JP2004306137A

JP2004306137A - 貫通孔の形成方法

Info

Publication number: JP2004306137A
Application number: JP2004089975A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sato; 恒佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】レーザ光の照射時に、被照射物を損傷することなく、被照射物の冷却及び飛散物の除去を確実に行うことができ、貫通孔の形成などを効率的に行うことができる貫通孔の形成方法を提供する。
【解決手段】基体１１の所定箇所にレーザ光Ｌを照射することにより前記基体１１を厚み方向に貫通する貫通孔Ｈを形成する工程と、前記貫通孔内に気体Ａを通過させて、貫通孔内部に存在する屑を貫通孔外に排出し、且つ、基体１１を冷却しながら、該貫通孔Ｈの周辺にレーザ光Ｌを照射して貫通孔Ｈの内面を削ることにより貫通孔Ｈの径を拡げる工程とを含んで貫通孔を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックグリーンシート、セラミック基板、樹脂シートなどの基体に貫通する貫通孔を形成する方法に関するものである。

従来、例えばセラミック基板に貫通孔を形成するにあたり、高速且つ高精度の加工するために、レーザ光を照射して基板材料の一部を焼失させて貫通孔を形成していた。なお、セラミック基板としては、焼成する前のセラミックグリーンシート、セラミック基板、樹脂シートなどが例示でき、これらの基板にはレーザ光線が照射されることから、以下、単に被照射物という。

一般的なレーザ照射装置を用いて、被照射物に貫通孔を形成する工程について説明する。

まず、レーザ光源から被照射物の貫通孔となる部分にレーザ光を１パルス照射して穴を形成した後、他の部分にレーザ光を移動し、同様にレーザ光を１パルス照射して穴を形成することを繰り返して、被照射物の一部をくりぬいた凹部の形成を行う。

次に、凹部の底面に、レーザ光源からレーザ光を移動させながら１パルスずつ照射して穴を形成することを繰り返して、凹部の形成を行う。

そして、凹部の形成を繰り返すことにより、略円柱状の貫通孔が形成される。

しかしながら、上記レーザ照射装置による貫通孔の形成方法によれば、レーザ光の照射時に被照射物が加熱され、照射部分が熱変性したり、熱変形する場合がある。このような不具合を回避するためには、レーザ光の照射とともに照射部分の冷却が重要である。

また、上記レーザ照射装置により被照射物に対し貫通孔を形成する場合、レーザ光源からのレーザ光の照射に伴い、被照射物上の照射部分で加工屑などの飛散物が飛び散り、凹部の底面や内壁に付着し、レーザ光による加工効率が低下する。そのような不具合を解消し貫通孔の形成を効率良く行うためには、レーザ光の照射とともに飛散物の除去が重要である。

そこで、被照射物へ向けて水などの冷却液を注液する機構と、被照射物上の飛散物を吸引により除去する機構を具備するレーザ照射装置が特開平９−５６７２４号公報に開示されている。
特開平９−５６７２４号公報（４−６頁、図２）

しかしながら、上記貫通孔の形成方法では、冷却液は被照射物の表面のみに注液されるため、被照射物の厚みが大きい場合、被照射物全体を確実に冷却するには限界があった。

また、被照射物へ向けて冷却液を注液する方向と、被照射物上の飛散物を吸引により除去する方向が逆方向であるため、冷却液により飛散物が被照射物に付着してしまい、飛散物の除去が確実に行われないという問題点があった。

さらに、冷却液が水である場合、注液後に乾燥しにくいとともに、例えば被照射物がセラミックグリーンシートである場合、水がセラミックグリーンシート中の溶剤を溶解してしまい、セラミックグリーンシートが膨潤するなど、被照射物を損傷してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ光の照射時に、被照射物を損傷することなく、被照射物の冷却及び飛散物の除去を確実に行うことができ、貫通孔の形成などを効率的に行うことが可能な貫通孔の形成方法を提供することにある。

