JP2009022978A - レーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光の発振器の出力安定性が一定せずレーザーパワーが増大する場合にも、所定の許容範囲で被加工物のハーフカット加工を行うことができ、歩留まりの低下が抑制可能なレーザー加工方法及びその方法により得られるレーザー加工品を提供する。
【解決手段】被加工物に対し、レーザー光を用いて所定の深さ位置まで形状加工を行うレーザー加工方法であって、前記被加工物に応じて最適設定されるレーザー光の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光の発振器に於けるパワー変動により当該レーザーパワーが増大したときにも、前記被加工物を貫通させないエネルギー範囲内となるように、レーザー光のレーザーパワー、及び被加工物とレーザー光の間の相対的な移動速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を低減させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば各種シート材料、回路基板、半導体ウエハ、ガラス基板、セラミック基板、金属基板、半導体レーザー等の発光あるいは受光素子基板、ＭＥＭＳ基板、半導体パッケージ、布、皮、紙などの被加工物を、レーザー光を用いて、例えばハーフカット加工等の形状加工をするレーザー加工方法及びレーザー加工品に関する。

最近の電気・電子機器の小型化等に伴い、部品の小型化・高精細化が進み、各種材料の外形加工も、加工精度が±５０μｍあるいはそれ以下の高精細・高精度化が求められてきている。しかしながら、従来のプレス加工等の打ち抜き加工では精度がせいぜい±１００μｍ程度で、そのような要求には対応できなくなってきているのが現状である。そこで、その様な精密加工を可能とする方法として、レーザー光を用いた各種材料の加工方法が注目されている。

ところで、レーザー光の光源の高出力化、低価格化が進み、レーザー光を用いた各種材料の切断技術が様々な分野において産業応用されている。例えば、下記特許文献１には、支持体上に粘着剤層が積層された積層材料に対し、レーザー光を用いてハーフカットを行う旨の開示がある。しかし、レーザー光を用いたハーフカットの場合、レーザー光の発振器の出力安定性、積層材料に於ける支持体シートの加工性及び厚みの影響により、支持体シートまで完全にフルカットされる場合がある。

また、フルカットされない場合でも、レーザー加工時に支持体シートに与えられたダメージ部分を起点として、支持体シートの搬送時にかかる張力負荷によって支持体シートが破断するという問題がある。

特開２００３−３３３８９号公報

本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、レーザー光の発振器の出力安定性が一定せずレーザーパワーが増大する場合にも、所定の許容範囲で被加工物のハーフカット加工を行うことができ、歩留まりの低下が抑制可能なレーザー加工方法及びその方法により得られるレーザー加工品を提供することにある。

本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、レーザー加工方法、及びレーザー加工品について検討した。その結果、被加工物に対する単位長さ当たりの投入エネルギー、エッチング深さ及びパワー変動の影響度の関係性を見出したことにより、レーザー発振器のレーザーパワーが増大して変動した場合にも、エッチング深さを許容範囲内に抑えてハーフカット加工ができることを見出して、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明に係るレーザー加工方法は、前記の課題を解決する為に、被加工物に対し、レーザー光を用いて所定の深さ位置まで形状加工を行うレーザー加工方法であって、前記被加工物に応じて最適設定されるレーザー光の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光の発振器に於けるパワー変動により当該レーザーパワーが増大したときにも、前記被加工物を貫通させないエネルギー範囲内となるように、レーザー光のレーザーパワー、及び被加工物とレーザー光の間の相対的な移動速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を低減させることを特徴とする。

被加工物に対し、レーザー光を用いて所定の深さ位置まで形状加工を行う場合、所望のエッチング深さとなる様に、被加工物の物性等に応じて、レーザー光のレーザーパワーや被加工物とレーザー光の間の相対的な移動速度、照射回数等について、最適な加工条件を設定する。しかし、レーザー光の発振器の出力安定性は一定ではない為、その変動によりレーザー光のレーザーパワーが増大することがある。その結果、所望のエッチング深さよりも深くエッチングされ、所定の形状加工が不可能となる場合がある。

