TWI874049B - 雷射加工系統 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工系統，包括雷射源、光準直器、擴束器、繞射分光器、振鏡以及遠心聚焦鏡。雷射源配置以產生雷射光。光準直器、擴束器、繞射分光器、振鏡以及遠心聚焦鏡依序配置於雷射光的路徑上。振鏡包括至少兩個反射鏡。

Description

雷射加工系統

本發明是有關於一種光學系統，且特別是有關於一種雷射加工系統。

在產業用雷射加工中，具有微米（μm）級的精密度的應用領域為微雷射加工，廣泛用於半導體產業、顯示器產業、印刷電路板（PCB）產業、智慧手機產業等。如何提高加工效能、精度以及良率成為亟需解決的問題。

本發明提供一種雷射加工系統，可以有效提高加工效能、精度以及良率。

根據本發明一實施例，提供一種雷射加工系統，包括雷射源、光準直器、擴束器、繞射分光器、振鏡以及遠心聚焦鏡。雷射源配置以產生雷射光。光準直器、擴束器、繞射分光器、振鏡以及遠心聚焦鏡依序配置於雷射光的路徑上。振鏡包括至少兩個反射鏡。

基於上述，本發明實施例提供的雷射加工系統利用光準直器以及遠心聚焦鏡改善雷射光斑的品質，尤其藉由繞射分光器達到多光束同時加工的功能。據此，雷射加工系統可以具備良好的加工效能、精度以及良率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

參照圖1A、圖1B、圖1C以及圖1D，圖1A是根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖，圖1B以及圖1C是根據本發明實施例的雷射加工光束的強度分布示意圖，圖1D是根據本發明實施例的雷射加工光束示意圖。

雷射加工系統100包括雷射源101、光準直器102、擴束器103、繞射分光器104、振鏡105以及遠心聚焦鏡106。雷射源101配置以產生雷射光LR，雷射光LR的波長可以落在350 nm至1080 nm的範圍內。雷射光LR在通過光準直器102後形成為準直光。準直的雷射光LR被擴束器103擴束後形成為光斑較大的準直光。藉由將此光斑較大的準直雷射光LR入射繞射分光器104，可以產生M×N個陣列型的多個雷射光BT0，M可以是大於或等於1的正整數，N可以是大於1的正整數。

振鏡105包括至少兩個反射鏡，該至少兩個反射鏡在馬達的帶動下可以旋轉，以改變該些雷射光BT0的方向。由於可以將兩反射鏡設置為分別在兩個不平行的方向上掃描雷射光BT0，雷射加工系統100可以平面掃描的方式對待加工樣品SP進行加工。因此，基於上述振鏡105的作動，可以在不同時間段內分別以圖1A所示的多個雷射加工光束BT1、多個雷射加工光束BT2或是多個雷射加工光束BT3對配置在X-Y平面上的待加工樣品SP的不同部分進行加工。在一些實施例中，雷射光BT0可以藉由該些反射鏡中的一者在一方向上掃瞄25 mm至200 mm的範圍，但不以此為限。

配置於振鏡105以及待加工樣品SP之間的遠心聚焦鏡106則是用於使各雷射加工光束BT1、BT2、BT3的像面形成為一平面，且像差小，無漸暈。具體請參照圖1B以及圖1C。圖1B是指雷射加工光束BT1、BT2、BT3中任一光束在X-Y平面上沿著X方向的光強度分布示意圖，圖1C是指雷射加工光束BT1、BT2、BT3中任一光束在X-Y平面上沿著Y方向的光強度分布示意圖，其中DI為該光束的光斑半徑。如圖1B以及圖1C所示，任一雷射加工光束在X-Y平面上沿著X方向或Y方向的光強度是一致的能量強度，光斑無漸暈。據此，可以均勻加熱待加工樣品SP上的目標物，例如包含錫或銅等金屬的焊腳，避免因焊腳未被均勻加熱而導致加工良率下降。在一些實施例中，遠心聚焦鏡106的有效焦距（EFL）落在200 mm 至500 mm的範圍內，但不以此為限。

藉由上述的雷射加工系統100，可以同時加熱加工樣品SP上的M×N個目標物（例如，焊腳），其中M可以是大於或等於1的正整數，N可以是大於1的正整數。以圖1D為例，其示出了M=2且N=2的情況。相較於習知的雷射加工系統以單一光束進行加熱的狀況，本發明實施例提供的雷射加工系統100可以大幅縮短加工時間。

參照圖1D，在一些較佳的實施例中，雷射光LR入射繞射分光器104前的光斑大小落在3毫米至16毫米的範圍內。據此可以使雷射加工光束BT1、BT2、BT3在X-Y平面上的光斑直徑2DI落在15 μm至450 μm的範圍內。在一些較佳的實施例中，雷射加工光束BT1、BT2、BT3的功率密度（power density）落在4 W/mm ²至2000 W/mm ²的範圍內。在一些較佳的實施例中，光斑間距D1、D2可以落在100 μm至900 μm的範圍內，但不以此為限。

