JP2005342749A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 品質に優れる穴を効率よく加工することができるレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】ビームスポット径を２５μｍ以下とし、銅導体層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以上、絶縁層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以下、として各層毎に加工をする。また、パルス状のレーザを出力するレーザ源の出力を一定にしておき、加工部に照射するレーザの周波数と照射数を制御することにより、前記平均出力を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明はパルス状のレーザにより、銅導体層と絶縁層とが交互に積層されたワークに穴を加工するレーザ加工方法に関する。

従来、ＵＶレーザによりプリント基板のビルドアップ層にブラインドホール（底付き穴）を加工（以下、「ＢＨ加工」という。）、あるいはスルーホール（貫通穴）を加工（以下、「ＴＨ加工」という。）する場合は、発振器から出射されたパルス状のビームをレンズで集光し、ビームスポット径５０μｍ以下（例えば、パルス周波数３０〜４０ＫＨｚ、ビームスポット径３５μｍ）のガウシアンビームにより加工をしていた。また、ビームスポット径よりも大きい穴を加工する場合は、トレパニング加工（円周軌跡を描いて加工する）により穴を加工していた。

ところで、銅導体層と絶縁層とが交互に積層されたワーク（複合材）を加工する場合、穴品質、穴形状は単位時間内に穴内に蓄積されるエネルギとトレードオフの関係にある。すなわち、加工に必要なエネルギ密度（出力密度）を一定にする場合、ビームスポット径が大きいほど、またパルス周波数が高いほど、高出力（高出力条件）で加工することになるので、単位時間内に穴内に生成される分解物が増える結果、穴内に留まる高温のプラズマ化した分解物の量が増加する。そして、穴の内部に留まる高温のプラズマ化した分解物の量が増えると、穴側壁の樹脂がバレル状に除去され、ガラスの突出しが大きくなり、穴品質、穴形状は低下する。

また、絶縁層を導体層と同じ高出力条件で加工すると、導体層と樹脂の分解エネルギしきい値の差が大きい（約１０：３：１）ため、絶縁層の厚さがばらついた場合、絶縁層の薄い部分で導体層が溶融され、穴が明いてしまうことがある。

そこで、絶縁層を加工する場合は、導体層加工と同じエネルギのビームをデフォ−カス（ビーム径を約２〜４倍に拡大）して、エネルギ密度を下げていた。あるいは、パルス周波数が高くなるとパルスエネルギが小さくなるＵＶレーザの出力特性を利用して、高いパルス周波数に切り換えてエネルギ密度を下げていた。

また、例えば、波長３５５ｎｍのＵＶレーザを発振する出力が７Ｗのレーザ発振器の場合、パルス巾が２５〜３０ｎｓのガウシアンビームを周波数４０ＫＨｚで出力することができる。この場合、ビームスポット径を約３０〜３５μｍにすると、実用エネルギ密度が銅導体層加工に必要なエネルギ密度約１０Ｊ／ｃｍ^２超える。そこで、従来は、加工能率を向上させるため、ビームスポット径を３０〜３５μｍにしていた。

しかし、デフォ−カス方式では、焦点位置の切り換えに時間を要するため、非稼働時間が増えて生産性が低下した。

また、パルス周波数を高くする方式では、単位時間内に穴の内部に留まるプラズマ化した高温の分解物が増えるため、高出力条件で加工した場合と同様に、樹脂がバレル状に除去され、穴側壁のガラスの突出しが大きくなった。特に、ワークが太いガラス繊維を含有する絶縁物である場合や、ガラス繊維の密度が多い場合、エネルギを増すことにより穴底の銅導体層全面が溶融する場合があった（穴底の銅導体層全面が溶融すると、分解した絶縁物が銅導体層に巻き込まれ、銅導体層の表面に抵抗値の高い不純物層が生成される。エッチング量を１μｍ以上にすると、生成された不純物層を除去できるが、穴底コーナーの絶縁層下の導体層が除去されることにより隙間が生じ、めっきの信頼性が低下する）。

また、レーザ発振器内部の熱的状態が変化するため、ビームモ−ドと出射方向が変化して、穴位置精度や穴形状を悪化した。

また、ＵＶレーザ加工の場合、ビームスポット径を３０〜３５μｍにすると、高出力条件あるいはパルス周波数を高くした場合と同様に、樹脂がバレル状に除去され、穴側壁のガラスの突出しが大きくなった。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、品質に優れる穴を効率よく加工することができるレーザ加工方法を提供するにある。

