JP2010234423A - レーザ穴明け加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度を低下させることなく、高品質の穴を加工することができるレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】揺動軸２ｊの軸端に固定された平板状のミラー１を揺動させることによりレーザ発振器８から出力されたレーザ光９の光軸を偏向させ、レーザ光９を所望の位置に位置決めするようにしたレーザ穴明け加工方法において、ミラー１を揺動させたときのミラー１の平面度の変形量を、ミラー１が予め定める位置決め許容範囲内に入った時刻Ｔ０を起点とする時間経過に合わせて求めておき、求めた結果に基づき、ミラー１が予め定める位置決め許容範囲内に入ってからレーザ９を加工部に照射するまでの時間ｔを、加工条件として予め定めておく。
【選択図】図５

Description

この発明は、プリント基板などの穴明け対象物に対してレーザによって穴明けするレーザ穴明け加工方法、及びこの加工方法を実行するための装置に関する。

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。

ビアホールの形成には、ビアホールの微細化に伴い、高出力の炭酸ガスレーザ（ＣＯ_２レーザ）やＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザが使用される。また、平板状のミラー（ガルバノミラー。以下、「ミラー」という。）とｆθレンズとを組み合わせたビームスキャン光学系を用いることにより、レーザ光を走査することで高速加工を実現している。ミラーはマウント部材を介してガルバノスキャナ装置の駆動部（モータ）に連結されており、モータの高速な揺動、位置決め動作に追随して所望の角度に位置決めされ、レーザ光を意図した方向に反射する。

ミラーにより反射されたレーザ光は、ミラーの反射面の平面度に応じてビーム形状、すなわち、ビームの光軸に垂直な断面形状が変化する。また、ビーム形状の変化に伴ってビームモード、すなわち光軸に垂直な断面方向のエネルギ分布も変化する。ガルバノスキャナ装置では、ミラーによって反射されたレーザ光がｆθレンズにより加工面に結像されるので、レーザ光反射時点（照射時点）におけるミラーの平面度が加工した穴の形状を左右する。すなわち、ミラーの平面度が優れていれば、加工した穴の品質、すなわち真円度、穴深さ、穴のテーパ角度等の精度を高くすることができる。

レーザ加工装置を構成するミラーやＦθレンズなどの投影光学系の収差を補正する技術としては、例えば、アダプティブミラーを使って補正する技術がある（特許文献１）。また、ミラーの収差に影響する静的な平面度測定の技術として、フィゾー型レーザ干渉計とフリンジスキャン解析方式の計測システムが知られていた（特許文献２）。

特開２００５−１０３６３０号公報 特開２００１−０９９６２４号公報

ガルバノスキャナ装置では、ミラーを位置決めした直後は、揺動に伴う振動がミラーに発生しているため、加工品質が低下する。

しかし、特許文献１の技術の場合、光学系部品の静的な収差の補正、特にＦθレンズに起因する非点収差や色収差の補正することを目的とするものであるため、実加工でガルバノスキャナが動作しているときの動的なミラー平面度の変化に対しては適用することができない。また、ミラーの動作パターンは種々あり、静的な状態と動的な状態の平面度の差が一定ではないため、加工した穴の品質を向上させることは困難である。

また、特許文献２の技術は、静的な平面度の測定には有効であるが、実加工を想定した動的なミラー平面度の測定は不可能である。

なお、ミラーの揺動に伴う振動が穴の品質を低下させることを予防するため、ミラーを位置決めしてから、十分な時間をおいてレーザを照射すると、加工能率が低下する。

本発明の目的は、上記課題を解決し、加工速度を低下させることなく、高品質の穴を加工することができるレーザ加工方法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、駆動軸の軸端に固定された平板状のミラーを揺動させることによりレーザ発振器から出力されたレーザ光の光軸を偏向させ、前記レーザ光を非加工物の所望の位置に位置決めするようにしたレーザ穴明け加工方法において、前記ミラーを揺動させたときの前記ミラーの平面度の変形量を、前記ミラーが予め定める位置決め許容範囲内に入ったときを起点とする時間経過に合わせて求めておき、前記求めた結果に基づき、前記ミラーが予め定める位置決め許容範囲内に入ってから前記レーザを加工部に照射するまでの時間を、加工条件として予め定めておくことを特徴とする。

