JP2015182129A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機体間で加工品質にばらつきが発生しにくいレーザ加工装置を提供する。【解決手段】 ビームエキスパンダが、レーザ光源から出力されたレーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させる。アパーチャマスクが、エキスパンダを透過したレーザビームの経路内に配置される開口部の大きさを変化させる。導光光学系が、アパーチャマスクの開口部を透過したレーザビームを、加工対象物の表面まで導光するとともに、開口部を加工対象物の表面に結像させる。レーザビームの経路内に配置される開口部の大きさが決まると、制御装置が、アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率が４０％〜６５％の範囲内になり、かつアパーチャマスクの出射側から、加工対象物までのエネルギ到達率が６０％以上になるように、エキスパンダを制御して、アパーチャマスクに入射する前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光源から出力されたレーザビームのビーム断面をアパーチャマスクで整形し、アパーチャマスクの開口部を加工対象物に縮小投影して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。

下記の特許文献１に、プリント基板に穴あけを行うレーザ加工装置が開示されている。レーザ光源から出力されたレーザビームが、ビームエキスパンダでビーム径を拡大された後、アパーチャマスクでビーム断面が整形される。アパーチャマスクを加工対象物上に結像させることにより、穴あけ加工が行われる。

特開２０１３−１６９５５９号公報

穴あけ加工を行う場合、加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が許容範囲に収まるように、アパーチャマスクの開口径、及び縮小投影率を調整する。これにより、目標とするパルスエネルギ密度で加工を行うことができる。パルスエネルギ密度を目標の範囲内に設定しても、加工装置の機体間で、真円度にばらつきが生じることがわかった。

本発明の目的は、機体間で加工品質にばらつきが発生しにくいレーザ加工装置、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、
レーザビームを出力するレーザ光源と、
制御装置と、
前記制御装置から制御されることにより、前記レーザ光源から出力された前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させるビームエキスパンダと、
前記制御装置から制御されることにより、前記ビームエキスパンダを透過した前記レーザビームの経路内に配置される開口部の大きさを変化させるアパーチャマスクと、
加工対象物を保持するステージと、
前記アパーチャマスクの開口部を透過した前記レーザビームを、前記ステージに保持された前記加工対象物の表面まで導光するとともに、前記開口部を前記加工対象物の表面に結像させる導光光学系と
を有し、
前記制御装置は、前記レーザビームの経路内に配置される前記開口部の大きさが決まると、前記アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率が４０％〜６５％の範囲内になり、かつ前記アパーチャマスクの出射側から、前記ステージに保持された前記加工対象物までのエネルギ到達率が６０％以上になるように、前記ビームエキスパンダを制御して、前記アパーチャマスクに入射する前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させ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、
レーザビームの経路内に配置される開口部の大きさを変化させることができるアパーチ
ャマスクと、
前記アパーチャマスクの前記開口部を透過した前記レーザビームを、加工対象物の表面まで導光するとともに、前記開口部を前記加工対象物の表面に結像させる導光光学系と
を有するレーザ加工装置を用いてレーザ加工する方法であって、
前記アパーチャマスクの前記開口部の大きさを決定する工程と、
前記開口部が、決定された大きさの条件の下で、前記アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率が４０％〜６５％の範囲内になり、かつ前記アパーチャマスクの出射側から、前記加工対象物までのエネルギ到達率が６０％以上になるように、前記アパーチャマスクに入射する前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させる工程と、
前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させた後、前記アパーチャマスク及び前記導光光学系を通して、前記加工対象物に前記レーザビームを入射してレーザ加工を行う工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

前記アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率を４０％〜６５％の範囲内にし、かつアパーチャマスクの出射側から、ステージに保持された加工対象物までのエネルギ到達率を６０％以上にすることにより、加工品質の機体間でのばらつきを少なくすることができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａは、アパーチャマスクの概略側面図であり、図２Ｂは、アパーチャマスクの回転板の正面図である。 図３Ａは、第１のエネルギ到達率と、形成された穴の真円度との関係を示すグラフであり、図３Ｂは、第２のエネルギ到達率と、形成された穴の真円度との関係を示すグラフである。 図４は、実施例によるレーザ加工方法のフローチャートである。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０からパルスレーザビームが出力される。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームが、非球面レンズ１１、及びビームエキスパンダ１２を通過してアパーチャマスク１３に入射する。

ビームエキスパンダ１２は、パルスレーザビームの広がり角及びビーム径の少なくとも一方を変化させる。非球面レンズ１１は、アパーチャマスク１３が配置された位置におけるビームプロファイルを均一化する。例えば、非球面レンズ１１の入射側（前方）におけるパルスレーザビームのビームプロファイル４０は、ガウシアン分布で近似される。アパーチャマスク１３が配置された位置におけるビームプロファイル４１は、トップフラット形状を有する。

