一种复合材料通孔钻孔方法、设备、装置及系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种复合材料通孔钻孔方法、设备、装置及系统。

背景技术

目前，采用激光对线路板进行钻通孔已经日益成熟，但是对于紫外纳秒激光而言，在碰到绝缘材料为含玻璃纤维的FR4材料或者BT材料，或特氟龙材料，紫外纳秒激光由于峰值功率不够，导致在清除玻璃纤维时候胶缩很大，同时玻璃纤维突出严重，或者在加工特氟龙绝缘层时候，由于特氟龙材料对紫外波段激光吸收率低，很容易导致特氟龙材料与胶层分层。这是这类线路板发展到一定阶段后的行业难题。目前这些问题还在用二氧化碳激光钻孔做一些勉强加工，加工品质也一直不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料通孔钻孔方法、设备、装置及系统，可以解决含高激光加工阈值的绝缘材料的复合材料的通孔难题。

第一方面，本发明提供了一种复合材料通孔钻孔方法，该复合材料通孔钻孔方法利用由两个小激光焦点组合而成的组合激光焦点对待加工的复合材料进行钻通孔加工；其中，两个小激光焦点的光斑直径均小于40微米，两个小激光焦点分别为长脉宽激光焦点和窄脉宽激光焦点，且在所述组合激光焦点中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点位于同一加工平面内；所述复合材料至少包括层叠的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层；

所述复合材料通孔钻孔方法包括如下步骤，

将所述组合激光焦点照射在所述复合材料表面；

利用所述组合激光焦点中的长脉宽激光焦点对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层进行钻孔加工，利用所述组合激光焦点中的窄脉宽激光焦点对所述复合材料待钻通孔位置的高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工；所述长脉宽激光焦点与所述窄脉宽激光焦点分别对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工的过程中，在后钻孔加工的激光焦点对应的激光束，从在前钻孔加工的激光焦点加工完毕后形成的孔内通过，直至所述复合材料形成贯穿通孔；其中，在后钻孔加工的激光焦点具体为所述长脉宽激光焦点或所述窄脉宽激光焦点激光焦点，对应的，在前钻孔加工的激光焦点具体为所述窄脉宽激光焦点或所述长脉宽激光焦点激光焦点。

第二方面，本发明提供了一种复合材料通孔钻孔设备，该复合材料通孔钻孔设备应用于上述所述的复合材料通孔钻孔方法，所述复合材料通孔钻孔设备包括激光合束器、振镜扫描与平场聚焦装置、用于输出长脉宽激光束的长脉宽激光器以及用于输出窄脉宽激光束的窄脉宽激光器；所述长脉宽激光器的激光输出端口以及所述窄脉宽激光器的激光输出端口均与所述激光合束器的激光输入端口通过光路连接，所述激光合束器的激光输出端口与所述振镜扫描与平场聚焦装置的输入端通过光路连接，所述振镜扫描与平场聚焦装置的输出端用于输出组合激光焦点，所述组合激光焦点中包含长脉宽激光焦点和窄脉宽激光焦点；所述组合激光焦点中的长脉宽激光焦点用于对复合材料待钻通孔位置的导电材料层进行钻孔加工，所述组合激光焦点中的窄脉宽激光焦点用于对所述复合材料待钻通孔位置的高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工；所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点的光斑直径均小于40微米，且在所述组合激光焦点中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点位于同一加工平面内；所述长脉宽激光焦点与所述窄脉宽激光焦点分别对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工的过程中，在后钻孔加工的激光焦点对应的激光束，从在前钻孔加工的激光焦点加工完毕后形成的孔内通过，直至所述复合材料形成贯穿通孔；其中，在后钻孔加工的激光焦点具体为所述长脉宽激光焦点或所述窄脉宽激光焦点激光焦点，对应的，在前钻孔加工的激光焦点具体为所述窄脉宽激光焦点或所述长脉宽激光焦点激光焦点。

第三方面，本发明提供了一种复合材料通孔钻孔装置，该复合材料通孔钻孔装置包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现上述所述的复合材料通孔钻孔方法。

第四方面，本发明提供了一种复合材料通孔钻孔系统，该复合材料通孔钻孔系统包括机台，还包括上述所述的复合材料通孔钻孔设备以及上述所述的复合材料通孔钻孔装置，所述复合材料通孔钻孔装置与所述复合材料通孔钻孔设备电连接；

