JP2012040574A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で確実に加工を実行できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１は、レーザにより有機物層を加工する加工部１００と、加工部１００により加工された有機物層に、有機物層を構成する樹脂により吸収される波長の光を照射して加工された部分を撮像することで加工された部分を測定する測定部２００とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ加工装置に関し、より特定的には、有機物層を加工するレーザ加工装置に関するものである。

従来、レーザ加工装置は、たとえば特開２００２−２５２４４２号公報（特許文献１）、特開平１０−８５９７６号公報（特許文献２）、および特開２００１−１０２７２０号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００２−２５２４４２号公報 特開平１０−８５９７６号公報 特開２００１−１０２７２０号公報

特許文献１では、評価にかかる時間を短くすることができるとともに、プリント配線板の多くの部位において絶縁層の厚み等の分布を求めることができ、これらを評価することが可能となるプリント配線板のレーザ加工性評価方法を提供することを目的としている。そして特許文献１は、下層導体層上の絶縁層をレーザにより除去して下層絶縁層上面を露出させる工程での下層導体層上面に電磁波を放射する処理層を形成し、レーザによる絶縁膜の除去によって処理層が露出したときに処理層が放射する電磁波を検出して、絶縁層を除去するのに要したレーザのショット数から絶縁層の厚みを算出し、判定基準値と比較することにより絶縁層の厚み分布を判定している。

しかしながら、従来の特許文献１の方法では、処理層を形成する必要があり、加工装置が複雑化するという問題があった。

特許文献２では、加工対象物は、レーザ光による加工方向において、反射率が互いに異なる加工予定層と被加工予定層とを含む積層構造を有し、制御装置は、加工装置が被加工予定層に到達したことが反射光を用いることにより検出された後、さらに所定の加工光強度を付与すべくレーザ光を出射するように、レーザ発振器を制御するレーザ加工装置が開示されている。

特許文献２では、加工と同一の光源を用いているため、加工光源のビーム分布、強度、ビームスプリッタ寸法精度、反射分布、加工物からのプラズマ光と、検出に対して誤差となる要因が大きく精度よく残渣の測定が難しいという問題があった。

特許文献３では、プリント配線板として下層導体と絶縁層との間にレーザ加工時に加工用レーザ波長と異なる波長の電磁波を放射する処理層を備えたものを用いて、プリント配線板の処理層から発せられる信号の変化を計測して絶縁層の残存状態を判定することを特徴とするプリント配線板の加工方法が開示されている。

特許文献３では、加工用レーザ照射時にレーザ波長と異なる波長の電磁波を発生する処理層を備える材料の制約があり、装置が複雑化するという問題があった。また、加工用レーザと同一レーザ光を使用しているため加工用レーザ光の光による測定に大きく影響されるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成で有機物層の加工状態を確実に測定することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

この発明に従ったレーザ加工装置は、レーザにより樹脂を加工する加工部と、加工部により加工された有機物層に、有機物層を構成する樹脂により吸収または反射される波長の光を照射して加工された部分を撮像することで加工された部分を測定する測定部とを備える。

このように構成されたレーザ加工装置では、加工部により加工された有機物層に、その樹脂により吸収または反射される波長の光を照射して加工された部分を撮像することで加工された部分を測定することが可能であるため、余分な層を形成することなく加工された部分を測定することができる。その結果簡単な構成で有機物層の加工を確実に測定することが可能なレーザ加工装置を提供することができる。

好ましくは、有機物層はポリイミド樹脂からなり、測定部は、波長が４００ｎｍ以下の紫外線または波長が１μｍ以上の赤外線を照射して加工された部分の透過光または反射光によって撮像する。好ましくは、有機物層はポリエチレンテレフタレートからなり、測定部は波長が３５０ｎｍ以下の紫外線または波長が５μｍ以上の赤外光を照射して加工された部分の透過光または反射光によって撮像する。

好ましくは、有機物層は液晶ポリマーからなり、測定部は、波長が４００ｎｍ以下の紫外線または波長が５μｍ以上の赤外光を照射して加工部の透過光または反射光によって撮像する。

