JP6418656B2 - 一酸化炭素レーザを使用するプリント回路板内のビアホール穿孔 - Google Patents

一酸化炭素レーザを使用するプリント回路板内のビアホール穿孔 Download PDF

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Description

(発明の技術分野)
本発明は、概して、プリント回路板(PCB)内のビアホールのレーザ穿孔に関する。本発明は、具体的には、ガス放電レーザからの長波長赤外線放射を使用して、PCBをレーザ穿孔することに関する。
(背景技術の議論)
密封型高周波(RF)励起二酸化炭素(CO)レーザが、現在、PCBにビアホールを穿孔(ビア穿孔)するために有利である。これらのレーザは、利用可能な出力電力に関して、比較的小型である。一例として、長さが1メートル(m)未満のレーザは、400ワット(W)またはそれを上回る平均電力を伴って、約10.6マイクロメートル(μm)の波長で長波長赤外線(IR)放射のビームを送達することができる。COレーザビア穿孔は、高速かつ効率的であるが、レーザビームの長波長に起因して、穿孔することができる最小の穴サイズに最終的な限界が生じ得る。最小穴サイズおよび間隔に対する要求が、単純に電話をかけることと、受けることだけではなく、より多くの機能を伴うハンドヘルド携帯用コンピュータデバイスであると実際的に見なされる、いわゆる「スマートフォン」で使用されるPC板について、急速に増加している。現在の最先端スマートフォンでは、PCBは、30,000個ものビアホールを有し得る。より多くの機能がスマートフォンに追加されると、より多くのビアホールを伴うより複雑な回路が必要とされ、最終的に、より小さい穴サイズおよびより近い間隔を達成するために、より短い穿孔波長が必要とされ得る。
好ましいビアホール穿孔波長は、約2μm〜約8μmのいわゆる中赤外(MIR)波長であろうことが前提とされている。より小さい穴サイズおよびより近い間隔の可能性は別として、MIR波長は、より長いCOレーザ放射線波長よりも高い吸収係数をPCB材料中で有する。これは、全般的に、より傷が少ない壁およびより少ない付随熱損傷を伴う穴につながり得る、PCB内へのより急速な熱の吸収を可能にするであろう。
MIR波長は、和周波数発生または光パラメトリック発生を使用して、市販の近IR(NIR)放出固体レーザ、ファイバレーザ、または光励起半導体レーザから生成することができる。しかしながら、これは、COレーザシステムで達成可能なワットあたりの費用の何倍も有する装置を必要とするであろう。
ほぼ間違いなく、ビア穿孔のためのCOレーザに取って代わるための唯一の潜在的に実現可能な候補MIRレーザは、COレーザである。密封型COレーザ(sealed off CO−laser)の最近の研究は、単純な修正のみを伴い、異なるレーザを発するガス混合物を伴う、密封型COレーザである密封型COレーザに至っている。対応するCOレーザの約80%の電力出力が達成されている。
ビア穿孔作業では、COレーザはパルス状モードで駆動される。COレーザに関連する問題は、パルス状モードで駆動されるときに、パルス立ち上がりおよび立ち下がり時間が比較的長いことである。パルスの長い立ち上がりおよび立ち下がり時間は、レーザ穿孔されたビアホールの周囲に容認不可能な付随熱損傷を生じ得る。少なくとも理論上は、レーザパルスの立ち上がりおよび立ち下がり時間は、音響光学変調器(AOM)を使用したレーザパルスの変調「切り取り(クリッピング)」によって短縮することができる。
しかしながら、これは、COレーザ出力の広波長範囲によって複雑にされる。COレーザ出力は、約4.5μm〜約6.0μmのレーザ波長の範囲で起こる。AOMは、高いRF電圧を結晶に印加することによって、ゲルマニウム(Ge)結晶等の感受性結晶中で誘発される屈折率格子のおかげで機能する。格子を誘発することにより、いかなる格子も誘発されていない結晶を通る1つの経路から、非方向転換(RF印加)経路に対して角度を成して代替的な経路の中へレーザビームを方向転換する。当然ながら、方向転換された経路の角度は、波長依存性である。COレーザの全帯域幅を有する平行ビームを用いると、方向転換されたビームは、穿孔のためにビームをPCB上に集束させることを複雑にするであろう、扇状の光線に拡散されるであろう。
