JP2004358507A - レーザ加工装置とレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パルス状のレーザビームを出力するレーザ発振器1と、前記レーザ発振器1から照射されるレーザビーム2aの光路を偏向する音響光学素子3と、レーザビームを被加工物6に相対的に移動させるガルバノミラー5a、5bを備え、レーザ発振器1から出力されるパルスレーザ光の平均出力が略一定になるように制御するレーザ加工装置とレーザ加工方法である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話などに用いられるビルトアップ式のプリント基板に層間を接続するブラインドホールをレーザビームで加工する場合、コンフォーマルマスク法、ラージウィンドウ法、あるいはダイレクト法が採用される。この中で、コンフォーマルマスク法の場合には、予めエッチングにより外層銅箔を除去して成形したエッチングウィンドウから、また、ダイレクト法では、外層銅箔のない絶縁層に直接、レーザビームを照射し、レーザエネルギーによりガラス強化繊維やフィラを含有する樹脂で成形された絶縁層を除去する。
【0003】
これらの加工に用いられるレーザ加工装置には、発振器から発振されたレーザビームを音響光学方式装置を用いて短パルス化させるものがある。このようなレーザ加工装置を図5により説明する。
【0004】
図5は、従来のレーザ加工装置の構成図である。
【0005】
レーザ発振器101は、パルス状態のレーザビーム102aを出力する。このレーザビーム102aの光路を偏向可能な音響光学素子103は、レーザ発振器101の光路に所定の角度で配置されている。
【0006】
前記音響光学素子103は、起動信号にてレーザビーム102aを偏向する。前記音響光学素子103によって偏向されたレーザビーム102bは全反射ミラー104a、104bによってガルバノミラー105a、105bへ導かれる。なお、全反射ミラー104a、104bの反射面は固定されている。また、ガルバノミラー105a、105bまでの光路途中にアパーチャ112が配置されている。
【0007】
集光レンズ(fθレンズ)106は、加工ヘッド107に固定され、プリント基板108は、X−Yテーブル109に固定されている。
【0008】
なお、ガルバノミラー105a、105bは図中矢印で示すように、回転軸の回りに回転自在であり、反射面を任意の角度に位置決めすることができる。
【0009】
この、ガルバノミラー105a、105bのスキャン領域110は、50mm四方程度の大きさである。
【0010】
そして、加工に使用されないレーザビーム102cは、集熱装置111に導かれる。
【0011】
次に従来のレーザ加工装置の動作を説明する。
【0012】
レーザ発振器101から出力されたレーザビーム102aは、音響光学素子103に入射する。音響光学素子103は、起動指令によりレーザビーム102aの一部を偏向する。起動指令にてレーザ光を偏向して加工面上に到達させ、起動指令がないときはレーザパルスを偏向なく透過し、集熱装置111に導かれる。
【0013】
そして、偏向されたレーザビーム102bは、全反射ミラー104a、104bで反射し、アパーチャ12を通過してビーム形状が成形される。アパーチャ112を通過したレーザビーム102bは、ガルバノミラー105a、105bで定まる光路を通り、集光レンズ106で集光され、スキャン領域110内の穴を加工する。
【0014】
そして、ガルバノミラー105a、105bを動作させ、加工ヘッド107はスキャン領域110内の穴を、順に加工する。
【0015】
スキャン領域110内の穴の加工が終了したら、X−Yテーブル109を移動させ、次のスキャン領域113内の加工を行う。
【0016】
ところで、1個の穴を加工するために、パルス状のレーザビーム102bを複数個照射することが多い。1個の穴に対して複数個のパルス状のレーザを連続して照射し、その穴の加工を終了させてから次の穴を加工する加工方法をバースト加工といい、複数個の穴を1組とし、各穴にパルス状のレーザを1個づつ照射し、この動作をそれぞれの穴の加工が完了するまで繰り返す加工方法をサイクル加工という。
【0017】
次に、図6、7で加工装置の動作を説明する。
【0018】
図6はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【0019】
図7は、図6のt00〜t12部分を拡大した図である。
【0020】
図で、(a)はレーザ発振器101の起動信号、(b)はレーザビーム102aのエネルギーの大きさ、(c)は音響光学素子103の起動信号、(d)は偏向されたレーザビーム102bのエネルギーの大きさ、(e)はガルバノミラー105a、105bの起動信号を示している。レーザビームの起動信号がオンされると(時刻t00)数μsの遅れ時間Tdl経過後にレーザビーム102aの照射が開始される(時刻t01。この場合はTdl)。
【0021】
レーザビーム102aのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Tu経過後に略ピーク値Wpになる(時刻t02)。
【0022】
時刻t00からパルス期間Tpが経過して起動信号がオフされると(時刻t03)、エネルギは徐々に減少し、立下り時間Td経過後に0になる(時刻t05)。
【0023】
