JP2013223885A - テーパ状のマイクロホールを機械加工するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い材料を貫通して、長手軸を中心とする所定の断面形状を有するマイクロホールをレーザー加工するための方法を提供する。
【解決手段】前記薄い材料を除去するために必要とされるレーザー出力およびレーザーパルス繰返し周波数値を確立することと、前記マイクロホールの前記必要とされる断面形状を画定するために、第１のホール開口を画定するために、第１の工作軌道を横断すること、前記ホールのテーパ状の内壁を画定するために、第２の工作軌道を横断すること、および、前記第１のホール開口に対向する第２のホール開口を画定するために、第３の工作軌道を横断することにより少なくとも１つの工作軌道を確立することと、前記工作軌道に沿って前記材料が除去される工作速度を確立することと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２００７年５月３日に出願され、その全体が参照として本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６０／９１５，７７０号の優先権を主張するものである。
本発明は、一般に、超薄材料におけるマイクロホールの機械加工または穿孔に関する。

最近、薄い層中にマイクロホール（マイクロビアと呼ばれる）を穿孔してプリント回路基板層の間に経路を確立するためのレーザーマイクロ加工システムにおいて、技術的な投資が行われ、進歩してきた。これらのプロセスにおいて、ホール穿孔プロセスの後に、一般に、マイクロビアのメッキプロセスが続き、層と層の間の電気接続または導電性を確立する。この種の穿孔する際に典型的なことは、マイクロビアの断面形状、すなわち頂部および底部のホール径とビア内壁の急峻さまたはテーパが特に必要とされず、またはメッキされたビアの電気的性能に影響を与えない限り変更しうることである。たとえば、メッキされたビアの電気的性能は、主にビアの頂部および底部の直径により決定され、ビア空洞中への比較的大きな突起がメッキプロセスに干渉するおそれがあるのでビア壁の粗さが重要な問題となることが典型的である。ビア形状に関して、かかる応用例に関する典型的な仕様要件は、単に、より急峻でより滑らかなビア壁に向けられる。

上述の穿孔および機械加工プロセスは、たとえば、特定の入口または出口ホールの直径が必要あるいは所望される場合のように、特定形状のテーパ状のスルーホールが必要とされる場合を意図しておらず、および／またはそのような場合に適用可能もしくは有用ではない。そのため、スルーホールのそのような機械加工に関するパラメータを確立し、かつ求められるまたは指定された形状を有するそのようなホールを穿孔するための特定のプロセスを確立する必要があった。指定された入口開口および出口開口のサイズを有するマイクロスルーホールを穿孔し、それによって、側壁のテーパまたは角度を確立するための能力は、スルーホールを薄い材料を貫通して光を透過するために使用される場合に、特に有用である。光透過の応用例において、制御されたサイズの入口開口および出口開口を有するマイクロスルーホールを穿孔することによって、光の透過量ならびに出口開口を通過する出力ビームの発散光特性を、制御し、特定の商業的な応用例のために最適化することができる。たとえば、マイクロスルーホールの内壁が急峻過ぎる（材料の出口開口側の表面から最も近い側壁までの角度が９０度に近い）の場合、一般には、ホールを通過する光透(4) 過度が高いが、光発散度は比較的乏しく、ユーザは出口ホールを直視して透過された光を確認しなければならない。反対に、マイクロスルーホールが十分に急峻ではない（材料の出口開口側の表面から最も近い側壁までの角度が相対的にほぼ９０度未満）場合、結果として、より大きなホール開口を有する面（典型的には入口側）からホールを照射するときに、マイクロホールを通過する光透過率が非常に小さくなる。

材料を貫通する特定の断面形状のマイクロホールをレーザー加工するための、進歩性を有する方法が開示される。本発明のプロセスは、特に、実質的に均質な組成を有する単一層材料に有用であるが、これらに限定されるものではない。例示的な応用例は、薄い材料およびマイクロホールを光の透過に使用するものである。
本発明の方法は、加工される材料中の材料を除去することを要する、レーザー出力およびレーザーパルス繰返し周波数値を含む穿孔パラメータを確立することを含む。その他のパラメータは、レーザーが材料を除去してマイクロホールを形成する際に辿る少なくとも１つの工作軌道または経路、ならびに工作軌道に沿って材料が除去される工作速度を含む。

一実施例では、工作軌道は３位相軌道経路を含み、この３位相軌道経路は、第１のマイクロホール開口を画定するための第１の軌道、ホールのテーパ状の内壁を画定するための第２の軌道および第１のホール開口に対向する第２のホール開口を画定するため第３の軌道を含む。
別の実施例では、第１のレーザー軌道は、マイクロホールの長手軸を中心とする少なくとも１周の同心回転を含む。第２の軌道は、長手軸を中心とする同心回転の開経路であって、同心回転の半径の長さが減少していく。第３の軌道は、長手軸を中心とする少なくとも１周の同心回転を含む。

