利用一氧化碳激光器在印刷电路板中钻导通孔的制作方法
【专利摘要】用于在印刷电路板(PCB)(74)中钻导通孔的装置(10)包括输送激光辐射线脉冲的一氧化碳激光器(12)。脉冲具有相对宽的波长范围，以及慢速的上升沿和下降沿。利用声光调制器(52)来对脉冲的上升沿和下降沿进行剪取。分散补偿器(64)补偿由AOM(52)引入的剪取脉冲的分散。消色差聚焦光学器件(70)将分散补偿用的、剪取的脉冲聚焦到PCB(74)上，用于钻导通孔。
【专利说明】
利用一氧化碳激光器在印刷电路板中钻导通孔
技术领域
[0001]本发明一般涉及在印刷电路板(PCB)中导通孔的激光钻孔。本发明尤其涉及利用来自气体放电激光器的长波长红外辐射线对PCB进行激光钻孔。
【背景技术】
[0002]加封射频(RF)激励二氧化碳(CO2)激光器当前在PCB中钻导通孔(导通钻孔)方面受欢迎。这些激光器关于可用输出功率相对紧凑。通过示例的方式，长度小于一米(m)的激光器能够输送波长约为10.6微米(μπι)的长波长红外(IR)辐射线束，平均功率为400瓦特(W)或更大。虽然CO2激光器导通钻孔快速且高效，但是最终受限于由于激光束的长波长而导致钻出的最小孔尺寸。在所谓的“智能手机”中使用的PC板对于最小孔尺寸和间距的要求日益快速增长，实际上所考虑的“智能手机”是具有许多功能的手持式便携计算机设备，而不仅仅产生和接收电话呼叫。在当前现有技术的智能手机中，PCB可以具有多达30，000个导通孔。随着更多功能添加到智能手机中，将需要具有更多导通孔的更复杂的电路系统，并且最终将需要更短的钻孔波长来实现更小的孔尺寸和更近的间距。
[0003]假设优选的导通孔钻孔波长将是在大约2μπι与大约8μπι之间的所谓的中IR(MIR)波长。除了更小的孔尺寸和更近的间距的可能之外，MIR波长在PCB材料中比在更长的CO2激光辐射波长下具有更高的吸收系数。这将允许更快速地将热吸入PCB，这一般将导致具有更清洁的壁及更少的附带热损伤的孔。
[0004]MIR波长可利用和频率产生或光学参量产生由商业方式可得到的近IR(NIR)发射、固态激光器、纤维激光器、或光学栗浦半导体激光器来产生。然而，这将需要具有能够在CO2激光器系统中可实现的每瓦特成本很多倍的装置。
[0005]可以论证的是，用于导通钻孔的用于取代CO2激光器的唯一可能可行的候选MIR激光器是⑶激光器。关于加封CO激光器的近期调查指向加封⑶激光器，其是仅经过简单修改的加封CO2激光器，但是具有不同的激光气体混合物。已经实现了对应CO2激光器的功率输出的大约80%的功率输出。
[0006]在导通钻孔操作中，CO2激光器在脉冲模式被驱动。CO激光器的问题在于，当在脉冲模式下驱动时，脉冲上升时间和下降时间相对长。脉冲的长的上升时间和下降时间会造成激光钻孔的导通孔周围有不可接受的附带热损伤。至少在理论上，激光脉冲的上升时间和下降时间能够利用声光调制器(AOM)通过激光脉冲的调制“剪取”来缩短。
[0007]然而，由于⑶激光器输出的宽波长范围，这是复杂的。CO激光器输出发生在大约
4.5μπι与大约6.Ομπι之间的激光器波长范围内。AOM借助通过对晶体施加高RF电压而在诸如锗(Ge)晶体的敏感晶体中诱发的折射率格栅来起作用。诱发格栅将激光器从在不诱发格栅的情况下通过晶体的一个路径转向到与未转向(RF施加)路径成一角度的交替路径。当然，转向路径的角度是波长相关的。由于准直束具有CO激光器的全带宽，转向束将扩散到射线扇中，这将使得将束聚焦到PCB上进行钻孔变得复杂。
[0008]通过限制CO激光器带宽，例如通过使用激光器-共振器内的标准器或格栅的光谱选择性设备，能够缓解AOM的该束扩散。然而，CO激光器的本质是，输出功率将与光谱带宽减少程度成正比地减少。将光谱带宽减少至与AOM兼容的比例可以降低CO激光器功率低至相当尺寸和栗浦的CO2激光器的功率的五分之一。对于CO激光器而言，必须克服该问题和有关问题来变成用于导通钻孔的CO2激光器的商业上可行的替代物。
