JP2009155159A - 石英ガラス板の高精度微細径穴加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】石英ガラス板へ微細穴を高精度、高速で加工すると共に、研削ツールの長寿命化を図る。
【解決の手段】被加工物である石英ガラス板２に、所望の穴１の直径より小さな元穴１０をレーザーを使用して穴あけ加工し、次に、この元穴１０に研削ツールを使用して研削することによって所望の直径の穴１を形成する。レーザー加工によって生じたバリ（ドロス）３が研削ツールによって除去されて平坦面とすることができ、更に、研削ツールに負担をかけることなく正確な円形の穴の加工ができ、研削ツールの寿命を研削ツール単独加工による場合よりも数倍長くすることができ、加工時間の短縮、コストの低減が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英ガラス板に高アスペクト比（厚さ／穴径）の微細径穴を加工する方法に関し、特に、半導体用部品、光学用部材、光ファイバー用部品、光通信における受信装置に用いるコネクター用部品、更に詳しくは半導体素子テスト装置用部品等として用いられる石英ガラス製部品に、直径が０．３ｍｍ以下の微細径の穴をμｍオーダーの精度で加工する方法に関する。

半導体素子は、ＩＣウエハー上、または、パッケージングされた後、様々な特性テストを実施し良否判定されるが、半導体素子の電気的性能をテストする場合は、半導体素子を多機能型検査装置であるテストハンドラにより通電した状態でテストがおこなわれる。このテストハンドラのヘッドの部品として樹脂またはセラミックス製のソケットが用いられている。
ソケットには複数個の微細径穴があけてあり、テストハンドラに電気的に連結される複数の接続ピンがこの微細径穴を通って半導体素子の端子に接触するようになっている。

ソケットは、プローブのカバーの役目を果たすもので、中央にプローブを通すための貫通穴が半導体素子の接点数分だけ一定間隔で形成されて、プローブをガイドするものである。
ＩＣテストでは、パッケージされた半導体チップが、環境テスト及び電気性能テスト、高周波特性テストによって正しく機能することを確認する。ＩＣテストは、前述のテストハンドラを用いておこなうものであり、テストハンドラがトレーで運ばれてきた半導体チップをテスターのテストヘッドと直結されたソケットに装着してテストが実施され、テストが終了したら、ファイナルテストに合格したチップは顧客の仕様に従って包装されて出荷される。

電気性能テストにおいては、半導体チップが高周波特性などの仕様を満足するかについてテストがなされ、良品と不良品が選別されるのであるが、半導体素子は集積度が高い場合は接点間隔が狭いことから、誘電体損失が大きく、また、熱膨張率が高い樹脂製ソケットでは、測定データの信頼性が低くなるという問題が起きてきた。

樹脂の代替品としてセラミックスが考えられるが、接点間隔が狭い場合、高アスペクト比でのセラミックスの微細径加工は難しい。
特開２０００−３０２４８８号公報

上述の問題を解決するために、樹脂の代替品として石英ガラスを使用することによってノイズの発生が防止可能であることを見出した。これは石英ガラスが樹脂やセラミックスに比べて格段に誘電体損失が小さいため、接点間隔が狭くなっても電気的性能テストにおけるノイズの発生の防止効果が大きいことによること、また、熱膨張係数が樹脂やセラミックスに比べて格段に小さいことから、こうした電子部品のソケット材質としては石英ガラスが適しているということが考えられる。

ただ、実際に穴あけ加工をおこなうと、石英ガラスに±２０μｍ以下の高精度での穴あけは非常に難しいということが判明した。
レーザー加工は、非常に優れた穴あけ加工方法であり、良く知られた方法であるが、図１に示すように、穴のピッチは正確に形成することができるが、形成した穴の深さ方向にゆがみが生じており、石英ガラス板の表裏にバリ（ドロス）が残留して好ましくなく、更に、穴形状が正確な円形とはならずゆがみが生じ寸法にもばらつきが生じている。従って、レーザー加工のみでは、石英ガラスに±２０μｍ以下の高精度での穴あけは現状の技術においては不可能である。

この問題を解決するものとしてガラス材料に複雑な断面形状を有する高品質で高アスペクト比の微細穴を加工する方法として、特許文献１（特開２０００−３０２４８８号公報）にレーザー加工により、または、超音波加工によりガラス基板に微細穴を形成し、その中に樹脂材料またはホットメルト材などの充填物を詰めた状態でガラス基板の両面を研磨し、その後に充填物を微細穴から除去して、微細な貫通穴を形成することが開示されている。

また、研削ツールを使用した研削加工では加工時間が長くなると共に、研削ツールの寿命が短く頻繁に研削ツールを交換しなければならなかった。また、研削抵抗や研削熱の発生があり、微細径でアスペクト比（厚さ／穴径）８以上という高アスペクト比の穴を高精度で加工することは不可能であった。

本発明は、石英ガラス板の研削穴加工において、研削加工スピードのアップを図ると共に、研削ツールの長寿命化、かつ、±２０μｍ以下の高精度で高アスペクト比の微細径穴加工ができるようにすることを目的とする。

