JP2686470B2 - 深さ制御レーザ穿孔方法及び装置 - Google Patents

深さ制御レーザ穿孔方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、金属導体と基材とを持つ被加工片を穿孔す
るために発生源からのレーザ・ビーム放射線を放射線検
出器に伝え且つ被加工片から反射されたレーザ・ビーム
放射線を伝える光学手段を用いた穿孔深さ制御穿孔装置
に関する。検出器は反射された放射線を測定可能な電気
信号に変換することができる。
＜従来の技術＞ 複数の層を持ち、銅その他の金属箔の上層及び埋込み
層を有し、鍍金した貫通孔及び盲穴によって電気的に導
通しているプリント配線板は周知である。従来は、貫通
孔及び盲穴は機械的に穿孔されていた。このような孔部
は、深さ検知器と組み合わせた小型のドリル・ビットに
よって穿孔される。この種の小型ドリルは、たとえばエ
ポキシ樹脂含浸ガラス布のような最近の配線板に穿孔す
る場合には、刃先が著しく損耗するので、寿命が限られ
ている。又、この種のドリルは高価でもあり、各種のト
ルク、押し込み抗力、摩擦力及び変形力を受ける結果、
微細なドリル破損が高速度で進行する。
メーデル（Mader）は、米国特許第4,240,094号におい
て、各種のレーザ・ビーム偏光光学系、最終対物レンズ
及び観察カメラを使用し、複数の部分反射・部分透過鏡
を通して操作して、レーザ・ビームにより大規模集積回
路モジュールの表面上で半導体接続路を選択的に断路
し、金属被覆接続路を選定半導体材料と接続させた。ケ
ステンバウム（Kestenbaum）は、米国特許第4,044,222
号明細書で、Ｑ−スイッチ（Ｑ−switched）CO2レーザ
又はキャビティ・ダンプド若しくはモード・ロックド
（cavity−dumped or mode−locked）YAG（イットリウ
ム・アルミニウム・ガーメット）レーザを用いて、二酸
化珪素、窒化珪素及び酸化タンタル類等の薄いフィルム
中に短パルスによる傾斜孔部の形成を開示している。上
記のフィルムは、約400オングストローム乃至約10,000
オングストロームの厚さであり、通常は半導体基板上に
付着する。
ラッセン（Lassen）は、米国特許第4,544,442号明細
書で、内部のパターン中に配設された丸い導電体及び箔
状導電体を持つ有機質の小型マイクロ電子基板パッケー
ジにパルス・レーザその他の形式で孔部を穿孔する技術
を教示している。穿孔後に、孔部及び露出した導電体に
金属を鍍金する。金属導体を使用する場合、好ましいレ
ーザは、鏡及び鏡ヘッドを介して被加工片に直角に当た
るCO2レーザである。穿孔は、金属質導体のCO2レーザ・
ビームに対する反射率と、有機質基材の吸光率との対比
を利用した方法で行なわれる。有機材料は、他の型のレ
ーザ、深さ制御を行４なった機械的穿孔、研磨粒子又は
化学薬品の水ジェットの変調流によって除去することも
できる。ラッセン法の問題点は、レーザ・ビームを使用
した場合に孔の浸入深さを確かめることができず、小さ
な丸い導体を使用したときには導体を突き抜けて穿孔さ
れてしまう可能性があることである。
メルチェル等（Melcher et al）は、米国特許第4,50
4,727号明細書中で、多層プリント回路のレーザ穿孔を
教示している。リアルタイム光音響フィードバック制御
によって穿孔深さを監視している。メルチェル等は、固
体状の光音響分光の利用を教示しており、光のエネルギ
ーは固体に吸収されて、固体に特有の音響信号に変換さ
れ、次いで電気信号に変換されて分析される。音響信号
の一次源は、固体のレーザ揮発によって惹き起こされる
固体から周囲ガスへの周期的な時間依存性熱流に起因す
る。一般に、音響信号はマイクロホンによって検出され
る。推奨されているレーザはネオジム（Nd）/YAGレーザ
又はCO2レーザである。上記の型のフィードバック制御
