JP2015006677A - レーザ穴明け加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、従来不可能と考えられていた高出力炭酸ガスレーザのみを用いてガラス基板に穴明け加工を行うことができる条件を見出すことにある。【解決手段】ワーク（５０）を載置してＸ及びＹ方向に駆動可能なＸ−Ｙテーブル（５１）と、炭酸ガスレーザ発振器（８）と、前記レーザ発振器（８）から出射されたレーザ（９）を高速に変調してパルスレーザ（９ｋ）とする変調器（２１）と、前記パルスレーザをワーク（５０）上に集光できる光学系を有するレーザ加工装置を用い、前記パルスレーザのパワー密度を７ＭＷ／ｃｍ２にし、パルス周期を３〜５μｓ、パルス幅を２μｓ、総パルス数を２０〜２１にすることにより達成できる。【選択図】図２

Description

本発明は、炭酸ガスレーザを用いてガラス基板に穴明け加工する方法に係るものである。

近年、携帯電話、薄型テレビ、パソコンディスプレイ等の普及に伴い、ガラス基板に貫通孔を明け、貫通電極を形成してＩＣチップへの中継基板（インターポーザ）とする需要が高まっている。

従来、ガラス基板への穴明けは（超音波）ドリル加工が主流であったが、ドリルの激しい磨耗やクラックが入りやすいなどの問題があった（特許文献１段落０００４参照）。そのため、レーザによる穴明け加工が検討されているが、高出力が得られる炭酸ガスレーザではやはりクラックが入りやすいなどの問題があり（例えば、特許文献１段落００１４、特許文献２段落０００４参照）、紫外線レーザが主流であった（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１には、炭酸ガスレーザでガラス基板への穴明けが開示されているが、穴壁面の品質が悪いために紫外線レーザを用いて仕上げ加工を行うという方法である。

特開２０１１−１４３４３４号公報（段落０００４，００１４） 特開２０１２−０８６９９３号公報（段落０００４） 国際公開第ＷＯ２０１０／０８７４８３号パンフレット

しかしながら、特許文献３に記載のように紫外線レーザでの加工で生産性を上げるためには高出力なエキシマレーザを用いなければならないが、その場合装置のランニングコスト、特にメンテナンス費用がかさむという問題があった。これを克服するために、特許文献１に記載のように炭酸ガスレーザで加工した後に紫外線レーザで仕上げ加工を行う場合には、加工装置が炭酸ガスレーザと紫外線レーザの両方を有していなければならず、装置コストが高くなるという問題があった。また、特許文献２に記載のように、予めガラス基板を３００〜８００℃まで予熱してから低出力の紫外線レーザで加工する方法も提案されているが、予熱ヒータ付きの耐熱Ｘ−Ｙテーブルを必要とし、装置が大型になるという問題があった。

本発明の目的は、従来不可能と考えられていた高出力炭酸ガスレーザのみを用いてガラス基板に穴明け加工を行うことができる条件を見出すことにあり、通常の炭酸ガスレーザの比較的長いパルス幅を音響光学変調器で高速に変調して、分割することにより可能ではないかと考えた。

本発明の目的を達成するためには、ワーク（５０）を載置してＸ及びＹ方向に駆動可能なＸ−Ｙテーブル（５１）と、炭酸ガスレーザ発振器（８）と、前記レーザ発振器（８）から出射されたレーザ（９）を高速に変調してパルスレーザ（９ｋ）とする変調器（２１）と、前記パルスレーザをワーク（５０）上に集光できる光学系を有するレーザ加工装置を用い、前記パルスレーザのパワー密度を７ＭＷ／ｃｍ^２にし、パルス周期を３〜５μｓ、パルス幅を２μｓ、総パルス数を２０〜２１にすることにより、クラックの入らない穴明けができることを見出した。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲の記載に何等影響を及ぼすものではない。

