JP2016155157A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームプロファイル調整の自由度を高め、かつビームプロファイルの安定性を高め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サイズを変化させる。非球面レンズが、ビームエキスパンダを通過したレーザビームのビームプロファイルを変化させる。マスクが、非球面レンズを通過したレーザビームのビーム断面を整形する。マスクを通過したレーザビームと、加工対象物との間のレーザビームの経路に、フォーカスレンズが配置されている。ビームエキスパンダは、光軸方向に関する相対位置を変化させることができるように構成された少なくとも３枚のレンズを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、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、多層プリント基板に穴あけを行うレーザ加工機が開示されている。このレーザ加工機のレーザ光源から加工対象物までのビーム経路に、ビームエキスパンダ、非球面レンズ、マスク、転写レンズ、ガルバノスキャナ、及びｆθレンズが、この順番に配置されている。ビームエキスパンダは、２枚の凸レンズで構成されており、レーザビームのビームサイズを変化させる。非球面レンズは、ビームプロファイルを均一化する。

特開２０１４−１８３１５２号公報

レーザ光源から出力されたレーザビームの出力端近傍のビームウエストの位置が、非球面レンズの位置に結像されるとともに、ビームサイズが拡大される。非球面レンズの位置におけるビームサイズを目標値にすることにより、目標とするビームプロファイルを得ることができる。この場合、レーザビームのビームウエストの位置が物点となり、非球面レンズの位置が像点となる。

加工対象物及び用途によって、加工面におけるビームプロファイルを変化させることが望ましい。例えば、プリント配線板の銅箔への穴あけ加工において、銅箔の表面処理の有無、銅箔の厚さによって、好ましいビームプロファイルは同一ではない。銅箔への穴あけ加工と、樹脂層への穴あけ加工では、好ましいビームプロファイルが異なる。さらに、内層の銅箔の表面を露出させる穴あけ加工、スルーホールを形成する穴あけ加工でも、好ましいビームプロファイルが異なる。

従来のレーザ加工機において、非球面レンズの位置におけるレーザビームのビームサイズ及び広がり角を変化させることにより、非球面レンズによって得られるビームプロファイルを変化させることができる。ビームエキスパンダの２枚の凸レンズの位置を調整することにより、レーザビームのビームサイズ及び広がり角を変化させることができる。

ところが、ビームサイズを変化させると、非球面レンズの位置と共役の関係にある物点の位置が、ビームウエストの位置からずれてしまう。このため、ビームプロファイルの安定性が低下してしまう。また、２枚の凸レンズでビームエキスパンダを構成した場合は、ビームサイズと広がり角とを独立して変化させることが困難である。ビームプロファイル調整の自由度を高めるために、ビームサイズと広がり角とを、独立して調整することが望まれる。

本発明の目的は、ビームプロファイル調整の自由度を高め、かつビームプロファイルの安定性を高めることが可能なレーザ加工装置を提供することである。本発明の他の目的は、ビームプロファイル調整の自由度を高め、かつビームプロファイルの安定性を高めることが可能な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、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビームサイズを変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームのビームプロファイルを変化させる非球面レンズと、
前記非球面レンズを通過したレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
前記マスクを通過したレーザビームと、加工対象物との間のレーザビームの経路に配置されたフォーカスレンズと
を有し、
前記ビームエキスパンダは、光軸方向に関する相対位置を変化させることができるように構成された少なくとも３枚のレンズを含む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、
レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビームサイズを変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームのビームプロファイルを変化させる非球面レンズと、
前記非球面レンズを通過したレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
前記マスクを通過したレーザビームと、加工対象物との間のレーザビームの経路に配置されたフォーカスレンズと
を有し、
前記ビームエキスパンダが、光軸方向に関する相対位置を変化させることができるように構成された少なくとも３枚のレンズを含むレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記加工対象物の表面におけるビームプロファイルの目標形状に基づいて、前記ビームエキスパンダの前記レンズの位置を調整する工程と、
前記レンズの位置を調整した後、前記レーザ光源からレーザビームを出力して前記加工対象物の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。

ビームエキスパンダを、少なくとも３枚以上のレンズで構成することにより、非球面レンズの位置におけるレーザビームのビームサイズ及び広がり角を独立して変化させることができる。

