JPH08340165A

JPH08340165A - バイアホール形成方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JPH08340165A
Application number: JP7143719A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kuwabara; 尚桑原; Fumio Sakai; 文雄酒井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1996-12-24
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JPH11103150A; JP3138954B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高速加工が可能で、後処理工程が簡単なバイ
アホール形成方法を提供する。【構成】赤外域レーザ光を発する第１のレーザ発振部
１１と、可視から紫外域のレーザ光を発する第２のレー
ザ発振部１２と、これらレーザ発振部からのレーザ光を
被加工物１７に垂直に入射させるミラー１３、１４と、
レーザ光を集束させる集束レンズ１５、１６とを有し、
ポリマー層に赤外域レーザ光で形成した穴に可視から紫
外域のレーザ光を照射して、ポリマー層の下の金属導電
層を露出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バイアホール形成方法
に関し、特にレーザ光を用いて多層プリント回路基板に
インタースティシャルバイアホールを形成するバイアホ
ール形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化、高密度実装化に伴
う、プリント基板の高密度化の要求に答えて、近年、複
数のプリント基板を積層した多層プリント基板が登場し
てきた。このような多層プリント基板では、上下に積層
されたプリント基板間で導電層（銅基板）同士を電気的
に接続する必要がある。このような接続は、プリント基
板の絶縁層（ポリイミド、エポキシ系樹脂等のポリマ
ー）に、下層の導電層に達するバイアホールと呼ばれる
穴を形成し、その穴の内部にメッキを施すことによって
実現される。

【０００３】バイアホールを形成する方法として、以前
は、機械的な微細ドリルが用いられていた。しかし、プ
リント基板の高密度化に伴うバイアホールの径の縮小
や、積層された層の内の一部の層のみに（即ち、表面か
ら裏面へ貫通していない）バイアホール（インターステ
ィシャルバイアホールという）を形成する際の深さ制御
の困難性などが原因となり、最近では微細ドリルに代え
てレーザ光によるアブレーションを利用したバイアホー
ル形成方法が採用されるようになってきた。

【０００４】従来、この種のレーザによるバイアホール
形成方法では、主にエキシマレーザ（紫外光）が使用さ
れている。

【０００５】また、エキシマレーザは、装置価格及びラ
ンニングコストが高く、エッチングレート（１パルス当
たりの加工深さ）が低い（一般的に、エッチングレート
は波長に比例する）という理由から、価格及びランニン
グコストが低く、エッチングレートの高い、炭酸ガスレ
ーザやＹＡＧレーザなど、赤外光を発するレーザも使用
されるようになってきている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、エキ
シマレーザ（紫外光）を用いたバイアホール形成方法で
は、エッチングレートが低いという問題点がある。ま
た、この方法では、穴の上部周辺にカーボンが付着残留
し、絶縁不良を招くという問題点もある。また、エッチ
ングレートを上げようと、レーザ光のエネルギー密度を
上げると導体層にダメージを与えてしまう（導体層の反
射率に依存する）という新たな問題が発生する。

【０００７】また、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザを用
いるバイアホール形成方法は、安価で、高速加工が可能
ではあるものの、図４に示すように、ポリマー層に形成
した穴４１の底面、即ち、露出させようとする導体層４
２の表面の一部または全面に薄い（エポキシ樹脂及びポ
リイミドでは厚さ１μｍ程度以下）加工残物４３が残っ
てしまうという問題点がある。この加工残物は、この後
さらにレーザ光を照射しても完全に除去することはでき
ない。これは、レーザ光をさらに照射して加工残物を蒸
発させようとしても、このとき周囲のポリマーが溶出し
て（導体層は銅であることが多く、熱の拡散が速いた
め）新たな加工残物を形成してしまうためだと思われ
る。従って、これらの方法では、レーザによる加工の
後、強酸化剤（例えば、重クロム酸カリウム）等による
湿式の後処理が必要になるという問題点がある。

【０００８】本発明は、高速加工が可能で、湿式後処理
のような複雑な後処理工程を必要としないバイアホール
形成方法を提供することを目的とし、さらに、その方法
を実現するための小型の穴明け加工装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属膜
上に積層されたポリマー層に、前記金属膜に達するバイ
アホールを形成するバイアホール形成方法において、赤
外レーザ光を用いて前記ポリマー層に穴を形成する第１
の工程と、前記穴の内部に紫外乃至可視域のレーザ光を
照射して前記金属膜を露出させる第２の工程とを含むこ
とを特徴とするバイアホール形成方法が得られる。

