JP2019098357A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物に形成される貫通穴を従来よりも小径化させる。【解決手段】加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行うレーザ加工装置が、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に互いに直列に位置して、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームを偏向させる二個のＡＯＤと、互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされて、ＡＯＤから出射されたレーザビームをそれぞれ偏向させる二枚のガルバノミラーと、ＡＯＤとガルバノミラーとの間に位置し、ＡＯＤから出射されたレーザビームのビーム径を拡大してそのレーザビームをガルバノミラーに入射する光学系と、ガルバノミラーから出射されたレーザビームを加工対象物に垂直に入射し、その加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、を具えている。【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線板の層間絶縁層となる加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

近年のプリント配線板の技術分野では、電子回路の高密度化の要求に応じるために、コア基板上や支持板上に複数層のビルドアップ層を積層することで多層プリント配線板を形成することが提案されている。

ビルドアップ層は通常、層間絶縁層とその上の導体回路層とで構成されており、多層プリント配線板では、コア基板とビルドアップ層との導体回路層間や、ビルドアップ層同士の導体回路層間を電気的に接続するため、層間絶縁層に貫通穴が形成され、その貫通穴内にメッキ等によってバイアホール導体が設けられている。

このバイアホール導体用の貫通穴は極めて小径かつ多数であり、その形成には、従来はドリルが用いられていたが、近年では電子回路のさらなる高密度化の要求に対し、例えば特許文献１に記載されたようなレーザ加工装置による炭酸ガスレーザビームの照射が用いられるようになっている。

この従来のレーザ加工装置は、各々入力された超音波の周波数に応じた角度にレーザビームを高速でかつ所定平面内で偏向させる二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）をそれらの所定平面が互いに直角になるように組み合わせてレーザ光源からのレーザビームの光路上に置くことで、層間絶縁層となる加工対象物の微小範囲内をレーザビームによって高速で走査するとともに、それらのＡＯＤの近傍に二枚のガルバノミラーを互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わせて配置することで、その微小範囲を加工対象物の面内でずらしてその微小範囲より大きい所定範囲内を走査し、さらに、加工対象物を支持するＸ−Ｙテーブルで加工対象物をガルバノミラーに対し移動させることで、その所定範囲を加工対象物の面内でずらして加工対象物の穴空け加工範囲全体を走査する。

そしてこの走査に伴い、ＡＯＤを出てガルバノミラーで偏向されたレーザビームをガルバノミラーと加工対象物との間に配置したｆθレンズによって加工対象物に垂直に入射しかつその加工対象物の位置で収束させることで、極めて小径かつ多数の貫通穴の、加工対象物の穴空け加工範囲全体に亘る微細な穴空け加工を短時間で行い、穴空け加工の高スループット化を図っている。

特開２００８−０４９３８３号公報

ところで、貫通穴を小径化するにはガルバノミラーに入射されるレーザビームのビーム径を大きくするのが通常であるところ、高スループット化を目的とした上記従来のレーザ加工装置では、ガルバノミラーの高速駆動のために小さいガルバノミラーを用い、ＡＯＤの近傍にガルバノミラーを配置し、しかもガルバノミラーに入射されるレーザビームのビーム径を制限しているので、ガルバノミラーに入射されるレーザビームのビーム径を拡大することが困難であり、貫通穴のさらなる小径化が困難であった。

本発明のレーザ加工装置は、プリント配線板の層間絶縁層等とされる加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行うものであって、
炭酸ガスレーザのレーザビームを出射するレーザ光源と、
レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に互いに直列に位置して、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームを偏向させる二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）と、
互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされて、ＡＯＤから出射されたレーザビームをそれぞれ偏向させる二枚のガルバノミラーと、
ＡＯＤとガルバノミラーとの間に位置し、ＡＯＤから出射されたレーザビームのビーム径を拡大してそのレーザビームをガルバノミラーに入射する光学系と、
ガルバノミラーから出射されたレーザビームを加工対象物に垂直に入射し、その加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、
を具えている。