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、非球面レンズに入射するレーザビームのビームサイズ及び広がり角と、マスクの位置におけるビームプロファイルとの関係の一例を示すグラフである。 図３Ａ及び図３Ｂは、レーザ加工されるプリント基板の部分断面図である。 図３Ｃ及び図３Ｄは、レーザ加工されるプリント基板の部分断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、レーザ加工されるプリント基板の部分断面図である。 図５は、実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行なう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がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等が用いられる。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームが、ビームエキスパンダ１１、非球面レンズ１２、マスク透過率調整光学系１３、マスク１４、コリメーションレンズ１５、折り返しミラー１６、ガルバノスキャナ１７、及び対物レンズ１８を経由して、加工対象物４０に入射する。加工対象物４０は、移動ステージ３５に保持されている。

ビームエキスパンダ１１は、レーザビームのビームサイズを拡大するとともに、レーザビームの広がり角を変化させる。例えば、ビームエキスパンダ１１は、レーザ光源１０の出射面（レーザビームが出力される面）の近傍のビームウエスト位置と、非球面レンズ１２の位置とが、共役の関係を有するように構成される。言い換えると、ビームウエスト位置が、非球面レンズ１２への投影元１０１となる。ビームエキスパンダ１１は、少なくとも３枚のレンズ１１１、及び移動機構１１２を含む。移動機構１１２は、光軸方向に関して３枚のレンズ１１１の相対位置を変化させることができる。レンズ１１１として、例えば平凸レンズが用いられる。

非球面レンズ１２は、光軸近傍のレーザビームを発散させ、外周部近傍のレーザビームを収束させる。これにより、ガウシアンビームのビームプロファイルを変化させる。非球面レンズ１２に入射するレーザビームが、標準的なビームサイズ及び広がり角に調整されている場合、ビームプロファイルは、均一なプロファイルに近づく。図１では、非球面レンズ１２の断面形状が、実際の曲率よりも強調されて描画されている。

マスク透過率調整光学系１３は、マスク１４の位置におけるビームサイズを変化させる。マスク１４は、遮光部、及び遮光部内に設けられた透過窓（例えば開口）を含む。マスク１４によってレーザビームのビーム断面が整形される。マスク１４として、例えば、大きさの異なる複数の透過窓が設けられた回転マスクを用いてもよい。回転マスクは、光軸に平行な回転軸を中心として回転可能である。回転マスクの回転方向の位置を変化させることにより、所望の大きさの透過窓をレーザビームの経路に配置することができる。マスク透過率調整光学系１３を調整してマスク１４の位置におけるビームサイズを変化させることにより、レーザビームがマスク１４を通過するパワーの割合（透過率）を変化させることができる。

コリメーションレンズ１５及び対物レンズ１８が、フォーカスレンズとして作用する。具体的には、コリメーションレンズ１５及び対物レンズ１８により、マスク１４の透過窓が、加工対象物４０の表面に結像される。対物レンズ１８としてｆθレンズが用いられる。ガルバノスキャナ１７は、レーザビームの進行方向を二次元方向に振る。ガルバノスキャナ１７を動作させることにより、加工対象物４０の表面においてレーザビームの入射位置を走査可能範囲内で移動させることができる。

移動ステージ３５は、加工対象物４０を、その表面に平行な二次元方向に移動させる。ガルバノスキャナ１７によるレーザビームの入射位置の移動と、移動ステージ３５による加工対象物４０の移動とを組み合わせることにより、ガルバノスキャナ１７による走査可能範囲よりも大きな加工対象物４０の全域を加工することができる。

制御装置３６が、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１１の移動機構１１２、ガルバノスキャナ１７、及び移動ステージ３５を制御する。入力装置３７から制御装置３６に、レーザ加工時に適用される種々のパラメータが入力される。

図２に、非球面レンズ１２に入射するレーザビームのビームサイズ及び広がり角と、マスク１４の位置におけるビームプロファイルとの関係の一例を示す。図２の横軸はレーザビームのビームサイズを表し、縦軸はレーザビームの広がり角を表す。収束するレーザビームの広がり角が負はあり、発散するレーザビームの広がり角は正であり、平行光線束の広がり角は０°である。

