JP2007237242A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小径から太径まで多様な穴加工が可能で且つ、加工スループットと加工品質の向上を両立できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】本発明のレーザ加工装置はプリント基板上の所定の加工位置に対して位置決め動作を行うスキャナと、１つのビアホールの外形を描くトレパニング動作を行うスキャナを別々に設ける。
【効果】パンチ加工とトレパニング加工の双方において、加工スループットと穴形状の向上を図ることが可能となり、小径から太径まで多様な穴加工が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光を用いて穴の加工や、切断等を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に係り、特に、プリント配線基板にビアホールを加工するのに好適なレーザ加工装置に関する。

以下、従来のレーザ加工装置について説明する。

電子機器の小型化，高密度実装化に伴い、プリント配線基板は複数の基板を積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、多層配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホール（穴）を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。

ビアホールの形成には、ビアホールの微細化に伴い、高出力のＣＯ₂ レーザやＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザが使用される。また、ガルバノミラーとｆθレンズを組み合せたビームスキャン光学系を用いて、レーザ光を走査させることにより高速加工を実現している。さらに、加工する穴径を選択するためマスクとしてアパーチャを採用し、その像を結像レンズ用いて基板上に転写する結像光学系を採用し、また、１つのビアホールに対してレーザ光を複数回に分けて照射することにより、ビアホールの形状品質を向上させている。

しかしながら、プリント基板製造における穴あけ加工に対するスループット向上の要求は高密度化による穴数の増加に伴い、益々厳しくなってきている。また、穴径の小径化に伴い位置精度に対する要求も同様に厳しくなってきている。

以上のような加工スループットの向上に対する要求に応えるため、加工ビームをマルチ化したレーザ加工装置が複数提案されている。マルチ化の方法としてはレーザ光を時間的に切替えて行うレーザ加工装置（例えば、特許文献１）やレーザ光を空間的に分割して行うレーザ加工装置（例えば、特許文献２）が代表的である。

特開２０００−２６３２７１号公報（第８頁、図１） 特開２００４−２３０４６６号公報（第１１頁、図５）

レーザ加工にはレーザ光のビームスポット径が、ほぼビアホールの穴径となるパンチ加工の他に、穴の軌跡を描きながらレーザ照射することでビームスポット径より大きい穴径のビアホールを加工するトレパニング加工がある。特にトレパニング加工は小径加工を得意とするＵＶレーザ加工機で、大きな穴径のビアホールを加工する際に必須の技術となっている。トレパニング加工では、加工軌跡をパンチ加工で高速位置決めに使用しているガルバノスキャナを用いて描くことが多い。パンチ加工ではある位置から他の位置へ急速に移動させるステップ走査で２点間を移動する道程での挙動が重要視されない。これに対して、トレパニング加工では軌跡を描くため移動中の道程の挙動も重要となり、高い追従性が要求される。しかし、高速動作でパンチ加工の高精度位置決めと、トレパニング加工の高い追従性を両立させることは困難である。特許文献１および特許文献２に記載のレーザ加工装置は共に、トレパニング加工に関しては配慮されておらず、小径から太径まで多様化するビアホール加工に十分対応できないという問題があった。

本発明の目的は、上記した課題を解決してパンチ加工とトレパニング加工共に高精度位置決めと高追従性を両立させるレーザ加工装置およびその方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置はプリント基板上の所定の加工位置に対して位置決め動作を行うスキャナと、１つのビアホールの外形を描くトレパニング動作を行うスキャナを別々に設けることを特徴とする。

説明した本発明のレーザ加工装置によれば、パンチ加工とトレパニング加工の双方において、加工スループットと穴形状の向上を図ることが可能となり、小径から太径まで多様な穴加工が可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例である、１つの発光源からの光を用いて２枚の基板を時分割で加工できるレーザ加工装置の構成図である。初めに、レーザ光の光路について説明する。

