JP7726752B2 - プリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法 - Google Patents

Description

本願発明は、樹脂とガラス繊維を編んでなるガラスクロスとからなる絶縁層と、該絶縁層の少なくとも一面に設けられた銅箔等からなる外部導体層と、該絶縁層内に設けられる銅箔等からなる内部導体層とから構成されるプリント基板に対して、炭酸ガスレーザにより、該プリント基板を貫通するスルーホール（以下、「ＴＨ」という。）を形成するためのホール加工方法に関するものである。

従来、上記プリント基板におけるＴＨを形成するためのホール加工では、ホール加工の作業効率を向上させるとともに、該ホール加工の作業コストの低減を目的として炭酸ガスレーザ（以下、「レーザ」という。）を採用している。
そして、近年上記プリント基板におけるレーザによるホール加工では、プリント基板の薄板化とともにホール加工の微細化が要求され、その結果、プリント基板に対してＴＨを形成するためのホール加工における高い加工精度が要求されている。

しかしながら、上記従来のＴＨを形成するためのホール加工で使用されるレーザは連続発振であって、そのレーザの出力が大きいものである。
従って、プリント基板におけるホール加工において、絶縁層内ではレーザによって該絶縁層が分解される際に熱が発生、しかも滞留してしまうので、中膨れ形状等の変形が発生し、また該内部導体層では変色、溶融、貫通又は剥離等のダメージを与えることがある。

そのため、前記ＴＨ加工に際して、中膨れ形状等の変形の発生や内部導体層に対するダメージを防止するために、レーザの出力を低減させることも考えられるが、ホール加工に長時間要する。

そして、プリント基板の両面からのレーザ照射によって形成される孔を貫通させてなるＴＨにおいては、たとえ同じ出力のレーザを使用した場合であっても、絶縁層中のガラスクロスを構成するガラス繊維の粗密により、加工量の差が発生することがある。すなわち、絶縁層を構成するガラスクロスのガラス繊維が粗である部分にレーザが照射されると、レーザによる絶縁層の分解が進み、プリント基板の一面側から形成される孔のボトム径は広くなる一方で、絶縁層中を構成するガラスクロスのガラス繊維が密である部分にレーザが照射されると、レーザによる分解が進まず、プリント基板の一面側から形成される孔のボトム径は狭くなってしまうものである。
そのため、プリント基板にＴＨを形成するホール加工においては、センター径（すなわちＴＨの深さ方向における中間位置での径）に大きな広狭が発生してしまい、特に微細化が要求されるプリント基板のホール加工において、ＴＨ内壁に施される銅箔等のメッキの信頼性を維持できるような高い加工精度を確保できないものである。

そこで、例えば、第一の導体層と絶縁層を除去して第二の導体層に達する止まり穴や溝加工を行なう積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法において、前記レーザ光を、エネルギー密度を２５Ｊ／ｃｍ２以上とし、且つ１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビームＯＮ時間でパルス的に被加工部に照射するものが提案されている（特許文献１参照）。

その結果、ビームＯＮ時間が１μｓより短い炭酸ガスレーザ光や１０μｓより長い炭酸ガスレーザ光を、同じ面積に同じエネルギー密度で照射した場合と比較して、炭酸ガスレーザ光のエネルギーが導体層４の除去に効率良く吸収そして消費され、且つ、余分となった炭酸ガスレーザ光が絶縁層１を不必要に大きく加工しないため、１パルスによりガラスクロス２ｂが穴内に突き出したり、穴形状が中膨れ形状になることを防止することを可能とすることができる。すなわち、上記積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を実施すると、ホール加工の作業効率は向上し、ホール加工の作業コストを低減させることができるとともに、中膨れ形状等の変形を防止して高い加工精度を得ることができるものである。

しかしながら、特に絶縁層に照射することになる炭酸ガスレーザは１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビームＯＮ時間でパルス的に照射するものであるが、そのビームＯＮ時間は長く、且つエネルギー密度は２５Ｊ／ｃｍ２以上であるので、照射する炭酸ガスレーザの出力は高いものである。
そのため、絶縁層を分解、除去する際に発生する熱は大きく、しかも発生した熱は絶縁層内に徐々に滞留してしまうので、止まり穴において中膨れ形状のような変形を完全に止めることはできず、また、該止まり穴内の底部に露出する導体層に対して変色、溶融、貫通又は剥離等のダメージを与えるおそれがある。