本発明の貫通孔の形成方法は、基体の所定箇所にレーザ光を照射することにより前記基体を厚み方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に気体を通過させて、貫通孔内部に存在する屑を貫通孔外に排出し、且つ、基体を冷却しながら、該貫通孔の周辺にレーザ光を照射して貫通孔の内面を削ることにより貫通孔の径を拡げる工程とを含むことを特徴とするものである。

また本発明の貫通孔の形成方法は、前記気体の流入方向を、前記レーザ光の照射方向と逆方向に設定されることを特徴とするものである。

さらに本発明の貫通孔の形成方法は、前記基体は有機成分を含有するセラミックグリーンシート又は樹脂シートから成り、前記気体中の酸素含有率が２０〜６０ｖｏｌ％に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の貫通孔の形成方法。

本発明によれば、基体（被照射物）の所定箇所にレーザ光を照射することにより前記基体を厚み方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に気体を通過させて、貫通孔内部に存在する屑を貫通孔外に排出し、且つ、基体を冷却しながら、該貫通孔の周辺にレーザ光を照射して貫通孔の内面を削ることにより貫通孔の径を拡げる工程とを含むことから、被照射物の貫通孔を貫くように気体を通過させながら、レーザ光を照射しているため、この気体により被照射物を冷却することができるとともに、冷却と同時に飛散物の除去を行うことができ、貫通孔の形成を効率的に行うことが可能となる。

また、貫通孔内に被照射物の一主面側より貫通孔を貫くように気体を通過させるため、被照射物の厚みが大きい場合も、被照射物全体を確実に冷却することができる。さらに、気体は貫通孔を通過した後、確実に除去することができるため、飛散物が被照射物に付着する問題点や、被照射物を損傷してしまうという問題点を解決できる。

また本発明によれば、前記気体の流入方向は、前記レーザ光の照射方向と逆方向に設定されることから、例えば被照射物の一部をくりぬいた形成された凹部の底面にレーザ光を照射する際に、発生する飛散物の除去が行いやすくなる。

ここで、中心となる貫通孔を形成する際、気体を通過させることができないため、気体により被照射物の冷却や、飛散物の除去を行うことはできないが、当該貫通孔の内面は最終的には削られてしまうため、問題となることはない。

さらに本発明によれば、前記基体は有機成分を含有するセラミックグリーンシート又は樹脂シートから成り、前記気体中の酸素含有率が２０〜６０ｖｏｌ％に設定されているため、レーザ光の照射によりセラミックグリーンシート又は樹脂シートから遊離したＣ原子が当該酸素と結合してＣＯ_２となり、速やかに除去することができる。ここで、気体中に含有される酸素の量が２０ｖｏｌ％未満である場合、遊離したＣ原子をＣＯ_２にするための酸素が不十分となり、遊離したＣ原子の除去を確実に行うことができない。一方、含有される酸素の量が６０ｖｏｌ％より多い場合、レーザ光の熱との作用によって発火するおそれがあるからである。

以下、本発明の貫通孔の形成方法を図面に基づいて説明する。

図1は、本発明の貫通孔の形成方法に用いるレーザ照射装置およびその形成方法の貫通孔形成過程の断面図である。図２は、本発明のレーザ照射装置を用いて、被照射物に貫通孔を形成する工程を説明する図である。

図において、２０はレーザ照射装置、２１は吸引部、２２は集光レンズ、２３はレーザ光源、１１はセラミック基板、セラミックグリーンシート、樹脂シートなどの基体（以下被照射物という）、１２は加工屑などの飛散物、Ｈは貫通孔である。

まず、図２（ａ）に示すように、レーザ光源２３から発振されるレーザ光Ｌａの径を、集光レンズ２２などにより目的の貫通孔Ｈの径よりも細くして、被照射物１１の貫通孔Ｈとなる領域の略中心部にレーザ光Ｌａを照射することにより、貫通孔Ｈａを形成する。このとき、貫通孔Ｈａは、貫通孔Ｈとなる部分の中心から若干ずれても良い。