レーザ発振器１から出射されたレーザ光２は、ビーム径（加工形状）を決定するマスク３を介してビーム分配整形器４，５に入射する。ビーム分配整形器４，５は、レーザ加工機の上位制御装置（図示せず）の指令によりレーザ光２の方向を切替える機能と、パルス波形を矩形状に整形する機能とを有する。ビーム分配整形器４がＯＮ状態ではレーザ光２は第１の加工ビーム６として進行方向を変え固定ミラー９に入射し、ＯＦＦ状態ではそのまま直進してビーム分配整形器５に至る。ビーム分配整形器５に入射したレーザ光２は、ビーム分配整形器５がＯＮ状態で第２の加工ビーム７として進行方向を変え固定ミラー
１０に入射し、ＯＦＦ状態ではそのまま直進して遮光体８に至る。従って、ビーム分配整形器４，５のＯＮ／ＯＦＦを切替えることで、第１の加工ビーム６と第２の加工ビーム７とを時分割で切替えることができる。まず、第１の加工ビーム６の光路について述べる。

ビーム分配整形器４をＯＮ状態として出射された第１の加工ビーム６は、固定ミラー９で反射され、１／２波長板１２を介して第１の偏光ビームスプリッタ１３で反射され、第１の２軸スキャナ１４に入射する。この第１の２軸スキャナ１４はパンチ加工時には固定ミラーとして、トレパニング加工時にはトレパニング軌跡生成スキャナとして機能する。第１の２軸スキャナ１４を出射した第１の加工ビーム６は第２の偏光ビームスプリッタ
１５で反射して、固定ミラー１６，１７を介して第２の２軸スキャナ１９に入射する。第２の２軸スキャナ１９によってｆθレンズ２１へ入射する角度が制御されてＸＹステージ２３上に設置された基板２４の所定の位置に照射する（加工エリア５０×５０mm角程度）。

次に、第２の加工ビーム７の光路について述べる。ＯＦＦ状態のビーム分配整形器４を直進してＯＮ状態の分配整形器５により方向を変えられた第２の加工ビーム７は、固定ミラー１０，１１を介して第１の偏光ビームスプリッタ１３を透過することで、第１の加工ビーム６と重畳（合成）されて第１の２軸スキャナ１４に入射する。第１の２軸スキャナ１４を出射した第２の加工ビーム７は第２の偏光ビームスプリッタ１５を透過することで、第１の加工ビーム６と分離され、固定ミラー１８に入射される。固定ミラー１８で反射された第２の加工ビーム７は第３の２軸スキャナ２０でｆθレンズ２２へ入射する角度が制御されてＸＹステージ２３上に設置された基板２５の所定の位置に照射する（加工エリア５０×５０mm角程度）。

ここで、第１の２軸スキャナ１４は、合成されたビームをＸＹステージ２３に載置された基板面上でＸ軸方向に振るためのミラー１４ａが取り付けられたガルバノスキャナ14ｂと、Ｙ軸方向に振るためのミラー１４ｃが取り付けられたガルバノスキャナ１４ｄとから構成されている。

第２の２軸スキャナ１９は、第１の加工ビーム６をＸＹステージ２３上における基板
２４面上の被加工領域に対してＸ軸方向に振るためのミラー１９ａが取り付けられたガルバノスキャナ１９ｂと、Ｙ軸方向に振るためのミラー１９ｃが取り付けられたガルバノスキャナ１９ｄとから構成されている。同様に、第３の２軸スキャナ２０は、第２の加工ビーム７をＸＹステージ２３上における基板２５面上の被加工領域に対してＸ軸方向に振るためのミラー２０ａが取り付けられたガルバノスキャナ２０ｂと、Ｙ軸方向に振るためのミラー２０ｃが取り付けられたガルバノスキャナ２０ｄとから構成されている。

ＸＹステージ２３は、図示していない駆動機構によりＸＹ方向に移動可能に構成されている。このＸＹステージに搭載された基板（例えば基板２４）は、図４（ａ）に示すように、第２の２軸スキャナ１９による被加工領域２６での加工が終了すると、次の被加工領域２７が来るように移動させて位置決めする。なお、第３の２軸スキャナ２０と基板２５の関係も被加工領域は図４（ａ）と同じである。

