JP2022140405A - プリント基板のレーザ加工方法およびプリント基板のレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ発振機を有効に使用して、加工能率に優れ、品質に優れるプリント基板のレーザ加工方法およびプリント基板のレーザ加工機を提供すること。【解決手段】 ＲＦパルスを印加することによりレーザを発振するレーザ発振器１を用いてレーザ加工を行うプリント基板のレーザ加工方法において、前記ＲＦパルスの印加を終了した後のレーザが出力されている間に前記ＲＦパルスの印加を再開させることによりレーザ発振を継続させ、連続して発振されるレーザ２を所望の時間切り取ってプリント基板のレーザ加工を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージ基板の製造工程において、銅層の上にビルドアップされたＡＢＦ材あるいはＰＥＴ付ＡＢＦ材からなる絶縁層にブラインドホール（行止まり穴。以下、単に穴またはＢＨという。）を形成するのに好適なプリント基板のレーザ加工方法およびプリント基板のレーザ加工機に関する。

従来のビルドアップ式のプリント基板は銅層の上に、ガラス繊維やフィラを含有する樹脂で形成された絶縁層（以下、単に「絶縁層」という。）と銅層とを一体にしたものを絶縁層を挟むようにして積層し、表面の銅層と下層の銅層をめっきで接続する層間接続用として４０～１２０μｍの穴をレーザにより加工していた。

初めに、従来のレーザ加工機の構成について説明する。
図９は、従来の２ヘッド式レーザ加工機の構成図である。
炭酸ガスレーザ発振器１（以下、レーザ発振器１という。）は、パルス状直線偏光のレーザ２を出力する。レーザ発振器１とビームスプリッタ４との間に配置されたビーム径調整装置３はレーザ２のエネルギ密度を調整するための装置であり、レーザ発振器１から出力されたレーザ２の外径を変更することによりレーザ２のエネルギ密度を調整する。すなわち、ビーム径調整装置３の前後におけるレーザ２のエネルギは変化しない。したがって、ビーム径調整装置３から出射されたレーザ２はレーザ発振器１から出力されたレーザ２と見なすことができるので、以下、レーザ発振器１とビーム径調整装置３と、を併せてレーザ出力装置１Ａという。なお、ビーム径調整装置３は使用されない場合もある。
ビーム径調整装置３と偏光変換装置５Ａとの間にはビームスプリッタ４が配置されている。ビームスプリッタ４はレーザ２を直角な２方向のレーザ２Ａとレーザ２Ｂに分割する。レーザ２Ａは図示を省略する第１の加工ヘッドＡに、また、レーザ２Ｂは図示を省略する第２の加工ヘッドＢに供給される。ここで、第１の加工ヘッドＡと第２の加工ヘッドＢは同一の構成であるので、以下、構成が同じもの（符号５～符号１２）は添え字Ａ，Ｂを付して区別し、第１の加工ヘッドＡの場合についてのみ説明する。
偏光変換装置５Ａは直線偏光のレーザ２Ａを円偏光のレーザ６Ａに変換する。なお、偏光変換装置５Ａは加工中において加工部で反射されたレーザ６Ａを遮断する反射光遮断機構（詳細は省略する。）を備えており、加工部で反射されたレーザ６Ａによるレーザ発振器１の損傷を予防する機能を備えている。偏光変換装置５Ａとガルバノミラー１０Ａａとの間に配置されたプレート７Ａはレーザ６Ａを透過させない材質（例えば、銅）で形成されており、所定の位置にアパーチャ（窓であり、この場合は円形の貫通穴）８Ａが複数個かつ選択可能に形成されている。プレート７Ａは図示を省略する駆動装置により駆動され、選択されたアパーチャ８Ａの軸線をレーザ６Ａの軸線と同軸に位置決めする。ガルバノ装置９Ａは一対のガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂで構成され、図中矢印で示すように回転軸の回りに回転自在であり、反射面を任意の角度に位置決めすることができる。ｆθレンズ（集光レンズ）１１Ａは、図示を省略する加工ヘッドＡに保持されている。ガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂとｆθレンズ１１Ａとでレーザ６Ａの光軸をプリント基板１２Ａの所望の位置に位置決めする光軸位置決め装置を構成しており、ガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂの回転角度とｆθレンズ１１Ａの直径とで定まるスキャン領域（すなわち、加工領域）１２Ａは、５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の大きさである。ワークである銅層と絶縁層とからなるプリント基板１３は、Ｘ－Ｙテーブル１４に固定されている。なお、第１の加工ヘッドＡと第２の加工ヘッドＢとは同一パターンのプリント基板１３を加工する場合もあれば、異なるパターンのプリント基板１３を加工する場合もある。制御装置２０は入力された制御プログラムに従い、レーザ発振器１、ビーム径調整装置３、プレート７Ａ、７Ｂの駆動装置、ガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ｂａ、１０ＢｂおよびＸ－Ｙテーブル１４Ａ（場合によってはＸ－Ｙテーブル１４Ｂも含む）を制御する。

そして、穴を加工をする場合は、Ｘ－Ｙテーブル１４Ａ，１４Ｂを移動させて指定された加工領域１２Ａ、１２Ｂをｆθレンズ１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ対向させた後、先ず、当該加工領域１２Ａ、１２Ｂ内の総ての銅層を１回のビーム照射（すなわち、１パルスの照射）により穴を加工した後、１ないし複数回のパルス照射により絶縁層を加工して、当該加工領域１２Ａ、１２Ｂ内の穴を完成させる。

