TWI860069B - 雷射加工裝置 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工裝置，包括一雷射單元、一振鏡模組、一聚焦模組及一加工載台。雷射單元用以發射雷射脈衝光束。振鏡模組設置於雷射脈衝光束的路徑上，用以反射雷射脈衝光束，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以第一模態將雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以第二模態將雷射脈衝光束反射成為一第二光束。第一光束與第二光束具有不同的射向。聚焦模組接收振鏡模組於第二模態所反射的第二光束，並聚焦於一焦點。加工載台設置於焦點位置，用以承載一加工元件，其中加工元件接收第二光束的照射。

Description

雷射加工裝置

本發明是有關於一種加工裝置，且特別是有關於一種雷射加工裝置。

市售的脈衝雷射，有部分在控制出光上，都會有剛啟動時前面幾發脈衝能量不足的問題。因此，當有些製程需要使用單發並足夠的脈衝能量來進行加工時，則無法用此類的脈衝雷射來進行。若還是使用此類的脈衝雷射來進行製程，則可能因為能量不足的雷射脈衝在加工元件上產生預期外的效果，而造成了製程的不穩定性。

也就是說，脈衝雷射在剛啟動的瞬間，會有部分脈衝的功率與目標功率有差異（一般是低於目標功率），功率不足的脈衝對於製程的結果會有不穩定且難以預測的不良影響。

一種現有技術是在雷射裝置的出口加上一光電調制器，以光閘門（gate）開關的時間來選擇性的允許脈衝通過。在脈衝雷射尚未達到額定功率的穩定狀態時，光閘門會是阻斷的，而直到脈衝雷射達到額定功率，光閘門才會開通。然而，光電調制器成本高，難以大規模設置於量產機台中。

本發明提供一種雷射加工裝置，其可提升製程的穩定性或多樣性。

本發明的一實施例提出一種雷射加工裝置，包括一雷射單元、一振鏡模組、一聚焦模組、一遮罩及一加工載台。雷射單元用以發射雷射脈衝光束。振鏡模組設置於雷射脈衝光束的路徑上，用以反射雷射脈衝光束，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以第一模態將雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以第二模態將雷射脈衝光束反射成為一第二光束，第一光束與第二光束具有不同的射向。聚焦模組接收振鏡模組於第二模態所反射的第二光束，並聚焦於一焦點。遮罩設置於振鏡模組與聚焦模組之間，具有一光圈供至少部分的第二光束穿過。加工載台設置於焦點位置，用以承載一加工元件，其中加工元件接收第二光束的照射。

本發明的一實施例提出一種雷射加工裝置，包括一雷射單元、一振鏡模組、一聚焦模組及一加工載台。雷射單元用以發射雷射脈衝光束，其中雷射脈衝光束包括一第一雷射脈衝光束與一第二雷射脈衝光束，且第一雷射脈衝光束的能量小於第二雷射脈衝光束的能量。振鏡模組設置於雷射脈衝光束的路徑上，用以反射雷射脈衝光束，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以第一模態將第一雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以第二模態將第二雷射脈衝光束反射成為一第二光束。第一光束與第二光束具有不同的射向。聚焦模組接收振鏡模組於第二模態所反射的第二光束，並聚焦於一焦點。加工載台設置於焦點位置，用以承載一加工元件，其中加工元件接收第二光束的照射。

在本發明的實施例的雷射加工裝置中，由於利用振鏡模組選擇性地以第一模態將雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以第二模態將雷射脈衝光束反射成為一第二光束，因此可以將能量達穩定的第二光束反射至聚焦模組以聚焦，而有效提升製程的穩定性。或者，本發明的實施例的雷射加工裝置可以使第一光束與第二光束形成不同的製程條件，以提升製程的多樣性。

