JP2005118815A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ源の出力や出射角度が変化しても加工品質を優れたものに維持すること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】 レーザ源２から出力されるレーザ光２１の出射角度を検出するため、マスク１１、ビームスプリッタ１２、集光レンズ１４、１５および位置検出センサ１７、１８からなる出射角度検出手段と、ビーム角度補正部３とビームシフト補正手段４とからなるレーザ光の光軸補正手段とを設ける。加工時、レーザ源２から出力されるレーザ光２１の出射角度を監視し、出射角度が変化した場合は、レーザ光２１の光軸を変化する前の光軸に合わせて加工をする。
【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。

ところで、レーザ源の出力特性が加工中に変化して、加工部に所定の加工エネルギーを供給できない場合がある。

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。このため，穴加工が終了した後、加工装置とは別に設けられた穴検査装置を用いて穴を全数検査することによりプリント基板の信頼性を保証している。

しかし、上記の方法では、穴検査時に不良穴が発見されて初めてその基板またはパターンが不良であることが分かるため、不良穴の発見が遅くなる。不良穴の発見が遅くなる程、それまでの加工や検査に要してきた時間が無駄になり、結果的に加工スループットを低下させていた。

そこで、レーザ光の一部を分岐させて１穴当たりの加工エネルギをモニタし、加工エネルギが不足する場合には追加のパルスを照射するものが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平９−３０８９７７号公報（第４頁、図１）

レーザ源の特性の１つに、出力設定を固定しても実際に出力されるエネルギ値は変化してしまう（パワー変動）という特性があるが、特許文献１の技術を採用することにより、レーザ源の出力エネルギが変化した場合でも、信頼性に優れる加工を行うことができる。

しかし、レーザ源の他の特性として、レーザ光の出射角度を固定しても実際の出射角度が変化してしまうという特性がある。マスクに設けたアパーチャ（窓）によりレーザ光の外形を整形して加工する場合、出射角度が変化すると、アパーチャを透過する光量だけでなくレーザ光の強度分布も変化する。このため、特許文献１の技術を採用しても、出射角度の変化に伴う加工形状の崩れが発生して、加工品質が低下する。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、レーザ源の出力や出射角度が変化しても加工品質を優れたものに維持すること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。

上記の目的を達成するため、本発明の第一の手段は、レーザ加工方法として、レーザ発振器から出力されるレーザ光の出射角度を監視し、前記出射角度が変化した場合は、前記レーザ光の光軸を変化する前の光軸に合わせて加工をすることを特徴とする。

また、本発明の第二の手段は、レーザ加工装置として、レーザ発振器から出力されるレーザ光の出射角度を監視する監視手段と、前記レーザ光の光軸補正手段とを設け、加工時、前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光の出射角度を監視し、前記出射角度が変化した場合は、前記レーザ光の光軸を変化する前の光軸に合わせて加工をすることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振器から出射されるレーザ光の光軸を常に同軸に維持するので、加工部に供給されるエネルギが変化せず、品質に優れる穴を加工することができる。また、出力変動による加工エラーをチエックすることにより加工不良穴の特定が容易となり、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構成図、図２はレーザ源近傍の詳細構成図、図３は加工部近傍の詳細構成図である。
レーザ源（レーザ発振器）２の光路上には、ビーム角度補正部３、ビームシフト補正部４およびビームスプリッタ５が配置されている。

ビーム角度補正部３には、図２に示すように、ミラー３６、３７を回転自在に支持するスキャナ３８、３９がそれぞれの回転軸が互いに直交するようにして配置されている。加工機制御部１は、角度補正手段駆動部３２を介してスキャナ３８、３９を制御する。

ビームシフト補正手段４には、図２に示すように、平行平板４０、４１を回転自在に支持するスキャナ４２、４３がそれぞれの回転軸が互いに直交するようにして配置されている。加工機制御部１は、オフセット手段駆動部３３を介してスキャナ４２、４３を制御する。