図１０はガルバノミラーの設定時間とレーザ照射時間を示す図であり、図中の横軸は時間であり、（ａ）は加工ヘッドＡの場合、（ｂ）は加工ヘッドＢの場合、である。
ヘッドＡのガルバノミラー１０Ａａと１０Ａｂのうち、ある加工箇所において位置決め時間が長くなる方の時間をヘッドＡのガルバノ時間ＧＡと言い、ヘッドＢのガルバノミラー１０Ｂａと１０Ｂｂのうち、ある加工箇所において位置決め時間が長くなる方の時間をヘッドＢのガルバノ時間ＧＢと言うとする。Ｌ１は１回のレーザ照射時間である。
加工ヘッドＡと加工ヘッドＢが加工するプリント基板１３Ａとプリント基板１３Ｂの加工内容が同一でガルバノ時間ＧＡとＧＢが同じ場合、２つの加工ヘッドに同時にレーザ２を同時に供給することができる。しかし、加工ヘッドＡと加工ヘッドＢの加工内容が異なり、ガルバノ時間ＧＡとＧＢが異なる場合、加工ヘッドＡと加工ヘッドＢにレーザ２を同時に供給するためには、ガルバノ時間の長い方に合わせなければならない。すなわち、ＧＡ１＜ＧＢ１、ＧＡ２＞ＧＢ２とすると、加工ヘッドＡには（ＧＢ１－ＧＡ１）の待ち時間が発生し、加工ヘッドＢには（ＧＡ２－ＧＢ２）の待ち時間が発生する。このため、全体としての加工能率が低下する。

近年、基板の薄板化が進むことに伴い、パッケージ用の基板として表面に銅層がない絶縁層に穴を加工する場合が増加している。このような場合に加工する穴の径は６０μｍ以下であり、加工する場合に必要な出力は２０Ｗ程度である。
次に、実際の加工例について説明する。
図１１は、従来のレーザ照射例を説明する図であり、縦軸は出力、横軸は時間である。また、上段はレーザ発振器１のレーザ媒体を励起するＲＦパルス（以下、単にＲＦという。）のオン・オフを示している。
例えば、絶縁層に６０μｍの穴を加工する場合、ＲＦ印加時間２０μｓにおける出力が２０Ｗである出力曲線Ａ１によりレーザを照射して加工を行った後、次のパルス周期に同一条件のレーザをもう一度照射する。すなわち、この場合の加工時間は、ガルバノミラー位置決め後に照射する第１のパルスのパルス周期１００μｓに、第１のパルスに続く第２のパルス周期１００μｓの内のレーザが継続する８０μｓ（ＲＦ停止後のレーザが消滅するまでの時間６０μｓを含む。）を加えた１８０μｓである。ここで、レーザを連続して２回照射できるのは、加工閾値が高い銅層の加工あるいは銅層加工後の厚さが６０μｍを超える絶縁層を加工する場合と異なり、加工閾値が低く、厚さが３０μｍ程度の絶縁層で、加工部に蓄積される熱量が小さいためである。
なお、同図に示すように、出力曲線Ａ１はＲＦ印加直後に第１のピーク出力（出力の継続時間は短時間である。）を持っている。この第１のピーク出力は、定格ＲＦ印加時間（この場合は２０μｓ）における第２のピーク出力の１／２程度である。また、ＲＦ印加が停止された後は、レーザ発振器内のレーザ媒体に蓄積されたエネルギがレーザとして出力される。図示の場合、レーザ発振器内のレーザ媒体に基づくレーザの継続時間は６０μｓ程度である。

しかし、上記の加工では、以下のような不具合が発生する。
（１）第１のピーク出力の影響により、加工した穴の入り口部の直径が２～３μｍ大きくなってしまう場合がある。
（２）レーザの出力変動に伴い、加工した穴の径がばらつく。
ここで、上記レーザの出力変動について図面を用いて説明する。
図１２は、第２のピーク出力の出力変動を示す図であり、（ａ）はパルス周波数が１～５ｋＨｚの場合を、（ｂ）はパルス周波数が１～１０ｋＨｚの場合を、それぞれ示している。例えば、加工する穴の間隔がほぼ同じである場合、第２のピーク出力はほとんど変動しない。しかし、加工する穴の間隔は、プリント基板に実装する実装品の間隔や下層の銅層に接続する穴位置により定まるため、一様ではない。この結果、レーザ励起間隔（すなわちデューティ）が変化することにより、レーザ媒体に蓄積される出力が変化する。そして、同図（ａ）に示すように、周波数が１～５ｋＨｚの場合は出力が±３％程度、また同図（ｂ）に示すように、周波数が１～１０ｋＨｚの場合は出力が±５％程度変化する。このため、加工した穴の径がばらつく。
（３）ＲＦ印加時間２０μｓに続くＲＦ停止期間においても、ＲＦが停止されてから６０μｓ程度の間、レーザ媒体に蓄積されたエネルギが加工部に照射されるため、加工部の温度は上昇する。加工部の温度上昇値が絶縁層の加工閾値よりも低い場合であっても、この期間が１０μｓ以上継続すると、穴底と穴壁面の絶縁層が炭化され易くなり、穴の加工品質が低下する。
以上説明したように、加工する穴径の均一化と絶縁層の品質の低下を防止することが望まれている。

本発明の目的は、レーザ発振器を有効に活用することにより、加工能率に優れ、品質に優れるプリント基板のレーザ加工方法およびプリント基板のレーザ加工機を提供するにある。

