JP2009106979A

JP2009106979A - レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2009106979A
Application number: JP2007282308A
Authority: JP
Inventors: Shiro Hamada; 史郎浜田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】ガルバノメータの動作を高速化したレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】（ａ）レーザビームを、マスクの位置のレーザビームの断面が第１の可動ミラーから第２の可動ミラーまでのレーザビームの光路上に結像される条件で、第１の可動ミラーに入射させる。（ｂ）第１の可動ミラーから第２の可動ミラーまでのレーザビームの光路上に結像された、マスクの位置のレーザビームの断面が、加工対象物上に結像される条件で、第２の可動ミラーを出射したレーザビームを加工対象物に入射させる。（ｃ）第１または第２の可動ミラーを揺動した後、工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。

プリント基板の穴開け加工の高タクト化に関し、ガルバノメータの動作の高速化が望まれている。

図４は、プリント基板の穴開け加工に用いられるレーザ加工装置の従来例を示す概略図である。

レーザ光源１０、たとえばＣＯ_２レーザ発振器からパルスレーザビーム３０が出射する。パルスレーザビーム３０は、エキスパンダ１１でビーム径を拡大され、たとえば直径（マスク径）２ｍｍの円形の貫通孔を有するマスク１２で断面形状を整形された後、たとえば焦点距離２０００ｍｍのコリメーションレンズ１３に入射する。コリメーションレンズ１３で平行光とされたパルスレーザビーム３０はガルバノメータに入射する。

ガルバノメータは、２枚の揺動鏡、第１ガルバノミラー１４ａ及び第２ガルバノミラー１４ｂを含んで構成される。ガルバノメータは入射するパルスレーザビーム３０の出射方向を２次元方向に変化させて出射する。ガルバノメータを出射したパルスレーザビーム３０は、たとえば焦点距離１００ｍｍのｆθレンズ１５を経て、ステージ１６に保持されたプリント基板２０に垂直方向から入射する。

プリント基板２０は金属層上に形成された樹脂層を表面層として含んで構成される。コリメーションレンズ１３及びｆθレンズ１５は、マスク１２の貫通孔をプリント基板２０の樹脂層表面に結像する。このため直径１００μｍの円形の断面形状のパルスレーザビーム３０が、樹脂層表面からプリント基板２０に入射する。パルスレーザビーム３０の入射により、プリント基板２０には樹脂層を貫通し金属層に至る、開口形状が円形の穴が形成される。

ガルバノメータの動作（第１及び第２ガルバノミラー１４ａ、１４ｂの揺動）により、パルスレーザビーム３０のプリント基板２０上への入射位置が移動する。たとえば、第１ガルバノミラー１４ａが揺動することで、パルスレーザビーム３０はプリント基板２０上をＸ方向と平行な方向（図の左右方向）に走査する。また、第２ガルバノミラー１４ｂが揺動することで、パルスレーザビーム３０はプリント基板２０上をＹ方向と平行な方向（図面垂直方向）に走査する。こうしてプリント基板２０の樹脂層に複数の貫通孔が形成される。

上述のレーザ穴開け加工においては、第１ガルバノミラー１４ａに入射するパルスレーザビーム３０のビーム径は、たとえば２０ｍｍであるので、第１ガルバノミラー１４ａのミラー径は、たとえば２８ｍｍとなる。また、第２ガルバノミラー１４ｂに入射するパルスレーザビーム３０のビーム径は、たとえば２０ｍｍであっても、第１ガルバノミラー１４ａによりビームが振られるので、第２ガルバノミラー１４ｂの受光面積は広くする必要があり、そのミラー径はたとえば５０ｍｍとなる。この場合、第１ガルバノミラー１４ａ、第２ガルバノミラー１４ｂの駆動周波数は、それぞれたとえば２ｋＨｚ、１．４ｋＨｚでしかない。

第１ガルバノミラーと第２ガルバノミラーとの間に結像レンズを配置し、第１ガルバノミラーの像を第２ガルバノミラーに投影することによって、第２ガルバノミラーを小径化し、ガルバノメータの動作を高速化する光線束走査装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ガルバノメータの振り角を小さく制限することによって、ガルバノミラーの径を小さくし加工の高速化を図るレーザ加工装置の発明の開示がなされている（たとえば、特許文献２参照）。

