利用飞秒激光的薄膜片层叠用上模的微孔加工方法

技术领域

本发明涉及一种利用超短脉冲激光、特别是飞秒激光对传送或层叠薄膜片时使用的上模的微孔进行加工的方法，涉及一种如下方法，即能够提高在薄膜片的分离及层叠中使用的上模上形成的微孔内表面的表面粗糙度的同时，确保真圆度和圆柱度，从而提高微孔的质量，并使加工速度的提高所带来的生产率最大化。

背景技术

为了吸附并传送薄膜陶瓷片、薄膜金属片、薄膜涂层膜等，并将其依次层叠于精确的位置，而利用作为真空板的上模。

在该上模上形成数千个至数十万个微孔，来吸附薄膜片或通过鼓风机使薄膜片脱离，适用于层叠陶瓷电容器、层叠陶瓷变阻器、层叠陶瓷促动器等的层叠型电子部件的制造中的层叠工序、以及包括电动汽车在内的各种电子设备中使用的层叠电池的制造中的层叠工序等。

图1示出了上述薄膜片层叠用上模的代表性使用例。

如图1所示，当将具有预定电路的薄膜片粘贴于粘贴膜并且从放卷辊进行供应时，上述上模(vacuum plate)与薄膜片(thin film sheet)的上表面接触，通过真空压力来吸附薄膜片。以上述上模吸附薄膜片的状态进行之后，将薄膜片切割成恒定大小后，经过将薄膜片从粘贴膜剥离的剥离(flaking)步骤后，接着，粘贴膜被卷辊卷绕的同时，被剥离的薄膜片被层叠在下模(laminated platemold)的上表面，从上模分离并被加压而进行层叠。

在上述工序中使用的上模中，需要形成用于吸附和分离的数千个至数十万个微细孔、即微孔。

作为对这种上模的上模上形成的微孔进行加工的方法，有利用钻孔机的机械式方法和利用化学蚀刻的方法，但由于都是表面粗糙度不好、孔直径的偏差大，因此150μm以内的微孔大部分使用激光。

作为利用激光来加工微孔的具体方法，有单脉冲钻孔、重复脉冲钻孔、开孔(trepanning)钻孔、盘旋钻孔方式等，但最广泛使用的是开孔钻孔方式。

开孔钻孔方式是向将被加工的微孔中心照射激光束而穿透之后，使下工作台旋转期望的孔直径程度的孔加工方式。

在这种使用激光的各种方式的钻孔方式中，形成于上模的微孔也由于通过现有的平台的旋转的方式而难以确保真圆度，并且由于是基于材料的熔融的加工方法，因此在孔内部产生毛刺(Burr)而难以确保表面粗糙度。

另外，微孔在周边部产生熔融突出物和碎片粒子，为了去除这些，执行第二次的ELID(ELectrolytic In-process Dressing，电解在线修整)这样的研磨加工，虽然看起来已解决，但在纳米级的微细粒子停留在微孔内部的粗糙表面上的状态下无法完全解决，这在层叠薄膜片时会引起问题。

特别是，在上模中，薄膜片进行数十至数百万次以上的吸附、分离及加压，其中，通过对未确保真圆的微孔进行抽吸(Suction)而进行薄膜平的吸附和分离，薄膜片的微细粒子因孔内部的毛刺而残留，出现孔的堵塞现象，并且存在于微孔内部的微细粒子掉落，从而影响薄膜片。

由于这些现象，薄膜被按压或撕裂的现象等持续出现，从而在本领域中被认为是重要的改善课题。

发明内容

要解决的技术问题

本发明是为了解决上述现有技术的问题而提出的，其目的在于提供一种加工上模的微孔的方法，在该方法中，在薄膜片层叠用上模形成的微孔的入口侧和出口侧几乎没有直径偏差，微孔内表面的表面粗糙度非常优异，微孔的表面形成倾斜，从而不会发生薄膜的撕裂。

另外，本发明的另一目的在于提供一种上模的微孔加工方法，在该方法中，在用激光来加工微孔时，确保孔的真圆度的同时去除碎片粒子，防止产生堵塞微孔内部的毛刺(burr)，从而能够使薄膜片的损伤最小化。