本発明によれば、加工速度を低下させることなく、高品質の穴を加工することができる。

本発明の実施形態における動的平面度検査システムの構成図である。 図１におけるミラー位置決め装置の構成図である。 ミラーを揺動させたときのミラーの位置とミラー反射面の形状との関係を示す図である。 本発明を適用したレーザ穴明け加工装置の光学系の構成を示す図である。 本発明を適用した場合のレーザ加工のタイミングを示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について説明する。

はじめに、揺動に伴うミラーの変形を測定する手段について説明する。

図１は、動的平面度検査システムの構成図である。

動的平面度検査システムは、被測定物であるガルバノスキャナ装置及び測定用光学系からなる。ガルバノスキャナ装置は、ガルバノスキャナ２、ガルバノスキャナを制御するガルバノ制御部３、及び制御装置４から構成される。測定用光学系は、パルスジェネレータ７、レーザ発振器８、コリメータレンズ１０，１１，１４，１５、ビームスプリッタ１２、基準ミラー１３、ＣＣＤカメラ１６、画像処理装置１７、及びこれらの各部を制御する制御装置４からなる。本実施形態では、ガルバノスキャナ２が被測定物であり、画像処理部１７においてＣＣＤカメラ１６によって撮影された画像からフーリエ変換干渉計測法に基づいた演算を行い、反射面の形状を数値化して、その結果を制御装置４に出力することにより揺動に伴うミラーの変形を測定する。

ガルバノスキャナ装置では、ミラー１は図示を省略するミラーマウント部材を介してガルバノスキャナ２に内蔵されたモータの出力軸２ｊに締結されている。ガルバノスキャナ２はガルバノ制御部３を介して制御装置４に接続され、制御装置４の制御下にある。ガルバノ制御部３は、制御装置４からの指令によりガルバノスキャナ２を駆動してミラー１の位置決めを行うと共に、ミラー１が目標位置に到達すると、到達信号を制御装置４に出力する。制御装置４に内蔵されたタイマ６は設定器５により遅延時間Ｔを設定する。タイマ６は遅延時間Ｔが経過すると、パルスジェネレータ７を介してレーザ発振器８及び受光装置であるＣＣＤカメラ１６を動作させる。なお、ガルバノスキャナ２の背後側には、ミラー位置決め装置３０が配置されている。

図２は、ミラー位置決め装置３０の構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。同図に示すように、ミラー位置決め装置３０は、ホルダ３１と、ホルダ３１を揺動自在に支持するホルダ支持装置３２と、ホルダ３１を揺動させるモータ３３と、ホルダ支持装置３２をｘｙｚの３軸方向に移動させる移動装置３４とから構成されている。ホルダ３１にはガルバノスキャナ２のモータケースに嵌合する穴が形成されている。そして、ガルバノスキャナ２のモータケースをホルダ３１の穴に嵌合させ、図示を省略する手段により固定すると、ミラー１の揺動軸の軸線はホルダ３１の揺動軸線と同軸になる。ホルダ３１と対向するようにして、レーザ源４０とセンサ４１とが配置されている。センサ４１は、レーザ源４０から出力され、ビームスプリッタ１２に反射されたレーザ光９ｒに対してミラー１が垂直に配置された場合、レーザ源４０から出力され、ミラー１で反射されたレーザ光が垂直に入射する位置に配置されている。なお、移動装置３４、レーザ源４０及びセンサ４１は、制御装置４に接続されており、移動装置３４とレーザ源４０は制御装置４によって制御される。

測定用光学系では、レーザ発振器８は測定光学系分解能を満たした波長のレーザ光を出力する。ここでは、波長３５５ｎｍのレーザ光を出力するＵＶレーザ発振器をレーザ発振器８としている。レーザ発振器８はタイマ６の指令に基づいてパルス状のレーザ光を出力する。なお、パルスジェネレータ７はレーザ発振器８から出力されるレーザ光９の波形（パルス幅とピーク値）を定めるための装置である。そして、後述する干渉縞の境界やコントラストが明瞭になるように波形が定められる。

コリメータレンズ１０，１１はレーザ発振器８から出力されたレーザ光９のビーム径をミラー１の反射面の全面を照射できる大きさに拡大または縮小する。ビームスプリッタ１２は入射するレーザ光９の５０％を透過させ、残りを反射させる。ピームスプリッタ１２の透過側には、基準ミラー１３が配置されている。基準ミラー−１３の反射面の平面度は数ｎｍであり、ビームスプリッタ１２から反射面までの距離はＡである。基準ミラー１３の反射面はレーザ発振器８から出力されたレーザ光９の光軸に対して垂直（９０度）である。

