JP2013180342A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工不良の有無を判定するための所要時間の短縮を図ることが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 ビーム走査器が、レーザ光源から出射したレーザビームを加工対象物に入射させると共に、走査可能範囲内でレーザビームの入射点を移動させる。撮像装置が、加工対象物の表面の一部の領域を撮像して画像データを取得する。制御装置が、ステージを制御して、加工対象物の第１の領域を走査可能範囲内に移動させ、ビーム走査器を制御して第１の領域内にレーザビームを入射させてレーザ加工を行う。第１の領域内のレーザ加工を行なっている間に撮像装置を制御して、加工対象物の表面のうち、第１の領域とは異なり、既にレーザ加工が終了した第２の領域の画像データを取得する。
【選択図】図６

Description

本発明は、加工対象物上の複数の加工点に順番にレーザビームを入射してレーザ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

プリント基板等の加工対象物にパルスレーザビームを入射させて穴開け加工を行う技術が知られている。通常、パルスレーザビームのパルスエネルギにばらつきがあり、平均値よりも小さなパルスエネルギのレーザパルスが発生する場合がある。穴開け加工に必要なパルスエネルギの下限値より小さなパルスエネルギのレーザパルスが発生すると、加工不良が発生する。

特許文献１に開示された方法では、基板にレーザビームを入射させて穴開け加工を行った後、ＣＣＤカメラで穴開け加工が施された位置を撮像することにより、穴が所望の位置に形成されているか否かが確認される。さらに、観測用レーザビームで加工部位近傍をスキャンすると同時に、基板を上下方向に移動させることにより、形成された穴の断面形状を確認する。

特許文献２に開示された方法では、基板に、走査ミラーを経由してレーザビームが入射しているときに、走査ミラーを経由して逆方向に伝搬する光を撮像装置で受けることにより、加工部の画像を取得する。取得された画像を分析することにより、穴開け加工が終了したか否かを判定する。

特開２００１−１２１２７９号公報 特開２００４−２２３５５３号公報

穴開け加工を行った後、レーザビームのスキャン及び基板の上下移動によって穴の断面形状を確認する方法では、確認に長時間が必要である。レーザビームの入射中に、加工部の画像を取得する方法では、加工に使用しているレーザビームの影響を排除できないため、穴形状を高精度に観測することが困難である。

本発明の目的は、加工不良の有無を判定するための所要時間の短縮を図ることが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
加工対象物を保持し、前記加工対象物を、その表面に平行な方向に移動させるステージと、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを、前記加工対象物に入射させると共に、走査可能範囲内でレーザビームの入射点を移動させるビーム走査器と、
前記加工対象物の表面の一部の領域を撮像して画像データを取得する撮像装置と、
前記ステージ、前記レーザ光源、前記ビーム走査器、及び前記撮像装置を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記ステージを制御して、前記加工対象物の第１の領域を前記走査可能範囲内に移動させ、前記ビーム走査器を制御して前記第１の領域内にレーザビームを入射させてレーザ加工を行い、前記第１の領域内のレーザ加工を行なっている間に、前記撮像装置を制御して、前記加工対象物の表面のうち、前記第１の領域とは異なり、既にレーザ加工が終了した第２の領域の画像データを取得するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
加工対象物の第１の領域内の複数の加工点にレーザビームを入射させてレーザ加工を行う工程と、
前記第１の領域でレーザ加工を行なっている期間に、既にレーザ加工が終了している第２の領域の画像を取得する工程と、
前記第２の領域の画像を解析し、加工不良箇所を検出する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

加工対象物に対する加工と、加工された領域の撮像とが並行して行われるため、加工及び撮像のための所要時間を短縮することができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、加工対象物の平面図である。 図３は、撮像装置、昇降機構、及び加工対象物の相対位置関係を示す概略図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、ビーム走査器と撮像装置との平面位置関係を示すファイ略図である。 図５は、加工対象物の平面図である。 図６Ａは、加工対象物に画定されたスキャンエリアの通し番号を示す図であり、図６Ｂは、実施例による方法で加工を行う際のスキャンエリアの加工と撮像とのタイミングチャートであり、図６Ｃは、比較例による方法で加工を行う際のスキャンエリアの加工と撮像とのタイミングチャートである。 実施例によるレーザ加工方法のフローチャートである。 表示装置に表示された画像、及び入力装置の概略図である。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。ステージ１０の保持面に、プリント基板等の加工対象物１２が保持されている。基台１３に移動機構１１が取り付けられている。移動機構１１は、制御装置１５から制御を受けて、ステージ１０を、加工対象物１２の表面に平行な方向に移動させる。例えば、ステージ１０の保持面及び加工対象物１２の表面が水平になるように、移動機構１１が基台１３に支持される。保持面に平行で相互に直交する２方向をｘ方向及びｙ方向とし、保持面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