本発明者は、加工に供するビームスポットのエネルギ密度一定とする場合、穴品質を向上させるためには、、ビーム径を小さく、あるいはパルス周波数を低く、すなわち平均出力を小さくする方が穴品質を向上できることを見いだした。この点に基づき、請求項１の発明は、パルス状のレーザにより、銅導体層と絶縁層とが交互に積層されたワークに穴を加工するレーザ加工方法において、ビームスポット径を２５μｍ以下とし、銅導体層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以上、絶縁層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以下、として各層毎に加工をすることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、パルス状のレーザを出力するレーザ源の出力を一定にしておき、加工部に照射するレーザの周波数と照射数を制御することにより、前記平均出力を制御することを特徴とする。

ビームのエネルギを、絶縁層を傷つけない大きさにするので、品質に優れる加工をすることができる。

詳細については後述するが、本発明においては、銅導体層をエネルギ密度６Ｊ／ｃｍ^２以上で加工し、絶縁層を平均出力１００ｍＷ以下で加工をする。平均出力１００ｍＷ以下で絶縁層を加工をすると、単位時間あたりの分解物の生成およびエネルギ蓄積を減らすことができるで、穴形状がバレル状になることおよび穴側壁のガラスの突出しを防止できると共に、穴底面が溶融することもない。なお、ガラス繊維を加工するのに必要なエネルギ密度は１．８〜４Ｊ／ｃｍ^２、また、樹脂を加工するのに必要なエネルギ密度は１Ｊ／ｃｍ^２以下である。

図１は、本発明を適用するのに好適なレーザ加工機の光学系の構成図である。
レーザ発振器１は、周波数Ｆ（ここでは、４０ｋＨｚ）のＵＶレーザを出力する。レーザ発振器１から出射された、出射パルスビーム２はビーム径調整器３により外径を整形され、音響光学方式のパルス整形器（ＡＯＭ）４により、周波数がＦ／２である光軸の異なる２つの分岐ビーム５、６に分岐される。パルス整形器（ＡＯＭ）４は、分岐ビーム５、６のパルス数を制御できると共に、１個のパルスのエネルギを制御することができる。
分岐ビーム５、６は、それぞれビームスプリッタ７、８により、スプリットビーム９〜１２に分岐され、それぞれＸＹガルバノユニット１３〜１６、ｆθレンズ１７〜２０により、光軸を位置決めされ、図示を省略するワークに照射される。

ここで、分岐ビーム５、６およびスプリットビーム９〜１２のエネルギについて説明する。
分岐ビーム５、６は、パルス整形器（ＡＯＭ）４により時間２分岐されるので、パルスエネルギは維持されるが、平均パルス周波数、平均出力は１／２に低下する。また、スプリットビーム９〜１２はビームスプリッタ７、８により２分割されるので、パルスエネルギ、平均出力とも１／２に低下する。

このため、レーザ発振器として、波長３５５ｎｍのＵＶレーザを発振する出力が７Ｗで、パルス巾が２５〜３０ｎｓのガウシアンビームを周波数４０ＫＨｚで出力するレーザ発振器を使用する場合、スプリットビーム９〜１２のパルスエネルギは出射ビームの１／２、平均パルス周波数は１／２、平均出力は１／４に下がる。ここで、光学系の出力損失を約３０％とすると、スプリットビーム９〜１２の加工部における平均出力は１ビームあたり１．２３Ｗ、パルスエネルギ６１ｍＪ、パルス周波数２０ＫＨｚである。そして、ビーム径を２５μｍとすると、エネルギ密度は１２．５Ｊ／ｃｍ^２であり、銅導体層を加工することができる。

そして、パルス整形器により調整巾５〜１００％の範囲でパルスエネルギを制御し、あるいはパルスを間引いて低周波数パルス化することにより、平均出力１００ｍＷ以下（低出力）で穴明けをすることができる。

