JP2005118814A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １個のｆθレンズで同時に複数の穴加工が可能なレーザ加工機に対しても加工良否の判断が可能なレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】 レーザ光１３、１４が加工対象物１９に照射されることにより、加工に伴って発生する副次光４２、４３を、集光レンズ１８およびフィルタ２５を介して、撮像手段２７により撮像する。そして、撮像結果を画像処理することにより、今回の加工部の加工結果を評価する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ光を用いて穴の加工や、切断等を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に係り、特に、プリント配線基板にビアホールを加工するのに好適なレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板は複数の基板を積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、多層配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホール（穴）を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。

ビアホールの形成には、ビアホールの微細化に伴い、高出力のＣＯ_２レーザやＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザが使用される。加工する穴の径は、マスクに形成されたアパーチャ（窓）の像を結像レンズ用いて基板上に転写することにより制御される。そして、ガルバノミラーとｆθレンズを組み合せたビームスキャン光学系を用いてレーザ光を走査させることにより高速加工を実現している。また、１つのビアホールに対してレーザ光を複数回に分けて照射することにより、ビアホールの形状精度を向上させている。

プリント基板（以下、「基板」という。）の場合、不導通のビアホールが１つでもあると、その基板は不良となる。

そこで、レーザ加工装置に穴の加工状態を検出する手段を設け、早期に加工不良を検出することが試みられている（例えば、特許文献１）。このようにすると、
加工品質の向上に加えて不良穴を早期に発見できるため、加工スループットを向上させることができた。

ところで、レーザ光による穴明け加工が行われる基板は、携帯電話用の基板からパッケージ用の基板へと適用範囲が広がっており、小径、小ピッチ、多穴の基板が多くなっている。小径の穴を加工する場合、加工に必要なエネルギーは少なくてよい。そこで、エネルギーの有効活用の点から、ひとつのレーザ光を分岐して多ビーム化し、一度に複数の穴を同時で明けることでスループットを向上させるものがある（例えば、特許文献２）。
特開２０００−３３４８８号公報（第４頁、図１） 特開２０００−１９００８７公報（第４頁、図１）

しかし、特許文献２に記載のレーザ加工機（すなわち、１個のｆθレンズに複数のレーザ光を入射させることにより多数の穴を同時に加工する装置）に、特許文献１に記載の穴検査手段を適用しようとすると、複数ビーム全ての加工位置をカバーするため、加工部を拡大してチェックすることが困難である。このため、１穴当たりの空間分解能が低下し、加工良否の判断が困難になる。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、１個のｆθレンズで同時に複数の穴加工が可能なレーザ加工機に対しても加工良否の判断が可能なレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供するにある。

上記した課題を解決するために、本発明の第一の手段は、レーザ光を集光レンズを介して加工対象物に照射させ、加工に伴って発生する副次光を検出することにより加工状態をインプロセスで検出するようにしたレーザ加工方法において、前記集光レンズを透過した予め定める波長の前記副次光を撮像し、撮像結果を画像処理することにより、今回の加工部の加工結果を識別することを特徴とする。

また、本発明の第二の手段は、レーザ光を集光レンズを介して加工対象物に照射させ、加工に伴って発生する副次光を検出することにより加工状態をインプロセスで検出するようにしたレーザ加工装置において、フィルタと、撮像手段と、画像処理手段とを設け、前記フィルタおよび前記集光レンズを介して、前記撮像手段により加工部を撮像し、撮像結果を画像処理することにより、今回の加工部の加工結果を識別することを特徴とする。

本発明によれば、１つの加工レンズに対して同時に複数のレーザ光を入射させて穴を加工する場合でも、１個の検出手段により穴の加工状態をインプロセスで検出できるため、作業能率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置のブロック図、図２は偏光方向変換器の構成図、図３は２軸スキャナの構成図である。

初めに、光学系について説明する。
レーザ源（レーザ発振器）４は、レーザ制御部２の指令に基づき、Ｐ偏光（振動方向が紙面に対して平行な光）のレーザ光５をパルス状に出力する。レーザ源４の光路上には、レーザ光５の外形を整形する１個の窓が形成されたマスク６と、第１のビームスプリッタ７とが配置されている。ビームスプリッタ７は、レーザ光５の光路に対して４５度に配置され、レーザ光５の一部をモニタビーム８として反射し、残りの大部分を加工ビーム９として透過（直進）させる。

