JP2008055466A - Through-hole machining method, through-hole machining system, and mask - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルスレーザーによってスルーホールを加工するスルーホール加工方法、スルーホール加工システム、ならびにそこで用いられるマスクに関するものである。 The present invention relates to a through hole processing method for processing a through hole with a pulse laser, a through hole processing system, and a mask used therein.
従来より、高密度多層配線基板などの配線基板には、ドリル等を用いて機械加工によりスルーホールが加工されてきた。しかし、配線基板の高密度化が進み、スルーホール径が微小化し、またスルーホールピッチ間隔も小さくなったため、機械加工では対応が容易ではなくなった。これらの問題の解決と、さらに能率向上を目指して、レーザービームを用いたレーザー加工が用いられる趨勢にある。しかし、パルスレーザーによるスルーホールは、スルーホールにテーパー形状が生じ、めっき不具合などの問題を生じる。このような問題を解消するため、パルスレーザーによる高精度のスルーホール形成技術の開発が望まれている。 Conventionally, through-holes have been machined in a wiring board such as a high-density multilayer wiring board using a drill or the like. However, as the density of wiring boards has increased, through-hole diameters have become smaller, and through-hole pitch intervals have become smaller, it has become difficult to cope with machining. In order to solve these problems and further improve efficiency, laser processing using a laser beam is being used. However, a through hole by a pulse laser has a tapered shape in the through hole, which causes problems such as plating defects. In order to solve such problems, it is desired to develop a high-precision through-hole forming technique using a pulse laser.
上記の要求に応えるべく、精度を高めたレーザー加工方法の提案がなされてきた。たとえば、レーザーによるスルーホール加工に際し、可動式ミラーであるガルバノミラーにより、レーザーショットごとに被加工物に対するレーザー入射角度を変化させる方法が提案されている(特許文献1)。この方法によれば、穴の上部(レーザー入り側)と底部(レーザー出側)の径が揃ったスルーホールを得ることができる。また、光強度分布調整部材や反射鏡を用いて、レーザー強度プロファイルを制御して、レーザー強度プロファイルの中心部と周辺部との差を小さくすることによりスルーホールを設ける方法の提案がなされている(特許文献2)。この方法によれば、開口率(レーザー抜け側径/レーザー入り側径:レーザー加工では1以下となる)が大きなスルーホールを形成することができる。
しかしながら、上記特許文献1に開示の方法は、ガルバノミラー等、複数のミラーを用いるので高価になるという欠点を持ち、また、高精度なレーザー入射角の制御を必要とするという問題点がある。また、特許文献2に開示の方法では、ビーム径が100μm程度以下の小さいものに対しては、光強度分布調整部材の作製が難しく、かつ作製できたとしても非常に工数を要する。さらに中心部の強度を低下させるので、スルーホールを加工するのに時間が延長してしまう。
However, the method disclosed in Patent Document 1 has a disadvantage that it is expensive because it uses a plurality of mirrors such as a galvanometer mirror, and has a problem that it requires a highly accurate control of the laser incident angle. Further, in the method disclosed in
本発明は、簡単な光学部材を用いて簡単にレーザーによりテーパーレスのスルーホールを加工することができるスルーホール加工方法、スルーホール加工システム、およびそこで用いられるマスクを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a through-hole processing method, a through-hole processing system, and a mask used therefor, in which a taperless through-hole can be easily processed by a laser using a simple optical member.
本発明のスルーホール加工方法は、パルスレーザービームにより被加工物にスルーホールを加工する方法である。この加工方法では、パルスレーザービームが被加工物に照射される際、レーザーフルーエンスのプロファイルがガウス分布に合うものとして、そのガウス分布における最大フルーエンスの1/(e1/2)のレーザーフルエンスが被加工物のアブレーション閾値未満となるようにして、パルスレーザービームを被加工物に照射してスルーホールを加工することを特徴とする。 The through hole processing method of the present invention is a method of processing a through hole in a workpiece by a pulse laser beam. In this processing method, when a pulsed laser beam is applied to a workpiece, the laser fluence profile is assumed to match a Gaussian distribution, and a laser fluence of 1 / (e 1/2 ) of the maximum fluence in the Gaussian distribution is applied. The through hole is processed by irradiating the workpiece with a pulsed laser beam so as to be less than the ablation threshold of the workpiece.