[0009]发明概述
[0010]在一个方面，根据本发明的装置包括声光调制器(AOM)和一氧化碳(CO)激光器。CO激光器发射激光辐射线脉冲，在所述脉冲中的辐射线具有波长范围在大约4.5微米与6.0微米之间的多个波长。辐射线脉冲具有临时上升沿和临时下降沿。激光辐射线脉冲沿入射方向入射到AOM上。AOM布置成接收辐射线脉冲，在与入射方向成一角度的波长相关分散方向的第一范围内，分散脉冲的除了上升沿的部分和下降沿的部分之外的中央临时部分。脉冲的残留部分由AOM沿着入射方向发送。分散补偿器布置成接收脉冲的中央临时部分且将分散方向的范围减至小于第一范围的第二范围。至少一个光学元件布置成将临时脉冲部分从分散补偿器消色差地聚焦到工件上。
【附图说明】
[0011]并入说明书并构成本说明书的一部分的附图示意性图示了本发明的优选实施方案，并且与上文给出的一般性描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
[0012]图1是示意性地示出根据本发明的导通钻孔装置的框图，包括:以脉冲方式工作的图1的CO激光器，脉冲具有CO激光器的宽波长范围特性;声光调制器(AOM)，用于对CO激光器发射的脉冲进行选择和剪取;分散补偿器，其用于校正在选定的和剪取的脉冲中由AOM引入的分散；以及消色差聚焦光学器件，其将进行了分散校正的脉冲聚焦到印刷电路板(PCB)上用于进行导通钻孔。
[0013]图2示意性地示出了图1的装置的优选实施方案，其中分散补偿器是棱镜，并且所述消色差聚焦光学器件包括凹镜，AOM由多个顺序开关的RF发生器来驱动。
[0014]图2A是示意性地示出作为图2的装置中的波长的函数的分散补偿的示例的曲线图，其中AOM是锗晶体AOM并且所述棱镜是硫化锌棱镜。
[0015]图3A和图3B是示意性地示出用于图2的RF发生器的顺序开关方案的曲线图。
[0016]图4示意性地示出了一个分散补偿布置，其中AOM在双通模式下用于脉冲剪取，而且还用于剪取脉冲的分散补偿。
[0017]图5示意性地示出了另一分散补偿布置，其中AOM在双通模式下用于脉冲剪取，而且还用于剪取脉冲的分散补偿。
[0018]图6示意性地示出了又一分散补偿布置，其中AOM在双通模式下用于脉冲剪取，而且还用于剪取脉冲的分散补偿。
[0019]图7示意性地示出了分散补偿布置，其中一个AOM用于脉冲剪取，另一AOM用于剪取脉冲的分散补偿。
[0020]图8示意性地示出了类似于图5的布置的分散补偿布置，但是其中AOM的正负衍射级产生了入射到AOM上的每个脉冲的两个剪取脉冲。
[0021]图9示意性地示出了分散补偿布置，其中在两个不同频率下顺序地驱动AOM以从入射到AOM上的每个脉冲提供在不同角度下衍射的两个剪取脉冲，一个棱镜提供用于一个剪取脉冲的分散补偿，两个棱镜提供用于另一个剪取脉冲的分散补偿。
[0022]图10示意性地示出了类似于图8的布置的分散补偿布置，但是其中两个剪取脉冲中的每一个均由对应棱镜进行分散补偿。
[0023]发明详述
[0024]现在参考附图，其中相似的组件由相似的标记来指代，图1以框图形式示意性地示出了根据本发明的导通钻孔装置10。装置10包括加封CO激光器12，其发射激光辐射线，该激光福射线的波长在大约4.5μηι与大约6.Ομπι之间的范围内。激光器在脉冲方式下工作。通过示例的方式，在大约0.5千赫兹(kHz)与2.0(kHz)之间的选定脉冲重复频率(PRF)下，脉冲可以具有在大约100微秒(ys)与160ys之间的选定持续时间。该激光器可从本发明的受让人的Santa Clara California的Coherent公司获得。
[0025]脉冲的特征在于长的上升时间和下降时间，实际上，可以认为，脉冲在幅值上或者上述或下降，在脉冲持续时间不具有近恒定幅值的大的时间段。通过示例的方式，在1.0kHz的PRF下，在脉冲中具有140ys的标定持续时间。测得的上升时间是50ys，并且测得的下降时间是84ys。为了可用于发明的⑶激光器导通钻孔，这些脉冲必须在上升沿和下降沿上进行剪取。声光调制器(A0M)52被提供用于从激光器输出选择脉冲以及用于实现选定脉冲的上升沿和下降沿剪取。
