JP2008126230A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の材料から構成される被加工物を加工する際に、所定の加工条件の下で高精度な加工を可能とする。
【解決手段】ポリイミド２１と銅２２から構成される被加工物としての基板１０に、レーザ２０を照射し、所定の加工幅で加工を行うものであり、ポリイミド２１と銅２２ごとに照射エネルギと加工幅との関係式を算出し、該算出した関係式に基づきポリイミド２１と銅２２ごとに加工条件を設定し、該設定された加工条件を用いて基板１０を加工する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、樹脂や金属等の複数の材料から構成される例えばフレキシブル基板のような被加工物を加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、例えば、フレキシブル回路基板のように、金属や樹脂等の複数の材料で構成される複合材料を切断する加工手段として、例えばダイヤモンド刃のカッターで切断する方法が知られている。また、寸法精度を必要とする複合材料の切断においては、特許文献１に示すように、ＹＡＧレーザなどのレーザ加工装置を用いて、単一のエネルギで複合材料を切断加工する方法が公知である。

このように、寸法精度を必要とするのは、若しも切断加工後の複合材料の寸法精度が悪いと、フレキシブル回路基板においては、部品実装をモジュール化した場合、配線不良などが発生して、製品としての機能を低下させてしまうためである。
特開平１１−３３３５７９号公報

しかしながら、特許文献１のように、レーザ加工において樹脂や金属等の複数の材料で構成されるフレキシブル基板のような複合材料を切断する際、単一のエネルギで切断した場合は、材料によって、加工閾値エネルギの違いから、各材料におけるスポット径が異なり、結果的に加工される溝幅が異なってしまうという課題があった。

例えば、図５及び図６は、レーザによる同じ加工条件で銅１２２とポリイミド１２１をそれぞれ別個に加工した状態を示している。これによると、銅１２２をレーザ加工する場合は、幅４．３μｍの切断溝１２４が形成され、ポリイミド１２１をレーザ加工する場合は、幅６．３μｍの切断溝１２３が形成される。

すなわち、同じ加工条件においては、銅１２２よりもポリイミド１２１の方が広い溝幅で加工され、被加工物の材料と加工幅（スポット径）には関連があることがわかる。
このため、図７に示すように、ポリイミド１２１と銅１２２が所定ピッチで配置された複合基板に対し、矢印Ａ方向に同一エネルギーのレーザを照射すると、Ｂ部に示すように、銅１２２の部分の溝幅はポリイミド１２１の部分に比して狭く加工される。

このように、異なる材料に対し同じ加工条件でレーザ加工を行うと、加工幅に差が生じてしまい、寸法精度が数１０μｍ以下の高精度な加工が実現できないという課題があった。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、複数の材料から構成される被加工物を加工する際に、各材料ごとの照射エネルギと加工幅との関係式を算出し、所定の加工条件の下で高精度な加工を可能とするレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
複数の材料から構成される被加工物にレーザを照射し所定の加工幅で加工を行うレーザ加工方法において、
前記材料ごとに照射エネルギと前記加工幅との関係式を算出する工程と、
該算出した前記関係式に基づき前記材料ごとに加工条件を設定する工程と、
該設定された前記加工条件を用いて前記被加工物を加工する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記加工幅が一定となるように、前記材料ごとに前記照射エネルギを変化させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記照射エネルギを一定として、前記材料ごとに前記加工幅を変化させることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法において、
前記レーザとして超短パルスレーザを用いたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法において、
さらに、前記材料の位置情報を調べる工程を有することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、
複数の材料から構成される被加工物にレーザを照射するレーザ光学系を有し、所定の加工幅で加工を行うレーザ加工装置において、
前記材料ごとに照射エネルギと前記加工幅との関係式を算出し、該算出した関係式に基づき前記材料ごとに加工条件を設定する制御部を備えていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザが超短パルスレーザであることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項６又は７に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部にて前記照射エネルギーの制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、複数の材料から構成される被加工物を加工する際に、各材料ごとに照射エネルギと加工幅との関係式を算出し、その関係式に基づき所定の加工条件を設定することで、高精度な加工幅で加工することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（レーザ加工装置の構成説明）
図１は、本実施形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示している。同図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、レーザ光学系１３と、ｘｙｚ軸が制御可能な移動手段としてのｘｙｚ軸ステージ１１と、加工の様子を観察するための観察手段としてのＣＣＤカメラ１２と、制御部１５と、を有している。レーザ光源２からは、超短パルスレーザ２０が照射される。

