专利名称：在电路基片上钻孔的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种借助激光束在电路基片上钻孔的方法，激光束通过偏转光学单元和成像单元被聚焦在单个钻孔位置上，并且以圆周运动在想要钻孔的区域移动。此外，本发明还涉及一种在电路基片上钻孔的装置，具有激光光源、偏转单元和成像单元，用于将激光源发出的激光束聚焦在基片的相应钻孔位置上，并且触发激光束在想要钻孔的区域进行圆周运动。
背景技术：
美国专利5,593,606展示了这样一种方法和装置。这里，通过移动激光束在孔的内部从外向里或者从里向外进行螺旋或同心圆运动，制造直径比激光束直径大的孔。
使用传统的方法，在对电路板或类似的电路基片钻孔时，使用偏转单元相继地接近钻孔位置。这样做的过程中，激光束以一种跳跃运动的方式从初始位置，例如前一个钻孔，被移动到新的钻孔中心，接着移动到具有预定半径的轨道上，并且，最后，总是使用同一偏转单元，在这个预定轨道上移动一次或多次直到产生想要的孔。这样的处理通过跳跃到下一个孔的位置再次执行。因为在各个运动序列之间可能出现方向的巨大改变，所以使用者不得不等待偏转单元的停顿，其由于偏转单元的惯性导致了，与仅仅用于钻孔的加工时间相比较，导致了显著的时间延迟。此外，如果激光从径向运动到圆周运动的过渡过程中被接通，并且在圆周运动结束时又被切断，那么钻孔的圆度会被影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有上述性质的方法及装置，用于在电路基片上钻孔，它可在孔的圆度和产量，也就是单位时间内钻孔的数量方面提高钻孔的质量。
本发明借助上述的方法通过以下步骤达到此目标-通过第一偏转单元将激光束轴移动和定心(centering)到相应的钻孔位置，-通过位于第一偏转单元之前的第二偏转单元不断为激光束调制圆周运动，以及-仅仅当第一偏转单元处于非运动状态时接通激光束。
在本发明中，通过安装前面的其他用于为激光束调制连续圆周运动的偏转单元，由偏转单元执行的不同运动被分离(decoupled)。因此，传统的偏转单元仅仅触发从一个钻孔位置到下一个位置的跳跃运动以及在相应钻孔位置的定位，而圆周运动通过其他偏转单元产生，该其他偏转单元不断的运动，因此不产生由于停止以及重启镜面(mirroring)运动产生的时间的延迟，时间的延迟导致因惯性产生的损失。时间周期因此被减少为到想要的钻孔位置的跳跃以及直到到达钻孔位置并且第一偏转单元停止的等待时间。然后，在一个或多个循环之后，激光再次被切断，而没有任何进一步的等待时间。在圆周运动的启动过程中以及从一个轨道运动到中心的过程中没有等待时间，因为圆周运动一直持续着并且第二偏转单元不经历停顿。因为在到达或离开轨道时激光束的方向不改变，所以不仅没有延迟，而且没有可能影响孔圆度的熔化穿透(mode burn)。
因为两个偏转单元被分开控制，所以它们整体的控制更加容易，并且直径和速度性能的校正可以各自独立地执行。通常，可获得更高的绝对轨道速度。当使用传统的偏转单元聚焦时，通常意味着不得不在用于钻孔的小圆周运动和用于定位的大跳跃运动之间折中，本发明允许有目的地为跳跃运动优化第一偏转单元。因此可获得更快的跳跃。
激光束的圆周运动优选由第二偏转单元围绕互相垂直、且与光束轴垂直的两个轴的两个重叠的、相位相差90度的正弦运动产生。然而，这些在第二偏转单元中的偏转也可以通过多个串连镜面的组合产生。但是，这里，各个镜面的偏转角度可更小，因此可触发更高的速度。
利用上述类型的装置，这个任务可以由本发明按如下方法来解决偏转光学单元具有第一偏转单元，它能够控制至各个钻孔位置的跳跃运动，第二偏转单元在激光光线路径上处于第一偏转单元之前，它使得激光束能够执行连续的圆周运动；并且，在第一偏转单元的停顿过程中，激光可为第二偏转单元的预定数量的轨道接通。
两个偏转单元可例如以传统方式由检流计镜面对组成。但是，尤其对于第二偏转单元，在一个优选实施方式中规定，其由至少一个压电元件形成。因为用压电元件能够获得的偏转角度通常小于由检流计元件能够获得的角度，所以它们可被用于第二偏转单元，因为这里，由于到成像单元的距离，仅仅需要非常小的角度偏转，并且钻孔运动的圆半径也远小于激光束从一个钻孔位置跳跃到另一个钻孔位置所需要的偏转。另一方面，压电元件允许更高的速度，因此第一偏转单元的检流计镜和第二偏转单元的压电元件的组合，产生了本发明非常有优势的实施例，其具有可达到的高钻孔速度。