石英ガラス板に目的寸法より小さい元穴をレーザー加工によって形成し、次に目的の直径に研削加工することによって高アスペクト比の穴を石英ガラス板に高精度で形成することができるようにしたものである。

石英ガラス板への高精度穴あけについて、加工スピードのアップ、研削ツールの長寿命化が達成でき、厚さ０．５ｍｍ〜５ｍｍの石英ガラス板に、ボール盤やマシニングセンターなどによる研削加工によって、直径０．３ｍｍ以下の円の高精度微細径穴を加工する場合、研削量を少なくすることによって、研削抵抗や研削熱の発生を低減させ、かつ、研削液のまわりこみが十分なされて潤滑性が向上し、高精度の加工が可能となった。

実施例１
図１に示すように、厚さ１．５ｍｍの石英ガラス板２に炭酸ガスレーザー加工機を用い、パルスモードで穴あけのピアス時間（ｓｅｃ）、パワー（Ｗ）、電流（ｍＡ）、周期（ｍｓｅｃ）、パルス幅（ｍｓｅｃ）、そしてアシストガスをエアとして、アシストガス圧（ＭＰａ）を適宜それぞれ条件選定し、レーザービームを照射し、石英ガラス板２に直径０．１２ｍｍの元穴１０を２４個形成した。元穴１０の表裏面の穴の縁にはバリ（ドロス）３が生成されるのが認められた。元穴１０相互のピッチ（ｐ）は、所定のピッチであって正確であるが、元穴１０は、入口（表面）、中央、出口（下面）の直径が均一に加工されず、中央部が細い状態であった。また、石英ガラス板２の表面及び裏面における穴の形状は真円とはならず、楕円形となるものが認められた。
この時の石英ガラス板の断面の状態写真を図２に示す。

次にマシニングセンターを使用し、直径０．１６５ｍｍ、＃６００の電着ダイヤツールを８０００ｒｐｍで回転させて元穴１０を穴あけ加工して穴１を形成した。元穴１０の加工時間は１分／１穴でおこなった。元穴１０がレーザー加工によって形成してあったので、ダイヤツールの研削量が少なく、また、摩耗が少なくなったのでダイヤツール１本で２４個の穴が加工できた。
元穴１０の縁のドロスは消失して石英ガラス板２の表裏面は平坦となった。また、楕円形であった元穴１０は真円の穴１となった。
この状態の石英ガラス板２の平面の状態写真を図３に、穴１の拡大写真を図４に示す。

キーエンス製デジタルマイクロスコープを用いて、３００倍の倍率で穴を形成した石英ガラス板の微細径穴を正面及び断面から測定し、データ処理装置により、直径を計算した。
深さ方向の直径の変動は殆どなくなり、表裏面の穴はほぼ真円で、平均穴径は直径０．１７０ｍｍであった。２４個とも精度±２０μｍ以下であり、高精度な微細径穴加工が施されていることを確認した。

また、石英ガラス板に深さ１．５ｍｍの穴を２４個加工したサンプルをもう１枚作製し、２枚のサンプルについてそれぞれ無作為に選んだ各１０個の穴について、入口面の穴の直径及び出口面の穴の直径をデジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ−５００）で測定した。その結果を表１、及び図５に示す。
なお、円形以外の例えば楕円形の小径穴の場合、２定点からの距離の和が一定である点の軌跡の長円となるが、この細長い円の角部半径が微細径である形状の穴加工についても本発明を応用することで±２０μｍ精度での加工が可能になる。

比較例１
厚さ１．５ｍｍの石英ガラス板に実施例１と同様に炭酸ガスレーザー加工機を使用して直径０．１７０ｍｍの穴あけ加工をおこない、実施例１と同様に検査したところ、その精度は３０μｍ以下であった。

比較例２
厚さ１．５ｍｍの石英ガラス板にマシニングセンターで直径０．１６５ｍｍ、＃６００の電着ダイヤツールを８０００ｒｐｍで回転させて直径０．１７０ｍｍの穴をあけたところ、穴加工時間は１０分／１穴を要し、かつ、ダイヤツールが摩耗し、穴１個について１本のダイヤツールの交換が必要となった。また、穴の加工精度は目標である２０μｍには達しなかった。

本発明の加工手順の概念図。 実施例１の穴を開けた石英ガラス板の断面写真。 実施例１の穴を開けた石英ガラス板の平面写真。 実施例１の穴を開けた石英ガラス板の拡大表面写真。 入口面の穴の直径及び出口面の穴の直径の測定結果のグラフ。

符号の説明

１ 穴
１０ 元穴
２ 石英ガラス板
３ バリ（ドロス）

Claims (2)

1. 石英ガラス板に、目的寸法より小さい元穴をレーザー加工によって形成し、次に目的の直径の穴を研削加工することを特徴とする石英ガラス板の穴加工方法。
2. 請求項１において、穴の直径が０．３ｍｍ以下の円形であり、形成された穴が±２０μｍ以下の精度である石英ガラス板の穴加工方法。