添付の図面と共に以下の説明を読むと、本発明のその他の応用例は、当業者には明らかになろう。
本明細書の説明は、添付の図面を参照してなされ、同様の参照数字は、複数の図面を通じて同様の部分を示している。

薄い材料中に例示的なマイクロホールを穿孔するための３相工作軌道の実施例を示す図である。 図１の第１位相軌道から生じる、加工表面の位置の関数としての累積フルエンス分布を示すグラフである。 図１の第２位相軌道から生じる、加工表面の位置の関数としての累積フルエンス分布を示すグラフである。 図１の第３位相軌道から生じる、加工表面の位置の関数としての累積フルエンス分布を示すグラフである。 図２〜４に示す個々の軌道から生じる、加工表面の位置の関数としてのコンパイル累積フルエンス分布を示す比較グラフである。 図１〜５に示す例示的な３位相工作軌道から生じるマイクロホールの例示的なＳＥＭ写真である。

図１〜６を参照すると、薄い基板または材料を完全に貫通するマイクロホール（スルーホールと呼ばれる）を穿孔または機械加工するための方法が開示される。以下に記載する実験を通じて、いくつかのプロセスパラメータが有用であり、マイクロホールを通って穿孔して所用のまたは指定されたホール形状を得る際に、それらのパラメータを考慮すべきであることが、一般に知られている。

考慮されるべき第１のパラメータは、ホールを穿孔するために使用する特定のレーザーに関し、レーザーの出力、およびマイクロホールを穿孔または機械加工するレーザーのパルス繰返し周波数である。図６を見ると最もよくわかるように、厚み１５が４００マイクロメータ（μｍ）のアルミニウム合金材料３中に、直径９０μｍの入口開口５および直径３０μｍの出口開口７を有するスルーマイクロホール１を穿孔するための実験には、５３２ナノメータ（ｎｍ）ＤＰＳＳ Ｎｄ：ＹＡＧレーザーが好ましい。上述のホール１の穿孔に関する実験は、１０キロヘルツ（Ｋｈｚ）で伝達される、上述の材料３の加工表面上の４．５ワット（Ｗ）の平均レーザー出力で成功裏に実施された。上述したような機械加工プロセスは、加工表面１２上の２８μｍの収束ガウスビームスポットをもたらす光学トポロジーを用いてレーザー焦点面で成功裏に実行された。上記実験とは異なる、当業者に既知の他のレーザー、レーザー出力およびパルス繰返し周波数を、本発明から逸脱することなく使用できることを理解されたい。さらに、様々な材料または厚みを使用できることを理解されたい。

本発明の機械加工方法において考慮されるべき次のパラメータは、マイクロホール１を穿孔する際にレーザーが辿る工作軌道または経路である。図１〜５を見ると最もよくわかるように、指定されたまたは特定のホール形状が必要とされる穿孔において、マイクロホールを貫通して穿孔するための３相工作軌道２０が特に有用であることが、実験を通してわかった。好ましい３相工作軌道は、第１の軌道（または第１位相）３０、第２の軌道（または第２位相）４０および第３の軌道（または第３位相）５０を含む。

図１、２および６を参照すると、好ましい３相工作軌道２０の好ましい第１の工作軌道３０が図示されている。材料３の第１の表面１２を横断する第１の軌道３０は、マイクロホール１の頂部（入口）直径または第１開口５を画定するために有用であることが、実験を通じてわかった。好ましい第１の工作軌道３０において、図６を見ると最もよくわかるように、閉経路の円形状をした軌道が、第１の材料表面１２に第１開口５を画定するのに適切である。図１を見ると最もよくわかるように、長手軸２５を中心とする少なくとも１回の完全な回転からなる円形状の軌道３０が使用される。好ましい実施例では、バルク材料３をいくらか除去すると同時に第１開口５を確立するためには、長手軸２５を中心とする複数回の完全な円形回転３０が必要とされる。

２８μｍの収束ガウスビームスポットを使用して、直径９０μｍの第１開口５と直径３０μｍの出口の第２開口７を４００μｍ厚のアルミニウムに穿孔する実験を通じて、第１の軌道３０は、長手軸２５を中心とする、直径６０μｍで切削速度が毎秒７３ミリメートル（ｍｍ／秒）の５周の円形回転からなる。
好ましい３相工作軌道２０の第２の位相すなわち軌道４０では、同心円からなる開経路４０が内壁１０を有する所望のビア１を穿孔するのに適切であり、この同心円の半径距離すなわち第１の軌道３０上の点から始まって第３の軌道５０上の点で終わる軸２５からの長さは減少していく。

上述のホール形状を穿孔する実験を通じて、第２の軌道４０は、長手軸２５を中心とする、１回転につき１０ミリメータ（ｍｍ／回転）の半径ピッチすなわち半径減少で、５周の開放したらせん状の回転を含み、その回転は、切削速度７３ｍｍ／秒で外側穿孔直径６０μｍの第１の軌道から始まり１０μｍの直径７（第３の軌道５０）で終わるのが適切であった。
好ましい第３の工作位相または軌道５０では、長手軸２５を中心とする少なくとも１周の同心回転５０の閉軌道経路が使用される。好ましい実施例では、長手軸２５を中心とする円形状経路中に数多くの閉回転が使用された。

