JP2022139427A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板に貫通穴を形成する際に、テーパを生じさせにくくするレーザ加工方法を提供する。【解決手段】被加工物であるプリント基板の、一方の面から目標穴径よりも小さい径で貫通した排出穴をあける第一穴明け工程と、前記プリント基板の前記一方の面から板厚方向の途中まで、前記排出穴を拡径する拡径工程と、前記プリント基板の他方の面から、目標穴径の貫通穴をあける第二穴明け工程とを備え、前記第二穴あけ工程において、前記プリント基板の前記一方の面から、前記排出穴を通じて加工屑を吸引する。【選択図】図４

Description

本発明は、プリント基板にレーザを使用して穴あけを行うためのレーザ加工方法において、特にトレパニング加工でスルーホールを形成する場合に好適な穴あけ方法に関するものである。

レーザ加工方法の一つとして、例えば特許文献１及び２に開示されているように、レーザ照射スポット径よりも大きな径の穴を形成するトレパニング加工が知られている。

トレパニング加工は、レーザビームの光軸を円周軌道上で移動させながら、予め定める間隔毎にレーザ照射することにより、レーザビーム径以上の穴を明ける加工方法である。図６はトレパニング加工を説明する図である。図６を用いてトレパニング加工を説明する。

図６（Ａ）～（Ｆ）において、右側は基板の断面図、左側は基板の上面図を示す。また、各上面図における相互に重なり合った小円、及び各断面図における相互に重なり合った台形は、それぞれレーザ照射点を示す。なお、図面の見やすさを考慮し、レーザ照射点の一部の図示を省略している。

トレパニング加工により、加工スポット径がφｄのレーザを用いて、図６（Ａ）において二点鎖線で示す直径φＤの貫通穴を加工する場合を説明する。まず、図６（Ｂ）に示すように、加工目標穴の径φＤからスポット径φｄを減じた直径φＤ－ｄの円周軌道を所定間隔で照射移動する。ここで、照射移動する円周軌道を、加工目標穴の径からスポット径を減じた径とすることで、移動照射を完了した後にできる円周状の加工痕の外径が、加工目標穴の径と等しくなる。一周して開始点に戻ると、図６（Ｃ）に示すように、照射を完了した円よりも直径がｄ小さい、φＤ－２ｄの円周軌道上を等間隔で照射移動する。そして一周して開始点に戻ると、さらに直径をｄ小さくした円周軌道上を照射移動する。このように繰り返して、図６（Ｄ）に示すように、φＤの円の中心に到達するまで、直径をｄずつ小さくして、円周軌道上を照射移動する。ここで、図６（Ａ）～（Ｄ）までのレーザのＺ軸方向の焦点は、基板の表面に位置する。

φＤの円の中心まで加工すると、図６（Ｅ）に示すように、Ｚ軸方向の焦点位置を表面からビーム径と同程度の大きさ分深くして、同様にφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－ｄの円周軌道上から、一周する毎に直径をｄずつ小さくして照射移動する。φＤの円の中心に到達すると、焦点位置をさらにビーム径と同程度深くし、再びφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－ｄの円周軌道上から加工する。Ｚ軸方向の焦点位置が基板の裏面に到達し、基板に貫通穴が開くまでこれを繰り返す。なお、図６からもわかるように、径の異なる円周は全て同心円で加工される。トレパニング加工が完了すると、図６（Ｆ）に示すような貫通穴が形成される。

特開２０１１－１１０５８９号公報 特開２００７－０３８２８７号公報

ここで、基板の貫通穴としては、その用途によりテーパがないことが要求される。しかし、トレパニング加工により形成された穴は、図６（Ｆ）に示されるように、基板の表面側の径はφＤであるが、深くなるにつれて径が小さくなるテーパがつく。これは、加工中に生じる加工屑が加工穴の底部や側面に付着堆積していき、加工屑によりレーザエネルギが吸収されることにより生じるものである。そこで、本願発明は、加工中に生じる加工屑を加工穴に付着堆積しにくくし、テーパがつきにくい加工方法を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なレーザ加工方法は以下の通りである。被加工物であるプリント基板の一方の面から、目標穴径よりも小さい径で貫通した排出穴をあける第一穴あけ工程と、前記プリント基板の前記一方の面から板厚方向の途中まで、前記排出穴を拡径する拡径工程と、前記プリント基板の前記他方の面から、目標穴径の貫通穴をあける第二穴あけ工程とを備え、前記第二穴あけ工程において、前記プリント基板の前記の一方の面から、前記排出穴を通じて加工屑を吸引することを特徴とする。