アパーチャマスク１３は、遮光領域内に開口部１３Ｃを含む。例えば、パルスレーザビームの経路内に開口部１３Ｃを配置することにより、ビーム断面を整形することができる。経路内に配置される開口部１３Ｃの大きさは可変である。

アパーチャマスク１３を透過したパルスレーザビームは、経路切替器１４によって、加工経路１８及びダンパ経路１９の一方の経路に振り向けられる。経路切替器１４には、例えば音響光学素子（ＡＯＤ）が用いられる。ダンパ経路１９に振り向けられたパルスレー
ザビームはビームダンパ２０に入射する。

加工経路１８に振り向けられたパルスレーザビームは、導光光学系２３を経由して加工対象物３５に入射する。加工対象物３５は、例えば穴あけ加工が行われていないプリント基板である。プリント基板の、穴を形成すべき位置にパルスレーザビームを入射させることにより、穴あけ加工が行われる。

導光光学系２３は、フィールドレンズ２４、ビーム走査器２５、及び対物レンズ２６を含む。ビーム走査器２５は、パルスレーザビームの進行方向を二次元方向に振る。ビーム走査器２５には、例えば一対のガルバノスキャナが用いられる。対物レンズ２６には、例えばｆθレンズが用いられる。フィールドレンズ２４及び対物レンズ２６は、アパーチャマスク１３の開口部１３Ｃを、加工対象物３５の表面に結像させる（縮小投影する）。ビーム走査器２５を制御することにより、加工対象物３５の表面において、パルスレーザビームの入射位置を移動させることができる。必要に応じて、パルスレーザビームの経路を折り曲げるための折り返しミラーが配置される。

アパーチャマスク１３と経路切替器１４との間の経路内に、可動ミラー２７が配置される。可動ミラー２７は、パルスレーザビームの経路から外れた待機位置と、経路内の位置との間で移動可能である。可動ミラー２７が経路内に配置された状態では、パルスレーザビームが可動ミラー２７で反射されて、第１の測定器２８に入射する。第１の測定器２８は、パルスレーザビームの平均パワーを測定する。

加工対象物３５は、ステージ３０に保持されている。ステージ３０は、移動機構３１により、加工対象物３５の表面に平行な二次元方向に移動する。ステージ３０に第２の測定器２９が取付けられている。移動機構３１及びビーム走査器２５を制御することにより、パルスレーザビームを第２の測定器２９に入射させることができる。第２の測定器２９は、パルスレーザビームの平均パワーを測定する。

第１の測定器２８及び第２の測定器２９の測定結果が、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１２、アパーチャマスク１３、経路切替器１４、可動ミラー２７、ビーム走査器２５、及び移動機構３１を制御する。

パルスレーザビームの各レーザパルスの立上り部分及び立下がり部分をダンパ経路１９に振り向け、中央の部分を加工経路１８に振り向けることにより、安定したパルス波形を用いて加工を行うことができる。また、レーザパルスを加工経路１８に振り向けている時間を変化させることにより、加工対象物３５に入射するレーザパルスのパルス幅を変化させることができる。

図２Ａに、アパーチャマスク１３の概略側面図を示す。アパーチャマスク１３は、回転板１３Ａ、モータ１３Ｂ、及び回転軸１３Ｄを含む。回転板１３Ａに、大きさの異なる複数の開口部１３Ｃが形成されている。

図２Ｂに、回転板１３Ａの正面図を示す。回転軸１３Ｄを中心とする円周に沿って、大きさの異なる複数の開口部１３Ｃが配置されている。回転板１３Ａを回転させて、１つの開口部１３Ｃをパルスレーザビームの経路内に配置することにより、経路内に配置される開口部１３Ｃの大きさを変化させることができる。

図１に戻って説明を続ける。レーザ光源１０から出力したパルスレーザビームのエネルギの一部が、加工対象物３５に到達するまでに失われる。例えば、アパーチャマスク１３によってビーム断面の一部が遮光されることにより、エネルギの一部が失われる。アパー
チャマスク１３の入射側から出射側までのエネルギ到達率を、「第１のエネルギ到達率」ということとする。第１のエネルギ到達率は、パルスレーザビームの経路内に配置されている開口部１３Ｃの寸法、アパーチャマスク１３の位置におけるパルスレーザビームのビーム径、及びビームプロファイルに依存する。

アパーチャマスク１３よりも後方に配置された経路切替器１４、導光光学系２３等によっても、パルスレーザビームのエネルギの一部が失われる。アパーチャマスク１３の出射側から加工対象物３５までのエネルギ到達率を「第２のエネルギ到達率」ということとする。経路切替器１４の回折効率、及び導光光学系２３の各光学部品の寸法が不変であれば、第２のエネルギ到達率は、アパーチャマスク１３の位置におけるビームプロファイル及び広がり角に依存する。

