JP5197271B2

JP5197271B2 - レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法

Info

Publication number: JP5197271B2
Application number: JP2008246123A
Authority: JP
Inventors: 恭之奥平
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP2010075953A

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。

レーザ穴開け加工においては、所定ショット数のレーザパルスをプリント基板の樹脂層に入射させ内層配線層に至る貫通孔を形成する。１つの貫通孔が形成されたら、ガルバノスキャナを用いてレーザパルスの入射位置を変更し、プリント基板の異なる位置に穴を形成する。ガルバノスキャナのレーザビーム走査範囲内の加工が終わったら、ステージを駆動してプリント基板を移動させ、新たな加工領域でガルバノスキャナによるレーザパルスの走査を行い、基板の穴開け加工を続ける。

レーザ穴開け加工には、たとえば炭酸ガスレーザ発振器（ＣＯ_２レーザ発振器）が使用される。ＣＯ_２レーザ発振器は励起パルス（トリガパルス）を受けて、トリガパルスのパルス幅に対応するパルス幅のレーザパルスを出射する。出射されるレーザパルスのパルスエネルギは、トリガパルスの周波数（周期）及びパルス幅に依存する。

ＣＯ_２レーザ発振器においては、トリガパルスの入力を中止し、レーザパルスの発振を停止した場合、発振再開直後に出射されるレーザパルスのパルスエネルギが不安定となる。このためステージの駆動時間にも、加工時と同じトリガパルスをレーザ発振器に入力して、パルスエネルギの安定化を図っていた。

また、レーザ発振器それ自体を工夫することにより、レーザパルスのパルスエネルギを安定化させる発明もなされている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−１０３６２５号公報

本発明の目的は、良質なレーザ加工を実現可能なレーザ加工装置を提供することである。

また、良質なレーザ加工を実現可能な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、トリガパルスが入力されると、該トリガパルスのパルス幅に対応するパルス幅のレーザパルスを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザパルスを、加工用経路に沿って伝搬させる状態と、該加工用経路に沿って伝搬させない状態とを切り替えるビーム振り分け器と、加工対象物を保持する保持器と、前記加工用経路に沿って伝搬するレーザパルスが、前記保持器に保持された加工対象物上の目標位置に入射するように、レーザパルスの進行方向を変化させるビーム走査器と、前記レーザ光源、前記ビーム振り分け器、及び前記ビーム走査器を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記保持器に保持された加工対象物上の複数の被照射点に、前記レーザ光源から出射された加工用レーザパルスが順番に入射してレーザ加工が行われ、かつ、前記保持器に保持された加工対象物上の１つの被照射点から次の被照射点に、該加工用レーザパルスの入射位置を移動させる移動期間に、該加工用レーザパルスのパルス幅よりも短いパルス幅をもつ非加工用レーザパルスが、該移動期間の長さに応じたパルス幅と繰り返し周波数で、前記レーザ光源から出射されるとともに、該非加工用レーザパルスは前記加工用経路に沿って伝搬しないように、前記レーザ光源、前記ビーム振り分け器、及び前記ビーム走査器を制御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ると、レーザ発振器をパルス発振させながら、加工対象物上の複数の被照射点に加工用レーザパルスを順番に入射させてレーザ加工を行う工程と、前記加工対象物上の１つの被照射点から次の被照射点に、前記加工用レーザパルスの入射位置を移動させる移動期間に、前記加工用レーザパルスのパルス幅よりも短いパルス幅をもつ非加工用レーザパルスを、該移動期間の長さに応じたパルス幅と繰り返し周波数で、前記レーザ発振器から出射させるとともに、該非加工用レーザパルスは前記加工対象物に入射させない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、良質なレーザ加工を実現可能なレーザ加工装置を提供することができる。

また、良質なレーザ加工を実現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。

レーザ光源１０、たとえばＣＯ_２レーザ発振器が、制御装置１７から励起パルス（トリガパルス）を受けて、トリガパルスのパルス幅に対応するパルス幅のレーザパルスを出射する。