这里，第二偏转单元还可以由两个压电元件形成，这两个压电元件可以绕着它们各自的纵向的、互相垂直的轴进行转动。在另一个有利实施方式中，第二偏转单元可由压电三角架(piezotripod)形成，其中绕两个轴的偏转是可能的，其相应地偏转激光束。通过使用适当适应的控制信号，压电元件的迟滞现象也可被补偿，并因此可获得更高的速度。
本发明的实施例将通过附图进行更详细的解释，其中图1示出根据本发明的激光钻孔装置的示意图；
图2示出传统钻孔方法中激光束路径的简化图；图3是对应于图2的图示，其示出根据本发明的方法中激光束覆盖的路径；以及图4和图5示出图1的激光束偏转系统的改进的实施例，其中第二偏转单元的实现方式不同。
具体实施例方式
图1示意地描述了在电路基片，优选为电路板10上钻微孔时的装置。在运作中，由激光光源1产生的激光束2通过可以传统方式由检流计镜构造的第一偏转单元3以及通过聚焦透镜4形式的成像单元被导引到电路板10上。在这个实施例中，电路板由电介质层11组成，它的顶部和底部覆盖有金属层12和13。这些金属层被构造用来形成电路通道(没有显示)。此外，钻微孔14以制造顶部金属层12和底部金属层13之间的电连接。然后，这些微孔的内壁以公知的技术金属化。
为了制造微孔14，激光束2被定心到希望的钻孔位置15，然后以通过聚焦透镜4调节的相应光斑大小F在这个钻孔位置15区域内在圆16中运动，由此产生微孔。
根据条件，诸如电路板材料、孔的深度、激光性能等等，激光束被移动到一个轨道上或多个连续轨道上。为了制造通孔(feed-through)，选择所谓的环钻术(trepanation)方法。在这个处理中，激光束仅仅沿着孔的边缘被导引，内部的芯被切掉。当制造微孔时，还可能需要执行具有不同半径的激光束行程。
只要微孔14被钻出，激光束就以跳跃运动17的方式被偏转到下一个钻孔位置15，在那里用以钻孔的圆周运动16被重新启动。
设计本发明，使得传统的偏转单元3通过分别聚焦在钻孔位置15上仅仅执行激光束的跳跃运动17，而通过位于前面的第二偏转单元5对激光束调制圆周运动，它包括两个可移动的镜子51和52。这两个镜子51和52优选地由压电元件移动，压电元件的偏转轴互相垂直，并且压电元件执行相位相差90度的持续正弦振动S1和S2。
因此，激光束持续地在轨道上移动，该轨道通过第二偏转单元5的偏转被预先聚焦，并且通过第一偏转单元3被聚焦到希望的钻孔位置。在第一偏转单元3的跳跃运动17过程中，激光被切断。它仅在已经到达新的钻孔位置之后并且在第一偏转单元已经完全停止后才被重新打开。
可以在图2和图3中比较传统的导引与根据本发明的激光束导引之间的区别。图2显示了传统方法的路线。激光束2或它的光轴在第一运动序列21中被导引到想要的钻孔的中心M。从那里，通过或多或少明显的角度改变，激光束在运动序列22中被导引到希望的圆半径处，以便然后通过方向的直角改变而被导引到圆轨道上，并且执行一个或多个轨道23。激光仅仅在轨道23上被接通，而在由虚线描画的其它运动序列上被切断。在轨道结束后，激光束以运动序列24又被导引到中心M处，从那里它执行到下一个钻孔位置的跳跃25。
在根据本发明的方法中，如图3中示意描绘，激光束通过第二偏转单元5执行被调制的、连续的圆周运动。偏转单元3仅仅经由运动序列21移动激光到希望的钻孔位置，并且接着经由跳跃序列25从这个钻孔位置移动到下一个钻孔位置。激光束本身从不运动到希望的钻孔位置的中心M，而是停留在它的轨道上并且仅在图3中由连续圆描绘的钻孔的区域内被接通。在跳跃序列21和25的过程中，圆周运动被调制，但是在这个处理过程中，激光束保持切断。
通过分离两个运动并且将它们分配给第一偏转单元3和第二偏转单元5，等待周期变得更短。还保留的唯一的等待周期是第一偏转单元在各个跳跃之后需要静止的时间。因此，用于制造例如直径为100μm的微孔的钻孔加工时间周期被减少高达45％，因为不再存在高达170μs的等待周期。