そして、後述するように、ビーム角度補正部３とビームシフト補正手段４により、レーザ光の光軸補正手段が構成されている。

ビームスプリッタ５は、レーザ光２１の光路に対して４５度に配置され、レーザ光２１の大部分（例えば、９９％）を加工ビーム２２として反射し、残りをモニタビーム２３として透過（直進）させる。

加工ビーム２２の光路上にはマスク６、ミラー２５、２軸スキャナ７、ｆθレンズ８、基板９およびＸＹテーブル１０が配置されている。

マスク６には直径が異なる円形の窓（アパーチャ）６ａ〜６ｃが形成されている。加工機制御部１は、アパーチャ切替駆動機構３１を介して、窓６ａ〜６ｃのいずれかの中心を加工ビーム２２の中心に位置決めする。

２軸スキャナ７は、図３に示すように、ミラー４５を回転方向に位置決めするガルバノスキャナ４７と、ミラー４４を回転方向に位置決めするガルバノスキャナ４６と、から構成されている。ミラー４５は反射光をＸＹステージ1０上におけるＸ軸方向に、ミラー４４は反射光をＸＹステージ1０上におけるＹ軸方向に、それぞれ位置決めする。

ｆθレンズ８は中心軸に対して角度θで入射する入射光を、焦点位置における中心軸に垂直な面の中心軸からｆ×θ（ただし、ｆはｆθレンズ８の焦点距離である。）の位置に集光させるように設計されたレンズであり、マスク６に形成された窓６ａの像を基板９上に転写する。

ＸＹステージ１０は、ＸＹ方向に移動自在である。基板９はＸＹステージ１０に支持されている。モニタビーム２３の光路上には、マスク１１がモニタビーム２３の光路に対して４５度の角度に配置されている。マスク１１のモニタビーム２３入射側は鏡面に仕上げられており、中央部にはモニタビーム２３のビーム径よりも小径の窓１１ａが形成されている。窓１１ａは、モニタビーム２３入射側から見て円形（すなわち、光路に垂直な面に投影した形状が円）に形成されている。そして、マスク１１は窓１１ａの中心がモニタビーム２３の中心と同軸になるように位置決めされている。マスク１１を通過するモニタビーム２４ｔの光路上には、集光レンズ１３と光検出器１６が配置されている。光検出器１６は、積分回路２９とエネルギー比較回路３０を介して加工機制御部１に接続されている。マスク１１により反射されるリング状のモニタビーム２４ｒの光路上には、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、入射するモニタビーム２４ｒの５０％を位置検出ビーム２６として反射し、残り５０％を位置検出ビーム２７として透過させる。位置検出ビーム２６の光路上には集光レンズ１４と位置検出センサ１７とが配置され、位置検出ビーム２７の光路上には集光レンズ１５と位置検出センサ１８とが配置されている。そして、位置検出センサ１７、１８は、レーザ位置演算部２８を介して加工機制御部１に接続されている。

マスク１１から位置検出センサ１７までの光路長Ｌ１と、マスク１１から位置検出センサ１８までの光路長Ｌ２は、互いに異なる長さに設定されている。

そして、集光レンズ１５の焦点距離ｆ１は、位置検出センサ１８に結像される窓１１ａの像の大きさが、結像レンズ１４により位置検出センサ１７に結像される窓１１ａの像の大きさと同じになるものが選択されている。すなわち、例えば、位置検出ビーム２７の光路長Ｌ２が位置検出ビーム２４の光路長Ｌ１の２倍（Ｌ２＝２Ｌ１）であるとすると、結像レンズ１５としては焦点距離ｆ１が結像レンズ１４の焦点距離ｆ２の２倍（ｆ１＝２ｆ２）であるものが採用される。

位置検出センサ１７、１８は、４分割フォトダイオードが採用されている。４分割フォトダイオードは、４分割された素子の区画ａ〜ｄが、それぞれ受光面積に応じて電気信号を出力するので、予め位置検出センサ１７、１８の中心に入射光の中心を合わせておくと、区画ａ〜ｄに入射する光量を比較することにより、位置検出センサ１７、１８の中心に対する入射光の中心のずれ量を求めることができる。

