JP2017051990A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工方法において、テーパ率の良い小径加工を少ないショット数のレーザ照射で実現し、小径化に求められる加工品質と高生産性を両立させる。
【解決手段】本発明のレーザ加工方法は、シート状のベース部材に絶縁樹脂層とカバーフィルムが接着された被加工物をレーザ光で穴加工する製造方法であって、前記カバーフィルムの厚さを所定の厚さ以上に決定するステップと、前記被加工物の前記カバーフィルム側をレーザ照射面として加工テーブルに載置し保持するステップと、レーザ光の強度とパルス時間幅によって加工に用いるレーザ光のパルスエネルギを設定するステップと、前記加工に用いるレーザ光の焦点の位置を調整するステップと、レーザパルスを照射して前記絶縁樹脂層と前記カバーフィルムを同時に除去して穴加工するステップを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いた加工方法に関し、特に、シート状材料に穴加工を行って電子デバイスを製造する方法に関するものである。

レーザによる薄板基材の穴あけ加工において、近年、電子機器の小型化・高集積化に伴い、加工径が微細になり要求される精度も非常に高くなってきた。特に、ビアホール加工の場合、上下の穴径の差（テーパー率）を可能な限り小さくすることが要求される。

そのような課題に対する従来技術の一例を図１２を用いて説明する。図１２は従来技術に係るビアホール加工の一例を示す断面図である。

有機樹脂を含有する厚みｔの絶縁層５の一方の表面に、離型性フィルム６と、接着層７とを、離型性フィルム６と接着層７との合計厚みが、絶縁層５厚みｔの０．１５ｔ以上の厚みとなるように形成する。

絶縁層５に離型性フィルム６および接着層７を介してレーザ光照射によって、一方の絶縁層端面側のホール径をｄ１、他方の絶縁層端面側のホール径をｄ２とした時、０．６≦ｄ２／ｄ１≦１となるビアホール８を形成する。

ビアホール８内に導電性物質を充填し、ビアホール導体４を形成した後、離型性フィルム６および接着層７を剥離した後、絶縁層５の表面に導体回路層３を形成する（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−２２２９７号公報

従来技術に係るレーザ加工方法は、マイクロドリルやパンチング加工と比較した場合の小径の穴加工を対象としているが、更に小径の穴加工、例えば直径５０μｍ以下の穴加工は想定していない。しかしながら、電子部品の高密度化を進めるには、構成部品に求められる開口穴の小径化は避けて通ることはできない。

電子部品の構成材料に開けられた穴は、一般的に導電性材料（金属メッキまたは導電性ペーストなど）で表裏が接続して使用される。そのため信頼性を確保するためには接続面積を大きいことが望まれ上下の穴径の差（テーパー率）を可能な限り小さくすることは大変重要な加工品質を決定する因子である。

一方、これまで小径加工においてテーパ率の良い穴あけ加工をするには、従来技術同様、一般的に複数回のレーザパルスまたはレーザ分割パルスを用いて加工することが実施されている。電子部品は、高機能化とともに低価格化も求められており、複数回のレーザパルスまたはレーザ分割パルスを用いることは生産性を大きく低下させることにつながり、結果として低コスト化の妨害となる。

つまり、テーパ率の良い小径加工と高生産性は相反する要因として、これまで両立することは困難とされていた。

そこで本発明は、以上の問題を解決し、テーパ率の良い小径加工を少ないショットのレーザ照射で実現し、小径化に求められる加工品質と高生産性を両立させることができるレーザ加工方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、シート状のベース部材に絶縁樹脂層とカバーフィルムが接着された被加工物をレーザ光で穴加工する製造方法であって、前記カバーフィルムの厚さを所定の厚さ以上に決定するステップと、前記被加工物の前記カバーフィルム側をレーザ照射面として加工テーブルに載置し保持するステップと、レーザ光の強度とパルス時間幅によって加工に用いるレーザ光のパルスエネルギを設定するステップと、前記加工に用いるレーザ光の焦点の位置を調整するステップと、レーザパルスを照射して前記絶縁樹脂層と前記カバーフィルムを同時に除去して穴加工するステップを備える。

上記の製造方法により、本発明に係るレーザ加工方法では、テーパ率の良い小径加工を少ないショット数のレーザ照射で実現し、小径化に求められる加工品質と高生産性を両立させることができる。

本開示の実施の形態に係る製造方法を実施するレーザ加工装置の構成を示したブロック図である。 本開示の実施の形態に係る制御について、主要な信号の時間変化、及び出力ビームや信号のエネルギの変化を示したタイムチャートである。 本開示の実施の形態に係る被加工物材料の構造と穿孔例を示す断面図である。 本開示の実施の形態の係る製造方法の最適加工条件の設定の手順を示すフローチャートである。 本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の最適焦点位置の確認実験結果を示すグラフである。 本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の加工穴径と照射エネルギの相関を計測した結果を示すグラフである。 本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の最適加工パルス幅の確認実験結果を示すグラフである。 本開示の製造法においてカバーフィルム厚さの影響確認のために行った厚さ毎の最適焦点位置の確認実験結果を示すグラフである。 本開示の製造法においてカバーフィルム厚さ毎に加工穴径と照射エネルギの相関を計測した結果を示すグラフである。 本開示の製造法においてカバーフィルム厚さ毎に上穴径に対するテーパ率の変化を計測した結果を示すグラフである。 本開示の製造法におけるカバーフィルム厚／加工上穴径の比とテーパ率の関係を示すグラフである。 従来技術に係るビアホール加工の一例を示す断面図である。

