JP2006035303A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工装置の大型化及び複雑化を招かない簡単な構成で、セラミックグリーンシート等の被加工物に対して貫通孔を形成する際、その貫通孔の延在方向に沿った貫通孔内壁にテーパの生じないレーザ加工方法及びその装置を提供する。
【解決手段】レーザ源から被加工物に至るまでの前記レーザビームの光路上に、レーザビームのビーム強度分布を変換するためのビーム強度分布調整素子を備え、
前記ビーム強度分布調整素子により、前記レーザビームのビーム強度分布が、被加工物上においてレーザビームの外周側が大きく、かつ中心側が小さくなり、レーザビームの外周側から中心側に向かってビーム強度が漸減するレーザ加工方法及びレーザ加工装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザを用いた加工方法及びレーザ加工装置に関し、特に電子部品の穴開け加工を行うためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来より、グリーンシート等の電子部品の穿孔は、レーザ光を利用したレーザ加工により行われている。当該レーザ加工は、レーザのコヒレント性を生かすとともに、レーザビームの断面におけるビーム強度分布を所定の形状に変換し、穴をグリーンシートに開けるものである。例えば、被加工物の位置でのビームの強度分布をガウス分布であるガウシアン形状にしたものや、ビームの所定半径内において所定の強度となるようなトップハット状にしたものが知られている。レーザ加工装置の従来例について以下に図面を参照しつつ説明する。

図５は従来のレーザ加工装置１００１の概略図である。図５のレーザ加工装置１００１において、レーザ発振器１００３から放射されるレーザビーム１００５は、その断面におけるビーム強度分布１００９が所定形状に整形された後、被加工物に照射され被加工物の加工が行われる。

まず、レーザ発振器１００３から放射されるレーザビーム１００５は、断面がガウシアン状１００７のビーム強度分布を持つ。放射されたレーザビーム１００５は、ビーム強度分布変換光学素子１０１１を通過し、レーザビームのビーム強度分布が、凹状１００９に変換される。変換されたレーザビームは、グリーンシート１０１３上の所定位置に到達し、グリーンシート１０１３の穴加工が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１２９６７９号公報（段落番号〔００２５〕〜〔００３８〕、図１〜図３）

ガウシアン状及びトップハット状に強度分布を変換したレーザを用いるレーザ加工装置や、上述した図５のレーザ加工装置１００１では、被加工物に形成された貫通孔の、その厚み方向に延在する貫通孔内壁に生じるテーパが比較的大きくなる。ここで、テーパとは、グリーンシートに形成された貫通孔のレーザ光源に近い側の面の開口径を上面径Ｄ１とし、遠い側の面の開口径を下面径Ｄ２とした場合に、テーパｔは（Ｄ１−Ｄ２）／２で表す。よって、このテーパｔの値が大きいとテーパが大きいことを意味する。

ところで、最近は電子部品の小型化及び大容量化が要求され、その要求に応えるため穴を高密度に設ける必要がある。穴を高密度に設けるための一の条件は、貫通孔内壁のテーパをなるべく小さくすることである。しかしながら、ビーム強度分布を従来のガウシアン状、トップハット状としたレーザビームでは、テーパを小さくすることには限界がある。特に、厚さ２０μｍ程度の部材に貫通孔を形成する際、貫通孔の配列密度の観点から貫通孔のテーパを１０μｍ以下にする場合には、従来のレーザビーム装置及びレーザ加工方法では困難である。

そこで本発明は、レーザ加工装置の大型化及び複雑化を招かない簡単な構成で、セラミックグリーンシート等の被加工物に対して貫通孔を形成する際、その貫通孔の延在方向に沿った貫通孔内壁にテーパの生じないレーザ加工方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のレーザビーム加工装置の第１の態様は、被加工物にレーザビームを照射して穴開け加工するためのレーザ加工装置であって、レーザ源から被加工物に至るまでのレーザビームの光路上に、レーザビームのビーム強度分布を変換するためのビーム強度分布調整素子を備え、このビーム強度分布調整素子により、このレーザビームのビーム強度分布が、被加工物上においてレーザビームの外周側が大きく、かつ中心側が小さくなり、レーザビームの外周側から中心側に向かってビーム強度が漸減するようにして、被加工物に穴を開けることを特徴とするレーザ加工装置である。