不仅如此，本发明的另一个目的在于提供能够对被反复施加巨大负荷的上模上形成的微孔的入口侧的形状进行倒角或倒圆加工的方法。

解决问题的手段

为了解决上述技术问题，本发明的利用飞秒激光的薄膜片层叠用上模的微孔加工方法，所述微孔形成于上模，所述上模用于吸附并传送薄膜陶瓷片、薄膜金属片、薄膜涂层膜等，所述微孔加工方法包括如下步骤：沿所述上模的厚度方向设定n个断层，n为2以上的自然数，在所述断层的表面以规定的图案照射飞秒激光，以到下一个断层为止的厚度对孔进行二维加工，沿Z轴方向将所述激光的焦点每次降低1/n，并依次向所述断层照射所述飞秒激光，从而钻成孔；镗孔步骤，沿着所述孔的内表面以三维形状照射所述飞秒激光，从而调整要加工的所述微孔的直径尺寸，并提高孔内表面的表面粗糙度；以及对所述孔的入口侧边缘进行倒角或倒圆加工，以防止激光加工时可能发生的毛刺的产生以及薄膜片的按压、撕扯、撕裂现象等薄膜片的损伤。

此时，本发明的特征在于，向所述断层的表面照射飞秒激光的图案为具有恒定螺距的螺旋(spiral)形状，所述镗孔步骤中的所述飞秒激光的三维形状为盘旋(helica)形状。

另外，本发明的特征在于，所述螺旋形状的飞秒激光照射通过将振镜扫描器的x-y轴运动相互组合的控制来实现，所述盘旋形状的图案通过将振镜的x-y轴运动和扩束器的z轴运动组合的控制来实现。

其中，优选为，考虑到金属的金属的吸热率，所述飞秒激光的波长为515nm～532nm的绿色波段。

另外，本发明的特征在于，在孔的入口侧形成的倒角或倒圆加工通过将振镜的x-y轴运动和扩束器的z轴运动相互组合的控制来实现。

发明效果

根据具有上述结构的本发明的利用飞秒激光的薄膜片层叠用上模的微孔加工方法，形成于上模的微孔的入口侧和出口侧几乎没有直径偏差，微孔内表面的表面粗糙度非常优异，在微孔的入口侧边缘形成倒角或倒圆，因此不会产生薄膜的撕裂。

另外，根据本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法，能够防止在利用激光来加工微孔时可能发生的熔融突出物、表面的弯曲、碎片粒子的产生，确保孔的真圆度，并防止产生堵塞微孔内部的毛刺，从而发挥能够使薄膜片的损伤最小化的特有的效果。

附图说明

图1是表示本发明的微孔加工方法中适用的薄膜片层叠用上模的使用例的图。

图2是表示用于实现本发明的微孔加工方法的微孔加工装置的图。

图3是用于说明根据本发明的实施例的微孔的钻孔步骤的图。

图4是表示图3所示的钻孔步骤中的振镜扫描器的动作和设定因子的图。

图5(a)是将基于图3所示的钻孔方式的微孔的入口与基于现有的激光加工方式的微孔的入口进行比较的照片，图5(b)是各出口侧的照片。

图6是表示根据本发明的实施例的镗孔步骤中的三维盘旋(helica)加工的设定因子的图。

图7是表示根据本发明的实施例的倒角加工步骤的形状的图。

图8是表示根据本发明的实施例的对微孔的入口侧进行的倒角和倒圆加工的形状的图。

图9是用于比较基于本发明的加工方法的微孔的入口及出口侧形状和基于现有的激光加工方法的微孔的入口及出口侧形状的实际照片。

图10是将根据本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法按各步骤表示的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图，更详细地说明本发明的优选实施例。

图2是表示用于实现本发明的利用飞秒激光的薄膜片层叠用上模的微孔加工方法的利用飞秒激光的微孔加工装置100的结构的系统图。

如图2所示，利用飞秒激光的微孔加工装置100包括飞秒激光源110、激光束特性控制单元120、激光束路径控制单元130、三轴精密平台单元140和集成控制单元150而构成。

考虑金属的加工速度(生产率)和加工质量而使金属的吸热率最小化，产生飞秒激光的光源的波长范围为515～532nm的绿色波段的波长。另外，也可以根据加工对象P的材质而变化，但考虑到通常的上模的金属材料的特性，合适的输出为1～40W。

在飞秒激光源110中，可以根据集成控制单元150的控制来调节频率和功率程度(％)，以改变脉冲能量(uJ)、平均输出(W)和重复频率。

激光束特性控制单元120和激光束路径控制单元130形成激光束的路径。激光束特性控制单元120用于在从飞秒激光源110产生的激光束到达激光束路径控制单元130之前对激光束进行微调，由激光扩束器121、1/4λ波板122和1/2λ波板123构成。

1/4λ波板122使相对于1/4波长的快轴朝向慢轴的偏光具有1/4波长程度的差异，1/2λ波板123使相对于快轴朝向慢轴的偏光具有1/2波长程度的差异，激光扩束器121扩展所输入的光束的直径而形成具有所需直径的输出光束。