以上の課題を解決するため、本発明の第１の手段は、
ＲＦパルスを印加することによりレーザを発振する炭酸ガスレーザ発振器を用いてレーザ加工を行うプリント基板のレーザ加工方法において、
前記ＲＦパルスの印加を終了した後のレーザが出力されている間に前記ＲＦパルスの印加を再開させることによりレーザ発振を継続させ、連続して発振されるレーザを所望の時間切り取ってプリント基板のレーザ加工を行うことを特徴とする。

本発明の第２の手段は、請求項１に記載のプリント基板のレーザ加工方法において
前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間を制御することにより鋸歯状パルスを生成し、生成した前記鋸歯状パルスにより加工することを特徴とする。

本発明の第３の手段は、請求項２に記載のプリント基板のレーザ加工方法において、
前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間との和、または前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間との比率、の少なくとも一方を制御することを特徴とする。

本発明の第４の手段は、前記ＲＦパルスを印加することによりレーザを発振する炭酸ガスレーザ発振器を用いてレーザ加工を行うプリント基板のレーザ加工装置において、
前記ＲＦパルスの印加を終了した後のレーザが出力されている間に前記ＲＦパルスの印加を再開させることによりレーザ発振を継続させ、連続して発振されるレーザを所望の時間切り取って加工部に供給するよう制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第５の手段は、請求項４に記載のプリント基板のレーザ加工装置において、
複数の加工ヘッドを備え、１個のレーザ発振器から前記複数の加工ヘッドのそれぞれにレーザを分配するように構成しておき、いずれかの加工ヘッドの位置決めが完了した場合は、他の加工ヘッドの位置決め状態を考慮することなく、当該加工ヘッドにレーザを供給する制御装置を備えたことを特徴とする。

加工する穴の穴径を均一にすると共に、穴壁面の品質を向上させることができるだけでなく、加工能率を向上させることができる。また、安定したレーザを連続して発振するようにしたので、複数のヘッドにレーザを供給する場合、いずれのヘッドに対しても他のヘッドとは無関係に必要なレーザを供給できるので、レーザ加工機としての加工能率を向上させることができる。

本発明に係る鋸歯状波の要素を説明する図である。 出力波形例である。 本発明に係る鋸歯状波の生成手順を説明する図である。 鋸歯ｎの矩形波パルスによる加工例を説明する図である。 出力のエネルギ空間分布を説明する図である。 本発明に係る２ヘッド式レーザ加工機の構成図である。 ガルバノミラーの設定時間とレーザ照射時間を示す図である。 フィラ入りの絶縁層を加工する場合の矩形波パルスの説明図である。 従来の２ヘッド式レーザ加工機の構成図である。 ガルバノミラーの設定時間とレーザ照射時間を示す図である。 従来のレーザ照射例を説明する図である。 第２のピーク出力の出力変動を示す図である。

図１は、本発明に係る鋸歯状波の構成要素を説明する図である。なお、同図における出力曲線Ｃ（基本波パルス波形）は、定格デューティ６０％（ＲＦ印加時間／パルス周期である。以下、「定格デューティ」を単に「Ｄｔｙ」と表記する。）、パルス周期１０ＫＨｚ、最大出力２５０Ｗの出力曲線であり、縦軸は発振されるレーザの出力、横軸は時間である。また、上段はレーザ発振器１のレーザ媒体を励起するＲＦのオン・オフを示している。
始めに、出力曲線Ｃについて説明する。時刻Ｔ０でＲＦをオンすると、時刻Ｔ１でレーザが爆発的に出力され、時刻Ｔｊで第１のピーク出力Ｗｊに達した後、時刻Ｔｄまで減衰し、その後再び増加に転じ、時刻Ｔ０からＲＦ印加時間６０μｓ経過した時刻Ｔ２で第２のピーク出力２５０Ｗに達する。ここで、ＲＦ印加期間における実線で示す出力は、ＲＦによりレーザ媒体であるＮ_２ガスを介してＣＯ_２ガスに遷移した出力（同図では６０μｓ付近に点線で示す出力）と、ＣＯ_２ガスがＲＦにより直接励起された出力（すなわち、点線で示す出力と実線で示す出力に挟まれた出力）との和である。そこで、ＲＦ印加が停止されると、ＲＦによりＣＯ_２ガスが直接励起される出力は０になり、時刻Ｔ２以降は、レーザ発振器内のレーザ媒体であるＮ_２ガスに蓄積されたエネルギがレーザとして出力される。なお、レーザ媒体に蓄積されたエネルギは時刻Ｔ２以降６０μｓ程度出力される。

本発明者は、実験およびシミュレーションにより、以下の要件を確認した。
１．要件１
たとえば、Ｄｔｙ６０％（パルス幅６０μｓ）、パルス周期１０ｋＨｚでＲＦを印加した場合、出力曲線Ｃに示されているように、発振されたレーザの出力は徐々に増加してパルス幅６０μｓで最大になる。そして、ＲＦ印加を停止させると、出力が減衰する。そして、レーザ発振器のＤｔｙ範囲内でレーザを発振させた場合、ＲＦ印加時間が変わっても出力は同じ出力曲線（図示の出力曲線Ｃ）に沿って上昇する。すなわち、Ｄｔｙ４０％（パルス幅４０μｓ）、１０ｋＨｚで発振させた場合、出力は出力曲線Ｃを辿って上昇し、パルス幅４０μｓで最大になり、上記の場合と同様に減衰する。また、Ｄｔｙ２０％（パルス幅２０μｓ）、１０ｋＨｚで発振させた場合も、出力曲線Ｃに沿って上昇し、パルス幅２０μｓで最大になり、上記の場合と同様に減衰する。

