JP2587129B2 - 機械加工装置 - Google Patents

機械加工装置

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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、高エネルギー・ビームの支援による電子装
置基板などの被加工物を機械加工するための、方法と装
置に関する。さらに詳しくは、好ましい実施例で、電子
基板の中に、他の方法で現在達成可能なものより小さな
孔及びその他の形状を、正確かつ迅速に作製する方法と
装置に関する。
B.従来の技術及びその課題 高エネルギー・ビーム（以下、レーザと称する。しか
し電子ビームなどの、それ以外の高エネルギー・ビーム
も、本発明の範囲内で考えられることを理解されたい）
は、各種の被加工物を機械加工するために使用され、こ
の作用は文献に広く報告されてきた。レーザを使用して
電子基板に孔をあける例は、米国特許第4544442号及び
同第4789770号に記載されている。レーザ機械加工と機
械的せん孔機を組み合わせた装置は、米国特許第420190
5号に記載されている。
レーザ孔開けにおける問題の１つは、熱の影響を受け
る区域における孔開け工程からの残留物が存在するため
に、孔が均一でないことである。２次拡孔を行なって熱
の影響を受ける区域の先まで孔の直径を拡げることによ
って、この問題を解決する方法は、米国特許第3696504
号に記載されている。
しかしながら、拡孔などの回転式金属除去操作は、極
めて小さな孔径または高い製造速度には適用できない。
この形式（小さな孔径または高い製造速度）の適用に
は、パルス式の強力なレーザが必要で、これは、正確な
位置に置かれなければ、被加工物を不適切に機械加工し
て廃品にしてしまう恐れがある。このパルスが原因で、
ビームを用いて機械加工装置を決定することは、その位
置が決定された時点までに何らかの損傷がすでに発生す
るので、不可能である。したがって、HeNeレーザなどの
低エネルギー・レーザを、高エネルギー・レーザと共に
用い、これによって位置決めをすることが望ましい。こ
の低エネルギー・レーザを用いて高エネルギー・レーザ
の位置を決定することによって、正確な機械加工を実施
することができる。この発想の実現を可能にする制御シ
ステムは、米国特許第3902036号に記載されている。眼
科への適用のための類似の制御システムが、米国特許第
4520816号に記載されている。
集積回路パッケージ構造用多層セラミック（MLC）基
板の現在の製造では、樹脂バインダ、粒状セラミック材
料、溶剤、及び可塑剤を含有するスラリーをドクタ・ブ
レードで塗布し、ドクタ・ブレードで塗布されたシート
を乾燥させ、そして適当な寸法のシートにカットするこ
とによって、複数の未加工セラミック・シートを形成す
る。次に、バイア孔を機械的に開けて、シートを通して
電気的相互連絡部を形成する。導電性ペーストを、孔と
シート表面上の適当なパターンに詰めて、シートを積み
重ね、積層にして、この組立て物を適切な焼結温度で焼
く。セラミック・シートにバイア孔を開けることは、小
さな寸法、高密度、及びバイア孔の複雑なパターンとい
う観点から、恐るべき工学技術上の問題をもたらす。こ
れらの作業を実施するために使用される装置は、IBMテ
クニカル・ディスクロージャ・ブルテン、Vol.13、No.4
（1971年２月13日）、p.2536、IBM TDB、Vol.16、No.1
2（1974年５月）、p.3933、IBM TDB、Vol.20、No.4（1
977年９月）、p.1379、及び米国特許第4425829号、同第
3730039号、及び同第4821614号に記載されており、これ
らの開示を本明細書に参照として含めている。
MLC基板を製造するために現在使用されているパンチ
ングなどの機械的孔開け技術には、いくつかの制限があ
る。孔の縦横比は、理論的には１以下であってはならな
い。すなわち直径は孔開けされるシートの厚さより小さ
くしてはならない。電子装置の小形化が進んでいるの
で、より小さなバイア孔を使用するという必要性が増加
している。しかし、構造物の強度を担保させるために、