基準ミラー１３で反射され、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光９の光軸上にはコリメータレンズ１４、１５及びＣＣＤカメラ１６が配置されている。コリメータレンズ１４，１５はビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光９のビーム径をＣＣＤカメラ１６の観測素子サイズ以下のビーム径に縮小する。ＣＣＤカメラ１６には画像処理装置１７が接続されている。なお、画像処理装置１７の動作については後述する。

前述のように構成された動的平面度検査システムでは、予め、ホルダ３１にガルバノスキャナ２のモータケースを保持させる。このとき、ミラー１の反射面をミラー１の揺動範囲の中央（θ＝０）に配置させておく。そして、移動装置３４を動作させ、ミラー１の反射面をビームスプリッタ１２から距離Ａの位置に位置決めする。この状態でレーザ源４０を動作させてセンサ４１の出力を確認し、ミラー１の反射面がビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光９（図２において点線で示すレーザ光９ｒ）の光軸に対して垂直であることを確認する。垂直でない場合には、モータ３３を動作させてミラー１の反射面をビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光９ｒの光軸に対して垂直に位置決めする（揺動させる）。また、設定器５によりミラー１の揺動角度θ１（θ１は０の場合と、正の場合と、負の場合と、がある）と、遅延時間Ｔとを制御装置４に入力しておく。

図示を省略する起動ボタンがオンされると、制御装置４は、先ず、ガルバノ制御部３にミラー１を予め入力された角度である角度θ１まで揺動させるよう指示し、ミラー１がθ１度揺動した位置に位置決めされたら、ガルバノ制御部３にミラー１を現在の位置（角度θ１）から角度０（θ＝０）に移動（揺動）させるよう指示する。ガルバノ制御部３はミラー１を揺動させ、ミラー１が許容範囲内に入ると、位置決め完了信号を制御装置４に出力する。制御装置４は、位置決め完了信号を受け取ると、タイマ６をオンする。タイマ６は、指定された遅延時間Ｔ（ＴはＴ＝０を含む）が経過するのを待ち、遅延時間Ｔが経過すると、レーザ発振器８にパルス状のレーザを出力させると共に、ＣＣＤカメラ１６のシャッタを開く。

レーザ発振器８から出力されたパルス状のレーザ光９は、コリメータレンズ１０，１１によりミラー１の反射面よりも大きい大きさに外形を調整され、ビームスプリッタ１２に入射する。ビームスプリッタ１２では、５０％はビームスプリッタ１２を透過して基準ミラー１３に入射し、他の５０％はビームスプリッタ１２で反射される。以下、ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光９を透過レーザ光９ｔ、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光９を反射レーザ光９ｒと称す。

ビームスプリッタ１２を透過し、基準ミラー１３で反射された透過レーザ光９ｔの５０％はビームスプリッタ１２を透過してレーザ発振器８に戻り、残りのレーザ光（以下、透過反射レーザ光９ｔｒと称す。）はビームスプリッタ１２で反射され、コリメータレンズ１４，１５を介してＣＣＤカメラ１６に入射する。一方、ビームスプリッタ１２で反射された反射レーザ光９ｒはミラー１に入射し、ミラー１で反射される。ミラー１で反射されたレーザ光９ｒの５０％はビームスプリッタ１２で反射されてレーザ発振器８に戻り、残りのレーザ光（以下、反射透過レーザ光９ｒｔと称す。）はビームスプリッタ１２を透過し、コリメータレンズ１４，１５を介してＣＣＤカメラ１６に入射する。 ＣＣＤカメラ１６は入射した反射透過レーザ光９ｒｔと透過反射レーザ光９ｔｒを画像データとして取込み、画像処理部１７に送る。

ミラー１の反射面が変形している場合、基準ミラー１３で反射された透過反射レーザ光９ｔｒとガルバノミラー１の反射面で反射された反射透過レーザ光９ｒｔとが干渉するため、干渉縞が生じる。画像処理部１７はフーリエ変換干渉計測法に基づいた演算を行い、反射面の形状を数値化して、その結果を制御装置４に出力する。

