JP2004216385A - レーザ穴明け加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張率が大きく、材料厚の厚い基板のレーザ穴明け加工においては投入エネルギーが大きいため温度上昇が著しいため、穴位置精度が±２０μｍ以上に劣化する。
【解決手段】加工エリアの外周側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの内周側に向かって穴明けすると、熱変形が加工エリアの中心対称かつ内周部には張力となり撓みが発生しないため、穴位置精度が向上する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント基板用のレーザ穴明け加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータや携帯電話の基板として広く用いられているプリント基板は、年々小型・高集積化が進み、基板に明ける穴の間隔が急速に狭まり、かつ穴数が急増している。
【０００３】
図３は、レーザ加工装置のビーム位置決め機構を示す。１はレーザ発振器、２はレーザビーム、３はコーナーミラー、４はＸ方向位置決め用ガルバノミラー、５はＹ方向位置決め用ガルバノミラー、６はｆθレンズ、７は加工エリア、８はコントローラ、１０は被加工基板、１１はコリメータレンズ系、１２はアパーチャ、１３はコーナーミラーである。レーザビーム２は、コントローラ８により制御されたガルバノミラー３、４とｆθレンズ５により、加工エリア７内で位置決めされて穴加工を行い、その加工エリアの広さはｆθ×ｆθである。ここで、θはガルバノミラー３、４の最大振り角（ラディアン）、ｆはｆθレンズ５の焦点距離である。加工エリア７には所定の数の穴が所定間隔の格子（グリッド）上に配置される。
【０００４】
従来のプリント基板のレーザ穴明け加工においては、図４又は図５に示すように、加工エリアの最外周のコーナから移動距離が最短となるように、Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３、Ｈ_４の順に始まり直線方向に往復移動（図４）、あるいはジグザグに往復移動して加工する方法（図５）により行なわれていた。
【０００５】
レーザ加工の場合、１次的あるいは２次的に熱の発生を伴って材料が分解除去される。この時、加工によって生じた熱の多くは分解した材料によって持ち去られるが、その一部は熱伝導によって穴周辺の母材の温度を上昇させる。さらに、レーザのエネルギ空間分布は、矩形状（トップハット状）に整形しても必ず裾野状の広がりを持つことや、回折現象による１次ピークあるいは２次ピークをもった分布になっているため、穴周辺の温度を直接上昇させる。従って、穴周辺の材料の温度が加工の進行にともなって徐々に上昇するため、被加工基板は不規則に膨張しながら加工されることになる。特に材料厚の厚い材料ではパルス数、即ち投入エネルギーが大きいため温度上昇が著しい。このため従来の穴明け方法では、ガルバノミラーによる位置決め精度は±５μｍ以下であっても、加工開始位置と加工終了位置で穴位置精度が変化し、加工エリアが広い場合（５０ｍｍ幅程度）には、±２０μｍ以上になることが問題になっていた。
【０００６】
この問題は、特に被加工基板が有機材料やグリーンシートのように熱膨張率が大きい材料からなる場合に顕著であった。
【０００７】
このような熱膨張の影響を改善する方法としては、特開２００１−７９６７７号公報に開示されているように、穴明けを一つ飛びに行う方法や千鳥状に行う方法が知られている。
【０００８】
しかし、この方法も実質的には上記従来技術（図４、図５）と変わりはなく、問題の解決とはならない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明においては、熱膨張による影響を低減できるレーザ穴明け加工方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
常温でプラスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアの外周側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの内周側に向かって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法を用いるとよい。
【００１１】
また、アラミドなどのように常温でマイナスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアの中心側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの外周側に向かって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法を用いるとよい。
【００１２】
加工中の熱変形が加工エリアの中央に対して対称かつ内周部には張力が加わるようにすることにより撓みが発生しなく、また歪みも低減できるため、穴位置精度が向上する。
【００１３】
さらに、試験サンプルの結果に基いてプラス伸縮、角変形量、分布センタ−シフト量を補正することにより、穴位置精度がさらに向上する。
【００１４】