所述机台，其用于放置待加工的复合材料；

所述复合材料通孔钻孔设备，其用于输出组合激光焦点；

所述复合材料通孔钻孔装置，其用于控制所述复合材料通孔钻孔设备输出的组合激光焦点执行上述所述的复合材料通孔钻孔方法，完成对所述机台上放置的复合材料的钻孔加工。

本发明的有益效果是：在本发明一种复合材料通孔钻孔方法、设备、装置及系统中，长脉宽激光可以高效解决导电材料层中金属导电材料清除加工，却很难解决含有玻璃纤维或者其他高激光加工阈值绝缘材料的材料清除加工；而窄脉宽激光(超短脉冲激光)由于具备高激光峰值功率，非常适合这类高激光加工阈值绝缘材料的材料清除加工，却比较难以高效解决金属导电材料层的材料清除加工，本发明采用这两类激光光源(长脉宽激光和窄脉宽激光)进行激光合束并经过同一套振镜扫描与平场聚焦装置聚焦后，构建组合激光焦点，分别对各自擅长的介质材料进行材料清除加工，即可高效高品质地完成复合材料的通孔钻孔，完美解决这类复合材料通孔钻孔的行业痛点。

附图说明

图1为本发明一种复合材料通孔钻孔方法的流程图；

图2为本发明一种复合材料通孔钻孔方法中复合材料的结构示意图；

图3为本发明一种复合材料通孔钻孔方法中复合材料第一步加工后的结构示意图；

图4为本发明一种复合材料通孔钻孔方法中复合材料第二步加工后的结构示意图；

图5为本发明一种复合材料通孔钻孔方法中复合材料第三步加工后的结构示意图；

图6为本发明一种复合材料通孔钻孔设备的结构示意图；

图7为本发明一种复合材料通孔钻孔系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、上层导电材料层，11、第一孔，2、高激光加工阈值绝缘材料层，21、第二孔，3、下层导电材料层，31、第三孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一：

本发明提供了一种复合材料通孔钻孔方法，该复合材料通孔钻孔方法利用由两个小激光焦点组合而成的组合激光焦点对待加工的复合材料进行钻通孔加工；其中，两个小激光焦点的光斑直径均小于40微米，两个小激光焦点分别为长脉宽激光焦点和窄脉宽激光焦点，且在所述组合激光焦点中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点位于同一加工平面内；所述复合材料至少包括层叠的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层；

如图1所示，所述复合材料通孔钻孔方法包括如下步骤，

将所述组合激光焦点照射在所述复合材料表面；

利用所述组合激光焦点中的长脉宽激光焦点对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层进行钻孔加工，利用所述组合激光焦点中的窄脉宽激光焦点对所述复合材料待钻通孔位置的高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工；所述长脉宽激光焦点与所述窄脉宽激光焦点分别对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工的过程中，在后钻孔加工的激光焦点对应的激光束，从在前钻孔加工的激光焦点加工完毕后形成的孔内通过，直至所述复合材料形成贯穿通孔；其中，在后钻孔加工的激光焦点具体为所述长脉宽激光焦点或所述窄脉宽激光焦点激光焦点，对应的，在前钻孔加工的激光焦点具体为所述窄脉宽激光焦点或所述长脉宽激光焦点激光焦点。

本发明中，长脉宽激光焦点是指可以用来加工导电材料层的激光焦点，窄脉宽激光焦点是指可以用来加工高激光加工阈值绝缘材料层的激光焦点；其中，高激光加工阈值材料定义为需要大于3GW/cm

优选的，在所述组合激光焦点对所述复合材料待钻通孔位置进行钻孔加工之前，还包括以下步骤，调整所述窄脉宽激光焦点与所述长脉宽激光焦点之间的偏移量，使在后钻孔加工的激光焦点的钻孔轨迹位于在前钻孔加工的激光焦点的钻孔轨迹范围内。

如果是长脉宽激光焦点加工了导电材料层，例如铜层，长脉宽激光焦点在铜层表面完成钻孔开窗，那么窄脉宽激光焦点在所述钻孔开窗范围内穿过并对下层高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工。反之，如果窄脉宽激光焦点对高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工，那么，长脉宽激光焦点在所述所述窄脉宽激光焦点在所述高激光加工阈值绝缘材料层钻孔范围内穿过并对下层的导电材料层进行钻孔加工。