次に、第１の偏光ビームスプリッタ１３，第２の偏光ビームスプリッタ１５の機能について述べる。偏光ビームスプリッタはＰ偏光（振動方向が紙面に対して平行な光）を透過させて、Ｓ偏光（振動方向が紙面に対して垂直な光）を反射する特性を有している。いま、レーザ発振器１から出射されるレーザ光２がＰ偏光とすると、第２の加工ビーム７はＰ偏光のままなので、第１の偏光ビームスプリッタ１３を１００％透過する。一方、第１の加工ビーム６は１／２波長板１２でＳ偏光に変換されるので第１の偏光ビームスプリッタ１３で１００％反射される。従って、第１の加工ビーム６がＳ偏光、第２の加工ビーム７がＰ偏光になるので第１偏光ビームスプリッタ１３を使って別な光路を経由してきた２つの光の光路をロスなく同軸にすることができる。したがって、第１の加工ビーム６と第２の加工ビーム７は、第１の２軸スキャナ１４で同じ軌跡を描き、第２の偏向ビームスプリッタ１５へ入射する。第１の加工ビーム６と第２の加工ビームは第１の２軸スキャナ１４を出射後もそれぞれ偏向状態が保たれているので、第２の偏光ビームスプリッタ１５へ入射したＳ偏光の第１の加工ビーム６は１００％反射、Ｐ偏光の第２の加工ビーム７は100％透過する。

次に、本発明のレーザ加工装置の動作について説明する。

まず、パンチ加工について述べる。パンチ加工では第１の２軸スキャナ１４は中心位置で固定して、固定ミラーとして機能させる。レーザ発振器１はレーザ光２の光強度およびビームプロファイルの安定化を図るため、常時同じ繰返し周波数でパルス発振させておく。いま、ビーム分配整形器４を上位制御装置（図示せず）の指令により、所定の時間だけＯＮさせて第１の加工ビーム６を選択し、基板２４に対して所定のレーザパルス数を照射してパンチ加工を行う。

このとき、ビーム分配整形器５はＯＦＦにしておき、同時に第３の２軸スキャナ２０を動作させ基板２５の任意の加工位置へ第２の加工ビーム７を照射できるように、位置決め動作を完了しておく。次に、ビーム分配整形器４をＯＦＦとし、ビーム分配整形器５を
ＯＮさせて加工ビーム７を選択すると、すでに基板２５の任意の位置に対して、位置決めが完了しているので、すぐに所定のレーザパルス数を照射してパンチ加工を行うことができる。このとき、第２の２軸スキャナ１９は次の加工位置へ第１の加工ビーム６を照射できるように、位置決め動作を完了しておく。以上の動作を図４（ｂ）に示すように第２の２軸スキャナ１９および第３の２軸スキャナ２０の加工エリア２６(５０×５０mm角程度)内で、穴位置の座標が記述してある加工プログラムに従い、例えば図４（ｂ）に矢印で示した順序でレーザ光２の１００％の加工エネルギーで基板２４、２５それぞれに対してパンチ加工２８ａができる。なお、第２の２軸スキャナ１９および第３の２軸スキャナ２０が基板の所定の加工エリアでの加工が終了して、次の被加工領域へ基板面を移動させるためＸＹステージ２３が動作している間は、ビーム分配整形器４，５は共にＯＦＦにしておく。このため、レーザ光２はビーム分配整形器４，５をほぼ１００％透過して遮光ビーム２９として遮光体８で吸収することで熱に変換されるので、加工ビームは基板へ照射されることはない。