激光束路径控制单元130从激光束特性控制单元120接收经过微调后的飞秒激光束，并将其照射到加工对象P上而执行激光加工。

上述激光束路径控制单元130包括主动控制型激光束扩束器131、振镜扫描器132和用于控制主动控制型激光束扩束器131和振镜扫描器132的驱动的光学系统驱动部133。

激光束路径控制单元130在设定了激光束路径控制单元130内的微孔加工位置、二维(2D)旋转加工的起点、二维旋转加工的终点、二维旋转加工的最上端的Z轴位置、二维旋转加工的最下端的Z轴位置、二维旋转加工的最下端位置中的激光束的角度、激光束的旋转速度的条件时，控制激光束的加工反复次数，从而使加工的精度和质量极大化，减少加工对象的全部工序数，而提高生产率。

主动控制型激光束扩束器131执行调节与透镜的距离来改变激光束的聚焦位置的功能，可以改变到最大±1mm。

另外，振镜扫描器132作为调节所发射的激光束的X、Y的位置的结构，可加工区域为最大2.5mm。

光学系统驱动部133同时控制上述的主动控制型激光束扩束器131和振镜扫描器132的驱动。

激光束路径控制单元130还包括：激光位移传感器134，用于校正激光的焦距；以及CCD相机135，用于实时掌握加工对象P的放置点、加工开始点、加工的微孔坐标以及加工质量。

激光位移传感器134是用于对扫描器的喷嘴端与加工对象P之间的距离、即焦距准确地感测并对其进行调节的结构，从图2的微孔加工装置的喷嘴端到加工对象的距离被设定为3mm，并且激光位移传感器134执行能够实时地确认焦距的辅助功能。

在此，设置在激光束路径控制单元130内的CCD相机也可以用于确认并检查加工对象P中已加工的微孔的质量。

另一方面，3轴精密平台单元140包括：3轴精密平台141，用于安装固定加工对象P；以及3轴精密平台驱动部142，用于控制该3轴精密平台141的驱动。

3轴精密平台驱动部142控制上述3轴精密平台141向X轴、Y轴及Z轴的移动。

此外，集成控制单元150集成控制飞秒激光源110、激光束路径控制单元130和3轴精密平台单元140。

首先，若集成控制单元150通过软件而设定激光束路径控制单元130的上述加工变量，设定作为飞秒激光源110的加工变量的激光束输出、脉冲能量、重复频率后执行加工路径文件，则该数据被同时传送给激光束路径控制单元130的光学系统驱动部133和3轴精密平台单元140的3轴精密平台驱动部142。

此时，也可以在传送加工路径信息之后，设定激光束路径控制单元130和飞秒激光源110的上述加工变量。

为了确保利用飞秒激光的微孔加工装置100的作业稳定性，集成控制单元150先将飞秒激光源110和激光束路径控制单元130联动，而向3轴精密平台驱动部142传送关于当前状态的实时信息，接收到该实时信息的3轴精密平台驱动部142也向集成控制单元150传送3轴精密平台141的实时状态，从而在3轴精密台141的传送中设定为不执行激光或扫描。

以下，将参照图3至图7，说明根据本发明的实施例的利用飞秒激光的微孔加工方法。

图3是示意性地示出根据本实施例的利用飞秒激光的微孔加工步骤中钻成微孔的方法的微孔形状的示意图，图4是示出为了钻成图3的微孔而设定进行二维加工的条件的画面的图。

图3的微孔以在高度方向的Z轴方向上对划分为三段的断层依次进行加工为例，当然也可以根据孔的加工精度或加工对象P的材质而划分为多种数量的断层。

如图4所示，作为钻成微孔的步骤，设定步骤1)相对于加工对象的微孔的加工位置、步骤2)二维断层加工的相对于X、Y的起点、步骤3)二维断层加工的相对于X、Y的终点、步骤4)二维断层加工的Z轴位置、步骤5)二维断层加工的相对于X和Y的螺距(＝间隔)、步骤6)二维断层加工的光束的角度、步骤7)二维断层加工的相对于束角度的螺距(＝间隔)、步骤8)扫描速度、步骤9)反复次数的共9个加工条件，并控制振镜。

在形成如图3所示的微孔时，激光照射的图案选择近似圆形的形状(更具体地，螺旋(spiral)形状)，设定n(n是2以上的自然数)个断层，然后将飞秒激光以螺旋图案照射到上述断层的表面，以到达下一断层的厚度对孔进行二维加工。