２．要件２
ＣＯ_２レーザの場合、時刻Ｔ０においてＲＦの印加を開始すると、時刻Ｔ１においてレーザ媒体に蓄積された励起出力によりレーザの発振が開始され、出力が急増して時刻Ｔｊにおいて第１のピーク出力Ｗｊになった後、一旦減衰し（時刻Ｔｄ）以降は出力が再び増加してＲＦ印加停止時に第２のピーク出力になる。
この場合、時刻Ｔｄは時刻Ｔ０から０．４～０．５μｓであり、Ｄｔｙ、パルス幅が変わっても、時刻Ｔｄにおける出力応答（単位時間当たりの出力変化）Ｗｓはほぼ一定であることを見いだした。

３．要件３
ＲＦ印加を停止すると、出力は２５０Ｗからレーザ媒体に蓄積された残留出力に切り替わる。切り替わり時間は０．４～０．５μｓであり、出力は一旦下がった後、若干上昇し、その後減衰する。以下、出力切り替わり時の出力応答を出力応答Ｗｃ、若干上昇するときの出力応答を出力応答Ｗｄという。
そして、上記出力応答ＷｃはＤｔｙ、パルス幅が変わってもほとんど変わらない値となることを見いだした。なお、出力応答Ｗｃと上記の出力応答Ｗｓとは出力方向が互いに異なるが、出力成分の大きさは殆ど同じである。

４．要件４
図２は出力波形例であり、レーザ媒体に蓄積されたエネルギがパルス周期の終点においてＲＦ印加を再開した場合の出力波形である。同図に示すように、ＲＦ印加開始時にレーザ媒体に蓄積された残留出力（図中斜線を付して示すΔｚであり、ＲＦ印加開始時の出力はΔＷである。ここで、ΔＷ＞０である。）が存在する場合、次（２つ目）のパルス周期の励起が開始されると、励起された出力は残留出力に重畳されて、０．４～０．５μｓ後に出力応答Ｗｓで出力が増加するが、このとき、第１のピーク出力Ｗｊは発生しない。なお、ここでは第１のパルス周期と第２のパルス周期との接続部について説明したが、第ｎのパルス周期まで繰り返すと、出力応答Ｗｓが発生する出力のレベルが徐々に高くなる一方、第２のピーク出力は徐々に低下するが、１秒程度で安定する。
ここで、上記図１１の場合は、２つ目のパルス周期が開始される前にレーザ媒体に蓄積された残留エネルギが０になっているため、２つ目のパルス周期の出力曲線は１つ目のパルス周期と同じ出力曲線となる。

ここで、出力曲線ＣにおいてＤｔｙ６０％で連続発振させた出力の積分値（すなわち、パルス周期である０～１００μｓに出力された全出力）をパルス周期１００μｓで除した値を平均出力Ｗａｖと呼ぶ。
なお、Ｄｔｙを一定にした場合、パルス周期が２０～２００ＫＨｚの範囲において、図１に示す平均出力Ｗａｖはほとんど変わらない。一方、パルス周波数を一定にした場合、平均出力ＷａｖＤｔｙに比例して増加する。また、出力曲線ＣのＲＦオン期間の平均出力における接線方向の出力応答Ｗｒと、出力曲線ＣのＲＦオフ期間の平均出力における接線方向の出力応答Ｗｆは平均出力に固有の値になる。
なお、図１には、１００ｋＨＺと２００ｋＨｚの鋸歯状波が記載されているが、詳細は図３を用いて説明する。

図３は、本発明に係る鋸歯状波の生成手順を説明する図である。
出力曲線ＣにおいてＤｔｙ＝Ｔｒｆ１／ｔｍ（ただし、ｔｍはパルス周期であり、ＲＦ印加期間Ｔｒｆ１およびＲＦ印加停止期間Ｔｒｆ０からなっている。）を設定すると、平均出力Ｗａｖが定まる。パルス周期ｔｍを短くしても、ＲＦ印加時間ｔｒｆ１とＲＦ印加停止時間ｔｒｆ０との比率が同じであれば、Ｄｔｙは同じであり、平均出力Ｗａｖもほとんど変わらない。そこで、本発明に係る鋸歯状波は基本波パルス波形（上記の出力曲線Ｃ）および上記要件１～４に基づき生成される。

鋸歯状波の生成手順は以下の通りである。
手順１）縦軸を出力軸として、Ｄｔｙとパルス周期ｔｍおよび平均出力Ｗａｖと上限出力Ｗｐおよび下限出力Ｗｖを設定する。ここで、上限出力Ｗｐは、照射したパルスにより目的とする穴径が得られる出力レベル〔Ｊ／ｓ〕であり、材料の閾値に応じた値に設定される。また、下限出力Ｗｖは、連続発振が安定した鋸歯パルスにおいて、ＲＦオン時の出力応答Ｗｓの立ち上がり時刻での出力レベルである。
手順２）横軸を時間軸として、時刻ｔ０における下限出力Ｗｖ上の点をＱ１、また、パルス周期である時刻ｔ２における下限出力Ｗｖ上の点をＱ６とする。そして、点Ｑ１を始点とする出力応答Ｗｓをプロットし、出力応答Ｗｓの終点を点Ｑ２とする。
手順３）点Ｑ２と、時刻ｔ１における上限出力Ｗｐ上の点Ｑ３を出力応答Ｗｒで結ぶ。なお、時刻ｔ１はＴｒｆ１の終点（Ｔｒｆ０の始点）である。
手順４）点Ｑ３を始点として出力応答Ｗｃをプロットし、出力応答Ｗｃの終点を点Ｑ４とする。
手順５）点Ｑ１と点Ｑ４を結ぶ延長線上に小さな出力応答Ｗｄをプロットし、終点を点Ｑ５とする。
手順６）点Ｑ５と点Ｑ６を出力線分Ｗｆで結ぶ。すなわち、点Ｑ５は点Ｑ１と点Ｑ４を結ぶ延長線と点Ｑ６を終点とする出力応答Ｗｆとの交点である。
以上の手順により、下限出力Ｗｖに加えた鋸歯状波が完成する。
以下、下限出力Ｗｖに上記の手順で形成された多角形を重畳した鋸歯状のパルスを「鋸歯状パルス」という。
なお、段落００２４で説明したように、レーザ発振器の出力は１秒を超えると安定状態になり、レーザ発振器が稼働状態にある限り、平均出力Ｗａｖおよび上限出力Ｗｐの変動幅は±１％程度になる。
また、同図に示すように、点Ｑ１と点Ｑ４を点線で結ぶとすると、四角形Ｑ１Ｑ２Ｑ３Ｑ４に囲まれる出力が段落００１６で説明したＲＦによりＣＯ_２ガスが直接励起された出力に相当する。
ここで、図１には上記の手順で作成した１００ＫＨｚの鋸歯状パルスと、２００ＫＨｚ鋸歯状パルスがそれぞれ１個記載されている。

