JP2004314165A

JP2004314165A - レーザトリミング方法

Info

Publication number: JP2004314165A
Application number: JP2003115473A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Kawamuki; 徳康川向; Yohei Nishide; 洋平西出
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】電極除去後のセラミック基体の溶融部位を良好に結晶化させるレーザトリミング方法を提供する。
【解決手段】トリミング対象となる電極１Ａにレーザ光Ｌ１を照射して除去するレーザトリミング方法であって、前記レーザ光Ｌ１の照射により前記電極及びその周囲の電極の除去後におけるセラミック溶融部位を前記レーザ光Ｌ１とは別の徐冷用熱源からの徐冷用レーザ光Ｌ２による加熱制御により徐冷する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基体の表面電極をレーザ光照射によりトリミングして除去するレーザトリミング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の一例である誘電体共振器はセラミック基体の表面に電極を形成して構成されている。このような誘電体共振器においては、一般に共振周波数特性など高周波特性の調整に際してはセラミック基体の表面電極にレーザ光を照射して、その電極の一部を除去（トリミング）することが行なわれている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１６２６０７号公報（全頁、全図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のトリミングの際には、レーザ光を所望の電極除去箇所に照射することで電極が除去されるだけでなく、レーザ光照射によってセラミック基体の電極除去箇所に層状のセラミック溶融部位が生じることがある。セラミック基体の表面にセラミック溶融部位が生じた状態で電極除去用のレーザ照射が解除されると、自然状態ではその溶融部位が急冷されるのでセラミック溶融部位が非晶質になり易い。セラミック基体にそのような非晶質部分があると、セラミック基体の誘電率や絶縁抵抗が変化するため電極のトリミングが適正に行なわれているにもかかわらず、Ｑ特性が劣化したものとなるなど品質低下につながる。このようなセラミック溶融部位を再結晶化して適正なＱ特性にするために、従来においては、トリミングにより変質した部分を再生するようその部品を熱処理炉で加熱処理していた。この加熱処理によりＱ特性の向上は図れるものの、加熱処理を別途行なうことから、効率的に製造できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、レーザトリミングによる電極除去により存在するセラミック溶融部位を良好に結晶化されるようにすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、セラミック基体の表面に形成されている電極の一部をレーザ光照射により除去するレーザトリミング方法であって、前記電極に対するレーザ光の照射によりその電極の近傍で溶融した状態にあるセラミック溶融部位に対して徐冷用熱源から熱を加えておいて該セラミック溶融部位を徐冷することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、電極除去用のレーザ光照射に伴ってセラミック基体の表面が一部溶融することがあっても、徐冷用熱源による加熱制御によりその溶融部位の温度が徐々に低下するように制御される。これに伴い、溶融部位において非晶質層などの変質層の発生を抑制することができる。また、セラミック溶融部位の徐冷は、電極除去用のレーザ光照射時または電極除去用のレーザ光照射停止に引き続いて行われるものとなっているから、電極がトリミングされた部品を一旦冷却した後に、再度熱処理炉で加熱処理する従来のような手間が不要となり、生産性が向上することになる。また、誘電体共振器などの高周波部品についてはそのＱ特性などが劣化することなく高品質なものを提供できる。
【０００８】
本発明における前記徐冷用熱源は、好ましくは、レーザ光を照射するものである。この場合、レーザ光は選択性、指向性が強いことから、電極除去部位やその近傍を効率的に加熱することができる。また、熱処理炉のような大掛かりな設備が不要となる。
【０００９】