本発明によれば、プリント基板に貫通穴を形成する際に、テーパを生じさせにくいレーザ加工方法を提供することができる。

本発明の第１の実施例となるレーザ加工装置のブロック図である。 本発明の第１の実施例における第一穴明け工程を説明する図である。 本発明の第１の実施例における拡径工程を説明する図である。 本発明の第１の実施例における第二穴明け工程を説明する図である。 本発明の第２の実施例における第二穴明け工程を説明する図である。 トレパニング加工を説明する図である。

本発明の第１の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第1の実施例となるレーザ加工装置のブロック図である。

図１において、１は被加工物であるセラミック基板、２は図示を省略する吸引装置に接続され、セラミック基板１を吸引してテーブル３に固定するとともに、セラミック基板に開口される排出穴から加工屑を吸引する吸引部材である。吸引部材２がセラミック基板１と接する面には、多数の吸引穴１５が開口している。吸引穴１５は、セラミック基板１の加工目標穴よりも大きな径で、加工目標穴に対応する位置を含めて、多数設けられている。

３は吸引部材２を介してセラミック基板１を載置するテーブルである。４はテーブル３を駆動するためのテーブル駆動部で、テーブル３をセラミック基板１の上から見て互いに直角となる２次元方向に移動させるものである。５はＵＶレーザの波長をもつレーザパルスＬ１を発振するレーザ発振器、６はレーザパルスＬ１を基板１の上から見て互いに直角となる２次元方向にＡＯＤを用いて偏向させるＡＯＤ偏向部（第１のレーザ偏向部）である。

７はＡＯＤ偏向部６において加工方向へ偏向されず透過したレーザパルスＬ３を吸収するダンパ、８はＡＯＤ偏向部６において加工方向へ偏向されたレーザパルスＬ２をセラミック基板１の上から見て互いの直角となる２次元方向にガルバノスキャナを用いて偏向させるガルバノ偏向部（第２のレーザ偏向部）、９はガルバノ偏向部８からのレーザパルスＬ４をセラミック基板１の穴あけ位置に照射する集光レンズである。ＡＯＤ偏向部６とガルバノ偏向部８の各々での２次元方向への偏向は、セラミック基板１における同じ平面内で行われるようになっている。１６はＡＯＤ偏向部６、ダンパ７、ガルバノ偏向部８及び集光レンズ９が実装されたレーザ照射ユニットである。

テーブル駆動部４によりテーブル３を図の紙面に対して左右方向（以下、Ｘ方向とする）と垂直方向（以下、Ｙ方向とする）に移動させることによりセラミック基板１とレーザ照射ユニット１６との相対移動を行い、さらにＡＯＤ偏向部６とガルバノ偏向部８の各々においてＸ方向とＹ方向にレーザパルスを偏向させることにより、セラミック基板１の必要な穴あけ位置に照射できるようになっている。テーブル駆動部３、ＡＯＤ偏向部６及びガルバノ偏向部８の各々には、Ｘ方向への移動（偏向）を行う系とＹ方向への移動（偏向）を行う系の両方が設けられている。

ＡＯＤ偏向部６とガルバノ偏向部８による偏向領域は、テーブル３を移動させることにより変えていくようになっている。ＡＯＤ偏向部６は機械的動作を伴わないので動作速度が速いが偏向範囲は小さく、従って、ガルバノ偏向部８は、レーザパルスをセラミック基板１の中の特定座標に位置決めするのに用い、ＡＯＤ偏向部６は当該特定座標を中心としたＸ方向、Ｙ方向の周辺領域に高速に位置決めするのに用いる。