ここで、Ｄｔｙ一定で、パルス周期ｔｍを変えた場合、出力応答Ｗｓ、Ｗｃは変わらない。一方、出力応答Ｗｒ、Ｗｄ、Ｗｆは、パルス周期ｔｍに応じて変わるが、平均出力Ｗａｖはほとんど変化しない。また、パルス周期ｔｍ一定で、Ｄｔｙを変えた場合、出力応答Ｗｓ、Ｗｃはほとんど変わらず、出力応答Ｗｒ、Ｗｄ、Ｗｆが変化する。この場合、Ｄｔｙが小さくなると出力応答Ｗｒ、Ｗｄ、の増加割合（立ち上がり）が急になり、出力応答Ｗｆの減少割合（立ち下がり）が緩やかになる。一方、Ｄｔｙが大きくなると出力応答Ｗｒ、Ｗｄ、の増加割合（立ち上がり）が緩やかになり、出力応答Ｗｆの減少割合（立ち下がり）が急になる。そして、平均出力はＤｔｙに応じて変わるが、それぞれ固有の値として決まる。
したがって、Ｄｔｙ範囲内で、パルス周期ｔｍ、ＲＦ印加時間ｔｒｆ１、ＲＦ印加停止時間ｔｒｆ０を設定することにより、鋸歯状パルスの波形と出力を制御することができる。実加工においては、前述の波形生成プロセスが連続して行われ、ｎ個の鋸歯状パルス（ｎは１以上の整数。）が形成される。以後、加工時に供給されるｎ個の鋸歯状パルスからなるパルスをひとまとめにして「鋸歯ｎの矩形波パルス」という。

図４は鋸歯ｎの矩形波パルスによる加工例を説明する図で、縦軸は出力、横軸は時間である。
ここで、加工する穴が上記図１１で説明したと同じ穴であるとすると、従来技術の場合はパルス周波数１０ｋＨｚの２パルスで加工したので、レーザ照射時間は２０μｓが２回、加工時間は１パルス目のパルス周期１００μｓと２パルス目のＲＦ印加時間２０μｓと非励起時間６０μｓを加えた１８０μｓであった。一方、本願の場合、従来と同等のパルスエネルギがえられるパルス周波数１００ｋＨｚの鋸歯２の矩形波パルスを２回照射して加工する場合、パルス周期の影響を受けないので、２つの矩形パルスの間隔を任意に設定可能であり、仮に２つの鋸歯２の矩形波パルスの間隔を６０μｓとすると、加工時間は１００μｓである。従って、本願に依れば従来よりも８０μｓだけ加工時間を短縮することができる。

次に、加工した穴の形状を参照しながら本願と従来技術を説明する。
図５は出力のエネルギ空間分布を説明する図で、（ａ）は本願の場合、（ｂ）は従来技術の場合であり、縦軸は規格化したエネルギレベルと加工深さを、横軸は穴の径方向である。同図におけるＤｓは加工部のビームスポット径を、ＤＲは目的とする穴径を、ＤＲ１、ＤＲ’はＤＲよりも小径の穴径を、ＤＢ，ＤＢ’は穴底径を、それぞれ示している。また、Ｌｖ０はエネルギレベル０の位置を、Ｌｖ１は絶縁層の表面位置を、Ｌｖ２は絶縁層の底面位置を、ｋは絶縁層の加工閾値を示している。
また、ｅｐは出力Ｗｐ時のエネルギ分布を、ｅｖは出力Ｗｖ時のエネルギ分布を、ｅａｖは平均出力Ｗａｖ時のエネルギ分布を、１ｅは第１のパルスのエネルギ分布を、２ｅは第２のパルスのエネルギ分布を、それぞれ示している。なお、出力Ｗｐ、出力Ｗｖおよび平均出力Ｗａｖは図３に示した通りである。
本願の加工プロセスを加工した穴の径方向に対応させて、以下説明する。なお、ＲＦ印加期間ｔｒｆ１における加工径が増加する時のエネルギ分布を径増加エネルギ分布と呼び、ＲＦ印加停止期間ｔｒｆ０の加工径が減少するエネルギ分布を径減少エネルギ分布と呼ぶものとする。ＲＦ印加と同時に出力Ｗｖに重畳された出力立ち上がり約０．４μｓの出力応答Ｗｓで加工が開始され、次いで出力応答Ｗｓの加工径増加エネルギ分布により加工され、時間ｔｒｆ１が経過すると目的とする穴入り口径が形成される。Ｒｆ印加停止と同時に、加工径減少ネルギ分布の出力応答Ｗｃ、加工径微増出力応答Ｗｄ、加工径減少エネルギ分布出力応答Ｗｆによりさらに加工が行われる。
上記の加工工程において、スポット径ＤＲとＤＢおよびＤＲ’とＤＢ’で交互に加工が行われる。加工開始時の出力立ち上がりが、従来パルスよりも急峻であり、照射時間は短い。また、ＲＦ印加停止後のエネルギ分布径が小さくなり、穴入り口、穴側壁から離れるため、絶縁層加工時の穴入り口と穴側壁面への熱伝導が減る。この結果、穴壁面の絶縁層の熱影響が軽減され、穴品質が向上する。さらに、連続した鋸歯状パルスで加工するため、従来技術のように加工に関与しないＲＦ印加停止後のレーザ照射はされない。したがって、穴入り口と穴側壁面の品質が低下することはない。また、第１のピーク出力の影響を受けないので、穴の入り口径が広がることもない。

