JP2006255725A - 基板の穴あけ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工基板の穴あけ加工を高精度に行うことができる基板の穴あけ装置を提供する。
【解決手段】 基板の穴あけ装置において、レーザビームを射出するレーザ光源（２４）と、第１ミラー（２１）が取り付けられた第１ステージ（１５）と、第２ミラー（２２）と投影レンズ（２３）とを備え、第１ステージ（１５）上に取り付けられた第２ステージ（１９）と、第１ステージ（１５）を第１の方向に走行する第１駆動手段（１３，１４）と、第２ステージ（１９）を第１の方向に対して直交する第２の方向に走行する第２駆動手段（１７，１８）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント基板等の基板にレーザ光照射による穴あけ加工を行うための基板の穴あけ装置に関する。

従来のプリント基板用のレ−ザビームによる穴あけ装置は、図５に示すような構成となっている。図５において、１０１はレーザ発振器、１０２はレーザビ−ム、１０３は径コントロール用のアパ−チャ、１０４，１０５はガルバノミラー、１０６はテレセントリック方式のｆ−θレンズ、１０７はＸ−Ｙ加工テ−ブル、１０８はプリント基板、１０９は加工位置、１１０は制御装置である。このように、従来のレーザビームを用いたプリント基板等の基板の穴あけ装置は、ガルバノミラーを用いるものが一般的であった。

このような基板の穴あけ装置では、レ−ザ発振器１０１から出射されたレーザビーム１０２は、アパ−チャ１０３、加工プログラムにしたがって角度変換され所定の振り角に位置決めされたガルバノミラー１０４，１０５を通り、ｆ−θレンズ１０６により光軸と平行方向（プリント基板１０８に対して垂直方向）に方向変換され、Ｘ−Ｙ加工テ−ブル１０７上にセットされたプリント基板１０８上の加工位置１０９に縮小投影され穴あけ加工が行われる。上記の工程は高速（数百ポイント／毎秒）で繰り返され、高速のスキャニング加工が行われる。そして、ガルバノミラーとｆ−θレンズの加工域ｆｍｍｘθラジアン（例えば５０ｍｍ×５０ｍｍ）の穴あけが終了すると加工プログラムにしたがって次の加工域にＸＹテ−ブルがステップ移動する。これを順次繰返えして全域に所望の穴あけ加工を行う（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１４５５８１号公報（第３頁、第１図）

近年、半導体チップの高密度実装技術が進展し、多層プリント配線板、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）等の基板において、基板（ビルドアップ基板）にビアホールあるいはスルーホールを高密度に形成することが要求されてきている。このために、基板の穴あけ加工技術の高精度化が強く望まれている。

上述したような従来技術の基板の穴あけ装置を用い、ガルバノミラー１０４，１０５とｆ−θレンズ１０６の組み合わせでレーザ光を走査し、基板１０８上にレーザ光を照射する方法では、ガルバノミラー１０４，１０５で走査できる領域（図５に示す加工位置１０９）は、通常では５０ｍｍ×５０ｍｍ領域の範囲である。ここで、ガルバノミラー１０４，１０５は、ミラーに取り付けられたシャフトが高速回転し、レーザ光を走査し位置決めを行っている。そして、ｆ−θレンズ１０６は、上記ガルバノミラー１０４，１０５の走査範囲をカバーし、ガルバノミラー１０４，１０５で走査され異なる角度で入射するレーザ光を、基板１０８に対してはほぼ垂直に照射させている。

しかし、このようなガルバノミラー１０４，１０５およびｆ−θレンズ１０６を用いるレーザ光走査では、上記範囲内での穴あけの位置決め精度に限界があり、その精度は、５０ｍｍ×５０ｍｍ領域の範囲で±１０μｍ程度である。このために、従来の技術では、上述した高密度実装で要求されてくる±１μｍ程度の位置決め精度に対して、十分に対応できないという問題が生じてくる。