ガルバノメータの代わりにマイクロミラーを用いた高速走査装置が検討されはじめている。しかしマイクロミラーは反射面が小さいため、レーザビームを走査するには複数枚が必要となる。この場合、隣り合うマイクロミラー間からレーザビームが漏れるという問題が生じる。
特開２００３−２８７６９２号公報特開２００６−３２６６０３号公報

本発明の目的は、高速な加工を実現することのできるレーザ加工装置を提供することである。

また、高速な加工を実現することのできるレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を出射したレーザビームの光路上に配置され、透光領域と遮光領域とを備え、入射するレーザビームが前記透光領域を透過することによって、レーザビームの断面形状が整形されるマスクと、前記マスクの透光領域を透過したレーザビームの光路上に配置され、前記マスクの位置のレーザビームの断面を結像する第１のレンズと、前記第１のレンズを透過したレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの出射方向を変化して出射する第１の可動ミラーと、前記第１の可動ミラーで反射されたレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの出射方向を、前記第１の可動ミラーとは異なる方向に変化して出射する第２の可動ミラーと、前記第２の可動ミラーで反射されたレーザビームの光路上に配置され、前記第１のレンズで結像された前記マスクの位置のレーザビームの断面を更に結像する第２のレンズと、前記マスクの位置のレーザビームの断面が前記第２のレンズで更に結像される位置に、加工対象物を保持する保持器とを有し、前記第１のレンズが、前記第１の可動ミラーから前記第２の可動ミラーまでのレーザビームの光路上に、前記マスクの位置のレーザビームの断面を結像するレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）レーザビームを、マスクの位置の該レーザビームの断面が第１の可動ミラーから第２の可動ミラーまでの該レーザビームの光路上に結像される条件で、前記第１の可動ミラーに入射させる工程と、（ｂ）前記第１の可動ミラーから前記第２の可動ミラーまでの前記レーザビームの光路上に結像された、前記マスクの位置の前記レーザビームの断面が、加工対象物上に結像される条件で、前記第２の可動ミラーを出射した前記レーザビームを加工対象物に入射させる工程と、（ｃ）前記第１または第２の可動ミラーを揺動した後、前記工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返す工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高速な加工の実現が可能なレーザ加工装置を提供することができる。

また、高速な加工の実現が可能なレーザ加工方法を提供することができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、たとえばＣＯ_２レーザ発振器であるレーザ光源１０、入射するレーザビームのビーム径を拡大して出射するエキスパンダ１１、透光領域と遮光領域を備え透過するレーザビームの断面形状を整形するマスク１２、入射するレーザビームを平行光として出射するコリメーションレンズ１３、結像作用を有し入射するレーザビームを収束させて出射するイメージングレンズ１７、ガルバノメータを構成する２枚の揺動鏡である第１、第２ガルバノミラー１４ｃ、１４ｄ、特殊な曲率をもつ加工レンズ１８、及び加工対象物を保持するステージ１６を含んで構成される。第１及び第２ガルバノミラー１４ｃ、１４ｄを含んで構成されるガルバノメータは、入射するパルスレーザビーム３０の出射方向を２次元方向に変化して出射するビーム走査器である。

レーザ光源１０、たとえばＣＯ_２レーザ発振器から波長９．３μｍのパルスレーザビーム３０が出射する。パルスレーザビーム３０は、エキスパンダ１１でビーム径を拡大され、たとえば直径（マスク径）２ｍｍの円形の貫通孔（透光領域）を有するマスク１２で断面形状を整形された後、たとえば焦点距離２０００ｍｍのコリメーションレンズ１３に入射する。コリメーションレンズ１３で平行光とされたパルスレーザビーム３０は、たとえば焦点距離１００ｍｍのイメージングレンズ１７に入射し、ビーム径が次第に小さくなるように収束されて出射する。

パルスレーザビーム３０は、たとえばミラー径１０ｍｍの第１ガルバノミラー１４ｃに入射する。第１ガルバノミラー１４ｃの位置におけるパルスレーザビーム３０のビーム径は、コリメーションレンズ１３で平行光とされたパルスレーザビーム３０のビーム径より小さく、たとえば７ｍｍである。

