JP2002035975A

JP2002035975A - レーザドリル方法及び装置

Info

Publication number: JP2002035975A
Application number: JP2000218410A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Eito; 博章永當
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2002-02-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ビアホール形成を高スループット化するのに
適したレーザドリル装置を提供すること。【解決手段】Ｘ軸方向に可動のステージ３６−１とＹ
軸方向に可動のステージ３６−２とを組合わせた基板ス
テージ３６と、該基板ステージ上の被加工基板３５に対
して２つのスキャナミラー３３−１、３３−２の組合わ
せによりレーザビームを照射するガルバノスキャナ３３
と、あらかじめ入力されたデータに基づいて基板ステー
ジ、ガルバノスキャナを制御するコントローラ３７とを
備えたレーザドリル装置において、２つのスキャナミラ
ーの回転軸を、被加工基板の被加工面に平行でかつ互い
に直交した状態で、Ｘ軸、Ｙ軸の一方に対して傾き角θ
をなすように調整できる駆動機構を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームによ
り穴あけを行うレーザドリル方法及び装置に関し、特に
多層プリント基板における樹脂層のような被加工部材に
穴あけを行う場合に高スループット化を図るための改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】多層プリント基板は、内部が複層化され
たプリント基板であり、大規模の電子回路を小面積で実
装する際によく用いられる。多層プリント基板の概略を
図５に示す。複数の各導電層２１は、絶縁層２２により
互いに絶縁されたうえで各層で独立に電子回路が形成さ
れている。層の異なる電子回路間を電気的に接続する必
要がある場合、絶縁層２２にビアホールと呼ばれる貫通
穴を開け、その内壁にめっき等を施すことで電気的な接
続を行う方法が用いられている。ビアホールは、１枚の
プリント基板に数百から数万個も形成される場合があ
る。

【０００３】この穴あけは、従来、金属ドリルを用いて
行われてきたが、近年、基板実装密度の向上に伴い、よ
り小径のビアホールを形成できる、レーザ加工が用いら
れるようになってきた。このような加工装置はレーザド
リル装置と呼ばれている。

【０００４】図６に、レーザドリル装置の概要を示す。
レーザドリル装置は、レーザ光源３１、光学系３２、ガ
ルバノスキャナ（走査手段）３３、ｆθレンズ３４、被
加工基板３５を搭載している基板ステージ（ステージ機
構）３６、コントローラ３７などで構成される。光学系
３２は、レーザ光の光路中に配置されたレンズ３２−
１、マスク３２−２、反射ミラー３２−３等を含む。ガ
ルバノスキャナ３３は、ガルバノミラーを使用した２つ
のスキャナミラー３３−１、３３−２から成る。基板ス
テージ３６は、Ｘ軸用のステージ３６−１とＹ軸用のス
テージ３６−２とから成る。

【０００５】このレーザドリル装置の動作は以下の通り
である。まず、レーザ光源３１からレーザビームが発生
される。なお、ここではレーザの種類は特定しない。つ
まり、レーザは媒質により、炭酸ガスレーザやＹＡＧレ
ーザ、エキシマレーザなどいくつかの種類に分けられる
が、加工対象によって、レーザ光源の適性が変わる。例
えば、プリント基板の絶縁基材としてよく用いられる、
ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂の加工には、炭酸ガスレ
レーザがよく用いられる。また、レーザはパルスレーザ
と連続レーザとがあるが、パルスレーザが好ましい。

【０００６】レーザビームは光学系３２、スキャナミラ
ー３３−１、３３−２を順に経由してｆθレンズ３４に
到達する。スキャナミラー３３−１、３３−２はレーザ
ビームの進行方向を変えるための反射鏡であり、直交す
る２軸（ｘ軸、ｙ軸）に取り付けられた各ミラーを、内
蔵のモータでそれぞれ軸周りに回転させ、その２枚のミ
ラーの向きを変えて位置決めすることで、レーザビーム
を意図した方向へ反射させる。

【０００７】一方、ｆθレンズ３４は、そこに入射した
レーザビームを被加工基板３５の表面上に結像させる働
きをする。特に、ｆθレンズ３４では、レーザビームの
入射角と、その移動方向のレーザビーム結像位置とが比
例する特性を持っており、上記ｘ、ｙ２軸のミラーの回
転角を制御することで、平面内の任意の位置に容易にレ
ーザビームを収束させることができる。この結像位置に
被加工基板３５の表面が位置するように、基板ステージ
３６上に被加工基板３５を置くことにより、被加工基板
３５の任意の位置にビアホールを形成することが可能と
なる。

