JP2005095959A

JP2005095959A - Laser beam machining device and method

Info

Publication number: JP2005095959A
Application number: JP2003335248A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Mizutani; 康弘水谷; Daisuke Yokohagi; 大輔横佩
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining device and method that secure a small bore with high efficiency in the case of forming a through hole in a silicon substrate by laser beam irradiation. <P>SOLUTION: In drilling a silicon substrate by irradiating it with a pulsed laser beam more than one time under a plurality of irradiation conditions, the laser output of the second irradiation condition is made larger than that of the first, thereby enabling a small bore to be efficiently secured by the device and method. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method.

近年、電子機器の軽量・薄型・高速化・多機能化に伴い、電子デバイスに使用されるプリント基板は積層数を増やしたり、実装される部品点数が増大したりしている。これに伴い、プリント基板を構成するための技術的要求として、コンタクトホールの形成やコンタクトホールの小径化などが出てきている。 In recent years, as electronic devices have become lighter, thinner, faster and more multifunctional, printed circuit boards used in electronic devices have been increased in the number of layers and the number of components to be mounted has increased. Along with this, as a technical requirement for configuring a printed circuit board, formation of a contact hole, a reduction in the diameter of the contact hole, and the like have come out.

また同様に、半導体デバイスを構成するシステムＬＳＩにおいては、小型化のために、３次元実装の技術が必要になっている。これまでは、３次元実装にワイヤーボンディングを行ってきたが、半導体デバイスに要求される機能が高機能化になるに従い、面積的な問題からワイヤーボンディングの代わりにコンタクトホールを形成する方法が必要とされてきている。 Similarly, in a system LSI that constitutes a semiconductor device, a three-dimensional mounting technique is required for miniaturization. Up to now, wire bonding has been performed for three-dimensional mounting. However, as the functions required for semiconductor devices become higher, a method of forming contact holes instead of wire bonding is required due to area problems. Has been.

一方、被加工物を被接触で高精度かつ高効率に切断・穴あけ加工する加工手段として、レーザ光による加工装置および加工方法が開発・実施されている。 On the other hand, a processing apparatus and a processing method using a laser beam have been developed and implemented as processing means for cutting and drilling a workpiece with high accuracy and high efficiency in a contacted manner.

これらレーザ加工装置および加工方法に用いられるレーザ発振器は、光源の波長やパルス幅、さらには、連続波・パルス列発振など様々な種類が存在し、そのレーザ発振器の選択は、被加工物の光学特性や熱特性を考慮して行われている。（例えば特許文献１参照）
ところで、被加工物にレーザを照射し、穴加工を行う場合の加工穴径や加工深さを決定する要因は、光学的要因と熱的要因が存在する。光学的要因とは、被加工物上にレーザを集光する場合の集光状態のことを指し、例えばレーザビーム径という表現で表され、これは、レーザを被加工物上に伝播する光学系に依存する。一方、熱的要因とは被加工物上での単位面積あたりの光強度、すなわち、エネルギー密度である。一般的に、エネルギー密度と加工深さは図２で、またエネルギー密度と加工径は図３のような関係がある。
特開２００１−３５２１２０号公報 There are various types of laser oscillators used in these laser processing apparatuses and processing methods, such as the wavelength and pulse width of the light source, as well as continuous wave and pulse train oscillation. The selection of the laser oscillator depends on the optical characteristics of the workpiece. It is done in consideration of thermal characteristics. (For example, see Patent Document 1)
By the way, there are optical factors and thermal factors as factors that determine the processing hole diameter and processing depth when irradiating a workpiece with laser and performing hole processing. An optical factor refers to a focused state when a laser is focused on a workpiece, and is expressed by, for example, a laser beam diameter, which is an optical system that propagates a laser onto a workpiece. Depends on. On the other hand, the thermal factor is the light intensity per unit area on the workpiece, that is, the energy density. In general, the energy density and processing depth are as shown in FIG. 2, and the energy density and processing diameter are as shown in FIG.
JP 2001-352120 A

通常、穴加工を高速にレーザ加工するためには、図２よりエネルギー密度を大きくすれば良いことが分る。しかしながら、エネルギー密度を大きくしただけでは、図３より、加工穴径が大きくなるという課題が生じる。一方、形成される穴径を小さくするためにはパルスエネルギーを小さくする必要があるが、その結果、加工が低効率になるという課題が発生する。 In general, it is understood that the energy density should be increased as compared with FIG. 2 in order to perform laser drilling at high speed. However, simply increasing the energy density causes a problem that the diameter of the processed hole is increased as shown in FIG. On the other hand, in order to reduce the diameter of the hole to be formed, it is necessary to reduce the pulse energy. As a result, there arises a problem that the processing becomes inefficient.

