JP2004179556A - セラミック基板とその溝部形成方法及びこれに用いるレーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレイクラインを備えたセラミック基板において、ブレイク後の次工程の電子部品の実装の際にも端部からの位置決め精度が向上、安定して、且つ分割指向性の強い信頼性の高い基板を提供する。
【解決手段】ブレイクラインを複数の連続する楕円状の孔で形成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレイクラインなどの溝部を備えたセラミック基板とその溝部形成方法及びそれに用いるレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品用基板には電気絶縁性に優れるセラミックスが多用され、近年の高密度実装化の進展に伴い、基板の多数個取りや高精細化が図られている。このようなセラミック基板のブレイクラインの形成方法として、一般的に焼成前のグリーンシートに溝を押し付ける金型法と焼き上がりの基板にミシン目状の連続する孔をレーザー加工で形成するスクライブ法が用いられている。中でも短納期や加工精度・加工効率が優先される場合においては、一般的にレーザー加工法が用いられている。
【０００３】
レーザーの種類としてはＣＯ_２レーザー又はＹＡＧレーザーが用いられている。レーザースクライブを形成する手段としては、ワークとしてのセラミック基板をＸＹテーブル上に載せ、吸引固定した上でレーザービームをパルス発振しながら製品形状に合わせて動かすといったＸＹテーブル法が広く用いられている。
【０００４】
ここで、ＸＹテーブル法とは、図４（ａ）に示すように、セラミック基板１を加工機のＸＹテーブル１０上の吸引テーブル１１の所定位置に置き吸引固定し、その上方に配置するレーザー装置１２より出射したＣＯ_２レーザービーム１３をベントミラー１４で反射させて、集光レンズ１５でレーザービーム１３を集光１６させてセラミック基板１に図４（ｂ）の様に断続的に照射しながら製品形状に合わせてＸＹテーブルを移動させることによりブレイクライン４を形成する方法である。
【０００５】
ところで、レーザー装置としてＹＡＧレーザーを用いた場合、その取扱いは容易であるものの高出力が得られないため、図３に示すようなブレイクラインの孔の深さＤとして理想とされている基板厚みの１／４〜１／３の深さを得ることが、０．５ｍｍ以上の厚みを有するセラミック基板においては難しいといった課題があった。一方、ＣＯ_２レーザーは高出力が得られるため、０．５ｍｍ以上の比較的厚みの厚いセラミック基板１でもブレイクラインとして、図３に示す連続したミシン目状の孔３を形成することが可能である。
【０００６】
しかし、レーザー加工によるブレイクラインでは、図３（ａ）様にセラミック基板１に形成したブレイクラインを形成している個々の孔３が円型である為に、ブレイクした際、図３（ｂ）の平面図に示す様に常に円の中心から半径分の大きさのノコギリ状の凹凸部として孔３が製品の端部に残ることになり、近年要求されている高密度実装化の進展に伴う、基板の多数個取りや高精細化で必要な高い生産性と共に位置精度や品質の面で高い信頼性を得る事が応出来なかった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１９７８７１号公報
【特許文献２】
特開２０００−４５９８５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すように、レーザ加工によるブレイクラインでは、その幅Ａ（孔３の幅）が、金型で形成したものに比べて約２倍になっている為に、加工後の寸法が不変な焼き上がりの基板にＸＹテーブルを用いて金型品よりも精度良くレーザー加工しても、最終的な電子部品の実装段階において基板端部からの位置決め精度が悪いという不都合があった。また、端部がノコギリ状の凹凸である為に工程中でセラミック端部が欠けて品質及び工程環境を悪化させたり、パターン印刷時に基板端の凹凸でスクリーンを痛めてしまう等の数々の問題があった。
【０００９】
また、レーザー加工によるブレイクラインは金型品の連続溝と異なり、図３の様にミシン目状の円形の孔３の集合体であるため、ブレイクに対して孔３の円周３６０度の全方向が分割の起点と成り、特にスクライブが縦横に交差する周辺域においては、ブレイク者の意図に反して予期しない方向にブレイクされてしまうブレイク不良が生じたり、またはクラックが発生するなどの電子部品としての信頼性を損なう重大な欠点があった。
【００１０】
しかし、従来からレーザー加工技術の改善方向としては、レーザー加工の孔３を高真円度化する事に躍起になっていた。特許文献１には、パルスドＹＡＧ方式のレーザーを用い、円柱状の光ファイバーの内部を反射を繰り返して軸方向に伝送する課程で、軸対称な物理的特性を有する様に成形されていくので、被加工物の加工点におけるビームプロファイルは軸対称性が高く成り、真円度の高い穴を被加工物に開ける事が可能と成ることが開示されている。しかしながら高真円度を追求したとしても最終的にブレイクした際、孔３の半径分の大きさのノコギリ状の凹凸が基板の端部に残る事や、孔ピッチを詰め重ねて配置したとしても、孔３が円である以上、円周３６０度の全方向がクラック不良の起点と成りうる事に変わりがない為、有効な対策とはならなかった。
