JP2010227984A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度を低下させることなく、加工精度を向上させることができるレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】回転軸線の回りに位置決め自在の第１のミラー８ａと、第１のミラー８ａの回転軸線と直交する回転軸線の回りに位置決め自在の第２のミラー９ａとによりレーザ光２を２次元方向に走査させ、ｆθレンズ１０により、レーザ光２を加工対象物１１上に集光させて、加工対象物１１を加工するレーザ加工装置において、回転軸線の回りに位置決め自在の第３のミラー５ａを、レーザ発振器１と第１のミラー８ａとの間、かつ、当該回転軸線が第１のミラー８ａの回転軸線と平行になるようにして配置し、反射面を第３のミラー５ａの回転軸線と平行にした２枚のミラー６，７を、第３のミラー５ａと第１のミラー８ａとの間、かつ、設計上の光軸から等距離の位置に互いに向かい合わせて配置し、レーザ光２を入射させる加工対象物上１１の走査エリアに応じて、レーザ光２の光路を、第３のミラー５ａと第１のミラー８ａのいずれか一方により定める。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光を用いて穴の加工や切断等を行うレーザ加工装置に係り、特に、プリント配線基板にビアホールを加工するのに好適なレーザ加工装置に関する。

電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板は複数の基板を積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、多層配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホール(穴)を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。ビアホールの微細化に伴い、従来の機械的なドリル加工に加えて、高出力のＣ０_２レーザやＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザを用いたレーザ加工が採用されるようになった。

図４は従来のレーザ加工機の光学系を示す図である。同図において、従来の光学系では、レーザ発振器１から出射されるレーザ光２の光路上に、円形のアパーチャ３ａを備えるマスク３が配置され、その後段にベントミラー４ａ，４ｂ、第１のミラー８ａ、第２のミラー９ａ、ｆθレンズ１０及び基板１１がレーザ光出射方向上流側から下流側にこの順序で配置されている。これにより、レーザ発振器１から出射されたレーザ光２はマスク３に設けられた円形アパーチャ３ａにより外形が円形に整形され、ベントミラー４ａ，４ｂによって反射されて第１のミラー８ａに入射し、光路が変更される。第１のミラー８ａで反射されたレーザ光２はさらに第２のミラー９ａに入射し、光路が変更される。第２のミラー９ａで反射されたレーザ光２はｆθレンズ１０を介してＸＹステージ１２上に設置された基板１１に入射し、基板１１を加工する。

第１及び第２のミラー８ａ，９ａは、それぞれの回転軸が互いに直交する方向（ねじれ方向）に配置されており、第１のミラー８ａから基板１１に入射するレーザ光２のＸ方向の位置と、第２のミラー９ａにより基板１１に入射するレーザ光２のＹ方向の位置が、それぞれ決定される。なお、第１のスキャナ８は第１のミラー８ａと第１の駆動モータ８ｂとで構成されており、第１の駆動モータ８ｂは図示を省略する上位制御装置から指令された角度に第１のミラー８ａを位置決めする。

第２のスキャナ９は第１のスキャナ８と同一の構造である。レーザ光２の走査エリア１３はｆθレンズ１０の直径で定まり、通常５０ｍｍ×５０ｍｍ程度である。ＸＹステージ１２は、走査エリア１３内の加工が終了すると、基板１１をＸＹ方向に移動させ、次の被加工領域を走査エリア１３に一致させる。以下、レーザ発振器１から出射されたレーザ光２がｆθレンズ１０の中心軸と同軸になるときの光路を「設計上の光軸」という。レーザ光２が設計上の光軸を通るとき、第１のミラー８ａと第２のミラー９ａはそれぞれ回転の中心に位置決めされる。

