JP2005502476A - 例えば、有孔マスクを用いたレーザ穿孔方法 - Google Patents

Abstract

本発明の、有孔マスク（８）を用いて回路基板（６）内にホールをレーザ穿孔するための方法では、レーザビーム（２）を、有孔マスク（１０）の領域内で、円経路上で移動し、該円経路の中心点が、マスク（８）内の各ホールの目標位置に対して同じ中心となるように配置されていて、当該円経路の直径（２ＸＲＩ）が、ホール直径（ＤＭ）よりも小さいようにされる。その際、レーザビームスポットの直径（ＤＳ）を、レーザビーム（２）の円運動中、有孔マスク（８）の中心点（ＭＬ）をカバーするようにする。そうすることによって、有孔マスク（８）の領域内のレーザエネルギの出来る限り均等なエネルギ分布が達成される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、有利には、表面近くの有孔マスクを通して、所定直径のホールを穿孔すべき所定基板部分上にレーザビームを配向する、電気回路基板のレーザ穿孔方法に関する。
【０００２】
ホール、例えば、プリント配線板およびそれと比肩し得る、回路坦体として使われる基板内に止まり穴を穿孔する際に、有孔マスクを使用することは、ずっと公知である（米国特許第４６４４１３０号明細書）。一般的に、金属製の有孔マスクは、その形状によって、穿孔すべきホールの位置も大きさも設定される凹部を有している（所謂コンフォーマルマスクとして）。その際、マスクを形成する金属層が、所謂近接マスクとして直接基板の表面と結合されるか、または、僅かな間隔で表面上に載置される。
【０００３】
米国特許第５５８５０１９号明細書には、レーザビーム用の光学系の形状形成によって、レーザビームが、それ自体移動する必要なしに、常に同じ角度で基板に照射されるようにすることができる装置を用いるレーザ加工方法が記載されている。有孔マスクを用いてプリント配線板を穿孔する際、レーザ、通常ＣＯ２レーザ、または、それと比肩し得る特性のレーザが、常に有孔マスク上の同じ箇所にパルス状に照射される（所謂パンチング）。その際、ホール横断面全体に亘って出来る限り均質な材料切除を達成するために、ホール直径全体に亘って、レーザビームを出来る限り均一なエネルギ分布となるようにし、ホールエッジの外側は、出来る限り僅かなエネルギ損失にするようにされる。従って、最適な作用を達成するために、エネルギ分布は、出来る限り、エッジが急峻な矩形状のプロフィール（トップハット）を有する必要がある。従来技術では、ビーム路内の結像系に、特別な光学系（例えば、回折光学系）または絞りを設けることによって実施されている。そのような光学系は、製造コストが非常に高く、また、絞りが、レーザの出力の大きな部分、５０％以上も損失となることがしばしばある。その際、結像比を固定して所要の結像にすることによって、更に、ビーム路が非常に長くなり、偏向ユニット内に非常に大きな偏向ミラーが必要となる。
【０００４】
本発明の課題は、有利には、有孔マスクを用いて、ホールを穿孔する方法を提供することにあり、その際、特別な光学系および絞りを用いる必要がなく、それと同時に、レーザ出力の損失をできる限り僅かにしてホール内の材料除去を均一にすることができるようにすることにある。
【０００５】
本発明によると、この課題は、冒頭に記載した形式の方法において、レーザビームを、穿孔すべきホールの領域内で、円経路上で移動し、該円経路の中心点が、穿孔すべきホールの目標位置に対して同じ中心となるように配置されていて、当該円経路の直径が、ホール直径よりも小さいか、または、等しいようにし、レーザビームスポットの直径を、レーザビームの円運動中、ホールの中心点をカバーするようにすることによって解決される。