本発明のレーザ加工方法は、
加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行う方法であって、
レーザ光源により、炭酸ガスレーザのレーザビームを出射することと、
レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に互いに直列に位置し、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームを偏向させる二個のＡＯＤにより、そのレーザ光源から出射されたレーザビームを偏向させることと、
光学系により、ＡＯＤから出射されたレーザビームをそのビーム径を拡大してガルバノミラーに入射することと、
互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされて、光学系によりビーム径が拡大されたレーザビームをそれぞれ偏向させる二枚のガルバノミラーにより、そのレーザビームを偏向させることと、
ガルバノミラーから出射されたレーザビームをｆθレンズにより、加工対象物に垂直に入射し、その加工対象物の位置で収束させることと、
を含んでいる。

本発明の実施形態によれば、レーザ光源から出射されてＡＯＤで偏向された炭酸ガスレーザのレーザビームが、ＡＯＤとガルバノミラーとの間に位置する光学系によってビーム径を拡大されてガルバノミラーに入射され、ガルバノミラーで偏向されて出射されたそのレーザビームが、ｆθレンズによって加工対象物に垂直に入射されて、その加工対象物の位置で収束する。これにより、加工対象物に形成される貫通穴が従来よりもさらに小径化し、電子回路のさらなる高密度化に対応することが可能になる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置のレーザ発振器の発振周波数とピークパワーとの関係を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置のＡＯＤの機能を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置の光学系の機能を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置の加工速度を従来のレーザ加工装置の加工速度と比較して示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置のＡＯＤの走査範囲と穴加工数との関係を示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す説明図である。この実施形態のレーザ加工装置は、プリント配線板の層間絶縁層とされる平板状の加工対象物Ｗに炭酸ガスレーザビームＢを照射して微細な穴空け加工を行うものであって、炭酸ガスレーザのレーザビームＢを出射するレーザ光源としての既知のレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＢの光路上に互いに直列に位置して、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームＢを偏向させる既知の二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）２，３と、レーザ発振器１から遠い側のＡＯＤ３から出射されたレーザビームＢを順次に偏向させる既知の二枚のガルバノミラー４，５と、を具えている。

図２は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置のレーザ発振器１の発振周波数とピークパワーとの関係を示す説明図である。従来のレーザ発振器の使い方では、発振周波数は図中符号Ａで示す６ＫＨｚから１０ＫＨｚの間とされ、ピークパワーは１５０００Ｗ程度とされている。これに対しこの実施形態のレーザ発振器１の使い方では、発振周波数は例えば１５０ＫＨｚから２００ＫＨｚの間に調整され、ピークパワーは例えば１０００Ｗから２０００Ｗの間に調整される。これによりレーザ発振器１は、同じ時間の長さの間に従来のレーザ発振器の使用方法の２０倍のパルス周期（パルス数）のパルス状のレーザビームＢを出力することができる。

図３は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置のＡＯＤ２，３の機能を示す説明図である。これらのＡＯＤ（音響光学偏向器）２，３は各々、炭酸ガスレーザビームを偏向させるのに適しているゲルマニウム結晶を用いており、発振器から高周波の電気信号を入力されると圧電素子によってその周波数の超音波を発生させて結晶内に伝播させ、入射されたレーザビームＢをブラッグ回折現象により、その高周波の周波数に応じた角度に偏向させて出射することができる。すなわち、ＡＯＤ２，３は各々、例えば中心周波数１７０ＭＨｚでは、レーザビームＢの０次光（透過光）に対して１次回折光を１０ｍｒａｄ（ラジアン）偏向させて走査中心光軸とし、その中心周波数±２０ＭＨｚの範囲である１５０ＭＨｚから１９０ＭＨｚまでの周波数の間で１次回折光を２．５ｍｒａｄ偏向させて走査光軸とすることができる。