一定の最小シート厚が必要である。
今後の電子装置には、より小さな直径の孔が必要であ
ることに加えて、孔がさらに密に集まっていることが必
要になる。これらの寸法で機械的孔開けを使用すると、
未加工シートの浮出しを非常に増加させることになり、
これはバイア・パターンをひどくゆがめる可能性があ
る。既存の技術では、MLC基板における孔の直径は約3.5
ミルに制限される。
MLC基板においてはより小さく、より密にバイアを配
置することが要求されており、これを満たす基板を製造
する装置と方法が必要となる。この装置と方法は、必要
な構成寸法を提供し、米国特許第4425829号に記載され
ている多重パンチ装置などの既存の機械的装置となお競
合するために、これらの基板に構成を正確かつ迅速に機
械加工できなければならない。
また、被加工物に機械加工される形状が正確に位置づ
けられていることを検査する、装置と方法も必要であ
る。この機能を実施するための別個の装置は、たとえば
米国特許第4555798号にすでに記載されているが、機械
加工用の装置と方法の中に統合されることのできる装置
と方法が必要である。
C.課題を解決するための手段 本発明の機械加工装置は、高エネルギの機械加工ビー
ム（11）と、低エネルギの位置決めビーム（26）を利用
して機械加工を行なうものである。本発明の機械加工装
置は、機械加工ビーム（11）と位置決めビーム（26）と
を、光路を共有するように結合させるビーム結合手段
（30）と、前記光路に配置され、前記光路に沿って進む
機械加工ビームと位置決めビームとを被加工物（55）の
第１の軸（62）に沿う方向に走査させるための走査手段
（35）と、この走査手段と被加工物との間に配置され、
位置決めビームを少なくとも部分的に分離する手段（4
5）とを含む。更に機械加工装置は、第１の軸と直交す
る第２の軸（63）に沿って被加工物を移動させる移動手
段（61）を含み、また、分離された位置決めビームに基
づいて、機械加工ビームが被加工物に突き当たる第１の
軸に沿ったビーム位置を判定し、機械加工ビームが第１
の軸及び第２の軸上の位置によって特定される所望の位
置にあるとき、機械加工ビームを動作させるように制御
する手段を含む。
また、本発明の機械加工装置は、被加工物の機械加工
部分を透過したビーム又は機械加工部分で反射したビー
ムを検出するように設けられた検出器を含み、この検出
器の出力に応じて被加工物の加工状態を検査するイン・
プロセス検査手段を含む。
D.実施例 図面をさらに詳しく、特に第１図を参照すると、本発
明による機械加工装置１が示されている。この機械加工
装置１は、パルス式または連続式の高エネルギー・ビー
ムを発生させるための手段と、低エネルギの位置決め検
査ビームを発生させるための手段を含む。本発明の目的
のためには、好ましい高エネルギー・ビームはNd:YAGレ
ーザ10であり、好ましい低エネルギー・ビームはHeNeレ
ーザ25である。もちろんレーザのこの選択は、適当に多
重化された多重レーザも含み、本実施例に限定されるも
のではない。
次に、この機械加工装置は、低エネルギー位置決め検
査ビームと高エネルギー機械加工ビームと、共直線的
に、すなわち光路を共有するように、ビーム軸に沿って
走らせ、並行ビームを形成する手段を含む。好ましい手
段はダイクロイック（２色性）ミラー30である。
本発明の主な特色は、第１軸に沿ってビームを迅速に
走査するための手段である。走査手段の重要性は後でよ
り明確になる。第１図に示すように、好ましい走査手段
は回転多角形ミラー35である。
第２軸に沿って被加工物を移動する手段も提供され
る。この移動手段は移動装置61である。第２軸は第１軸
に直交している。
機械加工装置１はさらに、高エネルギー機械加工ビー
ムと低エネルギー位置決め検査ビームの光経路を分離す
るための手段を含む。本発明では、この分離手段はダイ
クロイック・ミラー45である。
本発明の他の１つの特徴は、高エネルギー機械加工ビ
ームが被加工物に突き当る位置を決定するとともに、高
エネルギー機械加工ビームを位置決めするための手段で
ある。この決定手段は先に別に述べたように、分離され
た低エネルギー位置決め検査ビームを利用し、かつ、光