圖1為本發明的一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖，而圖2為圖1的雷射單元所發出的雷射脈衝光束隨時間的能量變化圖。請參照圖1與圖2，本實施例的雷射加工裝置100包括一雷射單元110、一振鏡模組120、一聚焦模組130、一遮罩140及一加工載台150。雷射單元110用以發射雷射脈衝光束111。在本實施例中，雷射單元110例如為一雷射光源，其可發出可見光雷射、紅外光雷射、紫外光雷射或其他波長的雷射。振鏡模組120設置於雷射脈衝光束111的路徑上，用以反射雷射脈衝光束111，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以第一模態將雷射脈衝光束111反射成為一第一光束112，或以第二模態將雷射脈衝光束111反射成為一第二光束114，第一光束112與第二光束114具有不同的射向。舉例而言，振鏡模組120於第一模態與第二模態分別處於不同的轉動角度，例如振鏡模組120在第一模態時使一振鏡122轉動至第一位置P1，且在第二模態時使振鏡122轉動至第二位置P2。

聚焦模組130接收振鏡模組120於第二模態所反射的第二光束114，並聚焦於一焦點F1。在本實施例中，聚焦模組130例如是至少一個透鏡，例如是凸透鏡。遮罩140設置於振鏡模組120與聚焦模組130之間，具有一光圈142供至少部分的第二光束114穿過。在本實施例中，第一光束112照射於遮罩140上，遮罩140可遮擋第一光束112，而使第一光束112無法傳遞至聚焦模組130與加工元件50。在一實施例中，遮罩140可為一光吸收體，用以吸收第一光束112或部分的第二光束114。

加工載台150設置於焦點F1位置，用以承載一加工元件50，其中加工元件50接收第二光束114的照射。加工元件50可包括發光二極體、微型發光二極體、其他電子元件或其他待加工的元件。

在本實施例中，雷射單元110所發射之雷射脈衝光束111包括第一雷射脈衝光束111a與第二雷射脈衝光束111b（如圖2所繪示）。具體而言，雷射單元110需要一段用以暖機的時間T1，在剛啟動時的時間T1內所發出的頭幾發雷射脈衝光束111為第一雷射脈衝光束111a，且第一雷射脈衝光束111a的能量較不穩定。而在時間T1後的時間T2中，雷射單元110所發出的雷射脈衝光束111為第二雷射脈衝光束111b，第二雷射脈衝光束111b的能量已趨於穩定並達到額定輸出功率。在本實施例中，在時間T1之中所發出的第一雷射脈衝光束111a的能量小於第二雷射脈衝光束111b的能量，且第一雷射脈衝光束111a由振鏡模組120以第一模態反射成第一光束112，第二雷射脈衝光束111b由振鏡模組120以第二模態反射成第二光束114。因此，在本實施例中，能量較不穩定或輸出功率不足的第一光束112不會照射至加工元件50，而是以能量已達穩定的第二光束114照射至加工元件50。因此，本實施例的雷射加工裝置可有效提升製程的穩定性。

此外，在本實施例的雷射加工裝置中，是採用振鏡模組120來取代昂貴的光電調制器，以篩選出能量不穩定的第一光束112與能量穩定的第二光束114。振鏡模組120的成本比光電調制器低，可有效降低電射加工裝置的成本，因此也可以大規模設置於量產機台中。在一實施例中，振鏡模組120為鏡式檢流計（mirror galvanometer），鏡式檢流計的原理是利用光線反射角度或位置的不同來判讀通過鏡式檢流計的電流大小，而在本實施例中是採用反向操作，也就是藉由施加不同大小的電流至鏡式檢流計，以改變振鏡122的轉動角度，進而改變光線的反射角度。鏡式檢流計的成本比光電調制器的成本低。