このAOMによるビーム拡散は、例えば、レーザ共振器内のエタロンまたは格子等のスペクトル的に選択的なデバイスを使用することにより、COレーザ帯域幅を制限することによって軽減することができる。しかしながら、COレーザの性質は、出力電力がスペクトル帯域幅低減の程度に正比例して低減させられるようなものである。AOMと互換性がある割合までスペクトル帯域幅を低減させることにより、COレーザ出力を、同程度のサイズの励起COレーザの5分の1ほども低く低減させることができる。この問題および関連する問題は、COレーザがビア穿孔のためのCOレーザの商業的に実現可能な代替品になるために、克服されなければならない。
(発明の要旨)
一側面では、本発明による装置は、音響光学変調器(AOM)と、一酸化炭素(CO)レーザとを備える。COレーザは、約4.5マイクロメートル〜約6.0マイクロメートルの波長範囲内の複数の波長を有するパルスである放射でレーザ放射パルスを発する。放射パルスは、一時的立ち上がりエッジおよび一時的立ち下がりエッジを有する。レーザ放射パルスは、入射方向においてAOMに入射する。AOMは、放射パルスを受容し、パルスの中心の一時的部分を分散し、入射方向に対して角度を成して波長依存性分散方向の第1の範囲内で立ち上がりエッジの一部分および立ち下がりエッジの一部分を除外するように配列される。パルスの残存部分は、入射方向に沿って、AOMによって伝送される。分散補償器は、パルスの中心の一時的部分を受容し、分散方向の範囲を第1の範囲より小さい第2の範囲まで低減させるように配列される。少なくとも1つの光学要素は、分散補償器からの一時的パルス部分を工作物上に色収差を補正して集束させるように配列される。
本明細書の一部に組み込まれ、そして本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上記で挙げられる一般的説明および以下で挙げられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するために供される。
図1は、COレーザに特徴的である広波長範囲を有するパルスを伴って、パルス状様式で操作される図1のCOレーザと、COレーザによって発せられるパルスを選択して切り取るための音響光学変調器(AOM)と、AOMによって選択されて切り取られたパルスに導入される分散を矯正するための分散補償器と、ビア穿孔のために分散矯正パルスをプリント回路板(PCB)上に集束させるための色収差補正集束光学部とを含む、本発明によるビア穿孔装置を概略的に図示するブロック図である。
図2は、分散補償器がプリズムであり、色収差補正集束光学部が凹面鏡を含み、AOMが複数の連続切替型RF発生器によって駆動される、図1の装置の好ましい実施形態を概略的に図示する。
図2Aは、AOMがゲルマニウム結晶AOMであり、プリズムが硫化亜鉛プリズムである、図2の装置内の波長の関数としての分散補償の例を概略的に図示するグラフである。
図3Aおよび3Bは、図2のRF発生器の連続切替方式を概略的に図示するグラフである。
図4は、AOMが、パルス切り取りのため、また、切り取られたパルスの分散補償のために、二重パスモードで使用される、1つの分散補償配列を概略的に図示する。
図5は、AOMが、パルス切り取りのため、また、切り取られたパルスの分散補償のために、二重パスモードで使用される、別の分散補償配列を概略的に図示する。
図6は、AOMが、パルス切り取りのため、また、切り取られたパルスの分散補償のために、二重パスモードで使用される、さらに別の分散補償配列を概略的に図示する。
図7は、1つのAOMがパルス切り取りのために使用され、別のAOMが切り取られたパルスの分散補償のために使用される、分散補償配列を概略的に図示する。
図8は、図5の配列に類似するが、AOMのプラスおよびマイナス回折次数が、AOMに入射する全てのパルスについて2つの切り取られたパルスを生成する、分散補償配列を概略的に図示する。
図9は、AOMが、AOMに入射する全てのパルスから異なる角度で回折される2つの切り取られたパルスを提供するように、2つの異なる周波数で連続的に駆動され、1つのプリズムが、切り取られたパルスのうちの一方のために分散補償を提供し、2つのプリズムが、切り取られたパルスのうちの他方のために分散補償を提供する、分散補償配列を概略的に図示する。