電検出ユニット50とコンピュータ65を含むものである。
最後に、この機械加工装置は、機械加工作業の制度を
検査するためのイン・プロセス手段を有する。この検査
手段は、コンピュータ65とストリップ光電検出器60とか
らなる。
第１図に示すように、ベンチまたはテーブル５が、N
d:YAGレーザ10、HeNeレーザ25、回転多角形ミラー35、
ダイクロイック・ミラー30、45、光検出ユニット50、及
び必要な制御回路を有するパーソナル・コンピュータ65
を含む、装置のいくつかの構成要素を支えている。ベン
チまたはテーブルの基礎６は、被加工物55、被加工物移
動装置61、及びストリップ光電検出器60を支える。
Nd:YAGレーザ10は、波長1.06ミクロン、直径約1mmの
ビーム11を生成する。このビーム11はパルスされ、約３
〜10Wの範囲の平均電力を持つ。Nd:YAGレーザ10を出た
後、ビーム11は、視準機能を実施してビーム11の平行性
を維持するエキスパンダ15を通過する。HeNeレーザ25
は、波長0.63ミクロン、直径約1mmのビーム26を生成す
る。このビーム26は、約１〜5mwの範囲に連続的に電力
を与えられる。HeNeビーム26もエキスパンダ20を通過
し、このエキスパンダ20は、エキスパンダ15がNd:YAGレ
ーザ11について実施するように、同じ機能をHeNeビーム
26について実施する。
Nd:YAGビーム11がエキスパンダ15を通過した後、この
ビームはミラー27、28によって約180度の角度で反射さ
れ、ビームを結合するダイクロイック・ミラー30に突き
当たって反射される。HeNeビーム26は、波長0.63ミクロ
ンのビームを透過するダイクロイック・ミラー30の反対
側に突き当たり、そしてNd:YAGビーム11と共直線的に合
併される。
次に、連続HeNe位置決め検査ビーム26とNd:YAG機械加
工ビーム11から成る共直線合併ビーム36は、第１軸62に
沿ってそれらを迅速に走査するための装置である回転多
角形ミラー35に突き当たり、焦点を一定の空間位置に保
つ作用をする平面レンズ40を貫通する。ビームが被加工
物（55）に突き当る点におけるビームの直径は、ビーム
・エキスパンダ（15）比を変え、それから異なったｆ値
で平面レンズ（40）を走査することによって、調節する
ことができる。
次に並行ビーム37は、ビームを分離するための装置、
たとえばダイクロイック・ミラー45に突き当る。ダイク
ロイック・ミラー45は、HeNe位置決めビームの少なくと
も一部のビーム38を光電検出装置50側へ透過し、Nd:YAG
機械加工ビーム39を被加工物55の方に反射させる。次
に、走査する部分透過されたHeNe位置決めビーム38は、
光電検出器50に突き当たり、パーソナル・コンピュータ
65などの装置における電子回路で解析される信号を生成
する。コンピュータは位置決めビーム38の位置と、被加
工物55上の所望の機械加工位置とを比較し、それが合致
したときに、機械加工レーザ10をパルスさせる。
第２図で、この位置決め機能を実施する装置を、さら
に詳しく説明する。走査位置決めビーム38は、光電検出
ユニット50の空洞に入り、光電装置51に突き当る前に回
折格子46を通過する。これは、ミラー35によって走査さ
れた位置決めビームの第１軸62方向の一連の個別の位置
に対応する正弦形の信号であって約200キロヘルツの周
波数を有する信号66を発生させる。200キロヘルツの信
号66は、位相ロック・ループ67で処理され、２メガヘル
ツ信号68を発生させる。この信号68はアップカウンタ69
への入力であり、この出力は比較器70によってあらかじ
めメモリ71にロードされた所望の機械加工位置に相当す
る２進数と比較される。アップカウンタ69の出力がメモ
リ71中の数と合致すると、比較器70はNd:YAGレーザを始
動する出力73を生成する。このレーザが発射されると機
械加工ビーム39が所望の位置で被加工物55に突き当る。
比較器70の出力73はアップカウンタ72への入力でもあ
る。そしてこの入力は増分アドレス信号をメモリ71に送
り、これを契機として次の所望機械加工位置に対応する
２進数をメモリ71にロードする。
