JPH06232508A

JPH06232508A - 半導体レーザユニット及び半導体レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH06232508A
Application number: JP5034519A
Authority: JP
Inventors: Koichi Chiba; 宏一千葉; Masahiro Daimon; 正博大門; Satoru Yamaguchi; 哲山口; Yoshimasa Saito; 吉正斉藤; Tetsuo Kobayashi; 哲郎小林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】被加工物の表面におけるレーザビームのスポ
ット径を自由に調整することができるようにする。【構成】半導体レーザ加工装置は半導体レーザユニッ
トを用い、半導体レーザユニットは出光ユニットＡと集
光ユニットＢとからなる。出光ユニットＡは主にアレイ
半導体レーザ１と固体レーザ素子４とからなり、集光ユ
ニットＢは主に集光レンズ１０とこれを光軸方向に移動
させるレンズ移動手段１１とからなる。アレイ半導体レ
ーザ１から出光された複数のレーザビームは一つのビー
ムにまとめられ固体レーザ素子４に入光され、固体レー
ザ素子４から出光された高出力の平行ビームは集光レン
ズ１０によって収束され、ＸＹテーブル２２上のプリン
ト基板３０に照射される。レンズ移動手段１１による集
光レンズ１０の上下移動によって、プリント基板３０の
表面でのスポット径が、加工の種別や加工対象の形状等
に応じて最適に調整され、レーザ加工が効率良くかつ高
精度に行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プリント基板等におけ
るパターン修正や半田付け等の加工を半導体レーザを用
いて行うための半導体レーザユニット及び半導体レーザ
加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばプリント基板用のレーザ加
工機においては、加工対象のプリント基板をＸＹテーブ
ル上に載置し、レーザ装置から出光されたレーザビーム
をレンズにより収束して、プリント基板の表面に焦点が
合うように構成されていた。

【０００３】そして、従来のレーザ加工機においては、
プリント基板の表面にレーザビームの焦点を合わせるフ
ォーカス調整のために、光学系の調整機能を有してはい
るが、基本的にＸＹテーブルの移動に伴う加工動作中
は、プリント基板の表面におけるレーザビームのスポッ
ト径は常に同一に保たれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、実
際にプリント基板上のパターンをトリミング（修正）す
る場合、同一のプリント基板上には広いパターンや狭い
パターンが存在する。しかしながら、従来は加工動作中
にレーザビームのスポット径を変えられないので、全て
のパターンに対応するためには、狭いスポット径で複数
回の走査を行って広い面積のトリミングを行う必要があ
った。特に、レーザの出力が大きく且つ大きなスポット
径で十分なトリミングが行える場合でも、最小トリミン
グパターンに合わせてビームスポット径を決定しておか
ねばならない。このため、走査回数が増して処理時間が
増大し、極めて作業効率が悪いという問題があった。

【０００５】また、プリント基板上にリード幅の異なる
複数のＩＣ等のレーザ半田付けを行う場合にも、従来は
加工動作中に各ＩＣ等のリード幅に応じてレーザビーム
のスポット径を変えられないため、効率の良い半田付け
作業を行うことができないという問題があった。

【０００６】そこで本発明は、被加工物の表面における
レーザビームのスポット径を自由に調整することができ
る半導体レーザユニット及び半導体レーザ加工装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体レーザユニットは、半導体レーザ
と、この半導体レーザから出光されたレーザビームが入
光される固体レーザ素子と、この固体レーザ素子から出
光されたレーザビームを収束するレンズと、このレンズ
をその光軸方向に移動させるレンズ移動手段とを備えた
ものである。

【０００８】また、本発明の半導体レーザ加工装置は、
複数のレーザビームを発生する半導体レーザアレイと、
この半導体レーザアレイから出光されたレーザビームが
入光される固体レーザ素子と、この固体レーザ素子から
出光されたレーザビームを収束するレンズと、このレン
ズによって収束されたレーザビームが照射される被加工
物を保持する加工台と、前記レンズをその光軸方向に移
動させて前記加工台との距離を変化させるスポット径調
整手段と、前記加工台上のスポット位置を前記レンズの
光軸方向に対して垂直な方向に移動させるスポット位置
移動手段とを備えたものである。