図10は、図8の配列に類似するが、2つの切り取られたパルスのそれぞれが、対応するプリズムによって分散補償される、分散補償配列を概略的に図示する。
(発明の詳細な説明)
ここで、類似構成要素が類似参照数字によって指定される図面を参照すると、図1は、本発明によるビア穿孔装置10をブロック図形態で概略的に図示する。装置10は、約4.5μm〜約6.0μmの範囲内の波長でレーザ放射を発する、密封型COレーザ12を含む。レーザは、パルス状様式で操作される。一例として、パルスは、約0.5キロヘルツ(kHz)〜2.0(kHz)の選択されたパルス繰り返し周波数(PRF)で、約100マイクロ秒(μs)〜160μsの選択された持続時間を有してもよい。そのようなレーザは、本発明の譲受人である、Coherent Inc.(Santa Clara California)から入手可能である。
パルスは、長い立ち上がりおよび立ち下がり時間を特徴とし、事実上、パルス持続時間内にほぼ一定の振幅の有意な期間を伴わずに、パルスが振幅を上昇または降下させているかのいずれかであると言える。一例として、1.0kHzのPRFで140μsの公称持続時間を有するパルスでは、測定された立ち上がり時間は、50μsであり、測定された立ち下がり時間は、84μsであった。本発明のCOレーザビア穿孔に有用となるために、これらのパルスは、立ち上がりおよび立ち下がりエッジの両方で切り取られなければならない。音響光学変調器(AOM)52が、レーザ出力からパルスを選択するため、および選択されたパルスの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジ切り取りを達成するために提供される。
AOMは、結晶への高いRF電圧の印加によってゲルマニウム結晶で誘発される「屈折率格子」を使用して、入力経路から放射線を方向転換することによって機能する。そのような広帯域幅を伴うCOレーザパルスの場合、これは、方向転換された(選択されて切り取られた)パルスビームに分散を導入する。この分散は、分散補償器64によって装置10において矯正される。旋回鏡68は、分散補償されたパルスビームを色収差補正集束光学部70に方向付ける。色収差補正集束光学部は、ビア穿孔のために分散補償されたパルスビームをPCB74上に集束させる。
図2は、図1の装置の好ましい実施形態12Aを概略的に図示する。ここで、AOM52によって方向転換されて切り取られるパルスビームは、扇状の光線に方向転換され、パルススペクトル内の最短波長(λ)は、パルススペクトル内の最長波長(λ)より小さい角度で方向転換される。最短波長光線および最長波長光線は、それぞれ、実線および鎖線によって図面で描写される通りである。AOMは、ここでは、RF発生器RFG、RFG、およびRFGによって供給されるRF増幅器54によって駆動される。
選択されていないパルスおよび選択されたパルスの破棄された部分は、方向転換されずにビームダンプ56へ進む。パルスの破棄された部分は、パルスの「切り取られた」立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジ部分と、AOMによる100%未満の効率の回折の結果生じる方向転換されたパルスビームの特定部分とを含む。
装置12A内の分散補償器64は、AOMからの扇状の光線を略平行にするように構成および配列されるプリズム65である。添付の請求項において本明細書で使用されるような「略平行」という用語は、分散補償された光線が正確に平行であり、かつ方向のある縮小された範囲内であり得ることが必ずしも必要でないことを意味する。
プリズム65は、実施形態12Aでは凹面鏡72である、色収差補正集束光学部70に略平行ビームを方向づける。鏡702は、略平行ビームをPCB74上に集束させる。当業者であれば、さらなる詳細な説明および例証がなくても、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、1つより多くの要素を有する、より複雑な集束配列が使用され得ることを認識し得る。そのような集束配列は、反射要素(鏡)のみ、透過要素(レンズ要素)のみ、または反射および透過要素のある組み合わせを備えてもよい。