【００１０】また、本発明によれば、互いに波長の異な
るレーザ光を出射する第１及び第２のレーザ発振部と、
前記レーザ光を被加工物の表面上に照射するための光学
系と、前記被加工物を保持するとともに、所定平面内で
該被加工物を移動させることが可能なＸ−Ｙステージと
を有することを特徴とするレーザ加工装置が得られる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１に本発明の一実施例に使用されるレーザ加工
装置を示す。このレーザ加工装置は、第１及び第２のレ
ーザ発振部１１、１２と、これらレーザ発振部１１、１
２にそれぞれ対応する第１及び第２の折り返しミラー１
３、１４及び第１及び第２の集束レンズ１５、１６と、
被加工物１７を載置するＸＹステージ１８を有してい
る。

【００１２】第１のレーザ発振部１１は、赤外域のレー
ザ光を出射する。このようなレーザ発振部１１として
は、炭酸ガスレーザ（ＴＥＡ：ＣＯ₂ガスレーザ）や、
ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、
或いはＹＬＦ（リチウム・イットリウム・フロライド）
等の固体レーザを使用することができる。

【００１３】また、第２のレーザ発振部１２は、紫外乃
至可視域のレーザ光を出射する。このレーザ発振部１２
としては、エキシマレーザ（例えば、ＫｒＦ：発振波長
248nm）、または、ＹＡＧレーザあるいはＹＡＬレーザ
と波長変換用結晶（ＫＴＰ，ＬＢＯ，あるいはＢＢＯ結
晶；第２高調波（２ω）を発生させる）との組み合わせ
（さらにＢＢＯ結晶を組み合わせても良い；第４高調波
（４ω）を発生させる）が使用できる。このとき基本波
と第２高調波を合成して第３高調波（３ω）としてもよ
い。さらに、銅蒸気レーザ（発振波長511nm 及び578nm
）も使用することができる。

【００１４】第１及び第２の折り返しミラー１３、１４
は、それぞれ第１及び第２のレーザ発振部１１、１２か
ら出射されたレーザ光が、Ｘ−Ｙステージ１８に対して
垂直、つまり、被加工物１７に対して垂直に入射する様
にレーザ光を反射する。したがって、これらの折り返し
ミラー１３、１４は必ずしも必要なものではなく、レー
ザ発振部１１、１２、集束レンズ１５、１６、及びＸ−
Ｙステージ１８の配置により適宜使用される。また、第
２のレーザ発振部１２からのレーザ光については、折り
返しミラー１４に代えて、光ファイバを用いて所定方向
へ伝播させることもできる（第１のレーザ発振部１１か
らのレーザ光についても、その波長によっては、光ファ
イバで伝播させることができる）。

【００１５】第１及び第２の収束レンズ１５、１６は、
折り返しミラー１３、１４でそれぞれ反射されたレーザ
光が被加工物１７の表面上で所定の径となる様にレーザ
光を収束させる。収束レンズ１５は、赤外光を収束させ
るので、その材質として例えば、ＺｎＳｅが使用され
る。また、集束レンズ１６は、紫外から可視光を集束さ
せるので、材質として例えば、合成石英や、ＢＫ７が使
用される。なお、第１及び第２の折り返しミラー及び第
１及び第２の収束レンズ１５、１６の各表面は、その反
射率及び透過率を考慮した上でコーティングされてい
る。

【００１６】この装置を用いて、多層プリント回路基板
にインタースティシャルバイアホール（以下、バイアホ
ールと略す）を形成する方法について説明する。まず、
被加工物１７である多層プリント回路基板について説明
する。多層プリント回路基板は、図２（ａ）に示すよう
に、ポリイミドあるいはエポキシ系樹脂等のポリマー製
絶縁層２１を複数有し、各絶縁層の表面（最下層の基板
では表裏両面）には、それぞれ導電（Ｃｕ）層（プリン
ト配線）２２が印刷形成されている。そして、バイアホ
ールを形成しようとする場所では、上層側の導電層２２
に穴２３が形成されている。複数の層にわたってバイア
ホールを形成する場合には上層側に位置するすべての導
電層に穴が形成される。この様な多層プリント回路基板
に対するバイアホールの形成は、以下の様にして行われ
る。

【００１７】まず、多層プリント回路基板をＸ−Ｙステ
ージ１８に搭載する。そして、穴２３に集束レンズ１５
で集束させたレーザ光が当たるように位置調整を行う。
そして、レーザ光発振部１１から出射した赤外レーザ光
を、折り返しミラー１３及び集束レンズ１５を介して穴
２３内部の絶縁層２１に照射する。赤外レーザ光の照射
により穴２３内部の絶縁層２１はアブレーションを生じ
て除去加工される。赤外レーザ光を用いる加工は、従来
の紫外レーザ光を用いる加工に比べ非常に短い時間で終
了する。即ち、加工速度が速い。しかも、紫外光を用い
ないのでカーボンの発生もない。ただし、図２（ｂ）で
示すように、下層側の導電層２２の表面に加工残物２４
が残る。