そして、後述するように、マスク１１と、ビームスプリッタ１２、集光レンズ１４、１５および位置検出センサ１７、１８により、レーザ光の出射角度検出手段が構成されている。加工機制御部１には、記憶部１９と、表示部２０とが接続されている。

次に、本発明の動作を説明する。

加工に先立ち、加工しようとする穴径に応じて、加工に使用する直径の窓（ここでは窓６ａ）をレーザ光２１の光軸中心に一致させておく。
また、加工する穴の種類に応じた加工条件（ピーク出力、繰返し周波数、パルスショット等）に基づいてレーザ源２の出力を設定しておく。
さらに、位置検出センサ１８に結像される窓１１ａの像の中心が位置検出センサ１８の中心に、また、結像レンズ１４により位置検出センサ１７に結像される窓１１ａの像の中心が位置検出センサ１７の中心に、それぞれ一致するように、ミラー３６、３７および平行平板４０、４１を位置決めしておく。

図示を省略する起動ボタンがオンされると、レーザ発振器２からレーザ光２１が出力される。レーザ発振器２から発振されたレーザ光２１は、ビーム角度補正部３、ビームシフト補正部４を介してビームスプリッタ５に入射する。そして、ビームスプリッタ５で反射される加工ビーム２２はマスク６、ベントミラー２５、２軸スキャナ７およびｆθレンズ８を介して基板９に入射する。

一方、ビームスプリッタ５を透過したモニタビーム２３は、マスク１１を通過する円形のエネルギモニタビーム２４ｔと、マスク１１により反射される円環状の位置検出ビーム２４ｒと、に分割される。

エネルギモニタビーム２４ｔは、集光レンズ１３により光検出器１６に集光される。光検出器１６は、レーザパルス波形に対応する電圧波形を積分回路２９に出力する。積分回路２９は、入力される電圧波形を、現在加工している穴の加工が終了するまで積分する。そして、当該穴を加工するために予め定められた回数のレーザパルスの照射が完了すると、エネルギ比較回路３０は、積分回路２９で積分された値すなわち加工部に供給された総加工エネルギ値と予め入力されている加工エネルギの閾値とを比較し、その結果を加工機制御部１に出力する。加工機制御部１は、加工部に供給された総加工エネルギ値が閾値よりも大きい場合は、積分回路２９の値をリセットして次の穴の加工を行う。また、総加工エネルギ値が閾値よりも小さい場合は、積分回路２９の値をリセットすると共に、当該穴の加工が加工エラー（加工不良）であると判定して加工位置情報と統合し、記憶部１９にデータとして蓄える。また、表示部２０によりオペレータにその旨をリアルタイムに知らせる。なお、記憶部１９に蓄えられたデータは、以後の加工プロセスで廃棄または追加工等の情報として活用される。

位置検出ビーム２４ｒは、ビームスプリッタ１２により、位置検出ビーム２６と位置検出ビーム２７に分割され、位置センサ１７，１８に結像される。位置演算部２８は、位置センサ１７、１８毎に、それぞれの区画ａ〜ｄの受光エネルギ値を比較する。そして、区画ａ〜ｄの受光エネルギ値が互いに等しい場合は出射角度に変化がないと判定する。また、区画ａ〜ｄの受光エネルギ値が異なる場合には、出射角度が変化しているので、以下のようにして、レーザ光２１の光路を補正する。

図４は、本発明に係る出射角度の補正手順を説明する説明図である。
レーザ光２１の出射方向が変化すると、同図（ａ）に示すように、窓１１ａの像の中心が位置検出センサ１７、１８の中心からずれるため、区画ａ〜ｄの受光エネルギ値に差が生じる。なお、図１に示すように、位置検出ビーム２７の光路長Ｌ２が位置検出ビーム２４の光路長Ｌ１よりも長い場合、位置検出センサ１８の中心に対する窓１１ａの像の中心のずれ量は、位置検出センサ１７の中心に対する窓１１ａの像の中心のずれ量よりも大きい。

そこで、加工機制御部１は、位置センサ１７と位置センサ１８の対応する区画（例えば、位置センサ１７の区画ａと位置センサ１８の区画ａ）の受光エネルギがそれぞれ一致するようにミラー３６とミラー３７を回転させる。

