一种生瓷材料激光加工钻孔装置及钻孔方法与流程

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1.本发明涉及生瓷加工技术领域，具体涉及一种生瓷材料激光加工钻孔装置及钻孔方法。

背景技术：

2.低温共烧陶瓷技术是通过生瓷材料的钻孔、叠片、层压、切割和烧结等工艺，将多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内的一种电子封装技术，目前已成为无源集成的主流技术。而钻孔是低温共烧陶瓷技术中最关键的工艺。
3.随着低温共烧陶瓷技术的不断发展，对钻孔效率及成孔边缘质量提出了越来越高的要求。传统的钻孔工艺为机械冲孔，但其需要定制特定尺寸的模具和冲针，这造成其使用成本高、钻孔效率低的缺点；同时冲针的使用磨损也带来了成孔边缘质量差的缺点。

技术实现要素：

4.技术目的：针对现有生瓷材料钻孔加工存在的成孔边缘质量差的不足，本发明公开了一种能够适应于各种厚度的生瓷材料钻孔加工，并且成孔边缘光滑的生瓷材料激光加工钻孔装置及钻孔方法。
5.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：一种生瓷材料激光加工钻孔装置，包括用于提供激光光源的激光器，用于对激光器的激光光束进行扩束准直的扩束镜，用于将激光光束反射并调节光路方向的反射镜组，以及用于接收反射镜组反射的激光光束并聚焦于生瓷材料上的扫描振镜和聚焦场镜，在扫描振镜上同轴设有用于进行钻孔位置定位的视觉定位机构，以及用于吸取钻孔加工过程中粉尘的同轴抽尘机构。
6.优选地，本发明的同轴抽尘机构包括抽尘环以及与抽尘环连通的抽吸装置，在抽尘环的下方设有用于进行生瓷材料吸附固定的吸附治具。
7.优选地，本发明的激光器为紫外纳秒激光器，其波长为355nm，功率为15w-30w，脉宽＜15ns。
8.优选地，本发明的扫描振镜为 xy扫描振镜，通过扫描振镜控制钻孔孔径。
9.优选地，本发明的聚焦场镜的焦距f＝60～100mm，将扫描振镜出射的激光光束聚焦为微米级激光光斑。
10.优选地，本发明的扩束镜为变倍扩束镜，倍数范围为2～8倍。
11.优选地，本发明的视觉定位机构为ccd相机模组。
12.本发明还提供一种使用上述加工钻孔装置的生瓷材料激光加工钻孔方法，包括步骤：s01、打开吸附治具，将生瓷材料吸附固定在吸附治具上；s02、按照生瓷材料的激光加工钻孔位置搭建激光光路，聚集场镜将激光聚焦在生瓷材料表面上，
s03、视觉定位机构根据生瓷材料表面的mark点确认钻孔位置与激光焦点位置一致；s04开启激光加工光路，扫描振镜带动激光光束进行扫描加工，根据钻孔加工深度，由聚焦场镜控制激光焦点位置，进行递进钻孔加工。
13.优选地，本发明的递进钻孔加工过程包括：根据钻孔加工深度设定递进次数，以单次加工钻孔深度h作为基准深度，当加工深度为h时，（n-1）h＜h≤nh,n表示大于等于1的正整数，递进次数为n-1。
14.优选地，本发明在h≤2mm时，采用5～15w的激光功率、50k～200k的激光频率、200mm/s～800mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充及0次递进；在2＜h≤4mm，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、1次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数；在4＜h≤6mm时，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、2次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数。
15.有益效果：本发明所提供的一种生瓷材料激光加工钻孔装置及钻孔方法具有如下有益效果：1、本发明激光器使用紫外纳秒激光器进行生瓷材料的钻孔加工，无需定制模具和冲针，增加了钻孔效率以及成孔边缘质量，能够适用于不同孔径的加工需求，降低加工设备的成本。
16.2、本发明在聚焦场镜的下方同轴设置抽尘环，可以在进行钻孔加工过程中，吸取因加工产生的粉尘，从而避免粉尘对激光光束的遮蔽，保证激光钻孔工艺效果的稳定性。
17.3、本发明使用递进钻孔加工的方式，根据钻孔加工的厚度，设定递进次数，能够根据不同的钻孔加工深度需求，进行实时调整，能够实现大厚度生瓷材料的高质量钻孔。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
19.图1为本发明钻孔加工装置结构示意图；其中，1-激光器、2-扩束镜、3-反射镜组、4-扫描振镜、5-聚焦场镜、6-视觉定位机构、7-抽尘环、8-吸附治具。
具体实施方式
20.下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
21.如图1所示为本发明所提供的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，包括用于提供激光光源的激光器1，用于对激光器1的激光光束进行扩束准直的扩束镜2，用于将激光光束反射并调节光路方向的反射镜组3，以及用于接收反射镜组3反射的激光光束并聚焦于生瓷材料上的扫描振镜4和聚焦场镜5，在扫描振镜4上同轴设有用于进行钻孔位置定位的视觉定位机构6，以及用于吸取钻孔加工过程中粉尘的同轴抽尘机构。
22.具体的，本发明的同轴抽尘机构包括抽尘环7以及与抽尘环连通的抽吸装置，在抽尘环7的下方设有用于进行生瓷材料吸附固定的吸附治具8，在进行生瓷材料钻孔加工时，通过吸附治具8完成生瓷材料的吸附固定，抽尘环7吸取钻孔加工的粉尘。
23.在本发明具体的实施例中，激光器1为紫外纳秒激光器，其波长为355nm，功率为15w-30w，脉宽＜15ns；扩束镜2为变倍扩束镜，倍数范围为2～8倍，扫描振镜4为 xy扫描振镜，扫描振镜用于控制激光光束按预设加工路径行进，通过扫描振镜4控制钻孔孔径；聚焦场镜5的焦距f＝60～100mm，将扫描振镜4出射的激光光束聚焦为微米级激光光斑；视觉定位机构6为ccd相机模组。