同時參照圖1D以及圖2，圖2繪示根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖。在本實施例中，雷射加工系統200包括雷射源101、光準直器102、擴束器103、繞射分光器104、光束縮放器（DOE tuner）107、振鏡105以及遠心聚焦鏡106。光束縮放器107用於調整光斑直徑2DI以及光斑間距D1、D2。在一些實施例中，可以藉由光束縮放器107縮小光斑直徑2DI以及光斑間距D1、D2至原尺寸的80%，以及放大光斑直徑2DI以及光斑間距D1、D2至原尺寸的120%，但不以此為限。藉由配置光束縮放器107在雷射加工系統200中，使得光斑直徑2DI以及光斑間距D1、D2可調，可以大幅增加雷射加工系統200的裕度。

參照圖3A、圖3B以及圖3C，圖3A是根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖，圖3B以及圖3C是根據本發明實施例的雷射加工光束示意圖。

雷射加工系統300包括雷射源101、光準直器102、擴束器103、繞射分光器104、振鏡105、遠心聚焦鏡106、光罩108以及投影鏡頭109。

光罩108配置於遠心聚焦鏡106以及待加工樣品SP之間，包括不透光區以及分立的多個對應雷射加工光束BT1、BT2、BT3的透光區。各透光區的輪廓可以是各種多邊形或圓形中的任一種。在一實施例中，光罩108的各透光區的輪廓是矩形，據此使得投影在待加工樣品SP上的雷射加工光束BT1、BT2、BT3形成為矩形光斑LS1，如圖3B所示。在一實施例中，光罩108的各透光區的輪廓是三角形，據此使得投影在待加工樣品SP上的雷射加工光束BT1、BT2、BT3形成為三角形光斑LS2，如圖3C所示。

在一些替代的實施例中，光罩108被配置於雷射源101以及繞射分光器104之間且包括不透光區以及一個透光區。透光區的輪廓可以是各種多邊形或圓形中的任一種。在一實施例中，光罩108的透光區的輪廓是矩形，據此使得投影在待加工樣品SP上的雷射加工光束BT1、BT2、BT3形成為矩形光斑LS1，如圖3B所示。在一實施例中，光罩108的透光區的輪廓是三角形，據此使得投影在待加工樣品SP上的雷射加工光束BT1、BT2、BT3形成為三角形光斑LS2，如圖3C所示。據此，可以針對不同配置（configuration）的目標物（例如包含錫或銅等金屬的焊腳），改變光斑的形狀，遮擋掉不需要的光，提高加工精度。

投影鏡頭109被配置在遠心聚焦鏡106以及待加工樣品SP之間，藉由其內的多個透鏡對雷射加工光束BT1、BT2、BT3進行聚焦、光斑尺寸縮放以及消除像差等調整，據此提高加工良率。

綜上所述，本發明實施例提供的雷射加工系統利用光準直器以及遠心聚焦鏡改善雷射光斑的品質，尤其藉由繞射分光器達到多光束同時加工的功能。據此，雷射加工系統可以具備良好的加工效能、精度以及良率。

100、200、300:雷射加工系統

101:雷射源

102:光準直器

103:擴束器

104:繞射分光器

105:振鏡

106:遠心聚焦鏡

107:光束縮放器

108:光罩

109:投影鏡頭

110:反射鏡

BT0:雷射光

BT1、BT2、BT3:雷射加工光束

D1、D2:光斑間距

DI:光斑半徑

LR:雷射光

LS0、LS1、LS2:光斑

SP:待加工樣品

X、Y、Z:方向

圖1A是根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖。 圖1B以及圖1C是根據本發明實施例的雷射加工光束的強度分布示意圖。 圖1D是根據本發明實施例的雷射加工光束示意圖。 圖2是根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖。 圖3A是根據本發明實施例的雷射加工系統的示意圖。 圖3B以及圖3C是根據本發明實施例的雷射加工光束示意圖。

100:雷射加工系統

101:雷射源

102:光準直器

103:擴束器

104:繞射分光器

105:振鏡

106:遠心聚焦鏡

BT0:雷射光

BT1、BT2、BT3:雷射加工光束

LR:雷射光

SP:待加工樣品

X、Y、Z:方向

Claims (9)

1. 一種雷射加工系統，包括：雷射源，配置以產生雷射光；以及依序配置於所述雷射光的路徑上的光準直器、擴束器、繞射分光器、振鏡、遠心聚焦鏡以及投影鏡頭，其中所述振鏡包括至少兩個反射鏡，且所述投影鏡頭包括多個透鏡。
2. 如請求項1所述的雷射加工系統，其中所述雷射光入射所述繞射分光器前的光斑直徑落在3毫米至16毫米的範圍內。
3. 如請求項1所述的雷射加工系統，還包括光束縮放器，配置於所述繞射分光器以及所述振鏡之間。
4. 如請求項1所述的雷射加工系統，還包括光罩，配置於所述遠心聚焦鏡以及待加工樣品之間。
5. 如請求項4所述的雷射加工系統，其中所述光罩包括分立的多個透光區。
6. 如請求項5所述的雷射加工系統，其中所述多個透光區的輪廓為多邊形或圓形。
7. 如請求項1所述的雷射加工系統，還包括光罩，配置於所述雷射源以及所述繞射分光器之間。
8. 如請求項7所述的雷射加工系統，其中所述光罩包括透光區。
9. 如請求項8所述的雷射加工系統，其中所述透光區的輪廓為多邊形或圓形。

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