は、レーザ・ビーム分割器と赤外線放射検知器との組合
せを介して穿孔レーザからのノイズを含まない信号をモ
ニターして増幅するとともに、被加工片に近接したビエ
ゾ電気検知器又はマイクロホンからのノイズを含む記号
信号をモニターしており、記号信号は濾渦して増幅しな
ければならない。このシステムは非常に複雑であり、極
めて微妙な音響モニターと濾渦とを必要とする。必要と
されているのは、もっと安価で、複雑でない純粋に光学
的な穿孔深さ制御装置である。
＜発明が解決しようとする問題点＞ 本発明の目的は、極めて小径の孔部を穿孔することが
でき、光学系を介して放射線検出器に入る反射レーザ・
ビーム・フィードバックを利用する穿孔深さモニターと
組み合わせたレーザ穿孔装置を提供することである。
＜問題点を解決するための手段＞ 従って、本発明は、金属質の導体と基材とを含む被加
工片を穿孔する深さ制御レーザ穿孔装置であって、金属
及び基材を貫通できる短波長の原レーザ・ビームを発生
する第一レーザ送出機と、基材を貫通できるが、金属に
よってほぼ完全に反射されてしまう長波長の原レーザ・
ビームを発生する第二レーザ送出機とを有し、両方の前
記原レーザ・ビームの一部分は、被加工片によって反射
され、各レーザ・ビームの焦点を被加工片上に合わせ、
両方の原レーザ・ビームの一部分を第一組の放射線検出
器に向けて反射し、被加工片によって反射された両方の
レーザ・ビームの一部分を第二組の放射線検出器に向け
て反射することができる光学系から成る穿孔深さモニタ
ーを有し、両方の組の検出器は、受光した放射線を電気
信号に変換でき、更に、前記電気信号を測定する手段を
有することを特徴とするレーザ穿孔装置を提供する。な
お、「穿孔」とは、被加工片への浸入又は被加工片に盲
孔又は貫通孔を含む孔部をつくることを意味する。
好ましくは、金属貫通レーザ・ビームの波長は約0.47
ミクロン乃至約３ミクロンである。好ましい金属反射レ
ーザ・ビームの波長は、約８ミクロン乃至約15ミクロン
である。レーザ・ビームの組合わせを上記のようにする
と、積層板の表面又は体部内に配設された金属導体を含
む基板加工片中に直径0.0254ミリメートルという小さな
孔部を穿孔することができる。本発明の方法では、金属
貫通レーザ・ビームを用いて、エポキシ樹脂又はポリイ
ミド樹脂含浸ガラス繊維などの有機質系絶縁基材上に支
持されている最上部金属被覆即ち金属電路を貫いて穿孔
することができる。その後、金属反射レーザ・ビームを
用いて、基材を貫いて穿孔し、正確な位置にある内部配
設金属ワイヤー又は底面金属被覆若しくは底面金属電路
に至るまでの孔をあけることができる。金属反射レーザ
・ビームは、内部又は底面金属の表面に当たると、その
放射線の大部分が反射される。本発明によれば、一連の
反射部材、透過部材及び孔部を開けた光学部材を介し
て、複数のレーザ・ビームを同時に又は連続的に使用し
焦点を合わせ、反射された放射線を放射線検出器に差し
向けることができる。検出器は電気信号を発生し、発生
した電気信号は直ちに測定でき、レーザをオン・オフ状
態にすることにより穿孔操作を制御できる。例えば、盲
穴穿孔の完了、即ち金属反射レーザ・ビームにより有機
材を貫通して金属面までの穿孔の完了は、検出器によっ
て検出される反射光の増加によって知ることができる。
反射放射線光学系がない場合には、純粋の光学手段に
よっては金属面に達したという判定が極めて困難であ
り、放射線を継続して照射することにより金属近傍又は
金属の周囲に大きな空洞ができるが、このような空洞の
鍍金（めっき）は困難である。場合によっては、レーザ
照射が極めて短期間継続されたときでも、金属のバルジ
・アウト（bulge−out;侵食状態の欠損部）又は穿孔が
起こる恐れもある。
本発明方法によって基板に穿孔した後、孔部に上部か
ら底部に向かって僅かなテーパをつけ、金属を付着でき
る状態にする。片方又は両方のレーザを使用する上述の