【０００６】
本発明の方法では、レーザビームが、所謂サークルパンチング運動（Ｗｏｂｂｅｌｂｅｗｅｇｕｎｇ）で、ホール内の円上を案内されて、回転毎に少なくともホールの横断面全体が掃引されて、ビームの中心点が、スポットの最大エネルギ密度で、中心点乃至中心点の目標位置とエッジとの間の領域内で回転するようにされ、その結果、所望の矩形状の有効エネルギ分布に近づけられる。
【０００７】
本発明により達成されたエネルギ分布により、ホールを十分なエッジ輪郭で、有機層乃至誘電体層内に、有孔マスクなしに穿孔することも基本的に可能である。しかし、本発明の有利な用途は、表面近くの有孔マスクを用いてホールを穿孔する際にあり、その際、有孔マスクとして、有利には、（多層）プリント配線板の表面側の金属化部が使われ、その際、有孔マスク内のホールは、同様にレーザ穿孔によって形成することができる。有孔マスクを用いた場合、本発明の解決手段は、レーザビームを、有孔マスク内の各々のホールの領域内で、円経路上で移動し、該円経路の中心点が、穿孔すべき各ホールの目標位置に対して中心となるように配置されていて、当該円経路の直径が、ホール直径よりも小さいか、または、等しいようにし、レーザビームスポットの直径を、レーザビームの円運動中、有孔マスクの最大許容位置ずれの場合でも、ホールの中心点を常にカバーするようにする点にある。
【０００８】
レーザビームの個別周回時のエネルギ分布を、周囲に亘って出来る限り均一に分布させるために、レーザビームは、有利には、常に、円経路全体の整数で実行されるようにされる。そのために、レーザのパルスエネルギの調整は、ホールの穿孔のために必要なエネルギ全体が、レーザビームの円経路の整数倍で分布されるように選定される。
【０００９】
有利には、本発明の方法のために、高パルス周波数の、つまり、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの繰り返し周波数のＣＯ２レーザが使用され、その結果、慣用の方法に較べて時間損失がない。レーザは、小さなパルス幅により、５００ｎｓより小さなオーダーの、典型的には、≦１５０ｎｓとなり、この高い繰り返し周波数で、もっと十分なパルス出力となる。
【００１０】
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際、
図１は、本発明の方法を実施するための、レーザおよび有孔マスクを備えた基板の構成を略示した図、
図２は、有孔マスクを備えた基板およびレーザビームの断面略図、
図３は、照射されたレーザパルスのスポット直径を略示した、有孔マスクのホールを示した平面図、
図４は、有孔マスクが、その目標位置に対する位置偏差を有している場合の、図３に相応する図、
図５は、本発明により達成可能な、個別ビームによるエネルギ経過特性を示す図
である。
【００１１】
図１には、有孔マスクを用いてホールを穿孔するために用いられるレーザ装置の基本的な構成が示されている。レーザ源１は、パルス状のレーザビーム２を放射し、このレーザビームは、種々異なった軸を中心に回転可能な２つのミラー３および４を有する検流計ユニットに偏向され、それから、結像系を介して、この例では、テレセントリックレンズ５を介してフォーカシングされ、その際、ビーム２が、所定のスポット幅で基板乃至プリント配線板６上に照射されるようにフォーカシングされる。プリント配線板は、２つの金属層８および９間に位置している誘電体層７を有している。その際、上側の金属層８は、有孔マスクとして使用される。つまり、上側の金属層８には、このために、ホール１０が設けられており、このホール１０は、予め公知のように、例えば、レーザ穿孔またはエッチングによって形成されている。誘電体層７と固定結合された金属層８の代わりに、薄膜等の形式での緩やかに載置された有孔マスクを用いてもよい。高速の検流計３ａないし４ａを用いて、ミラー３および４を相応に制御することによって、レーザビーム２は、各々各ホール１０の１つに偏向されて、誘電体層７内に、同じ直径のホールを形成することができるようになる。有利には、このようにして、下側の金属層９で終わっているブラインドホールを穿孔することができる。