レーザパルスは光路Ｃ_ａを進行して音響光学偏向器(Acoust-Optic Deflector: AOD)１１に入射する。

ＡＯＤ１１は、音響光学効果を利用した光偏向器であり、制御装置１７から送出される制御信号を受けて、入射するレーザパルスの進行方向を変化させて出射する。ＡＯＤ１１により偏向されたレーザパルスは、光路Ｃ_ｂを進行する。ＡＯＤ１１に制御信号が印加されない場合、ＡＯＤ１１に入射したレーザパルスは直進して光路Ｃ_ｃを進行し、ダンパ１２に入射し、吸収される。

偏向されて光路Ｃ_ｂを進行するレーザパルスは、折り返しミラー１３で反射され、貫通孔を備えるマスク１４で断面形状を整形された後、ガルバノスキャナ１５に入射する。ガルバノスキャナ１５は２枚の揺動鏡を含み、入射したレーザパルスを２次元方向に走査して出射する。

ＸＹステージ１８上には、たとえば樹脂層に内層配線層が埋設されたプリント基板２０が保持されている。ガルバノスキャナ１５を出射したレーザパルスはｆθレンズ１６を透過して、ＸＹステージ１８上に保持されたプリント基板２０の樹脂層に入射する。ｆθレンズ１６は、レーザパルスをプリント基板２０に垂直に入射させる。

レーザパルスの照射により、プリント基板２０の樹脂層に穴が形成される。たとえば３ショットのレーザパルスを同一位置に入射させることで、樹脂層を貫通し、内層配線層に至る貫通孔が形成される。貫通孔形成に用いられるレーザパルスのパルス幅は、たとえば２０〜１００μｓである。

ある目標位置に貫通孔を形成した後、ガルバノスキャナ１５を駆動することにより、レーザパルスを次の目標位置に入射させ、その位置に新たな貫通孔を形成する。

ガルバノスキャナ１５のレーザパルス走査範囲内の加工が終わったら、ＸＹステージ１８を駆動してプリント基板２０を移動させ、新たな加工領域でガルバノスキャナ１５によるレーザパルスの走査を行い、プリント基板２０の穴開け加工を行う。穴開け加工はこのようにしてプリント基板２０上に画定された複数の被加工点にレーザパルスを順番に照射して行われる。

制御装置１７は、目標位置に貫通孔が形成されるように、ガルバノスキャナ１５及びＸＹステージ１８の駆動を制御する。

図２（Ａ）〜（Ｆ）に示すタイミングチャートを参照して、実施例によるレーザ加工方法を説明する。図２（Ａ）〜（Ｆ）の横軸はすべて時間を表す。

図２（Ａ）及び（Ｄ）は、制御装置１７からガルバノスキャナ１５に送信される位置決め信号（プリント基板２０上におけるレーザパルス入射位置の位置決めを行うよう指令する信号）のオン及びオフのタイミングを示す。また、図２（Ｂ）及び（Ｅ）は、レーザ光源１０に入力される励起パルス（トリガパルス）の入力タイミングを示す。更に、図２（Ｃ）及び（Ｆ）は、ＡＯＤ１１に印加される制御信号の印加タイミングを示す。

図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すタイミングチャートが一組となってある時間帯における制御を表す。また、図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示すタイミングチャートが一組となって他の時間帯における制御を表す。

図２（Ａ）を参照する。前述のように、たとえば３ショットの加工用レーザパルスをプリント基板２０のある位置の樹脂層に入射させ穴を形成した後、プリント基板２０の他の位置に穴を形成する際には、ガルバノスキャナ１５を駆動し、新たな加工用レーザパルスの入射位置の位置決めを行う。

図２（Ａ）において「ＯＮ」で示す期間に、制御装置１７からガルバノスキャナ１５に位置決め信号が送信される。ガルバノスキャナ１５は位置決め信号を受けて、加工用レーザパルスを新たに入射させる位置の位置決めを開始する。位置決め信号が「ＯＦＦ」となってからガルバノ整定待ち時間ｔ_１後に、ガルバノスキャナ１５の位置決めが完了する。