24.本发明还提供一种生瓷材料激光加工钻孔方法，包括步骤：s01、打开吸附治具，将生瓷材料吸附固定在吸附治具上；s02、按照生瓷材料的激光加工钻孔位置搭建激光光路，聚集场镜将激光聚焦在生瓷材料表面上，s03、视觉定位机构根据生瓷材料表面的mark点确认钻孔位置与激光焦点位置一致；s04开启激光加工光路，扫描振镜带动激光光束进行扫描加工，根据钻孔加工深度，由聚焦场镜控制激光焦点位置，进行递进钻孔加工。递进钻孔加工过程包括：根据钻孔加工深度设定递进次数，以单次加工钻孔深度h作为基准深度，当加工深度为h时，（n-1）h＜h≤nh,n表示大于等于1的正整数，递进次数为n-1。
25.在h≤2mm时，采用5～15w的激光功率、50k～200k的激光频率、200mm/s～800mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充及0次递进；在2＜h≤4mm，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、1次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数；在4＜h≤6mm时，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、2次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数。在钻孔起始时，聚焦场镜的焦点位于生瓷材料的上表面，在启动激光源后，扫描振镜带动光束扫描相应的的次数，根据加工的孔径的大小，从外周向内采用扫描直径逐渐缩小的扫描方式，完成单次递进阶段的钻孔加工，在完成加工后，聚焦场镜控制焦点按照设定深度进行递进，每完成1次递进，聚焦光斑焦点向下递进一定的距离，然后扫描振镜带动激光光束完成相应的扫描次数，直至完成预定深度的钻孔加工。通过本发明的钻孔加工装置和加工方法，能够解决生瓷钻孔效率低下及成孔边缘质量差的问题，设备及生产成本相对较低，同时可实现较大厚度的生瓷材料的高质量钻孔，具有适用性强、应用范围广的特点以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，包括用于提供激光光源的激光器（1），用于对激光器（1）的激光光束进行扩束准直的扩束镜（2），用于将激光光束反射并调节光路方向的反射镜组（3），以及用于接收反射镜组（3）反射的激光光束并聚焦于生瓷材料上的扫描振镜（4）和聚焦场镜（5），在扫描振镜（4）上同轴设有用于进行钻孔位置定位的视觉定位机构（6），以及用于吸取钻孔加工过程中粉尘的同轴抽尘机构。2.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述同轴抽尘机构包括抽尘环（7）以及与抽尘环连通的抽吸装置，在抽尘环（7）的下方设有用于进行生瓷材料吸附固定的吸附治具（8）。3.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述激光器（1）为紫外纳秒激光器，其波长为355nm，功率为15w-30w，脉宽＜15ns。4.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述扫描振镜（4）为 xy扫描振镜，通过扫描振镜（4）控制钻孔孔径。5.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述聚焦场镜（5）的焦距f＝60～100mm，将扫描振镜（4）出射的激光光束聚焦为微米级激光光斑。6.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述扩束镜（2）为变倍扩束镜，倍数范围为2～8倍。7.根据权利要求1所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，所述视觉定位机构（6）为ccd相机模组。8.一种生瓷材料激光加工钻孔方法，使用权利要求1-7任一所述的一种生瓷材料激光加工钻孔装置，其特征在于，包括步骤：s01、打开吸附治具，将生瓷材料吸附固定在吸附治具上；s02、按照生瓷材料的激光加工钻孔位置搭建激光光路，聚集场镜将激光聚焦在生瓷材料表面上，s03、视觉定位机构根据生瓷材料表面的mark点确认钻孔位置与激光焦点位置一致；s04开启激光加工光路，扫描振镜带动激光光束进行扫描加工，根据钻孔加工深度，由聚焦场镜控制激光焦点位置，进行递进钻孔加工。9.根据权利要求8所述的一种生瓷材料激光加工钻孔方法，其特征在于，所述递进钻孔加工过程包括：根据钻孔加工深度设定递进次数，以单次加工钻孔深度h作为基准深度，当加工深度为h时，（n-1）h＜h≤nh,n表示大于等于1的正整数，递进次数为n-1。10.根据权利要求9所述的一种生瓷材料激光加工钻孔方法，其特征在于，在h≤2mm时，采用5～15w的激光功率、50k～200k的激光频率、200mm/s～800mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充及0次递进；在2＜h≤4mm，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、1次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数；在4＜h≤6mm时，采用10～20w的激光功率、100k～200k的激光频率、500mm/s～1000mm/s的振镜扫描速度、5μm～20μm的填充间距、同心圆填充、2次焦点递进及5～15次单次焦点递进扫描次数。

技术总结

本发明公开了一种生瓷材料激光加工钻孔装置及钻孔方法，钻孔装置包括用于提供激光光源的激光器，用于对激光器的激光光束进行扩束准直的扩束镜，用于将激光光束反射并调节光路方向的反射镜组，以及用于接收反射镜组反射的激光光束并聚焦于生瓷材料上的扫描振镜和聚焦场镜，在扫描振镜上同轴设有用于进行钻孔位置定位的视觉定位机构，以及用于吸取粉尘的同轴抽尘机构；本发明通过激光进行钻孔加工，无需定制模具及冲针，增加了钻孔效率，提高了成孔边缘质量，无需更换任何配件能够适用不同孔径的加工需求，同时递进加工的方式，能够实现大厚度生瓷材料的高质量钻孔，适用范围更广；其价格较低，设备成本及后期维护成本更低。设备成本及后期维护成本更低。设备成本及后期维护成本更低。