JP2002045985A - Method for machining ellipsoidal hole with laser beam and device for machining ellipsoidal hole with laser beam - Google Patents
Method for machining ellipsoidal hole with laser beam and device for machining ellipsoidal hole with laser beamInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板や金属・
非金属材料からなる薄板などの被加工物にレーザを用い
てスルーホールまたはブラインドホールを穴加工、特に
その穴形状が楕円形状である穴加工を行うためのレーザ
楕円穴加工方法及びレーザ楕円穴加工装置に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Laser elliptical hole drilling method and laser elliptical hole drilling method for drilling through holes or blind holes in a workpiece such as a thin plate made of non-metallic material by using a laser, particularly for drilling an elliptical hole. It concerns the device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、回路基板の小型・軽量化に伴い、
回路基板上のスルーホールまたはブラインドホールは直
径200μm以下とする必要が生じている。このような
極小径のスルーホールまたはブラインドホールを回路基
板上に穴加工するとき、炭酸ガスレーザ、エキシマレー
ザもしくはYAGレーザなどのレーザを用いて穴加工を
行なっていた。さらに回路基板の微細化の必要とともに
回路基板における電気的接触抵抗を得るために、円形状
ではなく楕円形状のスルーホール等の穴加工を行なって
いる。従来の楕円形状の穴加工を行なう方法は、楕円形
状の穴を有するマスクを用いて被加工物上にレーザを楕
円形状に集光させるか、もしくは被加工物上において、
レーザの集光位置を楕円上に走査させるという方法があ
る。2. Description of the Related Art In recent years, as circuit boards have become smaller and lighter,
There is a need for a through hole or a blind hole on a circuit board to have a diameter of 200 μm or less. When such an extremely small through hole or blind hole is formed on a circuit board, the hole is formed using a laser such as a carbon dioxide gas laser, an excimer laser or a YAG laser. Further, in order to obtain the electrical contact resistance of the circuit board together with the necessity of miniaturization of the circuit board, holes such as through holes having an elliptical shape instead of a circular shape are formed. A conventional method of performing an elliptical hole processing is to focus a laser on the workpiece using a mask having an elliptical hole in an elliptical shape, or on the workpiece,
There is a method in which the laser focus position is scanned on an ellipse.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マスク
を用いて楕円穴加工を行なう方法では、比較的大きな穴
を穴加工する場合、レーザ出力により制限され加工時間
が長くなるか、もしくは加工不可能となるという問題が
あった。一方、レーザを楕円上に走査して楕円穴加工を
行なう方法には、次の3つの方法があるが、それぞれ問
題点がある。まず、ガルバノミラーを用いてレーザを楕
円上に走査する方法には、温度変化や経時変化によりガ
ルバノミラーの位置が変化してしまい、さらに、その分
解能の限界により高精度な楕円穴加工を行なうことがで
きないという問題があった。また、レーザを被加工物に
集光して被加工物を保持するXYステージを楕円上に駆
動することによりレーザの集光位置を楕円上に走査する
方法には、そのXYステージを高速・高精度で駆動する
ことが困難であるという問題があった。また、レーザの
被加工物上の集光位置を公転運動させるとともに同期を
とって被加工物を保持するステージを所定方向に往復運
動させることによりレーザを楕円上に走査する方法に
は、その同期制御および往復運動させるための駆動機構
が必要となりさらに高精度で制御することが困難である
という問題点があった。However, in the method of forming an elliptical hole using a mask, when a relatively large hole is to be formed, the processing time is limited by the laser output, or the processing time is long or impossible. There was a problem of becoming. On the other hand, there are the following three methods for processing an elliptical hole by scanning a laser on an ellipse, but each has a problem. First, the method of scanning a laser on an ellipse using a galvanomirror involves changing the position of the galvanomirror due to temperature change or aging, and furthermore, performing high-precision elliptical hole processing due to the limit of its resolution. There was a problem that can not be. In addition, a method of scanning a laser condensing position on an ellipse by converging a laser beam on a workpiece and driving an XY stage for holding the workpiece on an ellipse includes the following steps. There is a problem that it is difficult to drive with accuracy. In addition, a method of scanning the laser on an ellipse by reciprocating a stage holding the workpiece in a predetermined direction while revolving the condensing position of the laser on the workpiece and synchronizing the laser is disclosed in Japanese Patent Application Publication No. A drive mechanism for controlling and reciprocating motion is required, and it is difficult to control with high accuracy.