以上説明したように、レーザ加工では、直交配置された２軸の第１及び第２のスキャナ８，９とｆθレンズ１０を組み合せたビームスキャン光学系を採用し、レーザ光２を基板１１上で２次元に走査させることにより、高速加工を実現している。また、結像光学系を採用し、円形アパーチャ３ａの像を、ｆθレンズ１０を用いて基板１１上に転写させることにより、穴の真円度を向上させている。また、１つのビアホールに対してレーザ光２を複数回に分けて照射することによりビアホールの形状品質を向上させている。

ところで、ｆθレンズ１０は、ｆθレンズ１０の中心軸に対して角度θで入射する入射光を出射側の焦点においてｆθレンズ１０の中心軸に垂直な面（以下、「焦点面」という。）の中心軸からｆθの位置に入射させる。しかし、焦点面に対して直角に入射させるのは、入射光が入射側の焦点（以下、「前側焦点」という。）を通る場合だけであり、その他の場合は焦点面に対して斜めに入射させる（この斜めに入射する現象をテレセントリック誤差という）。したがって、第１のミラー８ａの第１の偏向点８ｃと第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃをｆθレンズ１０の前側焦点に一致させれば、基板に加工する穴の軸線を基板１１に対してＸ，Ｙ方向とも垂直にすることができ、品質に優れる穴を加工することができる。しかし、第１のミラー８ａの第１の偏向点８ｃと第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃをｆθレンズ１０の前側焦点に配置することは物理的に不可能である。

そこで、例えば特許文献１には、テレセントリック誤差を低減するため、レーザ発振器と直交配置された２軸のスキャナとの間に反射ミラーを配置し、反射ミラーとスキャナを協調動作させたレーザ加工装置が提案されている。

特開平５−２２８６７３号公報

現在、レーザ光をプリント基板上で１ｍｍずつ移動させる場合、スキャナの位置決め応答周波数は２ｋＨｚ（０．５ｍｓ）を超えている。したがって、特許文献１の技術を採用する場合、反射ミラーをスキャナと協調動作させるためには、反射ミラーの移動範囲を数十ｍｍ、かつ、毎秒１ｍ以上の速度で直線移動させた上で精度良く位置決めする必要がある。基板に穴を加工する場合、上記の条件を満足するように反射ミラーを位置決め制御することは困難である。

本発明の目的は、加工速度を低下させることなく、加工精度を向上させることができるレーザ加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ光の設計上の光軸上に、回転軸線の回りに位置決め自在の第１のミラーと、前記第１のミラーの回転軸線と直交する回転軸線の回りに位置決め自在の第２のミラーと、ｆθレンズと、を上記の順序で配置し、前記第１のミラーと前記第２のミラーとにより前記レーザ光を２次元方向に走査させ、前記ｆθレンズにより、前記レーザ光を加工対象物上に集光させて、前記加工対象物を加工するレーザ加工装置において、回転軸線の回りに位置決め自在の第３のミラーを、前記レーザ発振器と前記第１のミラーとの間、かつ、当該回転軸線が前記第１のミラーの回転軸線と平行になるようにして配置し、反射面を前記第３のミラーの回転軸線及び前記設計上の光軸を含む平面と平行にした２枚のミラーを、前記第３のミラーと前記第１のミラーとの間、かつ、前記設計上の光軸から等距離の位置に互いに向かい合わせて配置し、前記レーザ光を入射させる前記加工対象物上の走査エリアに応じて、前記レーザ光の光路を、前記第３のミラーと前記第１のミラーのいずれか一方により定めることを特徴とする。

本発明によれば、加工速度を低下させることなく、加工精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における走査エリアを示す説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光路を示す説明図で、レーザ光を後焦点の中央側に入射させるときの状態を示す。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光路を示す説明図で、レーザ光を後焦点の周辺側に入射させるときの状態を示す。 従来例に係るレーザ加工装置の構成図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図で、図４に示す従来例を同等な各部には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係るレーザ加工装置は、図４に示した従来例に係るレーザ加工装置に対して、ベントミラー４ｂに代えて回転可能な第３のミラー５ａとし、この第３のミラー５ａと第１のミラー８ａとの間に第４及び第５のミラー６，７を配置ものである。その他の各部は従来例と同等である。