音響光学素子103は、レーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになる時刻t02からレーザ発振器101がオフされる時刻t03の間オンされる。レーザビーム102bは音響光学素子103がオンされている間出力される。
【0024】
ガルバノミラー105a、105bは音響光学素子103が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【0025】
レーザ発振器101は、ガルバノミラー105a、105bの位置決めが完了する時刻t12に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする(時刻t10)。以下、上記の動作を繰り返す。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
通常、レーザ発振器が発振可能なレーザパルス周期は10ms〜0.33ms(周波数100Hz〜3kHz)であり、パルス期間Tpは、数10μsである。一方、ガルバノミラー105a、105bの位置決めに要する時間Tgは、1〜3ms程度を必要とする。
【0027】
レーザ発振器101の遅れ時間Tdとレーザ発振器101の立上り時間Tpの合計時間は、ガルバノミラー105a、105bの位置決めが完了する時間に比べて充分に短い。
【0028】
レーザ加工装置については加工時間短縮という要望があり、ガルバノ位置決め完了時刻にあわせて、レーザ出力が略ピーク値Wpとなるように、レーザ発振器の起動信号をオンする時刻を決定する。
【0029】
このため、不定ピッチの穴加工をする場合にはガルバノミラノ位置決め時間が不定となり、レーザビームの照射周期が変化し、平均出力が絶えず変化することになる。
【0030】
一方で、レーザビーム102aの照射方向はレーザビームの平均出力によって変化する特性を有するために、レーザビームの照射周期が変化することで、レーザビーム102aの照射方向が変化する。
【0031】
すなわち不定ピッチの穴加工をする場合には、レーザ照射方向は一定にならず、アパーチャ112を通過するビーム中心とアパーチャ112の中心は常に変化し、アパーチャ112を通過し、加工するビームエネルギーは安定しない。
【0032】
さらに、音響光学素子103には、レーザビームの吸収による発熱が有り、この発熱によって音響光学素子103が熱レンズを発生する。
【0033】
熱レンズは平均出力に比例しているが熱的事定数が小さいため熱レンズの変化が早い。
【0034】
そのため、不定ピッチの穴加工をする場合には、アパーチャ112部分でのレーザビーム径は変化し、アパーチャ112を通過し、加工するビームエネルギーは安定しない。
【0035】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、レーザ発振器を有効に活用するするとともに加工エネルギーを正確に制御することで品質の優れる穴を加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することにある。(例えば特開2001−352120号公報)
【0036】
【特許文献】
特開2001−352120号公報
【0037】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明はパルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、前記光路偏向手段でパルスレーザー光を被加工物への光路から外してパルスレーザー光の平均出力を略一定にするレーザ加工装置である。また、パルスレーザー光をレーザ発振器から出力し、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させて被加工物を加工するレーザ加工方法において、レーザ発振器から被加工物へ至る光路上に設けた光路偏向手段で、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させている時にパルスレーザー光を被加工物への光路から外してパルスレーザー光の平均出力を略一定にするレーザ加工方法である。
【0038】
【発明の実施の形態】
(実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0039】
図1は、本発明の第1の実施の形態のレーザ加工装置の概略を示す構成図である。
【0040】
レーザ発振器1は、パルス状態のレーザビーム2aを出力する。
【0041】
レーザ光の光路を偏向可能な音響光学素子3は、レーザ発振器1の光路に所定の角度で配置されている。前記音響光学素子3は、起動信号にてレーザビーム2aを偏向する。
【0042】
前記音響光学素子3によって偏向されたレーザビーム2bは全反射ミラー4a、4bによってガルバノミラー5a、5bへ導かれる。
【0043】
全反射ミラー4a、4bの反射面は固定されている。ガルバノまでの光路途中にアパーチャ12が配置されている。加工に使用されないレーザビーム2cは、集熱装置11に導かれる。ガルバノミラー5a、5bは図中矢印で示すように、回転軸の回りに回転自在であり、反射面を任意の角度に位置決めすることができる。
【0044】
集光レンズ(fθレンズ)6は、加工ヘッド7に固定されている。
【0045】
プリント基板8は、X−Yテーブル9に固定されている。
【0046】
