JP2019155392A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】穴空け加工効率を高めるとともに加工穴の真円度を高める。【解決手段】加工対象物に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、レーザ光源から出射されるレーザビームの光路上に互いに直列にかつ互いに近接して配置されてそのレーザビームを順次に入射され、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て出射させる二個のＡＯＤと、ＡＯＤから出射されるレーザビームの断面形状を整えるアパーチャグリルと、互いに直列に配置されるとともに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、アパーチャグリルから出射されるレーザビームを順次に偏向させる二つのガルバノミラーと、ガルバノミラーから出射されるレーザビームを加工対象物に垂直に入射させ、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、加工対象物に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層間や、ビルドアップ層同士の導体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、近年では例えば特許文献１に記載されているようなレーザ加工装置によるレーザビームの照射が用いられるようになっている。

図４は、この種の従来のレーザ加工装置の構成を模式的に示しており、こ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に炭酸ガスのレーザビームＢを照射して微細な穴空け加工を行うものであって、第１アパーチャグリル１と、互いに直列配置されたＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）と、マスク４を有する光学系５と、図示しない第２アパーチャグリルと、互いに直列配置されたＸ軸ガルバノミラー６とＹ軸ガルバノミラー７との二つのガルバノミラーと、ｆθレンズ８とを具えている。

第１アパーチャグリル１は、図示しないレーザ光源から出射されたレーザビームＢを開口に通してその開口の形状に応じた断面形状に成形した後にＸ軸ＡＯＤ２に入射させ、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とは、レーザビームＢを順次に入射され、各々、入射したレーザビームＢを結晶によって入出射光路を含む所定平面内で回折させて１次回折光を出射させるとともにその１次回折光を高速にかつ上記所定平面内で、その結晶への入力超音波の周波数に応じた角度に偏向させて出射させる。

ここで、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とは、所定平面同士が直角に位置するように配置されており、これによりレーザビームＢをこのレーザ加工装置の直角座標系でＸ軸およびＹ軸方向に２次元的に偏向させて、加工対象物Ｗの表面上の微小領域内をレーザビームＢで走査する。

光学系５は、Ｙ軸ＡＯＤ３から１次回折光と一緒に出射される０次回折光をマスク４で遮断するとともに、Ｙ軸ＡＯＤ３から出射された１次回折光のレーザビームＢのビーム径を拡径させる。そして、光学系５とＸ軸ガルバノミラー６との間に位置する上記第２アパーチャグリルは、光学系５で拡径されたレーザビームＢを開口に通して断面形状を整えた後にＸ軸ガルバノミラー６に入射させる。

Ｘ軸ガルバノミラー６とＹ軸ガルバノミラー７とは、レーザビームＢを順次に入射され、各々、駆動信号に応じて反射面を所定軸線周りに回動させて、入射したレーザビームＢを偏向させて出射させる。

ここで、Ｘ軸ガルバノミラー６とＹ軸ガルバノミラー７とは、所定軸線同士が直角に位置するように配置されており、これによりレーザビームＢをこのレーザ加工装置の直角座標系でＸ軸およびＹ軸方向に２次元的に偏向させて、加工対象物Ｗの表面上の、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とで走査する微小領域よりも広い領域内で、その微小領域を移動させる。

ｆθレンズ８は、加工対象物Ｗに向けて配置されていて、Ｙ軸ガルバノミラー７の反射面でのレーザビームＢの位置にかかわらず、Ｙ軸ガルバノミラー７から出射されたレーザビームＢを加工対象物Ｗの表面に垂直に入射させかつその加工対象物Ｗの表面付近の位置で収束させる。

従来のレーザ加工装置は、かかる構成により加工対象物Ｗに微細な貫通穴を形成することで、極めて小径かつ多数の貫通穴の、加工対象物Ｗの表面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、上記のように直列に配置したＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とでレーザビームＢを２次元的に偏向させて微小領域の走査および穴加工を行うために、従来のレーザ加工装置では、図５に拡大して示すように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との間に反射板９を具える場合があり、この反射板９は、反射位相板や９０度偏光板、１／４波長板あるいはそれらの組み合わせ等によって構成され、例えばＸ軸ＡＯＤ２から出射された１次回折光を、Ｙ軸ＡＯＤ３での偏向に適するように偏光状態を位相変換してＹ軸ＡＯＤ３に入射させ、あるいはＸ軸ＡＯＤ２から出射された０次回折光を、Ｙ軸ＡＯＤ３に干渉しないように偏光状態を位相変換して遮断する。