レーザ穿孔原理を採用すれば、比較的高速の材料供給速
度で運転されている単一の穿孔ステーションにより種々
の配線板に直径0.0254mmから0.3mmの孔部を複雑な配置
で穿孔することができる。配線板の内部で金属面と接触
したことを示す上記のレーザ穿孔技術は、将来における
超大規模集積回路（VLSI）及びプリント配線板（PWB）
モジュール更には合焦レーザ・ビームが全く摩耗しない
ので「ビット」（bit）の製作に必要な高密度マイクロ
電子パッケージの製造方法において重要な方法となる可
能性を秘めている。本発明のレーザ穿孔法は、両方の型
のレーザの使用が必要となる被加工片中に一連の盲穴を
つくらねばならない場合に特に有用である。本発明のレ
ーザ穿孔は、光学音響フィードバックは利用せず、非加
工片反射源からの放射線（通常は赤外線）の検出による
放射線の相違だけを利用するものである。
＜実施例＞ 以下、例示のみを目的として、添付の図面を参照しつ
つ本発明の好ましい実施例について記載する以下の説明
から本発明をより容易に理解できるものと思う。
添付の図面の第１図に穿孔した非加工片10の上面の一
部分を図示してあるが、本例の場合、被加工片は多層回
路積層板である。最上面の金属電路11、12、13及び14が
図示されている。これらの金属電路は、通常は厚さ0.00
63mm〜0.127mm、最も一般的には厚さ0.02mm〜0.06mmの
銅又はアルミニウム箔から製造された導電体である。金
属電路を貫通する孔部15、16、17及び18が、埋込み金属
ワイヤー20、埋込み金属ワイヤー21、22、23及び24、第
１図に示した被加工性片をII−II線に沿って切断した断
面図である。第２図に最もわかり易く示されている底部
金属被覆シート25とともに図示してある孔部15、17及び
18は「盲穴」即ち積層板の体部を貫いて埋込みワイヤ
ー、埋込み電路又は底面金属被覆シートで終端する孔部
である。孔部16は、「貫通孔」即ち積層板全体を貫く孔
部である。
第２図に示す積層板26は、複数層の樹脂含浸繊維シー
ト状材料から製造することができる。繊維シートは、ガ
ラス繊維、高純度石英繊維、芳香族ポリアミド繊維［例
えば、ケブラー（Kevlar）］、ポリエチレンテレクタレ
ート繊維［例えば、ダクロン（Dacron）］、セルロース
紙繊維（例えば、クラフト紙）等の織布若しくは不織布
から成る。繊維質シート材料を混合した積層板、例えば
樹脂含浸ガラス布を上層とし、クラフト紙等の樹脂含浸
セルロース繊維を心材とした積層板を用いることもでき
る。積層板は、２枚〜８枚又はそれ以上の枚数のシート
から成り、積層板全体の厚さが0.1mm〜6.3mm、通常は0.
5mm〜3mmである。
積層シートに含浸させる樹脂としては、フェノール樹
脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリテトラフ
ルオロエチレン（例えばテフロン）等の樹脂類、最も好
ましくはエポキシ樹脂類を挙げることができるが、これ
らの樹脂類は全て当業界で周知のものである。難燃性樹
脂が最も好ましい場合が多い。使用できる難燃性エポキ
シ樹脂の例としては、ブロム化エポキシ樹脂、ビスフェ
ノールＡエポキシ、脂環式エポキシ、ノボラック・エポ
キシ又はこれらの混合物の如きハロゲン化されていない
エポキシ樹脂と、臭素及びフェノール性水酸基を含む難
燃化反応性添加剤、好ましくはテトラブロムビスフェノ
ールＡとの混合物を挙げることができる。なかでもフェ
ノール・ノボラックは硬化剤としても有用であり、所望
に応じて三級アミン類、イミダゾール類等を触媒として
含有させてもよい。難燃性の程度を更に高めるために追
加する難燃化剤の例としては、三酸化アンチモン、五酸
化アンチモン、種々の燐酸塩類を挙げることができる。
第３図に、本発明装置によりレーザ穿孔し、金属を付
着させた盲穴18の細部を示す。金属付着層即ち鍍金層30