本開示の製造方法の詳細を電子部品の代表例としてプリント基板の加工を例に記載する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態）
＜レーザ加工装置の主要構成＞
最初に、本発明を実施する設備について説明する。

図１は本開示の実施の形態に係る製造方法を実施するレーザ加工装置の構成を示したブロック図である。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１６１と、コリメータレンズユニット１６２と、マスク１６３と、音響光学変調器１６４と、フェーズリターダ１６５と、ビームダンパ１６６と、ガルバノスキャナ１６７と、スキャンレンズ１６８と、被加工物２１６が載せられる加工テーブル２１７と、パワーモニタ２１８と、制御装置２２３とを備える。

レーザ発振器１６１は、パルス発振指令５０１を受けてレーザ光２２０を射出する。レーザ発振器１６１には、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ等の発振を可能にする種々のレーザ媒質を用いることができる。本実施の形態のごとく、プリント基板のような被加工対象部位が樹脂のように赤外領域で吸収をもつ材料に対しては、比較的安価なＣＯ２レーザが選択されることが多い。

コリメータレンズユニット１６２は、制御装置２２３からの指令（レンズ調整信号５０５）によってコリメータレンズ距離Ｌｃを調整し、レーザ発振器１６１から出力されたレーザ光２２０を所定のビーム径に変換する。マスク１６３は、被加工物上に投影する形の孔が開いた耐光性のある材料で製作される。ＣＯ２レーザの場合、銅や真鍮などのベースに金蒸着または金メッキで耐光性を改善された材料が使用される。

マスク１６３では、異なる直径（マスク径）の複数の開口が設けられており、使用される開口は装置側の制御（マスク選択信号５０６）で選択することができる。コリメータレンズ距離Ｌｃによるビーム径と選択した開口の直径を任意に組み合わせることで、レーザビームのプロファイルと被加工物上の加工穴径が、おおよその狙いを定めて制御可能である。

音響光学変調器１６４（ＡＯＭ）は、音響光学素子ドライバ２１４の出力するＡＯＭ変調信号５０４の指令に基づいてレーザ光２２０の方向を変える。方向の制御は、入射されたレーザ光２２０を回折するオン状態と、入射されたレーザ光２２０を回折せずに通過させるオフ状態とに選択的に設定される。

それにより音響光学変調器１６４は、レーザ発振器１６１から出力されたレーザ光２２０の波形を時間的に整形する働きをする。一般的には、音響光学変調器１６４は、レーザ光の立上り時間とレーザ光の立下り時間をカットして短パルスを得る働きをする。

音響光学変調器１６４がオン状態に制御されている場合、レーザ光２２０は音響光学変調器１６４によって回折される。これを１次レーザ光２２２とする。一方、音響光学変調器１６４がオフ状態に設定されている場合、レーザ光２２０は回折されずに音響光学変調器１６４を通過する。これを０次レーザ光２２１とする。なお、オン状態でも回折されないレーザ光も０次レーザ光２２１に含まれる。

音響光学変調器１６４に入射したレーザ光２２０のうち、本実施形態においては、回折された１次レーザ光２２２がレーザ加工に用いられる。一方、「音響光学変調器１６４で整形され加工に使用されるパルス波形」以外のレーザ光である０次レーザ光２２１は、ビームダンパ１６６で吸収し、熱エネルギに変換する。ビームダンパ１６６で受けたエネルギは、冷却水により排熱される。

加工に用いられる１次レーザ光２２２は、フェーズリターダ１６５により、直線偏光のから円偏光に変換される。フェーズリターダ１６５として当該機能を有するユニットを用いてもよいし、レーザの偏光に対して回転可能に設けられた波長板を用いることもできる。フェーズリターダ１６５は、レーザ発振器１６１から出力された直線偏光のレーザ光２２０を円偏光に変換する。

１次レーザ光２２２は適宜設置されたミラーによってＺ軸ボックス２１５に導かれる。Ｚ軸ボックス２１５には、ガルバノスキャナ１６７、及びスキャンレンズ１６８が備えられており、全体が加工面に対して垂直の方向（Ｚ軸方向）に可動な状態で設置されている。これによりレーザ光の焦点位置が調整可能になっている。焦点位置は制御装置２２３より制御される（Ｚ軸調整信号５０７）。

ガルバノスキャナ１６７は、直交する２方向にスキャンするミラーを有し、入射したレーザ光を所定の位置に精度よく位置決めする。スキャンレンズ１６８は、マスク１６３の開口形状を被加工物上に投影する役割をする。

制御装置２２３は、一定のプログラムに従ってレーザ加工装置１００の制御を行うものであり、その制御機能として、レーザ発振器１６１に対してはパルス発振指令５０１を、音響光学素子ドライバ２１４に対してはＡＯＭ駆動パルス５０２と強度指示指令５０３を出力する。

＜レーザ加工装置の動作、及び、レーザ加工方法＞
それでは、図１の構成図、および、図２のタイミングチャートを用いて、本発明の製造方法を実施する装置の動作について説明する。