図２（Ｂ）を参照する。実施例によるレーザ加工方法においては、プリント基板２０のある位置に照射して穴開け加工を行う３ショットの加工用レーザパルスの出射後、プリント基板２０の他の位置に照射して次の穴開け加工を行う３ショットの加工用レーザパルスの出射までの期間に、レーザ光源１０が複数の捨て射ち用レーザパルスを出射する。このためたとえばガルバノスキャナ１５の駆動中（位置決め期間中）に、レーザ光源１０から複数の捨て射ち用レーザパルスが出射される。

捨て射ち用レーザパルスは、加工用レーザパルスよりパルス幅が短い。捨て射ち用レーザパルスの出射は、図示するように、制御装置１７からレーザ光源１０に、捨て射ち用レーザパルスを発生させるための励起パルス（トリガパルス）を入力することにより行われる。

本図には、１つの捨て射ち用レーザパルスが立ち下がってから次の捨て射ち用レーザパルスが立ち上がるまでの時間を、捨て射ち用レーザパルスデューティ保証時間ｔ_２として図示した。

ガルバノスキャナ１５の位置決め完了（位置決め信号が「ＯＦＦ」となってからガルバノ整定待ち時間ｔ_１後）以前には加工用レーザパルスは出射されない。また、ガルバノスキャナ１５の位置決め完了以降は、捨て射ち用レーザパルスは出射されず、最後の捨て射ち用レーザパルスの立ち下がり時点から時間ｔ_２後に、加工用レーザパルスが出射される。

図２（Ｃ）を参照する。捨て射ち用レーザパルスの出射後、加工用レーザパルスの出射前にＡＯＤ１１に制御信号が印加される。このため、捨て射ち用レーザパルスはＡＯＤ１１に入射した後、光路Ｃ_ｃを進行しダンパ１２に吸収されるが、加工用レーザパルスはＡＯＤ１１で偏向され、光路Ｃ_ｂを進行してプリント基板２０に入射し、樹脂層に穴を形成する。

図２（Ｄ）を参照する。本図には、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（位置決め時間）が図２（Ａ）とは異なる場合を示した。

図２（Ｅ）を参照する。捨て射ち用レーザパルスは、捨て射ち用レーザパルスデューティ保証時間をｔ_３として出射される。図２（Ｂ）に示した場合と同様に、ガルバノスキャナ１５の位置決め完了以前には加工用レーザパルスは出射されない。また、ガルバノスキャナ１５の位置決め完了以降は、捨て射ち用レーザパルスは出射されず、最後の捨て射ち用レーザパルスの立ち下がり時点から時間ｔ_３後に、加工用レーザパルスが出射される。

３ショットの加工用レーザパルスが出射された後、次に出射される加工用レーザパルスが新たな目標位置に入射するように、ガルバノスキャナ１５の駆動（レーザパルス入射位置の位置決め）が開始される。捨て射ち用レーザパルスは、３ショットめの加工用レーザパルスの立ち下がり時点から、加工用レーザパルスデューティ保証時間ｔ_４経過後に出射される。

図２（Ｆ）を参照する。ＡＯＤ１１への制御信号は、加工用レーザパルスがＡＯＤ１１に入射している期間にはＯＮとされ、捨て射ち用レーザパルスがＡＯＤ１１に入射している期間にはＯＦＦとされる。このため、加工用レーザパルスはＡＯＤ１１で偏向され、光路Ｃ_ｂを進行してプリント基板２０に入射し、樹脂層に穴を形成するが、捨て射ち用レーザパルスはＡＯＤ１１に入射した後、光路Ｃ_ｃを進行しダンパ１２に吸収される。

実施例によるレーザ加工方法は、ある位置の穴加工と次の位置の穴加工との間に、単に捨て射ち用レーザパルスを出射するにとどまらず、それらの穴加工間の時間（プリント基板２０のある位置に穴を形成するための１ショットめの加工用レーザパルスが出射してから、次の位置に穴を形成するための１ショットめの加工用レーザパルスが出射するまでの時間）に応じて、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅と繰り返し周波数を変化させる点に特徴を有する。穴加工間の時間は、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）に対応する。

ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）は、たとえば現加工のレーザパルス入射位置と次加工のレーザパルス入射位置との間の距離や、ガルバノスキャナ１５の駆動速度に依存する。現加工と次加工のレーザパルス入射位置間の距離が長ければ、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）は長くなる。このため「穴加工間の時間に応じて、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅と繰り返し周波数を変化させる」とは「現加工と次加工のレーザパルス入射位置間の距離に応じて、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅と繰り返し周波数を変化させる」という内容を含む。

捨て射ち用レーザパルスを出射しない場合においては、位置決め期間終了直後に出射される加工用レーザパルスのパルスエネルギは、連続的に出射される加工用レーザパルスのそれと比べて大きくなる。また、捨て射ち用レーザパルスを出射しない場合、位置決め時間の長短と、位置決め期間終了直後の加工用レーザパルスのパルスエネルギの大小とには相関関係があり、位置決め時間が長くなるにしたがって、パルスエネルギは大きくなる。

本願発明者は、位置決め期間終了後最初に出射される加工用レーザパルスのパルスエネルギＺが、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅と繰り返し周波数に依存し、
Ｚ＝α−β・Ｘ＋γ・Ｙ・・・（１）
で表されることを見出した。

ここでＸは捨て射ち用レーザパルスのパルス幅であり、Ｙは捨て射ち用レーザパルスの繰り返し周波数である。また、α、β、γはそれぞれ穴加工間の時間に応じて定まる０以上の定数であり、穴加工間の時間によって異なる値をとる。

ここでα、β、γはたとえば以下の手順で求める。まず穴加工に必要な加工用レーザパルスのパルス幅を決定する。パルス幅はたとえば１００μｓである。次に、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅、及び繰り返し周波数を変化させて、穴加工実験を行い、加工用レーザパルスのパルスエネルギＺを計測する。この際、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）は、穴加工間の時間で近似することができる。

実験は、たとえば穴加工間の時間として２ｍｓ、１ｍｓ、０．６７ｍｓ、０．５ｍｓ、０．４ｍｓ、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅として２μｓ、５μｓ、８μｓ、捨て射ち用レーザパルスの繰り返し周波数として１０ｋＨｚ、１２．５ｋＨｚ、１５ｋＨｚを採用し、これらを組み合わせた条件で行う。

最後に、穴加工実験で得られたパルスエネルギＺを用いて重回帰分析を行い、α、β、γを求める。

実際の穴加工における捨て射ち用レーザパルスのパルス幅Ｘと繰り返し周波数Ｙは、上述のようにα、β、γを定めた後、上記式（１）を用い、穴加工間の時間に応じて、たとえば加工用レーザパルスのパルスエネルギＺが、プリント基板２０上で穴開け加工を行うのに適当な一定値となるように決定される。

たとえば加工用レーザパルスのパルスエネルギＺが、プリント基板２０上で０．１３５Ｊ／パルスとなるように、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅Ｘと繰り返し周波数Ｙを定める。たとえば加工用レーザパルスのパルス幅が１００μｓであるとき、繰り返し周波数Ｙを１０ｋＨｚとし、穴加工間の時間ごとに本願発明者が算出したα、β、γの値を式（１）に代入することにより、穴加工間の時間が２ｍｓ、１ｍｓ、０．６７ｍｓ、０．５ｍｓであれば捨て射ち用レーザパルスのパルス幅Ｘをそれぞれ７μｓ、８μｓ、７μｓ、２μｓとすることで、加工用レーザパルスのパルスエネルギＺを、プリント基板２０上において０．１３５Ｊ／パルスとすることができる。

なお、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅を長くする場合には、捨て射ち用レーザパルスデューティ保証時間を長くしなければならない。このため、ガルバノスキャナ１５駆動（レーザパルス入射位置の位置決め）終了後、加工用レーザパルスの出射までの時間も長くなる。この結果、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅を長くしすぎた場合には、加工に長時間を要するというデメリットが生じる。