[0026]AOM通过利用高RF电压施加到晶体上而在锗晶体中诱发的“折射率格栅”将来自输入路径的辐射线转向而起作用。在具有该宽带宽的CO激光器脉冲的情况下，这将分散引入转向(选定且剪取)的脉冲束中。通过分散补偿器64在装置10中校正该分散。转镜68将分散补偿的脉冲束引导到消色差聚焦光学器件70上。消色差聚焦光学器件将分散补偿脉冲束聚焦到PCB 74上，用于进行导通钻孔。
[0027]图2示意性地示出了图1的装置的优选实施方案12A。此处，由A0M52进行转向和剪取的脉冲束被转向到射线扇中，脉冲光谱中的最短波长(λ s)以比脉冲光谱中最长的波长(λ?小的角度被转向。最短波长和最长波长的射线在图中分别由实线和虚线描绘出。此处，AOM由RF发生器RFGhRFG2和RFG3馈送的RF放大器54来驱动。
[0028]未被选择的脉冲和选定脉冲的丢弃部分不转向地继续进行到束废场56。脉冲的丢弃部分包括脉冲的“剪取去掉”的上升沿和下降沿部分以及由于AOM不足100%高效衍射所得到的转向脉冲束的某部分。
[0029]装置12Α中的分散补偿器64是被配置且布置成近似校准来自AOM的射线扇的棱镜65。此处在随附权利要求中所使用的术语“近似校准”意思是，不一定分散补偿射线被精确地校准，可以在某减范围方向上。
[0030]棱镜65将近似校准的束引导到消色差聚焦光学器件70，在实施方案12Α中消色差聚焦光学器件是凹镜72。镜子702将近似校准的束聚焦到PCB 74上。本领域技术人员将认识至IJ，在没有进一步详细描述或图示的情况下，具有多于一个元件的更复杂的聚焦布置可使用，而不偏离本发明的精神和范围。该聚焦布置可仅包括反射元件(镜子)，仅包括透射元件(透镜元件)或反射元件和透镜元件的某种组合。
[0031]图2Α是示意性地示出作为图1的棱镜布置的波长的函数的计算出的分散补偿的曲线图。在该情况下，AOM是锗(Ge)AOM，棱镜是硫化锌(ZnS)棱镜。分散补偿(以毫弧度计)是由AOM产生的分散与棱镜产生的分散之差。能够看出，在5.Ομπι与6.Ομπι之间的波长下，净分散小于20毫弧度。
[0032]继续参考图2，另外参考图3Α和图3Β，在装置1A中，如上所述，AOM 52由RF放大器54来驱动，RF放大器54又由三个RF发生器RFG1，RFG2和RFG3中的任一个来驱动。每个RF发生器具有相同的频率，但是具有选择性可变的输出幅值。该多发生器驱动布置的目的是能够利用多个时序“切片”来“剪取”脉冲。每个RF发生器剪取一个切片。RF发生器幅值的选择性可变的幅值(以及AOM中的诱发的折射率格栅的对应选择性可变的效率)允许单个切片的幅值选择性地变化。
[0033]图3Α是描绘待切片的脉冲(粗实曲线)的示波器轨迹的复现。平行的、垂直的细实线描绘了 RF发生器RFG1，RFG2和RFG3在时序上的“通”和“断”时间。当然，需要“关断” 一个RF发送器和“接通”下一 RF发生器之间的时间间隔非常小(图4Α中不可见)。
[0034]图3Β描绘了与图3Α中复现的类似的示波器轨迹(粗实曲线)如何根据图3Α的时间序列以“切片”出现，但是其中RFG4”片的幅值大于RFG3切片的幅值，RFG3切片的幅值又大于RFG2切片的幅值。在图3B的实施例中，RF发送器幅值已被选择而使得每个脉冲切片中的峰值功率近似相等。
[0035]应注意，此处RF发送器还能够在不同频率下工作，在该情况下三个脉冲“切片”将以不同角度离开AOM且可以由单独的聚焦光学器件单独使用用于导通钻孔。这在下文中进行更详细论述。
[0036]图4示意性地示出了可在根据本发明的装置中使用的一个替代的分散补偿布置。在该布置中，AOM 52的部分52A充当分散补偿器64。此处，来自CO激光器12(由粗实线描绘)的脉冲束在其上部中由AOM 52剪取。点划线格栅示意性地示出了通过对AOM施加RF功率所诱发的折射率格栅。
