JP2011515228A - ガウス形状パルスを用いてレーザ穴開けする方法および装置 - Google Patents

Abstract

レーザパルスを用いて加工対象物に先細り形状の穴を開ける方法および装置は、非集束レーザパルスを用いて特定の先細り形状（７２，７４）と仕上がり面（７６）を有する穴を開け、一方で特定の射出直径（７４）と改善したシステムスループットを維持する。非集束レーザパルスを要することなく所望の先細り形状と仕上がり面を有する穴を開けることができるシステム（１００）が開示される。
【選択図】図６

Description

本発明は、加工対象物のレーザ加工に関する。より具体的には、光または他の電磁放射が加工対象物を通過できる構造を形成する目的で、同質の加工対象物をレーザ穴開けする方法および装置に関する。特に、正確な射出直径、選択可能な先細り形状、および光または他の電磁放射を伝搬し易くする滑らかな仕上げ面を有する、加工対象物内の先細りスルーホールまたはその他形状を有する構造のレーザ穴開けに関する。さらに具体的には、照らされていないときは気が付かないほど十分小さいが、照らしたとき容易に視認できる程度の光を通す穴を開けることに関する。

例えばアルミニウム、ステンレス鋼、プラスチックのような不透明加工対象物内の、非常に小さい、またはマイクロ加工された開口は、人間の裸眼視界にとっては連続しているように見える面を生成することができる。しかし、光が反対面に入射するとき、光は連続面のように見える面から直接届いているように見える。これら開口は、面の平滑度、適切な光の伝達性、適切な強度と完全性を含む、望ましい特性を得るため、非常に正確に形成することを要する。マイクロ加工した開口は、光学的に不透明であるか、または加工対象物および関連する面の様々な望ましい特性が劣化することを避け、他の電磁場および液体が加工対象物を通過するのにも有用である。

この方法で穴開けされた加工対象物は、アルミニウムを含む金属、様々なタイプのプラスチック、エポキシ、グラスファイバーや様々なタイプの被覆基質のような複合材料を含む様々な材料を用いて構成されている。先細りする穴は、これら全ての材料において穴開けすることができる。ただし、レーザパルスパラメータ、例えば焦点面位置、パルスエネルギー、パルス幅、パルス時間プロファイル、パルス繰り返し周波数、パルス数、スポットサイズ、波長は、特定の加工対象物タイプに合わせて変える必要がある。

図１は、従来技術のレーザ穴開けシステム１の概略図を示す。レーザ穴開けシステムは一般に、レーザビーム軸１２に沿ってレーザパルスを出射するレーザ１０、ビーム整形光学素子１４、ビームステアリング光学素子１６、スキャンレンズ１８、コントローラ２０、ステージ２２を備える。ステージ２２は、加工対象物２４を保持し、レーザビーム軸に対応して、３つの直交軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および３軸（ρ、φ、θ）に関する回転に対応する値を含む６軸方向に動かす移動制御装置（図示せず）を備える。加工対象物もしくはレーザビーム軸またはこれら双方は、これらの軸に沿って動かし、または軸回りに回転させ、相対的な動きを得ることができる。コントローラ２０は、レーザビーム経路に沿ってレーザにパルスを出射させ、ビームステアリング光学素子とステージの動きを調整し、加工対象物を位置合わせして、レーザビームパスおよびレーザパルスを加工対象物に所望の点および所望の時刻で入射させる。

穴の先細りは、穴の上面直径と射出直径の比として定義される。上面直径は、レーザビームが最初に入射する加工対象物面で測定される穴の直径である。射出直径は、レーザビームが穴開けする加工対象物を出る面で測定される穴の直径である。先細りは一般に、パワーを調整して、空孔体積のわずかな一部のみが各パルスによって除去されるようにし、レーザがパルス出射されるにともなってレーザビーム経路を収束スパイラルパターンで移動させるようにシステムをプログラムすることにより、穴に対して設けることができる。レーザビーム経路を、収束スパイラルまたは半径が連続的に減少する回転パターンで移動させることは、穿孔法（ｔｒｅｐａｎｎｉｎｇ）と呼ばれ、大きい入射直径と小さい射出直径を有する穴を開けることができる。これは、深さと直径の比が３：１よりも大きい、アスペクト比の高い穴の場合は、より難しくなる。