常温でプラスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアを周回半径方向に分割し、ビーム位置を、最外分割部の最外周を周方向に１周回させた後、その内側最近接分割部の最外周にステップ移動させて１周回させ、以後順次内周側の分割部の最外周ステップ移動させて１周回させ、最内分割部の最外周が完了後、最外分割部の次の外周にステップ移動させて１周回させ、以後同様に繰返すことによって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法を用いるとよい。
【００１５】
また、常温でマイナスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアを周回半径方向に分割し、ビーム位置を、最内分割部の最内周を周方向に１周回させた後、その外側最近接分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、順次外周側の分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、最外分割部の最内周が完了後、最内分割部の次の内周にステップ移動させて１周回させ、以後同様に繰返すことによって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法を用いるとよい。
【００１６】
加工エリア内での熱変形を均一化かつ低減できるため、穴位置精度を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図面を使って本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】＜実施例１＞
図１は本発明による第１のレーザ穴明け加工方法を示す。図１においてＡは図３における加工エリア７の外周であり、Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３・・・Ｈ_Ｎは加工エリアＡ内に分布する穴である。Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３・・・Ｈ_Ｎを加工する場合、外周ＡのＨ_１で穴明けが開始されＨ_１→Ｈ_２→Ｈ_３→・・→Ｈ_Ｎの順に周方向にビームを周回させながら、かつ周回位置を周回半径方向に外周側から内周側に向かってシフトしながら加工を行ないＨ_Ｎで加工が終了する。
【００１９】
本加工方法を厚さ３００μｍのグリーンシートの穴明けに適用したところ、穴位置精度は±１２μｍであった。ここで、加工エリアは５０ｍｍ×５０ｍｍ、用いたレーザはＣＯ_２レーザ、エネルギーは４０ｍＪ／穴、穴径は直径１２０μｍ、穴ピッチは１ｍｍ、加工速度は２００穴／秒である。
【００２０】
上記試料を試験サンプルとしてその加工データに基き、プラス伸縮、角変形量、分布センタ−シフト量を算出して補正して加工したところ、穴位置決め精度は±７μｍとなった。これは、ほぼガルバノミラーによる位置決め精度のレベルである。
【００２１】＜実施例２＞
図２は本発明による第２のレーザ穴明け加工方法を示す。図２において加工エリアｆθを周回半径方向にほぼ等距離かつ同心になるように相似形に数Ｍ（ここでは、Ｍ＝３）に区分した例である。ここに、Ａ_１は第１の加工エリアの加工辺長ｆθからｆθ／２Ｍの範囲であり、Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３・・・Ｈ_ｍはＡ_１内に分布する穴である。Ａ_２は第２番目の加工エリアの加工辺長ｆθ（Ｍ−１）／Ｍからｆθ／２Ｍの範囲であり、Ｈ_ｍ＋１、Ｈ_ｍ＋２、Ｈ_ｍ＋３・・・Ｈ_ｍ＋ｎは加工エリアＡ_２内に分布する穴である。Ａ_３は第３番目の加工エリアの加工辺長ｆθ（Ｍ−２）／Ｍからｆθ／２Ｍの範囲であり、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋１}、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋２}、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋３}・・・は加工エリアＡ_３内に分布する穴である。Ａ_Ｍは第Ｍ番目の加工エリアの加工辺長ｆθ／Ｍであり、…Ｈ_Ｎ−１、Ｈ_Ｎは加工エリアＡ_Ｍに分布する穴である。加工エリアＡ_１〜Ａ_Ｍ内の穴はそれぞれ図１におけるＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３・・・Ｈ_Ｎの何れかに対応する。
【００２２】
穴明けは以下の手順により行われる。先ず第１の加工エリアＡ_１、第２の加工エリアＡ_２・・・第Ｍの加工エリアＡ_Ｍの順にそれぞれの最外周にビームを周回させて穴明けする。加工エリア間Ａ_１−Ａ_２、Ａ_２−Ａ_３・・・の移動は各エリアの１周回加工終了位置Ｈ_ｍ、Ｈ_ｍ＋ｎ・・・から次のエリアの加工開始位置Ｈ_ｍ＋１、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋１}・・・にステップ移動する。
【００２３】
即ち、ビームが第１番目の加工エリアＡ_１の外周に移動しＨ_１→Ｈ_２→Ｈ_３→・・・の順にビームを１周回させて加工を行なう。次にビームが第２番目の加工エリアＡ_２の外周に移動し穴Ｈ_ｍ＋１、Ｈ_ｍ＋２、Ｈ_ｍ＋３・・・を１周回させて加工を行なう。同様にビームは第３番目の加工エリアＡ_３の外周に移動し穴Ｈ_{ｍ＋ｎ＋１}、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋２}、Ｈ_{ｍ＋ｎ＋３}・・・を１周回させて加工を行なう。これらを順次繰り返して第Ｍ番目の加工エリアＡ_Ｍの加工が行われ第１回目の周回加工が終了する。