次に、図２（ｂ）に矢印で示すように、被照射物１１の貫通孔Ｈとなる部分にレーザ光Ｌｎを１パルス照射して穴を形成した後、他の部分にレーザ光Ｌｎを移動し、同様にレーザ光Ｌｎを１パルス照射して穴を形成することを繰り返して、渦巻状に徐々に外側にレーザ光Ｌｎを１パルスずつ照射していき、貫通孔Ｈとなる領域の周辺位置まで被照射物の一部をくりぬいた凹部Ｈ１の形成を行う。ここで、レーザ光Ｌｎを移動する形状は、渦巻状の他、略格子状、ジグザグ状など、いずれの形状でも良い。

また、図２（ｃ）に示すように、凹部Ｈ１の底面に、レーザ光Ｌｎを移動させながら１パルスずつ照射して穴を形成することを繰り返して、凹部Ｈ１の形成を行う。

ここで、図２（ｂ）及び（ｃ）において、被照射物１１の貫通孔Ｈａ内に、レーザ光Ｌｎの照射の方向とは逆の方向に、空気などの気体Ａを通過させる機構を有する。

具体的には、図１に示すように、被照射物１１の上側に、貫通孔Ｈａを通過した空気Ａを吸引する吸引部２１を配置する。この他、レーザ光Ｌを照射する部分の内部に、空気Ａを吸引する機構を設けても良い。あるいは、被照射物１１の下側に、貫通孔Ｈａ内に気体Ａを注入する機構を設けるようにしても良い。

このため、気体Ａにより被照射物１１を冷却することができるとともに、冷却と同時に飛散物１２の除去を行うことができ、貫通孔Ｈの形成を効率的に行うことが可能となる。また、気体Ａは貫通孔Ｈａを通過した後、確実に除去することができるため、飛散物１２が被照射物１１に付着する問題点や、被照射物１１を損傷してしまうという問題点を解決できる。

さらに、被照射物１１の貫通孔Ｈａを貫くように気体Ａを通過させるため、被照射物１１の厚みが大きい場合も、被照射物１１全体を確実に冷却することができる。

また、気体Ａが通過する方向は、レーザ光Ｌｎの照射する方向とは逆であるため、例えば凹部Ｈ１の底面にレーザ光を照射する際に、発生する飛散物１２の除去が行いやすくなる。

さらに、被照射物１１が有機成分１３を含有するセラミックグリーンシート又は樹脂シートから成る場合、気体Ａ中の酸素含有率は２０〜６０ｖｏｌ％に設定することが望ましい。すなわち、レーザ光Ｌｎの照射によりセラミックグリーンシート又は樹脂シートから遊離したＣ原子が酸素と結合してＣＯ_２となり、速やかに除去することができる。ここで、気体中に含有される酸素の量が２０ｖｏｌ％未満である場合、遊離したＣ原子をＣＯ_２にするための酸素が不十分となり、遊離したＣ原子の除去を確実に行うことができない。一方、含有される酸素の量が６０ｖｏｌ％より多い場合、レーザ光Ｌｎの熱との作用によって発火するおそれがあるからである。よって、上記のように気体Ａ中の酸素含有率は２０〜６０ｖｏｌ％に設定することが望ましい。ここで、有機成分１３としては、例えば、ポリビニルブチラールなどのバインダ樹脂やトルエンなどの有機溶剤が挙げられる。

そして、図２（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すことにより、図２（ｄ）に示すように、略円柱状の貫通孔Ｈが形成される。

ここで、貫通孔Ｈａを形成する際、気体Ａを貫通孔Ｈ内に通過させることができないため、気体Ａにより被照射物１１の冷却や、飛散物１２の除去を行うことはできないが、当該貫通孔Ｈａの内面は最終的には削られてしまうため、問題となることはない。

以下、本発明の貫通孔の形成方法に用いるレーザ照射装置２０を積層セラミックコンデンサの製造方法に適用した例について説明する。なお、各符号は焼成の前後で区別しないものとする。

図３は、本発明の貫通孔の形成方法に用いるレーザ照射装置２０を用いて製造された積層セラミックコンデンサの一実施形態を示す断面図である。図４は、本発明の貫通孔の形成方法に用いるレーザ照射装置２０を用いた積層セラミックコンデンサの製造方法の一実施形態を示す断面図であり、（ａ）はセラミックグリーンシート積層後、（ｂ）は貫通孔形成後、（ｃ）はビアホール導体形成後を示す図である。