【００１１】
また、特許文献２にはレーザー加工によって楕円穴を形成する為の手段として、光学部品を用い楕円状に集光したり、又は集光レンズを偏心させ円形走査する技術が開示されている。しかしこの技術は、１００ｍｍ／ｍｉｎ以下の低速の加工スピードによって単一の穴を楕円加工する技術であった。
【００１２】
また光学系で楕円を形成する技術については、光学系を支持するマウントの方向に楕円の方向も比例する為、例えば楕円の方向が９０度異なる品種においてはマウント自体も可変する必要が有り、楕円でレンズが偏心する上にそれを支持するマウント自体も可変する必要が有り、精度及び信頼性・生産性において難しいものがあった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、表面にブレイクライン等の溝部を備えたセラミック基板であって、上記溝部が連続する複数の楕円状の孔から成ることを特徴とする。
【００１４】
また、上記楕円状の孔の長径の方向を溝部の方向と一致させたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、上記楕円状の孔の短径に対する長径の比を１０１〜５００％とし、隣接する孔の間を溝で連続したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、セラミック基板にレーザ光を照射して溝部を形成する方法であって、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザを用いてパルス発振し、セラミック基板上に楕円状の孔を連続的に形成することを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記レーザ光のパルス周期を４００〜１２０００μＳｅｃ、加工スピードを１０００〜１５０００ｍｍ／ｍｉｎ、孔のピッチを０．１〜０．２ｍｍとすることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、セラミック基板にレーザ光を照射して溝部を形成するための加工装置であって、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザを用い、パルス発振させる手段と、得られた発振パルスをさらに細分化し変調させる手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を用いて説明する。
【００２０】
図１に示すように、本発明のセラミック基板１は、主面に溝部として縦横のブレイクライン２を備えており、基板上に各種素子等を形成した後、ブレイクライン２にそって分割することで、電子部品を製造するようになっている。
【００２１】
図２は、本発明のセラミック基板１におけるブレイクライン２の詳細を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は分割後の平面図、（ｃ）はブレイク後の断面図を示す。溝部であるブレイクライン２は連続する複数の楕円状の孔３から成り、各孔３の長径の方向はブレイクライン２の方向と一致している。Ａは孔３の短径、Ｂは孔３の長径、Ｃは孔３の短径方向の半径、Ｄは孔３の深さ、Ｆは隣の孔３と繋がっている部分の溝の深さを示す。
【００２２】
本発明のセラミック基板１では、各孔３が楕円状であるため、短径Ａを小さくすることができ、分割後の端部に生じる凹凸を小さくすることができる。また、の長径の方向がブレイクライン２の方向と一致しているため、分割時に各孔３のクラック発生方向とブレイクライン２の方向が一致し、分割性を向上させることができる。
【００２３】
さらに上記孔３の短径Ａに対する長径Ｂの比Ｂ／Ａは１０１〜５００％の範囲とすることが好ましい。これは上記比Ｂ／Ａが１０１％未満では上記効果がなく、逆に５００％を超えるとパルスの変調をさせても楕円化率に変化が見られないことから、ほぼ５００％がパルスの変調による楕円化の限界と判断できる為である。
【００２４】
特に、上記比Ｂ／Ａは２００〜５００％とすることが好ましい。即ち、比Ｂ／Ａを２００％以上とすることで、図２の楕円状の孔３同士が重なっている部分を多くして連続溝の深さＦを深くし、分割性をより向上させることができる。
【００２５】
但し、この比Ｂ／Ａによる分割性の差については、実際には孔３のピッチＥ等にも関係する。即ち、元々の孔３のピッチＥが狭い場合には上記比Ｂ／Ａが低くても隣接する孔どうしが容易に繋がる為、連続溝は深くなり分割性は向上することになる。
【００２６】