レーザ光源１６がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１６として、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等が用いられる。レーザ光源１６から出射したレーザビームが、ビーム整形光学系１７によりビーム断面を整形され、コリメートされる。コリメートされたレーザビームが、ベンディングミラー１８、ビーム走査器１９、及びｆθレンズ２０を経由して加工対象物１２に入射する。

ｆθレンズ２０は、ビーム整形光学系１７内のマスク位置のビーム断面形状を、加工対象物１２の表面に結像させる。ビーム走査器１９は、制御装置１５から制御を受けて、加工対象物１２の表面においてレーザビームの入射点をｘ方向及びｙ方向に移動させる。レーザビームの入射点の移動可能範囲を「走査可能範囲」２１ということとする。ビーム走査器１９は、例えばｘ用ガルバノスキャナ及びｙ用ガルバノスキャナにより構成される。

ステージ１０の上方に撮像装置２５が配置されている。昇降機構２６が、制御装置１５から制御を受けて、撮像装置２５をｚ方向に移動させる。撮像装置２５は、加工対象物１２の表面の一部の領域を撮像し、画像データを取得する。取得された画像データが、制御装置１５に入力される。撮像装置２５には、例えば２次元ＣＣＤカメラが用いられる。なお、撮像装置２５として、ラインセンサを用いてもよい。ラインセンサを用いる場合には、加工対象物１２をラインセンサのライン方向と直交する方向に移動させながら複数の１次元画像を取得する。複数の１次元画像を組み合わせて、２次元画像を得ることができる。

オペレータが、入力装置２８を走査して、制御装置１５に種々の指令（コマンド）を与える。入力装置２８には、例えばキーボード、ポインティングデバイス等が用いられる。制御装置１５は、表示装置２９に画像等を表示する。表示装置２９には、例えば液晶ディスプレイ等が用いられる。

図２に、加工対象物１２の平面図を示す。加工対象物１２の表面に、穴を形成すべき位置（加工点）が決められている。加工点の位置は、制御装置１５（図１）に記憶されている。また、加工対象物１２の表面が、複数のスキャンエリア３０に区画されている。１つのスキャンエリア３０は、ビーム走査器１９及びｆθレンズ２０（図１）の走査可能範囲２１に内包される大きさを有する。移動機構１１を制御して、未処理のスキャンエリア３０を走査可能範囲２１内に移動させることにより、そのスキャンエリア３０内の任意の加工点にレーザビームを照射することができる。複数のスキャンエリア３０を、順番に走査可能範囲２１内に移動させることにより、すべてのスキャンエリア３０内の加工点に穴開け加工を行うことができる。本明細書において、スキャンエリア３０内の加工点に穴開け加工を行う処理を、「スキャンエリアの加工」という場合がある。

図２では、ｘ方向を行方向、ｙ方向を列方向と定義したとき、スキャンエリア３０が４行４列の行列状に配置されている例を示しているが、スキャンエリア３０の個数及び配置は、加工対象物１２の大きさ、及び走査可能範囲２１の大きさに依存する。図２では、ｙ方向の負側の端から２行分のすべてのスキャンエリア３０の加工が完了し、ｙ方向の負側の端から３行目の行については、ｘ方向の負側の端から２個分のスキャンエリア３０の加工が完了した状態を示している。加工が完了したスキャンエリア３０内に、複数の穴３１が形成されている
撮像装置２５（図１）の視野２７は、１つのスキャンエリア３０を内包する大きさである。例えば、視野２７は、走査可能範囲２１内に配置されたスキャンエリア３０に隣接する加工済のスキャンエリア３０を内包する。制御装置１５が、加工済のスキャンエリア３０の画像データを解析することにより、穴開け加工の良否を判定することができる。

制御装置１５は、撮像装置２５の視野２７内に定義された座標と、走査可能範囲２１内に定義された座標とを相対位置関係を記憶している。このため、画像データを解析することによって得られた加工不良の箇所と、走査可能範囲２１内の加工点とを１：１に対応づけることができる。