【0004】そこで、本発明は、容易な方法により高精
度な楕円穴加工を行なうことができるレーザ楕円穴加工
方法およびレーザ楕円穴加工装置を提供することを課題
とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser elliptical hole drilling method and a laser elliptical hole drilling apparatus capable of performing highly accurate elliptical hole drilling by an easy method.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明は、レーザを被加工物上において
楕円形状に集光し、前記被加工物上のレーザの結像を、
前記レーザの光軸に対して偏心させるとともに円形走査
することにより楕円穴加工を行なうものである。As a means for solving the above problems, the present invention focuses a laser on an object to be processed in an elliptical shape, and forms an image of the laser on the object,
An elliptical hole is formed by eccentricity with respect to the optical axis of the laser and circular scanning.
【0006】本発明では、被加工物上において楕円形状
に集光させたレーザの結像を、このレーザの光軸に対し
て偏心するとともに円形走査することにより、楕円走査
することなく被加工物上に楕円形状の穴加工を行なうこ
とができる。According to the present invention, an image of a laser condensed in an elliptical shape on a workpiece is circularly scanned while being decentered with respect to the optical axis of the laser, so that the workpiece is not scanned elliptically. An elliptical hole can be formed on the top.
【0007】前記結像のレーザのエネルギー密度は、そ
の楕円形状範囲内において概略均等であることが好まし
い。これにより、被加工物上において断面形状の等しい
高品質な楕円穴加工を行なうことができる。It is preferable that the energy density of the image forming laser is substantially uniform within its elliptical shape range. Thereby, it is possible to perform high-quality elliptical hole processing having the same cross-sectional shape on the workpiece.
【0008】また、前記課題を解決するための手段とし
て、本発明は、レーザを被加工物上において楕円形状に
集光する楕円集光手段と、前記被加工物上のレーザの結
像を、前記レーザの光軸に対して偏心するとともに円形
走査する円形走査手段とからなるものである。[0008] As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides an elliptical condensing means for converging a laser on a workpiece in an elliptical shape, and forming an image of the laser on the workpiece by: And circular scanning means for eccentrically scanning the optical axis of the laser and performing circular scanning.
【0009】本発明では、楕円集光手段によりレーザを
被加工物上において楕円形状に集光して、円形走査手段
によりその被加工物上のレーザの結像をレーザの光軸に
対して偏心するとともに円形走査することにより、楕円
走査することなく被加工物上に楕円形状の穴加工を行な
うことができる。In the present invention, the laser is condensed in an elliptical shape on the workpiece by the elliptical focusing means, and the image of the laser on the workpiece is decentered with respect to the optical axis of the laser by the circular scanning means. In addition, by performing circular scanning, an elliptical hole can be formed on a workpiece without performing elliptical scanning.
【0010】前記結像の前記レーザの光軸に対する偏心
量は、調整可能にすることが好ましい。これにより、被
加工物上に集光する楕円形状の大きさを任意に調整する
ことが可能となる。It is preferable that the amount of eccentricity of the image with respect to the optical axis of the laser is adjustable. This makes it possible to arbitrarily adjust the size of the elliptical shape condensed on the workpiece.
【0011】前記楕円集光手段は、前記レーザを楕円形
状の穴を有するマスクを介して楕円形状に集光すること
が好ましい。It is preferable that the elliptical condensing means condenses the laser into an elliptical shape through a mask having an elliptical hole.
【0012】前記楕円集光手段は、前記レーザをシリン
ドリカルレンズを介して楕円形状に集光することが好ま
しい。It is preferable that the elliptical condensing means condenses the laser into an elliptical shape via a cylindrical lens.
【0013】前記楕円集光手段は、前記シリンドリカル
レンズの位置を前記光軸方向に調整することにより前記
結像の楕円形状の大きさを任意に調整可能にすることが
好ましい。これにより、被加工物上に集光される楕円形
状の大きさを任意に調整することが可能となる。It is preferable that the elliptical condensing means adjusts the size of the elliptical shape of the image by adjusting the position of the cylindrical lens in the optical axis direction. Thereby, it is possible to arbitrarily adjust the size of the elliptical shape focused on the workpiece.
【0014】前記結像のレーザのエネルギー密度は、そ
の楕円形状範囲内において概略均等であることが好まし
い。これにより、被加工物上において断面形状の等しい
高品質な楕円穴加工を行なうことができる。It is preferable that the energy density of the laser for the image formation is substantially uniform within its elliptical shape range. Thereby, it is possible to perform high-quality elliptical hole processing having the same cross-sectional shape on the workpiece.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して説明する。図1は、本発明にかか
るレーザ楕円穴加工装置の概略構成図を示す。このレー
ザ楕円穴加工装置は、レーザ発振器1、楕円集光手段
2、円形走査手段3および被加工物4aを上面に固定す
るステージ4からなる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a laser elliptical hole machining apparatus according to the present invention. This laser elliptical hole processing apparatus includes a laser oscillator 1, an elliptical condensing means 2, a circular scanning means 3, and a stage 4 for fixing a workpiece 4a on an upper surface.