図２は本開示の実施の形態に係る制御について、主要な信号の時間変化、及び出力ビームや信号のエネルギの変化を示したタイムチャートである。図２において、横軸は時刻の経過を示し、縦軸はそれぞれの信号の変化を示している。時刻の範囲は、レーザ光を１パルスだけ照射する期間を示している。

レーザ発振器１６１には、制御装置２２３から図２（ａ）に示すようにパルス発振指令５０１が入力される。

入力されたパルス発振指令５０１に対して図２（ｂ）に示したように所定の遅延時間Ｔｄをもってレーザ発振器１６１からレーザ光２２０が出力される。遅延時間Ｔｄはだいたい１０μ秒程度である。このレーザ光２２０はパルス発振指令５０１がなくなると減衰する。

これは、パルス発振指令５０１がある間はレーザの励起に必要なエネルギがＣＯ２レーザの場合放電により供給されるが、パルス発振指令５０１が終わると、放電が消え励起エネルギの供給が止まるためレーザガスの成分や圧力に依存する励起寿命の特性に従って自然に減衰する。

次に、図２（ｃ）に示したように音響光学変調器１６４にはＡＯＭ変調信号５０４が、パルス発振指令５０１から一定の遅延時間を持って出力される。ＡＯＭ変調信号５０４はＲＦ電波であり、音響光学素子ドライバ２１４が、ＡＯＭ駆動パルス５０２と強度指示指令５０３を受けてＲＦ電波を出力し、音響光学変調器１６４の素子に回折格子を発生させる。回折格子が素子に現れた音響光学変調器１６４は、レーザ光を所定の角度だけ曲げる。

曲げられたレーザ光の１次レーザ光２２２は、上述のように、フェーズリターダ１６５により円偏光に変換され、ガルバノスキャナ１６７により所定の位置にレーザ光を誘導し、スキャンレンズ１６８により被加工物２１６にマスク１６３の形状が投影されて加工に使用される。

一方、音響光学変調器１６４の回折現象には効率があり、通常は８５〜９０％程度である。従って、残りの１０〜１５％のレーザ光と、ＡＯＭ変調信号５０４が入力していない時間のレーザ光は直進し、ビームダンパ１６６に吸収される。

さらに、加工に用いるレーザ光について説明する。

シート材の穴加工に用いるレーザ出力は、平均定格出力３５０Ｗ程度であるが、加工に必要なエネルギは数ｍＪである。高速のガルバノスキャナ１６７が数ｋＨｚで移動しても、数十Ｗ程度しか使用しないので、ほとんどがマスク１６３と音響光学変調器１６４で切り捨てられている。

レーザ光のピーク出力は飽和時には１ｋＷ超である。この飽和レーザピーク出力を加工に有効に使用するため音響光学変調器１６４を用いて、パルスの立上がり部と立下り部を切り捨てるパルス整形し、高ピーク部分の切り出し加工に使用している。係る状況を図２（ｄ）、（ｅ）に示している。

また、音響光学変調器１６４では回折効率を電圧により指令でき、ＲＦ信号であるＡＯＭ変調信号５０４よりパルス幅を制御するだけでなく、ＲＦ信号強度で回折効率を制御する。結果、一定のエネルギをパルスピーク値とパルス幅の積として自由に設定することが可能である。音響光学素子ドライバ２１４が、ＡＯＭ駆動パルス５０２でオン時間を、強度指示指令５０３で信号強度を設定し、ＲＦ信号であるＡＯＭ変調信号５０４を出力している。

図２（ｅ）に示すように、加工に使用するレーザパルス（１次レーザ光２２２）は、ピーク出力が加工パルス強度Ｐ１のレーザ光が加工パルス幅Ｔｐの期間だけ照射される鋭いパルス波形になっている。加工に供されるエネルギは、加工パルス強度Ｐ１と加工パルス幅Ｔｐの積で決定される。

なお、レーザ加工装置１００には、設定された条件で実際に所定の加工エネルギが照射されるかを確認するためにパワーモニタ２１８を有している。被加工物２１６がない状態で空うちをすることで加工エネルギを測定する。

＜被加工材料の構成の例示＞
次に本発明に使用する被加工物２１６について、図３を用いて説明する。図３にはプリント基板に使用されている材料のレーザ加工時の構成を示した。

ベース層３０１にはガラス繊維などで強化された樹脂材料、セラミックまたはガラスなどが使用され、その上には銅箔が積層されている。この銅箔を内層銅箔３０２と呼び、この銅箔の穴あけの後に表層に新たに積層される銅箔との間で電気的な接続を実現することになる。

内層銅箔３０２を表面処理で粗化した後に絶縁樹脂層３０３が積層されている。絶縁樹脂層３０３には最近ガラスフィラーなど熱膨張を抑制する材料が含有されていることが多くなってきた。さらにカバーフィルム３０４が積層されている。カバーフィルム３０４には比較的安価なＰＥＴフィルムが使用されることが多い。

これらの構成材料は、一般的なもので、内層銅箔約１２μｍ厚、銅箔処理ＣＺ処理を実施し、絶縁樹脂２５〜４０μｍで半導体パッケージ用に使用されている。また、標準の材料として市販されている半導体パッケージ用材料はカバーフィルムに３８μｍ厚のＰＥＴフィルムが使用されている。