１０は装置全体の動作を制御するための全体制御部であり、例えばプログラム制御の処理装置を中心にして構成され、その中の各構成要素や接続線は、論理的なものも含むものとする。各構成要素の一部はこれと別個に設けられていてもよい。また、全体制御部１０はここで説明するもの以外の制御機能を有し、図示されていないブロックにも接続されているものとする。さらに、各構成要素や接続線は、主に本実施例を説明するために必要と考えられるものを示してあり、レーザ加工装置として必要な全てを示している訳ではない。

全体制御部１０の内部には、レーザ発振器５でのレーザパルスＬ１の発振と減衰を指令するためのレーザ発振指令信号Ｓを出力するレーザ発振制御部１１、テーブル駆動部４を制御するためのテーブル駆動信号Ｔを出力するテーブル駆動制御部１２、ＡＯＤ偏向部６を制御するためのＡＯＤ駆動信号Ｄを出力するＡＯＤ制御部（第１のレーザ偏向制御部）１３、ガルバノ偏向部８を制御するためのガルバノ制御信号Ｇを出力するガルバノ制御部（第２のレーザ偏向制御部）１４が設けられている。

なお、本実施例においては被加工物としてセラミック基板を例に説明するが、プリント基板であればよく、ガラス基板や樹脂基板等でもよい。また、ＵＶレーザを例に説明するが、レーザであればよくＣＯ２レーザ等でもよい。

次に、本発明による加工方法を説明する。なお、以下に説明する、第一穴明け工程、拡径工程及び第二穴明け工程の各工程の加工中、吸引部材２は吸引穴１５を通じてセラミック基板１の裏面を常に吸引している。

図２は、第一穴明け工程を説明する図であり、図２（Ａ）～（Ｆ）において、右側は基板の断面図、左側は基板の上面図を示す。まず、加工目標の貫通穴（以下、目標穴という）よりも小さい径の排出穴を加工するための、第一穴明け工程を行う。排出穴は、のちに説明する第二穴明け工程において、加工屑を効率よく排出させるために設ける穴である。

加工スポット径がφｄのレーザを用いて、図２（Ａ）に示すように、直径φＤの目標穴（図における二点鎖線）を加工する場合、本実施例では、直径φＤよりも加工スポット径の２倍小さな直径φＤ－２ｄ（図における破線）の排出穴を開けるものとする。この場合、図２（Ｂ）に示すように、φＤ－３ｄの円周軌道上を所定間隔で照射移動する。そして一周して開始点に戻ると、図２（Ｃ）に示すように、照射を完了した円よりも更にｄ小さい、φＤ－４ｄの円周軌道上を等間隔で照射する。そして、一周して開始点に戻ると、さらに直径をｄ小さくした円周軌道上を照射移動する。このように繰り返し、図２（Ｄ）に示すように、φＤの円の中心に到達するまで、直径をｄずつ小さくして、円周軌道上を照射移動する。ここで、図２（Ａ）～（Ｄ）までは、レーザのＺ軸方向の焦点は、セラミック基板１の表面に位置する。

φＤの円の中心まで加工すると、図２（Ｅ）に示すように、Ｚ軸方向の焦点位置を表面からビーム径と同程度の大きさ分深くして、同様にφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－３ｄの円周軌道上から、一周する毎に直径をｄずつ小さくして照射移動する。φＤの円の中心に到達すると、焦点位置をさらにビーム径と同程度深くし、再びφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－３ｄの円周軌道上から加工する。Ｚ軸方向の焦点位置が基板の裏面に到達し、基板に貫通穴が開くまでこれを繰り返す。貫通した排出穴は、図２（Ｆ）に示すようにテーパがつき、基板表面側が穴径φＤ－２ｄで、裏面側がそれよりも小さくなる。

なお、本実施例において、排出穴の穴径を目標径からスポット径の２倍分小さな直径としたが、目標径よりも小さい径であればよく、これに限らない。

次に、排出穴を深さ方向途中まで拡径するための、拡径工程を行う。本実施例では、排出穴を目標穴の径と同じφＤまで拡径するものとして説明する。図３は、拡径工程を説明する図であり、図３（Ａ）～（Ｆ）において、右側は基板の断面図、左側は基板の上面図を示す。