ガルバノミラー5a、5bのスキャン領域10は、50mm四方度の大きさである。
【0047】
次にレーザ加工装置の動作を説明する。
【0048】
レーザ発振器1から出力されたレーザビーム2aは、音響光学素子3に入射する。音響光学素子3は、起動指令によりレーザビーム2aの一部を偏向する。起動指令にてレーザ光を偏向して加工面上に到達させ、起動指令がないときはレーザビーム2aを偏向なく透過し、レーザビーム2cを集熱装置11に導く。偏向されたレーザビーム2bは、全反射ミラー4a、4bで反射し、アパーチャ12を通過してビーム形状が成形される。アパーチャ12を通過したレーザビーム2bは、ガルバノミラー5a、5bで定まる光路を通り、集光レンズ6で集光され、スキャン領域10内の穴を加工する。
【0049】
そして、ガルバノミラー5a、5bを動作させ、加工ヘッド7はスキャン領域10内の穴を、順に加工する。スキャン領域10内の穴の加工が終了したら、X−Yテーブル9を移動させ、次のスキャン領域13内の加工を行う。
【0050】
次に図2、3にて動作を説明する。
【0051】
図2はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【0052】
図3は、図2のt10〜t33部分を拡大した図である。
【0053】
図で、(a)はレーザ発振器1の起動信号、(b)はレーザビーム2aのエネルギーの大きさ、(c)は音響光学素子3の起動信号、(d)は偏向されたレーザビーム2bのエネルギーの大きさ、(e)は偏向されないレーザビーム2cのエネルギーの大きさ、(f)はガルバノミラー5a、5bの起動信号を示している。
【0054】
レーザビームの起動信号がオンされると(時刻t10)数μsの遅れ時間Tdl経過後にレーザビーム2aの照射が開始される(時刻t11)。レーザビーム2aのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Tu経過後に略ピーク値Wpになる(時刻t12)。時刻t10からパルス期間Tpが経過して起動信号がオフされると(時刻t15)、
エネルギは徐々に減少し、立下り時間Td経過後に0になる(時刻t16)。レーザ発振器1は、加工時のレーザビームの照射方向、1パルスあたりのレーザビームエネルギーおよび音響光学素子の熱レンズ効果状態を略一定とするため、加工を開始する時刻t12の前からパルス照射を開始する。
【0055】
このときのレーザ発振器の照射するパルス幅、パルス周期およびパルス数を予め設定している。また、このとき音響光学素子はオフのままで、レーザは集熱装置に導かれ、ガルバノミラー5a、5bは第1の加工位置で予め待機している。
【0056】
加工前のレーザ照射が完了した後で、レーザ発振器1は、加工のためのレーザ照射を開始する。
【0057】
レーザ発振器1がこのときに照射するパルス幅は、次のレーザ照射までの時間(周期)に対するレーザパルス幅の占める割合(デューティー)が所定の割合となるように制御する。
【0058】
音響光学素子3はレーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになる時刻t12から所定の時刻t13の間オンされる。
【0059】
ガルバノミラー5a、5bは音響光学素子3が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【0060】
レーザ発振器1は、ガルバノミラー5a、5bの位置決めが完了する時刻t22に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする(時刻20)。以下、上記の動作を繰り返す。
【0061】
(実施の形態2)
つぎに、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。
【0062】
なお、図1と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
【0063】
図4にて本実施の形態例の動作を説明する。
【0064】
図4はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【0065】
図で、(a)はレーザ発振器1の起動信号、(b)はレーザビーム2aのエネルギーの大きさ、(c)は音響光学素子3の起動信号、(d)は偏向されたレーザビーム2bのエネルギーの大きさ、(e)は偏向されないレーザビーム2cのエネルギーの大きさ、(f)はガルバノミラー5a、5bの起動信号を示している。
【0066】
レーザビームの起動信号がオンされると(時刻t0)数μsの遅れ時間Tdl経過後にレーザビーム2aの照射が開始される(時刻t1。この場合はTdl)。レーザビーム2aのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Tu経過後に略ピーク値Wpになる(時刻t2)。時刻t0からパルス期間Tpが経過して起動信号がオフされると(時刻t3)、エネルギは徐々に減少し、立下り時間Td経過後に0になる(時刻t4)。レーザ発振器1は、加工時のレーザビームの照射方向、1パルスあたりのレーザビームエネルギーおよび音響光学素子の熱レンズ効果状態を略一定とするため、加工を開始する時刻t5の前からパルス照射を開始する。このときのレーザ発振器の照射するパルス幅、パルス周期およびパルス数を予め設定している。
【0067】