【０００８】また、スキャナミラー３３−１、３３−２
とｆθレンズ３４により、ビアホールの精密な位置決め
ができる範囲（走査範囲）は、一辺が数十ｍｍ程度の四
角形領域に限られる。このため、より大きな被加工基板
に対して加工を行う場合には、基板ステージ３６の送り
動作と併用することで大面積の加工を行うのが通常であ
る。

【０００９】ここで、基板ステージ３６の動作速度は、
スキャナミラー３３−１、３３−２の動作速度に比べて
遅いので、図７に示すように、被加工基板３５の加工面
をスキャナミラー３３−１、３３−２で走査可能な区画
で分割する。そして、その１区画内での複数のビアホー
ル形成が完了したら、被加工基板３５の次の区画が走査
範囲にくるように基板ステージ３６で被加工基板３５を
移動させる。この繰り返しにより、被加工基板３６のす
べての区画に対して加工を行う。

【００１０】上記の一連の作業は、操作装置３８から予
め与えられたビアホール形成位置のデータに基づき、コ
ントローラ３７から制御指令が出されることで実行され
る。すなわち、ステージ３６−１、３６−２の位置決め
→スキャナミラー３３−１、３３−２の位置決め→レー
ザ照射の繰り返しである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般に、スキャナミラ
ー動作中の軌跡は制御していないため、スキャナミラー
３３−１、３３−２が目標位置で停止したあとで、レー
ザビームの照射を開始する。同様に、レーザビーム照射
が完了してから、次の目標位置ヘ合わせるためにスキャ
ナミラー３３−１、３３−２の回転を開始する。

【００１２】ここで、レーザドリル装置によるビアホー
ル形成においては、単位時間内に形成できるビアホール
の個数が多いほど、高スループット（加工に要する時間
が短い）となり、ユーザにとっては加工コスト低減等の
メリットがある。スループットを決める要素としては、
レーザのパルスレート、スキャナミラー３３−１、３３
−２の位置決め時間、基板ステージ３６の位置決め時間
等が挙げられる。ここでいう位置決め時間とは、移動を
開始してから所定の目標位置に位置合せされるまでの時
間である。

【００１３】上記の３要素は、いずれもレーザドリル装
置の機械的及び電気的特性により制限を受けるため、従
来のレーザドリル装置では高スループット化には限界が
あった。例えば、被加工基板３５表面でのレーザビーム
照射位置の移動距離と、位置決めに要する時間の、相関
の例を図８に示す。前述のｆθレンズ３４の効果によ
り、レーザビーム照射位置の移動距離は、スキャナミラ
ー３３−１、３３−２の振れ角に比例しているが、移動
距離が伸びるにつれて位置決め時間も長くなることがわ
かる。

【００１４】また、総加工時間を短縮するために、複数
個のビアホールを連続して形成する場合、ビアホールの
位置データを並べ直し、より短い経路で結びなおすこと
も、しばしば行われてきた。

【００１５】本発明の課題は、ビアホール形成を高スル
ープット化するのに適したレーザドリル方法及び装置を
提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、Ｘ軸方
向に可動のステージとＹ軸方向に可動のステージとを組
合わせたステージ機構を備え、該ステージ機構上の被加
工部材に対して２つのスキャナミラーの組合わせによる
走査手段によりレーザビームを照射して穴あけ加工を行
うレーザドリル方法において、前記２つのスキャナミラ
ーの回転軸を、前記被加工部材の加工面に平行でかつ互
いに直交するようにすると共に、前記Ｘ軸、Ｙ軸の一方
に対してある傾き角θをなすように配置することによ
り、前記２つのスキャナミラーによるレーザビーム照射
の合成移動方向を前記Ｘ軸、Ｙ軸の一方に合わせるよう
にしたことを特徴とするレーザドリル方法が提供され
る。

【００１７】このレーザドリル方法においては、前記２
つのスキャナミラーと前記被加工部材との間にｆθレン
ズが配置される。

【００１８】本発明によればまた、Ｘ軸方向に可動のス
テージとＹ軸方向に可動のステージとを組合わせたステ
ージ機構と、該ステージ機構上の被加工部材に対して２
つのスキャナミラーの組合わせによりレーザビームを照
射する走査手段と、あらかじめ入力されたデータに基づ
いて前記ステージ機構、走査手段を制御するコントロー
ラとを備えたレーザドリル装置において、前記２つのス
キャナミラーの回転軸を、前記被加工部材の被加工面に
平行でかつ互いに直交した状態で、前記Ｘ軸、Ｙ軸の一
方に対して傾き角θをなすように調整できる駆動手段を
備えたことを特徴とするレーザドリル装置が提供され
る。