好ましくは、有機物層はフレキシブル基板上に形成されている。
好ましくは、測定部で用いられる光はミラー回転する光学装置を経由して有機物層の照射される。

この発明は簡単な装置で加工された部分を測定することが可能なレーザ加工装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に従った、加工部と測定部とを有するレーザ加工装置の模式図である。 この発明の実施の形態１に従ったレーザ加工装置で加工されるフレキシブルプリント基板の断面図である。 この発明の実施の形態１に従ったレーザ加工装置において有機物を除去する工程を説明するための断面図である。 この発明の実施の形態１に従ったレーザ加工装置において孔の検査工程を説明するための断面図である。 ポリイミドの可視および紫外領域における透過率（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。 ポリイミドの可視および紫外領域における吸収率（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。 ポリイミドの赤外領域における吸収（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に従った装置で有機物層として用いられるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）および液晶ポリマーの可視および紫外領域における吸収（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。 ＰＥＴの赤外領域における吸収（縦軸）と波数（横軸）との関係を示すグラフである。 液晶ポリマーの赤外領域における吸収（縦軸）と波数（横軸）との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った、加工部と測定部とを有するレーザ加工装置の模式図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従ったレーザ加工装置１は、樹脂を加工する加工部１００と、加工部１００で加工された樹脂を測定する測定部２００とを有する。加工部１００は、炭酸ガスレーザ源である加工用レーザ源１１０と、加工用レーザ源１１０から照射されたレーザ光１１１の向きを変えるためのガルバノスキャナ１２０と、ガルバノスキャナ１２０で反射したレーザ光を収束させるＦθレンズ１３０とを有する。Ｆθレンズ１３０で集光されたレーザ光１１２は、フレキシブルプリント基板３００の表面に照射される。レーザ光１１２が照射される領域が加工エリア３１０であり、フレキシブルプリント基板上の有機物層が除去される。

加工エリア３１０に隣接するように測定エリア３２０が設けられる。測定エリア３２０では、加工エリア３１０で加工された部分が正しく加工されているかどうかが測定される。

測定部２００は、残渣測定用レーザ源２１０を有する。残渣測定用レーザ源２１０から射出されたレーザ光２１１は、ガルバノスキャナ２２０で反射してそのレーザ光は集光レンズ２３０を透過する。集光レンズ２３０を透過したレーザ光は測定エリア３２０のフレキシブルプリント基板３００表面で反射して受光部２４０で検出される。受光部２４０は、レーザ光２１３を測定することで加工エリア３１０での加工状態を撮像することができる。

加工用レーザ源１１０、ガルバノスキャナ１２０、２２０、残渣測定用レーザ源２１０および受光部２４０はそれぞれ制御部４００に接続されている。測定したデータまたは照射するレーザの強さなどが制御部４００により送られる。制御部４００では、コンピュータにより、得られたデータをもとにして、加工が適切に行なわれているかどうかを判断することができる。

図２は、この発明の実施の形態１にレーザ加工装置で加工されるフレキシブルプリント基板の断面図である。図２を参照して、導電層１０、有機物層２０および導電層３０の積層構造体に開口３１を形成する。開口３１の直径はＤとされる。導電層１０はいずれの導電層であってもよい。たとえば、銅、アルミニウムなどの金属であってもよく、不純物が導入されたシリコンなどの半導体であってもよい。

また、有機物層２０は、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）および液晶ポリマー（ＬＣＰ）などのさまざまな有機物を採用することが可能である。

図３は、この発明の実施の形態１に従った孔の検査方法において有機物を除去する工程を説明するための断面図である。図３を参照して、レーザ光１１２により、有機物層２０に孔２２を形成する。このとき、レーザ光１１２は、導電層１０を露出させるようにレーザ光１１２が照射される。しかしながら、有機物の取り残しが孔２２の底部分に残存する場合がある。

図４は、この発明の実施の形態１に従った孔の検査方法において孔の検査工程を説明するための断面図である。図４を参照して、残渣測定用レーザ源２１０からレーザ光２１１を照射する。そして、孔２２の底２２ａから反射した電磁波を受光部２４０が検出する。このときの検出量によって、底２２ａにどの程度残存した有機物層２０が残っているかどうかを検出することができる。そして、底２２ａ全体で有機物層２０の残存量のマップを作成する。

図５は、ポリイミドの可視および紫外領域における透過率（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。図６は、ポリイミドの可視および紫外領域における吸収率（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。図５および図６を参照して、吸収率は、透過率と関連しており、吸収率＝１−透過率という式が成立する。

図７は、ポリイミドの赤外領域における吸収（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。図７を参照して、いずれの有機物層２０を構成する材料においても、特定の波数で吸収が大きくなっていることがわかる。これは、有機物層２０を構成する化学結合に起因する吸収である。

すなわち、レーザ加工装置１は、レーザにより有機物層２０を加工する加工部１００と、加工部１００により加工された有機物層２０に、有機物層２０を構成する樹脂により吸収または反射される波長の光を照射して加工された部分を撮像することで加工された部分を測定する測定部２００とを備える。

