激光微加工及其方法.pdf

所述的实施例涉及激光微加工一块基板的方法。一种通常的方法包括将激光(410)对准基板(300)而在该基板(300)上至少部分地形成一细部(404)。该加工方法还包括在上述形成细部的至少部分过程内沿第一供液通道(b1)向上述细部(404)的至少一个第一区(508a)供给液体(422)，并沿至少一条第二供液通道(b2)向上述细部(404)的至少一个不同的第二区(508b)供给液体(422)。

权利要求书
1.  一种激光加工装置(402)，具有：
一种用来在基板(300)的表面(302)上形成一种细部(404)的激光束(410)；
一个用于在上述细部(404)上导引液体(422)的第一供液构件(424a)，其中，上述细部(404)可包括一个阻碍从上述第一供液构件(424a)导至其内的浅区(508a)；
至少一个用于大致向浅区(508a)导引液体的不同的第二供液构件，其中，上述的第一和第二供液构件(424a，424b)用来至少在激光束(420)作用在基板(300)上的部分时间里将液体(422)输送给上述细部(404)。

2.  根据权利要求1的激光加工装置，其特征在于，上述的细部(404)包括盲的细部。

3.  根据权利要求1的激光加工装置，其特征在于，上述的细部(404)是一种大致沿其第一端部(406a)与大致相对的第二端部(406b)之间的长轴延伸的长形的细部，其中，上述的第一供液构件(424a)被配置在上述细部的第一端部(406a)的附近，而第二供液构件(424b)被配置在上述细部的第二端部(406b)的附近。

4.  一种激光加工方法，包含如下步骤：
将激光束(410)对准基板(300)以去除激光反应区(412)处的基板材料而在基板(300)上至少部分地形成一个细部(404)；和
至少在上述的激光对准的第一持续时间内从第一喷嘴(502a)第一供给液体(422)至激光反应区(412)；并至少在上述激光对准的不同的第二持续时间内从至少一个不同的第二喷嘴(502b)第二供给液体(422)至激光反应区(412)。

5.  根据权利要求4的方法，其特征在于，上述的第二供给步骤包括当激光反应区(412)处于上述细部(404)的一个受阻于第一喷嘴(502a)的区域(508a)时供应液体(422)。

6.  根据权利要求4的方法，其特征在于，上述的第一供给步骤包括当激光反应区(412)处于上述细部(404)的一个受阻于第二喷嘴(502b)的区域(508b)时供应液体(422)。

7.  根据权利要求4的方法，其特征在于，还包含在第三持续时间内由第一喷嘴(502a)和第二喷嘴(502b)供给液体(422)。

8.  一种激光加工方法，包含如下步骤：
将激光束(410)对准基板(300)以除去激光反应区(412)处的基板材料而至少部分地在基板(300)上形成一个细部(404)；和
在上述对准激光的至少第一持续时间内，沿至少两条不同的供液通道(b1，b2)有选择地控制向激光反应区(412)供给液体(422)。

9.  根据权利要求8的方法，其特征在于，上述的有选择地控制供液的步骤包括当激光反应区(412)处于上述细部(404)的第一区(508a)时，沿第一供液通道(b1)供给液体(422)，而沿第二供液通道(b2)不供给液体(422)。

10.  根据权利要求9的方法，其特征在于，上述的有选择地控制供液的步骤包括当激光反应区(412)处于上述细部(404)的受阻于由第一供液通道(b1)直接供液的第二区(508b)时沿第二供液通道(b2)供给液体(422)，而沿第一供液通道(b1)不供给液体(422)。