図２は、穿孔法またはスパイラル手法による従来技術の穴開けの概略断面図を示す。図２は、加工対象物３０、上面直径３２、射出直径３４、階段状側壁３６を示す。本概略図には示していないが、階段状側壁の仕上げ面は粗くなっている。レーザパルスが穴から材料を除去するとき、材料は、ガス状、液状または固体状になっている加工対象物にパルスが当たる位置から排出される。レーザビームは、穴の直径よりも遥かに小さいスポットサイズに集束され、次のパルスを供給するため他の位置に移動すると、既に穴開けされた位置は冷却される。これにより、後続のパルスによって排出される材料は、冷却され、先に穴開けされた面に貼り付き、粗い面を形成する。階段状の側壁と粗い仕上げ面が組み合わさって、光を不規則に伝搬させる穴を形成する。このように穴開けされた穴は、総光量を減じ各穴に光を不規則伝搬させる不規則な側壁を有する様々な外観を提示し、これにより穴パターンは不規則な外観を提示する。この効果はまた、穴を照らして異なる角度から見ると不規則に変化する外観をもたらす。

この課題が存在する理由の１つは、正確性とスループットの要件を満たすため、回路基板にビア穴開けするように設計された既存のシステムがこれら穴を開けるために用いられることである。このタイプのシステム例は、オレゴン州ポートランドのＥｌｅｃｔｒｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社が製造する、モデルＩＣＰ５６５０レーザ穴開けシステムである。これらシステムは一般に、上述の穿孔法を用いてＵＶレーザで回路基板材質に小さなブラインドビアを穴開けするように設計されている。これらシステムは、信頼性と先細り穴を所望の正確性およびスループットで穴開けするパワーを有する一方で、最終製品は所望要件に満たない。

したがって、この手法で先細り穴を穴開けする際に、２つの課題がある。１つ目は、この手法で穴開けするには多くのパルスが必要になることである。穴を開けることのできるスピードは、パルス繰り返し周波数と、レーザビーム経路が点から点へ正確に移動することのできるスピードとによる。これら要因は、先細り穴を開けるスピードを制約し、これによりシステムのスループットを制約する。２つ目は、この手法で穴を開けると、連続レーザパルスで形成されることにより、穴の内面が粗く不規則になることである。この手法により比較的正確に所望の射出直径と穴位置が得られたとしても、側壁の不規則な仕上がり面により、穴によっては他の穴よりも明るかったり暗かったりするなどして、穴の外観が様々に異なる可能性がある。また、側壁の不規則な形状により、見る角度によって穴の外観が異なる場合があり、これは非常に望ましくない効果である。

したがって、向上したシステムスループットを維持しながら、予測可能な射出直径を有し、比較的滑らかで高品質な穴を形成することのできる、基板に先細り穴を設けるレーザ穴開け装置が以前から望まれている。

したがって本発明の目的は、加工対象物内に高品質な先細り穴をマイクロ加工する能力が向上したレーザ加工システムの形態で、方法および装置を提供することである。本発明の目的に基づく前述のおよび他の目的を達成するため、ここに実施形態として詳しく説明する通り、方法および装置が開示される。

この効果を達成するため、加工対象の穴を非常に正確に穴開けする必要がある。第１に、加工終了した加工対象物からの正確な光出力を得るため、穴間隔を慎重に制御する必要がある。第２に、穴の射出直径は、照射していないとき実質的に検出できないように、正確である必要がある。第３に、穴の先細りは、正確な光量を収集し、常に広角から見ることができるように、正確である必要がある。第４に、所望の視野角から見て均一な照度を提供するように、穴内面の仕上がり面を制御する必要がある。最後に、照らしていない穴が実質的に視認できないように、射出穴には残骸が残っていないことが必要である。さらにこれら穴には、気体または液体が穴を貫通しないようにし、機械的な安定性を維持するため、光伝搬材料が満たされる場合がある。この場合、滑らかな側壁により、穴を埋める能力と、側壁と充填材質との間の接着性を増加させることができる。