与图1相比，图4和图5给出了关于第二偏转单元的示意性改进。图4，例如，指出了这样的可能性，即在第二偏转单元中，使用单个、绕两个轴摆动的镜子53，来代替分别绕一个轴可旋转的两个镜子51和52。在这个例子中，镜子54仅仅是固定的偏转镜。
因为加工直径来自偏转的角度和偏转单元到聚焦透镜4之间的距离，所以在相同的偏转方向上可使用多个偏转单元。这个运动越小，可获得的定位速度越高。在图5中描述了这样的可能性。这里，偏转镜55用于将激光束绕第一轴偏转，而镜子56和57将激光束2偏转到相对于光轴相同的方向上，使得它们的偏转运动叠加。在这个例子中，镜子58是固定偏转镜。
权利要求
1.一种借助激光束(2)在电路基片上钻孔(14)的方法，所述激光束通过偏转光学单元(3，5)和成像单元(4)被调节到相应的钻孔位置(15)，并且随后以圆周运动(16)在想要生成的钻孔区域内被导引，其特征在于通过第一偏转单元(3)将激光束轴(2)移动并定心到相应钻孔位置(15)；通过第二偏转单元(5)为激光束(2)连续调制圆周运动(16)，所述第二偏转单元(5)位于所述第一偏转单元(3)之前；以及仅当所述第一偏转单元(3)处于静止时才接通激光束(2)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于由所述第二偏转单元(5)的两个重叠的正弦运动(S1，S2)产生所述激光束的圆周运动(16)，所述两个正弦运动的相位相差90度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于由两个以上的独立运动(55，56，57)叠加产生所述第二偏转单元(5)中的偏转。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于通过用于所述第二偏转单元的修改后的控制信号来补偿偏转元件的迟滞现象。
5.一种用于在电路基片上钻孔(14)的装置，具有激光源(1)、偏转光学单元(3，5)和成像单元(4)，用于将由所述激光源(1)发出的激光束(2)定心到基片(10)的相应钻孔位置(15)，并且在想要钻孔的区域(14)内触发圆周运动，其特征在于所述偏转光学单元包括第一偏转单元(3)，其可控制地用于执行到相应钻孔位置(15)的跳跃运动(17)；在所述激光束的光学路径上，所述第二偏转单元(5)处于所述第一偏转单元(3)之前，所述第二偏转单元(5)使得激光束(2)能够执行连续的圆周运动(16)；以及，当所述第一偏转单元(3)已经停顿时，所述激光(1)可为所述第二偏转单元(5)的预定数量的轨道(23)接通。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述第二偏转单元(5)由至少一个压电元件构成。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述偏转单元由两个压电元件(51，52)构成，所述两个压电元件可绕着各自的纵轴扭转，其纵轴位于互相垂直的面内。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述第二偏转单元由压电三角架(53)构成。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述第二偏转单元包括两个串联的偏转单元(56，57)，它们可绕着互相平行的轴转动以至少提供一个方向上的偏转。
全文摘要
在要钻的孔(15)的区域内借助于激光束(2)的圆周运动来进行钻孔，使得能够借助激光束在电路板基片上钻孔。激光束通过两个相继连接的耦合元件(3，5)被位移。第一耦合元件(3)，优选包含检流计镜，引起激光束(2)从一个钻孔位置跳跃(17)到相应的后继钻孔位置(15)，并且使其定心在相应的钻孔位置。第二耦合元件，优选由压电元件构成，调制激光束(2)的连续圆周运动。激光仅当第一耦合元件(3)静止时才被接通。通过省却运动区段之间过渡中的等待时间，改善了孔的质量，并获得了更高产量。
文档编号H05K3/00GK1784287SQ200380110303
公开日2006年6月7日 申请日期2003年11月26日 优先权日2003年4月15日
发明者约翰尼斯·斯克扎特, 德克·希勒布兰德, 汉斯·J.·梅耶尔, 丹尼尔·麦兹 申请人:日立比亚机械股份有限公司