すなわち、例えば、ガラス入り絶縁層加工の場合、穴側壁形状は単位時間あたりに投入されるエネルギによるが、以下に示す（１）〜（３）のいずれの場合も、穴品質に優れる加工結果を得ることができる。
（１）パルス整形器の調整比率を３５％に設定し、連続パルスの４パルスのうち３パルス間引く場合。：なお、この場合、パルス周波数は５ＫＨｚになり、エネルギ密度３．７Ｊ／ｃｍ^２かつ平均出力は９２ｍＷになる。
（２）パルス整形器の調整比率を２５％に設定し、連続パルスの３パルスのうち２パルス間引く場合。：なお、この場合、パルス周波数は７ＫＨｚになり、エネルギ密度２．７Ｊ／ｃｍ^２かつ平均出力は９２ｍＷになる。
（３）パルス整形器の調整比率を１８％に設定し、連続パルスの２パルスのうち１パルス間引く場合。：なお、この場合、パルス周波数は１０ＫＨｚになり、エネルギ密度１．９Ｊ／ｃｍ^２かつ平均出力は９２ｍＷになる。
すなわち、ガラス繊維径（３〜７μｍ）に応じて、加工に必要なエネルギ密度（１．８〜４Ｊ／ｃｍ^２）で加工することにより、同レベルの穴品質を確保できる。
すなわち、銅導体層を加工してから、絶縁層の態様に合わせて、パルス整形器により、低出力、低周波数のビームに切り換えことにより、穴品質に優れる加工結果を得ることができる。

図２から図４は、本発明に係るビーム分岐のタイムチャ−トであり、図中の数字２および５〜１２は、図１における出射パルスビーム２、分岐ビーム５、６およびスプリットビーム９〜１２に対応し、縦軸はエネルギ強度である。

図２は、銅導体層をエネルギ密度を６Ｊ／ｃｍ^２より大きい銅加工用エネルギ密度（以下、「エネルギ密度Ｃ」という。）のパルスを、Ｍ１回照射した後、絶縁層を銅導体層と同じパルス周波数でエネルギ密度の低い低出力のパルスを、Ｎ１回照射して加工する例である。この絶縁層加工条件は、ガラス繊維がほとんど含有されていない絶縁層（例えば、ポリイミド絶縁材）を加工するのに好適である。

図３は銅導体層をエネルギ密度ＣのパルスをＭ２回照射した後、絶縁層をエネルギ密度の比較的高い低出力の低周波数パルスを、Ｎ２回照射して加工する例である。この絶縁層加工条件は、ガラス繊維が含有されている絶縁層を加工するのに好適である。
なお、パルス周波数が高くエネルギ密度が低い低出力のパルスと、エネルギ密度が比較的高い低出力の低周波数パルスを、合わせて、以下、「絶縁物加工条件Ｉ」という。

以下、具体的な加工例について説明する。
図４〜図８は、本発明の具体的な加工例を説明する図である。

図４は、表面銅箔つきのガラス入り樹脂絶縁材ＦＲ−４のビルドアップ層（外層導体層厚１２μｍ、絶縁層厚６０μｍ）にＢＨを加工する場合の工程図である。なお、図中Ｂはビルドアップ層であり、表面銅導体層２１、絶縁層２２により構成される。また、絶縁層２２はガラス繊維２３と樹脂２４により構成される。また、Ｃはコア材であり、内層導体層２５はコア材の段階でサークルとして形成されている。
穴径２５μｍ以下のＢＨを加工する場合、同図（ａ）に示すように、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームにより、表面銅導体層を除去してから、同図（ｂ）に示すように、絶縁物加工条件Ｉで、平均出力１００ｍＷ以下のビームにより、絶縁層を除去して、穴径２５μｍ以下のＢＨを形成する。

図５は、穴径２５〜５０μｍのＢＨを加工する場合の工程図である。
穴径２５〜５０μｍのＢＨを加工する場合、同図（ａ）に示すように、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームにより、隣り合うパルスピッチを５μｍ以上かつビーム径の１／２〜１／５に設定して、照射位置を円周方向にずらせながら加工（サークル加工）することにより表面銅導体層を除去し、その後、同図（ｂ）に示すように、絶縁物加工条件Ｉで、平均出力１００ｍＷ以下のビームにして、サークル加工により絶縁層を除去して、穴径２５〜５０μｍのＢＨを形成する。

図６は、穴径５０μｍ以上のＢＨを加工する場合の工程図である。
穴径５０μｍ以上のを加工する場合、先ず、同図（ａ）に示すように、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームにより、隣り合うパルスピッチを５μｍ以上に設定して、サークル加工を行いリング状に表面銅導体層を除去する。次に、同図（ｂ）に示すように、パルスピッチが周方向および径方向にビームスポット径に対して約１／２〜１になるように設定して、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームにより、中央部の導体層をサークル加工する。次に、同図（ｃ）に示すように、絶縁物加工条件Ｉで、平均出力１００ｍＷ以下のビームにして、隣り合うパルスピッチを周方向および径方向に、ビームスポット径に対して約１／２〜１になるように設定して、サークル加工により絶縁層を除去し、穴径５０μｍ以上のＢＨを形成する。なお、サークル加工に用いるサークルについては後述する。