高出力の炭酸ガスレーザを用いてガラス基板に穴明けすることができる条件を見出したので、小型の装置で、低コストで生産性を向上することができる。

本発明に好適なレーザ穴明け加工装置の概略図を示す。 本発明に係るＡＯＭ２１の動作を示すタイミングチャートである。 本発明に係るレーザ穴明け加工装置の全体的な動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明に係る加工方法の実施の形態について図を用いて説明する。図１は、本発明に好適なレーザ穴明け加工装置の概略図を示す。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、Ｘ方向及びＹ方向にレーザビームを偏向するためのガルバノミラー１ａ，１ｂ、ガルバノモータ２ａ，２ｂ及びガルバノ制御部３ａ，３ｂからなるガルバノスキャナ、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おり、Ｘ方向及びＹ方向に移動できるＸ−Ｙテーブル５１上にガラス基板５０が載置されている。レーザ発振器８は波長９．４μｍのレーザビーム９をパルス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ビーム９は、ビーム径調整器２０により外径を整形され、音響光学変調器２１（以下、「ＡＯＭ２１」という。）により、加工条件に基づいて変調されたレーザビーム９ｋを加工用の光軸に分岐する。なお、変調されたレーザビーム９ｋ以外の廃棄レーザビーム９ｄは図示を省略するダンパに照射され、熱に変換される。

図２はＡＯＭ２１の動作を示すタイミングチャートである。レーザ発振器８は時刻ｔ_０にショット信号を受けてレーザビーム９を出射し始め、しばらくしてから出射が安定し、時刻ｔ_１にショット信号がなくなると出力がテールを引いて低下する。ＡＯＭ２１はレーザビーム９が安定するころ（遅れ時間８μｓ程度）にＯＮされ、加工条件に合わせてパルス周期ｆ、パルス幅ｗに合わせてＯＮ−ＯＦＦされ、レーザビーム９は変調されてレーザパルス出力９ｋに変換される。レーザパルス９ｋの出力時間は２０μｓ（一定）であり、ショット信号はこの出力時間が終了するまで維持される（全２８μｓ）。レーザパルス９ｋのパルス数（ｎ）は、出力時間２０μｓの中に入るパルスの数である。

図３は全体的な動作を示すタイミングチャートである。ショット信号の周期は２００μｓである。変調されていないレーザビーム９の穴１個あたりのパルス数をＮとすると、穴１個あたりの総パルス数はｎ×Ｎとなる。

表１はＡＯＭ２１を用いて作成したパルスのパルス周期（μｓ）、パルス幅（μｓ）、パルス数、及び変調元の炭酸ガスレーザのパルス数を変えて加工した実施例と各実施例の穴明け加工結果を示す。ガラス基板５０は厚さ０．１ｍｍの硼珪酸ガラスである。用いた炭酸ガスレーザの平均出力は５Ｗ（ピークパワー：５０Ｗ）、パルス周期２００μｓ、パルス幅２０μｓ、ビーム径３０μｍφ（ガウシアン）である。このときのパワー密度は７ＭＷ／ｃｍ^２である。加工した穴の数は各１２１個であり、それらを２００倍の顕微鏡で観察してクラックが視認された場合（クラック１μｍ程度以上）に、クラック欄に「×」を記入した。「△」は１２１個の穴中、クラックが視認されたのが２穴のみであった。（穴の加工ピッチは、前穴加工による温度上昇の影響を受けないようにするために、１ｍｍとした。）

表１より、クラックの発生状況、上面と下面の穴径比、及び穴径がレーザビーム径に近いことを考慮して、実施例３、４を○とし、実施例５を△とした。これによりパルス周期を３〜５μｓ、パルス幅を２μｓ、総パルス数を２０〜２１にすることが好適であり、さらにパルス周期を３〜４μｓに限定すれば、さらに好適であることがわかる。

本実施例はガラス基板５０として硼珪酸ガラスを用いたが、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラスも同様に加工できる。

１ａ，１ｂ ガルバノミラー
２ａ，２ｂ ガルバノモータ
３ａ，３ｂ ガルバノ制御部
８ レーザ発振器
９ レーザビーム
９ｋ 変調前のレーザビーム
９ｄ 廃棄レーザビーム
２０ ビーム径調整器
２１ 音響光学変調器（ＡＯＭ）
５０ ガラス基板
５１ Ｘ−Ｙテーブル
５２ 制御部

Claims (1)

1. ワークを載置してＸ及びＹ方向に駆動可能なＸ−Ｙテーブルと、
   炭酸ガスレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザを高速に変調してパルスレーザとする変調器と、
   前記パルスレーザをワーク上に集光できる光学系を有するレーザ加工装置を用い、
   前記パルスレーザのパワー密度を７ＭＷ／ｃｍ^２にし、パルス周期を３〜５μｓ、パルス幅を２μｓ、総パルス数を２０〜２１にすることを特徴とするレーザ加工方法。
   

Images