は、通常は無電極法及び電気鍍金法を併用して付着させ
た銅等の金属から成り、配線板を貫通して種々の埋込み
ワイヤー又は電路を接続する電気リードとなる。多くの
場合、ダイオード、トランジスタ等の電気部品が最上部
導体パッド上のたとえば位置31にハンダづけされる。図
示の如く、本発明の方法による穿孔孔部は、金属電路23
の底部接触部が完全であり、電路側方にできて鍍金時に
問題を生じる空洞部又はキャビティは最小に抑えられ
る。
本発明による好ましい二連レーザ穿孔システムの一実
施例の全体図を第４図に示してあるが、図示したシステ
ムを用いて、種々の被加工片に、第１図乃至第３図の多
層配線板に示すような盲穴及び貫通孔を正確に穿孔する
ことができる。各レーザを別個に使用してもよく、両方
のレーザを同時に使用することもできる。
被加工片10が穿孔ステーションで位置決めテーブル40
に載置された状態で図示してある。位置ぎめテーブル
は、コンピュータのプログラムにより予め定められた順
序でＸ−Ｙ方向にプログラム移動させることができる。
穿孔は、レーザ穿孔による屑及び蒸気類を制御し被加工
片の汚染を防止する環境制御室内で行なわれる。２つの
レーザ送出機41、42を図示してあるが、これらの送出機
は、必要なレーザ・ヘッド、電力源、キャビティ鏡、孔
部停止部材、Ｑスイッチ、照準光学部材等を有し、原レ
ーザ・ビーム56、57を送出するものであるが、送出され
たレーザ・ビームの一方は鏡51によって反射されてい
る。しかしながら、レーザ送信機41からの原レーザ・ビ
ーム56が原レーザ・ビーム57に対して90゜の角度をなす
位置にレーザ送出機41を位置させておいてもよい。被加
工片に浅い盲穴のみをレーザ穿孔するときには、本発明
の深さモニター光学的放射線検出器とともに、一方だけ
のレーザ送出機を使用すればよい場合もある。
いずれの場合にせよ、第５図に示すように光学部材6
7、68、58及び61を有する第一光学系と原レーザ・ビー
ムとを組み合わせて、原レーザ・ビームの焦点を被加工
片上に合わせ、第一光学系により原レーザ・ビームに被
加工片を透過させるか或いは被加工片によって原レーザ
・ビームを反射させる。この第一光学系は、被加工片に
よって反射されたレーザ・ビームを第二光学系に送光即
ち反射させるためにも使用され、第二光学系は第５図に
示すように光学部材63及び64から成る。第二光学系は、
原レーザ・ビームの選定した一部分を検出器45又は46の
１個所に反射させることができる部材を有する。第二光
学系は、更に、被加工片から反射されたレーザ・ビーム
の一部分を反射して検出器45又は46の別の個所に送るこ
とができる。被加工片を通過する際における被加工片か
らの反射レーザ・ビーム中の信号の相違を測定すること
により、金属又は積層板材料との接触の有無を迅速に知
ることができる。
第４図及び第５図に示す好ましい実施例においては、
たとえば有機樹脂含浸繊維質材料のような非金属材料を
貫いて蒸発させることができる出力密度（power densit
y）を持つ原レーザ・ビーム56を発生させるために長波
長レーザ送出機41が使用されている。原レーザ・ビーム
56は鏡51によって反射されて、被加工片10に向かう。こ
の長波長レーザ・ビームは金属によってはほぼ完全に
（約90％又はそれ以上）反射され、好ましくは約８ミク
ロン乃至約15ミクロンの波長を持つ。このようなレーザ
としては、当業界で周知の脈動（パルス）CO2レーザを
使用することができる。このレーザは好ましくは約９ミ
クロン乃至約11ミクロン、通常は10.6ミクロンの波長の
原レーザ・ビームを送り出す。
有機樹脂含浸繊維質材料等の非金属材料及び金属を貫
いて蒸発させることができる電力密度を持つ原レーザ・
ビーム57を発生させるために短波長レーザ送出機42が使
用されている。この短波長レーザ・ビームは、金属によ
って実質的に反射される反射率（約30％乃至約60％の反