（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２に従った装置で有機物層として用いられるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）および液晶ポリマーの可視および紫外領域における透過率（縦軸）と波長（横軸）との関係を示すグラフである。

図８を参照して、ＰＥＴおよび液晶ポリマーでは、約２００〜４５０ｎｍの範囲で吸光度が大きくなる。したがって、残渣測定用レーザ源としてこの波長のレーザを用いれば、有機物層を構成するＰＥＴおよび液晶ポリマーでの吸収が大きくなり、確実に測定することができる。短波長領域において吸収の多い領域（波長が２００から４５０ｎｍ）が見られるため、この領域を用いて、残渣２１の量を算出することが可能である。なお、紫外および可視領域での吸収は、赤外領域での吸収のように、有機物を構成する特定の化学結合に基づく吸収ではない。そのため、赤外吸収で見られた鋭いピークは紫外および可視領域では見当たらない。

図９は、ＰＥＴの赤外領域における吸収（縦軸）と波数（横軸）との関係を示すグラフである。図１０は、液晶ポリマーの赤外領域における吸収（縦軸）と波数（横軸）との関係を示すグラフである。図９および図１０を参照して、特定の波数において、吸収が大きくなっていることがわかる。これは、有機物を構成する特定の化学結合（官能基）による吸収であり、このような吸収が存在すれば、その官能基を有する有機物が残存していることがわかる。

なお、以下において各樹脂の吸光度について説明する。
ＰＥＴでは、波数が１７１２ｃｍ^-1において吸光度のピークが存在する。このピークは、エステルのＣ＝Ｏ結合に由来する。このピークの波長は５．８４μｍである。このような波長のレーザとして、浜松ホトニクス社量子カスケードレーザ（波長５．８μｍ）がある。

またＰＥＴは、波数が１２４０ｃｍ^-1において吸光度のピークを有する。このピークは、カルボニル基のＣ−Ｏ結合に由来する。このピークの波長は８．０６μｍであり、このような波長のレーザとして、半導体レーザ（ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（波長４−８．５μｍ））がある。

またＰＥＴは波数１１００ｃｍ^-1において吸光度のピークを有する。このピークはカルボニル基のＣ−Ｏ結合に由来する。このピークの波長は９．０９μｍであり、このような波長のレーザとして、半導体レーザ（Ｐｂ_1-xＳｎ_xＴｅ（波長６．３−３２μｍ））がある。

またＰＥＴは可視領域の波長３００ｎｍにおいて吸光度のピークを有する。このような波長のレーザとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長０．３０８μｍ）がある。

ＰＩは赤外領域の波数が１７７５ｃｍ^-1において吸光度のピークを有する。このピークはイミドＣ＝Ｏ結合に由来する。このピークの波長は５．６３μｍであり、このような波長のレーザとして、ＤＢｒ化学レーザ（波長５．８−６．３μｍ）がある。

またＰＩは、波数が１７１２ｃｍ^-1の吸光度のピークを有する。このピークはイミドＣ＝Ｏ結合に由来する。このピークの波長は５．８４μｍであり、このような波長のレーザとしてＤＢｒ化学レーザ（波長５．８−６．３μｍ）がある。

またポリイミドは、波数１４００ｃｍ^-1において吸光度のピークを有する。このピークは両側のベンゼン環のメチレンに由来する。このピークの波長は７．１４μｍであり、このような波長のレーザとして半導体レーザ（ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（波長４−８．５μｍ））が存在する。

またポリイミドは可視領域において波長が４５０ｎｍで吸光度のピークを有し、このような波長のレーザとしてＡｒイオンレーザ（波長０．４５μｍ）が存在する。

ＬＣＰは赤外領域において波数が１７３０ｃｍ^-1の吸光度のピークを有する。このピークはエステルのＣ＝Ｏ結合に由来する。このピークの波長は５．７８μｍであり、このような波長のレーザとして浜松ホトニクス社製量子カスケードレーザ（波長５．８μｍ）または半導体レーザ（ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（波長４−８．５μｍ））が存在する。

またＬＣＰは波数１３００−１１５０ｃｍ^-1の吸光度のピークを有する。このピークはエステルのＣ−Ｏ結合に由来する。このピークの波長は７．６９−８．７０μｍであり、このような波長のレーザとして半導体レーザ（ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（波長４−８．５μｍ））がある。