一般组合激光焦点希望在垂直于光束传输方向上离散度为零，即两个光斑重合，如果不重合，这需要设置一个光斑相对于另一个光斑的偏移量，这样在振镜的作用下，两个光斑可以对同一个待钻孔位置精确加工。在光束传输方向上，两个激光焦点最好位于同一个加工平面，在本发明中，最大允许偏移量为100微米。这样确保两个加工焦点可以对同一个平面的待加工点进行加工，而不需要调整激光焦点与待加工材料的相对位置。

优选的，调整所述窄脉宽激光焦点与所述长脉宽激光焦点之间的偏移量的方法为，

根据所述长脉宽激光焦点或所述窄脉宽激光焦点校准振镜扫描与平场聚焦装置以确定钻孔坐标系，使所述窄脉宽激光焦点与所述长脉宽激光焦点之间的偏移量在预设范围内，确保使在后钻孔加工的激光焦点的钻孔轨迹位于在前钻孔加工的激光焦点的钻孔轨迹范围内。

优选的，所述导电材料层中的导电材料为铜；

所述高激光加工阈值绝缘材料层中的高激光加工阈值绝缘材料包含BT材料、陶瓷、液晶聚合物材料以及含玻璃纤维的FR4材料中的任一种或多种的组合。

待加工的复合材料，可以是含FR4的双面覆铜板或多层板，也可以是含BT材料的双面覆铜板或多层板，也可以是含特氟龙材料的双面覆铜板或多层板，还可以是含LCP(液晶聚合物)材料的双面板或多层板，每一种材料至少一层。

在本具体实施例中，复合材料中的导电材料层(铜箔)有2层或者2层以上，高激光加工阈值绝缘材料层为1层或者2层或者多层，高激光加工阈值绝缘材料层的上下两侧为导电材料层(铜箔)。采用长脉宽激光焦点(可以为绿光纳秒激光焦点)对铜箔(导电材料层)进行钻孔加工，采用长脉宽激光焦点(可以为绿光皮秒激光焦点)对中间高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工，后续钻孔加工所采用的激光束，要从前面以及完成的孔内通过，对后续材料进行钻孔加工。

进一步，下面以三层复合材料为例说明本发明复合材料通孔钻孔方法的流程，其中三层复合材料中的上、下两层均为导电材料层(铜箔)，中间层为高激光加工阈值绝缘材料层。

如图2所示，1和3代表上层导电材料层，一般为铜箔，厚度可以在1微米到50微米；2代表高激光加工阈值绝缘材料层，可以是含有玻璃纤维的FR4材料或者BT材料，或者特氟龙材料。

FR4环氧玻纤布基板(FR4材料)，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。

BT材料，是日本三菱瓦斯公司开发出来的BT树脂，主要以B(bismaleimide)和T(triazine)聚合而成，以BT树脂为原料所构成的基板具有高玻璃化温度Tg(255～330℃)、耐热性(160～230℃)、抗湿性、低介电常数(Dk)及低散失因素(Df)等优点。

特氟龙布学名聚四氟乙烯涂覆玻璃纤维布，又称特(铁)氟龙耐高温漆(焊)布，是以悬浮聚四氟乙烯(俗称塑料王)乳液为原料，浸渍高性能玻璃纤维布而成，是一种高性能，多用途的复合材料新产品。对于高频板聚四氟乙烯(PTFE)而言，为改进功能用大量无机物(如二氧化硅SiO2)或玻璃布作增强填充资料，来提升基材刚性及下降其热膨胀性。另外因高频板聚四氟乙烯树脂自身的分子惰性，形成不容易与铜箔结合性差，因此更需与铜箔结合面的特殊外表处理。处理办法上有高频板聚四氟乙烯外表进行化学蚀刻或等离子体蚀刻，添加外表粗糙度或者在铜箔与高频板聚四氟乙烯树脂之间添加一层粘合膜层进步结合力，但可能对介质功能有影响,整个氟系高频电路基板的开发,需求有原资料供货商、研讨单位、设备供货商、高频PCB制造商与通讯产品制造商等多方面协作,以跟上高频电路板这一范畴快速发展的需求。