第一穴明け工程後のセラミック基板１には、図３（Ａ）において実線で示すように、基板表面側の径がφＤ－２ｄの排出穴が加工されている。まず、図３（Ｂ）に示すように、φＤ－ｄの円周軌道上を所定間隔で照射移動する。そして一周して開始点に戻ると、図３（Ｃ）に示すように、照射を完了した円よりも更にｄ小さい、φＤ－２ｄの円周軌道上を等間隔で照射する。そして一周して開始点に戻ると、さらに直径をｄ小さくした円周軌道上を照射移動する。このように繰り返して、図３（Ｄ）に示すように、φＤの円の中心に到達するまで、直径をｄずつ小さくして、円周軌道上を照射移動する。なお、図３（Ａ）～（Ｄ）まで、Ｚ軸方向の焦点は、セラミック基板の表面に位置する。

φＤの円の中心まで加工すると、図３（Ｅ）に示すように、Ｚ軸方向の焦点位置を表面からビーム径と同程度の大きさ分深くして、同様にφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－ｄの円周軌道上から、一周する毎に直径をｄずつ小さくして照射移動する。φＤの円の中心に到達すると、焦点位置をさらにビーム径と同程度深くし、再びφＤの円の中心に到達するまで、φＤ－ｄの円周軌道上から加工する。Ｚ軸方向の焦点位置が基板の厚みの半分程度に到達するまでこれを繰り返す。拡径工程を行うことにより、排出穴には、図３（Ｆ）に示すように、径が大きい拡径部ができ、断面倒逆略凸字形状となる。

なお、本実施例において、目標径と同じφＤに拡径するものとして説明したが、これに限らず、排出穴の表面側の径よりも大きく、目標穴の径よりも小さければよい。また、拡径部を基板の半分程度まで形成したが、これに限らず、排出穴が基板の表面側から一部でも拡径されれば、深くても浅くてもよい。

拡径工程実施後、セラミック基板１を一旦吸引部材２から取り外し、裏返して再度吸引部材２に載せる。なお、セラミック基板１は裏返されたため、以降の説明におけるセラミック基板１の表面と裏面は、それぞれ第一穴明け工程及び拡径工程の説明における裏面と表面に対応する。

次に、目標径の貫通穴をあける第二穴明け工程を行う。図４は、第二穴明け工程を説明する図であり、図４（Ａ）～（Ｆ）において、右側は基板の断面図、左側は基板の上面図を示す。

拡径工程実施後裏返したセラミック基板１には、図４（Ａ）において実線で示されるように、断面が略凸字形状となり、基板表面の径が裏面の径よりも小さな排出穴が形成されている。第二穴明け工程においては、排出穴と同心となる位置に目標径の穴を開口する。

まず、図４（Ｂ）に示すように、φ２ｄの円周軌道上を所定間隔で照射移動する。そして一周して開始点に戻ると、図４（Ｃ）に示すように、照射を完了した円よりもｄ大きい、φ３ｄの円周軌道上を等間隔で照射する。そして一周して開始点に戻ると、さらに直径をｄ大きくした円周軌道上を照射移動する。このように繰り返して、図４（Ｄ）に示すように、φＤ-ｄの円周に到達するまで、直径をｄずつ大きくして、円周軌道上を照射移動する。なお、図４（Ａ）～（Ｄ）まで、Ｚ軸方向の焦点は、セラミック基板の表面に位置する。

φＤ－ｄの円周まで加工を完了すると、図４（Ｅ）に示すようにＺ軸方向の焦点位置を、基板表面からビーム径と同程度深くし、同様にφＤ－ｄの円周に到達するまで、φ２ｄの円周軌道上から、一周する毎に直径をｄずつ大きくして照射移動する。φＤ－ｄの円周上に到達すると、焦点位置をさらにビーム径と同程度深くし、再びφＤ―ｄの円周に到達するまで、φ２ｄの円周軌道上から、一周する毎に直径をｄずつ大きくして加工する。Ｚ軸方向の焦点位置が基板の裏面に到達するまでこれを繰り返す。なお、本実施例において、φ２ｄの円周軌道から加工を開始したが、これに限らず、排出穴の表面側の径よりも直径の小さい円周軌道から加工を開始すればよい。