圖3為在另一種應用方式中圖1的雷射單元所發出的雷射脈衝光束111隨時間的能量變化圖。在一實施例中，雷射單元110所發射之雷射脈衝光束111包括多個具有第一頻率的雷射脈衝光束，且振鏡模組120以第二頻率於第一模態與第二模態間切換。在一實施例中，第二頻率小於第一頻率，且第二模態與這些具有第一頻率的雷射脈衝光束111的至少一者的時序重疊。舉例而言，雷射單元110所發射之雷射脈衝光束111的週期為R1，而第一頻率為R1的倒數。振鏡模組120每經過一個週期R2從第一模態切換至第二模態，而第二頻率為R2的倒數。由於加工元件50每經過一個週期R2才接收到第二光束114，因此相當於雷射脈衝光束111的脈衝重複頻率從第一頻率下降至第二頻率，如此可達到降頻或除頻的效果。

圖4為本發明的另一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。請參照圖4，本實施例的雷射加工裝置100a類似於圖1的雷射加工裝置100，而兩者的主要差異如下所述。本實施例的雷射加工裝置100a不具有如圖1的遮罩140，而在本實施例中，振鏡模組120在第一模態所反射的第一光束112偏離聚焦模組130，而不會被傳遞至加工元件50上。在本實施例中，雷射加工裝置100a更包括一光吸收體160，設置於第一光束112的光路徑上。在部分實施例中，聚焦模組130尚具有位於靠近振鏡模組120一側的前焦點F0，其中前焦點F0與焦點F1為兩共軛焦點，且前焦點F0重合於雷射脈衝光束111與振鏡模組120的交會點，其中振鏡模組120於第一模態與第二模態之間切換時，振鏡122會以前述交會點為軸心轉動，如此一來，即使振鏡模組120在第二模態的角度定位產生誤差時，從前焦點F0出發的第二光束114在經過聚焦模組130的會聚作用後仍會回到焦點F1，降低製程公差的影響。

圖5為本發明的又一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。請參照圖5，本實施例的雷射加工裝置100b類似於圖4的雷射加工裝置100a，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例的雷射加工裝置100b中，振鏡模組120於第一模態下使第一光束112入射聚焦模組130的角度不同於於第二模態下使第二光束114入射聚焦模組130的角度，且振鏡模組120用以在第一模態與第二模態之間切換，以改變焦點於聚焦平面上的位置。舉例而言，聚焦模組130接收了正向入射的第二光束114，而在加工元件50上產生焦點F1。另一方面，聚焦模組130接收了斜向入射的第一光束112，而在加工元件50上產生焦點F2，而焦點F2的位置不同於焦點F1的位置。如此一來，藉由振鏡模組120的切換，可對加工元件50的不同位置加工。換言之，本實施例的雷射加工裝置100b可以使第一光束112與第二光束114形成不同的製程條件，以提升製程的多樣性。

圖6A為本發明的再一實施例的雷射加工裝置的第二光束的光路示意圖，而圖6B為圖6A的雷射加工裝置的第一光束的局部光路示意圖。請參照圖6A與圖6B，本實施例的雷射加工裝置100c與圖1的雷射加工裝置100類似，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例的雷射加工裝置100c中，處於第二模態的振鏡模組120將第二光束114反射至光圈142的中心，因此絕大部分或全部的第二光束114可通過光圈142，而不會被遮罩140阻擋，因此此時照射於加工元件50上的雷射能量是較高的。另一方面，處於第一模態的振鏡模組120將第一光束112反射至光圈142的邊緣，因此一部分的第一光束112會被遮罩140阻擋，而無法傳遞至加工元件50，而另一部分的第一光束112則會通過光圈142而傳遞至加工元件50，所以此時照射於加工元件50的雷射能量是較低的。藉由振鏡模組120在第一模態與第二模態間的切換，本實施例的雷射加工裝置100c可以調節照射於加工元件50的雷射能量。在另一實施例中，如圖7所繪示，也可利用將遮罩140的光圈142縮小為光圈142’，光圈142’的尺寸小於光圈142，且光圈142’只讓部分的第二光束114（或第一光束112）通過，其餘部分的第二光束114（或第一光束112）則會被光圈142’周圍的遮罩140阻擋，如此也能夠調節照射於加工元件50的雷射能量。