パルスレーザビーム３０は、第１ガルバノミラー１４ｃで反射され、結像点３１でビーム径を極小とした後、たとえばミラー径１０ｍｍの第２ガルバノミラー１４ｄに入射する。結像点３１においては、コリメーションレンズ１３及びイメージングレンズ１７によって、マスク１２の貫通孔の像が転写（結像）される。転写される像は、たとえば直径１００μｍの円形である。第１ガルバノミラー１４ｃと第２ガルバノミラー１４ｄとの間に結像点３１があるため、第２ガルバノミラー１４ｄの位置におけるパルスレーザビーム３０のビーム径は、たとえば図４に示した従来例によるレーザ加工装置における第２ガルバノミラー１４ｂの位置におけるパルスレーザビーム３０のビーム径より小さく、たとえば５ｍｍである。

パルスレーザビーム３０は、第２ガルバノミラー１４ｄで反射され、加工レンズ１８を経て、ステージ１６に保持されているプリント基板２０に垂直方向から入射する。

プリント基板２０は金属層上に形成された樹脂層を表面層として含んで構成される。加工レンズ１８は、結像点３１におけるパルスレーザビーム３０の断面をプリント基板２０の樹脂層表面に結像する。結像倍率はたとえば１倍である。このため直径１００μｍの円形の断面形状のパルスレーザビーム３０が、樹脂層表面からプリント基板２０に入射する。パルスレーザビーム３０の入射により、プリント基板２０には樹脂層を貫通し金属層に至る、開口形状が円形の穴が形成される。

ガルバノメータの動作（第１及び第２ガルバノミラー１４ｃ、１４ｄの揺動）により、パルスレーザビーム３０のプリント基板２０上への入射位置が移動する。たとえば、第１ガルバノミラー１４ｃが揺動することで、パルスレーザビーム３０はプリント基板２０上をＸ方向と平行な方向（図の左右方向）に走査する。また、第２ガルバノミラー１４ｄが揺動することで、パルスレーザビーム３０はプリント基板２０上をＹ方向と平行な方向（図面垂直方向）に走査する。こうしてプリント基板２０の樹脂層に複数の貫通孔が形成される。

図２を参照する。加工レンズ１８は、第１ガルバノミラー１４ｃの揺動による結像点３１の移動、及び第２ガルバノミラー１４ｄの揺動によるパルスレーザビーム３０の自己への入射位置の変化にかかわらず、結像点におけるパルスレーザビーム３０の断面をプリント基板２０の樹脂層表面に結像させるための特別な曲率を有するレンズである。

第１ガルバノミラー１４ｃの揺動により、結像点は円弧３２上を移動する。たとえば第１ガルバノミラー１４ｃの揺動でパルスレーザビーム３０の出射方向が変化し、結像点３１の位置に形成されていたマスク１２の貫通孔の像が、円弧３２上の結像点３１ａの位置に形成される。結像点の位置が移動するため、加工レンズ１８はＸ方向と平行な方向に沿って、これに対応する特別な曲率を有する。

なお、第１ガルバノミラー１４ｃを固定し、第２ガルバノミラー１４ｄのみを揺動させて、パルスレーザビーム３０をプリント基板２０上のＹ方向と平行な方向（図面垂直方向）に走査する場合には、円弧３２上の結像点の位置は不動である。このため、加工レンズ１８のＹ方向と平行な方向に沿う曲率は通常のｆθレンズのそれと等しい。

実施例によるレーザ加工装置においては、第１ガルバノミラー１４ｃのミラー径は１０ｍｍであるため、たとえばこれを駆動周波数５ｋＨｚで駆動することができる。また、第２ガルバノミラー１４ｄのミラー径は１０ｍｍであるため、たとえばこれを駆動周波数５ｋＨｚで駆動することが可能である。したがって、実施例によるレーザ加工装置を用いると、高速なレーザ加工を実現することができる。