この構成により、レーザーフルーエンスの勾配の緩い裾の部分は、被加工物の穴あけには寄与しなくなり、緩い傾斜がついた壁の形成は抑制され、上記のビーム径より内側範囲の勾配の大きい部分によって穴が掘られるので、テーパーレスの壁が形成されやすくなる。上記のレーザービームのフルーエンスについての要件は、レーザーエネルギーを下げることによっても、また別の方法によって実現してもよい。なお、本説明においてテーパーレスは、テーパーが障害にならないほど小さければよく、厳密にテーパーがないという意味ではない。以後の説明でも同様である。 With this configuration, the loose hem part of the laser fluence gradient does not contribute to the drilling of the workpiece, and the formation of a wall with a gentle inclination is suppressed. Since a hole is dug by the taperless wall, it becomes easy to form a taperless wall. The above laser beam fluence requirements may be realized by lowering the laser energy or by other methods. In the present description, the taperless need only be so small that the taper does not become an obstacle, and does not mean that there is no taper. The same applies to the following description.
また、パルスレーザービームを被加工物に、マスクを通して照射し、該マスクの非開口部を通るレーザのフルーエンスを最大フルーエンスの1/(e1/2)以下とすることができる。 Further, the workpiece can be irradiated with a pulsed laser beam through a mask, and the fluence of the laser passing through the non-opening portion of the mask can be reduced to 1 / (e 1/2 ) or less of the maximum fluence.
この構成により、マスクの開口形状を、望ましいスルーホール断面形状に合わせることにより、非開口部を通るレーザフルーエンスを被加工物のアブレーション閾値未満として、テーパーレスの貫通穴を被加工物に加工することができる。とくにマスクは、パルスレーザービームの周縁部をカットする開口形状を持つようにされる。 By this configuration, the taperless through hole is processed into the work piece by matching the opening shape of the mask with the desired through-hole cross-sectional shape so that the laser fluence passing through the non-opening portion is less than the ablation threshold of the work piece. Can do. In particular, the mask has an opening shape that cuts the peripheral edge of the pulse laser beam.
上記のマスクを形成する材料のアブレーション閾値は、当然、被加工物の材料のアブレーション閾値より大きくすることができる。これにより、マスクの材料を選択することにより、マスクの取り替え頻度を低下させて能率よくスルーホールを加工することができる。 Of course, the ablation threshold of the material forming the mask can be larger than the ablation threshold of the material of the workpiece. Thereby, by selecting the mask material, the through hole can be efficiently processed by reducing the replacement frequency of the mask.
また、上記のマスクを形成する材料のアブレーション閾値が、被加工物の材料のアブレーション閾値の10倍以上であってもよい。これにより、よりマスクの取り替え頻度を低下させて、より能率よくスルーホールを加工することができる。 Further, the ablation threshold of the material forming the mask may be 10 times or more the ablation threshold of the material of the workpiece. Thereby, the replacement frequency of the mask can be further reduced, and the through hole can be processed more efficiently.
本発明のスルーホール加工システムは、パルスレーザービームにより被加工物にスルーホールを加工するシステムである。この加工システムは、パルスレーザーを発振するレーザー発振機と、被加工物を固定する被加工物固定部と、被加工物固定部とレーザー発振機との間に配置され、スルーホールに対応する開口をもつマスクとを備えることを特徴とする。この構成により、マスクの開口形状を、望ましいスルーホール断面形状に合わせることにより、テーパーレスの貫通穴を被加工物に加工することができる。とくにマスクは、パルスレーザービームの周縁部をカットする開口形状を持つようにされる。 The through-hole processing system of the present invention is a system for processing a through-hole in a workpiece by a pulse laser beam. This machining system includes a laser oscillator that oscillates a pulse laser, a workpiece fixing portion that fixes a workpiece, and an opening corresponding to a through hole that is disposed between the workpiece fixing portion and the laser oscillator. And a mask having. With this configuration, the taperless through-hole can be processed into a workpiece by matching the opening shape of the mask with the desired through-hole cross-sectional shape. In particular, the mask has an opening shape that cuts the peripheral edge of the pulse laser beam.
本発明のマスクは、パルスレーザービームにより被加工物にスルーホールを加工する際に用いられるマスクであって、スルーホールの形状に合った開口が設けられたことを特徴とする。 The mask of the present invention is a mask used when processing a through hole in a workpiece with a pulse laser beam, and is characterized in that an opening corresponding to the shape of the through hole is provided.