広がり角が一定の条件で、ビームプロファイルは、ビームサイズが大きくなるに従って、中心部の光強度が低下し、周辺部の光強度が増大する傾向を示す。ビームサイズが一定の条件で、ビームプロファイルは、広がり角が大きくなるに従って、中心部の光強度が低下し、周辺部の光強度が増大する傾向を示す。

一例として、ビームサイズが標準で、広がり角が０°（すなわち平行光線束）である標準状態のとき、トップフラットのビームプロファイルが得られる。標準状態からビームサイズを大きくすると、ビームプロファイルは中央が窪んだ形状を示し、ビームサイズを小さくすると、ビームプロファイルは中央が盛り上がった形状を示す。標準状態から拡がり角を大きくすると、ビームプロファイルは中央が窪んだ形状を示し、拡がり角を小さくすると、ビームプロファイルは中央が盛り上がった形状を示す。

標準状態からビームサイズ及び広がり角の両方を大きくすると、ビームプロファイルは、中央が大きく窪んだ形状を示す。標準状態からビームサイズ及び広がり角の両方を小さくすると、ビームプロファイルは、中央が大きく盛り上がった形状を示す。標準状態からビームサイズを大きくし、広がり角を小さくすると、ビームプロファイルはトップフラットの形状に近づく。標準状態からビームサイズを小さくし、広がり角を大きくしても、ビームプロファイルはトップフラットの形状に近づく。

ビームエキスパンダ１１（図１）のレンズ１１１の位置を調整することにより、非球面レンズ１２に入射するレーザビームのビームサイズ及び広がり角を変化させることができる。実施例においては、ビームエキスパンダ１１が、３枚以上のレンズ１１１を含み、３枚のレンズ１１１の相対位置を変化させることができる。このため、投影元１０１の位置を固定した状態で、ビームサイズと拡がり角とを、独立に変化させることができる。従って、非球面レンズ１２への入射条件を、図２に示したビームサイズと広がり角との二次元座標内の任意の位置に設定することができる。

マスク１４の透過窓が、コリメーションレンズ１５及び対物レンズ１８によって、加工対象物４０の表面に結像されるため、マスク１４の透過窓内のビームプロファイルが、加工対象物４０の表面に投影される。

入力装置３７（図１）から、加工に用いられるレーザビームのビームプロファイルを指定するコマンドが入力される。制御装置３６は、入力されたコマンドに基づいて、マスク１４の位置におけるビームプロファイルが、コマンドで指定されたビームプロファイルになるように、移動機構１１２を制御する。このとき、投影元１０１の位置が変動しない条件の下で、レンズ１１１の位置が調整される。コマンドの入力に代えて、手動でレンズ１１１の位置を調節してもよい。

ビームエキスパンダ１１を２枚のレンズで構成した場合、レーザビームのビームサイズと広がり角とを独立して調整することが困難である。具体的には、ビームサイズと広がり角との一方を調整すると、他方は一意的に決まってしまう。通常は、ビームサイズを大きくすると、広がり角が大きくなる。このため、非球面レンズ１２への入射条件は、図２に示したビームサイズと広がり角との二次元座標内において、右上がりの１本の線に沿ってのみ変化させることができる。

さらに、ビームエキスパンダ１１を２枚のレンズで構成した場合に、ビームサイズ及び広がり角を調整すると、非球面レンズ１２の位置への投影元１０１の位置が変動してしまう。すなわち、投影元１０１が、ビームウエストの位置からずれてしまう。このため、加工対象物４０の表面におけるビームプロファイルの安定性が低下してしまう。

図１及び図２に示した実施例においては、非球面レンズ１２への入射条件を、図２に示したビームサイズと広がり角との二次元座標内の任意の位置に設定することができる。このため、ビームプロファイルの選択の自由度が高まる。ビームプロファイルの選択の自由度が高いため、加工対象物の種々の材料、構造、及び種々の加工用途に応じて、ビームプロファイルを好適化することが可能である。

