陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法
阅读说明：本技术 陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法 (Ceramic substrate porous array picosecond laser galvanometer scanning drilling system and method ) 是由 张轲 龚朋真 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法,包括：首先设置激光钻孔加工路径、以及激光钻孔工艺参数,钻孔时,工位滑台将陶瓷基板的待钻孔移至钻孔位置,CCD视觉对钻孔位置进行辨识和定位,振镜激光束对陶瓷基板逐层精密钻孔,同时开启烟尘抽吸和保护气,每加工一层,切割头自动下移一层加工厚度,直至加工完所有的层；然后工位滑台将工件移至下一个钻孔位置,重复进行直至钻完陶瓷基板上所有的孔。本发明陶瓷基板切割边缘光滑,圆度好、锥度更小、碎裂几率低,几乎无热影响区,边缘不发黄,对陶瓷基板几乎无损伤,良品率大大提高。(The invention provides a ceramic substrate porous array picosecond laser galvanometer scanning drilling system and a method, which comprises the following steps: firstly, setting a laser drilling processing path and laser drilling process parameters, wherein during drilling, a station sliding table moves a hole to be drilled of a ceramic substrate to a drilling position, CCD vision identifies and positions the drilling position, a vibrating mirror laser beam precisely drills the ceramic substrate layer by layer, smoke suction and protective gas are started simultaneously, and a cutting head automatically moves down one layer of processing thickness every time one layer is processed until all layers are processed; and then the work piece is moved to the next drilling position by the station sliding table, and the operation is repeated until all the holes on the ceramic substrate are drilled. The ceramic substrate cutting edge is smooth, the roundness is good, the taper is smaller, the cracking probability is low, almost no heat affected zone exists, the edge is not yellow, almost no damage is caused to the ceramic substrate, and the yield is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体地，涉及一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法。
背景技术