また、レーザ加工方法の第１の態様は、被加工物にレーザビームを用いて穴開け加工するためのレーザ加工方法であって、レーザビームのビーム強度に関し、レーザビームの外周側が大きく、かつ中心側が小さくなり、かつ、レーザビームの外周側から中心側に向かってビーム強度が漸減するビーム強度分布に変換する工程と、このビーム強度が漸減するビーム強度分布に変換されたレーザビームを被加工物に照射する工程と、を備える。

ここで、溶融状態の被加工物はレーザエネルギーを効果的に吸収し、その加工速度が速まることが知られている。これは、レーザビームに対する溶融した部位の反射率が減少し、レーザエネルギーを吸収する割合が増加するためである。

上記レーザビーム加工装置及びレーザ加工方法の第１の態様のレーザビームは、レーザビームの外周側から中心側に向かいビーム強度が徐々に小さくなるビーム強度分布を有する。穿孔加工を開始すると、レーザビームの外周側が照射された被加工物の部位の加工が進むとともに、レーザビームの外周側に囲まれた被加工物の部位に熱が蓄積し溶融が進む。よって、レーザビームの外周側の照射部位の加工が確実になされる。同時に、レーザビームの外周側の照射部位に囲まれた内側の部位は、蓄熱が進むに従い溶融していく。そして最終的に貫通孔が作成される。他方、レーザビームの外周側の照射部位の外側の部位に蓄積される熱量は相対的に小さく、溶融が起こらないため加工が進むことがない。このように、レーザビームの外周側が囲む部位の内側と外側で蓄熱状況の顕著な違いを設けることによりテーパの少ない貫通孔を設けることが可能となる。

仮に、外周側のみを所定のビーム強度とし、レーザビームの中心側にビーム強度を有さないレーザビームを用いて穴開け加工を行うと、レーザビームの外周側の照射部位及びその近傍には熱が蓄積されるが、レーザビームの中心側の照射領域には加工に必要な熱量が蓄積されないか、蓄積されるまで長時間かかる。従って、レーザビームの中心側に対応する部位での加工が容易に進行せず、加工速度が遅くなる。また、加工領域全域に対して付与される熱量も相対的に小さくなる。そのため、レーザビームの外周側の照射部位の熱が逃げてしまい、所期の熱量が加工部位に伝達されず、加工速度が遅くなるのみならず、結果的にテーパの大きい貫通孔が作成されることとなる。さらに、レーザビームの外周側の照射部位に囲まれた部位に未加工領域が生じる虞がある。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法の第２の態様では、上記レーザビームの中心側のビーム強度は、外周側のビーム強度の５０〜８０％である。

上記レーザ加工装置及びレーザ加工方法の第２の態様によれば、レーザビームの中心側のビーム強度を、レーザビームの外周側のビーム強度の５０〜８０％程度にすることが好ましい。レーザビームの中心側のビーム強度を外周側のビーム強度の５０％未満とすると（例えば凹状レーザビーム）、被加工物の中央部が溶融せず、穿孔加工の時間が長くなってしまう。結果としてテーパが大きな貫通孔となる。また、中心側のビーム強度を外周側のビーム強度の８０％より大きくすると、加工領域に対して必要な蓄熱量を超えてしまい、中心側から受ける熱が、レーザビームの外周側の照射部位の外側にも蓄積され加工が始まってしまう。よって、貫通孔のテーパが大きくなってしまう。

さらに、上記第２の態様の付随的な作用として、以下のものがある。中心側のビーム強度を外周側のビーム強度の５０％未満とすると（例えば凹状レーザビーム）、ＰＥＴフィルムにレーザエネルギーの影響を与えることを防止できるものの、穿孔工程に時間がかかってしまう。また、中心側のビーム強度を外周側のビーム強度の８０％より大きくすると（例えば、トップハット状レーザビーム）、レーザビームの中心側から受ける熱によりＰＥＴフィルムに損傷を与えてしまう。

本発明のレーザ加工装置の第３の態様では、上記ビーム強度分布調整素子は、ホモジナイザを含む。

本発明のレーザ加工装置の第４の態様では、上記ビーム強度分布調整素子は、２つの非球面レンズから構成される。

なお、本明細書において、ビーム強度分布とは、レーザビームの光軸に鉛直な平面においてビームの直径方向に関するビーム強度を示す。

また、上記レーザビーム加工装置及びレーザビーム加工方法において、レーザビームのビーム強度分布を整形するために利用される光学素子は、入射したレーザビームを、所定の形状及び寸法のビームに整形できる機能を有するものであればよく、特定の形状や寸法の光学素子に限定されるものではない。