【００１９】本レーザドリル装置においては、前記コン
トローラは、前記あらかじめ入力されたデータに基づい
て前記傾き角θが得られるように前記駆動手段を制御す
る機能を有することが望ましい。

【００２０】あるいはまた、前記２つのスキャナミラー
の傾き角θを検出するセンサを備えることにより、該セ
ンサからの検出値に基づいて手動により前記駆動手段を
制御する機構を有するようにしても良い。

【００２１】本レーザドリル装置においては、前記あら
かじめ入力されたデータは、前記被加工部材上の複数の
穴あけ位置を示す位置データであり、前記コントローラ
は、あらかじめ入力された前記位置データを、穴あけ位
置を結ぶ経路が最適な経路となるように並べ替える機能
を有する。

【００２２】本発明は、特に多層プリント基板等におけ
る、層間接続用のビアホールを形成する際に使用するレ
ーザドリル装置に適しており、その加工に要する時間を
短縮して、製造効率を向上させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。本発明は、図６で説明したようなレーザ
ドリル装置にも適用され得る。但し、図６の構成要素の
うち、コントローラ３７は、後述するように従来の機能
に加えて更に新たな機能を有し、スキャナミラー３３−
１、３３−２の設置形態も異なる。すなわち、スキャナ
ミラー３３−１、３３−２は、それぞれのミラーの回転
軸（ｘ軸、ｙ軸）の傾き角θ（被加工基板３５の加工面
に平行でかつ基板ステージ３６におけるＸ軸、Ｙ軸に対
する角度）が可変の構造にされている。このような構造
は例えば、スキャナミラー３３−１、３３−２をそれぞ
れ、その全体の姿勢角度を可変とする駆動機構に装着す
ることにより実現できる。このような駆動機構は周知の
技術を利用して実現可能であるので、ここではその詳細
についての説明は省略する。便宜上、以下では図６の構
成を基に説明する。

【００２４】スキャナミラー３３−１、３３−２の回転
軸（ｘ軸、ｙ軸）と直交関係にあるレーザビーム照射位
置の移動方向は、これまでは、図２（ａ）に示すよう
に、少々の誤差はあっても、レーザドリル装置、特に基
板ステージ３６の動作軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に対し、平行ま
たは直角に設定されている。

【００２５】本発明は、このスキャナミラー３３−１、
３３−２の回転軸方向について、基板ステージ３６の移
動方向であるＸ軸、Ｙ軸に対し、可変量の傾き角θを持
たせることを可能とする構造を特徴とする。その際の各
軸の相対関係は図２（ｂ）に示す通りである。

【００２６】図３を参照して、２つのスキャナミラー３
３−１、３３−２によるビーム照射位置の移動軸ｍ、ｎ
は互いに独立に動作するので、ｍ軸、ｎ軸双方に同時に
移動指示を発行した場合、レーザ照射位置は見かけ上、
ｍ軸、ｎ軸に対して斜め方向（合成軸方向）に移動す
る。図３において、ｍ軸方向の移動速度をＶｍ、ｎ軸方
向の移動速度をＶｎとすると、両者の合成速度はＶｍｎ
で示される。

【００２７】Ｖｍｎ≧Ｖｍ、かつＶｍｎ≧Ｖｎであるの
で、合成軸方向への移動は、ｍ軸方向、ｎ軸方向への移
動よりも高速に行える。この効果に着目することで、従
来と同じスキャナミラー３３−１、３３−２を使用した
場合であっても、その位置決め時間を短縮して、ビアホ
ール形成のスループットを向上させるのが本発明の要旨
である。

【００２８】上記の効果を生かすためには、あるビアホ
ールの加工が終了して次に加工されるべきビアホールま
での移動方向を可能な限り合成速度Ｖｍｎの得られる合
成軸に近い方向に合わせることが重要である。これは、
被加工基板３５上のビアホールの配置及び、ビアホール
の加工順番を変更する場合にはその順序にも依存する。
このため、加工の前に、被加工基板３５上のビアホール
配置の位置データを解析して、ビアホールの位置データ
を加工順に再編成し、また傾き角θを決定するといった
手順を新たに設ける。本装置のコントローラ３７には、
従来の機能に加えてこの作業を実行する機能が付加され
ている。