次に、第１のエネルギ到達率の求め方について説明する。パルスレーザビームが加工経路１８に振り向けられるように、経路切替器１４を制御する。ビーム断面を内包する大きさの開口部１３Ｃが、パルスレーザビームの経路内に配置されるように、アパーチャマスク１３を制御する。これにより、パルスレーザビームの全エネルギがアパーチャマスク１３を通過する。可動ミラー２７を、パルスレーザビームの経路内に配置する。この状態で、レーザ光源１０からパルスレーザビームを出力し、第１の測定器２８でパルスレーザビームの平均パワーを測定する。パルスレーザビームの全エネルギがアパーチャマスク１３を通過しているため、測定された平均パワーは、アパーチャマスク１３の入射側における平均パワーとほぼ等しい。

次に、レーザ加工時に用いられる開口部１３Ｃをパルスレーザビームの経路内に配置する。この状態で、レーザ光源１０からパルスレーザビームを出力し、第１の測定器２８でパルスレーザビームの平均パワーを測定する。測定された平均パワーは、アパーチャマスク１３の出射側における平均パワーとほぼ等しい。

第１の測定器２８で測定された２つの平均パワーに基づいて、第１のエネルギの到達率を求めることができる。

次に、第２のエネルギ到達率の求め方について説明する。経路切替器１４を、パルスレーザビームが加工経路１８に振り向けられる状態にする。可動ミラー２７をパルスレーザビームの経路内に配置し、第１の測定器２８でパルスレーザビームの平均パワーを測定する。ビーム走査器２５を移動機構３１を制御して、パルスレーザビームが第２の測定器２９に入射する状態にする。可動ミラー２７を待機位置まで待機させる。この状態で、レーザ光源１０からパルスレーザビームを出力することにより、第２の測定器２９で平均パワーを測定する。

第１の測定器２８で測定された平均パワーが、アパーチャマスク１３の出射側の位置における平均パワーとほぼ等しい。第２の測定器２９で測定された平均パワーが、加工対象物３５に到達する平均パワーとほぼ等しい。第１の測定器２８及び第２の測定器２９で測定された平均パワーから、第２のエネルギ到達率を求めることができる。

パルスレーザビームの入射によって加工対象物３５に形成される穴の真円度は、パルスエネルギ密度に依存する。真円度を高めるために、パルスエネルギ密度を最適化することが好ましい。ところが、パルスエネルギ密度を最適化しても、レーサ加工装置の機体間で、加工品質にばらつきが生じることがわかった。本願発明者らは、機体間での加工品質のばらつきの原因として、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率に着目した。

図３Ａに、第１のエネルギ到達率と、形成された穴の真円度との関係を示す。横軸は、
第１のエネルギ到達率を単位「％」で表し、縦軸は、真円度を表す。ここで、真円度は、長径に対する短径の比で定義される。第２のエネルギ到達率は６０％とした。パルスエネルギ密度は、パルス幅を調整することにより、一定にした。

パルスエネルギ密度が一定であるにもかかわらず、第１のエネルギ到達率が変化すると、真円度も変化することがわかる。図３Ａに示した実験結果から、高い真円度を確保するために、第１のエネルギ到達率を４０％〜６５％の範囲内に設定することが好ましいことがわかる。

図３Ｂに、第２のエネルギ到達率と、形成された穴の真円度との関係を示す。横軸は、第２のエネルギ到達率を単位「％」で表し、縦軸は、真円度を表す。第１のエネルギ到達率は５０％とした。パルスエネルギ密度は、パルス幅を調整することにより、一定にした。

パルスエネルギ密度が一定であるにもかかわらず、第２のエネルギ到達率が変化すると、真円度も変化することがわかる。図３Ｂに示した実験結果から、高い真円度を確保するために、第２のエネルギ到達率を６０％以上に設定することが好ましいことがわかる。

レーザ加工装置の機体間で、真円度にばらつきが生じるのは、機体間で、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率がばらついているためと考えられる。

図４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、形成すべき穴の寸法と、導光光学系２３（図１）の結像倍率（縮小率）とから、アパーチャマスク１３の開口部１３Ｃの寸法を決定する。ステップＳ２において、開口部１３Ｃを、加工時の寸法としたときの第１のエネルギ到達率を求める。第１のエネルギ到達率は、既に説明したように、ビーム断面を内包する大きさの開口部１３Ｃを経路内に配置した条件で、第１の測定器２８で測定された平均パワーと、加工時に使用する開口部１３Ｃを経路内に配置した条件で、第１の測定器２８で測定された平均パワーとに基づいて、算出することができる。

ステップＳ３において、開口部１３Ｃの寸法を加工時の寸法とした条件で、第２のエネルギ到達率を求める。第２のエネルギ到達率は、既に説明したように、第１の測定器２８及び第２の測定器２９で平均パワーを測定することにより、求めることができる。