次に、トレパニング加工について述べるが、パンチ加工と異なるのは第１の２軸スキャナ１４の機能であり、その他の動作はパンチ加工と同じなので説明は省略する。トレパニング加工において第１の２軸スキャナ１４は任意のトレパニング軌跡を常時繰返し描き続ける。例えば、図６（ａ）に示すようにガルバノスキャナ１４ａと１４ｃを同じ振幅で位相をπ／２ｒａｄだけずらして走査することで、図６（ｂ）に示すように円軌跡を生成することができる。そして、ビーム分配整形器４，５は基板２４，２５に対してトレパニング加工が完了する所定の時間だけそれぞれＯＮ状態にすれば、図４（ｃ）に示すような例えば、穴位置の座標が記述してある加工プログラムに従い、図４（ｃ）に矢印で示した順序でレーザ光２の１００％の加工エネルギーで基板２４，２５それぞれに対してトレパニング加工２８ｂを行うことができる。

以上、説明したように本発明のレーザ加工装置によれば、トレパニング加工の軌跡を描くスキャナを別途配置することで、パンチ加工とトレパニング加工の双方において、加工スループットと穴形状の向上を図ることが可能となり、小径から太径まで多様な穴加工が可能となる。

次に、本発明の第２の実施例を説明する。図２は本発明による第２の実施例であるレーザ加工装置の構成を示す構成図である。まず、第２の実施例の構成要素について述べるが、図２において図１と共通のものは同じ符号を用いたので説明は省略する。ここで、新たに追加修正された構成要素は、ビーム分配整形器５を削除し、第１の偏光ビームスプリッタの代わりにビームスプリッタ３０を用いる点のみである。

初めに、レーザ光の光路について説明する。

レーザ光２はレーザ発振器１から出射され、マスク３を介してビーム分配整形器４に入射する。ビーム分配整形器４はレーザ加工機の上位制御装置（図示せず）の指令によりレーザ光２の方向を切替える機能とパルス波形を矩形状に整形する機能とを有する。ビーム分配整形器４がＯＮ状態ではレーザ光２は進行方向を変え、ＯＦＦ状態ではそのまま直進して遮光体８に至る。

レーザ光２は固定ミラー９，１０を介して、第１の２軸スキャナ１４に入射する。第１の２軸スキャナ１４はパンチ加工時には固定ミラー、トレパニング加工時にはトレパニング軌跡生成スキャナとして機能する。第１の２軸スキャナ１４を出射したレーザ光２はビームスプリッタ３０で加工エネルギーが５０％ずつ第１の加工ビーム６と第２の加工ビーム７に分割される。これ以後の第１の加工ビーム６と第２の加工ビーム７の光路は実施例１と同じなので省略する。

次に、本発明における第２の実施例の動作を詳細に述べるが、まず、パンチ加工について述べる。パンチ加工では第１の２軸スキャナ１４は中心位置で固定して、固定ミラーとして機能させる。レーザ発振器１はレーザ光２の光強度およびビームプロファイルの安定化を図るため、常時同じ繰返し周波数でパルス発振させておく。いま、ビーム分配整形器４を上位制御装置（図示せず）の指令により、所定の時間だけＯＮさせてレーザ光２をビームスプリッタ３０で２分割し、その２分割された加工ビームのうち第１の加工ビーム６を基板２４、第２の加工ビーム７を基板２５に、同時に所定のレーザパルス数だけ照射する。このとき、例えば穴位置の座標を記述してある加工プログラムに従い、図４（ｂ）に矢印で示した順序でレーザ光２を照射することで５０％の加工エネルギーで基板２４，
２５それぞれに対してパンチ加工２８ａができる。

なお、ＸＹステージ２３が動作している間は、ビーム分配整形器４はＯＦＦにしておけば、レーザ光２はビーム分配整形器４をほぼ１００％透過して遮光ビーム２９として遮光体８で吸収することで熱に変換されるので、加工ビームが基板へ照射されることはない。

次に、トレパニング加工について述べるが、パンチ加工と異なるのは第１の２軸スキャナ１４が任意のトレパニング軌跡を常時繰返し描き続けることだけであり、その他の動作はパンチ加工と同じなので説明は省略する。