図2Aは、図1のプリズム配列のための波長の関数として計算された分散補償を概略的に図示するグラフである。この場合、AOMは、ゲルマニウム(Ge)AOMであり、プリズムは、硫化亜鉛(ZnS)プリズムである。(ミリラジアン単位の)分散補償は、AOMによって生成される分散とプリズムによって生成される分散との間の差である。5.0μm〜6.0μmの波長で、正味の分散は、20マイクロラジアン未満であることが分かる。
引き続き図2を参照し、加えて、図3Aおよび図3Bを参照すると、装置10Aでは、上記のように、AOM52は、順に、3つのRF発生器RFG、RFG、およびRFGのうちのいずれか1つによって駆動することができる、RF増幅器54によって駆動される。RF発生器のそれぞれは、同一の周波数を有するが、選択的可変出力振幅を有する。この複数発生器駆動配列の目的は、複数の時系列「スライス」を使用して、パルスを「切り取る」ことができることである。RF発生器のそれぞれは、1つのスライスを切り取る。RF発生器振幅の選択的可変振幅(およびAOM内の誘発された屈折率格子の対応する選択的可変効率)は、個々のスライスの振幅が選択的に変動させられることを可能にする。
図3Aは、スライスされるパルスを描写するオシロスコープトレース(実線の太い曲線)の複製である。平行で垂直な細い実線は、時系列でRF発生器RFG、RFG、およびRFGの「オン」および「オフ」時間を描写する。当然ながら、1つのRF発生器のスイッチを「オフ」にすることと次のRF発生器のスイッチを「オン」にすることとの間に、非常に小さい時間間隔(図4Aでは可視的ではない)が存在する必要がある。
図3Bは、図3Aで複製されるものに相当するオシロスコープトレース(実線の太い曲線)が、図3Aの時系列に従って、どのように「スライス」とともに出現するであろうかを描写するが、RFGスライスの振幅は、順に、RFGスライスの振幅より大きい、RFGスライスの振幅より大きい。図3Bの実施例では、RF発生器振幅は、各パルススライスにおけるピーク電力がほぼ等しいように選択されている。
RF発生を異なる周波数でも操作でき、その場合、3つのパルススライスが異なる角度でAOMから退出し、ビア穿孔のために別個の集束光学部によって別々に使用できることに留意されたい。これは、さらに本明細書中で以下により詳細に議論される。
図4は、本発明による装置で使用することができる、1つの代替的な分散補償配列を概略的に図示する。この配列では、AOM52の部分52Aが、分散補償器64の役割を果たす。ここでは、(太い実線によって描写される)COレーザ12からのパルスビームが、その上部分でAOM52によって切り取られる。点線のグリッドは、AOMへのRF電力の印加によって誘発される屈折率グリッドを概略的に図示する。
切り取られたパルスビームは、最長λ(鎖線)および最短λ(実線)によって境界される狭い扇状の光線に回折される。逆反射配列内の旋回鏡102および104は、パルスビームを、AOM52からの回折角に対応する、部分52A上のパルスビームにおけるλおよびλの入射角で、AOMの下部分52Aに戻すように方向付ける。AOMを通る第2の通路上で、分散が補償され、λおよびλ光線は、相互と平行に色収差補正集束光学部まで伝搬する。切り取られていない放射線および切り取られた放射線の残余は、図面で概略的に描写されるように、ゼロ次方向にビームダンプ56へ進む。
AOMからAOMへ戻る経路長は、分散補償を提供するために、RF電力の印加によってAOMが再起動される前に、レーザパルス全体がAOMを横断することができるように十分に長くされる。これは、AOMのパルス切り取りおよび分散補償機能を一時的に分離する。
図5は、本発明による装置で使用することができる、別の代替的な分散補償配列を概略的に図示する。この配列は、1つだけの旋回鏡108が切り取られたパルスビームをAOM52の部分52Aに戻るように方向付けることを除いて、図4の配列に類似する。図4の配列と同様に、λおよびλ光線のAOMからの回折角およびAOM上の再入射角は、同一である。分散補償されたパルスビームは、旋回鏡110によって色収差補正集束光学部に方向付けられる。
図6は、本発明による装置で使用することができる、さらに別の代替的な分散補償配列を概略的に図示する。この配列は、AOMからAOMに戻るビーム経路が、凹面鏡114によって形成されるf−2f−fリレーテレスコープ112(fは、凹面鏡の焦点距離である)によって拡張されることを除いて、図4の配列に類似する。鏡114から距離fにあるビームは、鏡116から距離fにおいて結像される。これは、ビームの拡散を低減させる。