図３に、加工対象物１２、撮像装置２５、及び昇降機構２６の相対位置関係を示す。図３の下半分に、加工対象物１２の断面図を示す。ガラスエポキシ等からなる基板３５の上
に、内層の銅パターン３６が形成されている。銅パターン３６及び基板３５の上に、樹脂膜３７が形成されている。樹脂膜３７の上に、表層の銅膜３８が形成されている。銅膜３８の表面から内層の銅パターン３６まで達する複数の穴（凹部）３１が形成されている。撮像装置２５からフォーカス面までの距離をＦ０とする。

昇降機構２６が撮像装置２５を昇降させると、加工対象物１２から撮像装置２５までの高さが変化する。穴３１の深さ（底面から開口部までの高さ）が撮像装置２５の被写界深度より深い場合には、穴３１の底面と開口部との両方に同時にピントを合わせることができない。図３において、撮像装置２５が実線で示した位置に配置されているとき、撮像装置２５のフォーカス面ＦＳｔが穴３１の開口部に一致する。撮像装置２５を下降させて破線で示した位置に配置したとき、撮像装置２５のフォーカス面ＦＳｂが穴３１の底面に一致する。このように、撮像装置２５を昇降させることにより、穴３１の開口部にピントが合った画像と、穴３１の底面にピントが合った画像とを取得することができる。

図４Ａに、ビーム走査器１９と撮像装置２５との平面位置関係を示す。ビーム走査器１９は、基台１３（図１）に対して固定されている。撮像装置２５は、撮像装置移動機構４３により、ビーム走査器１９に対してｘ方向及びｙ方向に移動可能である。

撮像装置移動機構４３は、ｙ方向リニアガイド４１及びｘ方向リニアガイド４２を含む。ｙ方向リニアガイド４１は、基台１３に固定されている。ｘ方向リニアガイド４２は、ｙ方向リニアガイド４１に支持されて、ｙ方向に移動する。撮像装置２５は、ｘ方向リニアガイド４２に支持されて、ｘ方向に移動する。図４Ａは、撮像装置２５がビーム走査器１９に対してｘ方向の負の側に配置された状態を示している。逆に、撮像装置２５をビーム走査器１９に対してｘ方向の正の側に配置することも可能である。図４Ｂは、撮像装置２５がビーム走査器１９に対してｙ方向の負の側に配置された状態を示す。

図５に、スキャンエリア３０の加工順の一例を示す。図５に示した例では、矢印で示したように、まず、ｘ方向の正の向きに向かって順番にスキャンエリア３０の加工を行う。ｘ方向の正側の端のスキャンエリア３０の加工が終了すると、走査可能範囲２１をｙ方向の正の向きに、スキャンエリア１個分移動させる。次に、ｘ方向の負の向きに向かって順番にスキャンエリア３０の加工を行う。ｘ方向の負側の端のスキャンエリア３０の加工が終了すると、走査可能範囲２１をｙ方向の正の向きに、スキャンエリア１個分移動させる。この手順を繰り返すことにより、全スキャンエリア３０の加工が行われる。

ｘ方向の正の向きに向かって順番にスキャンエリア３０の加工を行なっている期間には、図４Ａに示したように、撮像装置２５をビーム走査器１９に対してｘ方向の負の側に配置する。ｘ方向の負の向きに向かって順番にスキャンエリア３０の加工を行なっている期間には、撮像装置２５をビーム走査器１９に対してｘ方向の正の側に配置する。走査可能範囲２１をｙ方向の正の向きに、スキャンエリア１個分移動させたときには、図４Ｂに示したように、撮像装置２５をビーム走査器１９に対してｙ方向の負の側に配置する。ビーム走査器１９に対して撮像装置２５を上述のように配置することにより、スキャンエリア３０の加工と並行して、加工が終了したスキャンエリア３０を撮像することができる。

図２及び図５では、視野２７がスキャンエリア３０より大きい場合を示した。視野２７がスキャンエリア３０よりも小さい場合には、スキャンエリア３０の加工中に、撮像装置２５のｘ方向及びｙ方向の位置を変えて複数回撮像することにより、１つのスキャンエリア３０内に形成されたすべての穴３１の画像データを取得することができる。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、スキャンエリア３０の加工の順番と、撮像装置２５による撮像の順番について説明する。