このように、穴の外周を加工してから内部の銅導体層を加工すると、銅導体層の温度が上昇し易くなるので、少ないエネルギで効率よく銅導体層を除去することができる。この結果、単位時間あたりの除去量が減り、プラズマ化した分解物の量も減るので、表面銅導体層下で穴側壁の樹脂の抉れない（ガラス繊維の突出しが少ない）穴径５０μｍのＢＨを形成することができる。

また、穴底の内層上部のガラス繊維下の樹脂も、ガラス繊維を透過したエネルギにより分解されるので、ガラス繊維、樹脂を効率よく除去できる。なお、穴底にガラスの残さが残っても下流のクリ−ニング工程により除去することができる。

ここで、ビーム径２５μｍ以下の絶縁物加工条件Ｉを採用し、平均出力を１００ｍＷ以下にすると、穴底の銅導体層の表面が溶融することはない。導体層による絶縁層分解物の巻き込みが少なく、下流のエッチング工程で容易に除去できるので、抵抗の小さい信頼性の高いめっき接続が可能になる。

図７は、ガラス入り絶縁材ＦＲ−４，４層板（外層導体層１２μｍ、ビルドアップ絶縁層６０μｍ、内層導体層１２μｍ、コア絶縁層１２０μｍ）のＴＨの加工工程を示す図であり、ワークの下面には、粘着性のバックアップシートが貼られている。
穴径が５０μｍ以上のＴＨを加工する場合、レーザ透過性のよい、粘着性のバックアップシ−ト１００をワークの下面に貼り、サークル加工により裏面に通じるリング溝を形成して、中央部に未加工部分を残したまま加工を終え、加工後に粘着シ−トを剥離する際に同時に除去する。

すなわち、同図（ａ）に示すように、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームにより、表面銅導体層をサークル加工してリング状に導体層を除去する。以下、同図（ｂ）に示すように、ガラス入り絶縁層を絶縁物加工条件Ｉにより、サークル加工を行いリング状に加工する。以下、同図（ｃ）〜（ｆ）に示すように、加工対象（すなわち、銅導体層およびガラス入り絶縁層）に応じて条件を変更し、最終的にＴＨを形成する。このようにすると、単位時間あたりの除去量が減り、プラズマ化した分解物の量も減るので、ガラスの突出しが小さく樹脂がバレル状になることはなく、穴側壁の品質が向上する。なお、図８に示すように、中央の加工されない部分は、加工後に、バックアップシート１００をワークから剥離する際、バックアップシート１００に付着して除去される。

なお、穴径が２５μｍ以下の場合、エネルギ密度Ｃになるように出力調整した直径２５μｍ以下のビームによる銅導体層の加工と、絶縁物加工条件Ｉで、平均出力１００ｍＷ以下のビームによる絶縁層の加工を交互に繰り返して、裏面に通じる穴を形成する。

次に、サークルパターンについて説明する。
図９、１０は、本発明に係るサークルパタ−ンの説明図である。

図９は、穴径５０μｍ以上のＢＨ加工を対象にしたサークルパタ−ンで、同図（ａ）は穴外周を加工する場合のサークルパタ−ンである。また、同図（ｂ）は中央に残った部分のサークルパタ−ンであり、銅導体層と絶縁層の両方に適用される。

図１０は、ＴＨ加工用のサークルパタ−ンで、（ａ）は導体層加工を対象にしたサークルパタ−ン、（ｂ）はガラス入りの絶縁層を対象にしたサークルパタ−ンであり、実線は第１周目のサークル、点線は１／２ピッチずらした、第２周目のサークルである。このように、ピッチを２倍にして２回に分けて加工をすると（照射回数は同じである）、穴内壁の粗さが小さく、ガラス繊維の突出しを減らすことができる。

ところで、以上の実施例では、絶縁物を加工する場合のビーム径を銅導体層を加工する場合と同じ径にしたが、穴が形成された銅導体層の下層の絶縁層を加工する場合（予め銅導体層に穴が形成されているコンフォーマル加工を含む）には、絶縁層を加工するビーム径を大きくしてもよい。