レーザ光による穴あけは、このカバーフィルム３０４を積層した状態でカバーフィルム側からレーザ光を照射することで実施される。以降、被加工物に照射され加工に供されるレーザ光のパルスを「加工パルス」と称することにする。

加工パルスによって供給されるエネルギで、カバーフィルム３０４と絶縁樹脂層３０３が共に部分的に除去され、加工穴３０５を形成する。加工穴３０５において、絶縁樹脂層３０３の加工パルス照射側の穴径を上穴径Ｄｔ、反対側の加工の底の穴径を下穴径Ｄｂとする。

共に穴加工されたカバーフィルム３０４はレーザ加工後に剥離され、被加工物２１６は次の化学プロセスに持ち込まれる。

＜被加工物の構成・厚さに対する最適加工条件の設定＞
レーザ加工装置で加工を開始する前に、レーザ加工装置を加工に適切な条件に調整設定する必要がある。その手順を以下説明する。説明では、実際に加工を行った結果を示した上で、条件をいかに調整・設定するかをグラフを参照しながら述べることとする。

条件設定のための加工と条件設定の手順を示すと図４のようになる。図４は本開示の実施の形態の係る製造方法の最適加工条件の設定の手順を示すフローチャートである。まず被加工物として標準の材料を用いた場合の条件の設定手順を説明する（Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ３）。

［Ａ］標準的条件の設定手順
図４にもあるように、最初にレーザ加工装置の焦点を設定する必要がある（Ｓｔｅｐ１）。続いて実施されるのは、所定の目標穴径が得られるマスク径と加工エネルギを設定する必要がある（Ｓｔｅｐ２）。そして、最後に、加工品質を観察しながらパルス幅を決定する（Ｓｔｅｐ３）。まず、ここまでについて詳細に説明する。

なお、本開示の実施の形態では、レーザ発振器１６１には、ＣＯ２レーザ発振器を使用し、被加工物２１６が樹脂の場合に比較的炭化が抑制される波長９．３μｍのレーザ光を出力するものを用いている。レーザの加工パルス幅Ｔｐは絶縁樹脂層３０３の材料に依存するが、本発明の検証で使用した材料ではパルス幅を１０〜５０μ秒で加工を実施した。

使用した材料は、一般的に半導体パッケージ用に使用されている材料である。その構成は、図３に示すとおりであり、内層銅箔３０２は、約１２μｍ厚で銅箔処理ＣＺ処理を実施している。絶縁樹脂層３０３は、特に記載のない場合は２５μｍ厚のものを用いている。カバーフィルム３０４については、標準の材料として市販されている半導体パッケージ用材料では、３８μｍ厚のＰＥＴフィルムが使用されている。

（Ｓｔｅｐ１）最適焦点位置の確認と設定
レーザ加工装置の最適焦点位置を求めるために、Ｚ軸方向に焦点位置を２０μｍ単位で上下させて穴加工を行い、結果を測定した。加工に使用するマスク１６３は光学的に所定の穴径加工が想定される直径に近いものを選択する。加工エネルギは加工痕周囲がきれいに確認できるように弱いエネルギが好ましい。本加工では１ｍＪに設定した。加工パルスはパルス幅が５０μ秒の１ショットである。

係る条件で穴加工を行った結果、絶縁樹脂層３０３に形成された加工穴３０５の上穴径Ｄｔと下穴径Ｄｂを測定した値をグラフにまとめた。図５は本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の最適焦点位置の確認実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は被加工物を基準にしたレーザ光の焦点位置であり、材料表面からカバーフィルム３０４の厚さだけ内に入った位置、即ち、絶縁樹脂層表面を原点にしている。縦軸は加工穴３０５の上穴径と下穴径の測定値である。

さて、図５に示されているように、焦点の位置によって加工される穴の径は変化している。この場合、絶縁樹脂層表面付近で最も小さい上穴径が得られている。下穴径については、上穴径よりは小さくなっているが、絶縁樹脂層表面に焦点位置を設定した場合が最も大きくなっている。

上穴径と下穴径の差が最も小さい場合が最適な条件である。グラフから、標準のカバーフィルム３８μｍの場合は、焦点位置を絶縁樹脂層表面とすることが、最も良好な穴径を得る条件であることがわかった。レーザ加工装置の制御としては、被加工物表面からカバーフィルム厚さだけ内部にオフセットした位置に焦点を設定することになる。

（Ｓｔｅｐ２）ねらい穴径に対する照射条件の決定
２番目の工程は加工エネルギを変化させて、絶縁樹脂層３０３の表面の上穴径が「目標とする穴径（以降、ねらい穴径と称する）」になるように大まかに加工エネルギを設定する。そのために、所定の条件のもとで加工穴径と照射エネルギの相関を計測し、ねらい穴径に対する照射エネルギを逆算し決定する。

マスク径は、カバーフィルム３０４の厚さが３８μｍの本加工の場合は１．８ｍｍのマスクを使用した。但し、マスク径は、レーザ加工装置の光学設計上の倍率で決定されるパラメータであるので、ねらい穴径に応じて変えることもあるが、本加工ではほぼ適切な上記値に仮ぎめして加工を行った。