モニタビーム８の光路上には、集光レンズ３２とモニタビーム８の強度を検出するための光検出器１０とが配置されている。加工ビーム９の光路上には、第２のビームスプリッタ１２が配置されている。ビームスプリッタ１２は、加工ビーム９の光路に対して４５度に配置され、加工ビーム９の５０％を第１の加工ビーム１３として反射し、残りの５０％を第２の加工ビーム１４として透過させる。すなわち、加工ビーム１３と加工ビーム１４のエネルギは等しい。

加工ビーム１３の光路上には、偏光方向変換器３３とダイクロックミラー１５と偏光ビームスプリッタ１６とが配置されている。偏光方向変換器３３は、図２に示すように、ミラー３５、３６、３７を互いに直交させて配置したものであり、ミラー３５に入射したＰ偏光の加工ビーム１３は偏光方向を９０度回転され、Ｓ偏光（振動方向が紙面に対して垂直な光）の加工ビーム１３として偏光ビームスプリッタ１６に入射する。

ダイクロックミラー１５は、ある帯域の波長の光を透過させるが、その他は反射する機能を備えており、加工ビーム１３はほとんどが反射される。偏光ビームスプリッタ１６は、Ｐ偏光のレーザ光を透過させ、Ｓ偏光のレーザ光を反射する特性を備えている。したがって、偏光方向変換器３３によりＳ偏光に変換された加工ビーム１３は偏光ビームスプリッタ１６により反射され、第１の２軸スキャナ１７およびｆθレンズ１８を介して基板１９に入射する。

加工ビーム１４はベントミラー２１、第２の２軸スキャナ２２を経由して偏光ビームスプリッタ１６を透過し、加工ビーム１３と共に２軸スキャナ１７、ｆθレンズ１８を介して基板１９に入射する。偏光ビームスプリッタ１６により、加工ビーム１３と加工ビーム１４とを略同じ光路にロスなく一致させることができる。

図３に示すように、第１の２軸スキャナ１７はガルバノミラー４０とガルバノミラー４１とから構成され、第２の２軸スキャナ２２はガルバノミラー３８とガルバノミラー３９とから構成されている。そして、ガルバノミラー３８、４０は反射光を図３におけるＸ軸方向に、ガルバノミラー３９、４１は反射光を図３におけるＹ軸方向に走査させる。

位置決め制御部３からの指示により、ガルバノミラー４０、４１は反射光を基板１９上でそれぞれ５０ｍｍ程度移動（スキャン）させる。また、ガルバノミラー３８、３９は、反射光を基板１９上でそれぞれ１ｍｍ程度移動させる。

なお、加工ビーム１４のスキャン範囲が狭いのは、加工ビーム１４が２軸スキャナ２２だけでなく２軸スキャナ１７によっても走査されるためであり、加工ビーム１４がｆθレンズ１８から外れることを防止するためである。

ここで、シャッター２３は、同図に実線で示すように、通常は加工ビーム１４の光路上から外れている。しかし、同図に点線で示すように、位置決め制御部２の動作指令により加工ビーム１４の光路上に位置決めされると、加工ビーム１４を反射し、加工ビーム１４を遮蔽板３４に入射させる。遮蔽板３４に入射した加工ビーム１４は熱に変換されるので、シャッター２３により反射された加工ビーム１４が迷光になることはない。

ダイクロックミラー１５の背面側には、レンズ２６と干渉フィルタ２５とカメラ２７とが配置されている。干渉フィルタ２５は、波長λ３の後述するプルーム４２とプルーム４３だけを透過させる。カメラ２７の光軸は、加工ビーム１３の中心軸と一致するようにして配置されている。基板１９が載置されたＸＹステージ２０は、ＸＹ方向に移動自在である。

次に、制御系について説明する。
加工機制御部１の出力側はレーザ制御部２、位置決め制御部３、記憶装置３０および表示装置３１の入力側に接続され、入力側は加工状態診断部２９の出力側に接続されている。レーザ制御部２の出力側はレーザ源４と同期装置２４の入力側に接続され、同期装置２４の出力側は光検出器１０とカメラ２７の入力側に接続されている。そして、光検出器１０の検出タイミングとカメラ２７の画像取込タイミングはレーザ源４がレーザ光５を照射するタイミングに合わせられる。光検出器１０の出力側は信号処理装置１１を介して加工状態診断部２９の入力側に接続されている。そして、光検出器１０により検出されたモニタビーム８の強度は、信号処理装置１１により予め設定された強度とを比較され、その結果が加工状態診断部２９に出力される。カメラ２７の出力側は画像処理装置２８を介して加工状態診断部２９の入力側に接続されている。そして、画像処理装置２８は、カメラ２７から出力された撮像データに基づき、後述する波長λ３のプルームの位置と数とを確認する。位置決め制御部３の出力側はシャッタ２３、２軸スキャナ１７、２２、ＸＹテーブル２０および加工状態診断部２９の入力側に接続され、これらを制御する。