１実施形態において、穴品質は、ビームの焦点を、加工対象物の面と一致する位置から移動することにより向上する。パワーとレーザパルスの１／ｅ^２直径を所望の射出直径に一致させるようにビームを集束させ、焦点を加工対象物面にセットするのではなく、レーザビーム経路は所望の穴位置の中心に位置合わせされ、焦点は加工対象物面の上方または下方の距離にセットされる。加工対象物の上方または下方の距離の一般的な範囲は、１〜１０００ミクロンであり、より望ましくは１０〜５００ミクロンであり、さらに望ましくは５０〜２００ミクロンである。スポットサイズは、所望の射出直径が得られるように調整される。加工対象物面で測定される望ましい１／ｅ^２スポットサイズは、所望する射出穴の１．５倍〜射出直径の１０倍の範囲であり、望ましくは直径の２倍〜５倍であり、さらに望ましくは１．５倍〜２．５倍である。パワーは、所望の射出直径を得つつ最速穴開け時間を得られるように調整される。

１以上のレーザパルスを用いて穴開けすることにより、レーザパルスの１／ｅ^２直径より小さい直径を有する射出穴を得ることができる。この理由は、図３Ａに示されている。図３Ａは、パワー対光軸４２からの変位をプロットしたガウス形状レーザパルスの断面図を示す。図３Ａに示すように、各レーザパルスのパワーは、特定の材質をアブレートするために必要なパワー量を表すアブレーションレベル４６が、１／ｅ^２直径４４で表される１／ｅ^２レベルにおけるパワーレベルよりも大きくなるように、調整することができる。結果として、このパルスはアブレーション直径４８以内で材質を加工対象物から除去し、ビームの１／ｅ^２直径よりも小さい射出直径を有する穴を開ける。

この手法を用いて穴開けする他の利点は、１／ｅ^２直径が選択されると、穴の射出直径がパルスエネルギーの変化に対し比較的影響を受けにくくなることである。パルスエネルギーまたは幅の比較的大きく変化しても、射出穴直径の変化はわずかである。これは図３Ｂに示されている。同図は、ピークパワー５１を有するガウス形状パルス５０と、第１ガウス形状パルスのピークパワー５１の１２５％のピークパワー５２を有する第２ガウス形状パルス５３の、空間パワー分布の断面図を示す。両者の１／ｅ^２直径は、同一に維持されている。アブレート閾値５４および５５におけるガウス形状の勾配のため、第１パルスのアブレーション直径５７と第２パルスのアブレーション直径５８の差分は、２５％よりも遥かに小さい。そのため、ガウス形状パルスのピークパワーが変化すると、これに対応するパルスのアブレーション直径の変化はより小さくなる。したがって、開けられた穴の射出直径は、パルスのピークパワーの変化に対して比較的影響を受けにくくなる。

この方法の第３の利点は、この方法で穴を開けることにより、穴の内面が滑らかで先細りする仕上がり面となり、穴が光を均一に伝搬させることができる点である。この方法で生成した先細り形状は、非常に一貫しており、パルスのピークパワーと数に対して比較的影響を受けにくい。

本発明の実施形態２において、焦点は加工対象物面に位置しており、加工対象物面の上側において所望のパルスの１／ｅ^２直径が得られるように、焦点は拡大されている。これは、図６に概略的に示すように、適切なスポットサイズを生成するようにシステムを設計することによって得られる。このシステムは、スポットサイズを含む所望のパラメータを有するレーザパルスを生成し、パルスエネルギーと幅と含む適切な特性を有するレーザパルスを生成するようにレーザを選択することにより、この用途において望まれる正確性とスループットを提供することができる。さらに、ビーム整形光学素子とビームステアリング光学素子は、スポットサイズおよび他の所望のレーザビーム特性を生成するように選択される。コントローラは、所望の結果を得るためシステム構成要素の動作を調整するようにプログラムされる。