ＬＰＣは波数１６５０−１４００ｃｍ^-1の吸光度のピークを有する。このピークは、ベンゼン環のＣ＝Ｃ結合に由来する。このピークの波長は６．０６−１．７４μｍである。このような波長のレーザとして、ＤＢｒ化学レーザ（波長５．８−６．３μｍ）、半導体レーザ（ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（波長４−８．５μｍ））がある。

また、ＬＰＣは波長４００ｎｍにおいて吸光度のピークを有し、このような波長のレーザとして半導体レーザ（波長が０．４１μｍ）およびＰｂ蒸気レーザ（波長０．４１μｍ）が存在する。

図２で示すような、銅板（厚みが１８μｍ）、ポリイミド樹脂（厚みが２５μｍ）、銅板（厚みが１８μｍ）の層構造を有するフレキシブルプリント基板を準備した。このフレキシブルプリント基板において、ロール巻から加工機に挿入されて加工され、さらに加工後ロール巻取りする加工装置において、予め片側の銅板に図２で示すようにフォトリソグラフィと銅エッチングにより開口３１が形成されている。そして炭酸ガスレーザ（ＣＯ₂レーザ）からのパルス照射により、ポリイミド樹脂を除去するブラインドビア構造のフレキシブルプリント基板を加工した。ここで、レーザは、出力１００Ｗ、約１２μ秒パルス発振する炭酸ガスレーザとする。炭酸ガスレーザは、図１で示すガルバノスキャナ１２０により銅の孔加工されている位置へ照射できるように制御される。ここで炭酸ガスレーザにより一定エリア加工された後、加工されたフレキシブルプリント基板を、ポリイミド樹脂に吸収を持つ波長のＵＶ（ultraviolet）−ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ（波長３５５ｎｍ）を照射し、底面のＣｕにより反射して戻った反射光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラにより構成される受光部２４０で受光し、受光した孔形状により炭酸ガスレーザで加工により残ったポリイミド樹脂の残渣を測定するシステムで測定できるエリアに移動し、ポリイミド樹脂の残量を測定した。このポリイミド樹脂の透過率、吸光度は図５から図７で示される。

ここで、銅の底面にポリイミド樹脂が残渣として残っている場合、測定用に照射したＵＶ−ＹＡＧレーザ光は、ポリイミド樹脂に吸収を持つため反射光が戻らず、受光部２４０では暗く写る。ポリイミド樹脂が炭酸ガスレーザにより加工されポリイミド樹脂が完全に除去され、銅の底面が露出している場合には、ＵＶ−ＹＡＧレーザ光は、底面の銅により反射され、ＣＣＤカメラにより明るく検出される。銅の底面から反射される輝度分布をＣＣＤカメラで測定することでポリイミドの樹脂の残渣を判別することができる。

このとき、予めＣＣＤカメラの画像には、炭酸ガスレーザをフレキシブルプリント基板に照射してＳＥＭ(scanning electron microscope)、ＩＲ（infrared）吸収測定で残渣がないことを確認した孔に対し、ＵＶ−ＹＡＧレーザを照射および反射させてＣＣＤカメラが測定した画像を参照データとして、この参照データと、新たに加工されたサンプルにおける反射分布および輝度とを比較することで、新たに加工されたポリイミド樹脂の残渣を判別させる。すなわち、残渣が全くない孔からの反射光と、加工直後の孔からの反射光とを対比することで、残渣の残量および分布を測定することができる。

炭酸ガスレーザで加工した後、加工された部分に所定量以上のポリイミド樹脂残渣が測定された場合には、制御部４００に信号を伝え、レーザ加工装置１を停止させることで、ロール巻フレキシブルプリント基板すべてを不良にすることなく加工を続けることができる。なお、一部分で不良が計測された場合には、その部分を除去し、次の工程から加工用レーザ源１１０からのレーザの出力を大きくするか、またはレーザによる加工時間を長くすることで不良の発生を抑制することができる。