そして、レーザ光２１の出射角度は補正されると、同図（ｂ）に示すように、位置センサ１７と位置センサ１８の対応する区画の受光エネルギ値がそれぞれ一致する。

しかし、この状態では、レーザ光２１の光軸が当初の光軸に対して平行にずれて（シフトして）いる。そこで、加工機制御部１は、平行平板４０、４１を回転させ、同図（ｃ）に示すように、位置センサ１７，１８の各区画の受光量が当初（光軸調整時）と同じになるように調整する。

そして、現在のレーザ光２１の光軸が当初の光軸と同軸になったことを確認した後、加工を再開する。
以上説明したように、本発明では、加工部に供給されるエネルギの大きさ（すなわちパワー変動）を監視するだけでなく、レーザ光の出射角度を監視してレーザ光の光軸を常に同じに位置変化を補正するので、品質に優れる穴を加工することができる。
また、加工不良穴の特定が容易である。
なお、上記実施形態では、位置センサとして４分割フォトダイオードを用いたが、フォトダイオードの表面抵抗を利用した２次元位置センサを結像レンズ１４、１５の集光点に配置してもよい。
また、この実施形態では、位置センサ１７，１８に入射するビームの形状を円環状にしたので、円形ビームを入射させる場合に比べて、受光面積の差を大きくすることができる。したがって、レーザ光の出射角度が変化した場合の検出精度を向上させることができる。

また、レーザ光２１の出射角度の変動を検出するために位置センサ１７と位置センサ１８の両方の区画ａ〜ｄの受光エネルギを比較するようにしたが、いずれか一方の区画ａ〜ｄの受光エネルギ値を互いに比較するようにしてもよい。

なお、上記では、１穴当たりの加工エネルギにより、加工結果を評価するようにしたが、以下のようにすることもできる。
図６は、本発明の変形例を示す図である。同図は、図１において採用した積分回路２９とエネルギ比較回路３０に代えて、ピークホールド回路３３とピーク値比較回路３４とカウンタ３５を用いるようにしたものである。

この変形例では、光検出器１６から出力されるレーザパスル波形に対応する電圧波形毎にピークホールド回路３３によりピーク値を検出し、ピーク値比較回路３４で予め設定してある閾値とピーク値とを比較する。そして、閾値を超えるパルス数をカウンタ３５で数え、当該穴の加工が終了したときに、カウンタ３５によって計測されたレーザパルス数と予め設定されたレーザパルス数とが一致する場合は加工を継続し、カウンタ３５によって計測されたレーザパルス数が予め設定されたレーザパルス数よりも少ない場合は加工エラーと判断して、加工位置情報と統合して記憶部１９にデータとして蓄えると共に、表示部２０によりオペレータにその旨をリアルタイムに知らせる。

本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明に係るレーザ加工装置のレーザ源近傍の詳細構成図である。 本発明に係るレーザ加工装置の加工部近傍の詳細構成図である。 本発明に係る出射角度の補正手順を説明する説明図である。 本発明に係るレーザ加工装置の変形例を示す構成図である。

符号の説明

２ レーザ源
３ ビーム角度補正部
４ ビームシフト補正手段
１１ マスク
１２ ビームスプリッタ
１４，１５ 集光レンズ
１７，１８ 位置検出センサ
２１ レーザ光

Claims (3)

1. レーザ発振器から出力されるレーザ光の出射角度を監視し、前記出射角度が変化した場合は、前記レーザ光の光軸を変化する前の光軸に合わせて加工をすることを特徴とするレーザ加工方法。
2. レーザ発振器から出力されるレーザ光の出射角度を監視する監視手段と、前記レーザ光の光軸補正手段とを備え、加工時、前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光の出射角度を監視し、前記出射角度が変化した場合は、前記レーザ光の光軸を変化する前の光軸に合わせて加工をすることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 前記レーザ光のエネルギ値を検出する手段と、前記エネルギ値を評価する評価手段と、を設け、検出された前記レーザ光のエネルギ値を評価しながら加工することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
   

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