上記構成により、所望のスルーホール断面形状に合わせて開口を設け、その開口によりレーザービームのプロファイル周縁部をカットして、裾が急峻にカットされた所定値以上の急峻度の外周端プロファイルを得ることができる。すなわち端から急峻に立ち上がる外周端プロファイルのレーザービームを得て、それを被加工物に照射することにより、テーパーレスのスルーホールを得ることができる。 With the above configuration, an opening is provided in accordance with a desired through-hole cross-sectional shape, and the peripheral edge of the laser beam profile is cut by the opening to obtain a peripheral edge profile with a steepness of a predetermined value or more with a sharply cut skirt. be able to. That is, a taperless through hole can be obtained by obtaining a laser beam having an outer peripheral edge profile that rises sharply from the end and irradiating the laser beam with the laser beam.
上記のマスクを形成する材料のアブレーション閾値を、被加工物の材料のアブレーション閾値より大きくすることができる。これにより、マスクの耐久性を高め、マスク取り替え頻度を抑制し、マスクに要するコストおよびスルーホール加工能率を向上させることができる。 The ablation threshold of the material forming the mask can be made larger than the ablation threshold of the workpiece material. Thereby, the durability of the mask can be increased, the frequency of mask replacement can be suppressed, and the cost required for the mask and the through hole processing efficiency can be improved.
また、上記のマスクを形成する材料のアブレーション閾値を、被加工物の材料のアブレーション閾値の10倍以上としてもよい。これにより、さらにマスクの耐久性を向上させることができる。 In addition, the ablation threshold of the material forming the mask may be 10 times or more the ablation threshold of the material of the workpiece. Thereby, the durability of the mask can be further improved.
本発明のスルーホール加工方法、スルーホール加工システムおよびマスクを用いることにより、簡単な光学部材を用いて簡単にレーザーによりテーパーレスのスルーホールを加工することができる。 By using the through-hole processing method, the through-hole processing system, and the mask of the present invention, a taperless through-hole can be easily processed by a laser using a simple optical member.
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
(本発明の原理−スルーホールにテーパーができる原因−)
パルスレーザービームのレーザーフルーエンス(エネルギー密度)は、図1に示すように、中央部で高く周縁部で低い空間分布、通常は近似的にガウス分布をとる。したがって、Oをビーム中心位置、A1,A2をアブレーションフルーエンスの閾値に等しい位置とすると、ほぼOA1=OA2であり、近似的に軸対称性を有している。レーザーフルーエンスが被加工物のアブレーションが生じる閾値以上の中央側では、アブレーションによって穴が掘られてゆくが、フルーエンスは中央部ほど高いので中央側ほど深く掘られる傾向がある。このため穴の壁面は、図2に示すように、傾斜面Wとなる。図2は、穴17が開口した直後の被加工物7を示す断面図である。穴17が、被加工物7の表面から裏面へと貫通した後は、フルーエンスの低いレーザービーム外周端でも、アブレーション閾値以上の部分では、アブレーションされるので、パルスショット数を多くしてゆくと徐々に掘れてゆき、やがてはテーパー角が0°(ストレート)になると考えられる。しかし、実際はそうならず、パルスショット数を増加させてもテーパー角はゼロに近づかずに、一定のテーパー角を維持する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Principle of the present invention-Causes of tapering through holes-)
As shown in FIG. 1, the laser fluence (energy density) of the pulsed laser beam has a spatial distribution that is high at the center and low at the periphery, usually approximately Gaussian. Therefore, when O is the beam center position and A 1 and A 2 are positions equal to the ablation fluence threshold value, OA 1 = OA 2 is obtained, which is approximately axially symmetric. A hole is dug by the ablation at the center side where the laser fluence is above the threshold at which the work piece is ablated. However, since the fluence is higher at the center, it tends to be deeper at the center. For this reason, the wall surface of a hole turns into the inclined surface W, as shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the
本発明者らはこれらの現象を洞察して、「上記のような現象は、初期のショットにより傾斜壁が形成されるが、その傾斜壁においてはアブレーションに使われるレーザーフルーエンスは、平面に照射される場合と比較して、低下する。すなわち傾斜壁ではそこで吸収されるエネルギーが少なくなり、アブレーションに向けられるエネルギーが減少する。」との考えに到達した。この考えによれば、傾斜壁においてアブレーションに使われるレーザーフルーエンスが減少し、傾斜壁では、アブレーション閾値に届かない領域は少し中央側に広がり、そのアブレーション閾値未満の領域では、パルスショット数を増やしても穴は掘られない。その結果、図2に示すようなテーパーが付いた穴があけられることになる。 The present inventors have insight into these phenomena, "In the above-mentioned phenomenon, an inclined wall is formed by an initial shot, but the laser fluence used for ablation is irradiated on the plane on the inclined wall. Compared to the case, the slanted wall absorbs less energy and reduces the energy directed to ablation. " According to this idea, the laser fluence used for ablation in the inclined wall decreases, and in the inclined wall, the area that does not reach the ablation threshold spreads slightly to the center side, and in the area below the ablation threshold, the number of pulse shots is increased. No hole is dug. As a result, a hole with a taper as shown in FIG. 2 is formed.