被加工物55は、機械的位置、たとえば移送テーブル61
によって、第１軸62に直交する第２軸63に沿って移動可
能である。この移動は、所定数のパルスがNd:YAGレーザ
ーによって発射された後に、すなわち検査装置が、適切
な形状が第２軸63上の所与の位置において第１軸62に沿
って機械加工されたことを判定した後に、実施可能とな
る。この検査装置は、レーザ機械加工システムの一体的
な部分であるが、別体のものとすることもできる。第１
図に示す実施例では、検査機構が機械加工システムに組
み合わされている。
第２図のブロック図はイン・プロセス検査機構の動作
も示す。孔または他の形状が被加工物55に機械加工され
ると、ビーム39、すなわち機械加工ビームと部分的に反
射された位置決め検査ビームとの組合せは、ストリップ
光電検出器60に突き当たる。この好ましい実施例では、
光電検出器は被加工物の下に位置しているが、これはど
こにでも置くことができ、ビーム39は適当な反射手段
（図示せず）を介して光電検出器に突き当たる。これ
は、特定の機械加工動作が、形状を被加工物55の厚さを
通して機械加工することを必要としない場合には、重要
となることがある。次に、被加工物が実際に機械加工さ
れた位置を示すストリップ光電検出器60の出力74は、被
加工物が機械加工されるべき場所を指示する比較器70の
出力73と共に、AND装置75へ入力される。これらの２つ
の信号73、74が一致した場合には、AND装置は出力を行
い、これによって被加工物が適切な位置に機械加工され
たことが保証される。
所定の第２軸63の位置に関して、第１軸62に沿った所
望の位置が機械加工されるためには、いくつかの要素が
必要になる。機械加工ビームと検査ビーム39が第１軸62
に沿って進み、前記のように、各所望の位置で機械加工
されたかどうか検査すると、AND装置75の出力の数がカ
ウンタ76に記憶される。第２軸63のこの位置のための所
要数の機械加工動作は、メモリ71からカウンタ76に入力
される。実際の動作数が所要動作数と等しくなると、カ
ウンタ76は、移動テーブル61を活動開始させる被加工物
移動制御器77を活動開始させ、被加工物55を第２軸63に
沿って次の位置に移動させる。
これまでに説明した機械加工の装置及び方法の主な機
能の１つは、複数の小さな密に離間した孔を開けること
である。第１図では、孔の直径は、エキスパンダ15を調
節することによって容易に調節可能であり、このエキス
パンダは、機械加工ビーム11が被加工物55に突き当たる
直径を、光学システムのｆ値を調節することによって決
定する。直径が0.5ミリより小さな孔は、この方法で開
けることができる。これは、最小孔寸法が約3.5ミルに
制限されている現在の機械的打抜き技術と比較できる。
一貫性のある孔径、及び熱に影響されるゾーンがない
ことが最も重要な関心事である場合にも、このシステム
は使用可能である。第５図で、被加工物55は一連の連続
パルスによって、順次機械加工される（参照番号81、8
2、83、84を参照されたい）。この方法は、一貫性のあ
る高品質の孔を保証する。
第４図は、一貫性のある高品質の孔を達成するための
他の方法と装置を示す。最終的に所望の直径より小さな
孔58は、被加工物55にレーザによって孔開けされる。孔
58は、部分的にまたは完全に被加工物55を通じて延長す
ることもできる。次に、機械的パンチ56およびダイ57を
使用して、最終直径59を完成する。この方法で作られた
孔は、前述のようにそれらの孔をレーザのみを使用して
作った孔と同じ小さな直径に作ることはできないが，被
加工物55を浮き出しする従来の技術の問題を解決し、熱
に影響されるゾーンはない。前述の装置と方法は、孔以
外の基板内の機械形状にも使用することができる。第６
図では、第１軸62と第２軸63の両方の方向に沿って、被
加工物55に、スロット形状が機械加工されている。第１
軸に並行なスロット41は、第２軸63の与えられた位置で
第１軸62におけるすべての必要な点に沿って、機械加工
ビーム39をステップすることによって達成される。第２
軸に平行なスロットは、与えられた第１軸62と第２軸63
の位置に単一の形状を機械加工し、被加工物55の次の第