本発明に係るトリミング方法は、好ましくは、前記電極除去用のレーザ光の前記セラミック基体に対するレーザ吸収率が６０％以下であり、前記徐冷用熱源が照射するレーザ光の前記セラミック基体に対するレーザ吸収率が７０％以上である。この場合、電極除去用レーザ光はセラミック基体に対するレーザ吸収率が比較的低く、セラミック基体と比べて電極を選択的に加熱することができるため、セラミック基体の溶融層の厚みを薄くすることができる。また、徐冷用レーザ光はセラミック基体に対するレーザ吸収率が比較的高く、徐冷に際しての出力コントロールがより正確にできる。
【００１０】
本発明における前記徐冷用熱源による加熱は、好ましくは、電極除去用のレーザ光の照射前から行なう。この場合、予め徐冷用熱源による加熱が電極除去部位やその近傍に対して行われるから、電極除去用のレーザ光を照射した後から加熱させるものに比較して、電極除去に伴う溶融状態のセラミックが良好に結晶化される温度近くまで電極除去前に予め上昇させておくことができるので、電極除去後にセラミック基体の溶融部位が急冷されるおそれがなく、より確実に溶融部位を徐冷することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るレーザトリミング方法を図面を参照しながら詳細に説明する。図１ないし図５は、本発明の実施形態に係り、図１は、レーザトリミング装置の概略構成を示す図、図２は、電極除去と徐冷それぞれのレーザ光照射領域を概略的に示す図、図３は、電極除去用レーザ光照射と徐冷用レーザ光照射それぞれのレーザ照射時間対各レーザ出力の関係を示す図、図４は、ワークの斜視図、図５は、ワークの加工部位の概略拡大断面図である。この実施形態でのワークの例は誘電体共振器である。
【００１２】
まず図１を参照して本実施形態のレーザトリミング装置を説明すると、１はワークであって、このワーク１は、セラミック基体１Ｂとその表面に形成された電極１Ａとを備える。
【００１３】
２は電極除去用レーザ光照射機構であって、電極除去用レーザ２Ａ、ガルバノメータ２Ｂ、ｆθレンズ２Ｃおよびダイクロイックミラー２Ｄにより構成されていて、ワーク１に対して電極除去用レーザ光Ｌ１を照射することによりワーク１における電極の所望部位を除去するようになっている。ガルバノメータ２Ｂ、ｆθレンズ２Ｃおよびダイクロイックミラー２Ｄそれら自体は周知のものであるから、詳しい構成の説明は省略する。
【００１４】
３は徐冷用レーザ光照射機構であって、徐冷用熱源３Ａおよび集光レンズ３Ｂにより構成されていて、電極除去によりワーク１のセラミック基体１Ｂに生じたセラミック溶融部位を徐冷用レーザ光Ｌ２の照射により徐冷するようになっている。４は両機構２，３を制御する制御装置である。
【００１５】
電極除去用レーザ光照射機構２において、電極除去用レーザ２Ａで発生したレーザ光をガルバノメータ２Ｂのミラー２Ｅによって１方向にスキャンさせつつｆθレンズ２Ｃを介してダイクロイックミラー２Ｄで反射させてワーク１の表面電極１Ａに対して電極除去用レーザ光Ｌ１として照射する。
【００１６】
徐冷用レーザ光照射機構３において、徐冷用熱源３Ａからのレーザ光は集光レンズ３Ｂを介してワーク１の表面電極１Ａに対して徐冷用レーザ光Ｌ２として照射する。このとき、集光レンズ３Ｂとワーク１との位置関係を調整（デフォーカス）することによって照射領域を調整する。
【００１７】
図２を参照してこのような電極除去用レーザ光Ｌ１と徐冷用レーザ光Ｌ２とがワーク１に照射される様子を説明する。電極除去用レーザ光Ｌ１は実線から点線の方向にその照射位置が点線矢印で示すように移動していく。ここでＳＬ１は電極除去用レーザ光Ｌ１により照射されてトリミング除去される電極除去領域を示す。
【００１８】
一方、ＳＬ２は徐冷用レーザ光Ｌ２により照射されて徐冷される電極徐冷領域を示している。これから明らかであるように電極除去領域ＳＬ１よりも電極徐冷領域ＳＬ２の方が広くされており、これによって、電極除去領域ＳＬ１はその周囲の電極を含めて常に徐冷されることになる。
【００１９】
電極除去用レーザＬ１は、電極除去領域ＳＬ１に対して連続的に照射されるのではなく間欠的に照射されるようになっている。すなわち、図３において横軸はレーザ光照射時間（単位秒Ｓ）を、また縦軸はレーザ出力（単位ワットＷ）をそれぞれ示す。電極除去用レーザ光照射機構２において、電極除去用レーザは、例えば０．５秒間という短い時間の間に最大出力５０００Ｗの電極除去用レーザ光Ｌ１を数回例えば４回程度間欠出力する。なお、図３では理解のため電極除去用レーザ光Ｌ１が照射される前記０．５秒を時刻ｔ_１〜ｔ_２の間としている。そして、この電極除去用レーザから電極除去用レーザ光Ｌ１が照射される前の時刻ｔ_０に徐冷用熱源から電極除去用レーザ光Ｌ１より小さい出力の徐冷用レーザ光Ｌ２が照射されるようになっている。この徐冷用レーザ光Ｌ２は、時刻ｔ_０からｔ_３まではほぼ一定の出力Ｘであり、時刻ｔ_３以降は、徐々にレベルが小さくなる形態で徐冷するようになっている。