この手法により、ビームステアリング部品の後に配置されるｆθ（ｆ−ｔｈｅｔａ）またはスキャンレンズの必要がなくなる。ｆθまたはスキャンレンズは一般に、２つの理由のため、ビームステアリング光学素子を用いる高精度マイクロ加工システムにおいて必要となる。１つ目は、強く集束したレーザパルスを、ビームステアリング光学素子を介して伝搬させると、経路長を様々な態様で増加させ、これにより加工対象物に対する焦点の正確な位置を維持することが困難になることである。さらに、ｆθレンズにより、ビームステアリング光学素子の全伝搬範囲にわたって、レーザビーム経路を加工対象物に対して直交させることができる。これは、穴開けのため穿孔法を用いる際に必要となる。より大きな焦点スポットサイズを用いることにより、（θ）レンズが必要なくなる程度まで被写界深度を増加させることができる。より具体的には、ガウススポット形状の使用と組み合わせたこの手法が必要とする弱集束は、ｆθレンズに代えて標準レンズを使用できることを意味する。さらに、システムのパフォーマンスを変えることなく、レンズをステアリングミラーの前後いずれに配置することもできる。さらに、優れた穴形状と滑らかな仕上がり面により、本開示の用途において有用な十分大きいスキャン領域全体にわたって正確な直交性が必要なくなる。

従来技術のレーザ穴開けシステムの概略図である。 従来手法で穴開けした先細り穴の断面図である。 ガウス形状レーザパルスの断面図である。 異なるピークパワーを有する２つのガウス形状パルスの断面図である。 ガウス形状レーザパルス焦点の断面図である。 本発明にかかる方法および装置で穴開けされた穴を示す加工対象物の断面図である。 本発明の実施形態の概略図である。

本発明の実施形態１は、均質のまたは不均質の材料に、制御された射出直径と滑らかな仕上がり内面を有する先細り穴を開ける。実施形態１において、これらの穴は図１に示す従来技術のレーザ穴開けシステムを用いて穴開けされる。図３Ａは、パワー対レーザビーム経路の光軸４２からの変位をプロットした、ガウス形状レーザパルス４０の断面図を示す。同図は、１／ｅ^２直径４４、一般的な加工対象物のアブレーション閾値４６、アブレーション閾値におけるガウス形状レーザパルスの半径４８を示す。アブレーション閾値とは、同値よりもパワーレベルの高いレーザパルスによって材料が加工対象物から除去されるパワーレベルである。アブレーション閾値超のパルスによって除去されるパルス直径内の材料の深さは、パルス幅に関係する。パルス幅が長いほど、材料はより多く除去される。

図４は、焦点６０近傍のレーザビームの概略図を示す。面６４は、レーザビーム経路光軸６２に沿って伝搬するレーザパルスの１／ｅ^２直径を表す。同様の結果を有するこのタイプの概略図を生成するため、レーザパルス幅の任意の測定値、例えばＦＷＨＭを用いることができる。線６０で定義される領域近傍のボリュームは、焦点またはビームウエストである。実質的に断面円状のレーザパルスの場合、これは領域の直径によって表すことができる。

図５は、本発明によって実質的に均質の金属材質７０に開けられた穴を示す。上面直径７２と射出直径７４は、先細り形状を定義する。側壁７６は、上面直径７２から射出直径７４まで、滑らかかつ均一である。このタイプの穴は、光を広範な視野角にわたって均一に伝搬する点で望ましい。本発明を用いて開けた穴は全て、同一の射出直径、先細り形状および滑らかな側壁を有する傾向がある。これは、面に開けられた複数の穴が光を同様の態様で伝搬し、これにより広範な視野角にわたって実質的に同様の外観を有することを意味する。これはまた、穴がパターンを形成し、またはパターンが広範な視野角にわたって同様の外観を有するように開けられた場合、従来技術の手法では得られない非常に望ましい結果が得られることを意味する。