说明书激光微加工及其方法
技术领域
本发明涉及激光微加工及其方法。
背景技术
电子产品的市场一直要求在降低成本的同时提高产品性能。为了满足这些要求，要以更严密的公差且更有效地制造包括各种电子器件的零部件。
激光微加工是一种可控而有选择地加工材料的普通制造方法。但是，希望进一步提高激光加工的性能。
在所有的图中以相同的标号标示合适之处的相同细部和零件。
图1示出一个示例性实施例的示范打印机的前视图；
图2示出适用于一个示例性实施例的示范打印机的打印盒的透视图；
图3示出一个示例性实施例的打印盒的局部剖视图；
图4示出一个示例性实施例的示范激光加工装置的前视图；
图5、5b-5e和5g是按照一个实施例的激光加工一块示例性基板的加工步骤的剖视图；
图5a和5f分别示出按照一个示例性实施例的示范激光加工机和相关的基板的局部顶视图；
图6和7分别示出按照一个示例性实施例的示范激光加工机和相关的基板的局剖顶视图。
下面所述的各实施例涉及用于激光微加工一块基板的方法和装置。激光微加工是一种用于可控而有选择地去除基板材料的制造方法。激光微加工由于去掉一些基板材料而可在基板上形成一种细部，这种细部可以是穿透的细部，例如通过基板的整个厚度的槽，或者是不穿透的细部，例如只穿过基板部分厚度的沟道。
激光加工在激光反应区中去除基板材料，而在基板上留下一种细部。一些示例性实施例沿一条或多条供液通道向激光反应区供给液体以提高加工基板的速度和/或减小所形成的细部附近再沉积基板材料的可能性。
有各种因素可导致在加工基板的过程中的某一时间里堵塞从供液源至激光反应区的具体供液通道。在激光形成一些细部时，基板可阻碍一条或多条供液通道到达激光反应区。所述的一些实施例可在加工的细部上沿两条或多条供液通道导引液体，以便向上述细部内的激光反应区供给足够的液体。
下面将以在基板上形成供墨汁的槽的实例一般地说明激光加工各种细部的实例。这种带槽的基板可装入喷墨打印盒或者说笔内，和/或与其他用途一起装入各种微型电气机械系统(MEMS)的装置内。下面所述的各种零件在它们的尺寸方面并未精确地示出。而所示各图是想以图示方式向读者说明本文所述的各种发明原理。
下面示出具体细部的尺寸、形状和排列的实例。但是，应用本文所述的本发明的方法和装置可以制造任何类型的细部的尺寸和几何形状。
另外，虽然本文的几个实施例都叙述和讨论喷墨打印盒或者说笔，但是，所说明的本发明的方法和装置可用于制造任何为一种或多种用途喷出任何类型的流体的喷射装置。
示范产品
图1和2示出可应用上述的至少几个实施例制造的产品的实例。图1示出一种可以使用示范的打印盒的示范的打印装置，在本实施例中，打印装置包括一种打印机100，该打印机是喷墨式打印机，它可以打印黑白和/或彩色图象。“打印装置”这一术语涉及任何类型的使用带槽基板来达到其至少一部分功能性的打印装置和/或成象装置。上述打印装置地实例有(但不限于)打印机、传真机和照相复印机。在这些示范的打印装置中，带槽基板包含一部分装入打印盒的打印头，其实例在下面说明。
图2示出一种可用于示范打印装置中的示范打印盒202，该打印盒202具有打印头204和支承打印头的盒体206，虽然在该打印盒202上只用一个打印头204，但是，其他的示范结构中可以在一个打印盒上使用多个打印头。
打印盒202的盒体206内设置有内含流体或者说墨汁的供给机构。另外类型的打印盒则可以接受来自外部供给机构的流体。熟悉本技术的人们还会知道其他的示范结构。
图3示出沿图2的3-3线的示范打印头204的局部剖视图。图3的视图垂直于流体供入槽(下面再说明)的x轴线，该x轴线伸入和伸出显示图3的页面。
图3中，基板300在第一基板表面(“第一表面”)302与第二基板表面(“第二表面”)303之间延伸。槽孔305在第一与第二表面302，303之间穿过基板300。
在这个特定实施例中，基板300包括掺杂质或不掺杂质的硅板。其他的基板材料有(但不限于)玻璃、二氧化硅、陶瓷、砷化镓、磷化镓、磷化铟、或其他材料。
基板厚度(沿图3的z轴线)为适合于基板预定用途的任何合适的尺寸。在一些实施例中，基板相对于z轴方向的厚度范围为小于100μm至大于2000μm。一个示例性实施例用的基板，其厚度约为675μm。虽然上面只说到一个单一基板，但是，其他合适的实施例在装配时和/或最终产品中含有多部分的基板。例如，一个上述实施例所用的基板包括一个第一部分和一个在加工过程的某个阶段会弃去的第二可消失部分。
在这个特定实施例中，沿基板的第二表面303上安置一个或多个薄膜层314。在至少一些实施例中，沿上述薄膜层314上安置一个阻挡层316和一个带孔板或者说带孔层318。