また、ｆ−θレンズ１０６は５０ｍｍ×５０ｍｍ領域の比較的広範囲をカバーしなければならないために、ｆ−θレンズ１０６の寸法が広くなりレンズの開口数を大きくすることができない。更には、ｆ−θレンズ１０６の中心部を通るレーザ光と周辺部を通るレーザ光とで光像に形状誤差が生じる。このために、基板を照射するレーザ光のスポット寸法は、現状で５０μｍφ程度であり、上記高密度実装で要求される３μｍφ程度にレーザ光を絞ることは難しい。

本発明の目的は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、被加工基板の穴あけ加工の高精度に行うことができる基板の穴あけ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の基板の穴あけ装置は、被加工基板にレーザビームで穴あけ加工をする基板の穴あけ装置であって、前記レーザビームを射出するレーザ光源と、第１ミラーが取り付けられた第１ステージと、第２ミラーと投影レンズとを備え前記第１ステージ上に取り付けられた第２ステージと、前記第１ステージを第１の方向に走行する第１駆動手段と、前記第２ステージを前記第１の方向に対して直交する第２の方向に走行する第２駆動手段と、を備え、前記レーザビームは、前記第１ステージの前記第１の方向の走行および前記第２ステージの前記第２の方向の走行により２次元に走査されると共に、前記第１ミラー、第２ミラー、投影レンズを通過して前記被加工基板に結像し、前記被加工基板を穴あけ加工する。

このような構成により、被加工基板上において加工穴の位置決め精度が大幅に向上され、レーザビームは投影レンズの光軸中心に入射するようになる。このため、ガルバノミラーをレーザ光走査手段とする従来技術の場合よりも開口数の大きなレンズすなわち縮小率の高い投影レンズを用いることが可能になり、レーザビームを３μｍφ程度のスポットに絞り込むことができるようになる。また、本発明の構成により、レーザ光走査はＸ−Ｙステージの走行で行えるようになり、その走査範囲は大幅に拡張する。

また、前記第１駆動手段および第２駆動手段は、それぞれ駆動モータとボールネジとを含んで構成され、前記駆動モータは、固定部に取り付けられている。あるいは、前記第１駆動手段および第２駆動手段は、それぞれリニアモータ駆動エアスライドを含んで構成される。

このような構成により、第１及び第２駆動手段による第１ステージおよび第２ステージの振動は皆無になり、レーザビームのＸ、Ｙ走査は非常に安定し、加工穴の位置決め精度は格段に向上する。

本発明により、レーザビームによる被加工基板の穴あけ加工において、加工穴の被加工基板上での位置決め精度が格段に向上すると共にその加工精度が安定する。また、加工穴の寸法を更に微細にすることが可能になり、ＩＣ等に使用される実装基板の高密度化を大幅に促進させることができる。

以下、本発明の各実施形態に係る基板の穴あけ装置について図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１及び図２を参照して、第１実施形態の基板の穴あけ装置について説明する。本実施形態に係る基板の穴あけ装置は、基本構造としてレーザ光走査系１０、被加工基板載置系２６、制御系３２から構成されている。

本実施形態のレーザ光走査系１０は、基台１１上において一対のレール１２に沿って本発明の第１駆動手段である駆動モータ１３と駆動モータ１３により駆動されるボールねじ１４とで、本発明の第１の方向であるＸ方向に走行する第１ステージ１５と、前記第１ステージ１５上において一対のレール１６に沿って本発明の第２駆動手段である駆動モータ１７と駆動モータ１７により駆動されるボールねじ１８とで、Ｘ方向と直交する本発明の第２の方向であるＹ方向に走行する第２ステージ１９とを有する。第１ステージ１５上に固定した台座２０上部には、第１ターニングミラー２１が取り付けられており、第２ステージ１９の側部には、第２ターニングミラー２２と投影レンズ２３とが取り付けられている。そして、レーザ光源２４から射出するレーザビーム２５は、図中の破線で示すように、第１ターニングミラー２１と第２ターニングミラー２２で反射され投影レンズ２３で結像されて被加工基板載置系２６にある被加工基板２７上にスポット状に照射する。