圖8A為本發明的另一實施例的雷射加工裝置110的第二光束114的光路示意圖，圖8B為圖8A的雷射加工裝置110中雷射脈衝光束111的歸一化光強度相對於橫截面上的位置的分布曲線圖，圖9A為圖8A的振鏡模組120在第二模態所反射的第二光束114的局部光路圖，而圖9B為圖8A的振鏡模組120在第一模態所反射的第一光束112的局部光路圖。請參照圖8A、圖8B、圖9A及圖9B，本實施例的雷射加工裝置100d與圖1的雷射加工裝置100類似，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例的雷射加工裝置100d中，雷射脈衝光束111的截面能量為非均勻分佈，例如為高斯分佈（如圖8B所繪示），且雷射脈衝光束111的截面積大於光圈142的截面積。在圖8B中，位置為0處為光束111的中心軸處，而位置為0處往左或往右的各位置為雷射脈衝光束111的截面的徑向上的不同位置，也就是與中心軸相距不同距離的各位置。

受振鏡模組120的調制，第一光束112或第二光束114的截面，部分或全部的與光圈142重疊。在本實施例中振鏡模組120於第一模態下使第一光束112通過光圈142的部分的能量密度不同於於第二模態下使第二光束114通過光圈的部分的能量密度，且振鏡模組120用以在第一模態與第二模態之間切換，以改變雷射脈衝光束111通過聚焦模組130的能量。在本實施例中，聚焦模組130尚具有位於靠近振鏡模組120一側的前焦點F0，其中前焦點F0與焦點F1為兩共軛焦點，且光圈142設置於前焦點F0。也就是說，光圈142與聚焦模組130的距離為d1，加工元件50與聚焦模組130的距離為d2。如此一來，即使第一光束112是以帶傾斜角的方式射向光圈142，從前焦點F0出發的第一光束112在經過聚焦模組130的會聚作用後仍會回到焦點F1。也就是說，第一光束112與第二光束114都會被會聚至焦點F1。然而，由於雷射脈衝光束111的截面能量為非均勻分佈，例如為高斯分佈，受振鏡模組120的調制所產生的第一光束112是以其靠邊緣處能量密度較弱的部分通過光圈142，而第二光束114是以其位於中央處能量密度較強的部分通過光圈142，因此第一光束112會提供較低的能量至焦點F1，而第二光束114會提供較高的能量至焦點F1。所以，藉由振鏡模組120在第一模態與第二模態間切換，本實施例的雷射加工裝置100d可調節加工元件50所接收到的光能量，同時又確保焦點F1的位置不變，可在雷射加工中依序對加工載台150上的多個加工元件50進行製程時，不需因調節能量再反覆的對位或瞄準。

圖10為本發明的又一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。請參照圖10，本實施例的雷射加工裝置100e類似於圖1的雷射加工裝置100，且類似於圖4的雷射加工裝置100a，而其主要差異在於本實施例的雷射加工裝置100e同時具有圖1的遮罩140及圖4的光吸收體160。在第一模態下，振鏡模組120將第一光束112反射至光吸收體160。

圖11A、圖11B及圖11C為圖10的雷射加工裝置的其他三種變化實施例的第一光束的局部光路剖面示意圖。請先參照圖11A，在本實施例中，遮罩140f為一曲面反射鏡，此曲面反射鏡改變第一光束112或部分的第二光束114之反射角度，且光吸收體160設置於此曲面反射鏡所反射的光（如第一光束112或部分的第二光束114）的路徑上。在圖11A中，此曲面反射鏡為一凸面鏡，而在圖11C中，遮罩140h為一凹面鏡。在圖11B中，遮罩140g為平面鏡。遮罩140g與遮罩140h都可將第一光束112或部分的第二光束114反射至光吸收體160。遮罩140f、140g及140h採用反射鏡的好處是可以避免因吸收光能量而造成溫度變化與因溫度改變引起的光圈142的形狀或大小的變化，進而能有效提升製程的準確性與穩定性。