次に、加工ビーム１３が基板１９に照射された場合の加工部の状態について説明する。

図４は、代表的な基板１９の断面図である。同図に示すように、基板１９は樹脂４４とガラス繊維４５と内層銅箔４６とから構成されている。

加工ビーム１３が基板１９に照射されると、照射された材料に応じて、特定の波長のプルーム４２（ｐｌｕｍｅ。被照射物から発生される電子、原子、分子、イオンやクラスタ等の粒子群等による副次光である。）が発生する。すなわち、加工ビーム１３が樹脂４４を加工した場合は波長λ１のプルーム４２が、ガラス繊維４５を加工した場合は波長λ２のプルーム４２が、また、内層銅箔４６を加工した場合は波長λ３のプルーム４２が、それぞれ発生する。

発生したプルーム４２は、ｆθレンズ１８、２軸スキャナ１７、偏光ビームスプリッタ１６を介してダイクロックミラー１５に入射する。そして、予め定められた周波数帯域のプルーム４２がダイクロックミラー１５を透過し、レンズ２６を介して干渉フィルタ２５に入射する。そして、干渉フィルタ２５により、波長λ３のプルーム４２だけが干渉フィルタ２５を通過してカメラ２７に入射する。したがって、波長λ３のプルーム４２をカメラ２７で観察することができるのは、加工レーザ１３が内層銅箔４６に到達した場合に限られる。加工ビーム１４の場合も加工ビーム１３の場合と同様に、波長λ３のプルーム４３をカメラ２７で観察することができるのは、加工レーザ１４が内層銅箔４６に到達した場合に限られる。

そして、上記したように、カメラ２７の光軸は加工ビーム１３の中心軸に一致しているので、プルーム４２の像はカメラ２７の中心に結像される。また、プルーム４３の像はカメラ２７の中心から予め定められた位置に結像される。

したがって、カメラ２７から出力される画像データを参照（必要に応じて、画像の中心を求める処理等を行う。）することにより、プルーム４２、４３の発光状態に基づいて、発生したプルームの数とその位置とを容易に確認することができる。

次に、この実施形態の動作を説明する。
図５は、本発明により１個の穴を加工する場合の手順を示すフローチャートである。加工に先立ち、加工機制御部１に加工条件を入力しておく。加工条件としては、基板１９の種類、加工する穴径、レーザ光５のパルス幅とパルス間隔およびピークエネルギ、照射回数等を入力する。

図示を省略する加工開始釦がオンされると、加工機制御部１は照射回数ｎ１を０にした後（Ｓ１０）、照射回数ｎ１をｎ１＋１として（Ｓ２０）から、ｎ１回目の照射を行い（Ｓ３０）、ビームスプリッタ７により、レーザ光５の一部をモニタービーム８として取り出す。モニタビーム８の強度はレーザ光３の強度に比例するので、モニタビーム８の強度を加工状態診断部２９により評価する（Ｓ４０）。そして、モニタビーム８の強度が予め設定された評価基準を満足した場合にはＳ５０の処理を行い、その他の場合はＳ７０の処理を行う。

一方、ビームスプリッタ７を透過した加工ビーム９は、ビームスプリッタ１２により、加工ビーム１３と加工ビーム１４とに分割される。そして、加工ビーム１３は２軸スキャナ１７により、また、加工ビーム１４は２軸スキャナ２２および２軸スキャナ１７により、それぞれ位置決めされ、ｆθレンズ１８を介して基板１９の指定された位置に入射し、基板１９に穴を加工する。

Ｓ５０では、照射回数ｎ１とｎとを比較し、ｎ１＜ｎの場合はｎ１＝ｎになるまでＳ２０〜Ｓ３０の処理を繰り返す。そして、ｎ１＝ｎになるとＳ６０の処理を行う。

Ｓ６０では、画像処理結果と穴位置情報とを比較し、画像処理結果と穴位置情報とが一致した場合はこの穴の加工を終了し、その他の場合はＳ７０の処理を行う。なお、加工機制御部１は、加工状態診断部２９から出力された結果を記憶部２３に貯えると共に、表示部２４に表示する。