次に、上記ブレイクライン２の形成方法について説明する。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、セラミック基板１を加工機のＸＹテーブル１０上の吸引テーブル１１の所定位置に載せ吸引固定し、その上方に配置するレーザー装置１２より出射したＣＯ_２レーザービーム１３をベントミラー１４で反射させて、集光レンズ１５でレーザービーム１３を集光１６させてセラミック基板１に図４（ｂ）の様に照射しながら製品形状にならってＸＹテーブルを移動させることにより、複数の孔を連続して備えた図４（ｂ）のブレイクライン４を形成する。
【００２８】
レーザーの種類として、高出力のＣＯ_２レーザーを用いることで、０．５ｍｍ以上の厚みを有するセラミック基板１に、加工スピード１０００〜１５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲下で、基板厚みの１／４〜１／３の深さの孔３を０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの間隔で連続して加工することができる。
【００２９】
また、ＣＯ_２レーザーの励起方式は、電極間が近く応答性の良いＲＦ励起方式とする。ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザー発振器は、図５の様に数ミリ離れた２枚の平行平板状電極３０、３１間に高周波電圧３２を印加し、電極間の全体で均一な放電を行い励起し、全反射鏡３３、３４間で増幅して雑レーザー光３５を取り出し、ビーム整形レンズ３６、３７でレーザー光３８を得るようになっている。そして、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザー発振器により発振されるレーザー光３８の出力波形は、図７に示すように矩形をなし、図８のＤＣ放電方式と比較してピークパワーに達するまでの時間が約４倍速いため、セラミックス基板１にスクライブを形成するに十分に大きなエネルギー（斜線部分）を素早く得ることができ、レーザー光３８が照射された領域の大部分のセラミックスを効率良く熱加工することができる。
【００３０】
この様に短時間でパワーの強いレーザー光を収束できるため、ＲＦ励起方式のレーザー装置の方が図６のＤＣ放電方式のレーザー装置と比較して本発明に最適であると言える。
【００３１】
こうした一般的なＲＦ励起方式のレーザー装置の構成は図１１の通りであり、この装置が標準的に有している発振パルスの波形は図１２の通りである。本発明では、これに加えて、図９に示すようにパルス変調装置５７を装備させる事で、図１０の様にパルス波形を更に細分化し変調させる機能を付加することができ、これによって孔３の短径Ａに対する長径Ｂの比Ｂ／Ａを１０１％〜５００％の範囲で図２の様に楕円化させる事ができる。
【００３２】
図１０は本発明で細分化したパルスの状態を示す。Ｇは発振ＯＦＦ、Ｈは発振ＯＮ、発振周期をＩ、細分化する前の本来の発振ＯＮ設定時間ＷＩＤＴＨ１をＪ、Ｊを細分化した後の実発振時間ＷＩＤＴＨ２をＫ、Ｊを細分化した後の実発振ＯＦＦ時間ＤｅｌａｙをＬで示す。
【００３３】
レーザー発振の条件としては、パルス周期４００〜１２０００μＳｅｃ、加工スピード１０００〜１５０００ｍｍ／ｍｉｎ、孔３のピッチ０．１〜０．２ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００３４】
このようにしてブレイクライン２を形成することで、図２の様に隣接する孔３の間は溝で連続化できる。さらに、特許文献１、２に記載された光学系で楕円化したレーザ加工方法によるものと異なり、常にレーザー加工の進行方法（ブレイクライン２の方向）と楕円状の孔３の長径の方向を一致させる事ができる。その結果、分割したい方向にだけ強い指向性を持たせる事ができ、ブレイクライン２を浅くしても十分な分割性を得ることができる。
【００３５】
本発明のＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザー加工装置の構成を図９により詳細に説明する。まずレーザーパルスの発振制御をするリモートコントローラー５１、一次電流の２００Ｖから装置を動かすのに必要な電流を作るＤＣアンプ５２、各構成部品からの情報を中継するデジィタルインターフェイス５３、発振命令に応じてＲＦの周波数を作るＲＦアンプ５４、ＲＦアンプからの信号を受けて実際にレーザービームを作るレーザー発振器５５、製品形状に合わせて動くＸＹテーブルのプログラムとレーザーの発振指令を行うＮＣ制御装置５０からなる。ここまでは図１１の従来のＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザー加工装置と同じであるが、本発明ではリモートコントローラー５１と各構成部品からの情報を中継するデジィタルインターフェイス５３の間に、５１から出る発振パルスを更に細分化して図１０の様にパルスを変調器する装置５７を付加して構成される。
【００３６】
以上のような本発明のレーザー加工装置を用いてレーザー加工を行えば、基板厚みｔが０．５ｍｍ〜２．０ｍｍと比較的厚いセラミックス基板１に対して、上述した複数の楕円状の孔３を連続して形成したブレイクライン２を形成することができる。これにより、予定外ブレイク不良やクラック不良を防止でき、加えて、ブレイク後の次工程に於ける電子部品の実装の際に端部からの位置精度の高い基板を製造する事ができる。