本発明の他の実施形態は、特にこのタイプの穴を形成するように設計されたレーザ穴開けを用いる。これらタイプの穴を開けるように設計されたシステムは、従来技術のレーザ穴開けよりもはるかに大きい焦点サイズを形成することができる。従来技術のレーザ穴開けは、一般に約１００ミクロン直径またはより小さいスポットサイズを有するレーザビームを形成する。これらの結果を得られるシステム１００の概略図を図６に示す。システムは、レーザビーム経路８２に沿ってレーザパルスを伝搬するレーザ８０を備える。レーザパルスは、時間と空間の双方においてレーザビームを整形しサイズ調整するビーム整形光学素子８４を通過する。ビームは次にオプションのビームステアリング光学素子８６を通過して加工対象物９４に到達する。加工対象物９４は、動き制御ステージ９２によって支持されている。システムの全ての構成要素は、各要素を調整し制御するコントローラ９０の制御下で動作する。

レーザ８０は、典型的には、ネオジウム添加ＹＶＯ４、ＹＡＧまたはＹＬＦを用い、毎秒１０，０００パルス以上の繰り返し周波数でパルス毎エネルギーが少なくとも１．０マイクロジュールのレーザパルスを生成するＱスイッチ固体レーザである。これらレーザは一般に、スペクトルの赤外線領域における波長、一般には１０．ミクロン〜１．３ミクロン範囲の波長を有するパルスを生成する。これらパルスは次に、周波数変換される。この過程では、レーザパルスは１以上の周波数倍増結晶を通過し、約５５０ｎｍの緑色から、２５５〜３６５ｎｍ範囲の紫外線までの波長を生成する。また、様々な波長で動作する複数レーザのうち任意のものを、この過程において有効に用いることができる。これには、スペクトルのＩＲ領域で動作するＣＯ_２レーザまたは他の気体レーザ、その他任意数のファイバーレーザが含まれる。

レーザパルスは次に、ビーム整形光学素子８４によって処理される。ビーム整形光学素子８４は、レーザから出射されたパルスを、時間および空間双方の領域で変更することができる。レーザパルスを時間領域で変更することは、一般に、音響光学変調器や電気光学変調器のような光学素子が、パルスを切断してパルス形状を変更し、またはパルスを反射して加工対象物に到達しないようにする偏光器のような他の光学素子と連動することにより、達成される。パルスはまた、コリメーションのように、空間領域で変更することもできる。コリメーションにおいては、パルスがレーザビーム経路に平行な線に沿って光伝搬し、従来のまたは回折光学素子によってビーム整形され、加工対象物上に所望のスポットサイズを生成する従来のレンズとともに、例えば「シルクハット」ビームのような所望のパルス断面を生成し、またはパルスの境界を整形する開口を提供する。さらに、本実施形態において用いられる大焦点サイズに起因して、ビーム整形光学素子８４は、ｆθレンズが必要でないため、必要となる全てのレーザビームのフォーカシングを実施することができる。

ビームステアリング光学素子８６は、一般にガルバノメータまたは圧電もしくは音声コイルステアリングミラーのような他のビームステアリングデバイスで実装されている。ビームステアリング光学素子８６は、適切な位置に穴開けするため、動き制御ステージ９２と協調動作して、レーザビーム経路を加工対象物に対して位置合わせする。

所望の穴の正確な構成によっては、動き制御ステージ、ビームステアリング光学素子のいずれか一方またはその双方を、レーザビーム経路を加工対象物に対して位置合わせするために用いることができる。

当業者にとって、上記実施形態の詳細部分について、本発明の趣旨から逸脱することなく多くの変更をなし得ることは明らかである。したがって本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。

Claims (17)