(実施の形態1)
図3は、本発明の実施の形態1におけるスルーホール形成方法を説明するための図である。図3において、パルスレーザー発振機から発振してビーム形状を整えられたレーザービーム2は、集光レンズ12によって集光されて絞られたレーザービーム3となって、マスク11に向かう。マスク11を通る前のレーザービームのプロファイルは、図1に示すように、ガウス分布を示し、裾を外周側に延ばしている。裾の部分では、レーザーフルーエンスの勾配は緩い(急峻ではない)。本発明の実施の形態1では、マスク11により裾の部分をカットして急峻な外周端プロファイルを形成する点に特徴がある。マスク11により所望の断面形状に整えられ、急峻な外周端プロファイルを持つレーザービーム5は、被加工物7に照射されてスルーホール(図示せず)を加工する。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a diagram for explaining the through hole forming method according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, a
図4は、マスク11を模式的に示す図である。マスク11の開口部11aは、マスク11を通る前のレーザービーム3の断面形状に含まれる。マスクの遮蔽部11bは、上述のようにガウス分布の裾部分をカットするものであり、被加工物7のアブレーション閾値よりも余裕をもって十分大きいアブレーション閾値の材料で形成されることが望ましい。たとえば被加工物7のアブレーション閾値の10倍以上大きいアブレーション閾値を持つことが望ましい。これは、繰り返しレーザー照射されてマスクにアブレーションが生じると、開口部11aの寸法精度が劣化したり、またマスク11が反ったりするからである。このためアブレーション耐性の高い材料で、マスク遮蔽部11bを形成するのがよい。しかし、マスクの材料が被加工物のアブレーション閾値以上である必要はない。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the
たとえば被加工物7を多孔質樹脂シートとして、その多孔質樹脂シートに導通部を設けて異方導電性シートを作製する際、導通部を形成するためにスルーホールを加工しなければならない。この場合、多孔質樹脂シートに多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜(多孔質PTFE膜)が好適に用いられるが、多孔質PTFE膜のアブレーション閾値は0.44J/cm2である。マスク遮蔽部11bには、これより高いアブレーション閾値をもつ材料が用いられることが好ましい。しかし、上述のように必須ではない。
For example, when the
図5は、マスク11を通ったあとのレーザーフルーエンスのプロファイルを示す図である。図5によれば、図1に示すガウス分布の緩い勾配の裾部分はカットされ、急峻な外周端プロファイルを示す。このようなレーザービーム5を用いた場合、最初のショットの際、被加工物に傾斜の緩やかな壁をもつ穴が掘られず、また何らかの原因により、傾斜の緩やかな壁が形成されても、次のショットでは十分なレーザーフルーエンスがその緩傾斜の壁部分に供給されるため、緩傾斜の壁は急峻な壁へと加工される。この結果、テーパーレス(実質的にストレートな)スルーホールを加工することができる。
FIG. 5 is a diagram showing a laser fluence profile after passing through the
(実施の形態2−プロファイルの裾の傾きの影響−)
レーザープロファイルがガウス分布をとるレーザービーム(比較例)と、外周端が急峻なプロファイルのレーザービーム(本発明例)とを用いて、多孔質PTFE膜を加工したときの加工跡をシミュレートした。本発明例および比較例のレーザービームのフルーエンスプロファイルを図6に示す。計算には、上記のように被加工物を多孔質PTFE膜(アブレーション閾値0.44J/cm2)とし、レーザーにチタンサファイアレーザー(波長800nm、ビーム径10μm、100μJ)を用い、また実験的に求めたフッ素樹脂のアブレーションレートを使用した。
(Embodiment 2-Influence of the slope of the skirt of the profile-)
Using a laser beam having a Gaussian distribution in the laser profile (comparative example) and a laser beam having a sharp outer peripheral edge (invention example), a processing trace when the porous PTFE film was processed was simulated. FIG. 6 shows the fluence profiles of the laser beams of the inventive example and the comparative example. In the calculation, the work piece is a porous PTFE film (ablation threshold 0.44 J / cm 2 ) as described above, and a titanium sapphire laser (wavelength 800 nm,
シミュレーション結果を図7(比較例)および図8(本発明例)に示す。図7の比較例の結果では、第1ショット照射によってできた緩い傾斜の壁Sは、その後のショットによっても深く掘られることはなく、動いていない。これは、本発明の原理−貫通穴にテーパーができる原因−において説明したように、第1ショットで壁Sを形成したレーザービームの周縁部は、もともとフルーエンスが低くアブレーション閾値直上の値しか持たなかった。第2ショット以降では、最初は平坦部であった箇所が傾斜が付いた壁となっている。被加工物の平坦部に照射する際、アブレーション閾値直上のフルーエンスであれば被加工物はアブレーションされ、穴掘りされるのに比べて、傾斜が付いていると、第2ショット照射以後、アブレーションに向けられるエネルギーは減少して、材料自体が受け取るフルーエンスはアブレーション閾値未満になってしまう。このため、第2ショット以降、傾斜部Sは掘られることなくそのままの形状を維持する。 