JP2005518945A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、誘電基板（６）を迅速に穿孔するためのレーザ加工方法を提案する。レーザ光源としてＱスイッチ法のＣＯ_２レーザが使用される。このＱスイッチ法ＣＯ_２レーザは、５０ｋＨｚより大きいパルス繰返し周波数、２００ｎｓより短いパルス長および少なくとも１０^−４ジュールのレーザパルスあたりのエネルギーを有するパルス状のレーザビーム（４）を生成する。偏向ユニットによってレーザビーム（４）は、加工されるべき基板（６）へ偏向される。レーザビーム（４）を特徴付ける上述のパラメータによって、開けられた孔（５）の高いスループットも、孔の高い質も保証される。従って例えば０. ４ｍｍの厚さのＬＣＰ基板に１秒間に５００個の孔が形成される。ここで開けられた孔のジオメトリ近似的に円柱状ないしは近似的に球状である。高いスループットおよび、高いスループットと同時に実現される孔の高い質は、選択された波長、短いパルス長、高い繰返し率および同じように電子加工領域における従来のレーザ加工装置に比べて高いパルスエネルギーの結果である。

Description

本発明は、誘電基板を迅速に穿孔するためのレーザ加工方法に関する。

レーザービームを用いた材料加工方法は、レーザ技術の急速な発達によって、近年ますます重要になっている。殊に電子加工分野では構成要素がますます小型になったことで、構成要素の小型化によって必要になった構成要素および／または基板のマイクロ構造を実現するのに、導体プレートないしは基板のレーザ加工が重要な手段になった。従って例えば基板内に、従来の穿孔器によって開けられた孔の直径と比較して格段に小さい直径を有する孔を開けることができる。基板に入射するレーザービームのレーザ出力が正確に分かっているという前提条件の下で、貫通孔の他にいわゆる袋穴が形成可能である。この袋穴は殊に、多層導体プレートにとって重要である。なぜなら、後続する袋穴の金属化によって、多層導体プレートの種々異なる金属層が相互に導電接続され、これによって基板上の集積密度が格段に上昇するからである。

ＵＳ５５９３６０６号から、レーザ加工装置が公知である。このレーザ加工装置によって、多層基板内に直径５０〜２００μｍの孔が開けられる。レーザ光源としては、ポンピングが連続して行われるＱスイッチ式のＮｄ：ＹＡＧレーザが使用される。これは周波数変換後に、紫外線スペクトル領域の光パルスを生成することができる。個々の光パルスは約２５０ｍＷの平均パルス出力と、１００ｎｓのオーダのパルス長を有する。これによって個々の光パルスは割合的に僅かな約２５ｎＪのエネルギーを有する。従って、１つの孔を開けるために多数のレーザパルスを使用しなくてはならない。さらにパルス繰返し周波数は数ｋＨｚに制限されているので、スループット、すなわち時間ユニット毎に開けられる孔の数は相応して僅かであり、このようなレーザ加工装置によっては、貫通穿孔されるべき層の材料および厚さに依存して、時間ユニット毎に比較的僅かな数の孔しか開けられない。

さらに、材料加工、殊に基板の穿孔に対しても、９. ２〜１０. ６μｍの波長を有するパルス状ＣＯ_２レーザまたは基本波長１０６４ｎｍを有するＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ_４レーザ等のパルス状固体レーザが使用可能なことも公知である。赤外線スペクトル領域で放射されるこのような従来のＣＯ_２レーザ光源は、μｓのオーダのパルス長を有する、生成されたレーザパルスが比較的長いという欠点を有する。これによって、加工されるべき基板が高い熱的負荷にさらされるので、これによって開けられた孔のジオメトリは、孔縁部でのバリまたは堆積によって理想的（円柱状ないし球状）な形状と異なり、開けられた孔の質が低下してしまう。堆積は例えば、事前にレーザービームによる加熱のために基板材料から昇華によって生じた蒸気の凝固によって生じる。しかし堆積物は、固形の基板材料の小さい粒子からも生じる。この粒子は孔縁部で基板が著しく不均一に加熱されることによって分離される。

ＤＥ１００２０５５９号から、可視または近似的に赤外のスペクトル領域における超短波レーザパルスを用いた材料加工方法が公知である。ここで、レーザ光源によって３００ｐｓを下回るパルス持続時間と、１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚの間の繰返し率を有するレーザパルスが生成される。生成されたレーザパルス全体から、個々のレーザパルスの強度が光学的な増幅器によって増幅される。３００ｐｓを下回るパルス持続時間と、１Ｈｚ〜１ＭＨｚの間の繰返し率を有するレーザパルスを有する増幅されたレーザパルスが材料加工に使用される。同じように、加工されるべき材料に向けられた増幅されていないパルスは、加工されるべき材料の調査に使用される。調査方法としては、例えば、いわゆる光学的なコヒーレンストモグラフィが使用される。

