JP2004082131A

JP2004082131A - レーザ加工方法及び装置

Info

Publication number: JP2004082131A
Application number: JP2002242371A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishihara; 石原　裕
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JP3842186B2

Abstract

【課題】様々な加工材料に対して、良好な加工を高い生産性で行なえるようにする。
【解決手段】レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なう際に、レーザパルスの立上り又は立下りのいずれか一方を除く部分を加工対象物に照射して加工を行なう。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なうレーザ加工方法及び装置に係り、特に、プリント配線基板を加工するレーザ穴開け機に用いるのに好適な、加工品質の安定及び生産性の向上を図ることが可能なレーザ加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のプリント配線基板の小型化や高機能化に伴って小型化した、直径０．１ｍｍ以下のスルーホールやビアホールを精度良く形成するために、パルス発振型のレーザビームを用いて、小径の穴を形成するレーザ穴開け機が実用化されている。
【０００３】
このレーザ穴開け機のようなレーザ加工機において適切な加工を行うためには、レーザエネルギを制御することが重要であり、例えば特開２０００−２６３２７１、特開２０００−１０７８７５、特表平１１−５００９６２には、光学素子を使って、レーザエネルギを制御することが記載されている。このうち、特開２０００−２６３２７１、特開２０００−１０７６７５には、レーザエネルギを制御するに当たって、パルスレーザのパルスの一部を取り出すことが記載されている。
【０００４】
即ち、特開２０００−２６３２７１や特表平１１−５００９６２には、加工面に照射されるレーザパルス波形の立上りと立下りを音響光学素子（ＡＯＭ）を用いて切り捨て、略矩形波とすることで加工品質を向上することが示されている。又、ＡＯＭにより変調周波数を高めて、パルス幅を短くし、微細な加工を行なうことも記載されている。
【０００５】
又、特開２０００−１０７８７５には、光学素子を用いて、パルスレーザから出た１個のパルスから、より短いパルス幅のパルスを取り出すことが記載されている。更に、この短いパルスによって、加工品質の向上と加工品質の安定性の向上が図れることが記載されている。
【０００６】
以上のように、公知の光学素子を使用して、加工面に照射されるレーザパルスの立上り、立下りを切り捨て、矩形波状に切り出して加工することによって、加工品質を向上、及び、安定させることが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、本来、図１（Ａ）に示すような台形状のレーザパルス波形の立上り部Ｐ１と立下り部Ｐ２の両方を捨てていたので、例えば立上り部Ｐ１は有害であるが立下り部Ｐ２は有害でない加工や、逆に、立下り部Ｐ２は有害であるが立上り部Ｐ１は有害でないような材料の場合、レーザのエネルギを十分に利用できないという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、様々な加工材料に対して良好な加工が行なえるようにすることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なう際に、レーザパルスの立上り又は立下りのいずれか一方を除く部分を加工対象物に照射して加工を行なうようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記レーザパルスの立上り又は立下りのどちらを除くか選択可能としたものである。
【００１１】
本発明は、又、レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、レーザパルスの立上り又は立下りのいずれか一方をカットして、レーザパルスの残りの部分を加工対象物に照射するための光路変更手段を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１２】
又、前記レーザパルスの立上り又は立下りのどちらをカットするか選択する手段を備えたものである。
【００１３】
又、前記光路変更手段が、音響光学素子（ＡＯＭ）を含むようにしたものである。
【００１４】
あるいは、前記光路変更手段が、電気光学素子（ＥＯＭ）と偏光ビームスプリッタを含むようにしたものである。
【００１５】
従来技術で提案されたような、レーザパルスを矩形波状に切り出し加工する方法によれば、様々な加工材料に対して無難な加工が行なえるが、加工材料や工法によっては、立上り又は立下りのいずれかを残す方が、加工性能に対して有効である。
【００１６】
即ち、一般的にレーザ加工においては、図１（Ａ）に示したように、エネルギ閾値Ｔｈが存在し、レーザパルスには、加工に寄与する部分（加工部と称する）Ｐ３と、加工に寄与せず、単に熱として作用する立上り部Ｐ１及び立下り部Ｐ２が発生する。従って、このレーザパルスを加工に適用した場合、Ｐ３により加工される部分と、Ｐ１、Ｐ２により熱のみを受ける部分が発生する。
【００１７】