この超短パルスレーザ（以下、「レーザ」という）２０は、パルス幅がフェムト秒（１０^-16ｓ）オーダであるため、熱履歴のない高精度な加工が可能となる。このレーザ２０は、出射エネルギーのピーク値が高いことから幅広い材料に対しても十分に対応することができる。また、このレーザ２０は、波長７８０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数ｌｋＨｚの特性を備えている。

制御部１５は、レーザ２０の出射エネルギー等を調節することが可能である。また、後述する加工プログラムを記憶する機能も有している。
レーザ光源２の下流側には、ビームエキスパンダ３とピンホール（アパーチャー）４を配置する。これにより、レーザビームを一度拡散し、中央部のみを取り出し、照射するビーム面内の強度のバラツキを少なくする機能を持たせている。ピンホール４の下流側には、レーザ２０のエネルギを調節するためのＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）５が配置されている。このＮＤフィルタ５により、レーザ２０のエネルギの調節が行われる。

ＮＤフィルター５の下流側には、ダイクロイックミラー６が設置されている。なお、このダイクロイックミラー６は、波長４００〜７００ｎｍの光は透過し、その他の光は反射する機能を備えている。よって、ダイクロイックミラー６は、後述する照明灯８から出射して試料表面（被加工物表面）で反射した光を透過すると共に、レーザ２０を反射して対物レンズ９に導光する機能を備える。ダイクロイックミラー６の下流側には、ビームスプリッタ７が配置されている。このビームスプリッタ７により、照明灯８から出射された観察光を試料表面に導光している。

ビームスプリッタ７の下流側には、対物レンズ９が配置されている。この対物レンズ９により、光路上のレーザ２０を集光させ、エネルギ密度を上げて試料表面に照射して加工を行う。なお、照明灯８はビームスプリッタ７の横に配置されており、照明灯８から照射された観察光はビームスプリッタ７で反射し、対物レンズ９により集光される。

その後、この観察光は被加工物１０の表面で反射し、対物レンズ９で拡大され、ビームスプリッタ７を透過し、ダイクロイックミラー６を透通する。更に、この観察光は上部のＣＣＤカメラ１２により画像として取り込まれる。

本実施形態によれば、被加工物１０を観察しながら被加工物１０の加工が可能となる。また、使用するレーザ２０が超短パルスレーザであることにより、各種材料の高品位な加工を行うことができる。なお、レーザ加工装置１の構成は図１に示したものに限らず、被加工物１０を良好に加工可能なものであればよい。
（第１の実施形態）
図２は、本実施形態のレーザ加工によるフローチャートを示している。

本フローでは、Ｓ２１で、まず複数の材料から構成される被加工物１０の各材料の種類、位置情報などの分布を調べる。ここでは、被加工物１０の材料毎に空間的な位置情報（形状・寸法）を調べる。すなわち、被加工物１０のどの部分が何の材料であるかを把握する。具体的には、被加工物１０にＸ線などを照射することにより、その透過具合で材料の位置情報を把握する。その後、Ｓ２２で、各材料におけるレーザエネルギとスポット径との関係式を算出する。

具体的には、材料毎にレーザのエネルギを変化させながら加工を行い、エネルギ値とスポット径の関係をグラフ化する。なお、「スポット径」とは、被加工物１０の「加工幅」のことである。

次に、Ｓ２３で、算出した関係式を用いて各材料ごとの加工条件（出射エネルギや焦点距離等）を設定し、Ｓ２４で、この加工条件を、被加工物１０が所望の加工形状となるように設定する。また、Ｓ２５では、目的の形状に応じて照射位置と加工条件から加工プログラムを作成し、Ｓ２６で、その作成した加工プログラムを用いて加工を行う。

図３は、被加工物１０をレーザ加工するときの外観を示している。
本実施形態では、多成分から構成される被加工物１０として、レーザ顕微鏡で材料の位置的な情報が既知なポリイミド２１に、線幅１５０μｍの銅２２が３００μｍピッチで配列されている基板１０を用いてフェムト秒のレーザ２０を上面より照射し、スポット径が２０μｍ幅で加工する。

この場合、図４に示すように、予め基板１０に加工されるスポット径と、照射するレーザエネルギとの関係を調べる。
なお、本実施形態では、ポリイミド２１と銅２２の複合材料からなる基板１０に用いたが、材料の組み合わせはこれに限るものではなく、レーザエネルギとスポット径との関係がわかるものであればよい。この図４によれば、スポット径が２０μｍの線幅で基板１０を加工する場合は、ポリイミド２１では１０μＪ以上のエネルギが必要であり、銅２２の場合では５０μＪ以上のエネルギが必要となる。