ここで、上記ターニングミラー２１，２２はプリズム型のものが好ましい。また、レーザ光源２４はパルスレーザを発振するＣＯ_２ レーザ、ＹＡＧレーザ等で構成される。

被加工基板載置系２６は、上記被加工基板２７を載置する固定型のテーブル２８、被加工基板２７の縁端部に設けられた位置決めマーク２９を検出する撮像部３０とを備えている。撮像部３０はＣＣＤを含む固体撮像素子から成り、被加工基板載置系２６のテーブル２８上における被加工基板２７の座標位置を認識する機構になっている。なお、テーブル２８にはメカニカルな回転機構を設置し、撮像部３０で上記被加工基板２７上の縁端部に設けた位置決めマーク２９を計測し、レーザ光走査系１０に対する被加工基板２７の位置関係を調整できるようにしてもよい。

図２に示す制御系３２は、上記レーザ光走査系１０、レーザ光源２４及び被加工基板載置系２６を一括制御する機構となっており、基板の穴あけ装置の各部の動作の制御手段および計測データの処理手段、全体を制御するＣＰＵ、メモリ、大容量高速記憶装置、入出力インタフェース等を具備している。この制御系３２の主要部は、ＣＰＵ、メモリ、大容量高速記憶装置等を有する制御部３３、そのデータ入力部としての撮像処理部３４と加工データ処理部３５、その出力部としての第１ステージ制御部３６、第２ステージ制御部３７、被加工基板載置制御部３８およびレーザ光源制御部３９とを有する構成となっている。

制御部３２のＣＰＵは、制御プログラムを実行して上記第１ステージ制御部３６、第２ステージ制御部３７、被加工基板載置制御部３８、レーザ光源制御部３９の動作を制御し、前述したレーザ光走査系１０、レーザ光源２４、被加工基板載置系２６を同期して駆動させる。撮像処理部３４は、上述した撮像部３０からの複数個の位置決めマーク２９の画像処理を行う。例えば、円形の位置決めマーク２９の中心位置座標を算出し、被加工基板２７のテーブル２８上での位置座標を確定する。そして、これらのデータを制御部３３に送信する。また、加工データ処理部３５は、基板上での穴あけ位置（座標）データ（ＣＡＤデータ）を磁気テープ等の記録媒体で有しており、その位置データを制御部３３に転送する。

次に、この基板の穴あけ装置の動作について以下に説明する。図１に示したように固定したレーザ光源２４から、レーザ光源制御部３９により所定のパルス幅およびパルス間隔に制御されたレーザビーム２５が射出される。また、上記第１ステージ制御部３６の制御に基づいて、第１ステージ１５の駆動モータ１３によるＸ方向の走行がなされる。この第１ステージ１５の走行で、この第１ステージ１５に固定した台座２０上部の第１ターニングミラー２１、第１ステージ１５上に載置する第２ステージ１９、第２ステージ１９に固定した第２ターニングミラー２２および投影レンズ２３は、全てＸ方向に走行する。ここで、レーザ光源２４から第１ターニングミラー２１までの上記レーザビーム２５の光軸が一定であるため、第１ターニングミラー２１において反射されたレーザビーム２５は、上記第１ステージ１５の走行によりＸ方向に走査されるレーザビーム２５ａとなる。そして、上記第２ターニングミラー２２で下方向に反射され投影レンズ２３で集光されレーザビーム２５ｂとなり、このレーザビーム２５ｂが被加工基板２７で結像してその表面をパルス状に照射し、加工穴３１を形成していく。例えば、図１に示すように、加工穴３１を形成していく場合、１箇所の加工が終了するごとにレーザビーム照射を停止し、Ｘ方向に所定距離第１ステージ１５を移動し、再度レーザビーム照射による加工という工程を繰返す。