レーザ光源１０（図１）から出力されるレーザビームのビームサイズと広がり角には、経時変化が生じる。ビームエキスパンダ１１のレンズ１１１（図１）の位置を調整することにより、ビームサイズ及び広がり角の経時変化に起因するビームプロファイルの変化を補償することができる。このため、レーザ光源に経時変化が生じても、ビームプロファイルを好適な状態に維持して、高品質な加工を行なうことができる。

さらに、実施例においては、ビームプロファイルを変化させても、非球面レンズ１２への投影元１０１の位置が不変であるため、ビームプロファイルの安定性を高く維持することができる。

次に、図３Ａ〜図３Ｄを参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いてプリント基板に穴あけ加工を行なう方法の一例について説明する。図３Ａ〜図３Ｄは、加工対象物４０であるプリント基板の部分断面図を示す。

図３Ａに示すように、コア基板４１の表面の一部の領域に、内層導電パターン４２が配置されている。コア基板４１及び内層導電パターン４２の上に、樹脂層４３が配置されている。樹脂層４３の上に上層導電膜４４が配置されている。内層導電パターン４２及び上層導電膜４４には、例えば銅箔が用いられる。

図３Ｂに示すように、加工対象物４０にパルスレーザビーム５０を入射させることにより、上層導電膜４４にビアホール４５を形成する。パルスレーザビーム５０は、例えばトップフラットのビームプロファイルを持ち、１ショットで上層導電膜４４が貫通する。

図３Ｃに示すように、ビアホール４５の底面に露出した樹脂層４３にパルスレーザビーム５１を入射させて樹脂層４３の穴あけ加工を行なう。これにより、ビアホール４５の底面に内層導電パターン４２が露出する。パルスレーザビーム５１は、例えば中央が盛り上がったビームプロファイルを持つ。内層導電パターン４２が露出するまでの加工には、複数ショットのパルスレーザビーム５１が用いられる。ビアホール４５の側面は、下方に向ってビアホール４５の断面が小さくなるように傾斜している。

図３Ｄに示すように、ビアホール４５の底面に、パルスレーザビーム５２を入射させることにより、ビアホール４５の側面の傾斜を急峻にする。パルスレーザビーム５２は、中央が窪んだビームプロファイルを持つ。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いてプリント基板に穴あけ加工を行なう方法の他の例について説明する。

図４Ａに示すように、樹脂製のコア基板４６の上面及び下面に、それぞれ導電膜４７、４８が配置されている。導電膜４７、４８には、例えば銅箔が用いられる。

図４Ｂに示すように、加工対象物４０にパルスレーザビーム５５を入射させて、加工対象物４０を貫通するスルーホール４９を形成する。パルスレーザビーム５５は、例えばトップフラットのビームプロファイルを持つ。スルーホール４９を形成するために、複数ショットのパルスレーザビーム５５が用いられる。

図３Ａ〜図３Ｄ、及び図４Ａ〜図４Ｂに示したように、加工対象の材料、形成すべき穴の形状、加工種別等に応じてビームプロファイルを好適化することにより、高品質な穴あけ加工を行なうことができる。

図５に、図１に示したレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行なう方法のフローチャートを示す。まず、加工対象物４０を移動ステージ３５（図１）の上に配置する。

ステップＳ１において、加工対象物４０（図１）の材料、加工種別に基づいて、加工に用いられるパルスレーザビームのビームプロファイルの目標形状を決定する。材料の例として、樹脂、銅等が挙げられる。加工種別の例として、加工対象物４０の途中で加工を停止させるビアホール４５を形成する加工（図３Ｂ、図３Ｃ）、加工対象物４０を貫通するスルーホール４９を形成する加工（図４Ｂ）、ビアホール４５の側面の形状を整形する加工（図３Ｄ）等が挙げられる。

ステップＳ２において、ビームプロファイルの目標形状に基づいて、ビームエキスパンダ１１（図１）のレンズ１１１の位置を調整する。この工程では、例えば、入力装置３７（図１）からビームプロファイルの目標形状を指定するコマンドが入力される。入力されたコマンドに応じて、制御装置３６が移動機構１１２を制御することにより、レンズ１１１の位置が調整される。その他の方法として、作業者が手動でレンズ１１１の位置を調節してもよい。