なお、フーリエ変換干渉計測法については、文献（サブフリンジ干渉計計測基礎論、著者：武田光夫（電気通信大学）、３．３項、図７）に説明されているので、詳細な説明を省略する。

図３は、ミラーを１０度揺動させたときのミラー１の位置とミラー反射面の形状との関係を示す図であり、（ａ）はミラー１の位置を、（ｂ）〜（ｅ）はミラー反射面の立体的な形状を示している。なお、（ａ）における０は目標位置座標、点線はミラー１の位置決め許容範囲で、例えば目標位置座標（例えば±１０°）に対して±０．００１°前後に設定される。この範囲は任意であるが、ミラーの振れ幅の例えば１／１００００程度、若しくはそれ以下に設定される。また、（ｂ）は静止状態におけるミラー反射面の立体的な形状を、（ｃ）は時刻Ｔ０におけるミラー反射面の立体的な形状を、（ｄ）は時刻Ｔ１におけるミラー反射面の立体的な形状を、（ｅ）は時刻Ｔ２におけるミラー反射面の立体的な形状を、それぞれ示している。

同図において、静止状態におけるミラー反射面の変形、ここでは、反射面の最も高いところと最も低いところの差を取っているが、その変形量は２３６ｎｍ、ミラー１が許容範囲に入った時点（時刻Ｔ０）のミラー反射面の変形は２５５ｎｍ、時刻Ｔ０から５０μｓ経過した時刻Ｔ１のミラー反射面の変形は２０８ｎｍ、時刻Ｔ０から９５０μｓ経過した時刻Ｔ２のミラー反射面の変形は２３５ｎｍである。したがって、ミラー反射面の変形５０μｓ経過した時刻Ｔ１以降にレーザを照射すれば、加工品質を向上させることができる。

ところで、ミラー反射面の変形の程度は、ミラー１の揺動角度θの大きさによって異なる。そこで、ミラー１の動作範囲内において、予め、揺動角度θとミラー反射面の変形との関係を総て求めておく。すなわち、例えば、揺動角度０．１度毎に、時刻Ｔ０から時間１０μｓ経過する毎のミラー反射面の変形を測定しておく。そして、従来から定められているレーザの加工条件（照射条件）であるパルス強度とパルスオン時間に加えて、さらに遅延時間Ｔを設定しておく。このようにすると、品質に優れる穴を加工することができ、しかも、ミラー反射面の変形が収まる最も短い時間を設定することができるので、加工速度もそれほど低下しない。なお、測定値及び設定された遅延時間Ｔは制御装置４の図示しないメモリに例えばテーブル化して格納し、制御装置４のＣＰＵが前記テーブルを直ぐに参照できるようにしておく。

図４は、本発明を適用したレーザ穴明け加工装置の光学系の構成図であり、図１と同等な各部には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

レーザ穴明け加工装置の光学系は、レーザ発振器８、ビーム径調整器２０、パルス整形器２１、第１及び第２の２つのガルバノスキャナ２ａ，２ｂ、第１及び第２のガルバノ制御部３ａ，３ｂ、Ｆθレンズ２２、及びこれらを制御する加工用の制御装置５２から基本的に構成されている。レーザ発振器８は加工用途に合わせて炭酸ガスレーザ若しくは、ＵＶレーザが選択されるが、ここでは、波長９．４μｍのレーザ光９を出力する炭酸ガスレーザ発振器である。レーザ発振器８から出力されたレーザ光９は、ビーム径調整器２０により外径を整形され、音響光学方式のパルス整形器（以下、「ＡＯＭ」と称す。）２１により、加工条件に基づいてパルスエネルギを制御されたエネルギ制御レーザ光９ｋを加工用の光軸に分岐する。なお、エネルギ制御レーザ光９ｋ以外の非エネルギ制御レーザ光９ｄは図示を省略するダンパに照射され、熱に変換される。

エネルギ制御レーザ光９ｋは、第１及び第２のガルバノスキャナ２ａ，２ｂにより揺動方向に位置決めされる第１及び第２のミラー１ａ，１ｂによりワーク５０であるプリント基板上においてＸ−Ｙ方向に位置決めされる。第１及び第２のミラー１ａ，１ｂで反射されたエネルギ制御レーザ光９ｋは、Ｆθレンズ２２により集光され、ＸＹテーブル５１上に載置されたワーク５０の所望の位置に入射する。