図６は、本発明に係る２ヘッド式レーザ加工機の構成図であり、図８と同じ物あるいは同一機能の物は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
レーザ発振器１は、レーザ発振を駆動する高周波ＲＦの印加時間と休止時間を設定することにより、周波数５０ｋＨｚ以上の連続した直線偏光鋸歯状のレーザ２を出力する。レーザ発振器１とビームスプリッタ４との間に配置されたビーム径調整装置３はレーザ２のエネルギ密度を調整するための装置であり、レーザ発振器１から出力されたレーザ２の外径を変更することによりレーザ２のエネルギ密度を調整する。すなわち、ビーム径調整装置３の前後におけるレーザ２のエネルギは変化しない。したがって、ビーム径調整装置３から出射されたレーザ２はレーザ発振器１から出力されたレーザ２と見なすことができるので、以下、レーザ発振器１とビーム径調整装置３と、を併せてレーザ出力装置１Ａという。なお、ビーム径調整装置３は使用されない場合もある。
ビームスプリッタ４と偏光変換装置５Ａとの間にはドライバ６１Ａにより駆動されるＡＯＭ５０Ａが配置されている。ＡＯＭ５０Ａはレーザ２Ａを１次光のレーザ２Ａ１Ｋと０次光のレーザ２Ａ０に分岐し、分岐する割合（開度）を変えることにより、加工に使用するレーザ２Ａ１Ｋの出力を調整する。加工に使用されないレーザ２Ａ０は周辺に拡散しないようにして図示を省略するダンパに廃棄される。

このレーザ加工機は、第２のヘッドＢが図示を省略する第２のヘッドＢ移動装置により、固定の第１のヘッドＡに対してＸ方向に位置決めできるように構成されており、第２のヘッドＢの位置を第１のヘッドＡに対して最大Ｓだけ広げられるように構成されている。ミラー３１とミラー３４は予め定める位置に固定されており、ミラー３２，３３は図示を省略するミラー移動装置に支持されており、Ｘ方向に位置決め自在である。なお、ミラー３１～３４は、ミラー３２，３３がＸ方向のいずれの位置にあっても、アパーチャ８Ｂの軸線がガルバノミラー１０Ｂａの中心に一致するように配置されている。制御装置２０は、レーザ発振器１、ビーム径調整装置３、ＡＯＭのドライバ６１Ａ、６１Ｂ、プレート７Ａ、７Ｂの駆動装置、ガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ｂａ、１０ＢｂおよびＸ－Ｙテーブル１４Ａ（場合によってはＸ－Ｙテーブル１４Ｂを含む）、図示を省略する第２のヘッドＢの移動装置およびミラー移動装置を制御する。

以下、加工手順を説明する。なお、加工内容はヘッド毎に異なるが、動作としては実質的に同じなので、第１のヘッドＡの場合について説明する。
加工開始が指令されると、制御装置２０は第２のヘッドＢの移動装置を駆動して、第２のヘッドＢを指定された位置に移動させる。次に、Ｘ－Ｙテーブルを制御して第１のヘッドＡを加工位置に位置決めすると共にガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂを最初の加工位置に位置決めして待機する。また、図示を省略する第２のヘッドＢの移動装置を動作させ、第２のヘッドＢを第１のヘッドＡに対して距離ｓだけ移動させる。その後、図示を省略するミラー移動装置を動作させ、ミラー３２の位置を距離ｓ／２だけヘッド２の移動方向に移動させる。この結果、アパーチャ８とガルバノミラー１０Ｂａとの距離は常に一定になるので、第２のヘッドＢの位置に関わらず、アパーチャ８の像の大きさを常に一定に保つことができる。

