[发明专利]用于使用激光脉冲序列钻孔的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年5月4日提交的美国临时专利申请号61/331,242的优先权，该临时专利申请的公开特此为了所有目的通过引用被全部并入。

发明背景

脉冲激光源例如Nd:YAG激光器用于对诸如打标、雕刻、微加工和切割的应用执行基于激光的材料处理。以大于每脉冲0.5mJ的脉冲能量为特征的很多现有的高功率脉冲激光器依赖于诸如Q开关和锁模的技术以产生光脉冲。然而，这样的激光器产生具有由腔几何结构、反射镜反射率等预先确定的特征的光脉冲。因此，这样的激光脉冲通常不能在不危害激光器性能的情况下在场中变化。使用这样的激光器，通常很难实现可变脉冲特征的范围。

因此，在本领域中需要涉及脉冲激光源和对这样的脉冲激光源的应用的改进的方法和系统。

发明概述

本发明通常涉及材料的激光处理。更具体地，本发明涉及使用激光脉冲序列的方法和装置，该激光脉冲序列的属性被特别确定以在激光处理应用中提供提高的处理质量和更高的吞吐量。本发明还涉及使用激光脉冲序列在各种材料中钻孔。然而，本发明具有更广泛的适用性，并可应用于其它应用和材料。

脉冲激光源例如Nd:YAD激光器用于对诸如打标、雕刻、微加工、切割和钻孔的应用执行基于激光的材料处理。激光器被通常使用的一个这样的过程是在材料中钻小孔。这些小孔有时被称为“通孔”。这些孔可以是完全穿过材料的透眼，或它们可以是在一侧上开始但在材料内的某个点处结束的盲孔。激光器可用于在各种材料中钻孔，这些材料例如包括：半导体例如硅、金属例如铜、陶瓷例如硅石、玻璃和各种其它材料。激光器也用于在由多层不同的材料组成的样本例如由交替的介电质层和铜层组成的电路板中钻孔。

使用激光器在样本中钻孔的一种技术是冲击钻孔。在冲击钻孔中，来自激光器的光的一个或多个脉冲被聚焦、成像或定向在材料上的位置，在该位置上需要钻孔。聚焦、成像或定向在材料处的光形成在本文称为激光焦点的斑点。每个脉冲移除一些材料，直到孔达到期望深度或直到孔完全穿过材料。用于冲击钻孔的激光器一般传送具有相等的能量和重复率的激光脉冲流（在该序列内的每个脉冲在时间上相等地远离前一个脉冲和后一个脉冲）。当使用冲击钻孔钻多于一个的孔时，通常有三种方案，在这些方案下激光脉冲可被传送到材料。这些方案包括（i）将第一脉冲序列定向在第一孔，直到该孔完成，并接着将第二脉冲序列定向在第二孔，直到该孔完成，依此类推，直到所有孔完成；或（ii）将第一脉冲定向在第一孔，接着将第二脉冲定向在第二孔，接着将第三脉冲定向在第三孔，依此类推，直到一个脉冲定向在每个孔，并接着重复该序列，直到所有孔完成，或（iii）将第一脉冲序列定向在第一孔，接着将第二脉冲序列定向在第二孔，依此类推，直到脉冲序列定向在每个孔，接着重复该序列，直到所有孔完成。方案（i）称为单行程钻孔过程，而方案（ii）和（iii）称为多行程过程。虽然在一些情况下可能使用来自激光器的仅仅一个脉冲穿过非常薄的材料钻孔，一般，激光钻孔需要两个或多个激光脉冲的序列。

对于钻孔，激光器具有很多优点。激光束可被聚焦到非常小的焦点，以非常快地钻小孔和钻每个孔。激光钻孔是非接触过程，其中激光束可使用包括透镜、反射镜和其它定向装置的光学系统来被远程地定向，或可选地，样本本身可被移动。这样的定向装置可以是被控制成使得光束的重新定位每秒可完成很多次的计算机。因此，使用激光器可以在短时间段内钻很多孔。激光的参数例如脉冲能量、脉冲宽度（也称为脉冲长度）、时间脉冲形状、峰值功率、平均功率、重复率一般被选择为最佳值，以对期望应用获得最理想的孔属性。这常常意味着为每个应用选择不同的激光器，因为对于很多激光器，激光的参数通常不能在宽范围内也不能独立于彼此而被调节。

激光参数包括确定脉冲之间的时间间隔的脉冲重复率。对于很多激光器，重复率的变化也导致脉冲能量的变化。脉冲能量的这个变化可影响正被钻的孔的质量、吞吐量或其它特性。然而，脉冲间间隔本身在很多情况下较不重要，如果脉冲间间隔应改变，则暗示脉冲能量的附随的变化。因此，常常有在钻多个孔时可得到的某种灵活性，使得如果脉冲序列需要钻孔，提供在单独的脉冲之间的时间间隔实际上可能并不要紧，可依靠激光脉冲的其它参数作为期望的参数。本领域的技术人员将认识到，存在庞大数量的变换，在这些变换中，N个序列的X个脉冲可被传送到N个孔，以及在那些变换的一些中定向在任一个特定的孔处的序列中的单独脉冲之间的时间间隔可能是高度不规则的。