本発明の課題は、短い持続時間内に多数の高質な孔を開けることができる、誘電基板穿孔方法を提供することである。

上述の課題は、誘電基板を迅速に穿孔するためのレーザ加工方法であって、レーザ光源としてＱスイッチ式ＣＯ_２レーザを使用し、当該Ｑスイッチング式ＣＯ_２レーザは、５０ｋＨｚより大きいパルス繰返し周波数と、２００ｎｓより短いパルス長と、少なくとも１０^−４ジュールのレーザパルスあたりのエネルギーとを有するパルス状のレーザービームを生成し、当該レーザービームを偏向ユニットによって、加工されるべき基板へ偏向する、ことを特徴とするレーザ加工方法によって解決される。

本発明は、適切なパラメータ（すなわち加工されるレーザービームの波長、パルス長、繰返し率およびパルスエネルギー）の下で、スループット、すなわち時間ユニットあたりに開けられる孔の数が上昇し、結果として生じる孔の質も改善されるという認識に基づく。本発明ではパルス状のレーザービームの生成のために、Ｑスイッチング式のＣＯ_２レーザが使用される。ＣＯ_２レーザのＱスイッチングは、いわゆる音響光学的なスイッチによって実現される。これには例えばＣｄＴｅ結晶が適している。これはＭＨｚ領域の周波数によって機械的な振動を起こすように励起される。

請求項４に記載された加工されたレーザービームの、直径５０〜２００μｍへの焦点合わせは殊に次の場合に実現される。すなわち元来の焦点合わせ光学系の前に、レーザ光源から放射されたレーザービームがビーム拡張を用いて拡張される場合である。ビーム拡張の使用によって結果として、加工されるべきレーザービームの焦点深度が低くなるということに注意されたい。従って焦点合わせ光学系と加工されるべき対象表面との距離が、できるだけ高い精度で維持されなければならない。このようにして、不所望な拡張または開けられた孔の円錐状のジオメトリが回避される。

請求項６では、基板材料および開けられるべき孔の厚さないし深さに依存して、孔は唯一のレーザパルスによって開けられるか、または加工されるべき対象に向けられる、順次連続するレーザパルスのシーケンスによって開けられる。複数のレーザパルスのシーケンスを用いる場合には、低質な孔を回避するために、個々のレーザパルスは対象のできるだけ同じ箇所に生じなければならない。実験の実行時に、このために少なくとも６６％の、結果として生じる焦点合わせ面の空間的重畳が維持されるべきであることが判明した。

請求項７では、４０ＧＨｚまでの周波数の卓越した電気的特性を有しており、湿気、酸素に対しても、他の気体および液体に対してもほぼ不透過性である基板材料ＬＣＰ（Liquid Cristalline Polymer：液晶ポリマー） から成る基板の加工のために、有利には最大で１５０ｎｓの長さを有するパルスが使用される。

例えばＩＳＯＬＡ社の材料Ｃ−１０８０等のような、ガラス繊維材料によって機械的に増強されている誘電基板ＦＲ４（Flame Retard 4）を加工するために、請求項８に記載された少なくとも５０ｋＨｚのパルス繰返し周波数、有利には６０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのパルス繰返し周波数が適している。

請求項９では、エポキシ材料（例えば標準基板として電子加工分野において頻繁に使用される材料であるＲＣＣ（Resin Coated Copper：樹脂付き銅箔））の加工は、少なくとも８０ｋＨｚ、有利には近似的に１００ｋＨｚのパルス繰返し周波数を必要とする。

本発明のさらなる利点および特徴は、この時点で有利な実施形態の以下の例示された説明に記載されている。

図１には、基板の穿孔の概略図が示されており、
図２には、使用されるＬＣＰ基板の厚さに依存した、開けられた孔の実現可能な最大スループットがグラフで示されている。

本発明の図１に示された実施例では、穿孔はレーザ加工装置によって次のことによって行われる。すなわち図示されていないＣＯ_２レーザから放射された、波長９. ２±０. ２μｍのレーザービームが、レーザービームの直径がレーザの取り出しミラーでのレーザービームの直径に比べてファクタ１. ５〜２だけ拡大されるように拡張されることによって行われる。拡張されたレーザービームは、少なくとも２つの、図示されていない可動ミラーを含む偏向ユニット２によって９０°偏向される。偏向されたレーザービームは、テレセントリック焦点合わせ光学系３によって、次のように焦点合わせされる。すなわち１００μｍ〜２００μｍの有効な焦点合わせ直径を有するレーザービーム４が、加工されるべき対象上に配向されるように焦点合わせされる。ここで図示された実施例では対象は、一層式の基板６である。偏向ユニット２の２つのミラーは、レーザービーム４が短い時間の間に、基板６の表面上の所定の領域内の任意の箇所に向けられるように置かれている。

基板６は、材料ＬＣＰから製造されている。このような材料は例えばＶｅｃｔｒａＨ８４０という名称のもとでＴｉｃｏｎａ社から提供されているか、またはＺｅｎｉｔｅ７７３８の名称のもとでＤｕｐｔｏｎ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ社から提供されている。しかしこの基板の代わりに、ＦＲ４またはエポキシ材料ＲＣＣのような他の誘電材料にも使用可能であることに注意されたい。