そして、先ず、レーザ発振器１を動作させ、予め定められた待ち時間経過後に加工プログラムをスタートさせて加工を開始する。ここで、待ち時間を設ける理由は、レーザ発振器１の出力が熱的な平衡状態に達するまでは不安定になるからであり、時間としては１～２秒程度である。
そして、待ち時間が経過すると、制御装置２０は予め入力された加工プログラムに従って、レーザ発振器１から鋸歯状に整形されたレーザ２（以下、単にレーザ２と言う。）を出力させる。レーザ２はビーム径調整装置３により径を変更され、ビームスプリッタ４によりレーザ２Ａに分割されて、ＡＯＭ５０に入射する。ＡＯＭ５０は、制御装置２０から動作指令を受けるまではレーザ２Ａをダンパに廃棄する。制御装置２０は、ガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂの内、遅く位置決めされた方の位置決め完了信号を受け取ると、ドライバ６１Ａを介してＡＯＭ５０Ａを動作させ、レーザ２Ａを予め指定された出力に減衰させたｎ個の鋸歯パルスからなる矩形波パルス２Ａ１Ｋとして出力させる。矩形波パルス２Ａ１Ｋはガルバノミラー１０Ａａ、１０Ａｂにより位置決めされて、プリント基板１３Ａの指定された位置に入射してプリント基板１３Ａに穴を開ける。以下、従来の場合と同様に、指定された加工が完了するまで上記の穴開け動作を繰り返す。なお、上記の加工において、レーザ発振器１は予め指定された周期およびパルス周期でＲＦをオン・オフすることにより、レーザ２を加工の開始から終了まで連続して出力させる。

図７は、本発明におけるガルバノミラーの設定時間とレーザの照射時間を説明する図であり、（ａ）は加工ヘッドＡの場合を、（ｂ）は加工ヘッドＢの場合を、それぞれ示している。また、図中の横軸は時間である。
同図に示すように、鋸歯パルスからなるレーザ２Ａ，２Ｂは加工中常時出力されており、第１のヘッドＡの場合、ガルバノ時間ＧＡ１またはＧＡ２が完了するとＡＯＭ５０により、必要とされるｎ個の鋸歯パルスからなる矩形波パルス２Ａ１Ｋが加工部に照射されて穴を開ける。この場合、第１のヘッドＡは第２のヘッドＢのガルバノ時間ＧＢ１、ＧＢ２を考慮することなく作業を継続する。同様に、第２のヘッドＢは第１のヘッドＡのガルバノ時間ＧＡ１、ＧＡ２を考慮することなく作業を継続する。この結果、各ヘッドに待ち時間が発生せず、加工能率を従来よりも２０～３０％向上させることができる。なお、図示を省略する装置のクロックに従い、ガルバノミラーの位置決めが終了すると、ＡＯＭ５０は、加工部に供給される鋸歯ｎの矩形波パルスに欠損あるいは欠落が生じないよう、出力が最初の鋸歯パルスのＲＦ印加開始時刻に合うよう制御される。

次に、本発明に基づく鋸歯の構成についてさらに詳細に説明する。
図８はフィラ（強化材）入りの絶縁層を加工する場合の矩形波パルスの説明図であり、横軸は時間で、ｔ０～ｔｎ９はｔ０を基準とする時刻である。また、ＴＨは１個の鋸歯ｎの矩形波パルスである。
ここで、上段はＡＯＭの動作を示しており、ＡはＡＯＭの開度１００％、ｍＡはＡＯＭの開度ｍ％である。また、中段はＲＦのオンオフを示しており、ｔｍはパルス周期、ｔｒｆ１はＲＦのオン時間、ｔｒｆ０はＲＦのオフ時間である。また、下段は出力で、図中のＷｐｆは絶縁層のフィラを加工できる上限出力、Ｗｐｒは絶縁層の樹脂を加工できる上限出力である。
同図（ａ）の場合、ＲＭオン期間はレーザ径を大きくして主としてフィラを加工し、ＲＭオフ期間はレーザ径を小さくすることで、加工により発生するガスや加工屑を加工部から速やかに除去できるので、穴壁面および穴底の加工品質が向上する。また、同図（ｂ）の場合、同図（ａ）の場合と同様に、加工により発生するガスや加工屑を加工部から速やかに除去できるので、穴壁面および穴底の加工品質が向上する。
また、同図（ｃ）は、同図（ａ）の点線で囲んだ部分の変形例であり、同図（ａ）におけるＲＭオン期間の出力立ち上がりの途中（図中の時刻ｔｄ１）から時間ｔａだけＡＯＭをオンするようにした波形制御例である。このようにすると、出力上昇部の高い平均出力Ｗａｖｈで加工する結果、穴入り口部と穴側壁が均一になり穴品質が向上する。
また、同図（ｄ）は、例えば穴の深さ方向に傾斜をつけたい場合に採用される。

次に、加工例について説明する。
図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す鋸歯ｎの矩形波パルス、また図４（ｂ）の従来パルスを適用して、パッケージ用フィラ入り絶縁層（味の素社ＡＢＦ材厚さ約３０μｍ）に、同径の加工スポット６０μｍで加工を行った結果は以下の通りである。なお、この図は鋸歯パルスの形状を示すものであり、加工に用いる鋸歯ｎの矩形波パルスを示しているわけではない。
・同図（ａ）の場合、周波数１００ｋＨｚの２つの鋸歯３の矩形波パルス、Ｄｔｙ６０％（ｔｒｆ１＝６μｓ、ｔｒｆ０＝４μｓ）、Ｗｐｆ＝２０Ｗ、期間ｔｒｆ１はＡＯＭ開度１００％、期間ｔｒｆ０はＡＯＭ開度０％とした場合、穴入口径は約６２μｍ、穴（底径／入口径）比は約８０％であった。なお、ＡＯＭ開度０％の場合、図８（ａ）に斜線を付して示す部分の出力は０である。
・同図（ｂ）の場合、周波数１００ＫＨｚの２つの鋸歯３の矩形波パルス、Ｄｔｙ６０％（ｔｒｆ１＝６μｓ、ｔｒｆ０＝４μｓ）、Ｗｐｆ＝２０Ｗ、最初の鋸歯はＡＯＭ開度１００％、２つめの鋸歯はＡＯＭ開度０％、３つめの鋸歯はＡＯＭ開度１００％とした場合、穴入口径は約６０μｍ、穴（底径／入口径）比は約８０％であった。
・同図（ｃ）の場合、周波数１００ＫＨｚの２つの鋸歯３の矩形波パルス、Ｄｔｙ６０％、ｔｄ１＝６μｓはＡＯＭ開度０％、ｔａ＝４μｓはＡＯＭ開度１００％の場合、穴入口径は約６０μｍ、穴（底径／入口径）比は約８１％であった。
そして、同図（ａ）（ｂ）、（ｃ）の場合、穴底の銅層表面に樹脂の炭化はほとんどなかった。
ちなみに、図１１で示した従来技術により、パルス巾２０μｓ、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス数４で加工した場合、穴入口径は約６３μｍ、穴（底径／入口径）比は約７８％であった。また穴底の銅表面に炭化した樹脂の付着がみられた。また、第１のピーク出力Ｗｊが第２のピーク出力ＷＰよりも高いパルスにおいて、出力を増して加工した場合、第１のピーク出力Ｗｊの回折光により、穴入口径が約６５μｍになり、穴入口周辺がリング状に損傷することがあった。