如图3所示，长脉宽激光焦点(图中没有标示)在三层复合材料的上层导电材料层1上进行钻孔加工形成第一孔11。长脉宽激光可以是红外或者紫外或者可见波段的激光。

如图4所示，窄脉宽激光焦点(图中没有标示)在三层复合材料的高激光加工阈值绝缘材料层2上进行钻孔加工形成第二孔21。理所当然，窄脉宽激光在加工第二孔21的时候，需要穿越第一孔11才可以在高激光加工阈值绝缘材料层2上面进行钻孔加工。窄脉宽激光可以是红外或者紫外或者可见波段的激光。

如图5所示，长脉宽激光焦点(图中没有标示)在三层复合材料的下层导电材料层3上进行钻孔加工形成第三孔31。理所当然，长脉宽钻孔激光在加工第三孔31的时候，需要穿越第一孔11和第二孔21，才可以在下层导电材料层3上面进行钻孔加工。

最终，第一孔11、第二孔21和第三孔31相连形成加工所需的通孔。

优选的，所述长脉宽激光焦点的激光脉冲宽度大于1纳秒，所述窄脉宽激光焦点的激光脉冲宽度小于1纳秒。

对于导电材料的加工，需要一定的激光峰值，同时也需要一定的激光加工热量，温度高的金属导电材料对激光的吸收会更好，有利于导电材料层的激光加工的材料去除。因此，用于加工导电材料层的长脉宽激光的激光脉冲宽度可以定义在纳秒甚至微秒量级。

对于含有玻璃纤维或者特氟龙的高激光加工阈值绝缘材料层，纳秒激光由于激光峰值功率很难达到这类材料的激光加工阈值，难以进行直接的激光加工。必须采用更高的激光峰值功率加工手段，因此定义窄脉宽激光为超短脉冲激光，一般为脉冲宽度小于1纳秒，包含皮秒和飞秒等。

本实施例中，用于生成长脉宽激光焦点的长脉宽激光器采用了波长532纳米的固体激光器，脉冲宽度25纳秒@100千赫兹，平均功率10瓦@100千赫兹，光束质量因子小于1.2，偏振比大于100：1。用于生成窄脉宽激光焦点的窄脉宽激光器采用了波长532纳米的激光器，脉冲宽度10皮秒@100千赫兹，平均功率10瓦@100千赫兹，光束质量因子小于1.3，偏振比大于100：1。窄脉宽激光和长脉宽激光经激光合束器合束后光束直径8毫米，经过振镜扫描平场聚焦装置后聚焦，聚焦光斑均为约25微米。

在另外的实施例中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点的光斑直径还均可以为5微米或10微米或15微米或20微米或30微米或35微米等。

优选的，在所述组合激光焦点中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点在垂直于光束传输方向的平面内离散度小于30毫米，且在光束传输方向的离散度小于100微米。

一般组合激光焦点希望在垂直于光束传输方向上离散度为零，即两个光斑重合，如果不重合，这需要设置一个光斑相对于另一个光斑的偏移量，这样在振镜的作用下，两个光斑可以对同一个待钻孔位置精确加工。

在光束传输方向上，两个激光焦点最好位于同一个加工平面，在本发明中，最大允许偏移量为100微米。这样确保两个加工焦点可以对同一个平面的待加工点进行加工，而不需要调整激光焦点与待加工材料的相对位置。

实施例二：

基于上述一种复合材料通孔钻孔方法，本发明还提供一种复合材料通孔钻孔设备。

如图6所示，一种复合材料通孔钻孔设备，所述复合材料通孔钻孔设备应用于上述所述的复合材料通孔钻孔方法，所述复合材料通孔钻孔设备包括激光合束器、振镜扫描与平场聚焦装置、用于输出长脉宽激光束的长脉宽激光器以及用于输出窄脉宽激光束的窄脉宽激光器；所述长脉宽激光器的激光输出端口以及所述窄脉宽激光器的激光输出端口均与所述激光合束器的激光输入端口通过光路连接，所述激光合束器的激光输出端口与所述振镜扫描与平场聚焦装置的输入端通过光路连接，所述振镜扫描与平场聚焦装置的输出端用于输出组合激光焦点，所述组合激光焦点中包含长脉宽激光焦点和窄脉宽激光焦点；所述组合激光焦点中的长脉宽激光焦点用于对复合材料待钻通孔位置的导电材料层进行钻孔加工，所述组合激光焦点中的窄脉宽激光焦点用于对所述复合材料待钻通孔位置的高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工；所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点的光斑直径均小于40微米，且在所述组合激光焦点中，所述长脉宽激光焦点和所述窄脉宽激光焦点位于同一加工平面内；所述长脉宽激光焦点与所述窄脉宽激光焦点分别对所述复合材料待钻通孔位置的导电材料层和高激光加工阈值绝缘材料层进行钻孔加工的过程中，在后钻孔加工的激光焦点对应的激光束，从在前钻孔加工的激光焦点加工完毕后形成的孔内通过，直至所述复合材料形成贯穿通孔；其中，在后钻孔加工的激光焦点具体为所述长脉宽激光焦点或所述窄脉宽激光焦点激光焦点，对应的，在前钻孔加工的激光焦点具体为所述窄脉宽激光焦点或所述长脉宽激光焦点激光焦点。