この様なパワー増大の影響は、照射回数が多くなるように加工条件を設定した場合に最も強く受ける。単位長さ当たりのエネルギーが同値であり、エッチング量が同様となる条件であっても、照射回数が多い場合では、レーザー光のレーザーパワーの増大により増加するエッチング量が照射毎に加算される為である。本願発明においては、被加工物に応じて最適設定されるレーザー光の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光の発振器に於けるパワー変動により当該レーザーパワーが増大したときにも、前記被加工物を貫通させないエネルギー範囲内となるように、前記レーザーパワー及び移動速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を少なくする。その結果、前記レーザーパワーが増大しても、照射毎に加算されるレーザーパワーの増大量を極力低減するので、エッチング深さがその許容範囲を超えてレーザー加工されるのを抑制する。

前記方法において、前記レーザー加工は、レーザー光を同一領域に対し複数回走査することにより行うことが好ましい。

更に、前記被加工物は、高分子樹脂層を含む積層体であることが好ましい。

前記レーザー光の光源として炭酸ガスレーザーを用いることが好ましい。

本発明に係るレーザー加工品は、前記の課題を解決する為に、前記に記載のレーザー加工方法により得られることを特徴とする。

本発明は、前記に説明した手段により、以下に述べるような効果を奏する。
即ち、本発明によれば、被加工物に応じて最適設定されるレーザー光の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光の発振器に於けるパワー変動により当該レーザーパワーが増大したときにも、前記被加工物を貫通させないエネルギー範囲内となるように、レーザーパワー及び移動速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を少なくするので、レーザー光の発振器の出力が安定せずレーザーパワーが増大しても、その変動が被加工物のレーザー加工に及ぼす影響を低減することができる。その結果、作業性が向上すると共に、歩留まりの向上が図れる。

本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら以下に説明する。但し、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にする為に拡大または縮小等して図示した部分がある。

本実施の形態に係るレーザー加工方法は、被加工物に対し、レーザー光を用いて所定の深さ位置まで精度良く形状加工を行う方法であり、例えばハーフカット加工、マーキング、溝加工、又はスクライビング加工などに適用可能である。

以下に、被加工物に対し、ハーフカット加工を行う場合を例にして、本発明の加工原理について説明する。図１は、被加工物に対しレーザー光を用いてハーフカット加工をする様子を示す断面模式図である。図２は、ハーフカット加工によりハーフカット部分８が形成された被加工物の様子を示す斜視図である。本実施の形態で使用する被加工物１は、支持体１ａ上に被加工層１ｂが積層された積層体からなる（詳細については後述する）。被加工物１のレーザー加工は、例えば吸着ステージの吸着板上に固定して行われる。所定のレーザー発振器より出力されるレーザー光３をレンズにて集光し、被加工物１上に照射する。照射と共に、レーザー照射位置を所定の加工ライン上に沿って移動させ、ハーフカット加工を行う。ハーフカット加工は、ガルバノスキャンまたはＸ−Ｙステージスキャンを用いたレーザー加工方法や、マスクイメージング方式レーザー加工等の公知の方法が用いられる。

レーザー光３としては特に限定されず、例えば、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー、ＸｅＣｌエキシマレーザー、ＹＡＧレーザーの第３高調波若しくは第４高調波、ＹＬＦ若しくはＹＶＯ_４の固体レーザーの第３高調波若しくは第４高調波、Ｔｉ：Ｓレーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザー又は炭酸ガスレーザー等を使用することができる。これらのレーザー光のうち、本発明においては炭酸ガスレーザーが高出力による生産性向上の点で特に好ましい。