図7は、本発明による装置で使用することができる、なおも別の代替的な分散補償配列を概略的に図示する。この配列は、別個のAOM52Bが図2の配列の分散補償プリズムを置き換えることを除いて、図2の配列に類似する。AOM52およびAOM52Bを独立して操作することができるため、AOMの間に拡張した光学経路の必要がなく、したがって、ビーム拡散を制限することができる。
上記の分散補償配列の全てでは、AOM52の1つだけの回折次数が、パルス切り取りのために使用される。図8は、同時に、AOM52に入射するCOレーザ12からの各パルスから2つの切り取られたパルスを提供するために、+1次数および−1次数が使用される、配列を概略的に図示する。旋回鏡120および122は、図5の分散補償配列と同様に、分散補償のために2つの切り取られたパルスをAOMに戻す。分散補償された切り取られたパルスは、それぞれ、旋回鏡124および126によって、別個の色収差補正集束光学部70Aおよび70B(明示的に示されていない)に方向付けられる。
1つの入射パルスから2つの切り取られたパルスを提供することと併せて使用される、別の分散補償配列が、図9で描写されている。ここで、AOM52は、2つの異なるRF周波数fおよびfによって連続的に駆動される。図9の図面では、切り取られたパルスビームは、例証の便宜上、単一の太い線によって示されている。これらのビームは、上記で説明され、他の図面で描写される回折光線扇を含む。図9の図面では、fは、f切り取りパルス光線がF1切り取りパルス光線より大きい角度で回折されるように、fより大きいと仮定される。
図9の配列では、分散補償がプリズム65および67によって提供される。fによって導入される分散は、単一のプリズムによって補償することができるよりも大きいと仮定される。f光線は、補償を提供するように両方のプリズムを横断する。fによって導入される分散は、プリズム65のみが分散補償を提供する必要があるように十分に小さい。fおよびf切り取りパルスは、図8を参照して上記で説明されるように、別個の集束光学部に送信される。
図10は、AOM52が、+1回折次数および−1回折次数を使用することによって、単一の入射パルスのための2つの切り取られたパルスを同時に提供する、図8の配列に類似する分散補償を概略的に図示する。回折ビームは、図9の配列と同様に、例証の便宜上、単一の太い線によって描写されている。図10の配列では、回折ビームは、それぞれ、分散補償されたビームを色収差補正集束光学部70Aおよび70B(明示的に示されていない)に方向付ける、プリズム65Aおよび65Bによって、別々に分散補償される。
本発明は、好ましいおよび他の実施形態に関して上記で説明される。しかしながら、本発明は、本明細書で説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項のみによって限定される。

Claims (16)

  1. 工作物をレーザ穿孔するための装置であって、前記装置は、
    第1の音響光学変調器(AOM)と、
    約4.5マイクロメートル〜約6.0マイクロメートルの波長範囲内の複数の波長を有するパルスである放射でレーザ放射パルスを発する一酸化炭素(CO)レーザであって、前記放射パルスは、一時的立ち上がりエッジおよび一時的立ち下がりエッジを有し、前記レーザ放射パルスは、入射方向において前記AOMに入射する、一酸化炭素(CO)レーザと、
    を備え、
    前記AOMは、前記放射パルスを受容し前記入射方向に対して角度を成して波長依存性分散方向の第1の範囲内で前記立ち上がりエッジの一部分および前記立ち下がりエッジの一部分を除外して前記パルスの中心の一時的部分を分散し、前記入射方向に沿って前記パルスの残存部分を伝送するように配列され
    前記装置は、
    前記パルスの前記中心の一時的部分を受容し、前記分散方向の範囲を前記第1の範囲より小さい第2の範囲まで低減させるように配列される、分散補償器と、
    前記分散補償器からの一時的パルス部分を前記工作物上に色収差を補正して集束させるように配列される、少なくとも1つの光学要素と、