[0037]剪取的脉冲束被衍射到由最长k(虚线)和最短As(实线)界定的狭窄射线扇中。在回复反射布置中的转镜102和104将脉冲束引导回到AOM的下部52A，脉冲束在部分52A上的入射角k和λ5对应于来自AOM 52的衍射角。在通过AOM的第二通道上，分散被补偿，并且4和As射线彼此平行地传播到消色差聚焦光学器件。未剪取的辐射线和剪取辐射线的残留部分沿零序方向继续前进到束废场56，如在图中示意性图示出的。
[0038]为提供分散补偿，通过施加RF功率，使得从AOM回到AOM的路径长度足够长，而使得在AOM被再次激活之前整个激光脉冲能够遍历Α0Μ。这在时间上将AOM的脉冲剪取和分散补偿功能分离。
[0039]图5示意性地示出了能够在根据本发明的装置中使用的另一替代的分散补偿布置。该布置类似于图4的布置，除了仅一个转镜108将剪取的脉冲束引回AOM 52的部分52A。如在图4的布置中，Al和λ5射线来自AOM的衍射角和再入射至IjAOM的再入射角相同。分散补偿的脉冲束由转镜110引导到消色差聚焦光学器件。
[0040]图6示意性地示出了能够在根据本发明的装置中使用的又一替代分散布置布置。该布置类似于图4的布置，除了从AOM回到AOM的束路径由凹镜114形成的f-2f-f中继望远镜112延长之外(其中f是凹镜的焦距)。距镜子114距离为f的束在距镜子116距离为f处被成像。这减少了束的扩散。
[0041]图7示意性地示出了能够在根据本发明的装置中使用的又一替代的分散补偿布置。该布置类似于图2的布置，除了单独的AOM 52B替代图2的布置的分散补偿棱镜之外。由于AOM 52和AOM 52B能够独立地工作，所以无需AOM之间的延长的光路，并且因此能够限制束扩散。
[0042]在上述全部的分散补偿布置中，Α0Μ52的仅一个衍射级用于脉冲剪取。图8示意性地示出了这样一种布置:其中+1级和-1级用于同时从入射到AOM 52上的来自CO激光器12的每个脉冲的两个剪取脉冲。转镜120和122将两个剪取脉冲返回到AOM用于分散补偿，如图5的分散补偿布置一样。分散补偿剪取脉冲分别被转镜124和126引导到单独的消色差聚焦光学器件70A和70B(未明确显示出)。
[0043]在图9中描绘了与从一个入射脉冲提供两个剪取脉冲相结合地使用的另一分散补偿布置。此处，AOM 52由两个不同的RF频率fjPf2顺序地驱动。在图9的图中，为便于图示，剪取脉冲束由单根粗线示出。这些束包括上述的以及在其它图中描绘的衍射射线扇。在图9的图中，假设f2大于fi，使得f2剪取脉冲射线以比Fl剪取脉冲射线大的角度被衍射。
[0044]在图9的布置中，分散补偿由棱镜65和67提供。假设由f2引入的分散大于由单个棱镜补偿的分散。f2射线遍历两个棱镜而提供补偿。由fdl入的分散足够小而使得仅需要棱镜65来提供分散补偿。&和5剪取脉冲被送到单独的聚焦光学器件，如上文参考图8所描述的。
[0045]图10示意性地示出了类似于图8的布置的分散补偿，其中AOM52利用+1衍射级和-1衍射级同时提供两个用于单个入射脉冲的剪取脉冲。为便于图示说明，衍射束由单根粗线来描绘，如图9的布置。在图10的布置中，衍射束由棱镜65A和65B单独进行分散补偿，这分别将分散补偿束引导到消色差聚焦光学器件70A和70B(未明确示出)。
[0046]在上文根据优选的实施方案和其它实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于本文所描述的和描绘的实施方案。而是，本发明仅由随附的权利要求书来限定。
【主权项】