また、ＡＯＤ２，３は各々、入射されたレーザビームＢを上記ブラッグ回折現象によって高速で偏向させることができる。例えば、ガルバノミラー４，５ではレーザビームＢの走査速度が２ＫＨｚ程度であるのに対し、ＡＯＤ２，３ではレーザビームＢの走査速度が９００ＫＨｚ程度であり、ガルバノミラー４，５に対し概略４５０倍の速度でレーザビームＢの走査光軸を偏向させることができる。

これらのＡＯＤ２，３は、レーザビームＢの光路上に互いに直列に位置して、互いに直角な平面内、例えばＡＯＤ２は図１では左右方向に紙面と直交して延在する平面内、またＡＯＤ３は図１では左右方向に紙面と平行に延在する平面内で、入射されたレーザビームＢをそれぞれ偏向させる。これによりＡＯＤ２，３は、図１では上下方向に紙面と直交して延在する平面上の微小範囲内でレーザビームＢを移動させてその微小範囲内を走査することができる。

この実施形態のレーザ加工装置はまた、図１ではガルバノミラー４，５の下方に位置し、平板状の加工対象物Ｗを、例えば図１では左右方向に延在するＸ軸および、紙面と直交する方向に延在するＹ軸を含むＸ−Ｙ平面に平行な姿勢で例えば負圧によって吸着支持するとともに、その支持した加工対象物ＷをＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動させる既知の移動テーブル６と、上記二枚のうちのＡＯＤ３から遠い側のガルバノミラー５から出射されたレーザビームＢを移動テーブル６上の加工対象物Ｗに垂直に入射させかつその加工対象物Ｗの位置で収束させる既知のｆθレンズ７と、ＡＯＤ３とＡＯＤ３に近い側のガルバノミラー４との間に位置してエキスパンダとして機能し、ＡＯＤ３から出射されたレーザビームＢのビーム径を拡大してそのレーザビームＢをガルバノミラー４に入射させる光学系８と、を具えている。

図４は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置の光学系８の機能を示す説明図である。光学系８は、図１および図４に示されるように、同一軸線上にそれぞれの焦点距離の位置Ｆを挟んで直列に配置された例えばＦ１００（焦点距離１００ｍｍ）のレンズ８ａおよびＦ３００（焦点距離３００ｍｍ）のレンズ８ｂと、それらのレンズ８ａ，８ｂの焦点距離の位置Ｆに開口を持つ図示しないマスクとを有している。

ＡＯＤ３から偏向されて出射された実質的に平行光線のレーザビームＢは、Ｆ１００のレンズ８ａによってその焦点距離の位置Ｆで収束して、レーザビームＢの断面形状を整えるマスクの開口を通過した後、３倍に拡径してＦ３００のレンズ８ｂに入射し、レンズ８ｂにより実質的に平行光線に戻されてから、ＡＯＤ３に近い側のガルバノミラー４とＡＯＤ３から遠い側のガルバノミラー５とを順次に経てｆθレンズ７に入射される。そしてこのレーザビームＢは、ｆθレンズ７から出射されて移動テーブル６上の加工対象物Ｗに垂直に入射され、その加工対象物Ｗの位置で収束してその加工対象物Ｗに貫通穴を形成する。加工対象物Ｗには、例えば味の素ファインテクノ株式会社製の層間樹脂フィルム（ＡＢＦフィルム）、商品名：ＡＢＦ−９２Ｒ等を用いることができる。

この光学系８により、ｆθレンズ７に入射されるレーザビームＢのビーム径は、レーザ発振器１から出射されるレーザビームＢのビーム径の３倍に拡大されているので、ｆθレンズ７から出射されて加工対象物Ｗの位置で収束するレーザビームＢは、従来よりもさらに小径化する。これにより、加工対象物Ｗに形成される貫通穴が従来よりもさらに小径化して、電子回路のさらなる高密度化に対応することが可能になる。レーザ発振器１から出射されるレーザビームＢのビーム径を例えば３．５ｍｍとすると、ｆθレンズ７に入射されるレーザビームＢのビーム径はその３倍の１０．５ｍｍとなり、ｆθレンズ７から出射されて加工対象物Ｗの位置で収束するレーザビームＢによって加工対象物Ｗに形成されるバイアホール導体用の貫通穴の径は５０μｍとなる。