また、第２ステージ制御部３７の制御に基づき、駆動モータ１７により上記第１ステージ１５上の第２ステージ一１９がＹ方向に走行される。この第２ステージ１９の走行で、第２ステージ１９に固定した第２ターニングミラー２２および投影レンズ２３を通して、レーザビーム２５ｂをＹ方向に走査させる。このように、第２ステージ１９をＹ方向に移動することにより、レーザビーム２５ｂが被加工基板２７で結像してその表面をパルス状に照射し加工穴３１を形成するＹ方向位置を変更することができる。

ここで、上記レーザ光源２４からレーザビーム２５ｂに至るまでの上記レーザビーム２５の光軸が、第１ステージ１５あるいは第２ステージ１９にずれ（振動）が生じるために一定せず、光軸ずれがある場合には、制御系３２を通して第１ターニングミラー２１あるいは第２ターニングミラー２２の角度調節が行われる。この角度調節は、図１に示すような矢印方向の軸回転で行われる。この角度調節により、レーザビーム２５ｂがＸ方向あるいはＹ方向の正しい加工位置に照射されるようにする。なお、上記光軸ずれは、上記光学系の途中（２５ａ中、または２５ｂ中）にスプリッタを設け、そこで分岐するレーザビームの光軸を検出してモニターできるようにすればよい。

上述したように、制御系３２の制御部３３にあるＣＰＵは、第１ステージ制御部３６、第２ステージ制御部３７、被加工基板載置制御部３８、レーザ光源制御部３９を用いてレーザ光走査系１０、被加工基板載置系２６およびレーザ光源２４を一括制御する。
被加工基板２７の位置決めは、まず、被加工基板載置制御部３８を用いて被加工基板２７がテーブル２８の所定の位置に載置される。そして、撮像部３０により被加工基板２７上の位置決めマーク２９が検出され、上述したように撮像処理部３４を介して被加工基板２７のテーブル２８上での位置座標が算定され、この位置座標データは制御部３３に送信される。また、上述した加工データ処理部３５から送信された加工穴３１の被加工基板２７での位置座標（ＣＡＤデータ）が制御部３３に送信されている。そこで、これらの２種類の位置座標データより、加工穴３１のテーブル２８上での位置座標が確定される。この確定した加工穴３１の位置座標に合わせて、制御部３３により、第１ステージ制御部３６、第２ステージ制御部３７、被加工基板載置制御部３８およびレーザ光源制御部３９を通して、上述したレーザ光走査系１０によるレーザビーム２５ｂの照射位置への位置決めがなされ、所望の加工穴３１が被加工基板２７表面に形成される。

従って、上記の構成を備えた本実施形態によれば、基板上への穴あけ加工において加工穴の位置決め精度が大幅に向上する。例えば、高密度の実装基板でビルドアップ基板のビアホール形成では、その位置精度は±１μｍが可能になる。また、大きな定尺のプリント基板の場合でも、基板全体での加工穴の位置決め精度は大幅に向上する。

また、上述した構成により、レーザビーム２５ａは投影レンズ２３の光軸中心にいつも入射できるようになる。このために、ガルバノミラーをレーザ光走査手段とする従来技術のようにｆ−θレンズを使用する制約は解消され、開口数の大きなレンズすなわち縮小率の高い投影レンズを用いることが可能になる。そして、このようなレンズを使用することで、レーザビームを３μｍφ程度のスポットに絞り込むことが可能になる。

さらに、レーザ光走査は第１及び第２ステージの走行で２次元に行えるようになり、その走査範囲は大幅に拡張する。従来技術のガルバノミラーで通常の走査は５０ｍｍ×５０ｍｍ領域の範囲であるが、本発明では上記第１及び第２ステージの各ストロークを十分に長く取ることができる。このため、従来技術のように被加工基板２７の方をＸ−Ｙテーブルで走査する必要がなくなる。