窄脉宽激光器(超短脉冲激光光源)，由于高峰值激光功率的原因，比较容易加工玻璃纤维或者特氟龙绝缘材料。但问题是，对于高阈值的绝缘材料钻孔，只能采用低脉冲重复频率(200KHz以内)，且不能采用脉冲串方式加工(脉冲串方式热量过大，且峰值功率也降低了)，这种工作方式的超短脉冲激光很难高效率加工铜箔等金属导电材料。

长脉宽激光器(纳秒量级脉宽的脉冲激光器)，特别是纳秒紫外和纳秒绿光激光器，特别适合于铜箔等金属导电材料。

超短脉冲激光器对应了本发明的窄脉宽激光器，纳秒激光器对应了本发明的长脉宽激光器。

本发明采用长脉宽激光和窄脉宽激光进行激光合束并经过同一套振镜扫描与平场聚焦装置聚焦后，构建组合激光焦点，分别对各自擅长的介质材料进行材料清除加工，即可高效高品质地完成复合材料的通孔钻孔，完美解决这类复合材料通孔钻孔的行业痛点。

优选的，所述窄脉宽激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器，所述长脉宽激光器为纳秒激光器。

优选的，所述长脉宽激光器采用工作在脉冲串模式和/或高脉冲重复频率的窄脉宽激光器，所述高脉冲重复频率是指大于300千赫兹的脉冲重复频率。

工作在脉冲串模式或者高重复频率的超短脉冲激光(本专利指脉冲宽度小于1纳秒的激光),由于脉冲在材料表面的空间重叠度很高，直接产生比较大的加工热量，提高了导电材料层的加工位置的温度，提高了该区域金属导电材料对超短脉冲激光能量的吸收，从而可以获得较快的金属导电材料的清除速度。

实施例三：

基于上述一种复合材料通孔钻孔方法，本发明还提供一种复合材料通孔钻孔装置。

一种复合材料通孔钻孔装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现上述所述的复合材料通孔钻孔方法。

实施例四：

基于上述一种复合材料通孔钻孔设备及装置，本发明还提供一种复合材料通孔钻孔系统。

如图7所示，一种复合材料通孔钻孔系统，

包括机台，还包括如上述所述的复合材料通孔钻孔设备以及如上述所述的复合材料通孔钻孔装置，所述复合材料通孔钻孔装置与所述复合材料通孔钻孔设备电连接；

所述机台，其用于放置待加工的复合材料；

所述复合材料通孔钻孔设备，其用于输出组合激光焦点；

所述复合材料通孔钻孔装置，其用于控制所述复合材料通孔钻孔设备输出的组合激光焦点执行如上述所述的复合材料通孔钻孔方法，完成对所述机台上放置的复合材料的钻孔加工。

具体地，该复合材料通孔钻孔系统还可包括必要的用于对准的拍摄装置和位移装置、光路装置等。

在本发明一种复合材料通孔钻孔方法、设备、装置及系统中，长脉宽激光可以高效解决导电材料层中金属导电材料清除加工，却很难解决含有玻璃纤维或者其他高激光加工阈值绝缘材料的材料清除加工；而窄脉宽激光(超短脉冲激光)由于具备高激光峰值功率，非常适合这类高激光加工阈值绝缘材料的材料清除加工，却比较难以高效解决金属导电材料层的材料清除加工，本发明采用这两类激光光源(长脉宽激光和窄脉宽激光)进行激光合束并经过同一套振镜扫描与平场聚焦装置聚焦后，构建组合激光焦点，分别对各自擅长的介质材料进行材料清除加工，即可高效高品质地完成复合材料的通孔钻孔，完美解决这类复合材料通孔钻孔的行业痛点。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。