次に、本発明の第３の実施例を説明する。図３は本発明による第３の実施例であるレーザ加工装置の構成を示す構成図である。前述までの実施例は２つの基板を加工する構成であったが、本実施例では１つの基板上に同時に２箇所のパンチ加工又は２箇所のトレパニング加工を行う構成のものである。まず、第３の実施例の構成要素について述べるが、図３において図１と共通のものは同じ符号を用いたので説明は省略する。ここで、新たに追加修正された構成要素は第１の偏光ビームスプリッタの代わりにビームスプリッタ３０、第３の２軸スキャナ２０の代わりに第４の２軸スキャナ３５を用いる点のみである。

初めに、レーザ光の光路について説明する。

レーザ光２はレーザ発振器１から出射され、マスク３を介してビーム分配整形器４に入射する。ビーム分配整形器４はレーザ加工機の上位制御装置（図示せず）の指令によりレーザ光２の方向を切替える機能とパルス波形を矩形状に整形する機能とを有する。ビーム分配整形器４がＯＮ状態ではレーザ光２は進行方向を変え、ＯＦＦ状態ではそのまま直進して遮光体８に至る。

レーザ２は固定ミラー９を介して、第１の２軸スキャナ１４に入射する。第１の２軸スキャナ１４はパンチ加工時には固定ミラー、トレパニング加工時にはトレパニング軌跡生成スキャナとして機能する。第１の２軸スキャナ１４を出射したレーザ光２は、ビームスプリッタ３０で第１の加工ビーム３３と第２の加工ビーム３４に分割される。第１の加工ビーム３３は１／２波長板１２で偏光方向を変換したのち、固定ミラー１６，１７を介して偏光ビームスプリッタ１５で反射され、第２の２軸スキャナ１９でｆθレンズ２１へ入射する角度が制御されてＸＹステージ２３上に設置された基板２４の所定の位置に照射する（加工エリア５０×５０mm角程度）。一方、第２の加工ビーム３４は第４の２軸スキャナ３５に入射する。ここで、第４の２軸スキャナ３５は第２の加工ビーム３４をＸＹステージのＸ軸方向に振るためのミラー３５ａが取り付けられたガルバノスキャナ３５ｂと、Ｙ軸方向に振るためのミラー３５ｃが取り付けられたガルバノスキャナ３５ｄから構成されている。第２の加工ビーム３４は第４の２軸スキャナ３５で僅かな角度範囲（例えば、加工エリアで１×１mm程度）だけを走査する。第２の加工ビーム３４は偏光ビームスプリッタ１５を透過して、基板２４に照射される。従って、第１の加工ビーム３３は第２の２軸スキャナ１９で制御された角度に対応した位置に位置決めされるが、第２の加工ビーム３４は第２の２軸スキャナ１９と第４の２軸スキャナ３５を加算した角度に対応した位置に位置決めされる。つまり、図５（ａ）に示すように基板２４、第１の加工ビーム３３の加工エリア２６、第２の加工ビーム３４の加工エリア３６とすると、図５（ｂ）に示すように第１の加工ビーム３３による加工位置３７ａの周辺（例えば、１×１mm程度）で第２の加工ビーム３４が任意の位置に移動できる構成となっている。なお、第２の加工ビーム３４のスキャン範囲が狭くなるのは設置する位置がｆθレンズ２１から離れるために、大きくビーム走査するとｆθレンズ２１の有効径内に収まらないためである。

次に、本発明における第３の実施例の動作を詳細に述べる。まず、パンチ加工について述べる。パンチ加工では第１の２軸スキャナ１４は中心位置で固定して、固定ミラーとして機能させる。レーザ発振器１はレーザ光２の光強度およびビームプロファイルの安定化を図るため、常時同じ繰返し周波数でパルス発振させておく。いま、ビーム分配整形器４を上位制御装置（図示せず）の指令により、所定の時間だけＯＮさせてレーザ光２を２分割した第１の加工ビーム３３および第２の加工ビーム３４で基板２４に対して、所定のレーザパルス数を照射する。このとき、例えば、図５(ｂ)に示すようにパンチ加工穴３７ａ，３８ａを２穴同時に、穴位置の座標が記述してある加工プログラムに従って矢印で示した順序で加工する。なお、第２の２軸スキャナ１９の加工エリア２７での加工が終了して、次の被加工領域へＸＹステージ２３が動作している間は、ビーム分配整形器４はＯＦＦにしておけば、レーザ光２はビーム分配整形器４をほぼ１００％透過して遮光ビーム２９として遮光体８で吸収することで熱に変換されるので、加工ビームが基板へ照射されることはない。