【０００９】

【作用】上記のように構成された本発明の半導体レーザ
ユニット及び半導体レーザ加工装置によれば、レンズ移
動手段（スポット径調整手段）によって、レーザビーム
を収束するレンズがその光軸方向に移動されるので、プ
リント基板等の被加工物の表面に形成されるレーザビー
ムのスポット径を、加工の種別や加工対象の形状等に応
じて自由に調整することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１１】図１は第１実施例を示すものであり、本実
施例の半導体レーザ加工装置においては半導体レーザユ
ニットが用いられている。この半導体レーザユニット
は、第１のユニットである出光ユニットＡと第２のユニ
ットである集光ユニットＢとによって構成されている。

【００１２】まず、図１及び図２に示すように、出光ユ
ニットＡは、複数のレーザビームを複数の活性層ストラ
イプ１ａからそれぞれ発生するアレイ半導体レーザ１
と、アレイ半導体レーザ１からの複数のレーザビームを
一つのビームにまとめるための分布屈折率レンズ２及び
レンズ３と、固体レーザ素子（例えばＹＡＧレーザ素
子）４と、この固体レーザ素子４の端面に設けられたア
ウトプットミラー５と、一組のレンズ対からなるビーム
エキスパンダー６とによって構成されている。

【００１３】そして、図１に示すように、アレイ半導体
レーザ１、分布屈折率レンズ２及びレンズ３は、支持台
７の前端に支持されており、この支持台７は特にアレイ
半導体レーザ１のための冷却フィン７ａを有している。
また、固体レーザ素子４、アウトプットミラー５及びビ
ームエキスパンダー６は、支持台８の前端に支持されて
いる。そして、２つの支持台７及び８は高剛性の固定台
９の前面に取付けられている。なお、固定台９にはケー
シング９ａが設けられ、このケーシング９ａによってア
レイ半導体レーザ１や固体レーザ素子４等が覆われてい
る。

【００１４】次に、集光ユニットＢは、集光レンズ１０
とこの集光レンズ１０をその光軸方向に移動させるレン
ズ移動手段（スポット径調整手段）１１とによって構成
されている。レンズ移動手段１１は集光レンズ１０を保
持するレンズ保持台１２と駆動機構とからなり、この駆
動機構は、レンズ保持台１２を支持すると共にネジ孔１
３ａ及びガイド孔１３ｂを有する移動台１３と、この移
動台１３のネジ孔１３ａに螺合された送りネジ軸１４
と、この送りネジ軸１４を回転駆動するモータ１５と、
前記移動台１３のガイド孔１３ｂに挿通されたガイド軸
１６とによって構成されている。そして、送りネジ軸１
４の下端及びモータ１５、ガイド軸１６の上下両端が、
それぞれステー１７及び１８によって垂直状に支持さ
れ、これらステー１７及び１８は高剛性の固定台１９の
前面に取付けられている。なお、固定台１９にはケーシ
ング１９ａが設けられ、このケーシング１９ａによって
集光レンズ１０やレンズ移動手段１１等が覆われてい
る。

【００１５】そして、出光ユニットＡの固定台９と集光
ユニットＢの固定台１９とは、高剛性のユニット取付台
２０の前面に取付けられている。このとき、出光ユニッ
トＡと集光ユニットＢとは、固体レーザ素子４の端面に
設けられたアウトプットミラー５及びビームエキスパン
ダー６から出光されるレーザビームが集光レンズ１０に
直接入射されるように、アウトプットミラー５及びビー
ムエキスパンダー６の光軸と集光レンズ１０の光軸とが
一致するように配置されている。

【００１６】さらに、この第１実施例においては、ユニ
ット取付台２０が装置基台２１上に垂直状に固定されて
おり、その装置基台２１上の前方部には加工台であるＸ
Ｙテーブル（スポット位置移動手段）２２が設けられて
いる。被加工物であるプリント基板３０が載置保持され
るＸＹテーブル２２は、モータ２３の回転によりＸ方向
に移動され、モータ２４の回転によりＹ方向に移動され
る。

【００１７】上述のように構成された第１実施例におい
ては、図２に示すように、アレイ半導体レーザ１から出
光された複数のレーザビームが、分布屈折率レンズ２及
びレンズ３によって一つのビームにまとめられ固体レー
ザ素子４に入射される。固体レーザ素子４ではＹＡＧの
端面励起によってレーザの特性が整えられ、波長変換さ
れたレーザビームがアウトプットミラー５及びビームエ
キスパンダー６から高出力の平行ビームとして出光され
る。