在一个实施例中，一个或多个薄膜层314含有一个或多个导电示踪件(未示出)和多个电气元件例如电阻器320。可通过上述的导电示踪件选择性地控制各电阻器320。在一些实施例中，薄膜层314可以至少部分地构成流体可通过的多流体供给通道的壁。阻挡层316可以至少部分地界定多个火室324。在一些实施例中，阻挡层316可以单独地或与薄膜层314相结合地构成流体供给通道322。带孔层318可界定多个点火喷嘴326。每个点火喷嘴分别与各火室324对准。
上述阻挡层316和带孔层318可以以任何方式形成。在一个具体实施例中，无论阻挡层316还是带孔层318都采用厚膜材料例如可照相成象的聚合物材料，这种材料可以以任何合适的方式使用。例如，上述材料可以像熟悉本技术的人们所知道的那样“纺成”。
“纺成”之后，可摹制阻挡层316以形成(至少部分地形成)所需的细部例如其中的通道和火室。在一个实施例中，阻挡层的摹制区可填上一种上述的可消失材料(通常称为失蜡过程的材料)。在本实施例中，带孔层318可用与阻挡层相同的材料制成并可在阻挡层316上面形成。在一个这样的实例中，带孔层材料在阻挡层上“纺成”。然后按照需要再将带孔层318摹制而形成各火室324上的喷嘴326，然后从阻挡层的火室324和通道322中脱除上述的可消失材料。
在另一个实施例中，阻挡层316是一种厚膜，而带孔层318是电加工而成的镍制件。另外的合适的实施例采用一种既可履行阻挡层功能又可履行带孔层功能的带孔层。
工作时，一种流体例如墨汁从盒体进入槽孔305(如图2所示)。该流体流过各通道322而进入各个火室324。当电流流过各电阻器320时，便从火室喷出流体。电流加热电阻器至足以将火室内含有的一些流体加热至其沸点温度，从而发生膨胀，便从分别设置的喷嘴306喷出一部分流体，然后，由来自通道322的附加流体替代喷出的流体。
上面所述的打印机和打印盒正是可装入应用下面所述的实施例制成的基板产品的一个实例。
示范装置和方法
图4示出一种可以微加工一种基板300a而在其中形成一种细部404的示范装置或者说激光机402的剖视图。激光机402包括一种用于发出足以加工掉基板材料而形成一种细部404的光能的装置。该细部404可以有各种形状，包括穿透的细部和不穿透的细部。不穿透的细部的高度小于基板的沿z方向测量的整个厚度t，穿过基板整个厚度t的细部就是穿透的细部。在所示的实施例中，上述细部404是一个在其第一端部406a与第二端部406b之间沿x轴线方向延伸的不穿透的细部。
激光机402具有一个可发射激光束410的激光源408，激光束410可与基板300a接触(或者换句话说，照射到基板300a上)。示范的激光束例如激光束410可提供足够的能量来激励被激光束照射的基板材料。上述的激励可包括与其他过程一起的熔化、气化、剥离、相分解、烧蚀、反应、和/或它们的综合，被激光束照射的基板和含有受激励的基板材料的包围区在本文称为激光反应区412。在一些示例性实施例中，基板300a置于一个用于激光加工的定位器414上。熟练的技术人员应当知道合适的定位器。一些这样的定位器做成可沿x、y和/或z坐标轴移动基板。
各种示例性实施例可使用一个或多个透镜来使激光束410聚焦或分散。在一些这种示例性实施例中，可将激光束聚焦，提高其能量密度，更有效地加工基板。在这些示例性实施例中，可用一个或多个透镜416将激光束聚焦，以使激光束与基板接触处出现所需的几何形状。在一些这类实施例中，上述几何形状的直径为5μm左右至大于100μm。在一个实施例中，上述直径约为30μm。而且，激光束410可从激光源408直接照射基板300a，或通过一个检流计418和/或一个或多个反射镜420间接地照射基板300a。
在一些示例性实施例中，激光机402具有一个或多个用于选择性地在预定时间从一个或多个喷嘴向基板300a的激光反应区412和/或其他部位喷出一种或多种液体422的供液构件。本实施例示出两个供液构件424a，424b。合适液体的实例将在下面较详细说明。在一些实施例中，供液构件也可用于供给一种或多种气体426例如辅助气体。一些这类实施例使用专门的供气构成，而另外的实施例例如图4所示实施例则通过供液构件424a、424b来输送气体426。供气装置和合适的气体的实例将在下面更详细地说明。
可用一个或多个调节器来调节流向基板的液体和/或气体的流量。本实施例使用两个流量调节器428a，428b。一些实施例使用控制器430与其他零部件一起来控制激光源408和流量调节器428a，428b的功能。