次に、トレパニング加工について述べるが、パンチ加工と異なるのは第１の２軸スキャナ１４の機能であり、その他の動作はパンチ加工と同じなので説明は省略する。トレパニング加工において第１の２軸スキャナ１４は任意のトレパニング軌跡を常時繰返し描き続ける。そして、ビーム分配整形器４は基板２４に対してトレパニング加工が完了する所定の時間だけＯＮ状態にすれば、基板２４に対して２穴同時に、穴位置の座標が記述してある加工プログラムに従い、トレパニング加工穴３７ｂ，３８ｂが例えば、図５（ｃ）に矢印で示した順序で加工できる。

以上の説明した構成においては１枚の基板上で２箇所略同時にパンチ加工及びトレパニング加工を短時間，高精度に行うことができる。

本発明は実績のある構成要素を使ったものであり、その効果を鑑みて、特にプリント配線基板にビアホールを加工に関する分野で十分に利用される可能性は高い。

本発明の第１の実施例に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明の第２の実施例に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明の第３の実施例に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明の第１，第２の実施例に係る加工エリアの説明図である。 本発明の第３の実施例に係る加工エリアの説明図である。 本発明のトレパニング軌跡の一例を示す図である。

符号の説明

１…レーザ発振器、２…レーザ光、３…マスク、１３…第１の偏光ビームスプリッタ、１４…第１の２軸スキャナ、１５…第２の偏光ビームスプリッタ、１９…第２の２軸スキャナ、２０…第３の２軸スキャナ、２１，２２…ｆθレンズ、２４，２５…基板、３５…第４の２軸スキャナ。

Claims (5)

1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、加工形状を決定するマスクと、前記レーザ光を時分割するビーム切替え手段と、前記時分割されたレーザ光を加工対象物に走査するビームスキャン光学系と、前記マスクの形状を加工対象物上に転写させる加工レンズから成る加工ヘッドを時分割されたビーム数分有し、レーザ光を前記加工ヘッドのいずれか１個に供給するようにしたレーザ加工装置において、
   時分割したレーザ光路を重畳させる手段と、トレパニング軌跡を生成する手段と、重畳した光路を再び分割する手段とをビーム切替え手段と加工ヘッドの間に配置することを特徴とするレーザ加工装置。
2. レーザ光を発振するレーザ発振器と、加工形状を決定するマスクと、前記レーザ光を分割するビームスプリッタと、前記分割されたレーザ光を加工対象物に走査するビームスキャン光学系と、前記マスクの形状を加工対象物上に転写させる加工レンズから成る加工ヘッドを分割されたビーム数分有し、レーザ光を前記加工ヘッドのいずれか１個に供給するようにしたレーザ加工装置において、
   トレパニング軌跡を生成する手段を前記マスクと、前記ビームスプリッタの間に配置することを特徴とするレーザ加工装置。
3. レーザ光を発振するレーザ発振器と、加工形状を決定するマスクと、前記レーザ光を分割するビームスプリッタと、前記分割したレーザ光を重畳させる偏光ビームスプリッタと、前記レーザ光を加工対象物に走査するビームスキャン光学系とを有し、前記マスクの形状を加工対象物上に転写させる１つの加工レンズに複数のレーザ光を入射させて加工するレーザ加工装置において、
   トレパニング軌跡を生成する手段を前記マスクと、前記ビームスプリッタの間に配置することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記トレパニング軌跡を生成する手段として２軸のガルバノスキャナを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光を重畳する手段として偏光ビームスプリッタを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
   
   

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