The simulation results are shown in FIG. 7 (comparative example) and FIG. 8 (invention example). In the result of the comparative example of FIG. 7, the gently sloping wall S formed by the first shot irradiation is not deeply dug by the subsequent shots and does not move. This is because, as explained in the principle of the present invention-the cause of the taper in the through hole-, the peripheral portion of the laser beam in which the wall S is formed by the first shot originally has a low fluence and a value just above the ablation threshold. It was. In the second and subsequent shots, the first flat portion is a sloped wall. When irradiating the flat part of the work piece, if the fluence is just above the ablation threshold, the work piece is ablated and drilled. The energy directed is reduced and the fluence received by the material itself falls below the ablation threshold. For this reason, after the second shot, the inclined portion S is maintained as it is without being dug.
このような傾斜壁Sは、第2ショット照射によりさらに内側に延長して、壁の勾配を大きくするように形成される。このため、第3ショット照射では、第2ショット照射で形成された延長傾斜壁をほとんど動かさずに、穴堀りが行われる。このため、第2ショット照射と第3ショット照射とでほとんど重複している壁部分を生じる。このような傾斜部は順に内側に延長され、第3ショット照射と第4ショット照射とでほとんど重複している壁部分ができる。この結果、第4ショット照射のあと深さ80μm位置で、直径5μm程度の穴が掘られる。入口側では直径40μm程度の開口が加工されている。(出口側径/入口側径)は(5/40)であり、約0.13である。これより、被加工物を貫通するスルーホールが開通しても、入口側の径が大きく、出口側の径が小さい、テーパーが付いたスルーホールが加工されることになる。 Such an inclined wall S is formed to extend further inward by the second shot irradiation so as to increase the gradient of the wall. For this reason, in the third shot irradiation, drilling is performed with little movement of the extended inclined wall formed by the second shot irradiation. For this reason, a substantially overlapping wall portion is generated between the second shot irradiation and the third shot irradiation. Such an inclined part is extended inward in order, and the wall part which overlaps almost by 3rd shot irradiation and 4th shot irradiation is made. As a result, a hole having a diameter of about 5 μm is dug at a depth of 80 μm after the fourth shot irradiation. An opening with a diameter of about 40 μm is processed on the inlet side. (Exit side diameter / Inlet side diameter) is (5/40), which is about 0.13. As a result, even if a through hole penetrating the workpiece is opened, a tapered through hole having a large diameter on the inlet side and a small diameter on the outlet side is processed.
一方、図8に示す本発明例では、第1ショット照射でも周縁部に傾斜壁はできず、ほとんどストレートな穴が掘られる。とくに第1ショット照射で掘られた穴の底部がフラットで広いこと、および側壁が急峻な勾配をもつことが特徴的である。第2ショット照射以降も穴底部のフラットな広い形状と、側壁の急峻な勾配は変わらない。この結果、第4ショット照射のあと深さ80μm位置で、直径15μm程度の穴が掘られる。入口側では直径20μm程度の開口が加工されているので、(出口側径/入口側径)は(15/20)であり、約0.75である。これより、比較例の開口率0.13に比べて本発明例では開口率が5.77倍まで改善されることが分かる。 On the other hand, in the example of the present invention shown in FIG. 8, an inclined wall is not formed at the peripheral edge even in the first shot irradiation, and an almost straight hole is dug. In particular, the bottom of the hole dug by the first shot irradiation is flat and wide, and the side wall has a steep slope. Even after the second shot irradiation, the flat wide shape at the bottom of the hole and the steep slope of the side wall do not change. As a result, a hole having a diameter of about 15 μm is dug at a depth of 80 μm after the fourth shot irradiation. Since an opening having a diameter of about 20 μm is processed on the inlet side, (exit side diameter / inlet side diameter) is (15/20), which is about 0.75. From this, it can be seen that the aperture ratio is improved to 5.77 times in the present invention example as compared with the aperture ratio of 0.13 in the comparative example.
