光加工期间根据用于功率控制的一个实施例而可以实现的示例操作顺序的流程图。
【具体实施方式】
[0020]示例性实施例参照附图而描述如下。许多不同的形式和实施例是可能的而不脱离本发明的精神和教导，因此本发明不应该被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反地，提供这些示例性实施例是为了使本公开将是彻底和完整的，并且对熟知本领域的技术人士将传达本发明的范畴。在附图中，组件的尺寸和相对尺寸可以被夸大以为了清晰度。本文中使用的术语仅是用于描述具体示例实施例的目的并且不意图限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，术语“包括”及/或“包含”当使用于本说明书中指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或它们的群组。除非另有规定，如引用时，一个值的范围既包括该范围的最高和最低的限制，也包括任何于其间的子范围。
[0021]如本文所使用的，“功率控制”是用于描述激光输出功率的控制的通用术语。但是，本文描述的示例性实施例测量和控制一激光脉冲的脉冲能量(pulse energy，PE)。对于一给定的脉冲重复频率(pulse repetit1n frequency，PRF)，激光功率脉冲功率等于PEXPRF。对于给定的PRF，PE控制等效于功率控制，并且这两个术语有时可互换使用。此夕卜，“PRF”可以由它的反转、脉冲周期(pulse per1d，PP)或脉冲间周期(inter-pulseper1d, IPP)来指定。通常情况下，机器的用户参考PRF，但功率控制执行指定脉冲周期。因此，这两个术语可互换使用在适当情况下的此讨论中。
[0022]参考图1所示，例如激光加工设备100的一种激光加工设备被配置为通过沿着路径P引导激光脉冲束105以撞击到工件102上以形成特征(例如通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口以及其他特征)在工件102的一个或多个材料内。特征可以通过控制激光加工设备100以执行一个或多个工具制造的动作(例如，冲击钻孔动作、环锯钻孔动作、刮削动作、路由动作、切断动作、其他动作)来形成，其中每个工具制造的动作可以包括一个或多个步骤。如图所示，激光加工设备100可包括激光系统104、夹头106、工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112。虽然未示出，激光加工设备100进一步可以包括一个或多个补充系统(例如，光学、反射镜、分束器、扩束器及/或束准直器)，其被配置来塑造、展开、聚焦、反射及/或准直沿路径P的任何一点处的激光脉冲105束。在一个实施例中，一组的一个或多个补充系统可以被称为“光学组件串”。
[0023]在一个实施例中，并且如将在本文更详细地讨论的，工件定位系统108c、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可以被控制来改变激光脉冲束105投射到工件102的位置(即，在相对于工件102束位置)。在另一个实施例中，正如也将在此更详细地讨论的，工件定位系统108、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可被控制以改变束位置相对于该工件102变化的速度及/或加速度。
[0024]所述激光系统104可以被配置为产生激光脉冲束105。束105内的激光脉冲可以是例如具有在红外、可见光或紫外光谱的波长。例如，束105内的激光脉冲可以具有例如1064奈米、532奈米、355奈米、266奈米和类似的波长。束105内的激光脉冲可以通常在从大约20kHz到大约2000kHz的范围中的PRF处产生。然而，应当理解的是，所述脉冲重复频率可小于20kHz或大于2000kHz。
[0025]所述夹头106可以作为能够适当地和有利地支撑工件102的任何夹头来提供。在一个实施例中，夹头106可以作为真空夹头、静电夹头、机械夹头或类似物或其组合来提供。
[0026]所述工件定位系统108被配置为沿着平行于X轴、Y轴及/或Z轴(其中，Z轴至少基本垂直于所述夹头106的表面，并且其中所述X轴、Y轴和Z轴相互正交)的一个或多个方向转移支撑工件102的夹头106，以转动夹头106绕着X轴、Y轴及/或Z轴的一个或多个或类似物或它们的组合。在一个实施例中，工件定位系统108可以包括被配置来移动如上文所讨论的夹头的一个或多个载台。当工件102由夹头106所支撑时，工件定位系统108可被操作以在相对于路径P的第一扫描场(例如，第一扫描场200，如图2所不)内(例如，沿X轴和Y轴)移动或扫描工件102。在一个实施例中，工件定位系统108可以被操作以从约400毫米至约700毫米(例如，约635毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约400毫米至约700毫米(例如，大约533毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描工件102。
[0027]所述束定位系统110被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束105，以在相对于工件102的第二扫描场(例如，第二扫描场202，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束定位系统110可以被操作来从约I毫米至约50毫米(例如，约30毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约I毫米至约50毫米(例如，大约30毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描束的位置。通常，束定位系统110的操作可以被控制以大于由工件定位系统108可以在第一扫描场200内扫描工件102的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在图示的实施例中，束定位系统110包括一对检流计(电流计)为基础的反射镜IlOa和110b，其设置在所述路径P内。每个反射镜IlOa和IlOb被配置成可旋转(例如，绕着X轴或Y轴)，从而偏转路径P和扫描在第二扫描场202内束的位置。然而，应当理解的是，所述束定位系统110可以任何其它合适的或有利的方式来配置。
[0028]所述束调整系统112被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束，以在相对于工件102的第三扫描场(例如，第三扫描场204，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统110可以被操作来从约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或它们的组合扫描束位置。本领域的技术人士将会体认到这些范围以举例的方式提供以及束的位置可以在更小或更大的范围内扫描。通常，束调整系统112的操作可以控制而以大于束定位系统110可以在第二扫描场内扫描束的位置的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统112包括单一声光偏转器(AOD)，其配置成偏转激光脉冲束105以在第三扫描场204内沿着X轴和Y轴扫描束的位置。在另一个实施例中，束调整系统112包括两个A0D，其中第一 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204内沿着X轴扫描束的位置以及第二 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204沿着Y轴扫描束的位置。然而，应当理解的是，所述束调整系统112可以任何其它合适的或有利的方式进行配置。例如，束调整系统112可以包括一个或多个声光调整器(AOMs)、电光偏转器(EODs)、电光调整器(EOMs)或类似物或它们的组合以及(或者作为代替)A0D。
[0029]所述激光加工设备100进一步可以包括通信地耦合到所述工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112和激光系统104的系统控制器114。所述系统控制器被配置来控制这些系统(工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112及/或激光系统104)的一个或多个或所有的上述操作，以在工件102内形成特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)。在一个实施例中，系统控制器114可以控制激光系统104的操作(例如，从约