前記被加工物１に対し、レーザー光３を用いてハーフカット加工を行う場合、エッチング深さは単位長さ当たりに投入するエネルギー［Ｊ／ｍｍ］によって制御される。前記単位長さ当たりに投入するエネルギーは、レーザーパワー［Ｗ］を走査速度［ｍｍ／ｓ］で除して得られるものである。従って、例えば、所望のエッチング深さとなる様にハーフカット加工を行うには、レーザーパワー又は走査速度の何れかを変更することにより、単位長さ当たりに投入するエネルギーを調整することができる。

被加工物１に対し、所定の条件下（即ち、レーザーパワー（Ｗ）、走査速度（ｍｍ／ｓ）、繰り返し周波数（ＭＨｚ）、スポット径（μｍφ）及びビームラップ数（ｐｕｌｓｅ）（レーザー光走査上のある１点にレーザー光３が何パルス照射されたかを表す数値））で行うと所望のエッチング深さでハーフカット加工が可能な場合に、本発明においては、レーザーパワー及び走査速度を大きくし、かつ、ビームラップ数を減らして、単位長さ当たりの投入エネルギーを同値にする（図３（ａ）参照）。一方、レーザーパワー及び走査速度を小さくし、かつ、ビームラップ数を増やしても、単位長さ当たりの投入エネルギーを同値にすることは可能である（図３（ｂ）参照）。従って、レーザー光の発振器の出力が安定している場合には、両者のエッチング深さは同等であり、所望のエッチング深さでハーフカット加工が可能である。但し、それぞれのビームラップ数が異なるために、最終的なエッチング量は同じであっても１パルス毎のエッチング量が異なることが分かる。例えば、前者の場合、図３（ａ）に示す様に、１パルスによりエッチングされる部分はエッチング部分５となる。その一方、後者の場合では、同図３（ｂ）に示すように、１パルスによりエッチングされる部分はエッチング部分６となる。

次に、発振器の出力が変動して、レーザー光のレーザーパワーが増大した場合について説明する。この場合、単位長さ当たりのエネルギーが同値あり、エッチング量が同様となる条件であっても、図４に示すように、レーザーパワーの増大により増加するエッチング部分７は照射毎に加算される。その為、本発明に係るビームラップ数が少ない図４（ａ）の場合では、レーザー加工が支持体１ａの一部にまでおよび、所望のエッチング深さよりも深くなるが、被加工物１が完全に切断されることはない。その一方、ビームラップ数が多い図４（ｂ）の場合では、パワー変動の寄与度が大きく、被加工物１が完全に切断される。

上述の通り、本発明は、被加工物１に応じて最適設定されるレーザー光３の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光３の発振器に於けるパワー変動によりそのレーザーパワーが増大したときにも、被加工物１を貫通させないエネルギー範囲内となるように、レーザーパワー及び走査速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を低減させるものである。最適設定されるレーザー光３の単位長さ当たりにおけるエネルギーは、被加工物１の光吸収特性や、厚み、熱的特性などに応じて適宜変更され得る。従って、被加工物１の構成材料に応じて、レーザー加工条件はその都度最適化する必要があるが、ハーフカット可能な範囲内においては、レーザー光３のレーザーパワー及び走査速度を共に高い値に設定して、レーザー光３のレーザーパワーのエッチング深さに対する寄与度を下げることが、レーザーパワーが増大した場合にも被加工物を貫通することなくハーフカット加工を行う上で重要である。

尚、その他のレーザーの加工条件は、被加工物１の種類等に応じて適宜設定され得る。例えば、本発明のレーザー加工方法をハーフカット加工に適用する場合、レーザー光３の繰り返し周波数は特に限定されず、通常、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。当該範囲内とすることにより、生産性を向上させることができる。

レーザー光３の集光径は、被加工物１に施す加工の種類に応じて適宜設定され得る。ハーフカット加工の場合、加工幅がレーザー光３の集光径（スポット径）とほぼ一致する。従って、集光径を調節することにより、加工幅の制御が可能になる。集光径（加工幅）は、通常１０〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。集光径が１０μｍ未満であると、加工速度が小さくなる場合がある。その一方、５００μｍを超えると、被加工物からの製品取り出し効率が低下する場合がある。