(実施の形態3−マスクによる急峻な外周端プロファイルの形成−)
本発明の実施の形態3では、マスクによって外周端をシャープにカットしたプロファイルを形成した実測例を示す。用いたマスクは、図4に示したマスクと同じ形態ものを用いたが、ニッケル−金の合金製とした。
この金属製マスクには直径10μmの穴が多数開いている。このマスクに直径20μmのガウス分布のレーザービームを照射して、マスクを通ったあとのレーザープロファイルをCCD(電荷結合デバイス:Charge Coupled Device)によって撮像した。すなわち、図3において、被加工物7の代わりに、CCDを配置した測定システムを用いた。
(Embodiment 3-Formation of a steep outer peripheral edge profile using a mask)
In the third embodiment of the present invention, an actual measurement example is shown in which a profile in which the outer peripheral edge is sharply cut by a mask is formed. The mask used was of the same form as the mask shown in FIG. 4, but made of a nickel-gold alloy.
This metal mask has many holes having a diameter of 10 μm. This mask was irradiated with a 20 μm diameter Gaussian laser beam, and the laser profile after passing through the mask was imaged by a CCD (Charge Coupled Device). That is, in FIG. 3, a measurement system in which a CCD is arranged instead of the
図9は、CCDによる撮像データを示す図であり、図10はその説明図である。図9および図10には、マスクを通ったあとのレーザービームのスポットとともに、スポット中心を通ってx方向およびy方向にスキャンしたレーザーフルーエンスの分布を示している。x方向スキャンではとくに明瞭に急峻な外周端プロファイルを示し、またy方向スキャンにおいてもやはり急峻な外周端プロファイルとなっている。 FIG. 9 is a diagram showing imaging data by the CCD, and FIG. 10 is an explanatory diagram thereof. 9 and 10 show the laser fluence distribution scanned in the x and y directions through the center of the spot, along with the spot of the laser beam after passing through the mask. The x-direction scan shows a particularly sharp outer peripheral edge profile, and the y-direction scan also has a sharp outer peripheral edge profile.
図9および図10により、マスクを用いて急峻な外周端プロファイルの形成が簡単にできることが判明した。従来、テーパーレスのスルーホールの必要性が強くなかったために、穴あけ加工用レーザービームについて、マスクを用いてその外周端プロファイルの急峻度を高めた例はきわめて稀である。図9および図10は、マスクにより簡単に、レーザービームの外周端のプロファイルを急峻にできることを示している。すなわちマスクを用いてマスクの開口形状を、望ましいスルーホール断面形状に合わせることにより、マスクの非開口部を通るレーザのフルーエンスを最大フルーエンスの1/(e1/2)以下とし、非開口部を通るレーザフルーエンスを被加工物のアブレーション閾値未満とすることができる。この結果、テーパーレスの貫通穴を被加工物に加工することができる。 9 and 10, it has been found that a steep outer peripheral edge profile can be easily formed using a mask. Conventionally, since the need for a taperless through hole has not been strong, an example of using a mask to increase the steepness of the outer peripheral edge profile of a laser beam for drilling is extremely rare. FIG. 9 and FIG. 10 show that the profile of the outer peripheral edge of the laser beam can be made sharp with a mask. That is, by using the mask to match the opening shape of the mask to the desired through-hole cross-sectional shape, the fluence of the laser passing through the non-opening portion of the mask is set to 1 / (e 1/2 ) or less of the maximum fluence, and the non-opening portion is The laser fluence through can be less than the workpiece ablation threshold. As a result, the taperless through hole can be processed into a workpiece.
(実施の形態4−低レーザーエネルギーで急勾配プロファイルの場合−)
図11(a)および(b)は、本発明の実施の形態4におけるスルーホール加工方法を説明するための図である。図11(a)に示すレーザーエネルギーは、図11(b)のレーザーエネルギーより低くされているが、被加工物のアブレーション閾値は同じである。どちらの図でも、レーザーフルーエンスはガウス分布にしたがうが、図11(a)ではレーザーエネルギーを低下させたために見掛け上、被加工物のアブレーション閾値が高くなったように見えるが、実際は図11(b)に比べて縦軸のエネルギー密度の単位目盛りを大きくしただけである。
(Embodiment 4-Case of steep profile with low laser energy)
FIGS. 11A and 11B are diagrams for explaining the through-hole processing method according to the fourth embodiment of the present invention. The laser energy shown in FIG. 11 (a) is lower than the laser energy in FIG. 11 (b), but the ablation threshold of the workpiece is the same. In both figures, the laser fluence follows a Gaussian distribution, but in FIG. 11 (a), the laser energy is lowered, so that it seems that the ablation threshold of the workpiece has increased, but in reality, FIG. 11 (b) The unit scale of the energy density on the vertical axis is only increased compared to).