【００１８】図３及び図４に示すように、このレーザビ
ームＬＢは平行光なので、集光ユニットＢの集光レンズ
１０によって収束され、プリント基板３０の表面の焦点
位置に微小なスポットＳを形成することができる。この
際、レンズ移動手段１１により集光レンズ１０をその光
軸方向に移動させることによって、プリント基板３０の
表面でのスポット径を自由に調整することができる。即
ち、モータ１５の回転によって送りネジ軸１４が回転駆
動されると、移動台１３即ち集光レンズ１０を保持する
レンズ保持台１２が上下（Ｚ方向）に移動される。この
とき、ガイド軸１６によって移動台１３の回転が阻止さ
れるので、安定した上下移動が可能になる。なお、本実
施例では、レンズ保持台１２と移動台１３とが別部材に
て構成されているので、特性の異なる集光レンズ１０を
有するレンズ保持台１２を単品として供給することがで
きると共に、交換も容易に可能となっている。

【００１９】なお、ＸＹテーブル２２上に保持されたプ
リント基板３０におけるレーザビーム照射位置のＺ方向
高さは、ＸＹテーブル２２のＸ方向及びＹ方向への移動
に伴う加工動作中でも、図示しない検出手段によって常
に検出されており、この検出結果に基づいて、レンズ移
動手段１１による集光レンズ１０の上下移動が自動的に
行われる。

【００２０】上記のように、集光ユニットＢの集光レン
ズ１０を上下に移動させることによって、図３（ａ）
（ｂ）に示すように、高さ位置が異なるプリント基板３
０のパターン３１をトリミングするような場合でも、常
に均一なスポット径を得ることができる。即ち、この図
では誇張して描いてあるが、同一種類の複数のプリント
基板３０でもその厚さはロット毎さらに１枚毎に微妙に
異なり、１枚のプリント基板３０でも部分的に平面度が
異なっている。このような場合でも、加工動作に伴って
プリント基板３０の表面において常に均一なスポット径
が得られるので、極めて高精度なトリミングを行うこと
ができる。

【００２１】なお、このような構成は、経時変化による
ガタ等によって装置各部の初期設定が変化し、これによ
って生じるスポット径の変化についても対処することが
できる。即ち、スポット径のいわゆる自動補正が可能に
なるので、装置の定期的なメンテナンス等も削減するこ
とができる。

【００２２】次に、集光ユニットＢの集光レンズ１０を
上下に移動させることによって、図４（ａ）（ｂ）に示
すように、同一のプリント基板３０上のパターン３１に
異なる幅のトリミング箇所が存在する場合でも、そのト
リミング箇所の幅に応じて異なるスポット径を得ること
ができる。このため、従来のように最小のトリミング幅
に合わせたスポット径のビームで複数回走査するような
必要がなく、一回の走査で広い幅のトリミングが可能に
なる。

【００２３】なお、上述の実施例ではプリント基板３０
上のパターン３１のトリミングについて説明したが、レ
ーザ半田付けを行う場合にも、半田付け対象物に応じて
レーザビームのスポット径を変えられるため、効率の良
い半田付け作業を行うことができる。即ち、プリント基
板上にリード幅の異なる複数のＩＣ等を半田付けする場
合、各ＩＣ等のリード幅に応じてスポット径を変えるこ
とができる。特に、ＩＣ等のリードのみに狭いスポット
径のビームを照射することが可能になるので、リード間
の他の配線或いは多層基板の下層配線に悪影響を与える
ことがない。

【００２４】また、本実施例では、半導体レーザユニッ
トを出光ユニットＡと集光ユニットＢとを別体に構成し
たので、軽い集光ユニットＢの集光レンズ１０のみを高
速度で上下に移動させることができ、レーザ加工される
プリント基板３０等の量産性でも非常に有利となる。

【００２５】次に、図５は第２実施例を示すものであ
り、出光ユニットＡ及び集光ユニットＢを取付けたユニ
ット取付台２０がＸＹテーブル２２上に垂直状に固定さ
れ、このＸＹテーブル２２が装置基台２１上に設けられ
ている。この場合、装置基台２１上の前方部が加工台に
なり、ここに被加工物であるプリント基板３０が載置保
持される。そして、この第２実施例では、ユニット取付
台２０即ち出光ユニットＡ及び集光ユニットＢが、モー
タ２３の回転によりＸ方向に移動され、モータ２４の回
転によりＹ方向に移動される。

【００２６】前記第１実施例では、出光ユニットＡ及び
集光ユニットＢが固定され、プリント基板３０がＸＹテ
ーブル２２により水平移動されるので、多数のプリント
基板３０を順次加工する際の量産性に優れている。そし
て、上記第２実施例では、出光ユニットＡ及び集光ユニ
ットＢがＸＹテーブル２２により水平移動され、プリン
ト基板３０が固定されているので、特にプリント基板３
０に対するレーザ加工の精密性が要求される場合に好ま
しい。