【００２９】本装置のコントローラ３７の動作フローを
図１に示す。ユーザはまず、操作装置３８により加工対
象であるプリント基板のビアホールの、一部または全部
の位置データを装置に入力する作業を行う（ステップＳ
１）。すると、コントローラ３７は、入力データを基に
ビアホールの配置を解析して、ビアホール間を最短で結
ぶ経路を導出し（ステップＳ２−１）、またスキャナミ
ラー３３−１、３３−２の回転軸の傾き角θを決定する
（ステップＳ２−２）。経路と傾き角θは、一方が先に
決定されて他方が付随的に決定される場合と、双方が同
時に決定される場合の両方が考えられる。

【００３０】ここで、コントローラ３７による経路の導
出方法としては、例えばビアホールのＸ軸座標をソート
する方法で行っても良いし、それ以外の方法で最適な経
路を導出してもよい。また、傾き角θはコントローラ３
７がビアホールの配置から自動設定しても良いが、ユー
ザが適切と思う値を操作装置３８から与えても良い。ビ
アホール間の経路と傾き角θの設定値は、ユーザに対し
て表示装置３９を介して表示される。

【００３１】傾き角θを決定した後、コントローラ３７
はスキャナミラー３３−１、３３−２の傾き角θを調整
する駆動機構を駆動し、設定された角度まで動作させ
る。あるいは、手動により駆動機構を調整し（ステップ
Ｓ３）、その結果を、例えば傾き角θを検知するエンコ
ーダなどを用いて、受動的に検知してもよい。

【００３２】これらの作業後、ユーザの指示に応じて、
コントローラ３７はキャリブレーション（加工精度を確
保するための調整作業）を実行し（ステップＳ４）、更
にユーザの加工開始指示によりビアホールの形成加工を
開始する。

【００３３】この後のコントローラ３７の動作は、従来
のレーザドリル装置と同じである。すなわち、最初に加
工されるべき１つのビアホールの位置を位置データより
読み込み（ステップＳ５−１）、それに基づいてステー
ジ３６−１、３６−２の移動（ステップＳ５−２）、ス
キャナミラー３３−１、３３−２の回転移動を行い（ス
テップＳ５−３）、移動が完了したら、加工に必要なシ
ョット数または時間分、レーザビームを照射してビアホ
ールを形成する（ステップＳ５−４）。そして、未加工
ビアホールがあるかどうかを判別し（ステップＳ５−
５）、あればステップＳ５−１に移行して次のビアホー
ルの加工に移る。以上の処理を逐次行い、被加工基板３
５上の全部のビアホールが形成されると、加工終了とす
る。

【００３４】高スループット化の効果を例証するため
に、図４に示すパターンで、碁盤目状の格子点上にビア
ホールを生成する場合を考える。間隔Ｌで、１０列×１
０行の格子点に順次レーザビームを照射する場合、図４
に示す順序に従って加工すると、従来（図４ａ、θ＝０
゜の場合）のスキャナミラーによる移動時間の総計Ｔ１
は、Ｖ＝Ｖｍ＝Ｖｎと仮定した場合、Ｔ１＝（Ｌ／Ｖｍ）×９＋（Ｌ／Ｖｎ）×９×１０＝
（Ｌ／Ｖ）×９９一方、図４の矢印の順序でビアホールを形成するとき、
主なる移動方向は図面の上下方向（Ｘ軸あるいはＹ軸方
向）であり、これと前に述べた合成速度Ｖｍｎの合成軸
方向とを一致させるためには、傾き角θを４５゜に設定
すれば良く、このとき、Ｖｍｎ＝（Ｖｍ²＋Ｖｎ²）^1/2＝２^1/2×Ｖとなる。

【００３５】なお、図８で説明したように、スキャナミ
ラー３３−１、３３−２による移動距離と移動速度は、
厳密には比例しないので、この２ケース（θ＝０゜，４
５゜）の間で速度Ｖｍ、Ｖｎの値は異なるはずである
が、説明を簡単にするため等しいとして計算する。