図３に示すように、積層セラミックコンデンサ１０は、積層体１内部に内部電極３、４が形成されるとともに、内部電極３、４と夫々接続されるビアホール導体５、６が形成され、且つ積層体１の両主面にビアホール導体５、６に夫々接続される外部電極７、８が形成されている。

本発明の積層セラミックコンデンサの製造方法は、まず、誘電体層となる複数のセラミックグリーンシート２に、内部電極となる内部電極パターン３、４をそれぞれ形成し、図４（ａ）に示すように、内部電極パターン３と内部電極パターン４のそれぞれが形成された２種類のセラミックグリーンシート２を交互に所要枚数を積み重ね、その上下から加圧加熱して大型積層体（被照射物）１１を形成する。

ここで、セラミックグリーンシート２は、セラミック粉末と焼結助剤に有機溶剤、可塑剤、分散材、バインダ樹脂などの有機成分１３を混合してセラミックスラリーをシート状に成型して乾燥してなるものであり、有機溶剤としては、例えばトルエン、酢酸エチル、あるいはこれらの混合物などを用いられ、バインダ樹脂としては、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、セルロース、水溶性アクリル樹脂、エマルジョンなどのＣ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｃ−Ｏ結合の分子鎖が集合した構造を有したものを用いればよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、大型積層体１１の主面に波長が４００ｎｍ以下のＵＶ−ＹＡＧレーザなどを照射する。レーザ光Ｌの照射は、図２に示すように、（ａ）レーザ光Ｌａの照射により、貫通孔Ｈａを形成した後、（ｂ）貫通孔Ｈａの周辺にレーザ光Ｌｎを移動させながら照射することによる凹部Ｈ１の形成と、（ｃ）凹部Ｈ１の底面に、レーザ光Ｌｎを移動させながら照射することによる凹部Ｈ１の形成を繰り返すことにより、（ｄ）被照射物１１に貫通孔Ｈを形成する。また、被照射物１１の貫通孔Ｈａ内に、レーザ光Ｌｎの照射の方向とは逆の方向に、空気などの気体Ａを通過させることにより、大型積層体１１の冷却と飛散物１２の除去を同時に行う。

このとき、大型積層体１１の冷却に水を用いないため、水がセラミックグリーンシート２中の溶剤を溶解してしまい、セラミックグリーンシート２が膨潤するなどの問題点を解決できる。また、気体Ａにより、被照射物１１全体を確実に冷却することができるため、図５に示すように、セラミックグリーンシート２に比べて融点の低い内部電極パターン３、４の早期蒸発が起こり、内部電極パターン３、４の貫通孔Ｈに露出する部分が消失し、内部電極３、４とビアホール導体５、６の電気的接続を不能または低下にしてしまうという問題点を解決できる。さらに、図６に示すように、レーザ光Ｌｎの照射の際に、セラミックグリーンシート２が内部電極パターン３、４の貫通孔Ｈに露出する部分を塞いでしまうという問題点も解決できる。

貫通孔Ｈの形成に使用されるレーザは、４００ｎｍ以下の波長のレーザを用いれば良い。波長が４００ｎｍを超える場合では、バインダ樹脂の分子鎖を切るレーザ光とはならず、レーザ光による急速局所加熱により、穿孔部以外の周辺のバインダ樹脂の熱分解及び貫通孔壁に露出した内部電極である金属Ｎｉの蒸発が促進され、貫通孔Ｈに内部電極パターン３、４が露出させることができない。好ましくは、波長が１９０ｎｍ〜３６０ｎｍであるレーザが用いられる。波長が３６０ｎｍ以下のレーザ光を用いると、より低い温度の状態でバインダ樹脂のＣ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｃ−Ｏ結合の分子鎖を切断することができるため、内部電極３、４の早期蒸発による貫通孔へ露出する部分の消失をより効果的に防止することが可能となる。一方、波長が１９０ｎｍ未満であるレーザでは、エネルギーの大きさが十分ではないため効率的に貫通孔１５、１６を形成することが困難である。