再公表特許ＷＯ２００２／０８１１４１号公報

解決しようとする課題は、プリント基板におけるレーザによるＴＨを形成するためのホール加工方法において、該ＴＨの加工の作業効率の向上及び作業コストの低減を図りつつ、プリント基板に形成されるＴＨのセンター径が設計値の許容範囲内となるように高い加工精度を実現するものである。

第１の特徴として、
樹脂とガラス繊維のガラスクロスとからなる絶縁層と、該絶縁層の両面に設けられた外部導体層とともに、該絶縁層内部に設けられた内部導体層とから構成されるプリント基板におけるレーザによるスルーホール（以下、「ＴＨ」という。）を形成するためのホール加工方法において、
該プリント基板におけるホール加工のために複数回のショットを行うものであって、
（１）少なくとも初回のショットでは、プリント基板の一面の外部導体層に対して、連続パルス照射を行って、該外部導体層又は外部導体層と絶縁層の一部を分解、除去し、
（２）その後のショットでは、連続パルス照射あるいは断続パルス照射を行って、そのプリント基板の厚さの半分となる位置の直前（即ち、「少なくとも最後のショットである断続パルス照射を行って、孔の深さが、該プリント基板の厚さの半分の位置に至る位置」までのことである。以下同じ。）までの深さに至るまで絶縁層を分解、除去し、
（３）さらに、少なくともプリント基板の厚さの半分となる位置の直前以降においては、断続パルス照射のショットを行って、そのプリント基板の厚さの半分となる位置まで残った絶縁層を分解、除去し、
（４）その上で、プリント基板の他面についても、上記（１）～（３）の加工を行い、その両側からの孔を貫通させるものである。

そのため、プリント基板におけるＴＨについてのホール加工（以下、「ＴＨ加工」という。）では、その作業時間を短縮し、作業コストを低減することができる。
さらに、ＴＨ加工では、プリント基板の両面から加工して、それを貫通させてＴＨを形成することから、該プリント基板の厚さの半分となる位置の直前以降のホール加工は、断続パルス照射によって行うので、絶縁層内で発生し、滞留する熱は、その断続パルス照射における出力ボトム時に、絶縁層の熱伝導により該絶縁層を通じて放散されて十分冷却されるものとなる。
その結果、プリント基板の両面から絶縁層に形成される孔を高い加工精度で加工できるので、該孔を組み合わせてＴＨとしても、ＴＨのセンター径を設計値の許容範囲内にする高い加工精度を実現することができるものである。

本願発明は、炭酸ガスレーザによるプリント基板におけるＴＨを形成するためのホール加工において、連続パルス照射と断続パルス照射とを組み合わせるものであるので、プリント基板の外部導体層及び絶縁層に対してホール加工を効率的に行えるので、作業時間を短縮して作業効率を向上させるとともに、作業コストを低減させることができる優れた効果を有するものである。

そして、絶縁層に対して行う断続パルス照射では、出力が小さいものである上、ホール加工において発生し、滞留することになる熱は断続パルス照射の出力ボトム時において絶縁層を通じての熱伝導により放散されて十分に冷却される。
その結果、中間のショットにも断続パルスを使用した場合には、ＴＨにおいて、中膨れ形状等の変形をより防止しつつ、レーザ照射による加工量を細かく調整して正確に加工できるので、高い加工精度を実現できるものである。

特に、プリント基板を貫通するＴＨ加工では、プリント基板の両面から形成される孔のボトム径が正確に加工されるので、それらの孔を貫通させてＴＨとしても、該ＴＨにおけるセンター径は設計値の許容範囲内となって、ＴＨ内壁に設けられるメッキの信頼性を維持するだけの高い加工精度を実現できる優れた効果をも有するものである。

図１は、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法を実施するプリント基板におけるホール加工装置の模式図である。 図２は、プリント基板上において複数のＴＨを形成するに当たって、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法を適用した場合のレーザ照射の動きを示す図である。 図３は、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法によってＴＨを形成する工程を示した図である。 図４は、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法において使用する（イ）連続パルス照射及び（ロ）断続パルス照射の概念図である。 図５は、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法によって、プリント基板にＴＨを形成する工程を示した断面模式図である。