実施例によるレーザ加工装置は、コリメーションレンズ１３とイメージングレンズ１７とで、マスク１２の位置におけるパルスレーザビーム３０の断面を、第１ガルバノミラー１４ｃと第２ガルバノミラー１４ｄとの間の位置で結像させることにより、第１及び第２ガルバノミラー１４ｃ、１４ｄの位置におけるパルスレーザビーム３０のビーム径、ひいては第１及び第２ガルバノミラー１４ｃ、１４ｄのミラー径を小径化し、ガルバノメータの動作速度を高めた。

コリメーションレンズ１３とイメージングレンズ１７の２枚のレンズに代えて、１枚のイメージングレンズで結像させてもよい。

また、実施例においては、第１ガルバノミラー１４ｃと第２ガルバノミラー１４ｄとの間に結像点３１を形成したが、第１ガルバノミラー１４ｃの配置位置、または第２ガルバノミラー１４ｄの配置位置で、マスク１２の位置におけるパルスレーザビーム３０の断面を結像させることもできる。図３には、第１ガルバノミラー１４ｃの配置位置で、マスク１２の位置におけるパルスレーザビーム３０の断面を結像させる場合を示した。

たとえば、第１ガルバノミラー１４ｃ上において３００μｍ径に結像させ、その像を１／３倍の結像倍率でプリント基板２０上に転写する。

このような構成を採用した場合、特殊な曲率を有する加工レンズ１８の代わりに通常のｆθレンズを使用することが可能となる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、たとえばレーザ穴開け加工に好適に利用することができる。

実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。加工レンズ１８について説明するための図である。第１ガルバノミラー１４ｃの配置位置で、マスク１２の位置におけるパルスレーザビーム３０の断面を結像させる場合を示す概略図である。プリント基板の穴開け加工に用いられるレーザ加工装置の従来例を示す概略図である。

符号の説明

１０レーザ光源
１１エキスパンダ
１２マスク
１３コリメーションレンズ
１４ａ、１４ｃ第１ガルバノミラー
１４ｂ、１４ｄ第２ガルバノミラー
１５ｆθレンズ
１６ステージ
１７イメージングレンズ
１８加工レンズ
２０プリント基板
３０パルスレーザビーム
３１、３１ａ結像点
３２円弧

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源を出射したレーザビームの光路上に配置され、透光領域と遮光領域とを備え、入射するレーザビームが前記透光領域を透過することによって、レーザビームの断面形状が整形されるマスクと、
前記マスクの透光領域を透過したレーザビームの光路上に配置され、前記マスクの位置のレーザビームの断面を結像する第１のレンズと、
前記第１のレンズを透過したレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの出射方向を変化して出射する第１の可動ミラーと、
前記第１の可動ミラーで反射されたレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの出射方向を、前記第１の可動ミラーとは異なる方向に変化して出射する第２の可動ミラーと、
前記第２の可動ミラーで反射されたレーザビームの光路上に配置され、前記第１のレンズで結像された前記マスクの位置のレーザビームの断面を更に結像する第２のレンズと、
前記マスクの位置のレーザビームの断面が前記第２のレンズで更に結像される位置に、加工対象物を保持する保持器と
を有し、
前記第１のレンズが、前記第１の可動ミラーから前記第２の可動ミラーまでのレーザビームの光路上に、前記マスクの位置のレーザビームの断面を結像するレーザ加工装置。
前記第１のレンズが前記マスクの位置のレーザビームの断面を結像する位置に、前記第１の可動ミラーが配置されている請求項１に記載のレーザ加工装置。
（ａ）レーザビームを、マスクの位置の該レーザビームの断面が第１の可動ミラーから第２の可動ミラーまでの該レーザビームの光路上に結像される条件で、前記第１の可動ミラーに入射させる工程と、
（ｂ）前記第１の可動ミラーから前記第２の可動ミラーまでの前記レーザビームの光路上に結像された、前記マスクの位置の前記レーザビームの断面が、加工対象物上に結像される条件で、前記第２の可動ミラーを出射した前記レーザビームを加工対象物に入射させる工程と、
（ｃ）前記第１または第２の可動ミラーを揺動した後、前記工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返す工程と
を有するレーザ加工方法。
前記工程（ａ）において、前記レーザビームを、前記マスクの位置の前記レーザビームの断面が前記第１の可動ミラー上に結像される条件で、前記第１の可動ミラーに入射させる請求項３に記載のレーザ加工方法。