また、ワークの材質によって最適な出力応答Ｗｓ、Ｗｃ、Ｗｒ、Ｗｄ、Ｗｆの値は異なる。そこで、出力応答Ｗｓ、Ｗｃ、Ｗｒ、Ｗｄ、Ｗｆの値をワークの材質に応じた最適な値とすることにより加工品質および加工速度を向上することができる。

なお、実際の加工においては、ワーク毎に出力レベルＷｐ、Ｗｖの値および出力応答Ｗｓ、Ｗｃ、Ｗｒ、Ｗｄ、Ｗｆの値は予め知られている。また、定格デューティ、パルス周期を定めた場合のレーザ発振器の最大出力も予め知られている。さらに、加工する穴径に適切なアパ－チャの径も知られている。
そこで、初めての材料を加工する場合には、例えば、先ず、従来のデータを参照してレベルＷｐ、Ｗｖの値を仮に定め、試験により加工した穴径と目的とする穴径を比較して出力レベルＷｐを増減して定める。次に、鋸歯パルスｎで加工を行い、加工された穴の深さによりｎの値を定める。このとき、ｎが大きくなると絶縁層の熱による品質劣化が発生するので、ｎの数が大きくなる場合には、ｎを分割して複数の鋸歯ｍの矩形波パルスを採用すると共に、各矩形波パルス間に加工部冷却のための期間を設ける。

なお、図６で示した２ヘッド式レーザ加工機において、レーザ発振器１の出力が２５０Ｗである場合、平均出力は１２５Ｗであるから、ビームスプリッタ４で分割されて、各ヘッドには６２．５Ｗが供給される。したがって、段落００３３で説明したようにＷｐｆ＝２０Ｗの場合はヘッドＡ、Ｂのいずれも加工可能である。しかし、例えば、キャリアＰＥＴフィルム付きの樹脂を加工する場合はＷｐｆ＝７０Ｗとする必要がある。そこで、Ｗｐｆ＝７０Ｗとする必要がある場合は、図６におけるレーザ発振器１の出力を、例えば５００Ｗにする必要がある。

また、以上ではＲＦ印加直後に出力される第１のピーク出力がＲＦ印加停止時の第２のピーク出力よりも小さい基本波パルス波形（出力曲線Ｃ、出力曲線Ａ１）の出力特性を持つレーザ発振器を例にして説明したが、本願はＲＦ印加直後に出力される第１のピーク出力がＲＦ印加停止時の第２のピーク出力よりも大きい基本波パルス波形の出力特性を持つレーザ発振器にも適用することができる。

１・・・レーザ発振器
２・・・レーザ

Claims (5)

1. ＲＦパルスを印加することによりレーザを発振する炭酸ガスレーザ発振器を用いてレーザ加工を行うプリント基板のレーザ加工方法において、
   前記ＲＦパルスの印加を終了した後のレーザが出力されている間に前記ＲＦパルスの印加を再開させることによりレーザ発振を継続させ、連続して発振されるレーザを所望の時間切り取ってプリント基板のレーザ加工を行うことを特徴とするプリント基板のレーザ加工方法。
2. 前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間を制御することにより鋸歯状パルスを生成し、生成した前記鋸歯状パルスにより加工することを特徴とする請求項１に記載のプリント基板のレーザ加工方法。
3. 前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間との和、または前記ＲＦパルスの印加時間と前記ＲＦパルスのオフ時間との比率、の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２に記載のプリント基板のレーザ加工方法。
4. 前記ＲＦパルスを印加することによりレーザを発振する炭酸ガスレーザ発振器を用いてレーザ加工を行うプリント基板のレーザ加工装置において、
   前記ＲＦパルスの印加を終了した後のレーザが出力されている間に前記ＲＦパルスの印加を再開させることによりレーザ発振を継続させ、連続して発振されるレーザを所望の時間切り取って加工部に供給するよう制御する制御装置を備えたことを特徴とするプリント基板のレーザ加工装置。
5. 複数の加工ヘッドを備え、１個のレーザ発振器から前記複数の加工ヘッドのそれぞれにレーザを分配するように構成しておき、いずれかの加工ヘッドの位置決めが完了した場合は、他の加工ヘッドの位置決め状態を考慮することなく、当該加工ヘッドにレーザを供給する制御装置を備えたことを特徴とする請求項４に記載のプリント基板のレーザ加工装置。

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