プリント基板の外部導体層に対して連続パルス照射を行って該外部導体層、又は外部導体層と絶縁層の一部を分解、除去し、さらにその後、絶縁層に対して連続パルス照射あるいは断続パルス照射を行った上で、最終的に断続パルス照射によるホール加工の仕上げを行うものである。
その結果、プリント基板におけるＴＨのホール加工の作業時間を短縮して作業効率を向上させるとともに、作業コストを低減し、特に絶縁層においてホール加工を行う断続パルス照射では出力ボトム時にＴＨ内において発生し、滞留する熱は熱伝導により放散し、十分に冷却することで高い加工精度を実現する上、ＴＨ加工では該プリント基板の両面から形成する両孔を貫通させてＴＨとしても、そのセンター径は設計値の許容範囲内となるものである。

尚、ホール加工に際してプリント基板に対して初回に照射する連続パルス照射のパルス幅を１μｓ以上とすることが望ましく、それによってレーザを照射するプリント基板の外部導体層に与える熱が大きくなり、該外部導体層を除去するために必要となる蓄熱効果を十分に発揮させるものである。その結果、プリント基板における外部導体層を容易に分解、除去できるものである。

一方、最後のショットで行われる断続パルス照射においては、そのパルス幅を１μｓ未満とすることが望ましい。それによって、一定のパルス周期における出力ボトム時間が大きくなるので、レーザの照射に伴って発生する熱は小さくなって加工量も少なくなるものの、加工量を調整して正確に加工を行えるとともに、上記加工時に発生した熱は迅速に出力ボトム時での熱伝導により拡散されて十分に冷却されるので、ＴＨのセンター径を設計値の許容範囲内とする高い加工精度を実現することができるものである。

図１に示すものは、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法を実施するプリント基板におけるホール加工装置Ａである。
そして、該プリント基板におけるホール加工装置Ａは、炭酸ガスレーザによってプリント基板１を構成する絶縁層２内に設けられた内部導体層である内部銅箔層４を露出させるように、該プリント基板１の両面に有する外部導体層である表面銅箔層３’を除去して貫通するスルーホールＴＨを加工するものである。

そこで、上記プリント基板におけるホール加工装置Ａは、レーザｈを発生する発振器ａ、該発振器ａから発生したレーザｈの光径を複数のレンズｂ’を以て収束させるズームｂ、該ズームｂによって光径を収束させたレーザｈを所定の光径まで絞るアパーチャｃ、プリント基板の一定の区画の照射面に対して、アパーチャｃを通過したレーザｈを狙った位置へ照射するようにガルバノスキャナｄによって制御されてなるガルバノミラーｅ、プリント基板１の照射面に対してレーザｈを垂直に照射するＦθレンズｆ、該Ｆθレンズｆを通過したレーザｈによって加工が施されるプリント基板１を載置し、必要な場合にプリント基板１を適切な位置に設定するため平面方向を縦横に移動可能となる加工テーブルｇ、発振器ａからズームｂ、アパーチャｃ、ガルバノミラーｅ、Ｆθレンズｆへと、レーザｈを反射しつつ誘導してプリント基板１に至る光路を形成する複数のミラーｉ、並びに前記発振器ａ、ガルバノスキャナｄ、及び加工テーブルｇを統合的に制御するＮＣ装置ｊから構成されるものである。

ここで、発振器ａから照射されたレーザｈは、ガルバノスキャナｄにて位置決めされて、Ｆθレンズｆによってプリント基板１上に焦点を結んでホール加工がされるものであって、発振器ａ、ガルバノスキャナｄ、及び加工テーブルｇはＮＣ装置ｊからの指示により制御されるものである。
ところで、プリント基板１に対するホール加工における、ガルバノスキャナｄでの加工領域は、Ｆθレンズｆの領域に限定されるものである。そのため、ガルバノスキャナｄでの加工領域が前記Ｆθレンズｆの領域外となった場合には、加工テーブルｇを平面方向に移動自在とさせることによってプリント基板１の位置を調整して、ホール加工を行うものである。
なお、上記プリント基板におけるホール加工装置Ａにおいて、プリント基板１に照射されるレーザｈにおける連続パルス照射Ｌａ又は断続パルス照射Ｌｂの変更は、ＮＣ装置ｊ内に内蔵されるプログラムによって発振器ａを制御して行うものである。