レーザ加工装置の焦点設定は、実際の被加工物２１６が絶縁樹脂層３０３にＰＥＴなどカバーフィルムが積層されているので、絶縁樹脂層表面になるように焦点位置を設定した。加工パルスは５０μ秒１ショットに設定し、音響光学変調器１６４に対する強度指示指令５０３を変えることで加工エネルギを変化させた。

係る条件で穴加工を行った結果、絶縁樹脂層３０３に形成された加工穴３０５の上穴径Ｄｔを測定した値をグラフにまとめた。図６は本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の加工穴径と照射エネルギの相関を計測した結果を示すグラフである。グラフの横軸は加工エネルギで単位はミリジュールである。縦軸は加工穴の上穴径の測定値である。

このグラフから読み取るか、加工エネルギと穴径の関係を表す近似曲線から逆算すれば、ねらい穴径に対して必要な加工エネルギの値を得ることができる。例えば、本実証のカバーフィルム厚３８μｍの場合、図６より、穴径が３０μｍには０．４７ｍＪ、同４０μｍには０．８０ｍＪ、同５０μｍには１．３５ｍＪとなる。

（Ｓｔｅｐ３）最適加工パルス幅の確認と設定
次に、最適な加工パルス幅Ｔｐを求めるために、加工エネルギは一定にしたまま加工パルス幅Ｔｐを変更し、加工パルス幅Ｔｐと加工穴形状の関係を把握する。

カバーフィルム厚は３８μｍの材料を使い、ねらい穴径を３０μｍとした。加工条件は前ステップの設定を用いた。マスク径は１．８ｍｍ、焦点は絶縁樹脂層表面になるように位置を設定した。加工パルスは１ショットで、加工エネルギは０．４７ｍＪである。加工パルスを１０〜５０μ秒に変更することに応じて、音響光学変調器１６４に対する強度指示指令５０３を変えることで加工エネルギを一定とした。

本加工では、カバーフィルム厚は共通の３８μｍであるが、絶縁樹脂層３０３の厚さが２５μｍと３０μｍの２種類の材料を用意している。

係る条件で穴加工を行った結果、絶縁樹脂層３０３に形成された加工穴３０５の上穴径Ｄｔを測定した値をグラフにまとめた。図７は本開示の製造法における標準カバーフィルム使用時の最適加工パルス幅の確認実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は加工パルス幅で単位はμ秒である。縦軸は加工穴の上穴径と下穴径の測定値である。

図７からもわかるように、加工パルス幅が短いときは上穴径が大きく下穴径は小さい。加工パルス幅が長くなると、上穴径が多少小さくなり、下穴径が大きくなる。更に加工パルス幅が長くなると下穴径が小さくなる。

加工パルス幅が短いときに同じエネルギを得るにはパルスピーク値が高いことを意味し、加工しきい値は材料により一定であることから加工に寄与するビーム径が拡大することを意味する。一方、加工パルス幅が長くなると樹脂が高温になる時間が増えて除去体積が微増し下穴径が拡大する。

ところが、最近は、絶縁樹脂層材料にガラスフィラーが多く含有される傾向にあり、長パルス幅（例えば３０μ秒超）で加工するとガラス粒子が析出する現象が顕著になり、結果として下穴径が小さくなってくる。このガラス玉の析出現象が顕著に出てくると、後工程のデスミア過程でも取ることができず問題になることがあるため、ガラス玉の析出が許される最大のパルス幅を選択する必要がある。

図７の加工結果から、最適な加工パルス幅は３０μ秒だと分かる。これは、上述の考察のように絶縁樹脂層３０３の材質構成で影響される加工条件である。また、絶縁樹脂層３０３の厚さが違うと除去体積が変わり穴径の定量的な大きさは変化するが、定性的な傾向は変わることがなく、最適な加工パルス幅は同じ値になっている。

なお、異なる材質構成の絶縁樹脂層の有する被加工物を穴加工する場合は、本工程の加工と測定を行えば最適な加工パルス幅を設定できる。

［Ｂ］カバーフィルム別条件の設定手順
カバーフィルム側から穴加工を行う場合に、カバーフィルムの厚さが異なると除去体積が異なり、同じねらい穴径の加工でも加工エネルギが異なることまでは容易に推測される。

ところが、カバーフィルムの厚さが厚くなると現象が複雑になってきたことが分かった。

そこで、標準的材料のカバーフィルムに対して、更に厚く設定したカバーフィルムを有する材料を準備し、カバーフィルム厚さの影響を確認し（Ｓｔｅｐ４）、そこから厚さ毎の最適な条件を設定する手順を示す（Ｓｔｅｐ４、Ｓｔｅｐ５）。さらに、ねらい穴径に対して最適なカバーフィルム厚さの選定手順を示していく（Ｓｔｅｐ６）。

（Ｓｔｅｐ４）カバーフィルム厚さの影響確認〜厚さ毎の焦点位置オフセットの設定
カバーフィルム３０４が厚さ３８μｍのＰＥＴである一般的材料以外に、カバーフィルム厚を７５μｍと１００μｍとした異なる被加工物材料を準備した。ただし、絶縁樹脂層３０３や内層銅箔３０２は同一材料、同一厚さとした。この３種類の材料に対して、焦点位置を２０μｍごとに変更して穴加工を行い、カバーフィルム厚ごとに上穴径Ｄｔと下穴径Ｄｂを測定した。