本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、大型化及び複雑化を招かない簡単な構成で、貫通孔の内壁面にテーパが生じることを極力抑えることができ、加工穴のエッジを直角に近づけることが可能となる。

また、基台であるＰＥＴフィルムの加工を最低限度に抑えられる。よって、加工効率を高めるとともに、ＰＥＴフィルムが貫通孔内に残ったり、破損して後工程の剥離を妨げることを防止できる。

以下、本発明によるレーザ加工方法及びレーザ加工装置の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態によるレーザ加工装置１０１の基本構成図を示す。レーザ加工装置１０１は、レーザ発振器１０３及びガイドレーザ発振器１０５を有するビーム発生部１０７、レーザビームを被加工物であるグリーンシート１０９に導く光学系２０１、及びガルバノボックス２５５、を備える。

ビーム発生部１０７は、レーザ発振器１０３から被加工物１０９を加工するための加工用レーザビームを発射する。レーザ発振器１０３としては、従来から知られるエキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ等を用い、レーザビームの波長は適宜選択する。レーザ発振器１０３から照射されたレーザビームは全反射ミラー２０３により所定の方向に反射しコンバイナ２１３に入射する。

ガイドレーザ発振器１０３は、加工機能を有さない可視波長領域の波長のガイドレーザビームを放射する。ガイドレーザビームは、レーザビームと加工対象物との位置合わせや加工サイズを調整するために使用される。

次に光学系２０１について説明する。光学系２０１は、複数の全反射ミラー２０３、２０５、２０７、２０９、２１１、コンバイナ２１３、ビーム強度分布調整部３０１、マスク２１５、コリメータレンズ２１７、移動可能なガルバノボックス２１５に配置されたｘガルバノスキャンミラー２５７、ｙガルバノスキャンミラー２５９、集光レンズ（ｆθレンズ）２６１とを備える。

ガルバノボックス２５５内には、ｘガルバノスキャナ２５１、ｙガルバノスキャナ２５３が配置されている。ｘガルバノスキャナ２５１、ｙガルバノスキャナ２５３それぞれは、ｘガルバノスキャンミラー２５７、ｙガルバノスキャンミラー２５９の光路に対する角度を調節し、加工座標（不図示）上の所定位置にレーザビームを導く。

次に、図２を用いて、ビーム強度分布調整部３０１すなわち、ビーム強度分布調整素子を説明する。ホモジナイザ３０３とレデューサ３０５から構成されるビーム強度分布調整部３０１は、レーザ発振器１０３からマスク２１５までの光路上に配置される。

ホモジナイザ３０３は、可変形ミラー等の光学素子３０３ａ、３０３ｂから構成され、レーザ発振器１０３から放射されたレーザビームのプロファイル（強度分布）をガウシアン状３２１からすり鉢状３２３に強度分布を整形する。すなわち、ビーム強度分布がレーザビームの外周側から中心側（光軸側）に向かって漸減するようなプロファイル３２３となる。

さらに、すり鉢状３２３に強度分布の調整がなされたレーザビームはレデューサ３０５に入射する。レデューサ３０５は、凸レンズ３０５ａ、３０５ｂ等の光学素子から構成され、レーザビームの径を絞る機能を果たす。このレデューサ３０５を用いることによりマスク２１５の開口部２１６とほぼ同一の形状及び寸法にビーム径を絞ることができ、マスク開口部２１６を通過する際にマスクの遮蔽部によるけられを防止し、レーザビームのエネルギー損失を削減することが可能となる。

図１に関連して説明したように、光路上には、さらにレーザビームを平行光に整形するコリメータレンズ２１７、レーザビームを所定方向に方向付けるためのｘガルバノスキャンミラー２５７及びｙガルバノスキャンミラー２５９、レーザビームを集光するためのｆθレンズ２６１が配置されている。なお、グリーンシート１０９に到達したレーザビームのビーム強度分布は、すり鉢状３２５である。