【００３７】
なお、本発明において、加工されるセラミックス基板については、サーマルヘッド用のベース基板、イメージセンサー用基板、厚膜用基板、ヒーター用基板等の様々な用途に用いることができる。
【００３８】
更に、加工されるセラミックス基板１の材質については特に限定するものではなく、例えばアルミナやジルコニア等を主成分とするセラミックスを用いることができる。
【００３９】
更に、本発明のレーザー加工装置の利用分野としては、上述したセラミックスに限定するものではなく、例えばプリント基板・金属板の切断等にも用いることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更できることは言う迄もない。
【００４１】
例えば、上記実施形態ではブレイクライン２の形成について説明してきたが、ブレイクライン２に限らず、セラミック基板１上に溝部を形成するような様々な用途に本発明を適用することができる。
【００４２】
【実施例】
本発明実施例として、図５に示すＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザーを用い、発振条件を異ならせてセラミック基板１に複数の楕円状の孔３からなるブレイクライン２を形成し、分割性の変化・クラックの発生の有無を確認する実験を行った。
【００４３】
まず、アルミナ９６重量％に対してシリカ、カルシア、マグネシア等の焼結助剤を４重量％を配合した原料に有機物バインダーを加えスプレードライにより顆粒を製作し、ロールコンパクション法によりそれぞれ０．７３ｍｍ及び１．１６ｍｍの厚みのシートを成型した。これを所定のサイズに切断加工した後、ＲＨＫ炉にて空気中１６００℃、６時間焼成し、厚みがそれぞれ０．６３５ｍｍ及び１．０ｍｍのアルミナからなるセラミック基板１を得た。
【００４４】
そして、これらのセラミック基板１をＲＦ励起発振方式によるＣＯ_２レーザーにて表１、表２に示す条件にて楕円状の孔３からなるブレイクライン２を形成した。
【００４５】
加工条件としては、レーザーの発振波長１０．６μｍ、集光前のビーム径φ１１ｍｍ、集光距離２．５ｉｎｃｈ、アシストガス圧２．５ｋｇ／ｃｍ^２、ノズルの先端径φ２．５ｍｍ、ビームのスポット径φ０．８ｍｍ、孔ピッチ０．１６ｍｍ、加工スピード１２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、ＮＣとリモートコントローラーの間にパルス変換装置を装備した。なお、基板に形成する孔の短径Ａに対する長径の比Ｂ／Ａは１１７〜５００％の範囲とした。そして、得られたセラミック基板１の分割性の変化、クラックの発生の有無を以下の方法で確認した。
【００４６】
ブレイクライン２を形成後のセラミック基板１の表面をリョービ社製のＳ３６００型サンダーに３Ｍ社のセラミックペーパー８０＃を貼り付け１０秒間ペーバー掛けした後、マークテック（株）製、探傷液ＰＬＫに１０分間浸積した後、水で洗浄し、乾燥させブレイクし、倍率５０倍の金属顕微鏡にてクラック発生有無の確認を行った。クラックが発生しているものはクラック部にＰＬＫ液が浸透し着色することにより確認した。
【００４７】
そして、１００個の孔の周縁に外に伸びるクラックが１箇所以上発生しているものをクラック有りとし、クラック発生が一箇所もないものをクラック無しとした。
【００４８】
表１に基板厚み０．６３５ｍｍのアルミナ基板における実験結果を、表２に基板厚み厚み１．０ｍｍのアルミナ基板の実験結果をそれぞれ示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
【表２】

【００５１】
表１より判るように、基板厚み０．６３５ｍｍのセラミック基板に対し、条件を振って加工した結果、分割性は変化したものの、楕円状の孔３によるブレイクラインを形成した本発明実施例（Ｎｏ．２〜９）の全てにおいてクラックは発生しなかった。また、本発明実施例は比較例（Ｎｏ．１）に比べて、孔３の深さが小さくても同程度以上の分割性を有していることがわかる。
【００５２】
また、表２より判るように、基板厚み１．０ｍｍのセラミック基板１に対しても、楕円状の孔３によるブレイクラインを形成した本発明実施例（Ｎｏ．１２〜１９）は比較例（Ｎｏ．１１）に比べて孔３の深さが小さくても同程度以上の分割性を有していることがわかる。さらに、上記短径Ａに対する長径Ｂの比Ｂ／Ａが１５０％以上のものではクラックは発生せず且つ分割性にも変化は無かった。
【００５３】
このように、楕円状の孔３でブレイクライン２を形成することによって、基板厚みが０．５〜１．０ｍｍの比較的厚いセラミック基板に対しても、分割性を落す事なく且つ予定外割れやクラックを発生させない信頼性の高いブレイクラインを形成する事ができる様になる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミック基板に形成したブレイクラインなどの溝部を複数の連続した楕円状の孔で形成することによって、分割性能に優れ、分割後の端面の凹凸を小さくすることができる。