図２で示すような、銅板（厚みが１８μｍ）、ポリイミド樹脂（厚みが２５μｍ）、銅板（厚みが１８μｍ）の層構造を有するフレキシブルプリント基板を準備した。このフレキシブルプリント基板において、ロール巻から加工機に挿入されて加工され、さらに加工後ロール巻取りする加工装置において、予め片側の銅板に図２で示すようにフォトリソグラフィと銅エッチングにより開口３１が形成されている。そして炭酸ガスレーザ（ＣＯ₂レーザ）からのパルス照射により、ポリイミド樹脂を除去するブラインドビア構造のフレキシブルプリント基板を加工した。ここで、レーザは、出力１００Ｗ、約１２μ秒パルス発振する炭酸ガスレーザとする。炭酸ガスレーザは、図１で示すガルバノスキャナ１２０により銅の孔加工されている位置へ照射できるように制御される。ここで炭酸ガスレーザにより一定エリア加工された後、加工されたフレキシブルプリント基板を、ポリイミド樹脂に吸収を持つ波長のハロゲンランプを照射し、底面のＣｕにより反射して戻った反射光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラにより構成される受光部２４０で受光し、受光した孔形状により炭酸ガスレーザで加工により残ったポリイミド樹脂の残渣を測定するシステムで測定できるエリアに移動し、ポリイミド樹脂の残量を測定した。このポリイミド樹脂の透過率、吸光度は図５から図７で示される。

ここで、銅の底面にポリイミド樹脂が残渣として残っている場合、測定用に照射したＵＶ−ＹＡＧレーザ光は、ポリイミド樹脂に反射を持つため底面Ｃｕ電極との反射率の差および凹凸による反射光差により、ＣＣＤカメラでポリイミド樹脂残渣が受光部２４０に写る。ポリイミド樹脂が炭酸ガスレーザにより加工されポリイミド樹脂が完全に除去され、銅の底面が露出している場合には、ハロゲンランプは、底面の銅により反射され、ＣＣＤカメラにより明るく検出される。銅の底面から反射される輝度分布をＣＣＤカメラで測定することでポリイミドの樹脂の残渣を判別することができる。

このとき、予めＣＣＤカメラの画像には、炭酸ガスレーザをフレキシブルプリント基板に照射してＳＥＭ(scanning electron microscope)、ＩＲ（infrared）吸収測定で残渣がないことを確認した孔に対し、ハロゲンランプを照射および反射させてＣＣＤカメラが測定した画像を参照データとして、この参照データと、新たに加工されたサンプルにおける反射分布および輝度とを比較することで、新たに加工されたポリイミド樹脂の残渣を判別させる。すなわち、残渣が全くない孔からの反射光と、加工直後の孔からの反射光とを対比することで、残渣の残量および分布を測定することができる。

炭酸ガスレーザで加工した後、加工された部分に所定量以上のポリイミド樹脂残渣が測定された場合には、制御部４００に信号を伝え、レーザ加工装置１を停止させることで、ロール巻フレキシブルプリント基板すべてを不良にすることなく加工を続けることができる。なお、一部分で不良が計測された場合には、その部分を除去し、次の工程から加工用レーザ源１１０からのレーザの出力を大きくするか、またはレーザによる加工時間を長くすることで不良の発生を抑制することができる。

この発明は、有機物層を加工することが可能なレーザ加工装置の分野で用いることができる。

１ レーザ加工装置、１０，３０ 導電層、２０ 有機物層、２１ 残渣、２２ 孔、２２ａ 底、３１ 開口、１００ 加工部、１１０ 加工用レーザ源、１１１，１１２，２１１，２１３ レーザ光、１２０，２２０ ガルバノスキャナ、１３０ レンズ、２００ 測定部、２１０ 残渣測定用レーザ源、２３０ 集光レンズ、２４０ 受光部、３００ フレキシブルプリント基板、３１０ 加工エリア、３２０ 測定エリア、４００ 制御部。

Claims (7)

1. レーザにより有機物層を加工する加工部と、
   前記加工部により加工された前記有機物層に、前記有機物層を構成する樹脂により吸収または反射される波長の光を照射して加工された部分を撮像することで加工された部分を測定する測定部とを備えた、レーザ加工装置。
2. 前記有機物層はポリイミド樹脂からなり、前記測定部は波長が４００ｎｍ以下の紫外線または波長が１μｍ以上の赤外光を照射して前記加工された部分の透過光または反射光によって撮像する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記有機物層はポリエチレンテレフタレートからなり、前記測定部は波長が３５０ｎｍ以下の紫外線または波長が１μｍ以上の赤外光を照射して前記加工された部分の透過光または反射光によって撮像する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記有機物層は液晶ポリマーからなり、前記測定部は波長が４００ｎｍ以下の紫外線または波長が１μｍ以上の赤外光を照射して前記加工された部分の透過光または反射光によって撮像する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記有機物層はフレキシブルプリント基板上に形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記フレキシブルプリント基板はロールの形状から引き出されて加工および測定された後、ロールの形状に巻き取られる、請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記加工部で用いられるレーザおよび前記測定部で用いられる光の少なくとも一方はミラー回転する光学装置を経由して前記有機物層に照射される、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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