第３のスキャナ５は第１のスキャナ８と同じ構造で、第３のミラー５ａの回転軸が第１のミラー８ａの回転軸と平行、かつ、第３のミラー５ａの偏向点がレーザ光２の設計上の光軸上となるように配置されており、回転の中心は図４におけるベントミラー４ｂのレーザ光２の入射点を通る上下方向の仮想の軸に一致する位置である。すなわち、図４においてベントミラー４ａで反射され、ベントミラー４ｂに入射するレーザ光２の光路とベントミラー４ｂで反射され第１のミラー８ａの第１の偏向点８ｃに入射するレーザ光２の光路が直角である場合、回転の中心に位置決めされた第３のミラー５ａはレーザ光２の光路に対して４５度に配置されている。

また、第４及び第５のミラー６，７は反射面が互いに平行、かつ第３のミラー５ａの回転軸及び設計上の光軸を含む（仮想の）平面と平行であって、レーザ光２の設計上の光軸から距離ｍの位置に互いに向かい合うようにして配置されている。また、図３Ａ及びＢに示すようにｆθレンズ１０の前側焦点Ｆは第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃに位置決めされており、第１のミラー８ａの第１の偏向点８ｃは前側焦点Ｆから距離Ｄの位置に位置決めされている。なお、第３のミラー５ａの第３の偏向点５ｃと第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃとの距離Ｌ及び第４及び第５のミラー６，７のレーザ光２の設計上の光軸から距離ｍについては後述する。

次に、本発明の動作を説明する。

図２はプリント基板上の走査エリア１３を示す平面図である。また、図３は図１におけるレーザ光２の光路を示す図であり、図３Ａはレーザ光２を第１の走査エリア１３ａに入射させる場合を、図３Ｂはレーザ光２を第２の走査エリア１３ｂまたは第３の走査エリア１３ｃに入射させる場合を、それぞれ示している。なお、第２及び第３の走査エリアの幅を設計上の光軸を中心として±ｓとすると、この実施形態の場合、第２の走査エリア１３ｂは−ｓ〜−０．５ｓ、第１の走査エリア１３ａは−０．５ｓ〜０．５ｓ、第３の走査エリア１３ｃは０．５ｓ〜ｓである。

先ず、第１の走査エリア１３ａを加工する場合について説明する。
第１の走査エリア１３ａを加工する場合は、図３Ａに示すように、第３のミラー５ａを回転の中心位置に固定する。そして、従来の場合と同様に、第１のミラー８ａと第２のミラー９ａを動作させてレーザ光２を位置決めする。この場合、第３のミラー５ａは回転の中心位置に位置決めされているので、レーザ光２は第４及び第５のミラー６，７の間を通過するだけである。

ｆθレンズ１０の前側焦点は第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃに位置決めされているので、Ｙ方向に関してレーザ光２は基板１１に垂直に入射し、テレセントリック誤差は発生しない。一方、Ｘ方向に関しては、第１のミラー８ａの偏向点がｆθレンズ１０の前側焦点Ｆから距離Ｄ離れているので、走査角度に比例してテレセントリック誤差が発生する。しかし、第１の走査エリア１３ａが−０．５ｓ〜０．５ｓの範囲であるので、加工品質に対するテレセントリック誤差の影響はほとんどない。

次に、第２及び第３の走査エリア１３ｂ，１３ｃを加工する場合について説明する。なお、第２及び第３の走査エリア１３ｂ，１３ｃは設計上の光軸に関して対称なので、第３の走査エリア１３ｃを加工する場合について説明する。