在激光加工过程中，可按各种不同的速度供给液体422，例如，一个用水作为合适液体的合适的实施例每小时向基板输送0.1加仑液体。其他合适的实施例的供水速度范围为小于0.05加仑/小时至至少约为0.4加仑/小时。
一些示例性实施例还应用了一种碎屑抛取系统432来去除由基板材料形成的气化的基板材料和/或由基板材料形成的微小颗粒和一部分液体和/或辅助气体以及各种其他的微小颗粒。在一个实施例中，上述的碎屑抽取系统是一个用来抽取激光束和基板附近的材料的真空系统和过滤系统。
图5-5g说明一种用激光加工基板的示范方法。图5、5b-5e和5g示出在基板上形成一种细部的工艺步骤。每个图都示出与图4所示的激光机402相似的示范激光机的局部剖视图。图5a和5f示出在激光加工过程的各种阶段的基板300b的上视图。
如图5所示，供液构件424c，424d在激光加工过程中对基板300b供给液体。由图可看出，供液构件424c，424d具有喷嘴502a，502b，在本实施例中，喷嘴502设在高于第一表面302b(沿z方向)上方约5-10mm处，这一高度总的以h表示。其他的实施例可设计另外的尺寸。
喷嘴502a，502b的喷口b1，b2限定了喷出液体422a，422b的通道方向。在本实施例中，为了方便说明，用喷口b1，b2来标志来自各喷嘴502a，502b和分别输送的液体422a，422b的各供液通道，为了方便说明，具体标志来自喷嘴502a，502b的液体422a，422b，这在下面会更明白。
在本实施例中，喷口b1，b2分别相对于基板300b的第一表面302b呈α，β角在一些实施例中，α，β角是相对于基板第一表面302b的弧形角。在本具体实施例中，α，β角约为50°，而第一和第二喷口b1，b2之间隔开约80°，如图中的γ所示。其他合适的实施例可设计其他的角度值。
在所示实施例中，导引到基板表面302b上的液体总的向着对面的喷嘴流遍基板表面。例如，由喷嘴502a沿喷口轴线b1喷出的液体422a与基板表面302b相接触并流向喷嘴502b，这一点从图5和5a可更清楚地看出。
图5a示出基板300b的第一表面302b的上视图。液体422a，422b通常覆盖着第一表面302b的位于喷嘴502a，502b之间的部分。在此情况下，液体也覆盖着要在基板第一表面302b上形成的细部的踪迹504。单个的喷嘴502a，502b和/或两个喷嘴一起可以有效地将液体422a，422b送到第一踪迹504上。
如图5b所示，激光束410a照射基板300b，该激光410a去除激光反应区412a上的基体材料，在基板上形成通过第一表面302b的浅薄的细部404a。从喷嘴502a沿通道b1将液体422a直接供给到激光反应区412a，液体422b也被从喷嘴502b直接供给到激光反应区412a，或者在沿第一表面302b接触和折射后供给到激光反应区412a上。
如图所示，激光束410a与基板300b的第一表面302b是正交的，但其他相对形式也可获得满意的结果。在本实施例中，激光束410a通常要沿x轴线从图的页码的左边移向右边，以便持续地形成一种细部404a。在下面的图中，随着激光加工的进展，上述的细部将被赋予新的字母尾标。
图5c是激光束410a持续地加工掉多余的基板材料而形成一种细部404b的连续视图。如图所示，激光束410a具有一条在基板303b上的从左向右然后从右向左移动的完整的路线。激光束的移动范围或者说沿x轴的扫描路线总的用尺寸d来表示，在此情况下，d也是上述细部404b的沿x方各或者说x轴线的尺寸。喷嘴502a，502b沿弧形角α，β的取向可使喷嘴在给细部404b供给液体时留在扫描路线之外。在本具体实施例中，喷嘴502a，502b分别设置在上述细部404b的沿x方向的后面约5-10mm处，如图中标号ι所示。因此，在本实施例中，喷嘴502a，502b之间的最小距离为d+(10-20mm)，其他的实施例可设计其他合适尺寸。
如图5c所示，上述细部404b至少部分地也由其底面506限定。此处，上述细部404b较之基板厚度t相对较浅，有一个或两个喷嘴便可将液体供给到该细部上。
图5d示出又一个激光加工过程中的连续视图。在此情况下，激光束从右向左移动，加工掉多余的基板材料而形成一种细部404c。为了方便于说明，这里只示出激光束的线性移动，但是熟悉本技术的人应当知道还有其他合适的用于形成细部的激光移动路线例如“跑道”式路线。