【００１２】
レーザビームのエネルギ分布は、スポット直径全体に亘って均等に分布されていないので、本発明によると、レーザビームは、各々のホール１０の領域内で「円状パンチ（ｇｅｗｏｂｂｅｌｔ）」される。即ち、パルス状のビームが高速で円状に移動され、この円の中心点が目標位置でのホールの中心軸１１と一致し、その際、この例では、円の半径Ｒ１は、ホール１０の半径Ｒ２よりも小さい。スポット直径ＤＳは、一般的に、有孔マスクのホール直径ＤＭ（＝２ＸＲ２）と同じ大きさであり、その際、スポット直径ＤＳは、有孔マスクのホール直径よりも約１０−２０％大きいか、または、小さいようにするとよい。つまり、２００μｍのホール直径では、例えば、１８０〜２２０μｍのスポット直径にするとよく、もっと小さいホール直径では、スポット直径は、この範囲（１８０μｍ）の下側限界となるか、または、それよりも下の値となる。レーザビーム用の「サークルパンチング（ｗｏｂｂｅｌｎ）」（Ｃｉｒｃｌｅ−Ｐｕｎｃｈｉｎｇ）の円直径は、相応の有孔マスクにとって最適な、出来る限り直角なエネルギ分布（ｔｏｐ ｈａｔ）が形成されるように選定するとよい。有孔マスクの位置偏差も、円直径を変えることによって補償することができる。一般的に、レーザビームは常に完全な円を描くように移動され、即ち、所望のホール深さおよび円直径Ｒ１のために必要なパルスの個数により、所定のパルスと、円軌道上の直ぐ次のパルスとの間隔が決められる。
【００１３】
図３には、有孔マスクのホール上の種々異なるレーザパルスの重畳の一例が示されており、つまり、この場合、有孔マスクは、その目標位置に精確に位置付けられる。有孔マスクのホールは、中心点ＭＬと半径Ｒ２とで特徴づけられ、つまり、例えば、直径１２０μｍ、つまり、Ｒ２＝６０μｍである。スポット直径１８０μｍ、即ち、半径Ｒ３＝９０μｍのレーザビームは、半径Ｒ１＝２５μｍの円内で移動される。図３には、相互に重畳する４つのレーザパルスの位置しか示されていない。パルスの実際の数は、基板内に共通のホールを穿孔するのに必要なエネルギの程度に依存している。
【００１４】
図４の第２の例では、図３とは異なり、有孔マスク８のホール１０の中心点ＭＬが、目標位置の中心点Ｍに対して、ｘ方向に２５μｍ、ｙ方向に２５μｍの位置ずれを有している。円状パンチの円の半径Ｒ１、マスクのホール用の半径Ｒ２、および、レーザスポットの半径Ｒ３は、図３の場合と同じ大きさである。この場合にも、有孔マスクの位置がずれているにも拘わらず、ホールの穿孔のために、ほぼ均等なエネルギ分布を達成することができる。
【００１５】
図５には、本発明の方法により達成可能なエネルギ分布のシミュレーションが示されている。その際、１５０μｍ直径の２重円内で移動する、２００μｍのスポット直径の１１個の個別ビームが示されている。描画部分は、この場合、６００μｍ×６００μｍである。
【００１６】
本発明の方法では、ガルボミラーの高速制御と、高パルス周波数のＱスイッチＣＯ２レーザの組み合わせによって、非常に良好な、ほぼ直角形状のエネルギ分布の有効レーザエネルギを達成することができ、その際、比較的小さな偏向ミラーを使用するとよい。これによって、高いスループットを達成することができ、それと同時に、位置偏差も生じないようにすることができる。
【００１７】