加工エネルギは、カバーフィルム表面に焦点位置を仮決めし、加工パルス出力を変化させながら加工穴３０５の絶縁樹脂層３０３の上穴径Ｄｔが３０〜３５μｍになるエネルギを求めて決定している。加工パルスは、暫定的にパルス幅を５０μ秒とした１ショットである。

本加工の結果をグラフで示す。図８は本開示の製造法においてカバーフィルム厚さの影響確認のために行った厚さ毎の最適焦点位置の確認実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は被加工物２１６を基準にしたレーザ光の焦点位置であり、カバーフィルム３０４の表面を原点にしている。縦軸は加工穴３０５の上穴径と下穴径の測定値である。

図８を見ると、カバーフィルム３０４が比較的薄い３８μｍときは、下穴径が最も大きくなる位置がカバーフィルム表面から内側に４０μｍ付近にあり、ほぼカバーフィルムの厚さと一致しており、絶縁樹脂層表面に焦点を取る前述の加工方法が有効であることが分かる。

一方、仮に、カバーフィルム３０４が厚い７５μｍおよび１００μｍの場合でも絶縁樹脂層表面に焦点を取る前述の加工方法が有効であるとすると、カバーフィルム材料のＰＥＴの屈折率は約１．５であって屈折による焦点位置の誤差はほとんどないので、光学的に下穴径が最大になる焦点位置はカバーフィルムの内側７５μｍおよび１００μｍ付近にあることになる。

しかしながら、図８に記しめされているように、実際は厚みが増すにつれ逆に表面側に移動していることがわかった。

この現象は、加工穴内で多重反射により加工穴が形成されている状態を示し、アクリルなどの樹脂ではこの多重反射のために穴径と同等以上の深さになると正確にバーンパターンによりレーザ光の分布が測定できないことが知られている。

従って、絶縁樹脂層表面に焦点を取る前述の加工方法では、下穴径を大きくしテーパ率を改善した最適な加工位置が得られないことを示している。そこで、本発明では、カバーフィルム厚毎に焦点オフセットの最適設定する工程を追加する。

レーザ加工装置１００は被加工物２１６の表面の位置をセンサで測定し、焦点位置にＺ軸を移動して加工を開始する。カバーフィルム３０４が積層している場合、カバーフィルムの厚さを予め入力しておけば、一般的には自動的に絶縁樹脂表面に焦点が一致するようにレーザ加工装置のＺ軸が移動して加工を開始する。

本開示の実施の形態では、カバーフィルム３０４の材質と厚さ毎に絶縁樹脂層表面からの加工位置（即ち、最適な焦点に位置）までのオフセット量または、カバーフィルム表面から加工位置までのオフセット量のどちらか一方を固有値としてシステムに登録し、自動的に下穴径が最大となるＺ軸加工位置で加工を行う。

加工位置オフセット量の求め方は、図８に示した穴加工と測定を、レーザ加工を行おうとする被加工物に対して予め行って決定すればよい。あるいは、カバーフィルムの材質と厚さが決まると最適値はほぼ決まるので、異なる種類の材料に対して予め穴加工と測定を行って、システムに登録しておいてもよい。

具体的な加工位置オフセット量の求め方を図８の場合を一例として説明する。このグラフで大切なのは、下穴径が最大になる位置を最適加工位置として選択することである。

図８において、カバーフィルム１００μｍの場合、内部に約２０μｍカバーフィルムの表面から入った位置に加工位置を設定する。カバーフィルム７５μｍの場合は、同じく約３０μｍである。カバーフィルム３８μｍの場合は、同じく約４０μｍであり、ほぼ絶縁樹脂層表面であるので、内部に３８μｍカバーフィルムの表面から入った位置に加工位置を設定するか、絶縁樹脂層を基準にするならば、オフセット量を０とすればよい。

なお、図５と図８で上穴径の変化の傾向が異なっているが、これは加工エネルギなどの設定条件が異なりターゲットとなる穴径が微小化方向に大きく異なっているためである。しかしながら、着目する下穴径については傾向や最適加工位置はほとんど変わらない。

（Ｓｔｅｐ５）厚さ毎のねらい穴径に対する照射条件の決定
次の工程は、カバーフィルム３０４の厚さ毎にマスク径を設定し、さらに加工エネルギを変化させて、絶縁樹脂層表面の上穴径が目標となる穴径になるように大まかに加工エネルギを設定する。被加工物として、カバーフィルム厚が１００μｍ、７５μｍ、５０μｍを新たに準備した。

レーザ加工装置の焦点は、Ｓｔｅｐ４で厚さ毎に設定された加工位置オフセット量だけカバーフィルム表面から内部に焦点が来るように設定される。例えば１００μｍ厚のカバーフィルムの場合は内部に２０μｍ焦点位置をシフトさせて加工される。加工パルスはパルス幅５０μ秒の１ショットに設定し、音響光学変調器１６４に対する強度指示指令５０３を変えることで加工エネルギを変化させた。

また、加工痕は基本的に円錐形状になるので、カバーフィルムの厚さが厚くなると使用するマスク径は大きくなる。今回の実証の場合、ＰＥＴカバーフィルムが１００μｍ厚の場合３．２５ｍｍ、同７５μｍ厚の場合２．２５ｍｍ、同５０μｍの場合は１．８ｍｍのマスクを使用した。