图5e示出激光束410a具有多条在基板300b上形成穿入基板厚度t的大部分的细部404d的完整路线的连续视图。此处的细部404d大约穿入基板厚度t的80％。底面506a至少部分地界定细部404d。激光反应区412a位于上述细部404d的最左边。在激光加工过程中，此处将激光反应区设置在细部404d的“浅区”内。浅区就是特征中的对于特定喷嘴没有直接的完全无阻挡的供液通道的区域。图5e中示出两个浅区508a，508b。
此处在激光加工过程中，单一个喷嘴可能受到从供液源至激光反应区的部分的或完全的阻碍。例如，喷嘴502a没有一条直接的完全无阻碍的将液体供给位于浅区508a内的激光反应区412a的通道。在某些实施例中，由于基板表面302b实际上阻挡液体，再加上其他原因，使液体的输送受到部分的或完全的阻碍。
从类似于图5a的示出细部404d的上视图的图5f可更清楚地看出对上述细部404d的液体供给情况。图5f示出由底面506a界定的第二踪迹504a。来自喷嘴502a的液体422a通常不到达浅区508a。同理，来自喷嘴502b的液体通道也不到达浅区508b。但是，当上述细部的深度增加到基板厚度t的一定百分数时，喷嘴502a，502b相结合可有效地使供给的液体遍布底面506a上的整个第二踪迹504a。
图5g以类似于图5e的视图示出一个替换实施例。其中，激光反应区412a位于上述细部404d的最左边和浅区508内。在这个具体实施例中，在激光加工过程的某一时刻，可由一个控制器例如参看图4所述的控制器422抑制或者切断来自特定喷嘴的液流。例如，在一个具体实施例中，当激光反应区412a位于浅区508a时，可关闭喷嘴502a，以使来自喷嘴502b的液体有效地供给到激光反应区。切断来自喷嘴502a的液流，可使喷嘴502b的液体更有效地分布到激光反应区412a。同理，当激光反应区位于细部的右边的浅区508b时，可关闭喷嘴502b使来自喷嘴502a的液体有效地到达激光反应区。
如图5g所示，切断来自其中一个喷嘴的液流的措施可减少由于两股或多股液流的交叉所造成的潜在干扰而加强来自另一个喷嘴的液流的有效输送。在一些实施例中，减少上述的干扰可减少紊流，并使到达激光反应区的液体量更为均匀。
上面结合图5-5g所述的激光加工过程的步骤可以重复进行，直到所形成的细部完全穿过基板厚度t而形成可成为穿透细部的不穿透细部为止。另外，示范的激光加工方法可与其他的基板加工方法相结合而在基板上做出一种细部。例如，可用一种方法例如腐蚀法去除基板材料，再用激光加工法去除额外的基板材料而形成所需的细部例如一种槽。
图6和7分别示出替换实施例的上视图，其中，在激光加工过程中由多个喷嘴将液体有效地导引到基板上，在基板上形成一种细部。
图6示出一个应用10个设置在基板第一表面302c上形成的细部404e附近的可单独控制的供液构件424c-4241的实施例。所述的10个供液构件每一个都沿不同的供液通道(以标号b3-b12表示)供给液体。在本实施例中，通过在激光加工过程中根据激光反应区的位置选择性地控制各供液构件的功能而可在细部形成过程中获得有效的液流。
图7示出应用包含大约100个喷嘴的单一供液构件424m的实施例。其实例以喷嘴502e示出。在本实施例中，多个喷嘴按照靠近基板第一表面302d上形成的细部404f的踪迹504f的形式而排列。这种结构可在激光加工过程中对基板有效地供给液体，即使在一个或多个喷嘴被堵塞而使液体不能到达上述细部的区域的情况下也如此。图中为了清晰起见，未示出与各喷嘴相对应的液流通道，但已在上面所述的几个实施例中说明过。
各种型式的供液构件在合适的实施例中都可以用。例如，合适的供液构件可包括在压缩空气中输送液体浮质的空气刷。其他合适的供液构件可用压缩空气或其他气体，并用文杜里管导引液体。还有另外的实施例简单地应用压缩液体，其中用喷嘴或不用喷嘴形成所需的液流。液体可按任何合适的方式输送到激光反应区。例如，上述液体可包括雾化的薄雾、悬浮微粒、微液滴和/或通常不掺杂气体分子的液体。
在上述的实施例中，将水用作合适的液体。其他的合适液体包括有机溶剂、水基的酸和碱、和水基的表面活化剂。
上述的实施例应用激光束在基板上形成一种细部。在几个实施例中，激光束由供给到被激光束激励的基板材料的激光反应区的液体(例如水)以较大的效率和速度减弱。一些上述的实施例可沿两个或多条通道将液体导引到上述细部上以保证有足够的液体供给到该细部内的激光反应区。
虽然上面以专用于结构细部和方法步骤的语言说明了本发明的构思，但是，应当明白，所附权利要求书并不限于所述的具体细部或步骤，而是将这些具体细部和步骤公开为实施本发明构思的最佳形式。