例えば、ガラスクロス入りエポキシ材ＦＲ−４等の一般的なプリント基板の材料は、図２に示す如く、先ず、エッチングで上側の銅層１４に窓を開け、次いで、それより広いレーザ光２１を当てるコンフォーマル工法で加工されるが、その樹脂層１０は、熱可塑性プラスチックが殆どであるため、熱影響を受けると、その部分１１が変質する。そして、この変質したプラスチックは、レーザ加工後の工程である、デスミアにおいて除去され易いという特徴がある。
【００１８】
図において、１２は、下側の銅層である。
【００１９】
そのため、図２において、レーザ加工直後は実線Ａに示すようなテーパを持つブラインドビアであったとしても、デスミア後は、破線Ｂで示すような樽状の形状となり、これは品質上好ましいことではない。
【００２０】
そこで、このような場合には、本発明により、図１（Ｂ）に示す如く、加工に寄与しない立下り部Ｐ２をカットすることで、図３に示す如く、この熱影響を最小にすることができ、加工品質を向上することができる。なお、立上り部Ｐ１は、予熱として材料に与えられ、間接的に加工に寄与する。従って、立上り部Ｐ１は、カットするよりも、利用した方が、より効率良く加工が行なえる。
【００２１】
一方、穴と同じ太さのレーザ光２１を直接当てるダイレクト工法を用いる銅箔加工等では、図４（Ａ）（Ｂ）に示す如く、レーザパルスの立上り部Ｐ１の閾値Ｔｈに満たないエネルギにより、銅箔１６の表面が溶融して反射率が上昇してしまい、反射光Ｒが多くなるため、銅箔１６の下側を加工するには、より大きなエネルギが必要となる。
【００２２】
そこで、図１（Ｃ）に示す如く、立上り部Ｐ１をカットすることで、図５（Ａ）（Ｂ）に示す如く、表面が溶融する前に加工してしまうようにすれば、反射光Ｒが小さくなり、加工品質が向上できる。この場合、立下り部Ｐ２のエネルギは、絶縁層（樹脂層１０）に熱を与えて、次のパルスの加工性を上げることができる。
【００２３】
なお、従来技術のように、立下りと立上りを両方カットすることで、上記どちらの場合でも加工品質の向上が行なえるが、この場合、パルスエネルギを約３０〜４０％程度捨ててしまうことになるため、エネルギ利用効率が悪化する。このことにより、レーザ発振器へ、より大きな負担がかかることになる。
【００２４】
これに対して、本発明によれば、立下り又は立上りのエネルギの内、カットされなかった方が予熱として加工に間接的に寄与するため、矩形パルスの場合よりも、エネルギを効率的に利用できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
本発明の第１実施形態は、図６に示す如く、レーザ発振器２０と、レーザ光の光路を変更するための光路偏向手段（例えばＡＯＭ）３２と、加工面に照射されないレーザ光を吸収するためのダンパ４０と、加工面を含む加工部４２と、前記光路偏向手段３２及びレーザ発振器２０を制御するための制御装置５０とを備えている。
【００２７】
前記加工部４２は、図７に例示する如く、例えばパルス状のレーザビーム２１を、所定の方向（図７では紙面に垂直な方向）に走査するための回転ミラー４５を含む第１ガルバノスキャナ４４と、該第１ガルバノスキャナ４４によって紙面に垂直な方向に走査されたレーザビームを、該第１ガルバノスキャナ４４による走査方向と垂直な方向（図７では紙面と平行な方向）に走査するための回転ミラー４７を含む第２ガルバノスキャナ４６と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ４４、４６により２方向に走査されたレーザビームを、例えばＸＹステージ６上に固定された、基板等の加工対象物８の表面（加工面）に対して垂直な方向に偏向して照射するためのｆθレンズ４８とを備えている。
【００２８】
以下、図８を参照して、第１実施形態の作用を説明する。
【００２９】
例えば一般の基板加工のようなコンフォーマル加工の場合には、制御装置５０で立上りカットを選択する。すると、制御装置５０は、図８（Ａ）に示す如く、レーザ照射開始と同時に光路偏向手段３２を動作させて、レーザ光が最初から加工部４２に照射されるようにする。そして、例えばタイマ（図示省略）で設定された所定時間ｔ２経過後、光路偏向手段３２をオフとして、レーザ光が加工部４２には照射されないで、ダンパ４０にスルーされるようにする。
【００３０】
又、銅箔加工のようなダイレクト工法の場合には、制御装置５０で立上りカットを選択する。すると、制御装置５０は、図８（Ｂ）に示す如く、レーザパルスの立上りから、タイマで設定された設定時間ｔ１が経過するまでは光路偏向手段３２を動かさず、レーザ光がダンパ４０にスルーして加工部４２に照射されないようにする。そして、タイマで設定された所定時間ｔ１経過後、光路偏向手段３２を動作させて、レーザ光を加工部４２に照射する。
【００３１】
本実施形態においては、タイマにより光路偏向手段３２をオン・オフしているので、構成が簡略である。
【００３２】
なお、図９に示す第２実施形態のように、レーザパルスのエネルギを検知する検知器６０を設け、該検知器６０の出力が、図１に示す閾値Ｔｈを超えたときに、立上り部Ｐ１から加工部Ｐ３に移行したと判定し、逆に閾値Ｔｈを下回ったときに加工部Ｐ３から立下り部Ｐ２に移行したと判定することも可能である。
【００３３】
前記検知器６０は、例えば１％程度の反射率の反射型スプリッタ６２と、該スプリッタ６２により分岐された光を検知するセンサ６４を含んで構成されている。ここで、前記スプリッタ６２には、その表面と裏面との反射光の干渉を避けるため、ウェッジ角を付けておくことが望ましい。
【００３４】
本実施形態によれば、レーザパルスの実際の強度に応じた的確な切換え制御が可能となる。
【００３５】
なお、前記検知器６０の配設位置は、図９に示したような光路偏向手段３２の入側に限定されず、図１０に示す第３実施形態のように、光路偏向手段３２の出側に設けることも可能である。
【００３６】