【００１８】次に、この多層プリント回路基板をＸ−Ｙ
ステージ１８を用いて移動させ、穴２３内に集束レンズ
１６で集束させたレーザ光が当たるようにする。そし
て、レーザ光発振部１２から出射した紫外から可視域の
レーザ光を、折り返しミラー１４及び集束レンズ１６を
介して穴２３内の加工残物２４に照射する。すると、図
２（ｃ）に示すように、加工残物２４が蒸発し、下層側
の導電層２２が露出し、バイアホールが完成する。この
後、バイアホールの内部をメッキすれば、２つの導電層
を電気的に接続することができる。

【００１９】このように、本実施例によれば、高速加工
が可能で、湿式後処理も不要で、さらに、紫外レーザ光
あるいは可視レーザ光は、最後に数ショット使用するだ
けなので、カーボンの発生もほとんどない。

【００２０】実際に、炭酸ガスレーザでポリマー製絶縁
層に穴を形成した後、この穴に、ＹＬＦレーザからのレ
ーザ光を照射してみると、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの基本波
（１ω；波長１０４７nm）を照射した場合（照射エネル
ギー３ｍＪ／パルス、１ショット）は、加工残物を取り
除くことはできなかった。これに対して、Ｎｄ：ＹＬＦ
レーザの第２高調波（照射エネルギー０．８ｍＪ／パル
ス、１ショット、波長５２３nm）を照射した場合は、加
工残物を完全に除去することができた。同様に、Ｎｄ：
ＹＬＦレーザの第４高調波（照射エネルギー０．３ｍＪ
／パルス、５ショット、波長２６６nm）を照射した場合
も、加工残物を除去することができた。ただし、この場
合は、レーザ光を照射し過ぎたために、導電層にアブレ
ーションが生じているようであった。

【００２１】なお、第２のレーザ発振部１２に使用可能
なレーザには、それぞれ次のような特徴がある。まず、
エキシマレーザは、例えば、ＫｒＦ：エキシマレーザの
場合、１パルス当たりのエネルギーが８００ｍＪ、ビー
ムの断面積（照射面積）が約３ｃｍ²であり、高いエネ
ルギーと、広いビーム面積を有することを特徴としてい
る。したがって、径０．２〜０．５ｍｍ程度のバイアホ
ールの底面に照射する際に必要とされるエネルギー密度
が約３００ｍＪ／ｃｍ²であることを考慮すると、適当
なマスクを用いて、広い面積にわたる投影加工ができ
る。他のエキシマレーザＡｒＦ（発振波長１９３nm）、
ＸｅＦ（発振波長３５１nm）、ＸｅＣｌ（発振波長３０
８nm）等についても同様である。

【００２２】また、ＹＡＧレーザとＹＬＦレーザとは、
同じ固体レーザであるが、ＹＡＧレーザからのレーザ光
はランダム偏光、ＹＬＦレーザからのレーザ光は直線偏
光、という違いがあり、波長変換結晶へは直線偏光成分
が入射するため、後者の方が波長変換効率が高い。ま
た、後者の方が、熱レンズ効果が現れにくく、連続使用
に向いている。これらのレーザでは、ＣＷ発振とパルス
発振のいずれも可能であるが、本実施例の場合は、ピー
クパワーの大きなパルス発振の方が望ましい。

【００２３】また、銅蒸気レーザは、ピークパワーが大
きく、繰り返し周波数が７０００Ｈｚと非常に高いとい
う特徴を有しているが、３０分程度のウォームアップを
必要とする。

【００２４】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
本実施例のレーザ加工装置は、基本的には、第１の実施
例のレーザ加工装置と同じである。本実施例のレーザ加
工装置が第１の実施例のレーザ加工装置と異なる点は、
折り返しミラー１３、１４に替えて、ガルバノ等の２軸
スキャンミラー（図示せず）を有し、集束レンズ１５、
１６としてｆθレンズ（図示せず）を有している点であ
る。