射率）を持ち、好ましくは約0.4ミクロン乃至約３ミク
ロンの波長を持つ。このようなレーザとして好ましいも
のは、当業者で周知のパルス・ネオジム−ヤグ（YAG:ネ
オジムをドープさせたイットリウム・アルミニウム・ガ
ーネット）又はネオジム−ガラス・レーザである。これ
らのレーザは、短波長、好ましくは約１ミクロン乃至約
２ミクロン、通常は1.06ミクロンの波長の原レーザ・ビ
ームを送出する。短波長レーザを使用するしたときに
は、穿孔を制御し金属被覆又は電路及び絶縁基材の過度
の損耗を防止するために、短波長レーザをパルス（脈
動）モードで作動させねばならない。多くの場合、被加
工片のレーザ穿孔のために赤外線（波長0.78ミクロン以
上）のみが使用されよう。
第４図に破線43で囲んだ穿孔深さモニターは、第５図
に詳細に示すように、レーザ合焦ヘッドと複数の光学部
材とから成る。穿孔深さモニターは、焦点の合ったレー
ザ・ビーム（１本又は複数本）44が被加工片10の各部分
にあたったときに、被加工片10からの反射レーザ・ビー
ム放射線を透過させることができる。モニターは更に、
放射線を受光して速やかに電気信号に変換することがで
きる少なくとも２つの光学的放射線検出器45及び46を有
するので、モニター全体を用いてレーザ穿孔の深さを制
御できる。
図示の如く、レーザ・ビーム44は通常は被加工片に対
してほぼ垂直に（ほぼ90゜±５゜）当たる。電気信号を
測定して被加工片から反射される放射線の増減を記録し
ておくことができるレコーダを信号検出器と組み合わせ
てある。テレビジョン・モニター48に接続したテレビジ
ョン・カメラ47を用いて、被加工片のレーザ穿孔を観察
することもできる。位置ぎめテーブル40に接続された位
置制御装置49が被加工片10の位置を制御し、被加工片上
の所望位置に孔部をレーザ穿孔する。レーザ穿孔後に、
被加工片を鍍金ステーション50に移動させて、レーザ穿
孔された孔部の表面及び被加工片の他の所望部分に鍍金
を行なう。
一般的に言えば、焦点の合ったレーザ・ビームにより
小体積の材料を、局部的な熔融及び／又は蒸発を起こす
ほど充分な高温度に加熱することにより孔部が穿孔され
る。穿孔された孔部の特性は、レーザ・ビームの出力及
びパルス等の因子、レーザの波長、材料の熱伝達特性な
どの多数の因子の影響を受ける。本発明において用いる
レーザ穿孔の一つの特徴は、CO2レーザから発生したビ
ームのような長波長レーザ・ビームは誘電体によって吸
収され易いが、金属表面によっては反射されるというこ
とにある。金属の表面に入射したレーザ出力が高過ぎな
いならば、金属は損傷されず、レーザ・ビームはほとん
ど全反射する。一方、ネオジム−YAGレーザから出るよ
うな短波長レーザ・ビームは金属表面に容易に吸収され
るので、金属を貫く穿孔孔部が得られる。
金属電路13、21、22、24及び25とエポキシ樹脂含浸ガ
ラス繊維布の積層基材物質とを貫いて被加工片10に第２
図に示す貫通孔16を形成するために第４図に示すレーザ
・ビーム44を使用するとすれば、たとえばネオジミウム
−YAGレーザのような短波長レーザ42のみを使用すれば
よい。この場合には、レーザ・ビームの焦点は被加工片
中の電路21と電路24との中間のどこかに位置するように
してもよいし、ビームが基板を貫いて進むにつれて連続
的にビームの再合焦が得られるようにしてもよい。
第４図に示したレーザ・ビーム44を用いて、金属電路
11又は14を貫き、そして積層板基材物質26を貫くが、金
属電路23又はワイヤー20は貫通しないようにして被加工
片10に第１図及び第２図に示す盲穴18又は15を形成する
場合には、ネオジム−YAGレーザの如き短波長レーザ42
とCO2レーザの如き長波長レーザ41とを併用するのが好
ましい。孔部18又は15の形成のために先ず最初に、短波
長レーザ・ビームにより最上部の銅製電路を蒸発させ
る。かなりの量の反射放射線が検出器46′によってモニ