すなわち、図１１、図１２に示すようにしてもよい。なお、図１１は本発明を適用して穴径２５μｍ以下のＢＨを加工する場合、図１２は本発明を適用して穴径２５〜５０μｍのＢＨを加工する場合である。

また、図１３は図１１、図１２に示す場合の、ビーム分岐のタイムチャ−トである。なお、動作は先に説明に基づいて容易にに理解できるので、説明を省略する。

最後に、実用的な穴品質のえられるビーム径２５μｍを適用した場合の、生産性向上効果について説明する。
ガルバノミラ−とｆθレンズによりスキャンエリア内の位置決め加工を行う場合、スキャンエリア内の加工速度Ｖは、ガルバノ位置決め時間Ｔ、パルス周期１／Ｆ、パルス数／穴Ｍ、またビーム数Ｎを用いて、式１で表すことができる。
Ｖ＝１／｛Ｔ＋１／Ｆ×（Ｍ−１）｝×Ｎ・・・（式１）
したがって、発振周波数４０ＫＨｚから分岐して得られる２０ＫＨｚの４ビーム、５０パルス、スポット径２５μｍで銅箔１２μｍを加工する場合、また１０ＫＨｚ、５０パルス、スポット径２５μｍでポリイミド絶縁層２５μｍを加工するときの加工速度Ｖは、式（１）より４６１穴／秒である。
ただし、
ガルバノ位置決め時間Ｔ：０．６７ｍｓ（位置決め周波数１５００Ｈｚ）
パルス周期１／Ｆ：０．００００５ｍｓ（パルス周波数２０ＫＨｚ）
パルス数／穴Ｍ：１２７
一方、従来条件による実用発振周波数２０ＫＨｚ、３０ＫＨｚ、１ビームの加工速度Ｖは、それぞれ式（１）より１１５穴／秒、１６０穴／秒である。
すなわち、生産性は従来１軸加工の２．９〜４．０倍に向上する。

なお、ここでは４ビームを例に説明したが、ビームの有効利用率は低下するが、無論２ビームでも実現可能である。また、ビームモ−ドがガウシアン分布の場合を例に説明したが、トップハットビームでも無論可能である。

本発明を適用するのに好適なレーザ加工機の光学系の構成図である。 本発明に係るビーム分岐のタイムチャ−トである。 本発明に係るビーム分岐のタイムチャ−トである。 本発明に係るビーム分岐のタイムチャ−トである。 本発明の具体的な加工例を説明する図である。 本発明の具体的な加工例を説明する図である。 本発明の具体的な加工例を説明する図である。 本発明の具体的な加工例を説明する図である。 本発明に係るサークルパタ−ンの説明図である。 本発明に係るサークルパタ−ンの説明図である。 本発明具体的な加工例を説明する図である。 本発明具体的な加工例を説明する図である。 本発明に係るビーム分岐のタイムチャ−トである。

符号の説明

２ 出射パルスビーム
５、６ 分岐ビーム
９〜１２ スプリットビーム

Claims (8)

1. パルス状のレーザにより、銅導体層と絶縁層とが交互に積層されたワークに穴を加工するレーザ加工方法において、
   ビームスポット径を２５μｍ以下とし、銅導体層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以上、絶縁層の加工条件を平均出力１００ｍＷ以下、として各層毎に加工をすることを特徴とするレーザ加工方法。
2. パルス状のレーザを出力するレーザ源の出力を一定にしておき、加工部に照射するレーザの周波数と照射数を制御することにより、前記平均出力を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 前記レーザ源から出力されたレーザのエネルギを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 加工する穴の直径がビームスポット径よりも５μｍを超える穴を加工する場合は、照射ピッチを５μｍ以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記内部を加工する穴の直径がビームスポット径の２倍を超える穴を加工する場合は、照射ピッチを５μｍ以上として、先ず加工しようとする穴の外周を円周方向にサークル加工し、その後内部を加工することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 前記内部に第２の前記サークル加工をする場合は、第２周目に前記レーザを照射する位置を円周方向に１／２〜１ピッチずらすことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記銅導体層の下部の前記絶縁層を加工する場合は、ビームスポット径を前記銅導体層を加工した場合のビームスポット径よりも大径にすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
8. 前記ワークの下部に粘着性のバックアップシ−トを配置する場合は、加工しようとする穴の外周を円周方向にサークル加工することを特徴とする請求項１または請求項３のいずれかに記載のレーザ加工方法。

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