【００３６】この場合の移動時間の総計Ｔ２は、Ｔ２＝（Ｌ／Ｖｍｎ）×９９＝Ｌ／（２^1/2×Ｖ）×９
９となるため、Ｔ２＝０．７１×Ｔ１と計算され、スキャナミラー３３−１、３３−２の位置
決めに要する時間が、約２９％短縮されると予想され
る。実際の基板加工においては、上述のように格子点上
のビアホール加工を行うことが多いので、当方式による
効果は大きいと考えられる。

【００３７】なお、本発明は、２つの回転軸の直交する
スキャナミラーを使用して、平面または立体状の加工対
象物を加工するレーザ加工装置にも適用可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、特に多層プリント基板等にお
ける、層間接続用のビアホールを形成する際に使用する
レーザドリル装置に適しており、その加工に要する時間
を短縮して、製造効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるコントローラの制御動作を説明
するためのフローチャート図である。

【図２】２つのスキャナミラーによるレーザビーム照射
位置の移動方向と基板ステージの移動方向との関係を、
従来装置（ａ）と本発明装置（ｂ）の場合について示し
た図である。

【図３】図２（ｂ）の場合のレーザビーム照射位置の移
動速度について説明するための図である。

【図４】スループットの改善について説明するために、
従来装置（ａ）と本発明装置（ｂ）の場合についてレー
ザビーム照射位置の移動軌跡を示した図である。

【図５】被加工部材の一例である多層プリント基板の概
略を示した断面図である。

【図６】レーザドリル装置の概要を示した図である。

【図７】被加工基板に対する加工例を説明するための図
である。

【図８】被加工基板表面でのレーザビーム照射位置の移
動距離と、位置決めに要する時間の、相関の例を示した
図である。

【符号の説明】

３１レーザ光源３２光学系３２−１レンズ３２−２マスク３２−３反射ミラー３３ガルバノスキャナ３３−１、３３−２スキャナミラー３４ｆθレンズ３５被加工基板３６基板ステージ３６−１、３６−２ステージ３７コントローラ３８操作装置３９表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ軸方向に可動のステージとＹ軸方向に
可動のステージとを組合わせたステージ機構を備え、該
ステージ機構上の被加工部材に対して２つのスキャナミ
ラーの組合わせによる走査手段によりレーザビームを照
射して穴あけ加工を行うレーザドリル方法において、前記２つのスキャナミラーの回転軸を、前記被加工部材
の加工面に平行でかつ互いに直交するようにすると共
に、前記Ｘ軸、Ｙ軸の一方に対してある傾き角θをなす
ように配置することにより、前記２つのスキャナミラー
によるレーザビーム照射の合成移動方向を前記Ｘ軸、Ｙ
軸の一方に合わせるようにしたことを特徴とするレーザ
ドリル方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザドリル方法におい
て、前記２つのスキャナミラーと前記被加工部材との間
に、ｆθレンズが配置されていることを特徴とするレー
ザドリル方法。
【請求項３】Ｘ軸方向に可動のステージとＹ軸方向に
可動のステージとを組合わせたステージ機構と、該ステ
ージ機構上の被加工部材に対して２つのスキャナミラー
の組合わせによりレーザビームを照射する走査手段と、
あらかじめ入力されたデータに基づいて前記ステージ機
構、走査手段を制御するコントローラとを備えたレーザ
ドリル装置において、前記２つのスキャナミラーの回転軸を、前記被加工部材
の被加工面に平行でかつ互いに直交した状態で、前記Ｘ
軸、Ｙ軸の一方に対して傾き角θをなすように調整でき
る駆動手段を備えたことを特徴とするレーザドリル装
置。
【請求項４】請求項３記載のレーザドリル装置におい
て、前記コントローラは、前記あらかじめ入力されたデ
ータに基づいて前記傾き角θが得られるように前記駆動
手段を制御する機能を有することを特徴とするレーザド
リル装置。
【請求項５】請求項３記載のレーザドリル装置におい
て、前記２つのスキャナミラーの傾き角θを検出するセ
ンサを備え、該センサからの検出値に基づいて手動によ
り前記駆動手段を制御する機構を有することを特徴とす
るレーザドリル装置。
【請求項６】請求項４あるいは５記載のレーザドリル
装置において、前記あらかじめ入力されたデータは、前
記被加工部材上の複数の穴あけ位置を示す位置データで
あり、前記コントローラは、あらかじめ入力された前記
位置データを、穴あけ位置を結ぶ経路が最適な経路とな
るように並べ替える機能を有することを特徴とするレー
ザドリル装置。