但し、マスク径は、レーザ加工装置の光学設計上の倍率で決定されるパラメータであり、必ずしも、この値が最適値ではないが、本加工ではほぼ適切な値として仮ぎめして加工を行った。実際の生産工程では、レーザ加工装置固有のマスク径の中から選択することになる。

カバーフィルム３０４が厚くなると除去体積が多くなることから、加工エネルギも大きくなる。どのカバーフィルム厚の場合でも絶縁樹脂層３０３の除去体積は目標穴径が同じであるとほぼ同じになるから、加工エネルギの増加分はカバーフィルム３０４の除去加工に使用されている。

係る条件で穴加工を行った結果、絶縁樹脂層３０３に形成された加工穴３０５の上穴径Ｄｔを測定した値をグラフにまとめた。なお、Ｓｔｅｐ２で説明した汎用の厚さの３８μｍの場合も同一条件でグラフ内に描画しておく。図９は本開示の製造法においてカバーフィルム厚さ毎に加工穴径と照射エネルギの相関を計測した結果を示すグラフである。グラフの横軸は加工エネルギで単位はミリジュールである。縦軸は加工穴３０５の上穴径の測定値である。

各厚さ毎の設定条件は、このグラフから読み取るか、パルスエネルギと穴径の関係を表す近似曲線から逆算すれば、ねらい穴径に対して必要な加工エネルギの値を得ることができる。図９より、本実証の目標を仮に絶縁樹脂層上穴径がΦ３０μｍとすると、カバーフィルム厚３８μｍの場合０．４７ｍＪ、同５０μｍ厚の場合０．７ｍＪ、同７５μｍ厚の場合１．１５ｍＪそして１００μｍ厚の場合１．８ｍＪとなる。

このようにして、Ｓｔｅｐ５と図９に示した穴加工と測定を、レーザ加工を行おうとする被加工物に対して予め行って決定すれば、カバーフィルムの材質と厚さごとの穴径と加工エネルギの相関が分かり、ねらい穴径に対する最適な加工エネルギも決定できる。あるいは、事前に種々の異なる材料に対して当該穴加工と測定を行って、システムに登録しておいてもよい。

（Ｓｔｅｐ６）ねらい穴径に対するカバーフィルム厚さの決定
カバーフィルム厚の影響は、加工位置オフセット量と加工エネルギだけではなく、さらに他の現象にも及んでいる。ここで、本開示のレーザ加工の条件設定を総合した実証加工の結果を示す。

被加工物２１６のカバーフィルム３０４の厚さが３８μｍ、５０μｍ、７５μｍおよび１００μｍの４種類を準備する。各材料とも、絶縁樹脂層３０３と内層銅箔３０２は同一材質・同一厚さである。

マスク径は、カバーフィルム厚さ毎にＳｔｅｐ２とＳｔｅｐ５の設定を用いる。焦点位置はＳｔｅｐ４で求めたカバーフィルム厚さ毎の加工位置オフセット量の設定を用いる。レーザパルスは、絶縁樹脂層は共通であるのでＳｔｅｐ３で求めたパルス幅３０μ秒の１ショットで統一する。

そして、加工穴の上穴径を変数として、各カバーフィルム厚さ毎に下穴径はどのように変化するか計測する。ねらう上穴径はＳｔｅｐ５で示した手順で決定した加工エネルギより実現する。相関を考察する測定値としてテーパ率を用いる。テーパ率は、下穴径Ｄｂを上穴径Ｄｔで除して１００分率で表現したものである。１００％に近いほど上穴径Ｄｔと下穴径Ｄｂの差が小さく良好である。

図１０は本開示の製造法においてカバーフィルム厚さ毎に上穴径に対するテーパ率の変化を計測した結果を示すグラフである。グラフの横軸は上穴径、縦軸はテーパ率とし、４種類のカバーフィルム厚でデータ系列を分けている。

図１０に示されるように、２つの観点で顕著な傾向が見て取れる。１つ目は、カバーフィルムの厚さが厚くなるほどテーパ率が良化していることである。２つ目は、同じカバーフィルム厚さの場合では、上穴径が小さくなるほどテーパ率が良化していることである。

なお、このような傾向が顕著に現れるのは、カバーフィルム厚さ毎に本開示の条件設定を行い、各厚さ、各穴径で良好な穴加工が実現できているからである。

２つの顕著な傾向の本質を定量的に考察すべく図１０のデータを異なる変数で整理しなおす。カバーフィルム厚を上穴径で除した比率を横軸にしてデータを新たにプロットする。

図１１は本開示の製造法におけるカバーフィルム厚／加工上穴径の比とテーパ率の関係を示すグラフである。この図から明らかなように、テーパ率が改善する傾向は、カバーフィルム厚と上穴径の比でほぼ一義的に表すことができるという新たな知見を得ることができた。

プリント基板の場合、一般的にテーパ率が８０％以上の加工が求められるため、その場合カバーフィルム厚と加工上穴径の比を１．５倍以上にするとレーザ照射回数１回でも良好な加工を得ることができることが示されている。