また、レーザー加工は、レーザー光３を同一領域に対し複数回走査して行ってもよい。この場合、各走査毎に加工条件を種々変更してもよく、同一条件で行ってもよい。

本発明で加工する被加工物１としては、例えば、図５に示すセパレータ付き偏光フィルム１１が挙げられる。セパレータ付き偏光フィルム１１は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムの両面に一対のトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルムが貼り合わされて構成される偏光フィルム（被加工物層）９を備える。更に、一方のＴＡＣフィルム側には、アクリル系粘着剤層を介してＰＥＴフィルムからなるセパレータ（支持体）１０が設けられている。他方のＴＡＣフィルム側には、表面保護フィルムが設けられていてもよい。この表面保護フィルムは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムにアクリル系粘着剤層が設けられた構成であり、アクリル系粘着剤層が他方のＴＡＣフィルムとの貼合せ面となっている。

また、被加工物１としては、前記セパレータ付き偏光フィルム１１の他に、レーザー光により加工できるものであれば特に限定なく適用することができる。具体的には、例えば各種シート材料、回路基板、半導体ウエハ、ガラス基板、セラミック基板、金属基板、半導体レーザー等の発光あるいは受光素子基板、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）基板、半導体パッケージ、布、皮、紙、単層若しくは多層のフィルム材料などが挙げられる。

各種シート材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂や、充填剤を含むポリエチレン系、ポリプロピレン樹脂等での高分子フィルムや不織布、それらの樹脂を延伸加工、含浸加工等により物理的あるいは光学的な機能を付与したもの、銅、アルミ、ステンレス等の金属シートあるいは、上記ポリマーシートおよび／または金属シートを直接または接着剤等を介して積層したものなどが挙げられる。

また回路基板としては、片面、両面あるいは多層フレキシブルプリント基板、ガラスエポキシやセラミック、金属コア基板等からなるリジッド基板、ガラスあるいはポリマー上に形成された光回路あるいは光−電気混成回路基板などが挙げられる。

また、単層若しくは多層のフィルム材料としては、各種の粘着フィルム、光学フィルム等が挙げられる。

以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている材料や配合量等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施例１）
［被加工物］
本実施例１では、被加工物として前記図５に示す構成のセパレータ付き偏光フィルム（総厚２７０μｍ）を用い、偏光フィルム９を切断加工し、支持体としてのセパレータ１０（厚み：３８μｍ）がレーザー加工されないようにした。

［レーザー光照射装置］
使用したレーザー光照射装置は以下の通りである。
レーザー光源：炭酸ガスレーザー
レーザー波長：１０．６μｍ
最高出力：２５０Ｗ

［レーザー光照射条件］
下記条件下で、セパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を実施した。
レーザーパワー：４２Ｗ
スポット径：１２０μｍφ
繰り返し周波数：２０ｋＨｚ
走査速度：４００ｍｍ／ｓ
走査回数：１回
単位長さ当たり投入エネルギー：０．１０５Ｊ／ｍｍ

上記加工条件下でセパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を実施した。その結果、偏光フィルム９のみをレーザー加工することができ、セパレータ付き偏光フィルムに対しハーフカット形状を形成することができた。次に、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、当初の値４２Ｗに対し、７Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であることが分かった。

（比較例１）
本比較例１においては、下記表１に示す通りに、レーザーパワー、走査速度及びビームラップ数を変更したこと以外は、前記実施例１と同様にしてセパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を行った。また、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、当初の値２１Ｗに対し、３．５Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であり、レーザーパワーが増加した場合には、セパレータ１０までレーザー光によるレーザー加工がなされ、所望のハーフカットが困難であることが確認された。