被加工物において穴が掘れるのは、照射されるレーザーフルーエンスがアブレーション閾値より高いからであり、穴の開口縁の壁はそのアブレーション閾値と等しくなる径位置のすぐ内側の部分で形成される。このため、レーザービームのアブレーション閾値のすぐ内側の範囲部分のレーザーフルーエンスの勾配(レーザーフルーエンスの距離微分)が重要である。上記のように図11(a)ではレーザーエネルギーを低下させたために、図11(b)に比べて上記位置でのレーザーフルーエンス勾配が大きくなっている。すなわち、図11(a)では、ガウス分布における最大フルーエンスの1/(e1/2)となる径位置より外側のレーザーフルエンスは、被加工物のアブレーション閾値未満となるようにされ、緩勾配の範囲の影響は除かれている。 The hole is dug in the work piece because the irradiated laser fluence is higher than the ablation threshold, and the wall of the opening edge of the hole is formed at the portion immediately inside the radial position where it becomes equal to the ablation threshold. For this reason, the gradient of the laser fluence (distance derivative of the laser fluence) in the region immediately inside the ablation threshold of the laser beam is important. As described above, in FIG. 11A, since the laser energy is reduced, the laser fluence gradient at the above position is larger than that in FIG. 11B. That is, in FIG. 11A, the laser fluence outside the radial position that is 1 / (e 1/2 ) of the maximum fluence in the Gaussian distribution is set to be less than the ablation threshold of the workpiece, and the gentle gradient The range effect is excluded.
図11(b)では、レーザーエネルギーが大きいため、裾の部分においてさえ被加工物のアブレーション値より大きいため、穴の開口縁の壁を形成するレーザービームのフルーエンス勾配は、図11(a)のそれに比較すると非常に小さい。すなわち、図11(b)では、ガウス分布の最大フルーエンスの{1/(e1/2)}となる径より外側の部分であっても(上記勾配が小さい範囲でも)、被加工物のアブレーション閾値以上とされている。 In FIG. 11 (b), since the laser energy is large, the fluence gradient of the laser beam forming the wall of the opening edge of the hole is shown in FIG. Very small compared to that. That is, in FIG. 11 (b), the ablation of the workpiece is performed even if it is a portion outside the diameter that is {1 / (e 1/2 )} of the maximum fluence of the Gaussian distribution (even if the gradient is small). It is over the threshold.
本実施の形態では、レーザーエネルギーを小さくすることにより、被加工物のアブレーション閾値と同じ径付近またはそのすぐ内側位置のフルーエンス勾配を大きくしたレーザービームを用いる点に特徴がある。すなわち、図11(a)に示すような形態のレーザービームを用いることにより、レーザーエネルギーは小さいが、アブレーション閾値付近のレーザーフルーエンス勾配が急なレーザービームを用いる点に特徴がある。この場合、加工される穴の径は小さくなることは避けられない。 The present embodiment is characterized in that a laser beam is used in which the fluence gradient is increased near the same diameter as the ablation threshold of the work piece or just inside thereof by reducing the laser energy. In other words, the use of a laser beam having a form as shown in FIG. 11A is characterized in that a laser beam having a steep laser fluence gradient near the ablation threshold is used although the laser energy is small. In this case, it is inevitable that the diameter of the hole to be processed becomes small.
上記のように、レーザーエネルギーによってアブレーション閾値付近のフルーエンス勾配が変わる点に着目して、レーザーエネルギーを変えてスルーホール加工を行った。図12は、レーザーエネルギーを変えてスルーホール加工を行い、そのスルーホールのテーパー角度を実測した結果を示す図である。半径R(=32μm)にはレーザーフルーエンス最大値の1/eとなる位置をとっている。また、図13は、同じスルーホールのテーパー角度をレーザープロファイル強度分布の微分係数(レーザープロファイルの傾き)でプロットした図である。被加工物はPTFEであり、またレーザーにはチタンサファイアレーザーを用いた。図12によれば、レーザーエネルギー50μJより低エネルギー側でテーパー角度は、約13°から7°付近へと明らかに小さくなっている。また図13より、レーザーエネルギー50μJより低エネルギー側は、レーザープロファイルの傾きが大きくなる範囲と対応している。 As mentioned above, focusing on the fact that the fluence gradient near the ablation threshold changes depending on the laser energy, through-hole processing was performed by changing the laser energy. FIG. 12 is a diagram showing the result of actually measuring the taper angle of the through-hole by changing the laser energy and performing the through-hole processing. The radius R (= 32 μm) takes a position that is 1 / e of the maximum value of the laser fluence. FIG. 13 is a diagram in which the taper angle of the same through-hole is plotted with a differential coefficient (laser profile inclination) of the laser profile intensity distribution. The workpiece was PTFE, and a titanium sapphire laser was used as the laser. According to FIG. 12, the taper angle is clearly reduced from about 13 ° to around 7 ° on the energy side lower than the laser energy of 50 μJ. Further, from FIG. 13, the lower energy side than the laser energy of 50 μJ corresponds to the range in which the inclination of the laser profile increases.