【００２５】２軸スキャンミラーは、例えば、互いに異
なる方向に回動可能な２枚のミラーを組み合わせて実現
され、レーザ発振部１１、１２からのレーザ光をｘｙ平
面内で走査させる。ｆθレンズは、２軸スキャンミラー
から入射するレーザ光の入射角によらず、レーザー光が
被加工物１７に対して焦点を結びかつ垂直に入射する様
に設計されている。従って、この２軸スキャンミラーと
ｆθレンズとの組み合わせにより、Ｘ−Ｙステージ１８
を用いて被加工物１７を移動させなくとも、第１の実施
例同様バイアホールを形成することができる。また、所
定範囲内であれば、複数のバイアホールを形成する場合
であっても、被加工物１７をＸ−Ｙステージ１８を用い
て移動させる必要がない。

【００２６】本実施例の装置では、２つの２軸スキャン
ミラーをそれぞれ独立制御することができるので、レー
ザ発振部１１、１２からのレーザ光をそれぞれ異なる穴
に照射することができる。このため、所定範囲内に複数
のバイアホールを形成する場合、レーザ発振部１１から
のレーザ光で絶縁層に穴を形成する工程と、レーザ発振
部１２からのレーザ光で穴に残った加工残物を除去する
工程とを（異なる穴に対して）同時に行うことができ
る。従って、逐次的に加工する場合に比べ、大幅に加工
時間を短縮する（レーザ発振部１１からのレーザ光で絶
縁層２１に穴を形成する工程のみの場合とほぼ等しい）
ことができる。

【００２７】また、本実施例の装置では、Ｘ−Ｙステー
ジによる移動の必要性が少ない（広範囲に亘って加工を
行う場合は、所定範囲ごとに行うので、このときＸ−Ｙ
ステージによる移動が必要となるが、所定範囲内であれ
ば全く不要）ので高速加工が可能となる。詳述すると、
Ｘ−Ｙステージによる被加工物の移動時間間隔は、１０
Ｈｚ程度でしかないが、２軸スキャンミラーによる焦点
位置の移動時間間隔は、１００Ｈｚ以上を実現でき、レ
ーザ光の加工点間の移動時間が比べ物にならないほど短
くなる。

【００２８】次に本発明の第３の実施例について図３を
参照して説明する。本実施例のレーザ加工装置は、第１
及び第２のレーザ発振部３１、３２と、調整用光学系３
３、ミラー３４、折り返しミラー３５、集束レンズ３
６、及び被加工物３７を載置するＸ−Ｙステージ３８を
有している。

【００２９】第１及び第２のレーザ発振部３１、３２
は、それぞれ第１の実施例の第１及び第２のレーザ発振
部１１、１２に対応するが、配置は逆であっても良い。
また、調整用光学系３３は、集束レンズ３６における、
２つのレーザ光の波長の違いによる色収差の違いを解消
して、焦点位置の補正を行うためのものであり、第１及
び第２のレーザ発振部３１、３２のいずれか一方に対応
して設けられていればよく、第１のレーザ発振部３１に
対応するように設けてもよい。

【００３０】ミラー３４は、第１のレーザ発振部３１か
らのレーザ光を透過し、第２のレーザ発振部３２からの
レーザ光を全反射するように材料及び表面のコーティン
グ材が選択されているか、または、移動機構（図示せ
ず）に搭載されている。

【００３１】折り返しミラー３５は、第１及び第２のレ
ーザ発振部３１、３２からのレーザ光を共に全反射する
ように、その表面に金属膜、または誘電体多層膜がコー
ティングされている。なお、第１の実施例と同様の理由
で、このミラー３５は必ずしも必要ではない。

【００３２】集束レンズ３６は、２つのレーザ発振部３
１、３２からのレーザ光を双方とも透過させるような材
質を選択しなければならない。例えば、これらのレーザ
光を双方とも透過させる材質として、ＮａＣｌ，ＫＢ
ｒ，及びＫＩ等がある。また、集束レンズ３６の表面に
は、これらのレーザー光を双方とも透過させるようにコ
ーティングが施されている。

【００３３】このレーザ加工装置を用いてバイアホール
を形成する方法は、第１の実施例と同様である。ただ
し、ミラー３４が移動機構に搭載されている場合は、第
１のレーザ光発振部３１からのレーザ光を被加工物に照
射するとき、このミラー３４を光路上から光路外に移動
させ、逆に第２のレーザ光発振部３２からのレーザ光を
被加工物に照射するときは、光路外から光路上にミラー
３４を移動させて加工を行う必要がある。