レーザの種類としてはＵＶ−ＹＡＧレーザやキセノンレーザ、ＫｒＦレーザやＡｒＦレーザなどのエキシマレーザなどが使用できる。特に４００ｎｍ以下の波長のレーザを用い、径が１００μｍ以下で貫通孔Ｈを精度良く形成するためには、特にＵＶ−ＹＡＧレーザが好適である。

次に、図４（ｃ）に示すように、形成された貫通孔Ｈ内に、スクリーン印刷法により、ビアホール導体５、６となる導電性ペーストを充填する。

さらに、大型積層体１１を切断し、未焼成状態の積層体１を得る。

次に、未焼成状態の積層体１の脱バインダ及び焼結を行い、内部に内部電極３、４、及びビアホール導体５、６が形成された積層体１が得られる。

その後、各ビアホール導体５、６を外部と電気的に接続するために、焼成後の積層体１の主面に、導電性ペーストをスクリーン印刷などで塗布し焼き付けることにより、外部電極７、８を形成する。

このようにして、図３に示すような積層セラミックコンデンサ１０が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態例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内での種々の変更や改良などは何ら差し支えない。

例えば、上記実施の形態では、セラミックグリーンシート２を積層した大型積層体１１に貫通孔Ｈを形成した例を用いて説明したが、本発明は、セラミック基板、樹脂シートなど、様々な被照射物１１の貫通孔Ｈの形成などに用いることができる。また、本発明では、貫通孔Ｈａの周囲に、凹部Ｈ１の形成しながら、最終的に貫通孔を形成しているが、例えば貫通孔Ｈａの周囲の一部に、被照射物の厚みを完全に貫く貫通孔を形成し、これらの貫通孔の集合体として所定形状の貫通孔Ｈを形成してもよい。

また、上記実施の形態では、積層セラミックコンデンサ１０の製造方法に適用した例を用いて説明したが、本発明は、他のセラミック部品の製造方法にも適用できる。

本発明の貫通孔の形成方法に用いるレーザ照射装置およびその説明するための概略図である。本発明の被照射物に貫通孔を形成する工程を説明する図であり、（ａ）は貫通孔となる領域の中心にレーザ光を照射した後、（ｂ）、（ｃ）はレーザ光による凹部を形成した後、（ｄ）は貫通孔の形成が終了した後である。本発明の貫通孔の形成方法を適用して製造された積層セラミックコンデンサの一実施形態を示す断面図である。図３の積層セラミックコンデンサの製造方法の一実施形態を示す断面図であり、（ａ）はセラミックグリーンシート積層後、（ｂ）は貫通孔形成後、（ｃ）はビアホール導体形成後を示す図である。図２において、セラミックグリーンシートが、導体膜が貫通孔内に露出した部分を塞いだ状態を示す部分拡大図である。図２において、内部電極となる導体膜の早期蒸発により、導体膜が貫通孔内に露出する部分が消失した状態を示す部分拡大図である。

符号の説明

１０積層セラミックコンデンサ
１積層体
２誘電体層
３、４内部電極（配線パターン）
５、６ビアホール導体
７、８外部電極
１１大型積層体（被照射物）
１２屑（飛散物）
１３有機成分
２０レーザ照射装置
２１吸引部
２２集光レンズ
２３レーザ光源
Ｌレーザ光
Ｈ貫通孔
Ａ気体

Claims

基体の所定箇所にレーザ光を照射することにより前記基体を厚み方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔内に気体を通過させて、貫通孔内部に存在する屑を貫通孔外に排出し、且つ、基体を冷却しながら、該貫通孔の周辺にレーザ光を照射して貫通孔の内面を削ることにより貫通孔の径を拡げる工程とを含むことを特徴とする貫通孔の形成方法。
前記気体の流入方向は、前記レーザ光の照射方向と逆方向に設定されることを特徴とする請求項１記載の貫通孔の形成方法。
前記基体は有機成分を含有するセラミックグリーンシート又は樹脂シートから成り、前記気体中の酸素含有率が２０〜６０ｖｏｌ％に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の貫通孔の形成方法。