しかしながら、図６の上部の結像光学に示すように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との間に介在する反射板９の厚み寸法が大きいためにＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶間の距離ＤＣが大きくなると、図６の下部の走査光学に示すように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々による最大偏向角でのＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの間の光軸方向の距離ＤＦが大きくなり、図７に示すように、Ｘ軸ガルバノミラー６およびＹ軸ガルバノミラー７の各々においてミラー中心からのＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの各々の中心ずれ量ＭＳＸ，ＭＳＹが大きくなって、レーザビームＢがＸ軸ガルバノミラー６およびＹ軸ガルバノミラー７の反射面から少なくとも部分的に外れてしまうため、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々による最大偏向角を有効活用できず、穴空け加工の加工効率が低下する。

また、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶間の距離ＤＣが大きくなると、図８に示すように、Ｙ軸ＡＯＤ３とＸ軸ガルバノミラー６との間に位置する第２アパーチャグリル１０の開口の中心からのＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの各々の中心ずれ量ＡＳＸ，ＡＳＹが大きくなって、レーザビームＢが第２アパーチャグリル１０の開口から少なくとも部分的に外れてしまうため、ｆθレンズ８に入射されるレーザビームＢの真円度が低下し、ひいてはｆθレンズ８から加工対象物Ｗの表面に入射されるレーザビームＢで穴空け加工する貫通穴の真円度が低下する。

本発明のレーザ加工装置は、加工対象物に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、レーザ光源から出射されるレーザビームの光路上に互いに直列に配置されてそのレーザビームを順次に入射され、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て出射させる二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）と、ＡＯＤから出射されるレーザビームの断面形状を整えるアパーチャグリルと、互いに直列に配置されるとともに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、アパーチャグリルから出射されるレーザビームを順次に偏向させる二つのガルバノミラーと、ガルバノミラーから出射されるレーザビームを加工対象物に垂直に入射させ、その加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、を具え、
二個のＡＯＤが互いに近接して配置されていることを特徴としている。

本発明のレーザ加工方法は、加工対象物に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、
レーザ光源から出射されるレーザビームの光路上に互いに直列に配置されるとともに互いに近接して配置されてそのレーザビームを順次に入射され、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によりそのレーザビームを偏向させて出射させることと、
ＡＯＤから出射されるレーザビームの断面形状をアパーチャグリルにより整えることと、
互いに直列にかつ互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされた二つのガルバノミラーにより、アパーチャグリルから出射されるレーザビームを偏向させて出射させることと、
ガルバノミラーから出射されるレーザビームをｆθレンズにより、加工対象物に垂直に入射させて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二個のＡＯＤで偏向されたレーザビームが、アパーチャグリルで断面形状を整えられてガルバノミラーに入射され、二つの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、加工対象物に微細な貫通穴を形成することができ、小径かつ多数の貫通穴の、加工対象物Ｗの表面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うことができる。

しかも本発明の実施形態によれば、二個のＡＯＤが互いに近接して配置されていることから、二個のＡＯＤの結晶間の距離が小さくなって、二個のＡＯＤの各々による最大偏向角での二個の走査焦点間の光軸方向の距離が小さくなり、二つのガルバノミラーの各々においてミラー中心からの走査焦点の中心ずれ量が小さくなって、レーザビームが二つのガルバノミラーの各々の反射面から外れることなくその反射面内に収まることから、二個のＡＯＤの各々による最大偏向角を有効活用して穴空け加工の加工効率を高めることができる。

また、本発明の実施形態によれば、二個のＡＯＤの結晶間の距離が小さくなって、ＡＯＤとガルバノミラーとの間に位置するアパーチャグリルの開口の中心からの走査焦点の中心ずれ量が小さくなり、レーザビームがアパーチャグリルの開口から外れることなくその開口内に収まることから、ｆθレンズに入射されるレーザビームの真円度を向上させて、ｆθレンズから加工対象物の表面に入射されるレーザビームで穴空け加工する貫通穴の真円度を高めることができる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の結像光学系と走査光学系とを関連付けて示す説明図である。 図１に示される走査光学系でのレーザビームとガルバノミラーの反射面との位置関係を示す説明図である。 図１に示される走査光学系でのレーザビームと第２アパーチャグリルの開口との位置関係を示す説明図である。 従来のレーザ加工装置の結像光学系の構成を示す説明図である。 図４に示される結像光学系の具体的構成を拡大して示す説明図である。 図４に示されるレーザ加工装置の結像光学系と走査光学系とを関連付けて示す説明図である。 図６に示される走査光学系でのレーザビームとガルバノミラーの反射面との位置関係を示す説明図である。 図６に示される走査光学系でのレーザビームと第２アパーチャグリルの開口との位置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結像光学系と走査光学系とを関連付けて示す説明図である。