図示されていないＱスイッチング式のＣＯ_２レーザ光源によって生成されたレーザービーム４は、少なくとも５０ｋＨｚの繰返し周波数によって、１５０ｎｓを下回るパルス持続時間と少なくとも０. ７ｍＪのパルスエネルギーを有するレーザ光パルスを放射する。加工されるべき基板６上に生じるレーザービーム４の直径は、１００μｍ〜２００μｍになる。このようにして１２０μｍ〜２５０μｍの直径を有する孔５が開けられる。ここで結果として生じる孔の質は、従来のレーザ加工装置によって開けられた孔と比べて格段に改善されている。

開けられる孔の高いスループットを実現するために、偏向ユニット２は次のように構成されなければならない。すなわち、加工されるべき基板６上に偏向されたレーザービーム４が迅速に、できるだけ正確に定められた基板表面上の位置から、同じようにできるだけ正確に定められた基板表面上の別の位置へ偏向されるように構成されなければならない。従ってこのような迅速な偏向ユニット２を使用する場合には、レーザービーム４の比較的大きなパルスエネルギー、短いパルス長および使用される波長によって、開けられる孔の高いスループットが得られ、基板材料の熱的負荷も最小化され、これによってバリまたは開けられた孔の周りの堆積が回避される。

図２には、実験的な調査の結果が示されている。ここでは高い質で開けられた孔の最大数が基板の厚さに依存してグラフで示されている。図面上で厚さｄは、単位ｍｍで記載されている。縦座標は、１秒毎に開けられる孔のスループットＮ／ｔをあらわす。使用されている基板は再び、材料ＬＣＰから製造されている。貫通されるべきＬＣＰ基板が薄くなればなるほど、開けられる孔のスループットは上昇する。厚さが０. ５ｍｍの場合には、１秒毎に３００個の孔が開けられる。厚さが０. ４ｍｍの場合には、同じに維持された質で開けられる孔の数は、１秒毎に５００個まで上昇される。厚さが０. １５ｍｍの場合には、開けられる孔のスループットはさらに、１２５０個／秒にまで上昇する。

厚さ０. ４ｍｍを有するＬＣＰ基板は、しばしばいわゆる射出成形基板として電子加工領域において使用される。従って５００個／秒である、開けられた孔のスループットは、従来のレーザ加工装置よって実現されたスループットに対して格段に上昇されている。

要するに本発明は、誘電基板（６）を迅速に穿孔するレーザ加工方法を実現させる。レーザ光源としては、Ｑスイッチ式ＣＯ_２レーザが使用される。このレーザは、５０ｋＨｚより大きいパルス繰返し周波数と、２００ｎｓより短いパルス長と、少なくとも１０^−４ジュールのレーザパルスあたりのエネルギーとを有するパルス状レーザービーム（４）を生成する。偏向ユニットによって、このレーザービーム（４）は、加工されるべき基板（６）へ偏向される。レーザビーム（４）を特徴付ける上述のパラメータによって、開けられる孔（５）の高いスループットも、孔の高い質も保証される。従って例えば０. ４ｍｍの厚さのＬＣＰ基板において、１秒毎に５００個の孔が開けられる。ここで開けられた孔のジオメトリはほぼ円柱状ないしはほぼ球状である。高いスループットと、これと同時に実現される孔の高い質は、選択された波長、短いパルス長、高い繰返し率および同じように電子加工の領域における従来のレーザ加工装置に比べて高いパルスエネルギーの結果である。

Claims (9)

1. 誘電基板を迅速に穿孔するためのレーザ加工方法であって、
   ・レーザ光源としてＱスイッチ式ＣＯ_２レーザを使用し、当該Ｑスイッチング式ＣＯ_２レーザは、
   ５０ｋＨｚより大きいパルス繰返し周波数と、
   ２００ｎｓより短いパルス長と、
   少なくとも１０^−４ジュールのレーザパルスあたりのエネルギーとを
   有するパルス状のレーザビーム（４）を生成し、
   ・当該レーザビーム（４）を偏向ユニット（２）によって、加工されるべき基板（６）へ偏向する、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. ９. ２±０. ２μｍの範囲の波長を有するレーザビーム（４）を使用する、請求項１記載のレーザ加工方法。
3. ０. ７ｍジュールのエネルギーを有するレーザパルスを使用する、請求項１から２までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザビーム（４）を、加工されるべき基板（６）上に、５０μｍ〜２００μｍの直径で焦点合わせする、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
5. 加工されるべき基板（６）に袋穴を穿孔する、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
6. 孔（５）を唯一のレーザパルスまたは、加工されるべき基板（６）に連続して配向される複数のレーザパルスによって開ける、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
7. ＬＣＰ基板を加工し、ここで１５０ｎｓより短いパルス長を使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
8. ガラス繊維材料によって機械的に強くされた誘電基板を加工し、ここで少なくとも５０ｋＨｚ、殊に６０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのパルス繰返し周波数を使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。
9. エポキシ材料を加工し、ここで少なくとも８０ｋＨｚ、殊に近似的に１００ｋＨｚのパルス繰返し周波数を使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ加工方法。

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