氧化铝和氮化铝等陶瓷材料具有高导热、高绝缘度和耐高温等优点，在电子及半导体领域具有广泛的应用。但是陶瓷材料具有很高的硬度和脆性，其成型加工非常困难，特别是微孔的加工尤其困难。由于激光具有高功率密度及良好的方向性，目前陶瓷板材具有普遍采用激光器对陶瓷基板进行打孔加工，当前一般采用脉冲激光器或者准连续激光器，激光束通过光学系统聚焦在与激光轴垂直放置的工件上，发出高能量密度(105-109W/cm2)的激光束使材料熔化，气化、一般与光束同轴气流由激光切割头喷出，将熔化了的材料由切口的底部吹出而逐步形成通孔。传统的连续激光、脉冲激光、以及纳秒激光，激光瞬时峰值功率较低，持续时间较长，切割圆孔锥度较大，圆度较差，边缘的热影响区较大，对当前快速发展的陶瓷封装技术，尤其是未来的5G领域对陶瓷等器件超精密打孔，切割乃至焊接的需求无法跟上市场的发展。皮秒激光持续时间仅为皮秒级，激光瞬时峰值功率可达到GW级别，对玻璃、陶瓷等器件可实现完美切割，几乎无倾角，无热影响区，碎裂率低，在未来的3C，医学领域，尤其是5G通讯领域有非常广阔的市场应用前景。
专利文献CN110605488A公开了一种陶瓷激光打孔装置，该发明针对电子及半导体器件的陶瓷打孔采用了一种具有xy+回旋振动的三轴激光打孔系统，但对采用什么样的激光并未涉及，也未对打孔流程进行具体描述，另外通过回旋运动切割较大直径圆，由于机械本身的惯性导致切割效率低。
专利文献CN105499812A公开了一种提高陶瓷散热基板加工品质的方法，该发明涉及一种LED陶瓷散热基板的激光加工方法，该方法主要采用事先涂抹染料，然后烘干，打完孔后再进行清洗的方式来解决陶瓷基板在钻孔过程中的氧化、发黄等问题，虽然提高了加工质量，但明显增加了工序，降低了加工效率，另外采用的激光也是常规的连续固态激光器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法。
根据本发明提供的一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统,包括：扫描振镜1，扫描激光束单元2，基板3，xy二维滑台4，分层加工路径5，加工孔位6，多孔阵列加工路径7，视觉部件8，保护气喷嘴9，烟尘抽吸罩10；所述扫描振镜1设置于陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统的上部；所述扫描振镜1与视觉部件8相连；所述xy二维滑台4设置于陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统的下部；所述基板3设置于xy二维滑台4的上方；所述扫描激光束2设置于扫描振镜1与基板3之间；所述保护气喷嘴9、烟尘抽吸罩10设置于基板3的上方；所述分层加工路径5，加工孔位6设置于xy二维滑台4的上方。
优选地，所述基板3采用陶瓷基板。
优选地，所述视觉部件8采用CCD视觉摄像部件。
优选地，还包括：保护气管；所述保护气喷嘴9与保护气管相连。
优选地，还包括：保护气瓶；所述保护气管与保护气管相连。所述的保护气喷嘴和烟尘抽吸罩设置于工件切割位置。所述的保护气嘴与保护气管相连，保护气管与保护气瓶相连接。钻孔时，保护气和烟尘抽吸打开，保护气保护陶瓷基板打孔区域，防止在陶瓷钻孔过程中陶瓷表面发生氧化发黄，影响性能和美观，而通过烟尘抽吸罩抽吸掉切割时产生的烟尘，提高工件的激光吸收率和净化工作环境。
根据本发明提供的一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔方法,采用陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统，包括：步骤S1：设置激光钻孔切割加工路径、以及激光钻孔切割工艺参数，获取切割工艺控制信息、切割路径控制信息；所述切割工艺控制信息指导激光钻孔的切割工艺；所述切割路径控制信息指导激光钻孔的切割加工路径；步骤S2：钻孔时，工位滑台xy轴将陶瓷基板的待钻孔移至钻孔位置；步骤S3：CCD视觉对拍摄图像，机器视觉软件自动计算待钻孔位置，获取待钻孔位置信息；步骤S4：根据切割工艺控制信息、切割路径控制信息以及钻孔路径参数，对基板逐层钻孔。
优选地，所述步骤S3包括：步骤S3.1：CCD视觉摄像部件拍摄图像，机器视觉软件自动计算待钻孔位置，获取待钻孔位置信息。
优选地，还包括：步骤S5：开启烟尘抽吸装置，保护气打开保护切割区域，每加工一层，切割头Z轴下移一个加工层厚度，振镜扫描再次对孔进行加工，直至加工所有的层，关闭激光。
优选地，还包括：步骤S6：工位滑台xy轴将工件移至下一个孔的钻孔位置，重复上述步骤S4、步骤S5，直至切割完陶瓷基板上所有的孔。
优选地，所述切割工艺控制信息包括以下任一种或者任多种：-激光功率控制信息；-激光频率控制信息；-脉冲宽度控制信息；-分层数量控制信息；-切割头下移距离控制信息；所述切割路径控制信息包括以下任一种或者任多种：-多孔阵列各个孔的切割顺序控制信息；-切割中心坐标控制信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用皮秒激光切割边缘光滑，圆度好、锥度更小、碎裂率低，几乎热影响区，边缘不发黄，对陶瓷基板无损伤，良品率大大提高；