第一穴明け工程、拡径工程及び第二穴明け工程の各工程の加工中、セラミック基板１が載置された吸引部材２は、吸引穴１５を通じて常に空気を吸引している。セラミック基板１の排出穴は、吸引穴１５と通じているため、排出穴も常に空気を吸引している。本実施例では、特に第二穴明け工程において、排出穴の基板表面側が、裏面側に比べて径が小さくなっている。そのため、排出穴の基板表面側近傍の吸気する流速が上がり、加工屑がより効率的に吸引され、加工屑が堆積しにくくなり、テーパが生じにくくなる。さらに、排出穴に拡径部が設けられていることから、基板の表面側が裏面側に比べて確実に径が小さくなり、しかも排出穴の容積が大きくなるので、より排出効率が上がる。上記方法によれば、図４（Ｆ）に示すように、内壁にはほぼテーパのない貫通穴を得ることができる。

本発明の第２の実施例を説明する。なお、本実施例において第１の実施例と同一の部分については、説明を省略する。

本実施例において、第二穴明け工程は以下のように行う。図５は第２の実施例の第二穴明け工程を説明する図であり、図５（Ａ）～（Ｆ）において、右側は基板の断面図、左側は基板の上面図を示す。

本実施例においては、まず図５（Ｂ）に示すように、φ２ｄの円周軌道上を所定間隔で照射移動する。このとき、Ｚ軸方向の焦点は基板の表面に位置する。そして、一周して開始点に戻ると、図５（Ｃ）に示すように、Ｚ軸方向の焦点位置を、表面からビーム径と同程度深くして、再びφ２ｄの円周軌道上を所定間隔で照射する。一周して開始点に戻ると、更にＺ軸方向の焦点位置をビーム径と同程度深くして加工していく。このように繰り返し、基板の裏面まで到達すると、図５（Ｄ）に示すように、Ｚ軸方向の焦点位置を表面にして、円周の径をｄ大きくしたφ３ｄの円周軌道上を加工する。一周して加工開始点に戻ると、Ｚ軸方向の焦点位置をビーム径と同程度深くして、再びφ３ｄの円周軌道上を加工していく。このように繰り返し、基板の裏面まで到達すると、再びＺ軸方向の焦点位置を表面として、円周の径をさらにｄ大きくして加工する。このように繰り返し、図５（Ｅ）に示すように、φＤ－ｄの円周に到達するまで加工する。上記方法によれば、図５（Ｆ）に示すように、内壁にはほぼテーパのない貫通穴を得ることができる。

本実施例によれば、常に排出穴の内面に接する部分を加工することになる。つまり、常に吸引される空気の流れに接する位置を加工することとなり、より加工屑の吸引効率が向上し、テーパが生じにくくなる。

１：セラミック基板 ２：吸引部材 ３：テーブル ４：テーブル駆動部 ５：レーザ発振器 ６：ＡＯＤ偏向部 ７：ダンパ ８：ガルバノ偏向部 ９：集光レンズ １０：全体制御部 １１：レーザ発振制御部 １２：テーブル駆動制御部 １３：ＡＯＤ制御部 １４：ガルバノ制御部 １５：吸引穴 １６：レーザ照射ユニット

Claims (1)

1. 被加工物であるプリント基板の一方の面から、目標穴径よりも小さい径で貫通した排出穴をあける第一穴あけ工程と、
   前記プリント基板の前記一方の面から、板厚方向の途中まで排出穴を拡径する拡径工程と、
   前記プリント基板の他方の面から、目標穴径の貫通穴をあける第二穴あけ工程とを備え、
   前記第二穴あけ工程において、前記プリント基板の前記の一方の面から、前記排出穴を通じて加工屑を吸引することを特徴とするレーザ加工方法。
   
   

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