【００２７】次に、図６は第３実施例を示すものであ
り、出光ユニットＡと集光ユニットＢとの間が光ファイ
バー２５によって結合されており、固体レーザ素子４、
アウトプットミラー５及びビームエキスパンダー６から
出光されたレーザビームが、光ファイバー２５を介して
集光レンズ１０に入光されるように構成されている。

【００２８】前記第１及び第２実施例では、出光ユニッ
トＡと集光ユニットＢとを垂直状に配置したが、この第
３実施例のように構成すると、出光ユニットＡと集光ユ
ニットＢとの位置関係が自由になるので、半導体レーザ
ユニットを出光ユニットＡと集光ユニットＢとの２つの
ユニットに分割したメリットがさらに大きくなる。

【００２９】以上、本発明の実施例に付き説明したが、
本発明は上記実施例に限定されることなく、本発明の技
術的思想に基づいて各種の有効な変更並びに応用が可能
である。例えば、実施例ではレンズ移動手段における駆
動機構としてモータにより回転される送りネジ軸を用い
たが、その駆動機構としてリニアモータ等を用いること
もできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザビームを収束するレンズをレンズ移動手段（スポ
ット径調整手段）によりレンズ光軸方向に移動させるこ
とによって、プリント基板等の被加工物の表面における
レーザビームのスポット径を自由に調整することができ
る。従って、プリント基板のパターントリミングやプリ
ント基板へのＩＣ等の半田付け等を、ビーム照射の高さ
位置やトリミング幅及びリード幅等に応じて、極めて効
率良くかつ高精度に行うことができ、レーザ加工の作業
性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における半導体レーザユニ
ット及び半導体レーザ加工装置の全体の斜視図である。

【図２】実施例における出光ユニットの光学系の基本構
成を示す概略図である。

【図３】実施例における加工動作を説明する要部の斜視
図である。

【図４】実施例における加工動作を説明する要部の斜視
図である。

【図５】本発明の第２実施例における半導体レーザユニ
ット及び半導体レーザ加工装置の全体の斜視図である。

【図６】本発明の第３実施例における半導体レーザユニ
ットの全体の斜視図である。

【符号の説明】

Ａ出光ユニットＢ集光ユニット１アレイ半導体レーザ２分布屈折率レンズ３レンズ４固体レーザ５アウトプットミラー６ビームエキスパンダー９固定台１０集光レンズ１１レンズ移動手段１２レンズ保持台１３移動台１４送りネジ軸１５モータ１６ガイド軸１９固定台２０ユニット取付台２１装置基台２２ＸＹテーブル２５光ファイバー３０プリント基板３１パターンＬＢレーザビームＳスポット

フロントページの続き (72)発明者斉藤吉正東京都千代田区大手町２−６−３新日本製鐵株式会社内 (72)発明者小林哲郎東京都千代田区大手町２−６−３新日本製鐵株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザと、この半導体レーザから
出光されたレーザビームが入光される固体レーザ素子
と、この固体レーザ素子から出光されたレーザビームを
収束するレンズと、このレンズをその光軸方向に移動さ
せるレンズ移動手段とを備えたことを特徴とする半導体
レーザユニット。
【請求項２】前記半導体レーザ及び前記固体レーザ素
子を収納する第１のユニットと、前記レンズ及び前記レ
ンズ移動手段を収納する第２のユニットとを備えたこと
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザユニット。
【請求項３】複数のレーザビームを発生する半導体レ
ーザアレイと、この半導体レーザアレイから出光された
レーザビームが入光される固体レーザ素子と、この固体
レーザ素子から出光されたレーザビームを収束するレン
ズと、このレンズによって収束されたレーザビームが照
射される被加工物を保持する加工台と、前記レンズをそ
の光軸方向に移動させて前記加工台との距離を変化させ
るスポット径調整手段と、前記加工台上のスポット位置
を前記レンズの光軸方向に対して垂直な方向に移動させ
るスポット位置移動手段とを備えたことを特徴とする半
導体レーザ加工装置。
【請求項４】前記スポット位置移動手段を前記加工台
の構造部に設けたことを特徴とする請求項３記載の半導
体レーザ加工装置。
【請求項５】前記スポット位置移動手段を前記レンズ
及び前記スポット径調整手段の構造部に設けたことを特
徴とする請求項３記載の半導体レーザ加工装置。