２軸63の位置に移動させ、第２の機械加工された形状が
第１の加工された形状に重なるように、同じ第１軸62の
位置で再び機械加工し、そしてこの順序を全スロットが
機械加工されるまで継続することによって、達成され
る。スロット42,43はこの方法で作られる。前述のよう
に、各種の形と寸法の形状は、第１図に示すように機械
加工ビーム39の寸法を変え、与えられた被加工物55上に
作ることができる。
本発明を機械加工操作の点について説明したが、これ
は付着材料にすることもできる。例えば、この発明品
は、真空チャンバ内のレーザ化学金属蒸着に使用するこ
とができる。第１図と第２図では、走査位置決めビーム
38は、機械加工ビーム39が最適に発射できる速度よりも
速く走査する。パーソナル・コンピュータ65におけるデ
ータのソートは、最適レーザ・パルス速度によって決定
されるように、個々の走査線を最小距離で分離されるデ
ータ点に割る。たとえば、走査速度が１インチ/ms、最
適パルス繰返数が5kHz（200マイクロ秒／パルス）であ
る場合には、孔間の最小距離は0.2インチである。次
に、パーソナル・コンピュータ65はデータをソートする
ので、ビーム39によって衝突される連続孔は、少なくと
も0.2インチは離間することになる。この0.2インチの距
離にある孔は、所与の第２軸63の位置を通る連続する第
１軸62の上に開けられる。同様な方法で、ビーム39は、
複数のレーザ・パルスが各孔について必要であるか、ま
たは所望される場合には、第１軸62に沿って連続通路を
作ることができる。
色々な被加工物55材料を機械加工することができるた
めには、機械加工ビーム11の波長を変えることができる
ことが望まれる。第３図に、Nd:YAGレーザ10の内部構成
要素を示す。第３（Ａ）図に示すその１次波長構成で
は、レーザ10は、Nd:YAGcwアーク・ランプ・ポンプ式空
洞80、前方ミラー14、後方ミラー12、及び２つのアパー
チャ13から成る。生成されたビーム11の波長は1.06ミク
ロンで、電子基板用のセラミック未加工シートなどの材
料を機械加工するのに適している。第３（Ｂ）図に示す
代替構成では、波長0.532ミクロンのビームが生成され
る。この構成は、前方ミラー14と前方アパーチャ13の間
に、ヨウ素酸リチュームかリン酸チタニル・カリウムの
いずれかから成る結晶16を挿入することによって達成さ
れる。他の代替構成を第３（Ｃ）図に示す。ビーム11
は、前方ミラー14と前方アパーチャ13の間に位置するリ
ン酸チタニル・カリウム16の結晶を通過して、次に、前
方ミラー14の前に位置するベータ・ホウ酸・バリウムの
結晶17を通過し、それから２つの構成要素、すなわち波
長0.532ミクロンの構成要素と波長0.266ミクロの構成要
素に分離される。次に、２つの構成要素ビーム89はダイ
クロイック・ミラー18を通過し、このダイクロイック・
ミラー18は0.532ミクロンのビーム87を通し、0.266ミク
ロンのビーム88を反射させる。0.266ミクロンのビーム8
8は、電子基板用の重要な絶縁被覆材であるポリイミド
樹脂の機械加工には、特に重要なものである。これはテ
フロン・エポキシ・ファイバクラス、またはその他の高
分子材料などの他の誘電性材料の機械加工にも、使用す
ることができる。
本発明の教示によって、機械加工ビーム11の波長をさ
らに変更することも可能である。
E.発明の効果 本発明により、電子装置基板の中に現在達成可能なも
のよりも小さな孔及びその他の形状を正確かつ迅速に作
製する方法と装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、レーザ・システム、制御システム、及び被加
工物と関連する移動装置の間の概略的関係を含む、本発
明の装置全体の斜視図である。 第２図は、光学式システムの適切な構成要素と共に、制
御システムの機能を図示するブロック図である。 第3A図ないし第3C図は、共通のNd:YAGレーザを使用して
生成可能な、色々な波長の機械加工ビームを示す図であ
る。 第４図は、レーザと機械的動作を組み合わせて均一な孔
を作るシステムの断面図である。 第５図は、レーザの連続パルスによって作られた孔の断