上記構成のレーザ加工装置１０１によるレーザビームの照射について図１及び図２を用いて説明する。

レーザ発振器１０３から照射された加工用レーザビームは反射ミラー２０３を介してコンバイナ２１３に入射する。他方、ガイドレーザ発振器１０５から照射された可視光領域のガイドレーザビームも、同じくコンバイナ２１３に入射する。さらに、加工用レーザビームとガイドレーザビームの光軸を、コンバイナ２１３により互いに整合させ、互いに同方向に進むように設定する。

次に、コンバイナ２１３で光軸が整合した加工用レーザビームとガイドレーザビームは、反射ミラー２０５を介してビーム強度分布調整部３０１に侵入する。ビーム強度分布調整部３０１を通過しすり鉢状にビーム強度分布の調整がなされたレーザビームは、マスク２１５に設けられた所定形状の開口部２１６を通過する。マスク２１５を通過したレーザビーム２０４は、加工形状と同一の形状に整形される。

整形されたレーザビーム２０４は、反射ミラー２０７、２０９、２１１を反射し、コリメータレンズ２１７に入射する。コリメータレンズ２１７を通過したレーザビームは平行光束とされる。

平行光束となったレーザビーム２０４はｘガルバノスキャンミラー２５１及びｙガルバノスキャンミラー２５３により、所定位置に向けられる。

ｘガルバノスキャナ２５７、ｙガルバノスキャナ２５９を経たレーザビーム２０４は集光レンズであるｆθレンズ２６１に入射する。レーザビームはｆθレンズ２６１により集光され、セラミックグリーンシート１０９に照射される。その結果、レーザビームによりセラミックグリーンシート１０９に貫通孔１１１が形成される。

上記光学系２０１では、転写倍率はｆ／ｆ１であるので、グリーンシート１０９上に到達したレーザビームの直径φｄは、以下の関係を有する（図２参照。）。
φｄ＝（ｆ／ｆ１）×φｂ ・・・（Ｉ）となる。

ここで、マスク２１５からコリメータレンズ２１７までの距離をｆ１（コリメータレンズの焦点距離）とし、ｆθレンズ２６１からグリーンシート１０９までの距離をｆ（ｆθレンズの焦点距離）とし、マスク２１５の穴径をφｂとし、加工穴の径をφｄとする。

上記したレーザ発振器を用いて実際に穿孔加工を行った例を示す。図３は比較例１、２及び本発明の実施例による加工結果を示し、穿孔された被加工物の断面が示されている。

被加工物は、ＰＥＴフィルム（厚さ約５０μｍ）の表面にフェライト層が形成された部材である。フェライト層の厚さは約１５μｍである。また、照射位置におけるレーザビームの直径は、φ６０μｍとした。また、波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザビームを用いた。さらに、（Ｉ）式にｆ＝１００ｍｍ、ｆ１＝１０００ｍｍ、φｂ＝０．６ｍｍを代入すると、φｄ＝０．０６となり、ビームのスポット径は６０μｍである。

比較例１では、ビーム強度分布がガウシアン状のレーザビームを用いて穴開けを行った。比較例２では、ビーム強度分布がトップハット状のレーザビームを用いて穴開けを行った。本実施例では、ビーム強度分布がすり鉢状のレーザビームを用いて穴開けを行った。

表中のプロファイルは、レーザビームの強度分布の形状を意味する。また、被加工物のフェライト層に形成される穴の上側面（レーザビーム源に近い面）の直径すなわち上穴径をＤ１とし、下側面（レーザビーム源から遠い面）の直径すなわち下穴径をＤ２とする。さらに、テーパｔは、上穴径Ｄ１から下穴径Ｄ２との差を２で割った値で表す。

図３の表に示されるように、プロファイルがガウシアン状のレーザビーム（比較例１）を用いた場合には、テーパが１５μｍである。プロファイルがトップハット状（比較例２）のレーザビームを用いた場合は、テーパが１０μｍである。そして、すり鉢状（本発明の実施例）のレーザビームを用いた場合は、テーパが５μｍである。

上記結果から明らかなように、本実施例のすり鉢状プロファイルを有するレーザビームによる貫通孔内壁のテーパが最も小さく、加工穴の周縁部を直角に近づけることができた。

さらに、図４（ａ）、（ｂ）を用いて好ましいビーム強度分布を有するレーザについて説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれトップハット状のレーザビームとすり鉢状のレーザビームを用いてレーザ加工された被加工物の断面図である。