【００２４】
１回目の周回加工が終了すると、加工エリアＡ_１、加工エリアＡ_２・・・加工エリアＡ_Ｍのそれぞれ外周から２番目の穴の順に周回加工が行われ第２回目の周回加工が終了する。これを順次繰り返して最終的に加工エリアＡ_Ｍの穴Ｈ_Ｎの加工をもって全域の加工が終了する。
【００２５】
本加工方法を厚さ３００μｍのグリーンシートの穴明けに適用したところ、穴位置精度は±１０μｍであった。ここで、加工エリアは５０ｍｍ×５０ｍｍ、用いたレーザはＣＯ_２レーザ、エネルギーは４０ｍＪ／穴、穴径は直径１２０μｍ、穴ピッチは１ｍｍ、加工速度は２００穴／秒である。
【００２６】
上記試料を試験サンプルとしてその加工データに基き、プラス伸縮、角変形量、分布センタ−シフト量を算出して補正して加工したところ、穴位置決め精度は±６μｍとなった。これは、ほぼガルバノミラーによる位置決め精度のレベルである。
【００２７】
また、アラミドなどのように常温でマイナスの線膨張係数を有する材料からなる基板への穴明け加工の場合、上記プラスの線膨張係数を有する材料の場合と逆順にし、加工エリアの中心側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの外周側に向かって穴明けするか、又は加工エリアを周回半径方向に分割し、ビーム位置を、最内分割部の最内周を周方向に１周回させた後、その外側最近接分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、順次外周側の分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、最外分割部の最内周が完了後、最内分割部の次の内周にステップ移動させて１周回させ、以後同様に繰返すことによって穴明けするのがよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、加工エリア５０ｍｍ×５０ｍｍにおいて±１５μｍ以下の穴位置精度がえられる。
【００２９】
さらに本発明によれば、加工エリアの幅に応じて伸縮、角変形量、分布センターシフト量を補正することにより加工部全域で良好な穴位置精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の穴明け方法を示す図
【図２】本発明の第２の穴明け方法を示す図
【図３】レーザ加工装置の光学系構成を示す図
【図４】従来の穴明け方法を示す図
【図５】従来の別な穴明け方法を示す図
【符号の説明】
１・・・レーザ発振器
２・・・レーザビーム
３・・・コーナーミラー
４・・・Ｘ方向位置決めガルバノミラー
５・・・Ｙ方向位置決めガルバノミラー
６・・・ｆθレンズ
７・・・加工エリア
８・・・コントローラ
１０・・・被加工基板
１１・・・コリメータレンズ系
１２・・・アパーチャ
１３・・・コーナーミラー

Claims (5)

1. 常温でプラスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアの外周側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの内周側に向かって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法。
2. 常温でプラスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアを周回半径方向に分割し、ビーム位置を、最外分割部の最外周を周方向に１周回させた後、その内側最近接分割部の最外周にステップ移動させて１周回させ、以後順次内周側の分割部の最外周ステップ移動させて１周回させ、最内分割部の最外周が完了後、最外分割部の次の外周にステップ移動させて１周回させ、以後同様に繰返すことによって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法。
3. 常温でマイナスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアの中心側からビーム位置を周方向に周回させながら順次加工エリアの外周側に向かって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法。
4. 常温でマイナスの線膨張係数を有する材料からなる基板に穴明け加工をするレーザ穴明け加工方法において、加工エリアを周回半径方向に分割し、ビーム位置を、最内分割部の最内周を周方向に１周回させた後、その外側最近接分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、順次外周側の分割部の最内周にステップ移動させて１周回させ、最外分割部の最内周が完了後、最内分割部の次の内周にステップ移動させて１周回させ、以後同様に繰返すことによって穴明けすることを特徴とするレーザ穴明け加工方法。
5. 試験サンプルの結果に基き、伸縮量、角変形量、分布センターシフト量を補正することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載のレーザ穴明け加工方法。

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