一方、１５０ＭＨｚから１９０ＭＨｚまでの高周波を入力されるＡＯＤ２，３から出射されるレーザビームＢは走査角度が上記のように２．５ｍｒａｄであるのに対し、光学系８によりビーム径を３倍にされてレンズ８ｂから出射されるレーザビームＢは走査角度が１／３の０．８３ｍｒａｄに減少し、レーザビームＢがＡＯＤ２，３で偏向されて加工対象物Ｗ上を走査する微小範囲は、レーザビームＢがガルバノミラー４，５で偏向されて加工対象物Ｗ上を走査する所定範囲である２４ｍｍ角の１辺当たり概略１／２８の０．８４ｍｍ角となる。貫通穴は小径の５０μｍであるので、この微小範囲内に例えば５個形成することができる。

この実施形態のレーザ加工装置を用いて行うこの実施形態のレーザ加工方法では、ＡＯＤ２，３によって偏向されるレーザビームＢで上記微小範囲内を走査してその微小範囲内の複数の貫通穴の加工を行い、ガルバノミラー４，５によってその微小範囲を加工対象物Ｗの面内でずらしてその微小範囲より大きい所定範囲内を走査し、さらに、加工対象物Ｗを支持する移動テーブル６によって加工対象物Ｗをガルバノミラー４，５に対し移動させてその所定範囲を加工対象物Ｗの面内でずらし、加工対象物Ｗの穴空け加工範囲全体を走査することで、その穴空け加工範囲全体に亘りレーザビームＢで貫通穴の加工を行う。

その際、レーザ発振器１から出射されてＡＯＤ２，３で偏向されたレーザビームＢが、光学系８によってビーム径を拡大されてガルバノミラー４，５に入射されるので、加工対象物Ｗに形成される貫通穴が従来よりもさらに小径化し、電子回路のさらなる高密度化に対応することが可能になる。

図５は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置の加工速度を従来のレーザ加工装置の加工速度と比較して示す説明図である。従来は、二台のレーザ加工装置の各々で、加工対象物としてのパネルＮｏ．１およびパネルＮｏ．２に二本のレーザビームＢを照射して貫通穴を加工する際に、パネルＮｏ．１に関しては、ビーム１について、ガルバノミラーを１．９ＫＨｚで動作させて、加工する所定範囲を５００μ秒で移動させ、次いで２５０μ秒のインターバルをおいて、続く２５０μ秒の間に３ショットのレーザビームＢで、その所定範囲に１穴の貫通穴を加工する、という工程を繰り返し、ビーム２についても、上記の各工程を概略５００μ秒ずらして行う。また、パネルＮｏ．２に関しても同様に、ビーム３について、ガルバノミラーを１．９ＫＨｚで動作させて、加工する所定範囲を５００μ秒で移動させ、次いで２５０μ秒のインターバルをおいて、続く２５０μ秒の間に３ショットのレーザビームＢで、その所定範囲に１穴の貫通穴を加工する、という工程を繰り返し、ビーム４についても、上記の各工程を概略５００μ秒ずらして行う。これにより従来は、二台のレーザ加工装置で２，６３０μ秒の間に合計１０穴の貫通穴の加工を行っている。