2、本发明特别适合5G当前的陶瓷基板的高精度应用；
3、本发明通过xy精密滑台的调节可一次性解决陶瓷基板上多孔阵列的加工，同时也解决了激光倾斜带来的边缘切割效应，提高钻孔的圆度和锥度；
4、本发明中，激光振镜扫描激光束可实现一定范围内较大孔径的直接扫描切割而不需要移动滑台，提高了响应速度和切割速度；
5、本发明中，CCD视觉自动对切割位置进行辨识和定位，显著提高了加工效率和位置精度，也减少了人为因素可能导致的位置偏差。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中激光振镜扫描逐层加工陶瓷基板多孔阵列示意图。
图2为本发明实施例中陶瓷多孔阵列切割路径示意图。
图3为本发明实施例中振镜扫描陶瓷多孔阵列钻孔程序流程图。
图中：
扫描振镜1 加工孔位6
扫描激光束单元2 多孔阵列加工路径7
基板3 视觉部件8
xy二维滑台4 保护气喷嘴9
分层加工路径5 烟尘抽吸罩10
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统,包括：扫描振镜1，扫描激光束单元2，基板3，xy二维滑台4，分层加工路径5，加工孔位6，多孔阵列加工路径7，视觉部件8，保护气喷嘴9，烟尘抽吸罩10；所述扫描振镜1设置于陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统的上部；所述扫描振镜1与视觉部件8相连；所述xy二维滑台4设置于陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统的下部；所述基板3设置于xy二维滑台4的上方；所述扫描激光束2设置于扫描振镜1与基板3之间；所述保护气喷嘴9、烟尘抽吸罩10设置于基板3的上方；所述分层加工路径5，加工孔位6设置于xy二维滑台4的上方。
优选地，所述基板3采用陶瓷基板。
优选地，所述视觉部件8采用CCD视觉摄像部件。
优选地，还包括：保护气管；所述保护气喷嘴9与保护气管相连。
优选地，还包括：保护气瓶；所述保护气管与保护气管相连。所述的保护气喷嘴和烟尘抽吸罩设置于工件切割位置。所述的保护气嘴与保护气管相连，保护气管与保护气瓶相连接。钻孔时，保护气和烟尘抽吸打开，保护气保护陶瓷基板打孔区域，防止在陶瓷钻孔过程中陶瓷表面发生氧化发黄，影响性能和美观，而通过烟尘抽吸罩抽吸掉切割时产生的烟尘，提高工件的激光吸收率和净化工作环境。
具体地，在一个实施例中，一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统，针对2mm厚陶瓷进行切割。按如下参数切割：速度1200mm每秒，频率100hz，脉宽15ps，功率70％，分层切割30次.
优选地，所述激光发生器产生波长300-360nm的紫外皮秒激光。激光平均功率在5-50W，激光脉冲重复频率在10-1MHz，脉宽小于15ps。具体为：波长355nm，激光功率为30W的紫外皮秒激光。
所述的激光切割头光斑直径为15um，焦距为100mm。
所述的工作平台包括一个xy两轴精密滑台和一个放置工件的专用治具，滑台行程范围为100mmx100mm，重复精度为≤±1um，定位精度为≤±3um，用于工件位置的精确调节。
所述的CCD视觉定位精度可达≤±5um
所述的激光振镜切割速度100mm/s-3000mm/s可调，小于40mmX40mm的孔可直接利切割而不需要工位滑台的xy轴移动。
本发明采用皮秒激光对陶瓷基板多孔阵列进行分层逐层钻孔，通过xy精密滑台的调节对多孔阵列自动定位；通过振镜可实现一定范围内较大孔径的直接扫描切割而不需要移动滑台的xy轴，提高了响应速度和切割速度，CCD视觉自动对切割位置进行辨识和定位，显著提高了加工效率和位置精度，也减少了人为因素可能导致的位置偏差。本发明充分利用了皮秒激光的超短超强特性，瞬间熔化、气化陶瓷材料，克服了常规激光切割陶瓷碎裂的问题，切割边缘光滑，圆度好、锥度更小、碎裂几率低，同时边界几乎无热影响区，边缘不发黄，对陶瓷基板几乎无损伤，良品率大大提高，特别适合5G等陶瓷基板的高精度应用。
根据本发明提供的一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔方法,采用陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统，包括：步骤S1：设置激光钻孔切割加工路径、以及激光钻孔切割工艺参数，获取切割工艺控制信息、切割路径控制信息；所述切割工艺控制信息指导激光钻孔的切割工艺；所述切割路径控制信息指导激光钻孔的切割加工路径；步骤S2：钻孔时，工位滑台xy轴将陶瓷基板的待钻孔移至钻孔位置；步骤S3：CCD视觉对拍摄图像，机器视觉软件自动计算待钻孔位置，获取待钻孔位置信息；步骤S4：根据切割工艺控制信息、切割路径控制信息以及钻孔路径参数，对基板逐层钻孔。