また、このとき音響光学素子はオフのままで、レーザは集熱装置に導かれ、ガルバノミラー5a、5bは第1の加工位置で予め待機している。
【0068】
予め設定されたパルスの照射が完了した後のパルスでは、音響光学素子3はレーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになる時刻t5からレーザ発振器1がオフされる時刻t6の間オンされる。レーザビーム2bは音響光学素子3がオンされている間出力される。
【0069】
ガルバノミラー5a、5bは音響光学素子3が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【0070】
レーザ発振器は、ガルバノミラー5a、5bの位置決めが完了する時刻t7までの間にも加工時の発振周期に近い所定の周期およびパルス幅で、略平均エネルギーが一定になるようなひとつあるいは複数のパルスを照射し続ける。
【0071】
レーザ発振器1は、ガルバノミラー5a、5bの位置決めが完了する時刻t8に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Wpになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする(時刻t7)。
【0072】
そして、上記の動作を繰り返す。
【0073】
なお、上記ではレーザ偏向手段に音響光学素子を例に説明したが電気光学素子を用いてもよい。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振器から出力されガルバノスキャナへ導かれるレーザ光の光路中にレーザ光偏向手段を配置し、光路外にビームダンパを配置し、ガルバノスキャナが加工穴間を移動している間に、音響光学変換素子を用いてビームダンパにレーザデューティーあるいはレーザビームエネルギーを一定に保つような捨てパルスを照射するので、プリント基板に不定ピッチの穴加工をする場合にもレーザビームの平均出力を一定に保つことができ、レーザの照射方向や音響光学素子の熱レンズ状態をより安定化させることができる。
【0075】
この結果、パーチャを通過するビームエネルギーを安定させることができ、加工穴形状は安定し、高品質な加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るサイクル加工をする場合の各部のタイミングチャート
【図3】図2の部分拡大図
【図4】本発明の第2の実施の形態に係るサイクル加工をする場合の各部のタイミングチャート
【図5】従来のレーザ加工装置の構成図
【図6】従来のサイクル加工における各部のタイミングチャート
【図7】図11の部分拡大図
【符号の説明】
1.レーザ発振器
2a.レーザビーム
2b.偏向されたレーザビーム
2c.偏向されないレーザビーム
3.音響光学素子
4a.全反射ミラー
4b.全反射ミラー
5a.ガルバノミラー
5b.ガルバノミラー
6.fθレンズ
7.加工ヘッド
8.プリント基板
9.X−Yテーブル
10.スキャン領域
11.集熱装置
12.アパーチャ
13.次のスキャン領域
Claims (12)
- パルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、前記光路偏向手段でパルスレーザー光を被加工物への光路から外してパルスレーザー光の平均出力を略一定にするレーザ加工装置。
- レーザ発振器を制御する制御部を設け、デューティーを一定に制御する請求項1記載のレーザ加工装置。
- レーザ発振器を制御する制御部を設け、加工に用いるパルスレーザー光の間に、平均出力を一定にするパルス幅のパルスレーザー光を出力する請求項1または2記載のレーザ加工装置。
- 光路偏向手段として音響光学素子を用いる請求項1から3のいずれかに記載のレーザ加工装置。
- 光路偏向手段として電気光学素子を用いる請求項1から3のいずれかに記載のレーザ加工装置。
- 被加工物への加工前に少なくとも1つ以上のパルスレーザー光を前記光路偏向手段で被加工物への光路から外す請求項1から5のいずれかに記載のレーザ加工装置。
- パルスレーザー光をレーザ発振器から出力し、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させて被加工物を加工するレーザ加工方法において、レーザ発振器から被加工物へ至る光路上に設けた光路偏向手段で、パルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させている時にパルスレーザー光を被加工物への光路から外してパルスレーザー光の平均出力を略一定にするレーザ加工方法。
- レーザ発振器を制御する制御部を設け、デューティーを一定に制御する請求項7記載のレーザ加工方法。
- レーザ発振器を制御する制御部を設け、加工に用いるパルスレーザー光の間に、平均出力を一定にするパルス幅のパルスレーザー光を出力する請求項7または8記載のレーザ加工方法。
- 光路偏向手段として音響光学素子を用いる請求項7から9のいずれかに記載のレーザ加工方法。
- 光路偏向手段として電気光学素子を用いる請求項7から9のいずれかに記載のレーザ加工方法。
- 被加工物への加工前に少なくとも1つ以上のパルスレーザー光を前記光路偏向手段で被加工物への光路から外す請求項7から11のいずれかに記載のレーザ加工方法。
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