1. 加工対象物にスルーホールを形成する改善手法であって、
   レーザを用いてレーザパルスを生成するステップと、
   前記レーザパルスを光学素子で変更するステップと、
   前記レーザパルスを前記加工対象物に当てるように方向付けするステップと、
   を有し、
   前記スルーホールは、先細り形状、仕上がり面、射出直径を有しており、
   前記加工対象物は、実質的に均質な金属材質を含み、上面とアブレーション閾値を有しており、
   前記レーザパルスは、スポットサイズ、パルス幅、ピークパワーを有しており、
   さらに、
   前記レーザを用いて、前記加工対象物の前記アブレーション閾値よりも少なくとも２０％大きい前記ピークパワーと、１０ナノ秒よりも大きい前記パルス幅とを有する前記レーザパルスを生成するステップと、
   前記光学素子を用いて、前記加工対象物の前記上面において前記スルーホールの前記射出直径の約２倍よりも大きい１／ｅ^２直径の前記スポットサイズを有するように前記レーザパルスを変更するステップと、
   前記変更したレーザパルスの少なくとも１つを、前記加工対象物の対象部分から材質を除去し、前記射出直径、前記仕上がり面、前記先細り形状を有する前記スルーホールを生成するように方向付けるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記スポットサイズの前記１／ｅ^２直径は、前記射出直径の２倍から５倍の間である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記スポットサイズの前記１／ｅ^２直径は、前記射出直径の約２．５倍である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記レーザパルスの前記ピークパワーは、前記アブレーション閾値よりも約２０％大きいパワーから、前記アブレーション閾値よりも１００％大きいパワーの間である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記レーザパルスの前記ピークパワーは、前記アブレーション閾値よりも約５０％大きいパワーである
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記レーザパルスの前記パルス幅は、１０ナノ秒から１マイクロ秒の間である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記レーザパルスの前記パルス幅は、１０ナノ秒から１００ナノ秒の間である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記仕上がり面は実質的に滑らかであることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 少なくとも１つのレーザパルスを用いて加工対象物にスルーホールを形成する改善システムであって、
   コントローラと、レーザと、光学素子とを備え、
   前記スルーホールは、先細り形状、仕上がり面、射出直径を有しており、
   前記加工対象物は、実質的に均質な金属材質を含み、上面とアブレーション閾値を有しており、
   前記レーザパルスは、スポットサイズ、パルス幅、ピークパワーを有しており、
   さらに、
   前記コントローラは、前記レーザと前記光学素子に接続され、前記加工対象物の前記アブレーション閾値よりも約２０％大きい前記ピークパワーを有する少なくとも１つのレーザパルスを生成し、
   前記スポットサイズは、前記加工対象物の前記上面において前記スルーホールの前記射出直径の約２倍よりも大きい１／ｅ^２直径を有し、
   前記パルス幅は、約１０ナノ秒よりも大きく、
   前記コントローラは、前記レーザパルスを前記加工対象物に対して方向付けし、前記先細り形状、前記仕上がり面、前記射出直径を有する前記スルーホールを生成する
   ことを特徴とするシステム。
10. 前記スポットサイズの前記１／ｅ^２直径は、前記射出直径の２倍から５倍の間である
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 前記スポットサイズの前記１／ｅ^２直径は、前記射出直径の約２．５倍である
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
12. 前記レーザパルスの前記ピークパワーは、前記アブレーション閾値よりも約２０％大きいパワーから、前記アブレーション閾値よりも１００％大きいパワーの間である
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
13. 前記レーザパルスの前記ピークパワーは、前記アブレーション閾値よりも約５０％大きいパワーである
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
14. 前記レーザパルスの前記パルス幅は、１０ナノ秒から１マイクロ秒の間である
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
15. 前記レーザパルスの前記パルス幅は、１０ナノ秒から１００ナノ秒の間である
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
16. 前記仕上がり面は実質的に滑らかであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
17. 上面直径、射出直径、先細り形状、仕上がり面を有する加工対象物を介して光を伝搬させる改善スルーホールであって、
    直径が２０ミクロンから２００ミクロンの実質的に円状の射出直径と、
    少なくとも前記射出直径の１．５倍の上面直径と、
    射出直径から上面直径までの比が１．５以上で連続しかつ滑らかな先細り形状と、
    実質的に滑らかで、最初に穴から除去されて表面に再堆積した材料が実質的に残存していない仕上がり面と、
    を有することを特徴とするスルーホール。

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