次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態で説明した第１ステージ１５、第２ステージ１９の走行のための第１及び第２駆動手段を異にするものである。ここで、第１実施形態と同等なものについては同一符号を付し、説明を省略或いは簡略化する。

図３に示すように、レーザ光走査系１０には、本発明の第１駆動手段として、基台１１に設置した第１駆動モータ４１と、この第１駆動モータ４１でＸ方向に第１ステージ１５を駆動するボールネジ４２とが設けられている。

また、第１ステージ１５上には第１ステージ１５に対し、Ｙ方向に移動可能に設けられたＸＹステージ４５が設けられており、このＸＹステージ４５に第２ステージ１９が取り付けられている。そして、一対のローラ４６が、上記ＸＹステージ４５の一端部に設けられたＸ方向に沿うガイド部の両側面を挟み込みＸ方向に回転走行するように取り付けられている。一方、本発明の第２駆動手段として、レーザ光走査系１０には、基台１１に設置した第２駆動モータ４７、この第２駆動モータ４７でＹ方向にサブステージ４９を駆動するボールネジ４８、サブステージ４９に固定した駆動アーム５０が設けられている。そして、この駆動アーム５０は上記一対のローラ４６の上部に取り付けられ、この駆動アーム５０の直進運動により第２ステージ１９をＹ方向に走行する。

上記の構造にすることで、第１ステージ１５のＸ方向の走行においては、ＸＹステージ４５は、上記ローラ４６間をＸ方向に走行する。このために、第２駆動モータ４７は、図１で示したような第１ステージ１５上に取り付ける必要がなくなり、固定部である基台１１或いは基台１１の外側の支持体に取り付けることが可能になる。

上述したようにしてＸ方向に走行する第１ステージ１５、Ｙ方向に走行する第２ステージ１９、これら１対のステージに取り付けられた光学系（ターニングミラー、投影レンズ）とを用いることで、レーザ光源２４から射出するレーザビーム２５は２次元にＸ−Ｙ走査ができる。そして、レーザビーム２５が被加工基板２７で結像して、その所定の位置に加工穴３１を形成していく。

第２実施形態では、図１で説明した実施形態の場合と同様の効果を奏する。また、第１ステージ１５を駆動する第１駆動モータ４１および第２ステージ１９を駆動する第２駆動モータ４７は、固定部である基台１１上に取り付けられているので、第１ステージ１５および第２ステージ１９は上記駆動モータの微小振動から完全に遮断される。このようにして、第１ステージ１５および第２ステージ１９に駆動モータからの振動が影響しなくなるためレーザ光の走査精度が更に向上し、それに伴い加工穴の位置決め精度が更に向上する。また、第２駆動モータ４７等が第１ステージ１５上に設けられているため、第１駆動モータ４１に対する負荷が軽減でき、高速駆動に有利である。

次に、本発明の第３実施形態について図４を参照して説明する。第３実施形態も、第１実施形態で説明した第１ステージ１５、第２ステージ１９の走行のための第１及び第２駆動手段を異にするものであり、第２実施形態よりも更にレーザ光の走査精度を高めるものである。ここで、第１実施形態と同等なものについては同一符号を付し、説明を省略或いは簡略化する。

図４に示すように、レーザ光走査系１０では、基台１１上に第１リニアモータ５１が取り付けられている。この第１リニアモータ５１で駆動する第１ステージ１５は、第１ステージ１５内に設けられた気体軸受５２からなるエアスライドによって支持されながら、Ｘ方向に走行する。同様に、第１ステージ１５上には第２リニアモータ５３が取り付けられている。そして、この第２リニアモータ５３で駆動する第２ステージ１９は、第２ステージ１９内に設けられた気体軸受５４からなるエアスライドによって支持されながら、Ｙ方向に走行する。