この場合には、光路偏向手段３２の劣化や故障も検知可能となる。
【００３７】
あるいは、図１１に示す第４実施形態の如く、光路偏向手段３２出側の加工部４２非照射側だけでなく、加工部４２の照射側にも検知器６０を設けることができる。
【００３８】
この場合には、加工部４２に照射したエネルギの良不良確認判定も可能になる。
【００３９】
又、前記検知器６０におけるスプリッタ６２とセンサ６４の配置は、前記実施形態に限定されず、図１２に示す変形例の如く、透過型のスプリッタ６３を用いることもできる。
【００４０】
この場合には、ウェッジ角によりレーザビームが楕円になることを防止できる。
【００４１】
又、前記実施形態においては、光路偏向手段として、ＡＯＭからなる光路偏向手段３２が用いられていたが、光路偏向手段はこれに限定されず、図１３に示す第５実施形態のように、電気光学素子（ＥＯＭ）３４と偏光ビームスプリッタ３６を組み合わせて使用することもできる。
【００４２】
この場合には、図１４に示す如く、例えばダンパ４０にＳ偏光を送り、加工部４２にはＰ偏光を送ることができる。なお、Ｐ偏光とＳ偏光は逆であってもよい。
【００４３】
あるいは、図１５（側面図）及び図１６（正面図）に示す第６実施形態のように、光路偏変更手段として、スリット７１の付いた反射板７０を回転動作させ、これに同期してレーザ発振を行なうことも可能である。
【００４４】
なお、加工に必要なパルスエネルギが同じ場合、図１７（Ｂ）に示す如く、例えば立下り部Ｐ２も加工に使用すると、図１７（Ａ）に示す如く、立上り部Ｐ１、立下り部Ｐ２を共に使用しない場合に比べ、制御信号幅（トリガ時間）を短くすることができる。即ち、図１７（Ａ）（Ｂ）において、ハッチング部分の面積（エネルギ）は同じであるが、（Ｂ）の方が制御信号幅は短い。発振デューティが制限されている場合、パルス幅を短くすることによって、発振時間間隔を短くすることができる。よって、発振周波数が増し、加工対象物の加工時間を短縮することができる。
【００４５】
なお、前記実施形態においては、いずれも、ダンパ４０により不要なレーザ光を吸収していたが、ダンパ４０の代わりにパワーメータやフォトダイオードで分岐状態をモニタしたり、あるいは、ボディに直接当てて吸収することも可能である。
【００４６】
前記実施形態においては、本発明が、レーザ穴開け機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、レーザ切断機やマーキングマシン等、レーザ加工機一般に同様に適用できることは明らかである。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、加工対象に応じて立上り又は立下りのいずれか一方を用いることができ、加工性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための、レーザ加工とレーザパルスの関係を示すタイムチャート
【図２】従来の問題点を説明するための、レーザ加工時の熱影響を示す断面図
【図３】本発明に係る立下りカットによる加工品質の向上例を示す断面図
【図４】銅箔加工時にレーザパルスの立上りを照射した場合の問題点を説明するための断面図
【図５】本発明に係る立上りカットによる加工品質の向上例を示す線図
【図６】本発明の第１実施形態の全体構成を示すブロック図
【図７】同じく加工部を示す斜視図
【図８】第１実施形態におけるパルスの使い方を示す拡大ブロック図
【図９】本発明の第２実施形態の要部構成を示すブロック図
【図１０】本発明の第３実施形態における検知器の配置を示す拡大ブロック図
【図１１】同じく第４実施形態における検知器の配置を示す拡大ブロック図
【図１２】前記実施形態で用いられている検知器を構成するスプリッタの変形例を示す要部拡大図
【図１３】本発明の第５実施形態の要部構成を示すブロック図
【図１４】同じくパルスの使い方を示すタイムチャート
【図１５】本発明の第６実施形態における光路変更手段の構成を示す側面図
【図１６】同じくスリット付反射板の形状を示す正面図
【図１７】本発明の効果を説明するためのタイムチャート
【符号の説明】
Ｐ１…立上り部
Ｐ２…立下り部
Ｐ３…加工部
１０…樹脂層
１２、１４…銅層
１６…銅箔
３２…光路偏向手段
５０…制御装置
６０…検知器
６２、６３…スプリッタ
６４…センサ

Claims

レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なう際に、
レーザパルスの立上り又は立下りのいずれか一方を除く部分を加工対象物に照射して加工を行なうことを特徴とするレーザ加工方法。
前記レーザパルスの立上り又は立下りのどちらを除くか選択可能としたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
レーザパルスを加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、
レーザパルスの立上り又は立下りのいずれか一方をカットして、残りの部分を加工対象物に照射するための光路変更手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザパルスの立上り又は立下りのどちらをカットするか選択する手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記光路変更手段が、音響光学素子を含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記光路変更手段が、電気光学素子と偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。