図６Ａに、スキャンエリア３０と、それに付した通し番号との関係を示す。ｙ方向の負側の端の行を１行目とすると、奇数番目の行においては、ｘ方向の正の向きに昇順に通し番号が付されている。ｘ方向の正側の端では、ｙ方向の正側に隣接するスキャンエリア３０に、その次の通し番号が付される。偶数番目の行においては、ｘ方向の負の向きに昇順に通し番号が付されている。ｘ方向の負側の端では、ｙ方向の正側に隣接するスキャンエリア３０に、その次の通し番号が付される。

図６Ｂに、レーザ加工と撮像とが並行して実行される場合のタイミングチャートを示す。横軸は経過時間を表す。第ｉ番目のスキャンエリア（第１の領域）３０のレーザ加工を行なっている期間に、既に加工が完了している第（ｉ−１）番目のスキャンエリア（第２の領域）３０の撮像が並行して行われる。第１番目のスキャンエリア３０を加工している期間には、撮像は行われない。通し番号が最も大きい第Ｎ番目のスキャンエリア３０の加工が完了した後、第Ｎ番目のスキャンエリア３０の撮像が行われる。１個のスキャンエリア３０の加工に必要な時間をＴｍとし、１個のスキャンエリア３０の撮像に必要な時間をＴｉとすると、Ｎ個のスキャンエリア３０の加工と撮像とを行うために必要な時間は、Ｔｍ×Ｎ＋Ｔｉとほぼ等しくなる。なお、ここでは、加工対象物１２の移動時間は考慮していない。

図６Ｃに、比較例による方法で加工と撮像を行う場合のタイミングチャートを示す。比較例においては、すべてのスキャンエリア３０の加工が終了した後、各スキャンエリア３０の撮像が行われる。この方法では、Ｎ個のスキャンエリア３０の加工と撮像を行うために必要な時間は、Ｔｍ×Ｎ＋Ｔｉ×Ｎとほぼ等しくなる。

実施例のように、加工と撮像とを並行して実行することにより、加工及び撮像の所要時間を短縮することができる。

図７に、実施例によるレーザ加工方法のフローチャートを示す。ステップＳ１において、図６Ｂに示したように、スキャンエリア３０の加工と撮像とを並行して行う。ステップＳ２において、制御装置１５（図１）が撮像装置２５で取得された画像を自動解析し、加工不良の箇所を検出する。加工の良否は、例えば図３に示した穴３１の開口部の直径と底面の直径とが、それぞれ許容範囲内であるか否かを判定することにより行われる。

ステップＳ３において、制御装置１５は、加工不良と判定された箇所の画像を、表示装置２９（図１）に表示する。

図８に、表示装置２９に表示される画像の一例を示す。表示画面に、穴３１の開口部の画像４５及び底面の画像４６が表示される。さらに、「リペア必要」及び「リペア不要」の入力ボタンも、同一画面内に表示される。

ステップＳ４において、表示された画像をオペレータが観察し、リペア処理が必要か否かを判断する。リペア処理が必要と判断した場合には、入力装置２８を操作して、リペア処理が必要であることを制御装置１５に通知する。リペア処理が不要と判断した場合には、入力装置２８を操作して、リペア処理が不要であることを制御装置１５に通知する。一例として、オペレータは、ポインティングデバイスを操作して、画面上の「リペア必要」または「リペア不要」のボタンを選択することにより、制御装置１５への通知が行われる。

リペア処理が必要であると通知された場合には、ステップＳ５において、制御装置１５は、リペア処理テーブルに、リペア処理が必要な加工点の座標を登録する。登録が完了す
ると、ステップＳ６において、ステップＳ２で検出されたすべての不良箇所について、リペアの要否の判定が終了したか否かを判定する。ステップＳ４において、リペア処理が不要であると判断された場合には、ステップＳ５を実行することなく、ステップＳ６を実行する。未判定の不良箇所が残っている場合には、ステップＳ３に戻って、未判定の不良箇所についての処理を行う。すべての不良箇所の判定が終了した場合には、ステップＳ７において、リペア処理テーブルに登録されているリペア処理が必要な不良箇所のリペア処理を行う。例えば、リペア処理では、不良箇所に追加のレーザ照射を行う。

実施例においては、ステップＳ１においてスキャンエリア３０（図２）の加工と撮像とが並行して行われるため、リペア処理完了までの時間を短縮することができる。また、ステップＳ４において、リペア処理の要否をオペレータが判断するため、リペア不要の箇所に追加のレーザ照射が行われることを防止できる。