【００２０】
ワーク１の形状は例えば図４で示す高さ４ｍｍ、前後左右幅がそれぞれ３ｍｍの直方体状のセラミック基体１Ｂの外表面全体に表面電極１Ａが成膜形成されたものでよい。なお、この実施形態の場合、セラミック基体１Ｂには、長手方向を上下方向としたときに、上下に貫通する孔１Ｃが中心を通るように形成されている。この孔１Ｃの直径は１ｍｍに設定されている。そして、この孔１Ｃの内周面にも表面電極１Ａが成膜形成されている。セラミック基体１Ｂの材質を例えばチタン酸バリウム系とし、また電極１Ａを無電解銅メッキとしてもよい。電極除去用レーザには、例えばＱスイッチＹＡＧレーザがある。このレーザによる場合の電極除去用レーザ光Ｌ１は、チタン酸バリウム系のセラミックに対する熱エネルギーに変換される吸収率が５０％であり、電極に対する吸収率が５％である。電極除去用レーザの出力は任意に調整すればよく、例えば１Ｗないし１０Ｗの範囲などで調整してよいし、また、電極除去用レーザ光Ｌ１のＱ_ＳＷ周波数は例えば１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚである。ガルバノメータ４によるスキャン速度は、レーザ照射位置において１８ｍｍ／ｓである。
【００２１】
本実施形態では電極除去用レーザ光Ｌ１による電極除去トリミングは、上下に縦長姿勢のワーク１の表面電極１Ａに行い、ワーク１の共振周波数の調整を行うものである。
【００２２】
徐冷用熱源から発生した徐冷用レーザ光Ｌ２は、集光レンズ３Ｂを介してワーク１の電極除去部位１０を含むその周囲電極に照射される。この場合の徐冷用レーザ光Ｌ２の照射経路は、電極除去部位１０に対して電極除去用レーザ光Ｌ１よりも斜め向きになっている。
【００２３】
徐冷用熱源は、半導体レーザを発光源としているのであり、その出力された徐冷用レーザ光Ｌ２は、チタン酸バリウム系のセラミックに対する吸収率はほぼ８０％である。
【００２４】
次に、図３を用いて電極１Ａのトリミング方法を説明すると、一単位範囲の電極除去を行うのに、電極除去用レーザ光Ｌ１をワーク１の電極除去部位１０に照射する０．１秒前から所望範囲の電極除去部位１０に予め徐冷用熱源７から徐冷用レーザ光Ｌ２の照射を開始する。この徐冷用レーザ光Ｌ２は集光レンズなどの光学部品によりセラミック基体１Ｂ上面の照射位置において拡散された状態となっている。これにより所望範囲の電極除去部位１０およびその周囲の電極まで加熱される（図２の太い破線領域ＳＬ２）。この加熱開始後、セラミック基体１Ｂ表面温度は上昇していく。なお、図３において、細線は、徐冷用の熱源７からのレーザ光の出力の時間的な経過を示している。このレーザ光の出力値をＸで示しているが、この場合、Ｘは、所望範囲の電極除去部１０の電極除去が終了する時点において、セラミック基体１Ｂの温度を溶融した状態から良好に結晶化させることが可能な温度である５００℃程度（セラミック基体の再結晶化温度）にセラミック基体１Ｂの温度を維持しておくことができる出力値である。そして、徐冷用熱源からの徐冷用レーザ光Ｌ２の出力開始時点ｔ_０についても、所望範囲の電極除去部１０の電極除去が終了する時点ｔ_２で、セラミック基体の溶融部位を溶融した状態から良好に結晶化させることが可能な温度となるようなタイミングに設定されている。
【００２５】
徐冷用レーザ光Ｌ２が出力開始して０．１秒後から電極除去用レーザ光Ｌ１（ピーク出力５０００Ｗ）が所定回数間欠的に出力されて、所望範囲の電極除去がスキャニングされながら行なわれる。この場合、除去幅は約０．１ｍｍでトリミングが行なわれていく。一単位範囲の電極除去完了に伴い、電極除去用レーザ光Ｌ１の照射が終了するとその終了後、引き続き徐冷用の熱源７からの徐冷用レーザ光Ｌ２の光照射による加熱は行なわれるが、予め設定された所定タイミングｔ_３になると、徐冷用熱源からの徐冷用レーザ光Ｌ２の照射出力を所定プロファイルの出力低下勾配に従った制御により低下させていく。この徐冷用レーザ光Ｌ２の出力低下に伴い、溶融していたセラミックが徐冷されていく。この徐冷により、溶融していたセラミックが変質層になることなく、本来必要とされる結晶層として固化される。本実施の形態の場合、溶融していたセラミックの冷却速度は、１０^３Ｋ／秒以下に設定されている。冷却速度が１０^３Ｋ／秒よりも速いと、良好に結晶化されないおそれがあり、誘電体共振器のＱ値が劣化する可能性がある。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１には、本発明者が上記実施の形態のようにワーク１に対して電極除去部位の電極除去後徐冷を行った実施例と、徐冷を行なわなかった比較例とで、それぞれ、電極除去のレーザトリミング（レーザ加工）する前のＱ値と、レーザトリミング後のＱ値を測定した結果が示されている。