【0016】楕円集光手段2は、レーザ発振器1から発
振されたレーザ1a(断面が直径1mmの円形状)のレ
ーザビーム径を、本実施形態においては直径2mmに拡
げるビームエキスパンダー5と、このビームエキスパン
ダー5から出射された水平方向のレーザ1aを垂直下方
向に全反射する全反射ミラー6と、図2に示すように、
短径0.5mm、長径1mmの楕円形状の穴を有し、全
反射ミラー6から反射されたレーザ1aを楕円断面のレ
ーザ1bにするマスク7とからなる。The elliptical condensing means 2 includes a beam expander 5 for expanding a laser beam diameter of a laser 1a (a circular section having a diameter of 1 mm) oscillated from the laser oscillator 1 to a diameter of 2 mm in the present embodiment. A total reflection mirror 6 for totally reflecting the laser 1a in the horizontal direction emitted from the expander 5 vertically downward, as shown in FIG.
The mask 7 has an elliptical hole having a minor axis of 0.5 mm and a major axis of 1 mm, and converts the laser 1a reflected from the total reflection mirror 6 into a laser 1b having an elliptical cross section.
【0017】円形走査手段3は、偏心手段8と回転手段
9とからなり、偏心手段8は、マスク7を通過したレー
ザ1bを、図1に示すように、その光軸xに対して被加
工物4a上で偏心量ε(本実施形態においては、ε=2
0μm)だけ偏心させるものである。また、図3に示す
ように、そのレーザ1bの被加工物4a上の結像10
は、偏心手段8に入射したレーザ1bの断面積の結像倍
率20分の1に縮小された断面積を有する。回転手段9
は、この偏心手段8を内部に収容するとともにレーザ1
bの光軸xと概略一致する図示しない回転軸を中心にし
て回転させるものである。The circular scanning means 3 comprises an eccentric means 8 and a rotating means 9, and the eccentric means 8 processes the laser 1b passing through the mask 7 with respect to its optical axis x as shown in FIG. On the object 4a, the amount of eccentricity ε (in the present embodiment, ε = 2
0 μm). As shown in FIG. 3, an image 10 of the laser 1b on the workpiece 4a is formed.
Has a cross-sectional area reduced to 1/20 of the imaging magnification of the cross-sectional area of the laser 1 b incident on the eccentric means 8. Rotating means 9
Accommodates the eccentric means 8 inside and the laser 1
This is to rotate about a rotation axis (not shown) which substantially coincides with the optical axis x of b.
【0018】次に、以上の構成からなるレーザ楕円穴加
工装置の穴加工について説明する。Next, a description will be given of the hole machining of the laser elliptical hole machining apparatus having the above configuration.
【0019】レーザ発振器1から発振された断面が直径
1mmの円形状のレーザ1aは、ビームエキスパンダー
5により断面が直径2mmの円形状のレーザ1aに拡げ
られ、全反射ミラー6により被加工物4aに向かって下
方向に曲げられた後、マスク7を介して通過する。マス
ク7を通過した断面が短径0.5mm、長径1mmの楕
円形状のレーザ1bは、その光軸xと偏心手段8の回転
軸とが概略一致するように偏心手段8に入射する。この
レーザ1aは、図3に示すように、偏心手段8により被
加工物4a上において光軸xから偏心量ε=20μmだ
け偏心させられるとともに短径25μm、長径50μm
に縮小されて楕円形状である結像10となる。A circular laser 1a having a cross section of 1 mm in diameter oscillated from the laser oscillator 1 is expanded by a beam expander 5 into a circular laser 1a having a cross section of 2 mm in diameter. After being bent downward, it passes through the mask 7. The laser 1b having a cross section of 0.5 mm in short diameter and 1 mm in long diameter passing through the mask 7 is incident on the eccentric means 8 such that its optical axis x substantially coincides with the rotation axis of the eccentric means 8. As shown in FIG. 3, the laser 1a is eccentric from the optical axis x by an eccentric amount ε = 20 μm on the workpiece 4a by the eccentric means 8 and has a minor axis of 25 μm and a major axis of 50 μm.
To form an image 10 having an elliptical shape.