綜上所述，在本發明的實施例的雷射加工裝置中，由於利用振鏡模組選擇性地以第一模態將雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以第二模態將雷射脈衝光束反射成為一第二光束，因此可以將能量達穩定的第二光束反射至聚焦模組以聚焦，而有效提升製程的穩定性。或者，本發明的實施例的雷射加工裝置可以使第一光束與第二光束形成不同的製程條件，以提升製程的多樣性。

50:加工元件 100、100a、100b、100c、100d、100e:雷射加工裝置 110:雷射單元 111:雷射脈衝光束 111a:第一雷射脈衝光束 111b:第二雷射脈衝光束 112:第一光束 114:第二光束 120:振鏡模組 122:振鏡 130:聚焦模組 140、140f、140g、140h:遮罩 142、142’:光圈 150:加工載台 160:光吸收體 d1、d2:距離 F0:前焦點 F1、F2:焦點 P1:第一位置 P2:第二位置 R1、R2:週期 T1、T2:時間

圖1為本發明的一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。 圖2為圖1的雷射單元所發出的雷射脈衝光束隨時間的能量變化圖。 圖3為在另一種應用方式中圖1的雷射單元所發出的雷射脈衝光束隨時間的能量變化圖。 圖4為本發明的另一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。 圖5為本發明的又一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。 圖6A為本發明的再一實施例的雷射加工裝置的第二光束的光路示意圖。 圖6B為圖6A的雷射加工裝置的第一光束的局部光路示意圖。 圖7繪示光圈縮小的變化實施例的示意圖。 圖8A為本發明的另一實施例的雷射加工裝置的第二光束的光路示意圖。 圖8B為圖8A的雷射加工裝置中雷射脈衝光束的歸一化光強度相對於橫截面上的位置的分布曲線圖。 圖9A為圖8A的振鏡模組在第二模態所反射的第二光束的局部光路圖。 圖9B為圖8A的振鏡模組在第一模態所反射的第一光束的局部光路圖。 圖10為本發明的又一實施例的雷射加工裝置的光路示意圖。 圖11A、圖11B及圖11C為圖10的雷射加工裝置的其他三種變化實施例的第一光束的局部光路剖面示意圖。

50:加工元件

100:雷射加工裝置

110:雷射單元

111:雷射脈衝光束

112:第一光束

114:第二光束

120:振鏡模組

122:振鏡

130:聚焦模組

140:遮罩

142:光圈

150:加工載台

F1:焦點

P1:第一位置

P2:第二位置

Claims (12)