ところで、上記発振器ａ、ガルバノスキャナｄ及び加工テーブルｇを統合的に制御するＮＣ装置ｊの加工パートプラグラムは、加工する条件選択指令（以下、「Ｔ指令」という。）と加工位置指令とから構成されている。
そのため、ＮＣ装置ｊでは、該Ｔ指令に対応した、例えばレーザ発振条件、加工モード等の加工条件を設定した上で、それらを上記加工パートプラグラムとともに読み取り、その指示データに従って、加工テーブルｇによってプリント基板１の加工領域をＦθレンズｆの下となるように移動させ、ガルバノスキャナｄによってプリント基板１の加工位置を位置決めし、発振器ａから発振される連続パルス照射Ｌａ又は断続パルス照射Ｌｂによってホール加工を行うものである。

ここで、Ｔ指令の加工条件の加工モードの選択項目には、本願発明のプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法が設けられており、Ｔ指令の加工条件として、例えばホール加工のためにプリント基板１に照射する複数回のレーザ照射において、そのショットを各々個別具体的に、連続パルス発振Ｌａ又は断続パルス発振Ｌｂのいずれにするかを設定できるものである。

次に、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法により、図３において示す工程表に従って、図５において示すように、プリント基板にＴＨを形成するための作業工程を説明する。
ここで、プリント基板１’は、絶縁層２’と、該絶縁層２’の両面において外部導体層である表面銅箔層３’とから構成するものである。
そこで、上記プリント基板１’に対してＴＨ（Ｃ）を形成するに当たっては次のようにするものである。
（１）まず、プリント基板１’の外部導体層である表面銅箔層３’を有する両面のうち、その一面１ａ’に対して、初回のショットでは連続パルス照射Ｌａを行って、外部導体層である表面銅箔層３’、又は外部導体層である表面銅箔層３’と絶縁層２’の一部を分解、除去する〔図５（イ）～（ロ）参照〕。
なお、この段階で、絶縁層２’内に形成される孔５の深さが、該プリント基板１’の厚さの半分の直前まで至っていた場合は、（３）の断続パルス照射へ移行する。
（２）そして、その後のショットでは、孔５の深さが、該プリント基板１’の厚さの半分の直前に至るまで、連続パルス照射Ｌａもしくは断続パルス照射Ｌｂを適宜組み合わせて行い、絶縁層２’を分解、除去する〔同図（ロ）参照〕。
（３）さらに、少なくとも最後のショットでは、断続パルス照射Ｌｂを行って、孔５の深さが、該プリント基板１’の厚さの半分の位置に至るまで、絶縁層２を分解、除去する〔同図（ハ）参照〕。
（４）その上で、プリント基板１’の他面に対して、上記（１）～（３）の加工を行うものである〔同図（ニ）～（ホ）参照〕。
（５）その結果、最終的に、両孔５、５を貫通させてＴＨ（Ｃ）を形成することができるものである〔同図（ヘ）参照〕。

以上のようにして、プリント基板１’にＴＨ（Ｃ）を形成するので、上記プリント基板１’におけるＴＨ（Ｃ）のホール加工の作業時間を短縮し、作業コストを低減することができるものとなる。
そして、プリント基板１’の一面及び他面からの各ホール加工に際し、少なくともそれぞれ最後のホール加工を断続パルス照射Ｌｂによって行うことから、その出力は弱いものであるが、その加工量は少なく加工量を調整しやすいので、プリント基板１’の両面からそれぞれ形成される孔５、５が貫通することによって形成されるＴＨ（Ｃ）において、そのセンター径が設計値の許容範囲内となるように正確に加工することができるようになる。
その結果、ＴＨ（Ｃ）の壁面に設けられるメッキの信頼性の維持が可能となるものである。