    さらに備える、装置。
  2. 前記分散補償器は、少なくとも1つのプリズムを含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記分散補償器は、2つのプリズムを含む、請求項2に記載の装置。
  4. 前記プリズムは、硫化亜鉛プリズムである、請求項2に記載の装置。
  5. 前記分散補償器は、第2のAOMである、請求項1に記載の装置。
  6. 前記パルスの前記中心の一時的部分は、前記第1のAOMの第1の部分によって分散され、前記分散補償器は、前記第1のAOMの第2の部分であり、前記装置はさらに、前記第1のAOMの前記第2の部分内に光学経路の周囲で前記パルスの分散された一時的中心部分を操向するように配列される、少なくとも1つの反射光学要素を含む、請求項1に記載の装置。
  7. 前記少なくとも1つの反射光学要素は、平面反射光学要素である、請求項6に記載の装置。
  8. 前記第1のAOMの前記第1および第2の部分の間の光学経路の長さは、パルス全体が前記第1のAOMの前記第1の部分を横断した後に、パルスの前記分散された中心部分が前記第1のAOMの前記第2の部分に到達するために十分である、請求項6に記載の装置。
  9. 前記装置は、前記第1のAOMの前記第2の部分内に前記光学経路の周囲で前記パルスの前記分散された一時的中心部分を操向するように配列される、2つの平面反射光学要素を含む、請求項6に記載の装置。
  10. 前記装置は、前記第1のAOMの前記第2の部分内に前記光学経路の周囲で前記パルスの前記分散された一時的中心部分を操向するように配列される、平面反射光学要素ならびに第1および第2の凹面反射光学要素を含む、請求項6に記載の装置。
  11. 前記第1および第2の凹面反射光学要素は、同一の焦点距離を有し、向かい合って配列され、前記焦点距離の2倍だけ離間される、請求項10に記載の装置。
  12. 前記パルスの前記分散された中心部分は、前記第1の凹面反射光学要素から前記第2の凹面反射光学要素へ、前記第2の凹面反射光学要素から前記平面反射光学要素へ、および前記平面反射光学要素から前記第1のAOMの前記第2の部分へ反射される、請求項11に記載の装置。
  13. 前記少なくとも1つの集束光学要素は、凹面鏡である、請求項1に記載の装置。
  14. 前記分散方向の第2の範囲は、ほぼ平行である、請求項1に記載の装置。
  15. 工作物をレーザ穿孔するための装置であって、前記装置は、
    同一の周波数を有するが、異なる大きさを有する、少なくとも第1および第2のRF信号によって連続的に操作される、第1の音響光学変調器(AOM)と、
    約4.5マイクロメートル〜約6.0マイクロメートルの波長範囲内の複数の波長を有するパルスである放射でレーザ放射パルスを放出する一酸化炭素(CO)レーザであって、前記放射パルスは、一時的立ち上がりエッジおよび一時的立ち下がりエッジを有し、前記レーザ放射パルスは、入射方向において前記AOMに入射する、一酸化炭素(CO)レーザと、
    を備え、
    前記AOMは、前記放射パルスを受容し前記第1および第2のRF信号の前記AOMへの印加を通して、前記立ち上がりエッジの一部分および前記立ち下がりエッジの一部分を除外して前記パルスの第1および第2の中心の一時的部分を分散するように配列され前記第1および第2の一時的部分は、前記入射方向に対して角度を成して波長依存性分散方向の第1の範囲内で分散され、前記RF信号の第1および第2の大きさは、一時的に隣接する前記第1および第2の中心の一時的部分ピーク電力がほぼ等しいように選択され
    前記装置は
    前記パルスの前記中心の一時的部分を受容し、分散される方向の範囲を前記第1の範囲より小さい第2の範囲まで低減させるように配列される、分散補償器と、
    前記分散補償器からの一時的パルス部分を前記工作物上に色収差を補正して集束させるように配列される、少なくとも1つの光学要素と、
    さらに備える、装置。
  16. 前記第1および第2のRF信号は、それぞれ、第1および第2のRF発生器によってシードされるRF増幅器によって提供される、請求項15に記載の装置。
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