一種復合焦點時空同步鉆孔系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光鉆孔加工領(lǐng)域，具體涉及一種復合焦點時空同步鉆孔系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的激光鉆孔，都只限于單獨激光焦點鉆孔，鉆孔所產(chǎn)生的粉塵依然附著在所鉆微孔的周圍、孔壁等位置，需要后端工序清洗進行處理，增加了處理工序，降低了加工效率，甚至使得產(chǎn)品廢品率居高不下。有些微孔由于孔徑太小，清洗是一個非常大的難題，本發(fā)明就是解決這個問題的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種復合焦點時空同步鉆孔系統(tǒng)及方法，多光束通過同一激光聚焦系統(tǒng)聚焦，其中多光束中掃描運動鉆孔激光束進行高速高精度微細光斑聚焦鉆孔，多光束中靜態(tài)的激光束進行大光斑聚焦并進行激光預處理與激光清洗，結(jié)合振鏡掃描進行孔與孔之間加工切換等技術(shù)，實現(xiàn)高效高精度高質(zhì)量激光鉆孔。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:
[0005]一方面，本發(fā)明提供了一種復合焦點時空同步鉆孔系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括掃描運動鉆孔激光器、掃描運動鉆孔激光調(diào)制器、加熱與清洗激光器、激光合束器、激光聚焦與焦點切換模塊和待加工工件；
[0006]所述掃描運動鉆孔激光器，用于發(fā)射第一掃描運動鉆孔激光束；
[0007]所述掃描運動鉆孔激光調(diào)制器，用于對所述發(fā)射的第一掃描運動鉆孔激光束進行運動空間調(diào)制，并將調(diào)制后的弟一掃描運動鉆孔激光束入射所述激光合束器；
[0008]所述加熱與清洗激光器，用于發(fā)射第一加熱與清洗激光束，并將發(fā)射的第一加熱與清洗激光束入射所述激光合束器；
[0009]所述激光合束器，用于對所述入射的第一掃描運動鉆孔激光束及第一加熱和清洗激光束進行合束，分別輸出第二掃描運動鉆孔激光束及第二加熱和清洗激光束，其中，所述第二掃描運動鉆孔激光束的光軸空間運動軌跡對稱軸線與所述第二加熱和清洗激光束光軸空間同軸或近軸，所述近軸指所述第二掃描運動鉆孔激光束的光軸空間運動軌跡對稱軸線與所述第二加熱和清洗激光束光軸空間角度小于10° ;
[0010]所述第二掃描運動鉆孔激光束的光軸上的一點隨著光軸的空間運動，形成一個軌跡曲線，且該曲線在一個平面內(nèi)；垂直于該平面，且穿過所述軌跡平面內(nèi)的所述軌跡曲線的幾何對稱中心的軸線，即為所述第二掃描運動鉆孔激光束的光軸空間運動軌跡對稱軸線。
[0011]所述激光聚焦與焦點切換模塊，用于對從所述激光合束器輸出的第二掃描運動鉆孔激光束和第二加熱與清洗激光束進行聚焦，獲得所述復合聚焦焦點，并控制所述復合聚焦焦點在待加工工件的不同加工孔位之間進行切換，以使所述復合聚焦焦點對待加工工件的不同孔位進行激光鉆孔加工與激光清洗；
[0012]其中，所述復合聚焦焦點包括與所述第二掃描運動鉆孔激光束對應(yīng)的第一激光聚焦光斑和與所述第二加熱與清洗激光束對應(yīng)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徑小于I毫米，所述第一激光聚焦光斑運動輪廓位于所述第二激光聚焦光斑范圍內(nèi)；所述第一激光聚焦光斑對待加工工件進行掃描鉆孔，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時對掃描鉆孔區(qū)域進行激光預處理，包括但不限于激光加熱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時或關(guān)光后對掃描鉆孔區(qū)域進行時空同步激光照射清洗。
[0013]所述時空同步，指在對具體孔位鉆孔時，在空間上，所述激光聚焦單元與待加工工件空間方位相對不變，所述第二激光聚焦光斑與激光聚焦單元以及待加工材料相對靜止，所述第一激光聚焦光斑與激光聚焦與焦點切換模塊相對運動，所述第一激光聚焦光斑并僅限于在所述第二激光聚焦光斑范圍內(nèi)掃描鉆孔，所述第二激光聚焦光斑與所述第一激光聚焦光斑在空間上是包含與被包含的關(guān)系；在時間上，所述第一激光聚焦光斑與所述第二激光聚焦光斑相配合加工時，所述兩束激光出光時序可以根據(jù)鉆孔加工工藝的需要進行調(diào)整，所述第一激光聚焦光斑對待加工工件進行掃描鉆孔時，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時對掃描鉆孔區(qū)域進行時空同步激光預處理，包括但不限于激光加熱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時或者關(guān)光后對掃描鉆孔區(qū)域進行時空同步激光照射清洗。其好處是，一方面在激光密集鉆孔領(lǐng)域引入了時空同步激光加熱與清洗以及激光毛化，提高了鉆孔激光束的鉆孔效率，也提高了鉆孔質(zhì)量；另一方面，也并沒有因為引入激光預處理與清洗光束而增加了激光鉆孔期間激光聚焦系統(tǒng)與待加工材料的相對運動工時，因為所述兩束激光激光焦點在鉆孔位置是時空同步的，所述加熱與清洗激光只要出光，激光焦點就覆蓋了所述鉆孔激光束焦點的運動輪廓范圍，可以實時進行空間同步激光清洗。