1.用于对工件进行激光钻孔的装置，包括: 第一声光调制器(AOM); 一氧化碳(CO)激光器，其发射激光-辐射线脉冲，所述脉冲中的辐射线具有波长范围在大约4.5微米与大约6.0微米之间的多个波长，所述辐射线脉冲具有临时上升沿和临时下降沿，并且所述激光辐射线脉冲沿入射方向入射到所述AOM上； 所述AOM布置成接收所述辐射线脉冲，分散脉冲的中央临时部分，在与所述入射方向成一角度的波长相关分散方向的第一范围内，排除所述上升沿的部分和所述下降沿的部分，以及沿着所述入射方向发射所述脉冲的残留部分； 分散补偿器，其布置成接收脉冲的中央临时部分以及减少分散方向的范围至小于所述第一范围的第二范围； 以及 至少一个光学元件，其布置成将来自所述分散补偿器的临时脉冲部分消色差聚焦到所述工件上。2.如权利要求1所述的装置，其中所述分散补偿器包括至少一个棱镜。3.如权利要求2所述的装置，其中所述分散补偿器包括两个棱镜。4.如权利要求2所述的装置，其中所述棱镜是硫化锌棱镜。5.如权利要求1所述的装置，其中所述分散补偿器是第二Α0Μ。6.如权利要求1所述的装置，其中所述脉冲的中央临时部分由所述第一AOM的第一部分分散，所述分散补偿器是所述第一 AOM的第二部分，并且所述装置进一步包括至少一个反射光学元件，所述反射光学元件布置成使得绕光学路径的所述脉冲的分散的临时中部分转向到所述第一AOM的所述第二部分中。7.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个反射光学元件是平面反射光学元件。8.如权利要求6所述的装置，其中所述第一AOM的所述第一部分和第二部分之间的光学路径的长度足以使得在整个脉冲已经遍历所述第一 AOM的第一部分之后脉冲的分散的中央部分到达所述第一 AOM的所述第二部分。9.如权利要求6所述的装置，其中所述装置包括两个平面反射光学元件，其布置成使得绕光学路径的所述脉冲的分散的临时中央部分转向到所述第一 AOM的所述第二部分中。10.如权利要求6所述的装置，其中所述装置包括平面反射光学元件以及第一和第二凹形反射光学元件，所述第一和第二凹形反射光学元件布置成使得绕所述光学路径的脉冲的分散的临时中央部分转向到所述第一 AOM的所述第二部分中。11.如权利要求10所述的装置，其中所述第一和第二凹形反射光学元件具有相同的焦距，布置成面对面，并且间隔开两倍所述焦距。12.如权利要求11所述的装置，其中所述脉冲的分散的中央部分从所述第一凹形反射光学元件反射到所述第二凹形反射光学元件，从所述第二凹形反射光学元件反射到所述平面反射光学元件，以及从所述平面反射光学元件反射到所述第一AOM的所述第二部分。13.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个聚焦光学元件是凹镜。14.如权利要求1所述的装置，其中所述第二方向范围近似平行。15.用于对工件进行激光钻孔的装置，包括: 第一声光调制器(AOM)，其由具有相同频率但是不同幅值的至少第一和第二RF信号顺序地操作； 一氧化碳(CO)激光器，其发射激光辐射线脉冲，所述脉冲中的辐射线具有波长范围在大约4.5微米和大约6.0微米之间的多个波长，所述辐射线脉冲具有临时上升沿和临时下降沿，并且所述激光辐射线脉冲沿入射方向入射到所述AOM上； 所述AOM布置成接收所述辐射线脉冲，通过对所述AOM施加所述第一和第二 FR信号来分散所述脉冲的除了上升沿的部分和下降沿的部分之外的第一和第二中央临时部分，所述第一和第二临时部分在与所述入射方向成一角度的波长相关分散方向的第一范围内分散，所述RF信号的所述第一和第二幅值被选择而使得所述第一和第二时间相邻的中央临时部分的峰值功率几乎相等； 分散补偿器，其布置成接收所述脉冲的中央临时部分且将所述分散方向的范围减至小于所述第一范围的第二范围；以及 至少一个光学元件，其布置成将所述临时脉冲部分从所述分散补偿器消色差地聚焦到所述工件上。16.如权利要求15所述的装置，其中所述第一和第二 RF信号由分别根源于第一和第二RF发生器的RF放大器来提供。
【文档编号】B23K26/0622GK105829011SQ201480051958
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年8月28日
【发明人】华恭学, E·R·米勒
【申请人】相干公司