如上所述，在对第一断层进行2D加工之后且对第二断层进行加工之前，沿Z轴方向以孔的总深度的1/n降低上述激光的焦点，在该状态下对第二断层执行二维加工，以这种方式，间断地依次加工第三断层、第四断层……第n-1断层和第n断层。

而且，对于各个断层的加工以与上述第一断层的加工方法同样地进行二维加工的方式向相应断层照射上述飞秒激光，直至n断层为止，从而钻成孔。

另外，可以通过调节二维加工中的X、Y轴的螺距(＝间隔)以及后述的三维(3D)加工中的Z轴的螺距来控制表面粗糙度。

通过控制Z轴的螺距，可以根据控制量在质量和生产率之间自由地设定，并且可以通过调节扫描器的加工速度、激光功率和螺距(＝间隔)，调节最小数十nm至数十mm而进行加工。

在图3中，加工速度为0.01mm/ms，激光功率为3.3W，脉冲能量为8.3uJ，二维加工中的X、Y轴的螺距(＝间隔)为0.001mm，三维加工中的Z轴的螺距为0.001mm，这是用于形成高质量的微孔的条件，这将在下文叙述。

如上所述，并非以单一的焦距加工整个孔，而是将整个孔以具有一定间隔的方式划分为n个断层后，对于每个断层使焦点降低，同时对各断层的加工施加一定的能量，由此能够不降低品质而加工具有一定深度的孔。

如果，与本发明不同，在将飞秒激光的焦点以孔的表面或孔内部中存在的任意位置为基准固定焦点的状态下统一地进行加工，则能量密度随着从激光束的焦点远离而变化得较大，由此不仅孔的加工直径不一致，而且由于金属的热传递而发生熔融，因此会产生金属熔融残留物，该金属熔融残留物以在孔的内部及孔的周边残留的状态固化，因此，不仅加工质量不一致，而且孔的形状及孔大小也不一致，因此不能用作形成数万个孔的真空板。

图5(a)是将通过通常使用的微孔加工方法在没有焦点的变化或调节的情况下所加工的微孔的状态清楚地示出的实际照片，图5(b)是通过图3所示的本实施例的利用飞秒激光的微孔加工方法所加工的微孔的实际照片。

如从图5(a)确认到的，若直径约为100μm以下的孔在没有焦点变化的情况下用激光进行加工，则可以确认到由于激光的照射角，入口侧(input)和出口侧(output)的直径不同，由于激光束的能量不一致，入口侧和出口侧的加工状态非常不同，特别是出口侧的孔的形状为由于金属熔融残留物而完全不能用于薄膜片的吸附和传送等的状态。

相反，通过根据本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法所加工的微孔可以确认到入口侧(input)和出口侧(output)的孔形状非常平滑，并且几乎没有直径的偏差。

即，根据本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法，在对已设定的n个断层间断地依次进行加工时，在加工每个断层时，通过上述主动控制型激光扩束器131调节对应断层的激光束的焦点，即使相应断层的深度不同，相应各断层的焦点也恒定，因此微孔整体的加工状态均一，由于飞秒激光这样的超短脉冲激光的特性，使金属中产生的热量最小化，不会产生熔融残留物，孔的质量显著提高，由于孔的直径尺寸也不存在偏差，因此即使在数十万次至数百万次的数吨至数十吨的负荷作用的环境下也不会损伤薄膜片。

图6是表示在上述的微孔的钻孔步骤之后的加工步骤中镗孔加工步骤中的加工调节的设定画面和飞秒激光束的路径的图。

本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法的特征在于，除了上述的各断层的断续性顺序加工之外，还具有在钻成微孔后用于提高孔内表面的表面粗糙度及直径的精度的镗孔步骤。

如图6所示，镗孔步骤是将微孔的直径尺寸调整为所需的精度，并提高孔内表面的表面粗糙度的加工步骤，经过1)相对于加工对象的微孔的加工位置、2)三维形状加工的平面上的起点和终点(相同)、4)三维形状加工的Z轴起点、5)三维形状加工的Z轴终点、6)扫描速度、7)反复次数的设定等的共7个设定步骤，通过振镜扫描器132和主动控制型激光扩束器131的组合运动，来控制三维形状。