そこで、本発明は、高効率かつ小さい穴径を形成するレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method for forming a small hole diameter with high efficiency.

本発明のレーザ装置および加工方法は、上記課題を解決するために、一つの穴加工を行う際に、複数のエネルギー条件にて加工を行う。さらに詳しくは、複数のエネルギー条件の内、第一の条件を小さいエネルギーにて加工を行い、その後の条件は、第一の条件に対して大きいエネルギーにて加工を行う。そして、このレーザ加工装置および加工方法によりプリント基板やシリコンウエファに対して穴加工を行い、高効率で小さい穴径を形成することとなる。 In order to solve the above problems, the laser device and the processing method of the present invention perform processing under a plurality of energy conditions when performing one hole processing. More specifically, among the plurality of energy conditions, the first condition is processed with a small energy, and the subsequent conditions are processed with a larger energy than the first condition. Then, hole processing is performed on the printed circuit board or silicon wafer by this laser processing apparatus and processing method, and a small hole diameter is formed with high efficiency.

以上のように、本発明は、第一のレーザ出力条件に対して第二のレーザ出力条件を減少させることにより、小径穴加工を高効率で実現することができる。 As described above, according to the present invention, small-diameter hole machining can be realized with high efficiency by reducing the second laser output condition with respect to the first laser output condition.

以下、図を用いて本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.

レーザ加工装置は、レーザを発振するレーザ発振器１０１、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ１０２、出力されたレーザ１０２のビーム径を任意に変更するコリメータ１０３、レーザ１０２の光強度を変更する可変光学アテネータ１０４、被加工物１０８に対して任意の形状に変換するマスク１０５、レーザ１０２を所定の位置に位置決めするガルバノメータ１０６、位置決めされたレーザ１０２を被加工物１０８上に集光するスキャンレンズ１０７のようにレーザ発振器１０１から被加工物１０８に向けて順に配置している。 The laser processing apparatus includes a laser oscillator 101 that oscillates a laser, a laser 102 that is output from the laser oscillator 101, a collimator 103 that arbitrarily changes the beam diameter of the output laser 102, and a variable optical attenuator that changes the light intensity of the laser 102. 104, a mask 105 for converting the workpiece 108 into an arbitrary shape, a galvanometer 106 for positioning the laser 102 at a predetermined position, and a scan lens 107 for condensing the positioned laser 102 on the workpiece 108. Are sequentially arranged from the laser oscillator 101 toward the workpiece 108.

以上のように構成されたレーザ加工装置の動作について説明する。 The operation of the laser processing apparatus configured as described above will be described.

まず、レーザ発振器１０１を、ある条件のもとで発振させた場合に、レーザ発振器１０１から出たレーザ１０２上は、コリメータ１０３により任意のビーム径に変換される。ビーム径が変換されたレーザ１０２は所定の可変光学アテネータ１０４により所定の光強度に減衰された後、マスク１０５を通過することで所望の加工形状に変換した後、ガルバノメータ１０６により被加工物１０８に対して所望の位置に位置決めされた後、加工が実施されることで第一のステップが終了する。 First, when the laser oscillator 101 is oscillated under certain conditions, the laser 102 emitted from the laser oscillator 101 is converted into an arbitrary beam diameter by the collimator 103. The laser beam 102 whose beam diameter has been converted is attenuated to a predetermined light intensity by a predetermined variable optical attenuator 104 and then converted to a desired processing shape by passing through a mask 105, and then converted into a workpiece 108 by a galvanometer 106. On the other hand, after being positioned at a desired position, the first step is completed by performing processing.

さらに、上記加工が行われた後、可変光学アテネータ１０４の減衰率を第一のステップよりも減少させ、すなわち、被加工物１０８上に到達する光強度を第一のステップよりも大きくすることで加工を実施する。 Further, after the above processing is performed, the attenuation rate of the variable optical attenuator 104 is decreased from the first step, that is, the light intensity reaching the workpiece 108 is made larger than the first step. Perform processing.