捨て射ち用レーザパルスのパルス幅Ｘと繰り返し周波数Ｙは、穴加工間の時間に応じて、たとえば加工用レーザパルスのパルスエネルギＺが穴開け加工を行うのに適当な一定値となるようにあらかじめ決定され、穴加工間の時間に対応づけられて、制御装置１７の記憶領域に記憶される。すなわち、制御装置１７は、穴加工間の時間を基に、捨て射ち用レーザパルスのパルス幅Ｘと繰り返し周波数Ｙとが参照される変換テーブルを備えている。この変換テーブルは、ガルバノスキャナ１５の駆動期間（レーザパルス入射位置の位置決め期間）や、現加工と次加工のレーザパルス入射位置間の距離を基に、Ｘ及びＹが参照されるものであってもよい。制御装置１７は、変換テーブルに基づいて、レーザ光源１０に励起パルス（トリガパルス）を入力する。

実施例によるレーザ加工方法は、ガルバノスキャナ１５の駆動時間（レーザパルス入射位置の位置決め時間）の長短によらず、加工用レーザパルスのパルスエネルギを安定化させることができる。このため良質のレーザ加工を実現することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限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自明であろう。

レーザ加工一般、たとえばレーザビームを照射して行う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。（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例によるレーザ加工方法を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０レーザ光源
１１ＡＯＤ
１２ダンパ
１３折り返しミラー
１４マスク
１５ガルバノスキャナ
１６ｆθレンズ
１７制御装置
１８ＸＹステージ
２０プリント基板

Claims

トリガパルスが入力されると、該トリガパルスのパルス幅に対応するパルス幅のレーザパルスを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザパルスを、加工用経路に沿って伝搬させる状態と、該加工用経路に沿って伝搬させない状態とを切り替えるビーム振り分け器と、
加工対象物を保持する保持器と、
前記加工用経路に沿って伝搬するレーザパルスが、前記保持器に保持された加工対象物上の目標位置に入射するように、レーザパルスの進行方向を変化させるビーム走査器と、
前記レーザ光源、前記ビーム振り分け器、及び前記ビーム走査器を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記保持器に保持された加工対象物上の複数の被照射点に、前記レーザ光源から出射された加工用レーザパルスが順番に入射してレーザ加工が行われ、かつ、前記保持器に保持された加工対象物上の１つの被照射点から次の被照射点に、該加工用レーザパルスの入射位置を移動させる移動期間に、該加工用レーザパルスのパルス幅よりも短いパルス幅をもつ非加工用レーザパルスが、該移動期間の長さに応じたパルス幅と繰り返し周波数で、前記レーザ光源から出射されるとともに、該非加工用レーザパルスは前記加工用経路に沿って伝搬しないように、前記レーザ光源、前記ビーム振り分け器、及び前記ビーム走査器を制御するレーザ加工装置。
前記制御装置は、前記１つの被照射点と次の被照射点との間の距離、または前記移動期間を基に、前記非加工用レーザパルスのパルス幅と繰り返し周波数とが参照される変換テーブルを備えている請求項１に記載のレーザ加工装置。
レーザ発振器をパルス発振させながら、加工対象物上の複数の被照射点に加工用レーザパルスを順番に入射させてレーザ加工を行う工程と、
前記加工対象物上の１つの被照射点から次の被照射点に、前記加工用レーザパルスの入射位置を移動させる移動期間に、前記加工用レーザパルスのパルス幅よりも短いパルス幅をもつ非加工用レーザパルスを、該移動期間の長さに応じたパルス幅と繰り返し周波数で、前記レーザ発振器から出射させるとともに、該非加工用レーザパルスは前記加工対象物
に入射させない工程と
を有するレーザ加工方法。
前記レーザ発振器が、トリガパルスが入力されると、該トリガパルスのパルス幅に対応するパルス幅のレーザパルスを出射するレーザ発振器である請求項３に記載のレーザ加工方法。
前記非加工用レーザパルスのパルス幅及び繰り返し周波数は、前記移動期間終了後最初に出射される前記加工用レーザパルスのパルスエネルギが一定値となるように設定されている請求項３または４に記載のレーザ加工方法。