[0014]所述清洗指激光清洗，是指采用加熱與清洗激光束照射工件表面，使得表面的污物、顆粒、銹斑、材料毛刺等附著物發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，從而達到清潔凈化的工藝過程。其中激光預處理過程中的激光清洗，有利于減少所述掃描鉆孔光束進行后續(xù)加工中等離子體對掃描鉆孔激光束的屏蔽；鉆孔的同時或者鉆孔結(jié)束后的激光清洗，可以直接減少后續(xù)工序的超聲波清洗或者化學清洗工序工作量，甚至取消后續(xù)清洗工序，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。
[0015]所述激光毛化，指采用加熱與清洗光束對待鉆孔區(qū)域進行材料表面毛化，有利于待加工材料對所述掃描鉆孔光束的吸收，因而提高后續(xù)鉆孔加工的效率與質(zhì)量。
[0016]進一步的，所述激光聚焦與焦點切換模塊為振鏡掃描聚焦單元或平臺移動靜態(tài)聚焦單元；
[0017]所述振鏡掃描聚焦單元包括掃描平場聚焦鏡和掃描振鏡；所述掃描平場聚焦鏡對從所述激光合束器輸出的第二掃描運動鉆孔激光束和第二加熱與清洗激光束進行聚焦，獲得復合聚焦焦點；所述掃描振鏡用于控制所述復合聚焦焦點在待加工工件的不同加工孔位之間的高速切換；
[0018]或者，所述振鏡掃描聚焦單元包括掃描平場聚焦鏡和掃描振鏡和二維運動平臺；所述掃描平場聚焦鏡對從所述激光合束器輸出的第二掃描運動鉆孔激光束和第二加熱與清洗激光束進行聚焦，獲得復合聚焦焦點；所述掃描振鏡用于控制所述復合聚焦焦點在待加工工件的不同加工孔位之間的高速切換；所述二維運動平臺用于承載待加工工件以及加工區(qū)域的切換；
[0019]所述平臺移動靜態(tài)聚焦單元包括靜態(tài)聚焦鏡和線性移動平臺，所述靜態(tài)聚焦鏡用于對從所述激光合束器輸出的第二掃描運動鉆孔激光束和第二加熱與清洗激光束進行聚焦，獲得復合聚焦焦點；所述線性移動平臺用于控制所述復合聚焦焦點在待加工工件的不同加工孔位之間的切換。
[0020]進一步的，所述掃描運動鉆孔激光調(diào)制器為聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器或壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡或電流計驅(qū)動反射鏡或電主軸電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射光學元件或其中任意兩者或多者的組合。
[0021]進一步的，所述激光合束器為偏振合束器。
[0022]進一步的，所述待加工工件為電路板基材或者硅片或者陶瓷片，所述電路板基材包括印刷電路板基材和低溫共燒陶瓷或者陶瓷片。
[0023]另一方面，本發(fā)明提供了一種復合焦點時空同步鉆孔方法，所述方法包括:
[0024]將第一加熱與清洗激光束和經(jīng)過空間運動調(diào)制后的第一掃描運動鉆孔激光束進行合束，以輸出第二加熱與清洗激光束和第二掃描運動鉆孔激光束，以使所述第二掃描運動鉆孔激光束光軸空間運動軌跡對稱軸線與所述第二加熱和清洗激光束光軸空間同軸或近軸，所述近軸指所述第二掃描運動鉆孔激光束光軸空間運動軌跡對稱軸線與所述第二加熱和清洗激光束光軸空間角度小于10° ;
[0025]將所述激光合束后的第二掃描運動鉆孔激光束和第二加熱與清洗激光束進行聚焦，獲得復合聚焦焦點，所述復合聚焦焦點由第一激光聚焦光斑和第二激光聚焦光斑組合而成；
[0026]控制所述復合聚焦焦點在待加工工件的不同孔位之間進行切換；當切換至一個具體孔位時，所述第一激光聚焦光斑對待加工工件進行掃描鉆孔，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時對掃描鉆孔區(qū)域進行時空同步激光預處理，或者，在所述第一激光聚焦光斑出光時或關(guān)光后對掃描鉆孔區(qū)域進行時空同步激光照射清洗；
[0027]其中，在復合聚焦焦點內(nèi)，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徑小于I毫米，所述第一激光聚焦光斑運動輪廓位于所述第二激光聚焦光斑范圍內(nèi)。
[0028]進一步的，所述第一掃描運動鉆孔激光束為脈沖激光束，所述第一加熱與清洗激光束為連續(xù)激光束或脈沖激光束。
[0029]進一步的，所述第一掃描運動鉆孔激光束的空間運動調(diào)制由聲光偏轉(zhuǎn)器完成，或者由電光偏轉(zhuǎn)器完成，或者由壓電陶瓷驅(qū)動或電流計驅(qū)動的反射鏡偏轉(zhuǎn)完成，或者由電主軸電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射光學元件完成，或者由其中的任意兩者或多種組合完成。
[0030]本發(fā)明的目的在于，實現(xiàn)一種高效高質(zhì)量激光鉆孔方法，主要用于微孔特別是盲孔鉆孔，在高效鉆孔方面，本發(fā)明中掃描運動鉆孔激光束采用了高速精細空間調(diào)制方法，例如聲光偏轉(zhuǎn)調(diào)制可以做到371納秒的偏轉(zhuǎn)響應(yīng)速度，而待加工工件的孔與孔之間激光偏轉(zhuǎn)由振鏡偏振完成切換，但是，僅僅如此還不足以滿足實際生產(chǎn)需要，由于激光鉆孔會在孔邊緣產(chǎn)生大量粉塵，特別是孔內(nèi)毛刺堆積，以及盲孔底部殘留材料，都直接造成廢品，因此在高質(zhì)量鉆孔方面，本發(fā)