なお、第一のステップに対して照射条件を変更する方法は、レーザ発振器１０１の発振条件を変更したり、コリメータ１０３によりビーム径を変更したり、またはレーザ１０２上に虹彩絞り等を設置したりする方法で実現してもよい。 The method for changing the irradiation condition with respect to the first step is to change the oscillation condition of the laser oscillator 101, change the beam diameter using the collimator 103, or install an iris diaphragm or the like on the laser 102. You may implement | achieve by the method to.

さらに、レーザ発振器１０１の発振波長は、２２０ｎｍから１２００ｎｍまでの波長である。 Further, the oscillation wavelength of the laser oscillator 101 is a wavelength from 220 nm to 1200 nm.

さらに、被加工物１０８は、プリント基板等の樹脂材料や半導体デバイスに用いられるシリコンウエファが考えられる。 Further, the workpiece 108 may be a resin material such as a printed circuit board or a silicon wafer used for a semiconductor device.

次に、本実施の形態における加工特性を図４に示す。 Next, processing characteristics in the present embodiment are shown in FIG.

図２に、被加工物に照射するレーザのエネルギー密度と加工深さの関係を示す。図２より、被加工物に照射するレーザのエネルギー密度を増加させると、それに伴い加工深さが増加することが分る。すなわち、エネルギー密度が大きいほど加工深さが大きくなることが分る。従って、ある厚みを有する被加工物に対して貫通孔を形成する場合、被加工物に照射するエネルギーを大きくすることにより、高速な加工が可能になることが分る。 FIG. 2 shows the relationship between the energy density of the laser applied to the workpiece and the processing depth. As can be seen from FIG. 2, when the energy density of the laser applied to the workpiece is increased, the machining depth increases accordingly. That is, it can be seen that the processing depth increases as the energy density increases. Therefore, it is understood that when a through-hole is formed in a workpiece having a certain thickness, high-speed machining can be performed by increasing the energy applied to the workpiece.

一方、図３に被加工物に照射するレーザのエネルギー密度と加工径の関係を示す。図３より、エネルギー密度を大きくすると被加工物上に形成される加工径が大きくなることがわかる。すなわち、被加工物に対して小径加工を行うためには、被加工物に照射するエネルギー密度を小さくする必要がある。 On the other hand, FIG. 3 shows the relationship between the energy density of the laser applied to the workpiece and the machining diameter. FIG. 3 shows that the machining diameter formed on the workpiece increases when the energy density is increased. That is, in order to perform small diameter machining on a workpiece, it is necessary to reduce the energy density irradiated to the workpiece.

図４に、被加工物に対して２ステップのエネルギーのレーザを照射した場合のエネルギー密度と加工径の１ステップ後の関係を示す。図４において４０１は、被加工物に照射するエネルギーの１ステップ目のエネルギー密度を０にした場合、４０２は１ステップ目のエネルギー密度を４０４にして被加工物に対してレーザを照射した場合、４０３は１ステップ目のエネルギー密度を４０５にして被加工物に対してレーザを照射した場合の加工径の変化をしめす線である。図４より、１ステップ目で小さいエネルギー密度にて加工した場合に加工される加工径は小さくなることが分る。 FIG. 4 shows the relationship after one step between the energy density and the processing diameter when the workpiece is irradiated with a laser having two steps of energy. In FIG. 4, 401 indicates that the energy density of the first step of energy applied to the workpiece is zero, and 402 indicates that the energy density of the first step is 404 and the workpiece is irradiated with laser. Reference numeral 403 denotes a line indicating the change in the processing diameter when the energy density of the first step is set to 405 and the workpiece is irradiated with laser. From FIG. 4, it can be seen that the machining diameter to be machined becomes small when machining at a low energy density in the first step.

さらに、（表１）に本工法を用いて厚さ１５０μｍのシリコンウエファに対して貫通孔を形勢したときの加工結果を示す。（表１）に示したうちの加工効率とは、貫通孔を形成するためのパルス数である。（表１）のうちの加工条件１にて加工した場合は、穴径は小さいが加工効率が低いことが分る。また、加工条件２にて加工した場合は、加工効率は高いが穴径が大きいことが分る。それらに対して、加工条件３で加工した場合は、穴径が小さくかつ加工効率も高いことが分る。 Furthermore, (Table 1) shows the processing results when the through holes are formed on a 150 μm thick silicon wafer using this method. The processing efficiency shown in (Table 1) is the number of pulses for forming a through hole. When processing is performed under the processing condition 1 in Table 1, it is understood that the hole diameter is small but the processing efficiency is low. Moreover, when it processes on the processing conditions 2, it turns out that a hole diameter is large although processing efficiency is high. On the other hand, when processing is performed under processing condition 3, it can be seen that the hole diameter is small and the processing efficiency is high.