そこで、次に、線幅１５０μｍのポリイミド２１を加工するときは、照射されるエネルギが１０μＪ、線幅１５０μｍの銅２２を加工するときは照射されるエネルギが５０μＪになるような加工プログラムを作成した。

そして、この加工プログラムを用いて、レーザ光源２から導光されるレーザが波長７８０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数１０００Ｈｚで５０μＪのレーザ２０を、銅２２を加工するときは、ＮＤフィルタを介さずに直接基板１０上に照射する。また、ポリイミド２１を加工するときは、ＮＤフィルタ５を用いることで１０μＪに減衰させて基板１０上に照射する。このように制御することで、目的の形状を有するポリイミド２１と銅２２の複合材料基板を得ることができた。

本実施形態では、ＮＤフィルタ５を用いてレーザエネルギの調整を行ったが、ＮＤフィルタ５を用いず、制御部１５により、レーザ光源２から照射されるレーザの出力を調節してレーザエネルギの調節を行ってもよい。なお、今回加工した基板１０に関して、材料の成分や３次元的な位置が既知なものを用いたが、構成成分が未知の場合、成分分析を行うことも必要となる（図２のＳ２１参照）。

本実施形態によれば、基板１０の材質に応じてレーザの照射エネルギーを制御することで、例えば２種類の材料から構成される基板１０を、一定のスポット径（加工幅）で加工することができる。また、２種類の材料から構成される基板１０を高精度で加工することができる。
（第２の実施形態）
次に、照射されるレーザ２０のエネルギを一定として基板１０を加工する場合の実施の形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当する部材には、同一の符号を付して説明する。

本実施形態では、図４に示したように、ポリイミド２１、スポット径、及び照射するレーザエネルギの関係を用いて加工を行う。また、照射されるレーザ２０のエネルギを１０μＪの一定とする。前述した加工プログラムを用いて、レーザ光源２から導光されるレーザ２０が、波長７８０ｍｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数１０００Ｈｚで１０μＪのものを用いる。

こうして、ポリイミド２１の部位がスポット径（加工幅）２０μｍ、銅２２の部位のスポット径（加工幅）４μｍの形状を有するポリイミド２１と銅２２の複合材料基板を得ることができた。

本実施形態によれば、２種類の材料から構成される基板１０をそれぞれの成分ごとに、目的とする任意のスポット径（加工幅）で加工することができる。

本実施形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 本実施形態のレーザ加工によるフローチャートを示す図である。 フレキシブル基板の加工状態を示す図である。 材料ごとのレーザエネルギと加工幅との関係を示す図である。 銅を同一のレーザエネルギで加工したときの従来例を示す図である。 ポリイミドを同一のレーザエネルギで加工したときの従来例を示す図である。 複合材料を単一のレーザエネルギで加工したときの従来例を示す図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ レーザ光源
３ ビームエキスパンダ
４ ピンホール
５ ＮＤフィルタ
６ ダイクロイックミラー
８ 照明灯
９ 対物レンズ
１０ 被加工物（基板）
１１ ｘｙｚ軸ステージ
１２ ＣＣＤカメラ
１３ レーザ光学系
１５ 制御部
２０ レーザ
２１ ポリイミド
２２ 銅

Claims (8)

1. 複数の材料から構成される被加工物にレーザを照射し所定の加工幅で加工を行うレーザ加工方法において、
   前記材料ごとに照射エネルギと前記加工幅との関係式を算出する工程と、
   該算出した前記関係式に基づき前記材料ごとに加工条件を設定する工程と、
   該設定された前記加工条件を用いて前記被加工物を加工する工程と、を含む
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記加工幅が一定となるように、前記材料ごとに前記照射エネルギを変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記照射エネルギを一定として、前記材料ごとに前記加工幅を変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザとして超短パルスレーザを用いた
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. さらに、前記材料の位置情報を調べる工程を有する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 複数の材料から構成される被加工物にレーザを照射するレーザ光学系を有し、所定の加工幅で加工を行うレーザ加工装置において、
   前記材料ごとに照射エネルギと前記加工幅との関係式を算出し、該算出した関係式に基づき前記材料ごとに加工条件を設定する制御部を備えている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 前記レーザが超短パルスレーザである
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記制御部にて前記照射エネルギーの制御を行う
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ加工装置。