【００２８】
徐冷を行なった実施例の場合、Ｑ値は変化しなかったが、徐冷を行なわなかった比較例の場合、Ｑ値は著しく低下したものとなった。
【００２９】
したがって、徐冷を行った本発明の場合、レーザトリミングによって発生するおそれのある共振器のＱ値の劣化防止が図られる。すなわち、徐冷用熱源による電極除去部位の加熱を行なうことで、電極除去後のセラミックの溶融部位の急冷を抑制できるから、共振器のＱ値を劣化させる非晶質層の発生を抑えることができることで溶融セラミックを良好に結晶化させることができ、よって、Ｑ値の劣化が抑制された高精度で安定したレーザトリミングが行なえる。
【００３０】
なお、上記実施の形態のように、電極除去用のレーザ光の照射前から予め徐冷用の加熱を開始するようにしておけば、電極除去後にセラミック基体の溶融部位が急冷されるおそれがなく、より確実に溶融部位を徐冷できることにより、一層効率的にＱ値劣化の防止を行なえる。
【００３１】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、次のような変形例や応用例がある。
【００３２】
（１）電極除去用のレーザ光としてはＹＡＧレーザのほかにＣＯ_２レーザなど利用できる。
【００３３】
（２）徐冷用の熱源としては、例えば、ＣＯ_２レーザなどのレーザ光を照射できるものや、赤外線を照射できる赤外線ランプ、白色光ランプ、ＬＤ（発光ダイオード）などでもよく、セラミックの溶融部位に対して輻射させて加熱を図る構成のものが望ましい。
【００３４】
（３）電子部品としては、誘電体共振器に限定されるものでなく、例えばセラミック基板上の電極をレーザトリミングするものなどにも本発明を適用できる。
【００３５】
（４）徐冷用熱源による加熱開始のタイミングは、電極除去用のレーザ光の照射開始と同時、もしくは後でもよい。徐冷用熱源の加熱制御による徐冷開始時が電極除去のためのレーザ光照射停止時点に極力近いタイミングとなることが好ましく、その徐冷開始時においてセラミックの溶融部位が良好に結晶化できる温度になっているよう、徐冷用熱源による加熱開始のタイミングが設定されていると、徐冷工程を含めたトリミングに要するタクト時間が極力短縮できるので好ましい。
【００３６】
（５）徐冷用熱源による加熱範囲は、電極除去範囲とほぼ一致するように設定してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電極除去用のレーザ光照射に伴ってセラミック基体の表面が一部溶融することがあっても、徐冷用熱源による加熱制御によりその溶融部位の温度が徐々に低下するように制御されることに伴い、溶融部位において良好な結晶化が促進される。また、電極除去用のレーザ光照射時またはそれのレーザ光照射停止に引き続いて電極除去部位やその近傍箇所に徐冷用熱源により加熱を行なうことで急冷しないよう徐々に冷却することが図れるものとなっているから、電極除去された部品を別途熱処理炉で加熱処理する従来のような手間や設備が不要となり、生産性が向上する。また、誘電体共振器などの高周波部品についてはそのＱ特性などが劣化することなく高品質なものを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザトリミング装置の概略構成を示す図
【図２】電極除去と徐冷それぞれのレーザ光照射領域を概略的に示す図
【図３】電極除去用レーザ光照射と徐冷用レーザ光照射それぞれのレーザ照射時間対各レーザ出力の関係を示す図
【図４】ワークの斜視図
【図５】図１におけるトリミングが行なわれた誘電体共振器の加工部位を概略的に示す断面図
【符号の説明】
１ワーク、２電極除去用レーザ光照射機構、３徐冷用レーザ光照射機構、４制御装置

Claims

セラミック基体の表面に形成されている電極の一部をレーザ光照射により除去するレーザトリミング方法であって、前記電極に対するレーザ光の照射によりその電極の近傍で溶融した状態にあるセラミック溶融部位に対して徐冷用熱源から熱を加えておいて該セラミック溶融部位を徐冷することを特徴とするレーザトリミング方法。
請求項１に記載のレーザトリミング方法において、前記徐冷用熱源は、レーザ光を照射するものであることを特徴とするレーザトリミング方法。
請求項２に記載のレーザトリミング方法において、前記電極除去用のレーザ光の前記セラミック基体に対するレーザ吸収率が６０％以下であり、前記徐冷用熱源が照射するレーザ光の前記セラミック基体に対するレーザ吸収率が７０％以上であることを特徴とするレーザトリミング方法。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザトリミング方法において、前記徐冷用熱源による加熱は、電極除去用のレーザ光の照射前から行なうことを特徴とするレーザトリミング方法。