レーザビームの周回速度は、ホールの直径、パルス周波数およびその都度の所用パルス数に依存している。例えば、ＲＣＣ（レジンコーティングされた銅）製の誘電体内に、製造メーカＣＯＨＥＲＥＮＴのＧＥＭ−１００−レーザを用いて、約１５０μｍ直径のホールを穿孔することができる。その際、１００ｋＨｚの繰り返し周波数のレーザビームで、１００μｍの円状パンチ直径が形成される。ホールの穿孔のために、各々１０パルスが必要であるとすると、そのことから、３ｍ／ｓのレーザビームの周回速度となる。
【００１８】
ＦＲ４での同じホールの穿孔のために、６０ｋＨｚで４０パルスが必要だとすると、そのことから、レーザビームの周回速度は、約４７０ｍｍ／ｓとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の方法を実施するための、レーザおよび有孔マスクを備えた基板の構成を略示した図
【図２】有孔マスクを備えた基板およびレーザビームの断面略図
【図３】照射されたレーザパルスのスポット直径を略示した、有孔マスクのホールを示した平面図
【図４】有孔マスクが、その目標位置に対する位置偏差を有している場合の、図３に相応する図
【図５】本発明により達成可能な、個別ビームによるエネルギ経過特性を示す図

Claims (10)

1. 穿孔すべき基板部分上にレーザビーム（２）を配向する、電気回路基板（６）のレーザ穿孔方法において、レーザビーム（２）を、穿孔すべきホール（１０）の領域内で、円経路上で移動し、該円経路の中心点（Ｍ）が、前記穿孔すべきホール（１０）の目標位置（１１）に対して同じ中心となるように配置されていて、当該円経路の直径（ＤＳ）が、ホール直径（ＤＭ）よりも小さいか、または、等しいようにし、レーザビームスポットの直径（ＤＳ）を、前記レーザビーム（２）の前記円運動中、前記ホールの中心点（ＭＬ）をカバーするようにすることを特徴とする方法。
2. 予め設定されるホール直径（ＤＭ）の、表面近くの有孔マスク（８）を貫通するレーザビームを、穿孔すべき基板部分上に配向する請求項１記載の方法であって、レーザビーム（２）を、有孔マスク（８）内の各々のホール（１０）の領域内で、円経路上で移動し、該円経路の中心点（Ｍ）が、穿孔すべき各ホール（１０）の目標位置（１１）に対して中心となるように配置されていて、当該円経路の直径（ＤＳ）が、ホール直径（ＤＭ）よりも小さいか、または、等しいようにし、レーザビームスポットの直径（ＤＳ）を、前記レーザビーム（２）の前記円運動中、前記有孔マスクの最大許容位置ずれの場合でも、前記ホール（１０）の中心点（ＭＬ）を常にカバーするようにする請求項１記載の方法。
3. 円直径（２×Ｒ１）を、少なくともホール直径（２×Ｒ２）の８分の１〜高々ホール直径に相応する請求項１又は２記載の方法。
4. 円直径（２×Ｒ１）を、ホール直径（２×Ｒ２）の１／４〜１／２にする請求項３記載の方法。
5. レーザビームのスポット経（ＤＳ）を、ホール直径（ＤＭ）〜当該ホール直径（ＤＭ）よりも２０％、有利には、約１０％だけ大きいか、または、小さいようにする請求項１から４迄の何れか１記載の方法。
6. レーザビーム（２）を、ＣＯ２レーザ（１）によって形成する請求項１から５迄の何れか１記載の方法。
7. レーザを、少なくとも２０ＫＨｚ、有利には、約１００ＫＨｚ±１０％の繰り返し周波数を有しているようにする請求項６記載の方法。
8. レーザを、＜５００ｎｓのパルス幅、有利には、≦１５０ｎｓのパルス幅で使用する請求項１から７迄の何れか１記載の方法。
9. 有孔マスク（８）を、プリント配線板（６）の表面上に付着された固着金属層によって形成する請求項２から８迄の何れか１記載の方法。
10. 有孔マスクを、プリント配線板上に設けられた緩い金属薄膜によって形成する請求項２から８迄の何れか１記載の方法。