Ｓ７０では、当該加工位置を加工不良個所として記憶した後、加工エラーを表示して（Ｓ８０）、処理を終了する。

以下、この領域の加工が終了するまで上記の動作を繰り返し、この領域すなわちｆθレンズの大きさで定まる加工領域での加工が終了すると、ＸＹステージ２０を動作させ、次の加工領域をｆθレンズに対して位置決めする。

なお、例えば加工しようとする２つの穴の間隔が広い場合、位置決め制御部２の指令によりシャッター２３を動作させ、加工ビーム１４を遮蔽して、加工ビーム１３だけで加工をする。

また、記憶部２３に貯えられたデータは、以降の加工や検査等のプロセスに活用される。

さらに、モニタビーム８の測定結果を、記憶部２３に記憶させるようにしてもよい。

また、この実施形態では、レーザ源４から出射されるレーザ光５をＰ偏光としたが、Ｓ偏光としてもよい。

また、この実施形態では、３個のミラーにより偏光方向を変えるようにしたので、１／２波長板やファラデー素子、旋光子等の高価な装置を用いる必要がないし、レーザ光の波長の影響を受けることもない。

さらに、この実施形態では、加工状態と加工位置を求めるようにしたが、加工状態だけを確認するようにしてもよい。

以上、説明したように内層銅箔で発光する特定の波長を選択して測定することにより、加工エリア内にすでに加工が終了した穴が混在しても、リアルタイムで加工している穴だけを抽出して検査できる。したがって、信頼性の高い穴を加工することができる。

ところで、上記では、予め定める回数だけレーザ光を照射してから、加工状態を評価するようにしたが、図６に示すように、図５における手順Ｓ５０と手順Ｓ６０を入替え、レーザ光を照射する毎に加工状態を評価し、加工が完了したと評価された場合（すなわち、加工状態がｎショット時の加工状態に到達した場合）には、照射回数が設定回数未満であっても、加工を終了するようにしても良い。このようにすると、上記の加工方法に比べ加工能率をさらに向上させることができる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して重複する説明を省略する。

この実施形態は上記第１の実施形態がビームスプリッタによりレーザ光を２分割したことに代えて、マスクによりレーザ光を多分割するようにしたものである。

多穴マスク５０には、例えば図８に示すように、９個の窓が形成されており、多穴マスク５０に入射するレーザ光は９個の加工ビームに分割されて、基板１９上に９個の穴を同時に加工することができる。

なお、この実施形態の動作は、上記第１の実施形態から容易に理解できるので、重複する説明を省略する。

このように、多数の穴を同時に加工する場合、同時に加工される複数の穴の加工状態を検査するためには観察カメラの観察エリアを大きくする必要があるが、観察エリアを広げると、すでに加工された穴も一緒に観察されるため、加工済みの穴と加工中の穴との区別が困難になる可能性がある。

これに対して、本発明では、ｆθレンズおよびフィルタを介して内層銅箔を加工する時に発生するプルームを観察するようにしたので測定分解能を向上させることができる。

本発明に係るレーザ加工装置のブロック図である。 本発明に係る偏光方向変換器の構成図である。 本発明に係る２軸スキャナの構成図である。 代表的な基板の断面図である。 本発明により１個の穴を加工する場合の手順を示すフローチャートである。 本発明の変形例を示す手順のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。 多穴マスクの斜視図である。

符号の説明

１３，１４ レーザ光
１８ 集光レンズ（ｆθレンズ）
１９ 加工対象物
２５ フィルタ
２７ 撮像手段（カメラ）
２８ 画像処理手段
４２，４３ 副次光

Claims (4)

1. レーザ光を集光レンズを介して加工対象物に照射させ、加工に伴って発生する副次光を検出することにより加工状態をインプロセスで検出するようにしたレーザ加工方法において、
   前記集光レンズを透過した予め定める波長の前記副次光を撮像し、撮像結果を画像処理することにより、今回の加工部の加工結果を識別することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 加工結果に加えて加工位置を識別することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. レーザ光を集光レンズを介して加工対象物に照射させ、加工に伴って発生する副次光を検出することにより加工状態をインプロセスで検出するようにしたレーザ加工装置において、
   フィルタと、撮像手段と、画像処理手段と、を設け、
   前記フィルタおよび前記集光レンズを介して、前記撮像手段により加工部を撮像し、撮像結果を画像処理することにより、今回の加工部の加工結果を識別することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 加工結果に加えて加工位置を識別することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
   

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