ステップＳ４において、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率が許容範囲内か否かを判定する。第１のエネルギ到達率の許容範囲の下限値及び上限値は、図３Ａに示した実験結果に基づいて、４５％及び６５％に設定される。第２のエネルギ到達率の許容範囲の下限値は、図３Ｂに示した実験結果に基づいて、６０％に設定される。第２のエネルギ到達率の許容範囲の上限値は、１００％に設定すればよい。これらの許容範囲の下限値及び上限値は、制御装置５０（図１）に、予め記憶されている。

ステップＳ４において、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率の少なくとも一方が許容範囲から外れていると判定された場合には、ステップＳ５において、ビームエキスパンダ１２（図１）を制御して、ビーム径及びビーム広がり角の少なくとも一方を変化させる。その後、ステップＳ２に戻る。ステップＳ４において、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率の両方が許容範囲内に収まっていると判定された場合には、ステップＳ６において、レーザ加工を実行する。このとき、パルスエネルギ密度が目標範囲に収まるように、パルス幅を調節する。

上記実施例では、第１のエネルギ到達率及び第２のエネルギ到達率が許容範囲に収まっ
た状態で、レーザ加工を行うことができる。このため、高い真円度の穴を、再現性よく形成することができる。また、レーザ加工装置の機体間での真円度のばらつきも低減させることができる。

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 レーザ光源
１１ 非球面レンズ
１２ ビームエキスパンダ
１３ アパーチャマスク
１３Ａ 回転板
１３Ｂ モータ
１３Ｃ 開口部
１３Ｄ 回転軸
１４ 経路切替器
１８ 加工経路
１９ ダンパ経路
２０ ビームダンパ
２３ 導光光学系
２４ フィールドレンズ
２５ ビーム走査器
２６ 対物レンズ
２７ 可動ミラー
２８ 第１の測定器
２９ 第２の測定器
３０ ステージ
３１ 移動機構
３５ 加工対象物
４０、４１ ビームプロファイル
５０ 制御装置

Claims (5)

1. レーザビームを出力するレーザ光源と、
   制御装置と、
   前記制御装置から制御されることにより、前記レーザ光源から出力された前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させるビームエキスパンダと、
   前記制御装置から制御されることにより、前記ビームエキスパンダを透過した前記レーザビームの経路内に配置される開口部の大きさを変化させるアパーチャマスクと、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記アパーチャマスクの開口部を透過した前記レーザビームを、前記ステージに保持された前記加工対象物の表面まで導光するとともに、前記開口部を前記加工対象物の表面に結像させる導光光学系と
   を有し、
   前記制御装置は、前記レーザビームの経路内に配置される前記開口部の大きさが決まると、前記アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率が４０％〜６５％の範囲内になり、かつ前記アパーチャマスクの出射側から、前記ステージに保持された前記加工対象物までのエネルギ到達率が６０％以上になるように、前記ビームエキスパンダを制御して、前記アパーチャマスクに入射する前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させるレーザ加工装置。
2. さらに、前記ビームエキスパンダと前記アパーチャマスクとの間の前記レーザビームの経路内に配置され、前記アパーチャマスクの位置におけるビームプロファイルを均一に近づける非球面レンズを有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記アパーチャマスクは、前記レーザビームの経路に配置される前記開口部を、前記レーザビームのビーム断面より大きくすることができるように構成され、
   さらに、
   前記アパーチャマスクの前記開口部を透過した前記レーザビームのパワーを測定する第１の測定器と、
   前記導光光学系を通過した前記レーザビームのパワーを測定する第２の測定器と
   を有する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームの経路内に配置される開口部の大きさを変化させることができるアパーチャマスクと、
   前記アパーチャマスクの前記開口部を透過した前記レーザビームを、加工対象物の表面まで導光するとともに、前記開口部を前記加工対象物の表面に結像させる導光光学系と
   を有するレーザ加工装置を用いてレーザ加工する方法であって、
   前記アパーチャマスクの前記開口部の大きさを決定する工程と、
   前記開口部が、決定された大きさの条件の下で、前記アパーチャマスクの入射側から出射側へのエネルギ到達率が４０％〜６５％の範囲内になり、かつ前記アパーチャマスクの出射側から、前記加工対象物までのエネルギ到達率が６０％以上になるように、前記アパーチャマスクに入射する前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させる工程と、
   前記レーザビームのビーム径及び広がり角の少なくとも一方を変化させた後、前記アパーチャマスク及び前記導光光学系を通して、前記加工対象物に前記レーザビームを入射してレーザ加工を行う工程と
   を有するレーザ加工方法。
5. さらに、前記アパーチャマスクの位置における前記レーザビームのビームプロファイルを均一化する工程を有する請求項４に記載のレーザ加工方法。

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