つまり、加工の深さがカバーフィルム厚／穴径比が１．５以上になるとビーム本来の形状での加工に加えて多重反射の効果が重畳される。多重反射の効果は加工穴の深部で顕著になるため、カバーフィルムを厚くしてレーザ加工を実施し、カバーフィルムを剥離することで表面に加工穴深部が露出しテーパ率が改善する。

しかし、この効果は加工位置（焦点の位置）の設定に非常に敏感であることは前述の説明で示した。多重反射の効果をテーパ率改善効果として得るには、前述した下穴径を最大とする加工位置設定とカバーフィルムの厚さが加工穴径の約１．５倍以上あることの同時に条件を満たした場合に顕著に現れる。

よって、加工しようとする穴径が決まれば、最適なカバーフィルム厚を決定することができる。本開示の実証では、例えば、穴径３０μｍの加工であればカバーフィルム厚が４５μｍ以上（例えば５０μｍ）のものを選ぶ。例えば、３０〜６０μｍの穴径が混在しているなら９０μｍ以上の厚さである１００μｍ厚のものを選べばよい。

なお、厚くなりすぎると不要なカバーフィルムの除去ばかりにエネルギを消費し、レーザ発振器１６１の出力の制限から短パルスでは少ないショット数の加工が困難になってくる。そこで、カバーフィルム厚の上限は、この制限を考慮して、例えば２００μｍとすればよい。

＜まとめ＞
以上に述べたように、本実施の形態のレーザ加工方法によれば、テーパ率の良い小径加工を１ショットのレーザ照射で実現し、小径化に求められる加工品質と高生産性を両立させることができる。

さらに、本実施の形態のレーザ加工方法では、加工パルスを１ショットで条件を設定したが、加工エネルギを時間的に分割し複数ショットの加工パルスで条件設定することを妨げない。同じ穴径を加工するためには合計のエネルギはほぼ同じになるので、照射回数を分割した場合の１ショットの加工エネルギは、ほぼ分割の除算の結果に近い値とすればよい。

かかる場合も、カバーフィルムを一定以上に厚くし、厚さに応じた加工位置オフセット量を設定することによる多重反射の効果によって、さらなるテーパ率の改善が見込める。

なお、プリント基板の加工を電子部品の代表例として本開示のレーザ加工方法を説明したが、本開示の製造方法は、プリント基板だけでなく、ＳＡＷフィルタ、インターポーザ基板など半導体内の構成部品、半導体プローブカードやＭＥＭＳなど、微小な穴あけが必要な電子部品にも適用可能である。

本開示のレーザ加工方法は、テーパ率の良い小径加工を少ないショットのレーザ照射で実現し、小径化に求められる加工品質と高生産性を両立させることができるものであり、レーザ光を用いた加工方法とその製造方法を用いた電子デバイス等において有用である。

１００ レーザ加工装置
１６１ レーザ発振器
１６２ コリメータレンズユニット
１６３ マスク
１６４ 音響光学変調器
１６５ フェーズリターダ
１６６ ビームダンパ
１６７ ガルバノスキャナ
１６８ スキャンレンズ
２１４ 音響光学素子ドライバ
２１５ Ｚ軸ボックス
２１６ 被加工物
２１７ 加工テーブル
２１８ パワーモニタ
２２０ レーザ光
２２１ ０次レーザ光
２２２ １次レーザ光
２２３ 制御装置
３０１ ベース層
３０２ 内層銅箔
３０３ 絶縁樹脂層
３０４ カバーフィルム
３０５ 加工穴
５０１ パルス発振指令
５０２ ＡＯＭ駆動パルス
５０３ 強度指示指令
５０４ ＡＯＭ変調信号
５０５ レンズ調整信号
５０６ マスク選択信号
５０７ Ｚ軸調整信号
Ｌｃ コリメータレンズ距離
Ｔｄ 遅延時間
ＴＬ レーザパルス幅
Ｔｐ 加工パルス幅
Ｐ１ 加工パルス強度
Ｄｔ 上穴径
Ｄｂ 下穴径

Claims (6)

1. シート状のベース部材に絶縁樹脂層とカバーフィルムが接着された被加工物をレーザ光で穴加工する製造方法であって、
   前記カバーフィルムの厚さを所定の厚さ以上に決定するステップと、
   前記被加工物の前記カバーフィルム側をレーザ照射面として加工テーブルに載置し保持するステップと、
   レーザ光の強度とパルス時間幅によって加工に用いるレーザ光のパルスエネルギを設定するステップと、
   前記加工に用いるレーザ光の焦点の位置を調整するステップと、
   レーザパルスを照射して前記絶縁樹脂層と前記カバーフィルムを同時に除去して穴加工するステップを備えるレーザ加工方法。
2. 前記被加工物の加工する穴径に対して一定の関係になるように前記カバーフィルムの厚さを決定する請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記一定の関係を、前記加工する穴径に対して前記カバーフィルムの厚さが１．５倍以上であるとした請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記焦点の位置を前記カバーフィルムの内部に設定した請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記カバーフィルムの厚さに応じた前記焦点の位置のオフセット量を予め設定し、前記カバーフィルム毎に前記焦点の位置を変更する請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 前記カバーフィルムの厚さが７５μｍ以上２００μｍ以下であり、
   前記焦点の位置を、前記カバーフィルムの内部、かつ、前記カバーフィルムの厚さの中央よりレーザ光の照射側に設定した請求項５に記載のレーザ加工方法。

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