そこで、本願発明であるプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法によってＴＨ（Ｃ）を形成する場合における本願発明の効果を検討した。
絶縁層２’の両面にある外部導体層である表面銅箔層３’、３’が２μｍ、絶縁層２’厚が６０μｍであるプリント基板１’に対して、プリント基板１’の外部導体層である表面銅箔層３’における開口径がφ６０μｍであって、センター径がφ４０±１０μｍとする仕様のＴＨ（Ｃ）を形成するにあたって、断続パルス照射Ｌｂの条件を様々に変化させ、すなわち連続パルス照射Ｌａと様々なパルス幅の断続パルス照射Ｌｂとを組み合わせたもの（条件５～９）の加工品質と、全てのショットを連続パルス照射Ｌａのみとするもの（条件１～４）の加工品質とを比較した結果を表２に示すものである。
なお、１ショット目の連続パルス照射Ｌａは、プリント基板１’の表面導体層である表面銅箔層３’を除去することを目的とするため、エネルギー密度が５２Ｊ／ｃｍ２であって、そのパルス幅が８μｓとするものであり、表２の条件１～９においては共通するので省略する。

以上のとおり、まずＴＨのセンター径をφ３０～５０μｍとするためには１８Ｊ／ｃｍ２程度のエネルギー密度が必要となるが、連続パルス照射ＬａだけではＴＨのセンター径を設計値の許容範囲内であるφ４０±１０μｍ、すなわちφ３０μｍ以上であって５０μｍ以下とすることは不可能であった。それに対して、エネルギー密度を１８Ｊ／ｃｍ２以上とし、前記連続パルス照射Ｌａに続いて断続パルス照射Ｌｂを行った場合には、断続パルス照射Ｌｂにおけるパルス幅が１μｓ未満であっても、特に０．４μｓであっては明らかに不足してしまうものである。従って、パルス幅を０．５μｓ以上で、０．７μｓ以下とすることによって、ＴＨのセンター径がφ３０～５０μｍとなる結果が得られたので、本願発明の効果が確認された。

プリント基板において、ＴＨを形成するに当たって行う複数回のレーザ照射において、連続パルス照射と断続パルス照射とを組み合わせることで、レーザ加工の作業効率を向上させるとともに、作業コスト低減させ、しかも高い加工精度を実現することができる上、プリント基板の絶縁層内に設けられた内部導体層に対して、加工に際してのダメージを与えることはないので、プリント基板のみならず、薄肉化され、且つ微細化されたあらゆる基板の加工に適用できるものである。

１’ プリント基板
１ａ’ 一面
２’ 絶縁層
２ａ‘ 樹脂
２ｂ‘ ガラスクロス
３’ （表面導体層である）表面銅箔層
５ 孔
Ａ プリント基板におけるホール加工装置
ａ 発振器
ｂ ズーム
ｂ’ レンズ
ｃ アパーチャ
ｄ ガルバノスキャナ
ｅ ガルバノミラー
ｆ Ｆθレンズ
ｇ 加工テーブル
ｈ レーザ
ｉ ミラー
ｊ ＮＣ装置
Ｃ スルーホール（ＴＨ）

Claims (1)

1. 樹脂とガラス繊維のガラスクロスとからなる絶縁層と、該絶縁層の両面に設けられた外部導体層とともに、該絶縁層内部に設けられた内部導体層とから構成されるプリント基板におけるレーザによるスルーホール（以下、「ＴＨ」という。）を形成するためのホール加工方法において、
   該プリント基板におけるホール加工のために複数回のショットを行うものであって、
   （１）少なくとも初回のショットでは、プリント基板の一面の外部導体層に対して、連続パルス照射を行って、該外部導体層又は外部導体層と絶縁層の一部を分解、除去し、
   （２）その後のショットでは、連続パルス照射あるいは断続パルス照射を行って、そのプリント基板の厚さの半分となる位置の直前（即ち、「少なくとも最後のショットである断続パルス照射を行って、孔の深さが、該プリント基板の厚さの半分の位置に至る位置」までのことである。以下同じ。）までの深さに至るまで絶縁層を分解、除去し、
   （３）さらに、少なくともプリント基板の厚さの半分となる位置の直前以降においては、断続パルス照射のショットを行って、そのプリント基板の厚さの半分となる位置まで残った絶縁層を分解、除去し、
   （４）その上で、プリント基板の他面についても、上記（１）～（３）の加工を行い、その両側からの孔を貫通させる
   ことを特徴とするプリント基板における炭酸ガスレーザによるホール加工方法。