优选地，所述步骤S3包括：步骤S3.1：CCD视觉摄像部件拍摄图像，机器视觉软件自动计算待钻孔位置，获取待钻孔位置信息。
优选地，还包括：步骤S5：开启烟尘抽吸装置，保护气打开保护切割区域，每加工一层，切割头Z轴下移一个加工层厚度，振镜扫描再次对孔进行加工，直至加工所有的层，关闭激光。
优选地，还包括：步骤S6：工位滑台xy轴将工件移至下一个孔的钻孔位置，重复上述步骤S4、步骤S5，直至切割完陶瓷基板上所有的孔。
优选地，所述切割工艺控制信息包括以下任一种或者任多种：-激光功率控制信息；-激光频率控制信息；-脉冲宽度控制信息；-分层数量控制信息；-切割头下移距离控制信息；所述切割路径控制信息包括以下任一种或者任多种：-多孔阵列各个孔的切割顺序控制信息；-切割中心坐标控制信息。
具体地，在一个实施例中，一种陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔方法，通过振镜扫描，超快激光、CCD视觉以及xyz轴精密位置调整实现，包括：
基本方法为：待钻孔分为多个加工层，激光逐层加工，每个孔通过工位滑台xy轴按照一定的顺序调整。首先设置激光钻孔加工路径、以及激光钻孔工艺参数，钻孔时，工位滑台xy轴将陶瓷基板的待钻孔移至钻孔位置，然后CCD视觉对拍摄图像，机器视觉软件自动计算待钻孔位置，然后振镜激光束对陶瓷基板逐层精密钻孔，同时开启烟尘抽吸装置，保护气打开保护切割区域，每加工一层，切割头Z轴下移一个加工层厚度，振镜扫描再次对孔进行加工，直至加工所有的层，关闭激光；然后工位滑台xy轴将工件移至下一个孔的钻孔位置，重复上述步骤，直至切割完陶瓷基板上所有的孔。
所述的加工路径包括多孔阵列各个孔的切割顺序，切割中心坐标；根据所述的钻孔路径配置各个孔的激光钻孔工艺参数，所述的激光钻孔工艺参数包括激光功率，激光频率、脉冲宽度，分层数量以及切割头下移距离。
进一步地，所述的激光工艺参数也包括每个孔的振镜扫描路径，激光的开、关顺序和位置。
所述的激光发生器为波长为300-360nm间的紫外皮秒、飞秒激光器，激光脉宽小于15ps，激光功率在5-50W。
优选地，所述的激光切割头为2轴甚至3轴振镜切割头，其具体特征为激光经过x轴、y轴振镜片反射后再通过聚焦镜聚焦到工件上，分别控制z轴和y轴振镜片的角度就可以快速改变激光光束的切割路径。所述的加工孔径不大于40mmx40mm时，振镜扫描激光束可直接加工而不需要移动工件滑台的xy轴。
进一步地，所述的激光发生器产生的激光经过振镜准直、聚焦后为不大于0.015mm的光斑直径。
所述的工作平台，具体特征为包括一个xy两轴精密滑台和一个放置工件的专用治具，专用治具固连上滑台上，用于放置打钻孔陶瓷基板。在钻孔时，通过滑台的xy轴平移可调节带钻孔至激光器的切割中心位置，这样拟便于实现陶瓷基板上孔阵列的依次加工，消除激光倾斜切割可能带来的边缘切割效应，提高钻孔的尺寸精度。
优选地，所述的激光切割头配置有CCD视觉摄像系统，直接拍摄激光以及工件的加工区域，经过图像处理，特征提取，位置计算，对待钻孔相对于切割中心的相对位置进行精确定位。
所述的切割头下移加工层厚度，由工艺实验确定，其特征为：每加工一层，切割头下移，使激光焦点下移至对应加工层。
优选地、所述的保护气喷嘴和烟尘抽吸罩设置于工件切割位置。所述的保护气嘴与保护气管相连，保护气管与保护气瓶相连接。钻孔时，保护气和烟尘抽吸打开，保护气保护陶瓷基板打孔区域，防止在陶瓷钻孔过程中陶瓷表面发生氧化发黄，影响性能和美观，而通过烟尘抽吸罩抽吸掉切割时产生的烟尘，提高工件的激光吸收率和净化工作环境。
本发明采用皮秒激光切割边缘光滑，圆度好、锥度更小、碎裂率低，几乎热影响区，边缘不发黄，对陶瓷基板无损伤，良品率大大提高；本发明特别适合5G当前的陶瓷基板的高精度应用；本发明通过xy精密滑台的调节可一次性解决陶瓷基板上多孔阵列的加工，同时也解决了激光倾斜带来的边缘切割效应，提高钻孔的圆度和锥度；本发明中，激光振镜扫描激光束可实现一定范围内较大孔径的直接扫描切割而不需要移动滑台，提高了响应速度和切割速度；本发明中，CCD视觉自动对切割位置进行辨识和定位，显著提高了加工效率和位置精度，也减少了人为因素可能导致的位置偏差。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。