上述のホール１を穿孔するための実験を通じて、第３の軌道５０は、長手軸２５を中心とする、切削速度が７３ｍｍ／秒で１０μｍの直径７を有する完全な円形状の回転を５周含む。
上述のホール１を、説明された特定の様式の３つの別々の軌道を使用して、材料３中に穿孔するための開示された実験を通じて、当業者に既知のパラメータと軌道との変形形態を、本発明から逸脱することなく使用することができることを理解されたい。

さらに、第１の軌道３０、第２の軌道４０および第３の軌道５０を含む好ましい３相工作軌道２０は、別個の分断された軌道として開示されているが、第１の軌道３０、第２の軌道４０および第３の軌道５０は継ぎ目のないものとしたり、連続する途切れないプロセスで実行したりできることを理解されたい。さらに、材料３および本明細書で当業者には既知の、本明細書で論じられる他のパラメータに応じて、使用する工作位相または軌道の数を増減できることを理解されたい。さらに、図６に示される特定の形状を有する本実験のホール１は例示的なものに過ぎず、本発明から逸脱することなく本発明のプロセスを通じて、材料３中の関連する第１開口５、第２開口７およびテーパ状の内壁１０について、
他のサイズおよび形状のホールを作成することができる。

考慮されるべき第４のプロセスパラメータは、レーザーが材料３を沿って移動して材料３を除去する工作速度である。実験を通じて、上述の実験パラメータの下では、所望の形状の良好なビアを作成するために適切な工作速度は、７３ｍｍ／秒である。本発明から逸脱することなく、当業者には既知のその他の工作速度を使用できることを理解されたい。
本発明の理解を簡単にするために、上述の実施形態を説明してきたが、それらは、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な修正形態および同等の構成を網羅することを意図するものであった。特許法が容認するように、特許請求の範囲は、そのような修正形態および等価構造の全てを包含するように最も広く解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 薄い材料を貫通して、長手軸を中心とする所定の断面形状を有するマイクロホールをレーザー加工するための方法であって、
   前記薄い材料を除去するために必要とされるレーザー出力およびレーザーパルス繰返し周波数値を確立することと、
   前記マイクロホールの前記必要とされる断面形状を画定するために、第１のホール開口を画定するために、第１の工作軌道を横断すること、前記ホールのテーパ状の内壁を画定するために、第２の工作軌道を横断すること、および、前記第１のホール開口に対向する第２のホール開口を画定するために、第３の工作軌道を横断することにより少なくとも１つの工作軌道を確立することと、
   前記工作軌道に沿って前記材料が除去される工作速度を確立することと、を有し、
   前記第１の工作軌道及び前記第３の工作軌道が、前記長手軸を中心とする少なくとも１周の同心回転の閉経路であり、かつ
   前記第２の工作軌道が、前記長手軸を中心とする同心回転の開経路であって、前記同心回転の半径の長さの減少が前記第１の工作軌道上の点から始まり前記第３の工作軌道上の点で終了することを特徴とする方法。
2. 前記第１の工作軌道を横断することは、前記長手軸を中心とする複数の同心回転の閉経路を横断することを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記同心回転の半径の長さが減少していく長手軸を中心とする同心回転の開経路は、５周の開放したらせん状の回転を含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第３の工作軌道を横断することは、前記長手軸を中心とする複数の同心回転の閉経路を横断することを含む請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記第１、第２および第３の工作軌道が、１つの連続経路を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
6. 薄い材料を貫通する光の透過に使用するためのマイクロスルーホールを機械加工するための方法であって、
   機械加工されるべき前記薄い材料の厚みを決定することと、
   前記スルー開口のテーパ状の前記側壁を画定する前記スルーホールの入口開口および出口開口のサイズを決定することと、
   材料を除去して、前記入口開口、前記テーパ状の側壁および前記出口開口を形成するために、工作軌道を横断することと、を含み、
   前記工作軌道を横断することが、
   前記入口開口を画定する複数のために長手軸を中心とする第１の工作軌道を横断することと、
   前記テーパ状の側壁を画定するために、前記長手軸を中心とする第２の工作軌道を横断することと、および、
   前記出口開口を確定するために、複数の回転の長手軸を中心とする第３の工作軌道を横断することと、
   を含み、前記第２の工作軌道は、前記同心回転の半径の長さの減少が前記第１の工作軌道上の点から始まり前記第３の工作軌道上の点で終了する前記長手軸を中心とする複数の回転を含むことを特徴とする方法。
7. 前記第１および第３の軌道は、閉塞端の円形軌道であり、前記第２の軌道は開放したらせん軌道である請求項６に記載の方法。
8. 前記薄い材料から材料を除去するための工作速度を決定することを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記入口開口および前記出口開口の前記サイズを決定することが、
   前記薄い膜を貫通する光の所望の透過性および前記出口開口を通る光の拡散を決定することを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。