これに対し、この実施形態のレーザ加工装置では、パネルＮｏ．３に二本のレーザビームＢを照射して貫通穴を加工する際に、ビーム１について、ガルバノミラー４，５を２．４ＫＨｚで動作させて、加工する微小範囲の位置を４００μ秒でずらし、次いで２００μ秒のインターバルをおいて、続く２００μ秒の間に、従来のレーザ加工装置のガルバノミラーの１．９ＫＨｚの動作速度の約４５０倍の９００ＫＨｚで動作するＡＯＤ２，３によりその微小範囲内でレーザビームＢを高速で移動させて、各穴につき３ショットで合計１５ショットのレーザビームＢで５穴の貫通穴をその微小範囲内の所定位置にそれぞれ加工する、という工程を繰り返し、ビーム２についても、上記の工程を概略４００μ秒ずらして行う。これにより、従来の半分の一台のレーザ加工装置で従来の概略１／３の８３３μ秒の間に、従来と同じ合計１０穴の貫通穴の加工を行っている。

図６は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置のＡＯＤ２，３の走査範囲と穴加工数との関係を示す説明図である。図示のようにこの実施形態のレーザ加工装置では、加工対象物Ｗの穴空け加工範囲全体を多数に分割した所定範囲の各々についてさらに分割した例えば０．８４ｍｍ角の微小範囲の各々に５穴ずつ貫通穴を加工することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、請求の範囲の記載から逸脱しない範囲で種々の変更、修正が可能である。例えば、実施形態のレーザ加工装置およびレーザ加工方法では移動テーブル６が加工対象物Ｗを移動させることで穴空け加工範囲全体に亘り所定範囲を相対的に移動させて走査しているが、これに代えて移動しないテーブルを加工対象物Ｗの固定に用い、レーザ発振器１からｆθレンズ７までの構成を移動させることで穴空け加工範囲全体に亘り所定範囲を移動させて走査するようにしても良く、あるいはレーザ発振器１からｆθレンズ７までの構成を移動させるとともにその移動方向と直交する方向に移動テーブル６を移動させるようにしても良い。

また例えば、実施形態のレーザ加工装置およびレーザ加工方法ではプリント配線板の層間絶縁層とされる平板状の加工対象物Ｗに貫通穴を加工しているが、加工対象物Ｗはこれに限られず、例えばフレキシブルプリント基板等を構成する樹脂絶縁層であっても良い。

１ レーザ発振器
２，３ ＡＯＤ（音響光学偏向器）
４，５ ガルバノミラー
６ 移動テーブル
７ ｆθレンズ
８ 光学系
８ａ，８ｂ レンズ

Claims (4)

1. 加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行うレーザ加工装置であって、
   炭酸ガスレーザのレーザビームを出射するレーザ光源と、
   レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に互いに直列に位置して、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームを偏向させる二個のＡＯＤと、
   互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされて、ＡＯＤから出射されたレーザビームをそれぞれ偏向させる二枚のガルバノミラーと、
   ＡＯＤとガルバノミラーとの間に位置し、ＡＯＤから出射されたレーザビームのビーム径を拡大してそのレーザビームをガルバノミラーに入射する光学系と、
   ガルバノミラーから出射されたレーザビームを加工対象物に垂直に入射し、その加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、
   を具えている。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光源は、発振周波数が２００ＫＨｚに至るレーザ発振器である。
3. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
   前記ＡＯＤはゲルマニウム結晶を用いたものである。
4. 加工対象物に炭酸ガスレーザビームを照射して微細な穴空け加工を行うレーザ加工方法であって、
   レーザ光源により、炭酸ガスレーザのレーザビームを出射することと、
   レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に互いに直列に位置し、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームを偏向させる二個のＡＯＤにより、そのレーザ光源から出射されたレーザビームを偏向させることと、
   光学系により、ＡＯＤから出射されたレーザビームをそのビーム径を拡大してガルバノミラーに入射することと、
   互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされて、光学系によりビーム径が拡大されたレーザビームをそれぞれ偏向させる二枚のガルバノミラーにより、そのレーザビームを偏向させることと、
   ガルバノミラーから出射されたレーザビームをｆθレンズにより、加工対象物に垂直に入射し、その加工対象物の位置で収束させることと、
   を含んでいる。

Images