第３の走査エリア１３ｃを加工する場合は、第１のミラー８ａを回転の中心位置に固定し、第３のミラー５ａと第２のミラー９ａを動作させてレーザ光２をＸ，Ｙ方向に位置決めする。図３Ｂに示すように、第３のミラー５ａの第３の偏向点５ｃで反射したレーザ光２は破線２ｏと破線２ｉで挟まれる光路により、第３の走査エリア１３ｃに入射する。すなわち、ｓに入射するレーザ光２ｏは、前側焦点ＦからＤ／２だけ第１のミラー８ａに近い側の設計上の光軸上の点Ｋ１を通るように、また、０．５ｓに入射するレーザ光２ｉは、前側焦点ＦからＤ／２だけｆθレンズ１０に近い側の設計上の光軸上の点Ｋ２を通るように構成されている。

この場合も、ｆθレンズ１０の前側焦点Ｆは第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃに位置決めされているので、Ｙ方向に関しては、テレセントリック誤差が発生しない。一方、Ｘ方向に関しては、テレセントリック誤差が発生するが、レーザ光２の光路が前側焦点Ｆから±Ｄ／２の範囲を通るので、テレセントリック誤差は第１のミラー８ａで走査エリア１３の全エリアを走査する場合に比べて半分に低減される。

ここで、第３のミラー５ａの第３の偏向点５ｃと第２のミラー９ａの第２の偏向点９ｃとの距離Ｌと第４及び第５のミラー６，７のレーザ光２の設計上の光軸から距離ｍについて説明する。

破線２ｏが点Ｋ１に入射する角度θ１は、
θ１＝ｓ／ｆ
であり、破線２ｉが点Ｋ２に入射する角度θ２は、
θ２＝０．５ｓ／ｆ
である。したがって、距離Ｌと距離ｍは、
ｔａｎθ１＝２ｍ／（Ｌ−Ｄ／２） ・・・（式１）
ｔａｎθ２＝２ｍ／（Ｌ＋Ｄ／２） ・・・（式２）
によって求めることができる。

なお、この実施形態では、第２、第１、及び第３の走査エリア１３ｂ，１３ａ，１３ｃを１：２：１に分けるようにしたが、他の比で分けるようにしてもよい。

以上、説明したように本発明に係るレーザ加工装置によれば、従来の走査エリアを確保し、かつ、テレセントリック誤差が半減する。したがって、加工速度を低下させることなく、加工品質を向上させることができる。

１ レーザ発振器
２ レーザ光
３ マスク
５ａ 第３のミラー
６ ミラー
７ ミラー
８ａ 第１のミラー
９ａ 第２のミラー
１０ ｆθレンズ
１１ 加工対象物（基板）

Claims (2)

1. レーザ発振器から出射されるレーザ光の設計上の光軸上に、回転軸線の回りに位置決め自在の第１のミラーと、前記第１のミラーの回転軸線と直交する回転軸線の回りに位置決め自在の第２のミラーと、ｆθレンズと、を上記の順序で配置し、前記第１のミラーと前記第２のミラーとにより前記レーザ光を２次元方向に走査させ、前記ｆθレンズにより、前記レーザ光を加工対象物上に集光させて、前記加工対象物を加工するレーザ加工装置において、
   回転軸線の回りに位置決め自在の第３のミラーを、前記レーザ発振器と前記第１のミラーとの間、かつ、当該回転軸線が前記第１のミラーの回転軸線と平行になるようにして配置し、
   反射面を前記第３のミラーの回転軸線及び前記設計上の光軸を含む平面と平行にした２枚のミラーを、前記第３のミラーと前記第１のミラーとの間、かつ、前記設計上の光軸から等距離の位置に互いに向かい合わせて配置し、
   前記レーザ光を入射させる前記加工対象物上の走査エリアに応じて、前記レーザ光の光路を、前記第３のミラーと前記第１のミラーのいずれか一方により定めることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第２のスキャナの偏向点を、前記ｆθレンズの焦点位置に一致させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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