（比較例２）
本比較例２においては、下記表１に示す通りに、レーザーパワー、走査速度及びビームラップ数を変更したこと以外は、前記実施例１と同様にしてセパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を行った。また、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、当初の値１０．５Ｗに対し、１．８Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であり、レーザーパワーが増加した場合には、セパレータ１０までレーザー光によるレーザー加工がなされ、所望のハーフカットが困難であることが確認された。

（実施例２）
本実施例２では、被加工物として図５に示す構成のセパレータ付き偏光フィルム１１（総厚２７０μｍ）を用い、偏光フィルム９を切断加工し、支持体としてのセパレータ１０（厚み：３８μｍ）がレーザー加工されないようにした。

レーザー光の照射装置としては実施例１と同様のものを用い、レーザー光の照射条件としては下記表２に示すほか、走査回数も２回とした。また、実施例１と同様にして、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、２１Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であることが分かった。

（比較例３）
本比較例３においては、下記表２に示す通りにレーザーパワー、走査速度及びビームラップ数を変更したこと以外は、前記実施例２と同様にしてセパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を行った。また、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、１４Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であり、レーザーパワーが増加した場合には、セパレータ１０までレーザー光によるレーザー加工がなされ、所望のハーフカットが困難であることが確認された。

（比較例４）
本比較例４においては、下記表２に示す通りにレーザーパワー、走査速度及びビームラップ数を変更したこと以外は、前記実施例２と同様にしてセパレータ付き偏光フィルムのハーフカット加工を行った。また、レーザーパワーを意図的に変更して、ハーフカット加工が可能なレーザーパワーの範囲を確認した。その結果、１４Ｗの増加分までがハーフカット加工が可能な範囲であり、レーザーパワーが増加した場合には、セパレータ１０までレーザー光によるレーザー加工がなされ、所望のハーフカットが困難であることが確認された。

本発明の実施の形態に係るレーザー加工方法により、被加工物に対しハーフカット加工をする様子を示す断面模式図である。 前記方法によりハーフカット加工された被加工物の様子を示す斜視図である。 図３（ａ）は単位長さ当たりの投入エネルギーを同値にして、レーザーパワーを高くし、かつ走査速度を高速にして加工した場合のエッチング深さを表し、図３（ｂ）はレーザーパワーを小さくし、かつ走査速度を低速にして加工した場合のエッチング深さを表す。 図４（ａ）は単位長さ当たりの投入エネルギーを同値にして、レーザーパワーを高くし、かつ走査速度を高速にして加工した場合であって、レーザーパワーが増大した場合のエッチング深さを表し、図４（ｂ）はレーザーパワーを小さくし、かつ走査速度を低速にして加工した場合であって、レーザーパワーが増大した場合のエッチング深さを表す。 前記被加工物としてのセパレータ付き偏光フィルムを表す断面模式図である。

符号の説明

１ 被加工物
１ａ 支持体
１ｂ 被加工層
３ レーザー光
９ 偏光フィルム（被加工物層）
１０ セパレータ（支持体）
１１ セパレータ付き偏光フィルム（被加工物）

Claims (5)

1. 被加工物に対し、レーザー光を用いて所定の深さ位置まで形状加工を行うレーザー加工方法であって、
   前記被加工物に応じて最適設定されるレーザー光の単位長さ当たりにおけるエネルギーが、レーザー光の発振器に於けるパワー変動により当該レーザーパワーが増大したときにも、前記被加工物を貫通させないエネルギー範囲内となるように、レーザー光のレーザーパワー、及び被加工物とレーザー光の間の相対的な移動速度を大きくし、かつ、レーザー加工に必要な照射回数を低減させることを特徴とするレーザー加工方法。
2. 前記レーザー加工は、レーザー光を同一領域に対し複数回走査することにより行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工方法。
3. 前記被加工物は、高分子樹脂層を含む積層体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工方法。
4. 前記レーザー光の光源として炭酸ガスレーザーを用いることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のレーザー加工方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザー加工方法により得られるレーザー加工品。

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