面図である。 第６図は、色々な焦点距離のビームを使用して被加工物
の上に形成された２次元パターンの斜視図である。 １……機械加工装置、５……ベンチまたはテーブル、６
……基礎、10……Nd:YAGレーザ、11、39……Nd:YAGビー
ム、13……アパーチャ、14……前方ミラー、15、20……
エキスパンダ、16……結晶、25……HeNeレーザ、26、38
……HeNeビーム、27、28……ミラー、30、45……ダイク
ロイック・ミラー、35……多角形ミラー、36、37……共
直線合併ビーム、40……平面レンズ、41……スロット、
50……光電検出装置、55……被加工物、56……機械的パ
ンチ及びダイ、58……孔、59……最終直径、60……スト
リップ光電検出器、61……移動装置、62……第１軸、63
……第２軸、65……パーソナル・コンピュータ、67……
位相ロック・ループ、68……信号、69……アップカウン
タ、70……比較器、71……メモリ、76……カウンタ、77
……被加工物移動制御器、88……ビーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴイツド・クリフオード・ロング アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピン ガーズ・フオールズ、マロニー・ドライ ブ、アール・デイ３番地 (72)発明者 ポヤング・ルー アメリカ合衆国ニユーヨーク州ホープウ エル・ジヤンクシヨン、ジエフリー・ロ ード６番地 (72)発明者 ジヨン・ジヨセフ・セクシンスキー アメリカ合衆国ニユーヨーク州ポキプシ ー、ダツチエス・ターンパイク597番地 (72)発明者 ローレンス・ダニエル・ソープ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタ ウン・ハイツ、ハイブルツク・ストリー ト1841番地 (72)発明者 ジエラルド・ウエイス アメリカ合衆国ニユーヨーク州ラグラン ジビル、バーモア・ロード、アール・デ イ、ナンバー・ワン、336番地 (56)参考文献 特開 昭58−141885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−184485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−137596（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−65493（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高エネルギの機械加工ビームを発生させる
    手段と、 低エネルギの位置決めビームを発生させる手段と、 前記機械加工ビームと前記位置決めビームとを、光路を
    共有するように結合させるビーム結合手段と、 前記光路に配置され、前記光路に沿って進む前記機械加
    工ビームと前記位置決めビームとを被加工物の第１の軸
    に沿う方向に走査させるための走査手段と、 前記走査手段と前記被加工物との間に配置され、前記位
    置決めビームを少なくとも部分的に分離する手段と、 前記第１の軸と直交する前記第２の軸に沿って被加工物
    を移動させる移動手段と、 前記分離された位置決めビームに基づいて、前記機械加
    工ビームが前記被加工物に突き当たる前記第１の軸に沿
    ったビーム位置を判定し、前記機械加工ビームが前記第
    １の軸及び前記第２の軸上の位置によって特定される前
    記被加工物上の所望の位置にあるとき、前記機械加工ビ
    ームを動作させるように制御する手段と を含む機械加工装置。
  2. 【請求項２】前記被加工物の機械加工部分を透過したビ
    ーム又は機械加工部分で反射したビームを検出するよう
    に設けられた検出器を含み、前記検出器の出力に応じて
    前記被加工物の加工状態を検査するイン・プロセス検査
    手段を含む請求項１に記載の機械加工装置。
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