以上のように、第一のステップのエネルギー密度と第二のステップのエネルギー密度を変更することにより穴径を小さく保ったままで高効率の加工を実現することができる。 As described above, by changing the energy density of the first step and the energy density of the second step, highly efficient machining can be realized while keeping the hole diameter small.

本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、小さな穴を高効率で形成するすることができ、例えば電子機器に使用されるプリント基板や半導体デバイスを構成するシリコン基板に対するレーザ穴あけ加工に有用である。 According to the laser processing apparatus and the laser processing method of the present invention, a small hole can be formed with high efficiency, and is useful for, for example, laser drilling processing for a silicon substrate constituting a printed circuit board or a semiconductor device used in electronic equipment. It is.

本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図The figure which shows the whole structure of the laser processing apparatus in embodiment of this invention エネルギー密度と加工深さの特性を示す図Diagram showing characteristics of energy density and machining depth エネルギー密度と加工径の特性を示す図Diagram showing characteristics of energy density and machining diameter 本発明の実施の形態における加工特性を示す図The figure which shows the processing characteristic in embodiment of this invention

Explanation of symbols

１０１レーザ発振器
１０２レーザ
１０３コリメータ
１０４可変光学アテネータ
１０５マスク
１０６ガルバノメータ
１０７スキャンレンズ
１０８被加工物
４０１被加工物に照射するエネルギーの１ステップ目のエネルギー密度を０にした場合のエネルギー密度と加工穴径の関係
４０２１ステップ目のエネルギー密度を４０４にて被加工物に対してレーザを照射した場合のエネルギー密度と加工穴径の関係
４０３１ステップ目のエネルギー密度を４０５にて被加工物にて被加工物に対してレーザを照射した場合のエネルギー密度と加工穴径の関係
４０４１ステップ目に照射する一つのエネルギー密度１
４０５１ステップ目に照射する一つのエネルギー密度２ DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Laser oscillator 102 Laser 103 Collimator 104 Variable optical attenuator 105 Mask 106 Galvanometer 107 Scan lens 108 Workpiece 401 Energy density and machining hole diameter when the energy density of the first step of the energy irradiated to the work is set to 0 Relation 402 Relation between energy density and machining hole diameter when laser is irradiated to work piece at energy density of first step at 404 Step 403 Work up with work piece at energy density of first step at 405 Relationship between energy density and hole diameter when object is irradiated with laser 404 One energy density irradiated at the first step 1
405 One energy density irradiated at the first step 2

Claims

A laser oscillator that outputs a laser; an optical unit that guides the laser to the workpiece; and a control unit that controls the output of the laser, and after the first laser output is irradiated to the workpiece, the first laser A laser processing apparatus that is controlled by a control means so as to irradiate a laser having a second laser output that is larger than the laser output.

The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser with the second laser output is irradiated after the laser with the first laser output is irradiated a plurality of times.

3. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein after irradiating a plurality of laser beams with a first laser output, a laser with a second laser output is irradiated in the irradiation order.

The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the first laser output is a laser output for obtaining a desired processing diameter.

The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the first laser output is a laser output slightly smaller than a laser output for obtaining a desired processing diameter.

6. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser has a wavelength of 220 nm to 1200 nm.

The laser processing apparatus according to claim 1, wherein a silicon wafer is used as a workpiece.

Using a laser processing apparatus including a laser oscillator that outputs a laser, an optical unit that guides the laser to a workpiece, and a control unit that controls the output of the laser, the workpiece is irradiated with a laser having a first laser output. After that, a laser processing method of irradiating a laser having a second laser output that is larger than the first laser output.

The laser processing method according to claim 8, wherein the laser having the second laser output is irradiated after the laser having the first laser output is irradiated a plurality of times.

10. The laser processing method according to claim 8, wherein after irradiating a plurality of laser beams with a first laser output, a laser with a second laser output is irradiated in the irradiation order.

The laser processing method according to claim 8, wherein the first laser output is a laser output for obtaining a desired processing diameter.

11. The laser processing method according to claim 8, wherein the first laser output is a laser output slightly smaller than a laser output for obtaining a desired processing diameter.

The laser processing method according to claim 8, wherein the laser has a wavelength of 220 nm to 1200 nm.

The laser processing method according to claim 8, wherein a silicon wafer is used as a workpiece.