即，该镗孔步骤是经过可比喻为切削加工中的粗加工的断层加工步骤之后所执行的精加工的概念，立即且连续地执行。

该镗孔步骤是一种盘旋状的三维加工，在Z轴方向上具有螺距，这与作为二维加工的断层加工不同。

在本发明的镗孔步骤中，利用飞秒激光以三维盘旋轨迹进行加工，因此能够调节精度和作业时间，特别适合大批量生产。

图7是示出在完成上述的镗孔加工步骤之后对微孔的入口(上表面)侧的边缘周边进行倒角或倒圆加工的状态的图。

图7的倒角或倒圆加工也可以通过在X轴、Y轴及Z轴上的组合运动来控制飞秒激光进行加工，也可以在各轴上依次进行加工。

对于微孔的入口侧边缘的倒角或倒圆加工是在用于吸附及传送作为本发明对象的薄膜片的上模的制造领域中甚至无法尝试的程度的方式。

这是因为，形成于上模的微孔是数微米单位的微孔，其数量形成为数万个至数百万个，实际上不可能对每个孔的入口侧的边缘一一机械地进行倒角或倒圆加工，因此，得出如本发明所示通过可控制X轴、Y轴、Z轴的根据本发明的激光加工装置的控制才能够实现的结论。

如上所述，在现有技术中，在钻成多个微孔之后，作为后工序，实际上是为了去除入口侧的金属毛刺而在整个面积上进行统一的研磨加工，但仅通过这种统一的平面研磨无法去除金属毛刺(burr)，反而结果是只会推动金属毛刺而堵塞微孔入口，由于微孔入口侧的边缘锐利，因此在将薄膜片吸附、传送或剥离时，因微孔入口侧的边缘的锐利，根本无法解决薄膜片被撕裂或撕扯的问题。

图8是表示能够通过本发明的倒角或倒圆加工而形成的微孔的入口侧的形态的图，h1表示未进行倒角或倒圆加工而钻成微孔的状态，h2表示对微孔的入口侧进行倒角加工的状态，h3表示对微孔的入口侧进行倒圆加工的状态。

如图8所示，h1的入口侧形成非常尖锐的边缘，因此在将薄膜片吸附、传送及剥离时，薄膜片被吸入到微孔内部时会发生撕裂和撕扯，但h2或h3中负载被分散，因此能够最大限度地抑制薄膜片的损伤。

在本实施例中，说明了对微孔进行钻孔和镗孔后进行倒角或倒圆加工的情况，但也可以在倒角或倒圆加工之后执行钻孔和镗孔加工，这是不言而喻的。

作为倒角或倒圆加工时的加工条件，优选地形成为飞秒激光输出为3～25W、重复频率为100～200kHz、脉冲能量为10～40uJ、振镜扫描器的驱动光束的螺距为0.001～0.01mm、扫描速度为1～50mm/s的区间。

特别是，作为在形成图8的微孔h1之后通过激光的多次运动来加工孔周边部的驱动方法，也可以形成为飞秒激光输出为3～20W、重复频率为100～200kHz、脉冲能量为10～30uJ、振镜扫描器的驱动光束的螺距间隔为0.001～0.01mm、扫描速度为10～100mm/s的区间。

图9的(a)是表示利用通常的现有的激光加工的微孔的入口侧和出口侧的状态的实际照片，图9的(b)是通过本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法加工的真空板的微孔的实际照片。

如从图9的(a)和(b)的照片也能够确认到的那样，图9的(a)所示的微孔是通过以往广泛使用的具有纳米单位的宽幅的激光加工而成的微孔，入口侧和出口侧的直径的变化严重，不仅在微孔的内部和外部存在大量的熔融残留物，而且由于入口侧的锐利的边缘形态，无法用于薄膜片的吸附、传送及剥离，相对于此，图9的(b)所示的微孔是通过本发明的利用飞秒激光的加工方法加工的孔，能够确认到，入口侧和出口侧的直径不存在差异，几乎观察不到金属熔融残留物，在入口侧的边缘形成倒角或倒圆，因此不会发生薄膜片的撕裂或撕扯。

图10是将根据本发明的利用飞秒激光的微孔加工方法按各步骤表示的流程图，同时图示了各步骤的具体的条件和方法，对此的详细内容已在上面详细说明，因此省略重复说明。

以上，通过优选的实施例说明了本发明的利用飞秒激光的微孔的加工方法，但这只是为了有助于理解本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。

若是本领域技术人员则可以在本发明的技术范围内进行各种形状的变更或设计的变更或替换，但这也属于本发明的技术范围内。

例如，在微孔的钻孔步骤中进行二维加工而依次加工各个断层时，微孔的形状不限于必须是圆形，也可以具有椭圆形、矩形等多种孔的截面，并且在依次加工各个断层时也可以通过环形的二维加工来进行钻孔。

不仅如此，在倒角或倒圆加工中，倒角或圆形加工的尺寸可以根据需要而进行多种变更，这是不言而喻的。