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を照射して直径数十μｍの微細な穴空け加工を行うものであって、図４に示す従来のレーザ加工装置と同様、第１アパーチャグリル１と、互いに直列配置されたＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との二個のＡＯＤ（音響光学偏向器）と、マスク４を有する光学系５と、図示しない第２アパーチャグリルと、互いに直列配置されたＸ軸ガルバノミラー６とＹ軸ガルバノミラー７との二つのガルバノミラーと、ｆθレンズ８とを具えている。

第１アパーチャグリル１は、図示しないレーザ光源から出射されたレーザビームＢを開口に通してその開口の形状に応じた断面形状に成形した後にＸ軸ＡＯＤ２に入射させる。

Ｘ軸ＡＯＤ２は、入射したレーザビームＢを結晶によって入出射光路を含む所定平面内で回折させて１次回折光を出射させるとともにその１次回折光を高速にかつ上記所定平面内で、その結晶への入力超音波の周波数に応じた角度に偏向させて次のＹ軸ＡＯＤ３に入射させ、Ｙ軸ＡＯＤ３はＸ軸ＡＯＤ２と同様に、入射したレーザビームＢを結晶によって入出射光路を含む所定平面内で回折させて１次回折光を出射させるとともにその１次回折光を高速にかつ上記所定平面内で、その結晶への入力超音波の周波数に応じた角度に偏向させて出射させる。

ここで、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とは、所定平面同士が直角に位置するように配置されており、これによりレーザビームＢをこのレーザ加工装置の直角座標系でＸ軸およびＹ軸方向に２次元的に偏向させて、加工対象物Ｗの表面上の微小領域内をレーザビームＢで走査する。

光学系５は、Ｙ軸ＡＯＤ３から１次回折光と一緒に出射される０次回折光をマスク４で遮断するとともに、加工対象物Ｗの位置で収束するレーザビームＢのビーム径を小径化するためのエキスパンダとして機能して、Ｙ軸ＡＯＤ３から出射された１次回折光のレーザビームＢのビーム径を拡径させる。そして、光学系５とＸ軸ガルバノミラー６との間に位置する上記第２アパーチャグリルは、光学系５で拡径されたレーザビームＢを開口に通して断面形状を整えた後にＸ軸ガルバノミラー６に入射させる。

Ｘ軸ガルバノミラー６は、駆動信号に応じて反射面を所定軸線周りに回動させて、入射したレーザビームＢを偏向させて次のＹ軸ガルバノミラー７に入射させ、Ｙ軸ガルバノミラー７はＸ軸ガルバノミラー６と同様に、駆動信号に応じて反射面を所定軸線周りに回動して、入射したレーザビームＢを偏向させて出射させる。

ここで、Ｘ軸ガルバノミラー６とＹ軸ガルバノミラー７とは、所定軸線同士が直角に位置するように配置されており、これによりレーザビームＢをこのレーザ加工装置の直角座標系でＸ軸およびＹ軸方向に２次元的に偏向させて、加工対象物Ｗの表面上の、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３とで走査する微小領域よりも広い領域内で、その微小領域を移動させる。

ｆθレンズ８は、加工対象物Ｗに向けて配置されていて、Ｙ軸ガルバノミラー７の反射面でのレーザビームＢの位置にかかわらず、Ｙ軸ガルバノミラー７から出射されたレーザビームＢを加工対象物Ｗの表面に垂直に入射させかつその加工対象物Ｗの表面付近の位置で収束させる。

さらにこの実施形態のレーザ加工装置では、従来のレーザ加工装置の結像光学系と同様、図５に示されるように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との間に介在する反射板９を具えており、この反射板９は、反射位相板や９０度偏光板、１／４波長板あるいはそれらの組み合わせ等によって構成され、例えばＸ軸ＡＯＤ２から出射された１次回折光を、Ｙ軸ＡＯＤ３での偏向に適するように偏光状態を位相変換してＹ軸ＡＯＤ３に入射させ、あるいはＸ軸ＡＯＤ２から出射された０次回折光を、Ｙ軸ＡＯＤ３に干渉しないように偏光状態を位相変換して遮断する。