1. 一種雷射加工裝置，包括：一雷射單元，用以發射雷射脈衝光束；一振鏡模組，設置於該雷射脈衝光束的路徑上，用以反射該雷射脈衝光束，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以該第一模態將該雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以該第二模態將該雷射脈衝光束反射成為一第二光束，其中該第一光束與該第二光束具有不同的射向；一聚焦模組，接收該振鏡模組於該第二模態所反射的該第二光束，並聚焦於一焦點；一遮罩，設置於該振鏡模組與該聚焦模組之間，具有一光圈供至少部分的該第二光束穿過；以及一加工載台，設置於該焦點位置，用以承載一加工元件，其中該加工元件接收該第二光束的照射，其中，該雷射單元所發射之該雷射脈衝光束包括多個具有第一頻率的雷射脈衝光束，且該振鏡模組以第二頻率於該第一模態與該第二模態間切換，該第二頻率小於該第一頻率，且該第二模態與該些具有該第一頻率的雷射脈衝光束的至少一者的時序重疊。
2. 如請求項1所述的雷射加工裝置，其中該雷射單元所發射之該雷射脈衝光束包括第一雷射脈衝光束與第二雷射脈衝光束，其中該第一雷射脈衝光束的能量小於該第二雷射脈衝光束 的能量，且該第一雷射脈衝光束由該振鏡模組以該第一模態反射，該第二雷射脈衝光束由該振鏡模組以該第二模態反射。
3. 如請求項1所述的雷射加工裝置，其中該振鏡模組於該第一模態下使該第一光束入射該聚焦模組的角度不同於於該第二模態下使該第二光束入射該聚焦模組的角度，且該振鏡模組用以在該第一模態與該第二模態之間切換，以改變該焦點於聚焦平面上的位置。
4. 如請求項1所述的雷射加工裝置，其中該雷射脈衝光束的截面能量為非均勻分佈，且該雷射脈衝光束的截面積大於該光圈的截面積，該振鏡模組於該第一模態下使該第一光束通過該光圈的部分的能量密度不同於於該第二模態下使該第二光束通過該光圈的部分的能量密度，且該振鏡模組用以在該第一模態與該第二模態之間切換，以改變該雷射脈衝光束通過該聚焦模組的能量。
5. 如請求項4所述的雷射加工裝置，其中該聚焦模組尚具有位於靠近該振鏡模組一側的前焦點，其中該前焦點與該焦點為兩共軛焦點，且該光圈設置於該前焦點。
6. 如請求項1所述的雷射加工裝置，更包括一光吸收體，設置於該第一光束的光路徑上。
7. 如請求項1所述的雷射加工裝置，其中該遮罩為一光吸收體，用以吸收該第一光束或部分的該第二光束。
8. 如請求項1所述的雷射加工裝置，其中該遮罩為一曲面反射鏡，該曲面反射鏡改變該第一光束或部分的該第二光束之反射角度，且該雷射加工裝置更包括一光吸收體，設置於該曲面反射鏡所反射的光的路徑上。
9. 一種雷射加工裝置，包括：一雷射單元，用以發射雷射脈衝光束，其中該雷射脈衝光束包括一第一雷射脈衝光束與一第二雷射脈衝光束，且該第一雷射脈衝光束的能量小於該第二雷射脈衝光束的能量；一振鏡模組，設置於該雷射脈衝光束的路徑上，用以反射該雷射脈衝光束，且具有一第一模態以及一第二模態，用以選擇性地以該第一模態將該第一雷射脈衝光束反射成為一第一光束，或以該第二模態將該第二雷射脈衝光束反射成為一第二光束，其中該第一光束與該第二光束具有不同的射向；一聚焦模組，接收該振鏡模組於該第二模態所反射的該第二光束，並聚焦於一焦點；以及一加工載台，設置於該焦點位置，用以承載一加工元件，其中該加工元件接收該第二光束的照射，其中，該雷射單元所發射之該雷射脈衝光束包括多個具有第一頻率的雷射脈衝光束，且該振鏡模組以第二頻率於該第一模態與該第二模態間切換，該第二頻率小於該第一頻率，且該第二模態與該些具有該第一頻率的雷射脈衝光束的至少一者的時序重疊。
10. 如請求項9所述的雷射加工裝置，更包括一光吸收體，設置於該第一光束的光路徑上。
11. 如請求項9所述的雷射加工裝置，其中該振鏡模組於該第一模態下使該第一光束入射該聚焦模組的角度不同於於該第二模態下使該第二光束入射該聚焦模組的角度，且該振鏡模組用以在該第一模態與該第二模態之間切換，以改變該焦點於聚焦平面上的位置。
12. 如請求項9所述的雷射加工裝置，其中該聚焦模組尚具有位於靠近該振鏡模組一側的前焦點，其中該前焦點與該焦點為兩共軛焦點，且該前焦點重合於該雷射脈衝光束與該振鏡模組的交會點。

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