ステップＳ３において、制御装置３６がガルバノスキャナ１７及びレーザ光源１０（図１）を制御して、１つの走査可能範囲内の１サイクルのレーザ加工を実施する。ここで、「操作可能範囲」とは、移動ステージ３５が静止した状態で、ガルバノスキャナ１７を動作させることにより、レーザビームを入射させることができる範囲を意味する。「１サイクル」とは、１つの走査可能範囲内の全ての被加工点（穴を形成すべき位置）に１ショットずつパルスレーザビームを入射させる工程を意味する。

ステップＳ４において、走査加工範囲内の加工が終了したか否かを判定する。一例として、図３Ｂに示したようにビアホール４５が内層導電パターン４２まで達していない状態、図３Ｃに示したようにビアホール４５の側面が整形されていない状態のとき、加工が終了していないと判定される。図３Ｄに示したように、ビアホール４５の側面が整形された状態のとき、加工が終了したと判定される。

走査可能範囲内の加工が終了していない場合には、ステップＳ１に戻って、同一の走査可能範囲内の加工を継続する。走査可能範囲内の加工が終了した場合には、ステップＳ５において、加工対象物４０の全域の加工が終了したか否かを判定する。全域の加工が終了していない場合には、ステップＳ６において、移動ステージ３５（図１）を移動させて、加工対象物４０の未加工領域を、走査加工範囲内に配置する。その後、ステップＳ１に戻って、走査可能範囲の加工を新たに開始する。加工対象物４０の全域の加工が終了した場合には、加工を終了し、加工対象物４０を移動ステージ３５から取り出す。

図５に示した実施例では、１つの被加工点に着目すると、１ショットごとにビームプロファイルの目標形状が決定される。このため、図３Ｂ〜図３Ｄに示したように、１つの被加工点の加工の途中で、ビームプロファイルを変化させることができる。これにより、目標とする形状のビアホール４５を形成することができる。

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 レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１２ 非球面レンズ
１３ マスク透過率調整光学系
１４ マスク
１５ コリメーションレンズ
１６ 折り返しミラー
１７ ガルバノスキャナ
１８ 対物レンズ
３５ 移動ステージ
３６ 制御装置
３７ 入力装置
４０ 加工対象物
４１ コア基板
４２ 内層導電パターン
４３ 樹脂層
４４ 上層導電膜
４５ ビアホール
４６ コア基板
４７、４８ 導電膜
４９ スルーホール
５０、５１、５２、５５ パルスレーザビーム
１０１ 投影元
１１１ レンズ
１１２ 移動機構

Claims (4)

1. レーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビームサイズを変化させるビームエキスパンダと、
   前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームのビームプロファイルを変化させる非球面レンズと、
   前記非球面レンズを通過したレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
   前記マスクを通過したレーザビームと、加工対象物との間のレーザビームの経路に配置されたフォーカスレンズと
   を有し、
   前記ビームエキスパンダは、光軸方向に関する相対位置を変化させることができるように構成された少なくとも３枚のレンズを含むレーザ加工装置。
2. 前記ビームエキスパンダは、前記レンズの相対位置を変化させることにより、前記非球面レンズの入射位置におけるレーザビームの広がり角及びビームサイズを独立に調整することができる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、
   前記ビームエキスパンダの前記レンズを移動させる移動機構と、
   前記移動機構を制御する制御装置と、
   加工に用いられるレーザビームのビームプロファイルを指定するコマンドを入力する入力装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記入力装置から入力された前記コマンドに基づいて、前記移動機構を制御する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビームサイズを変化させるビームエキスパンダと、
   前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームのビームプロファイルを変化させる非球面レンズと、
   前記非球面レンズを通過したレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
   前記マスクを通過したレーザビームと、加工対象物との間のレーザビームの経路に配置されたフォーカスレンズと
   を有し、
   前記ビームエキスパンダが、光軸方向に関する相対位置を変化させることができるように構成された少なくとも３枚のレンズを含むレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物の表面におけるビームプロファイルの目標形状に基づいて、前記ビームエキスパンダの前記レンズの位置を調整する工程と、
   前記レンズの位置を調整した後、前記レーザ光源からレーザビームを出力して前記加工対象物のレーザ加工を行う工程と
   を有するレーザ加工方法。

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