ターされるが、積層基材物質26に入ると、モニターされ
る放射線量は低下する。
この時点で短波長レーザを速やかに切るか、又は電路
23又はワイヤー20に近づくように貫くのが良い。その後
は、長波長レーザ・ビームを用いて積層基材物質26を蒸
発させるが、この際長波長レーザ・ビームがエポキシ／
ガラスと接触して少量の放射線反射（約５％乃至約25
％）が行なわれ、電路23又はワイヤー20の表面に達する
まで長波長レーザ・ビームを下げる。上記の少量の放射
線反射量は検出器45′によってモニターされるが、レー
ザ・ビームが金属に当たるとレーザ・ビームはほとんど
完全に反射（約95％を越える）されるのでモニターされ
る放射線量は劇的に増加する。金属電路23又はワイヤー
20の表面部の深さに達すると、長波長レーザのスイッチ
を速やかに切る。検出器から直接に電気信号を受け取っ
ているプログラムされたコンピュータ等によって開閉ス
イッチを制御して、レーザの入・切反応操作時間を実質
的に瞬間的なものにすることもできる。
第２図及び第３図に示すように、本発明装置を使用す
ることにより電路又はワイヤーを越える穿孔及び、鍍金
を困難にするキャビティをつくる孔部拡大を来たすこと
なく、孔部と電路又はワイヤーとを完全に接触させるこ
とができる。従って、両方の穿孔側の何れの場合におい
ても、反射された照射線を適宜な光学的放射線検出器に
送り込むことにより、レーザ穿孔深さを光学的に測定す
ることができる。貫通孔16のレーザ穿孔においては、電
路間でCO2レーザを使用すればよい。盲穴の底部近傍で
のレーザ穿孔以外の操作では、ほとんどの場合、長波長
レーザによってレーザ穿孔を行なった場合と比較して、
より完全な孔部ができ且つ境界部が良好で側面もより滑
らかであるから、短波長レーザ穿孔のほうが好ましい。
レーザ穿孔操作前に先ず適当な位置合わせを行なって、
全ての層状金属電路又はワイヤーの位置を正しく整合さ
せ、穿孔された孔部が埋め込まれた電路又はワイヤーか
らはずれることがないようにする。このような整合技術
は、当業界では周知の技術である。
次に第５図を参照すると、穿孔深さモニター43が詳細
に開示されている。このモニターは反射ビーム光学系と
本発明の光学的放射線検出器とを有するが、上記の反射
ビーム光学系及び光学的放射線検出器の併用により、レ
ーザ穿孔深さを速やかに制御でき、また埋め込まれた金
属導体をオーバンランし、又はこの金属導体を損傷する
ことを防止できる。このモニターによりCO2レーザ・ビ
ームのような長波長レーザ・ビーム56及びネオジム−YA
Gレーザ・ビームのような短波長レーザ・ビームの焦点
を同時に或いは引き続いて可動位置ぎめテーブル40上に
載置された被加工片10上の１点に合わせることができ
る。レーザ・ビームは、ほぼ直角方向（約90゜±５゜）
で被加工片に入る。構成部品45′、45″、46′及び46″
は、入射する原レーザ放射線及び反射した放射線を受光
して迅速な測定を行なう放射線検出器である。構成要素
47は、組み合わせたテレビジョン・モニターを介してレ
ーザ穿孔操作を観察する手段となるテレビジョン・カメ
ラである。
被加工片10の穿孔点及びレーザ・ビーム59の焦点の上
方に位置する光学部材58は、３種の異なる機能を果た
す。該部材の底面又は下面60には適宜な二色性塗膜（di
chroic coating）が施されており、左側から入射する短
波長の原レーザ・ビーム57を反射する。この種の二色性
塗膜の塗布技術は当業界で周知である。光学部材58の本
体は、可視光（放射線）及び長波長の原レーザ・ビーム
56の双方を透過即ち通過させるNaCl、KCl等の単結晶ア
ルカリ塩又は多結晶アルカリ塩のような材料物質からで
きている。
短波長レーザ・ビーム反射鏡58の上方に配置されてい
る光学部材61も、可視光（放射線）及び長波長レーザ・
ビーム56の双方を透過させる上述の如き単結晶アルカリ