図４（ａ）は、ＰＥＴフィルム１０１９上に積層されたグリーンシート１０１５を示す。矢印１０１７方向からレーザビームを照射することにより貫通孔１０２３が形成されている。

図４（ｂ）は、ＰＥＴフィルム１１５上に積層されたグリーンシート１１３を示す。矢印２０４方向からレーザビームを照射することにより貫通孔１１１が作成されている。

貫通孔を比較すると、貫通孔１０２３が形成されたＰＥＴフィルム１０１９の厚さ１０２１（図４（ａ）参照。）が、図４（ｂ）の貫通孔１１１が形成されたＰＥＴフィルム１１５の厚さ１１７より薄くなっていることが判る。つまり、トップハット状のビーム強度分布を有するレーザビーム用いると、貫通孔１０２３を形成する際にＰＥＴフィルムが一部削られている。

しかし、本実施例によれば、レーザビームによりＰＥＴフィルムを削ってしまうことを防止できるので、剥離工程において不具合は生じない。

また、図４（ａ）及び（ｂ）のＰＥＴフィルムは、後工程においてグリーンシートから剥離されるものである。したがって、ＰＥＴフィルムが薄くなったがためにグリーンシートからＰＥＴフィルムを剥離する際にＰＥＴフィルムが裂けてしまい、完全に取り除くことができないという不具合が生じる可能性がある。よって、レーザビームの外周側のビーム強度を最も高くし、レーザビームの中心側に向かって漸減し、レーザビームの中心側（光軸側）においてビーム強度が最も低くなるビーム分布を有するレーザビームが好ましい。

以上説明した実施形態及び実施例では、レーザビームをすり鉢状にビーム強度分布を調整するためにホモジナイザを用いたが、ホモジナイザに限定することなく、レーザビームのプロファイルをすり鉢状にビーム強度分布を調整できる光学素子であれば適宜変更できることは言うまでもない。

なお、上記実施例では、ビーム強度分布を下に凸となる曲線としたが、曲線に限定されることなく、外周側から中心側に向かい直線状若しくは段階的に漸減するビーム強度分布としても本発明の作用効果を奏することは言うまでもない。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

本発明の実施形態によるレーザ加工装置の基本構成図である。 図１の光学系の構成図である。 本実施例及び比較例による被加工物の加工結果を示す表である。 （ａ）トップハット状のレーザビームを用いた加工結果の断面図、（ｂ）すり鉢状のレーザビームを用いた加工結果の断面図である。 従来のレーザ加工装置の基本構成図である。

符号の説明

１０１ レーザ加工装置
１０３ レーザ発振器
１０５ ガイドレーザ発振器
１０９ 被加工物
２１７ コリメータレンズ
２５１ ｘガルバノスキャナ
２５５ ガルバノボックス
２５９ ｙガルバノスキャナ
２６１ ｆθレンズ
３０１ ビーム強度分布調整部
３０３ ホモジナイザ
３０５ レデューサ

Claims (6)

1. 被加工物にレーザビームを照射して穴開け加工するためのレーザ加工装置であって、
   レーザ源から被加工物に至るまでの前記レーザビームの光路上に、レーザビームのビーム強度分布を変換するためのビーム強度分布調整素子を備え、
   前記ビーム強度分布調整素子により、前記レーザビームのビーム強度分布が、被加工物上においてレーザビームの外周側が大きく、かつ中心側が小さくなり、レーザビームの外周側から中心側に向かってビーム強度が漸減するようにして、被加工物に穴を開けることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザビームの中心側のビーム強度は、外周側のビーム強度の５０〜８０％であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ビーム強度分布調整素子は、ホモジナイザを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ビーム強度分布調整素子は、２つの非球面レンズから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 被加工物にレーザビームを用いて穴開け加工するためのレーザ加工方法であって、
   レーザビームのビーム強度に関し、レーザビームの外周側が大きく、かつ中心側が小さくなり、かつ、レーザビームの外周側から中心側に向かってビーム強度が漸減するビーム強度分布に変換する工程と、
   前記ビーム強度が漸減するビーム強度分布に変換されたレーザビームを被加工物に照射する工程と、を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
6. 前記レーザビームの中心側のビーム強度は、外周側のビーム強度の５０〜８０％であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
   

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