以上により、レーザービームの断面フルーエンス分布がガウス分布にしたがうとして、その裾部分の、たとえばフルーエンス値がピークの1/(e1/2)以下となる部分を、被加工物のアブレーション閾値未満としたレーザービームを用いることが、スルーホールのテーパー角度を小さく抑えるのに有効であることが分かった。上記の場合は、「フルーエンス値がピークの1/(e1/2)以下となる範囲を、被加工物のアブレーション閾値未満とする」を実現するために、レーザーエネルギーを低く抑えたが、それ以外の方法で実現してもよい。 As described above, assuming that the cross-sectional fluence distribution of the laser beam follows the Gaussian distribution, the portion of the skirt portion where the fluence value is 1 / (e 1/2 ) or less of the peak is set to be less than the ablation threshold of the workpiece. It has been found that using a laser beam is effective in reducing the taper angle of the through hole. In the above case, the laser energy was kept low in order to realize that “the range where the fluence value is 1 / (e 1/2 ) or less of the peak is less than the ablation threshold of the workpiece” Other methods may be used.
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明のスルーホール加工方法、スルーホール加工システム、マスクおよびフィルターを用いることにより、簡単に
テーパーレスのスルーホールを加工できるので、異方導電性シートの作製、各種シートのスルーホール加工などにおいて貢献することが期待される。
By using the through-hole processing method, through-hole processing system, mask and filter of the present invention, taperless through-holes can be easily processed, contributing to the production of anisotropic conductive sheets, through-hole processing of various sheets, etc. Is expected to do.
2 レーザービーム、3 マスク前のレーザービーム、5 マスク通過後のレーザービーム、7 被加工物、11 マスク、11a 開口部、11b 遮蔽部、12 集光レンズ、17 スルーホール、W 傾斜面、S 緩傾斜の壁部分。
2 Laser beam, 3 Laser beam before mask, 5 Laser beam after passing through mask, 7 Workpiece, 11 Mask, 11a Opening, 11b Shielding part, 12 Condensing lens, 17 Through hole, W Inclined surface, S Loose Inclined wall part.
Claims (4)
前記パルスレーザービームが前記被加工物に照射される際、レーザーフルーエンスのプロファイルがガウス分布に合うものとして、そのガウス分布における最大フルーエンスの1/(e1/2)のレーザーフルエンスが前記被加工物のアブレーション閾値未満となるようにして、前記パルスレーザービームを前記被加工物に照射してスルーホールを加工することを特徴とする、スルーホール加工方法。 A method of processing a through hole in a workpiece by a pulsed laser beam,
When the workpiece is irradiated with the pulsed laser beam, it is assumed that the profile of the laser fluence matches the Gaussian distribution, and the laser fluence of 1 / (e 1/2 ) of the maximum fluence in the Gaussian distribution is the workpiece. A through-hole processing method, wherein the through-hole is processed by irradiating the workpiece with the pulsed laser beam so as to be less than the ablation threshold.
前記パルスレーザーを発振するレーザー発振機と、
前記被加工物を固定する被加工物固定部と、
前記被加工物固定部と前記レーザー発振機との間に配置され、前記スルーホールに対応する開口をもつマスクとを備えることを特徴とする、スルーホール加工システム。 A system that processes a through hole in a workpiece by a pulsed laser beam,
A laser oscillator for oscillating the pulse laser;
A workpiece fixing portion for fixing the workpiece;
A through-hole processing system comprising a mask disposed between the workpiece fixing portion and the laser oscillator and having an opening corresponding to the through-hole.
前記スルーホールの形状に合った開口が設けられたことを特徴とする、マスク。
A mask used when processing a through hole in a workpiece by a pulsed laser beam,
A mask provided with an opening that matches the shape of the through hole.
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