上記実施例では、スキャンエリア３０（図２）内のすべての加工点を撮像したが、一部の加工点のみを撮像してもよい。例えば、撮像装置２５（図１）の視野２７（図２）が、スキャンエリア３０より小さい場合には、スキャンエリア３０内の一部の領域を撮像して、画像データを取得する。ステップＳ２（図７）において、この画像データを解析し、画像データに含まれている加工点についてのみ、加工の良否を自動判定する。この判定結果から、全域の加工品質を統計的に推測することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ ステージ
１１ 移動機構
１２ 加工対象物
１３ 基台
１５ 制御装置
１６ レーザ光源
１７ ビーム整形光学系
１８ ベンディングミラー
１９ ビーム走査器
２０ ｆθレンズ
２１ 走査可能範囲
２５ 撮像装置
２６ 昇降機構
２７ 視野
２８ 入力装置
２９ 表示装置
３０ スキャンエリア
３１ 穴
３５ 基板
３６ 内層の銅パターン
３７ 樹脂膜
３８ 表層の銅膜
４１ ｙ方向リニアガイド
４２ ｘ方向リニアガイド
４３ 撮像装置機構
４５ 穴の開口部の画像
４６ 穴の底面の画像
５０ 入力ボタン

Claims (9)

1. 加工対象物を保持し、前記加工対象物を、その表面に平行な方向に移動させるステージと、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームを、前記加工対象物に入射させると共に、走査可能範囲内でレーザビームの入射点を移動させるビーム走査器と、
   前記加工対象物の表面の一部の領域を撮像して画像データを取得する撮像装置と、
   前記ステージ、前記レーザ光源、前記ビーム走査器、及び前記撮像装置を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記ステージを制御して、前記加工対象物の第１の領域を前記走査可能範囲内に移動させ、前記ビーム走査器を制御して前記第１の領域内にレーザビームを入射させてレーザ加工を行い、前記第１の領域内のレーザ加工を行なっている間に、前記撮像装置を制御して、前記加工対象物の表面のうち、前記第１の領域とは異なり、既にレーザ加工が終了した第２の領域の画像データを取得するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記撮像装置の視野内の座標と、前記走査可能範囲内の座標との、相対位置関係情報を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記撮像装置は、前記加工対象物の表面に対して垂直な方向に関してフォーカス面を移動させる機能を備えている請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザビームが前記加工対象物に入射することにより、前記加工対象物に凹部が形成され、
   前記制御装置は、前記加工対象物の前記第１の領域内のレーザ加工を行なっている期間に、前記撮像装置のフォーカス面を、前記第２の領域に形成された凹部の開口部に合わせて第１の画像データを取得し、さらに、前記撮像装置のフォーカス面を、前記第２の領域に形成された凹部の底面に合わせて第２の画像データを取得する請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記撮像装置と前記ビーム走査器との一方を他方に対して、前記加工対象物の表面に平行な方向に移動させる移動機構を、さらに有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. さらに、
   表示装置と、
   オペレータが指令を入力するための入力装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記撮像装置で取得された前記第２の領域の画像データの画像解析を行い、加工不良箇所を検出し、
   検出された加工不良箇所の画像を前記表示装置に表示し、
   オペレータから、前記入力装置を通じてリペア処理が必要であると通知された加工不良箇所に、レーザビームの追加の照射を行う請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 加工対象物の第１の領域内の複数の加工点にレーザビームを入射させてレーザ加工を行う工程と、
   前記第１の領域でレーザ加工を行なっている期間に、既にレーザ加工が終了している第２の領域の画像を取得する工程と、
   前記第２の領域の画像を解析し、加工不良箇所を検出する工程と
   を有するレーザ加工方法。
8. 前記レーザ加工を行う工程において、レーザビームの入射によって凹部を形成し、
   前記画像を取得する工程において、前記凹部の開口部にフォーカス面を合わせて第１の画像を取得し、さらに前記凹部の底面にフォーカス面を合わせて第２の画像を取得し、
   前記加工不良箇所を検出する工程において、前記第１の画像及び前記第２の画像を解析する請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. さらに、前記加工不良箇所を検出する工程で検出された加工不良箇所に、追加のレーザ照射を行う請求項７または８に記載のレーザ加工方法。

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