【００５５】
また、上記溝部の加工方法として、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザーを用いるとともに、単一のパルスを更に細分化し変調させる機能を装備させたレーザー加工装置を用いることで、短径に対する長径の比を１０１〜５００％とした楕円状の孔を容易に形成することができる。
【００５６】
その結果、０．５ｍｍ以下の薄肉のセラミック基板は勿論のこと、基板厚みが０．６３５ｍｍを越える比較的厚い基板においても、近年要求されている分割後の次工程の電子部品の実装の際にも端部からの位置決め精度が向上、安定して、且つ分割方向に対してだけ強い指向性を持たせた信頼性の高い基板を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック基板を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明のセラミック基板のブレイクラインを示す平面図、（ｂ）は分割後の平面図、（ｃ）はブレイクライン部分の断面図である。
【図３】（ａ）は従来のセラミック基板のブレイクラインを示す平面図、（ｂ）は分割後の平面図、（ｃ）はブレイクライン部分の断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明によるレーザー加工方法を説明するための模式図である。
【図５】本発明で用いるＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザー発振器を示す模式図である。
【図６】比較例であるＤＣ放電方式のＣＯ_２レーザー発振器を示す模式図である。
【図７】ＲＦ励起方式のレーザ発振器による出力波形を示す線図である。
【図８】ＤＣ放電方式によるレーザ発振器の出力波形を示す線図である。
【図９】本発明で用いるのＲＦ励起方式のレーザー装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明で用いるＲＦ励起方式のレーザー装置のレーザー出力のパルスＯＮ−ＯＦＦの状態を示す線図である。
【図１１】従来のＲＦ励起方式のレーザー装置の構成を示す模式図である。
【図１２】従来のＲＦ励起方式のレーザー装置のレーザー出力のパルスＯＮ−ＯＦＦの状態を示す線図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：ブレイクライン
３：孔
１０：ＸＹテーブル
１１：吸着テーブル
１２：レーザー発振器
１３：レーザービーム
１４：ベントミラー
１５：集光レンズ
１６：集光
３０：電極
３１：電極
３２：高周波電圧
３３：全反射鏡
３４：全反射鏡
３５：雑レーザー光
３６：ビーム整形レンズ
３７：ビーム整形レンズ
３８：レーザー光
４０：ファン
４１：ＣＯ_２ガス
４２：レーザー増幅部
４３：熱交換器
４４：電極
４５：電極
４６：レーザー光
５０：ＮＣ
５１：リモートコントローラー
５２：ＤＣアンプ
５３：デジィタルインターフェイス
５４：ＲＦアンプ
５５：レーザー発振器
５６：レーザー光
５７：パルス変調器

Claims (8)

1. 表面に溝部を備えたセラミック基板において、上記溝部は連続した複数の楕円状の孔から成ることを特徴とするセラミック基板。
2. 上記楕円状の孔の長径方向が溝部の方向と一致していることを特徴とする請求項１記載のセラミック基板。
3. 上記楕円状の孔の短径に対する長径の比が１０１〜５００％であり、隣接する孔の間は溝で連続していることを特徴とする請求項１または２記載のセラミック基板。
4. セラミック基板にレーザ光を照射して溝部を形成する方法であって、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザを用いてパルス発振し、セラミック基板上に楕円状の孔を連続的に形成することを特徴とするセラミック基板の溝部形成方法。
5. 上記楕円状の孔の長径方向が溝部の方向と一致するように加工することを特徴とする請求項４記載のセラミック基板の溝部形成方法。
6. 上記楕円状の孔の短径に対する長径の比が１０１〜５００％であり、隣接する孔の間が溝で連続するように加工することを特徴とする請求項４または５記載のセラミック基板の溝部形成方法。
7. 上記レーザ光のパルス周期を４００〜１２０００μＳｅｃ、加工スピードを１０００〜１５０００ｍｍ／ｍｉｎ、孔のピッチを０．１〜０．２ｍｍとすることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のセラミック基板の溝部形成方法。
8. セラミック基板にレーザ光を照射して溝部を形成するための加工装置であって、ＲＦ励起方式のＣＯ_２レーザを用い、パルス発振させる手段と、得られた発振パルスをさらに細分化し変調させる手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。

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