【００３４】また、本実施例の折り返しミラー３５と集
束レンズ３６に代えて、第２の実施例で使用されたのと
同様のガルバノスキャン等のビームスキャン装置とｆθ
レンズとを用いることもできる。また、ミラー３４を用
いず、第２の実施例と同様に、第１及び第２のレーザ発
振部３１、３２にそれぞれ対応する２つのビームスキャ
ン装置を設け、これらのビームスキャン装置からの２つ
のレーザ光を１つのｆθレンズに入射させるようにして
もよい。なお、ｆθレンズにおいて、レーザ光の波長の
違いによる色収差が生じるような場合は、スキャンミラ
ーの角度と加工点の位置を調整して補正する必要があ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、赤外レーザ光を用いて
ポリマー層に穴を形成し、その後可視から紫外域のレー
ザ光で加工残物を取り除くようにしたことで、湿式の後
処理を必要とせず、高速加工が可能なバイアホール形成
方法が得られる。

【００３６】また、本発明によれば、赤外光を発するレ
ーザ発振部と、可視から紫外域のレーザ光を発するレー
ザ発振部とを設けたことで、バイアホールを高速加工す
ることができるレーザ加工装置がえられる。

【００３７】さらに、２つのレーザ発振部からのレーザ
光を同一光路に導くようにしたことで、小形で、高速加
工が可能な加工装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。

【図２】図１の装置によるバイアホールの形成工程を説
明するための工程図である。

【図３】本発明の第３の実施例の構成図である。

【図４】導体膜上のポリマー層に赤外域レーザ光で形成
した穴の斜視図である。

【符号の説明】

１１、１２レーザ発振部１３、１４折り返しミラー１５、１６集束レンズ１７被加工物１８ＸＹステージ２１ポリマー製絶縁層２２導電層２３穴２４加工残物３１、３２レーザ発振部３３調整用光学系３４ミラー３５折り返しミラー３６集束レンズ３７被加工物３８Ｘ−Ｙステージ４１穴４２導電層４３加工残物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属膜上に積層されたポリマー層に、前
記金属膜に達するバイアホールを形成するバイアホール
形成方法において、赤外域レーザ光を用いて前記ポリマ
ー層に穴を形成する第１の工程と、前記穴の内部に紫外
乃至可視域のレーザ光を照射して前記金属膜を露出させ
る第２の工程とを含むことを特徴とするバイアホール形
成方法。
【請求項２】前記第１の工程を連続的に行なって複数
の穴を形成すると同時に、該第１の工程により形成され
た前記複数の穴に対し、順次、前記第２の工程を施すこ
とを特徴とする請求項１のバイアホール形成方法。
【請求項３】前記紫外乃至可視域のレーザ光の光源と
してエキシマレーザを用いることを特徴とする請求項１
または２のバイアホール形成方法。
【請求項４】前記紫外乃至可視域のレーザ光として、
赤外域レーザ発振器からの高調波レーザ光を用いること
を特徴とする請求項１または２のバイアホール形成方
法。
【請求項５】前記金属膜が第１のプリント回路基板の
プリント配線であり、前記ポリマー層が前記第１のプリ
ント回路基板上に積層された第２のプリント回路基板の
絶縁基板であることを特徴とする請求項１、２、３、ま
たは４のバイアホール形成方法。
【請求項６】互いに波長の異なるレーザ光を出射する
第１及び第２のレーザ発振部と、前記レーザ光を被加工
物の表面上に照射するための光学系と、前記被加工物を
保持するとともに、所定平面内で該被加工物を移動させ
ることが可能なＸ−Ｙステージとを有することを特徴と
するレーザ加工装置。
【請求項７】前記互いに波長の異なるレーザ光が、赤
外域レーザ光と、可視乃至紫外レーザ光とであることを
特徴とする請求項６のレーザ加工装置。
【請求項８】前記光学系が前記可視乃至紫外レーザ光
を伝播させる光ファイバを含むことを特徴とする請求項
７のレーザ加工装置。
【請求項９】前記光学系が、前記レーザ光を集束させ
る集束レンズを含むことを特徴とする請求項６、７、ま
たは８のレーザ加工装置。
【請求項１０】前記集束レンズがｆθレンズであっ
て、該ｆθレンズの前段にスキャンミラーが配設されて
いることを特徴とする請求項９のレーザ加工装置。
【請求項１１】前記光学系が、前記第１のレーザ発振
部からのレーザ光の光路と前記第２のレーザ発振部から
のレーザ光の光路とを重ねるための光路合成手段と、該
光路合成手段と前記第１のレーザ発振部及び前記第２の
レーザ発振部のいずれか一方との間に設けられ、波長の
違いに基づく前記集束レンズにおける色収差を補正する
ための調整用光学系とを有することを特徴とする請求項
９または１０のレーザ加工装置。
【請求項１２】前記集束レンズが前記第１及び第２の
レーザ発振部にそれぞれ対応して設けられていることを
特徴とする請求項９または１０のレーザ加工装置。