【0020】次に、図4に示すように、回転手段9が、
回転軸を中心にして偏心手段8を回転させると、結像1
0の楕円の中心位置10aは、回転軸を中心として半径
ε=20μmの円周上を動かされ、そのとき結像10が
通過して短径65μm、長径90μmの楕円となる。こ
のとき、偏心量εを変化させることにより、この楕円の
大きさを任意に調整するようにしても良い。また、楕円
形状の穴の寸法が異なるマスク7を使用することによ
り、被加工物上の結像10の寸法を任意に調整するよう
にして穴加工する楕円形状の寸法を調整するようにして
も良い。このように、従来のようにレーザを楕円走査す
ることなく、簡単な機構でレーザを円形走査するだけで
楕円形状の穴加工を行なうことができる。Next, as shown in FIG. 4, the rotating means 9
When the eccentric means 8 is rotated about the rotation axis, an image 1 is formed.
The center position 10a of the 0 ellipse is moved on a circumference having a radius of ε = 20 μm around the rotation axis. At this time, the image 10 passes and becomes an ellipse having a minor axis of 65 μm and a major axis of 90 μm. At this time, the size of the ellipse may be arbitrarily adjusted by changing the amount of eccentricity ε. Also, by using the mask 7 having different elliptical hole dimensions, the elliptical dimension of the hole to be drilled may be adjusted by arbitrarily adjusting the dimension of the image 10 on the workpiece. good. As described above, an elliptical hole can be formed only by circularly scanning the laser with a simple mechanism without performing the laser elliptical scanning as in the related art.
【0021】また、図5に示すように、マスク7の代り
にシリンドリカルレンズ12を用いて、全反射ミラー6
から反射されるレーザ1aをこのシリンドリカルレンズ
12を介して通過させることにより、楕円形状の断面を
有するレーザ1bを偏心手段8に入射するようにしても
良い。さらに、シリンドリカルレンズ12の位置を光軸
x方向において調整することにより、被加工物上の結像
10の寸法を任意に調整して穴加工する楕円形状の寸法
を調整するようにしても良い。As shown in FIG. 5, a cylindrical lens 12 is used in place of the mask 7, and a total reflection mirror 6 is used.
The laser 1a having an elliptical cross section may be incident on the eccentric means 8 by passing the laser 1a reflected from the laser beam through the cylindrical lens 12. Furthermore, by adjusting the position of the cylindrical lens 12 in the optical axis x direction, the size of the image 10 on the workpiece may be arbitrarily adjusted to adjust the size of the elliptical shape for boring.
【0022】また、結像10上でのレーザ1aのエネル
ギー密度が、図6に示すように、結像10の中央部で最
も高く周辺部につれて低いレーザ1aにより楕円穴加工
を行なったとき、被加工物4a上に加工される穴の断面
が貫通方向に先細りのテーパ形状となり、被加工物4a
のレーザ1aの貫通側の面において所望の楕円形状とは
異なる穴が形成される場合がある。そこで、図7に示す
ように、結像10上でのエネルギー密度が概略均一なレ
ーザ1aにより楕円穴加工を行なうことにより、被加工
物4a上に加工される穴の断面がレーザ1aの入射側お
よび貫通側の面においても同様である所望の楕円形状を
有する穴を形成することができる。As shown in FIG. 6, when the laser 1a on the image 10 has the highest energy density at the center of the image 10 and the laser 1a has a lower energy density toward the periphery, the laser 1a has The cross section of the hole to be machined on the workpiece 4a has a tapered shape tapering in the penetrating direction.
In some cases, a hole different from the desired elliptical shape is formed on the surface on the penetration side of the laser 1a. Therefore, as shown in FIG. 7, by performing the elliptical hole processing with the laser 1a having a substantially uniform energy density on the image forming 10, the cross section of the hole to be processed on the workpiece 4a is changed to the incident side of the laser 1a. Also, a hole having a desired desired elliptical shape can be formed on the surface on the through side.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、レーザを被加工物上において楕円形状に集光
し、被加工物上のレーザの結像を、レーザの光軸に対し
て偏心させるとともに円形走査することにより楕円穴加
工を行なうので、レーザを楕円走査することなく、円形
走査するだけの容易な方法により高精度な楕円穴加工を
行なうことができる。As is apparent from the above description, according to the present invention, a laser is focused on an object to be processed in an elliptical shape, and the image of the laser on the object is focused on the optical axis of the laser. Since the elliptical hole processing is performed by eccentricity and circular scanning, a high-precision elliptical hole processing can be performed by a simple method of circular scanning without laser elliptical scanning.