ところで、従来のレーザ加工装置では、既製品のＡＯＤであるＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々の厚み寸法が３３ｍｍとされるとともに、既製品の反射板９の厚み寸法が５０ｍｍとされて、Ｘ軸ＡＯＤ２と反射板９とＹ軸ＡＯＤ３との全体の厚み寸法が１１６ｍｍと大きくなり、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶間の距離が大きくなっている。このため、図６に示されるように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々による最大偏向角でのＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの間の光軸方向の距離ＤＦが大きくなり、図７に示されるようなＸ，Ｙ軸ガルバノミラー６，７の反射面からのレーザビームＢの外れと、図８に示されるような第２アパーチャグリル１０の開口からのレーザビームＢの外れとを生じる。

これに対しこの実施形態のレーザ加工装置では、既製品のＡＯＤであるＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々の厚み寸法が３３ｍｍとされる一方、反射板９の内部の光学部品の寸法や配置等の変更によってその厚み寸法が５０ｍｍ未満、好ましくは３０ｍｍ未満とされ、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶間の距離が従来よりも小さくなって、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶同士が近接して配置されている。このため、図１に示されるように、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々による最大偏向角でのＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの間の光軸方向の距離ＤＦが小さくなって、図２に示されるように、Ｘ，Ｙ軸ガルバノミラー６，７の反射面内にレーザビームＢの全体が収まるとともに、図３に示されるように、第２アパーチャグリル１０の開口内にレーザビームＢの全体が収まっている。

従って、この実施形態のレーザ加工装置および、そのレーザ加工装置で上述の如くして穴空け加工を行うこの実施形態のレーザ加工方法によれば、極めて小径かつ多数の貫通穴の、加工対象物Ｗの表面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うことができ、しかもＸ軸走査焦点ＦＸとＹ軸走査焦点ＦＹとの間の光軸方向の距離ＤＦが小さいことから、Ｘ，Ｙ軸ガルバノミラー６，７の反射面内にレーザビームＢが収まるので、Ｘ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との各々による最大偏向角を有効活用して穴空け加工の加工効率を高めることができ、さらに、第２アパーチャグリル１０の開口内にレーザビームＢが収まるので、ｆθレンズ８に入射されるレーザビームＢの真円度を向上させて、穴空け加工する貫通穴の真円度を高めることができる。

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反射板９の内部の光学部品の寸法や配置等の変更によって反射板９の厚み寸法を従来よりも小さくすることでＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶同士を近接配置しているが、反射板９を省略する（反射板９の厚み寸法を０にする）ことでＸ軸ＡＯＤ２とＹ軸ＡＯＤ３との結晶同士を近接配置しても良い。

１ 第１アパーチャグリル
２ Ｘ軸ＡＯＤ（音響光学偏向器）
３ Ｙ軸ＡＯＤ（音響光学偏向器）
４ マスク
５ 光学系
６ Ｘ軸ガルバノミラー
７ Ｙ軸ガルバノミラー
８ ｆθレンズ
９ 反射板
１０ 第２アパーチャグリル
Ｂ レーザビーム
Ｗ 加工対象物

Claims (4)

1. 加工対象物に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、
   レーザ光源から出射されるレーザビームの光路上に互いに直列に配置されてそのレーザビームを順次に入射され、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て出射させる二個のＡＯＤと、
   ＡＯＤから出射されるレーザビームの断面形状を整えるアパーチャグリルと、
   互いに直列に配置されるとともに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、アパーチャグリルから出射されるレーザビームを順次に偏向させる二つのガルバノミラーと、
   ガルバノミラーから出射されるレーザビームを加工対象物に垂直に入射させ、その加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、
   を具え、
   二個のＡＯＤが互いに近接して配置されている。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、
   前記二個のＡＯＤの間の隙間は０ｍｍ以上で５０ｍｍ未満である。
3. 加工対象物に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、
   レーザ光源から出射されるレーザビームの光路上に互いに直列に配置されるとともに互いに近接して配置されてそのレーザビームを順次に入射され、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によりそのレーザビームを偏向させて出射させることと、
   ＡＯＤから出射されるレーザビームの断面形状をアパーチャグリルにより整えることと、
   互いに直列にかつ互いに直角な軸線周りに回動するように組み合わされた二つのガルバノミラーにより、アパーチャグリルから出射されるレーザビームを偏向させて出射させることと、
   ガルバノミラーから出射されるレーザビームをｆθレンズにより、加工対象物に垂直に入射させて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。
4. 請求項３に記載のレーザ加工方法であって、
   前記二個のＡＯＤの間の隙間は０ｍｍ以上で５０ｍｍ未満である。