このようにしてワーク５０の所望の位置に入射してレーザ加工を行う場合、レーザ発振器８、ＡＯＭ２１及び第１及び第２のガルバノ制御部３ａ、３ｂは、制御装置５２により、同期的に制御される。制御装置５２は、レーザ加工条件の設定と加工パターンに従い、第１及び第２のガルバノスキャナ２ａ，２ｂに動作指令を出力すると共に両者の動作状態を監視する。そして、第１及び第２のミラー１ａ，１ｂの位置決め動作が完了すると、制御装置５２はレーザ発振器８にレーザ出力信号を出力し、レーザ光９を出力させると共に、ＡＯＭ２１に対してパルス整形指令を出力する。パルス整形指令は加工条件に基づいて加工に使用するレーザ光９ｋを整形するもので、この指令により加工光軸上でレーザ光９ｋがＡＯＭ２１で分岐され、非エネルギ制御レーザ光９ｄとエネルギ制御レーザ光９ｋとして出力される。

次に、レーザ加工における各部の動作を説明する。

図５は、本発明を適用した場合のレーザ加工のタイムチャートであり、１回のガルバノ動作でレーザ光を２回照射する例を示している。なお、同図における（ａ）は発振されたレーザパルスの形状を示し、縦軸はエネルギ強度である。また、（ｂ）はレーザ出力信号を、（ｃ）はＡＯＭ出力信号を、（ｄ）はガルバノスキャナの動作状態を、それぞれ示している。また、（ｅ）はミラーの位置であり、縦軸は角度である。なお、（ｅ）における点線はミラーの位置決め許容範囲であり（目標位置は０）、穴の品質を保つためにはこの範囲内でレーザを照射する必要がある。ここでは、理解を容易にするため、ミラー１ａだけが動作するとして説明する。

ガルバノスキャナ２によって揺動駆動されるミラー１ａが揺動軸に対して予め設定された揺動許容範囲θａに入ると（時刻Ｔ０）、制御装置５２は、ガルバノ移動位置決めが完了し停止したと判断する。次に、制御装置５２は、加工条件で設定されている時間ｔが経過した後（時刻Ｔ１）、レーザ発振器８にレーザ出力信号を出す。上記したように、この時間ｔが本発明の特徴である。時刻Ｔ０から時間ｔ経過後の時刻Ｔ１で、レーザ発振器８からレーザ光９が出力されるとともに、ＡＯＭ２１には制御装置５２から時間Ｐの遅延時間をもってＡＯＭ信号が送られる。ＡＯＭ信号は時間Ｑの長さで連続的に出力され、パルス整形の役割も果たす。時間Ｑが経過するとＡＯＭ信号は遮断されるが、以降時間Ｒ経過するまで、レーザ出力信号は連続的に出力され続ける。これで１回目のレーザ照射が終了する。

１回目のレーザ出力信号が出されてから時間Ｄ経過後、制御装置５２から２回目のレーザ出力信号が出され、連動してＡＯＭ２１への出力信号が１回目と同じ条件で出力される。２回のレーザ照射が完了した後、第１及び第２のミラー１ａ，１ｂは次の加工位置へ移動を開始する。そして、この動作を加工が終了するまで繰り返す。なお、動的な平面度の変化が少ないミラーの場合や、穴品質よりも加工速度の向上を求められ場合は、時間ｔの設定を０にすることで対応できる。

１ ミラー
２ｊ 揺動軸
８ レーザ発振器
９ レーザ光
Ｔ０ 時刻

Claims (1)

1. 平板状のミラーを駆動軸に関して揺動させることによりレーザ発振器から出力されたレーザ光の光軸を偏向させ、前記レーザ光を被加工物の所望の位置に位置決めし、当該被加工物に対して穴明け加工を行うレーザ穴明け加工方法において、
   前記ミラーを揺動させたときの前記ミラーの平面度の変形量を、前記ミラーが目標位置座標に対して予め設定した位置決め許容範囲内に入った時刻を起点とする時間経過に合わせて予め求めておき、前記求めた結果に基づき、前記ミラーが予め設定した位置決め許容範囲内に入ってから前記レーザ光を被加工部に照射するまでの時間を加工条件として予め設定しておくことを特徴とするレーザ穴明け加工方法。