【図1】 本発明の実施形態にかかるレーザ楕円穴加工
装置の全体構成図。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser elliptical hole processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図2】 図1のマスクを示した拡大平面図。FIG. 2 is an enlarged plan view showing the mask of FIG.
【図3】 図1の被加工物上に集光されたレーザによる
結像を示した拡大平面図。FIG. 3 is an enlarged plan view showing an image formed by a laser focused on a workpiece shown in FIG. 1;
【図4】 図3の楕円穴加工時の状態を示した拡大平面
図。FIG. 4 is an enlarged plan view showing a state at the time of machining the elliptical hole of FIG. 3;
【図5】 本発明の他の実施形態にかかるレーザ楕円穴
加工装置の全体構成図。FIG. 5 is an overall configuration diagram of a laser elliptical hole machining apparatus according to another embodiment of the present invention.
【図6】 図4における断面Iでのレーザの均一でない
エネルギー密度分布と、そのレーザにより穴加工を行な
ったときの被加工物の断面Iを示した図。FIG. 6 is a diagram showing a non-uniform energy density distribution of a laser at a cross section I in FIG. 4 and a cross section I of a workpiece when drilling is performed by the laser.
【図7】 図4における断面Iでのレーザの概略均一な
エネルギー密度分布と、そのレーザにより穴加工を行な
ったときの被加工物の断面Iを示した図。7 is a diagram showing a substantially uniform energy density distribution of a laser at a cross section I in FIG. 4 and a cross section I of a workpiece when a hole is drilled by the laser.
1a レーザ 2 楕円集光手段 3 円形走査手段 4a 被加工物 10 結像 x 光軸 1a laser 2 elliptical focusing means 3 circular scanning means 4a workpiece 10 imaging x optical axis
Claims (8)
集光し、 前記被加工物上のレーザの結像を、前記レーザの光軸に
対して偏心させるとともに円形走査することにより楕円
穴加工を行なうことを特徴とするレーザ楕円穴加工方
法。An elliptical hole is formed by converging a laser beam on an object to be processed into an elliptical shape and eccentrically forming an image of the laser beam on the object to be processed with respect to the optical axis of the laser beam and performing circular scanning. A laser elliptical hole machining method.
その楕円形状範囲内において概略均等であることを特徴
とする請求項1に記載のレーザ楕円穴加工方法。2. The energy density of the image forming laser is:
2. The laser elliptical hole machining method according to claim 1, wherein the laser beam is substantially uniform within the elliptical shape range.
集光する楕円集光手段と、前記被加工物上のレーザの結
像を、前記レーザの光軸に対して偏心するとともに円形
走査する円形走査手段とからなることを特徴とするレー
ザ楕円穴加工装置。3. An ellipse condensing means for converging a laser on an object to be processed into an ellipse, and an image of the laser on the object is circularly scanned while being decentered with respect to the optical axis of the laser. A laser elliptical hole machining apparatus comprising a circular scanning means.
心量は、調整可能にしたことを特徴とする請求項3に記
載のレーザ楕円穴加工装置。4. The laser elliptical hole machining apparatus according to claim 3, wherein an eccentric amount of the image with respect to an optical axis of the laser is adjustable.
形状の穴を有するマスクを介して楕円形状に集光するこ
とを特徴とする請求項3または4に記載のレーザ楕円穴
加工装置。5. The laser elliptical hole processing apparatus according to claim 3, wherein the elliptical focusing means focuses the laser in an elliptical shape via a mask having an elliptical hole.
ンドリカルレンズを介して楕円形状に集光することを特
徴とする請求項3または4に記載のレーザ楕円穴加工装
置。6. The laser elliptical hole machining apparatus according to claim 3, wherein the elliptical focusing means focuses the laser in an elliptical shape via a cylindrical lens.
ルレンズの位置を前記光軸方向に調整することにより前
記結像の楕円形状の大きさを任意に調整可能にしたこと
を特徴とする請求項6に記載のレーザ楕円穴加工装置。7. The elliptical light condensing means is capable of arbitrarily adjusting the size of the elliptical shape of the image by adjusting the position of the cylindrical lens in the optical axis direction. 7. The laser elliptical hole processing device according to 6.
その楕円形状範囲内において概略均等であることを特徴
とする請求項3から7のいずれかに記載のレーザ楕円穴
加工装置。8. The energy density of the image forming laser is:
The laser elliptical hole machining apparatus according to any one of claims 3 to 7, wherein the laser ellipse holes are substantially uniform within the elliptical shape range.
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JP2000238313A JP2002045985A (en) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | Method for machining ellipsoidal hole with laser beam and device for machining ellipsoidal hole with laser beam |
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