上述したようにして、リニアモータ駆動エアスライドでＸ方向に走行する第１ステージ１５、同様なリニアモータ駆動エアスライドでＹ方向に走行する第２ステージ１９、これら１対のステージに取り付けられた光学系とを用いて、レーザ光源２４から射出するレーザビーム２５の２次元のＸ−Ｙ走査が非常にスムースにできる。そして、レーザビーム２５ｂが被加工基板２７で結像して、その所定の位置に加工穴３１を形成する。

第３実施形態では、第１実施形態の場合と全く同様の効果を奏する。また、本実施形態では、上述したように、第１ステージ１５および第２ステージ１９はリニアモータ駆動エアスライドによって走行する。このために、これらステージの微細な位置決めが簡単にできるようになり、レーザ光走査が更に高精度にできるようになる。このようにして、被加工基板２７上での加工穴３１の位置決め精度が格段に向上する。

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は適宜に変更されうるものである。
例えば、上記第２の実施形態と同様、サブステージ及び駆動アームを用いたＹ軸駆動を行うようにした構成の場合について、Ｘ軸，Ｙ軸駆動用としてリニアモータを用いてもよい。

本発明の第1実施形態における基板の穴あけ装置の概略斜視図である。 本発明における基板の穴あけ装置の制御系の基本構成図である。 本発明の第２実施形態における基板の穴あけ装置の概略斜視図である。 本発明の第３実施形態における基板の穴あけ装置の概略斜視図である。 従来技術の基板の穴あけ装置の概略構成図である。

符号の説明

１０ レーザ光走査系
１１ 基台
１２，１６ レール
１３，１７ 駆動モータ
１４，１８ アーム
１５ 第１ステージ
１９ 第２ステージ
２０ 台座
２１ 第１ターニングミラー
２２ 第２ターニングミラー
２３ 投影レンズ
２４ レーザ光源
２５，２５ａ，２５ｂ レーザビーム
２６ 被加工基板載置系
２７ 被加工基板
２８ テーブル
２９ 位置決めマーク
３０ 撮像部
３１ 加工穴
３２ 制御系
３３ 制御部
３４ 撮像処理部
３５ 加工データ処理部
３６ 第１ステージ制御部
３７ 第２ステージ制御部
３８ 被加工基板載置制御部
３９ レーザ光源制御部
４１ 第１駆動モータ
４２，４８ ボールネジ
４９ サブステージ
４４ 第１駆動アーム
４５ ＸＹステージ
４６ ローラ
４７ 第２駆動モータ
５０ 駆動アーム
５１ 第１リニアモータ
５２，５４ 気体軸受
５３ 第２リニアモータ

Claims (3)

1. 被加工基板にレーザビームで穴あけ加工をする基板の穴あけ装置であって、
   前記レーザビームを射出するレーザ光源と、
   第１ミラーが取り付けられた第１ステージと、
   第２ミラーと投影レンズとを備え、前記第１ステージ上に取り付けられた第２ステージと、
   前記第１ステージを第１の方向に走行する第１駆動手段と、
   前記第２ステージを前記第１の方向に対して直交する第２の方向に走行する第２駆動手段と、を備え、
   前記レーザビームは、前記第１ステージの前記第１の方向の走行および前記第２ステージの前記第２の方向の走行により２次元に走査されると共に、前記第１ミラー、第２ミラー、投影レンズを通過して前記被加工基板に結像し、前記被加工基板を穴あけ加工することを特徴とする基板の穴あけ装置。
2. 前記第１駆動手段および第２駆動手段は、それぞれ駆動モータとボールネジとを含んで構成され、前記駆動モータは、固定部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板の穴あけ装置。
3. 前記第１駆動手段および第２駆動手段は、それぞれリニアモータ駆動エアスライドを含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板の穴あけ装置。

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