塩又は多結晶アルカリ塩からできているが、光学部材61
の下面には適宜な二色性塗膜が施されていて、可視光に
対しては高い反射性を有するが、長波長のレーザ・ビー
ムは透過即ち通過させる。従って、鏡61は上方から入射
する長波長の原レーザ・ビーム56を透過即ち通過させ、
被加工片からの光をテレビジョン・カメラ47に向って反
射させることにより、組み合わせたテレビジョン・モニ
ターを介してレーザ穿孔作業の観察を可能にする。これ
に必要な光学部材58及び61の機能は、現行の周知の従来
技術水準の二色性塗膜技術によって充足できる。穿孔の
観察には、光学部材61及びテレビジョン・カメラ47が好
ましいけれども、その他の手段を用いてもよい。
短波長の原レーザ・ビーム照射線57は金属によってか
なりの程度、即ち約30％乃至約60％、反射され、長波長
の原レーザ・ビーム照射線56は金属によって実質的に完
全に、即ち約90％又はそれ以上、反射されるという上述
の記載を想起すれば、作動時に光学部材面60から反射さ
れて上方から約90゜の角度で入射する原レーザ・ビーム
57は通常第１図及び第２図に示したプリント配線板のよ
うな被加工片10上に焦点が合うが、通常そこで金属電路
と接触する。レーザ・ビームにより金属を貫通する孔部
が蒸発形成されるが、かなりの量の放射線57′は反射に
よって戻り最終的には適宜な光学部材63によって反射さ
れて照射線検出器46′に入る。レーザ・ビーム56を使用
することができ、該レーザ・ビームは光学部材61及び58
を通って被加工片10上に焦点が合う。レーザ・ビーム
は、たとえばエポキシ樹脂含浸ガラス布のような積層基
板材料にあたり、金属電路又はワイヤーに接するまで上
記基板材料に貫通孔部を蒸発形成し、金属電路又はワイ
ヤーに接するとほとんど全ての長波長レーザ・ビーム照
射線56′は光学部材58及び61によって反射されて戻り、
最終的には光学部材64により反射されて放射線検出器4
5′に入り、検出器45′が検出器46′と同様に電気信号
を出す。長波長レーザ・ビーム56がガラス・エポキシと
接触したとき、反射した放射線が検出器45′に入ると
「低い」信号が出されるが、レーザ・ビーム56が金属と
接触するとほとんど全反射に近くなるので検出器45′は
「高い」信号を出す。このような信号の突然のバースト
は種々の記録装置によってモニターすることができ、こ
れを利用してレーザを速やかに止めることができる。
被加工片10から反射した可視光線ビーム65は、光学部
材58を通過し、光学部材面62で反射してテレビジョン・
カメラ47に入る。周知の熱電気式、光電池式又は感熱式
の信号検出器対45′、46′及び45″、46″は、受光した
反射放射線を電気信号に変換するが、電圧計、コンピュ
ータ等の部材66に接続されているので、電気信号の変動
が迅速に測定される。電気信号の変動は、プログラムさ
れたコンピュータの如き停止／始動接点に伝えられ、こ
れらの接点により、両方のレーザ送出手段を瞬間的に停
止又は始動できる。光学部材レンズ67及び68によりレー
ザ・ビームが合焦されるが、これらのレンズ67、68は、
レーザ・ビームが被加工片の上部又は内部の所望位置に
合焦することになる位置に置かれている。レンズ67、68
はそれらの光に沿って移動可能なので、レーザ穿孔によ
り被加工片に孔部を形成する際に、所望に応じて焦点を
移動させることができる。
第５図には、レーザ・ビームの一部分を反射し、一部
分を透過させる光学部材63及び64が示されている。光学
部材63及び64の中央部に孔をあけ外側部分は放射線を反
射する状態に保っておいて、各原レーザ・ビームの外側
部分即ち56″及び57″が光学部材によってスキムされ
（skimmed;すくい取られ）反射されて一組の検出器45″
及び46″に入り、原レーザ・ビーム放射レベルを測定
し、レーザがその初期出力を持ち続けるように構成して
もよい。
斬して、原レーザ・ビームの入射した長波長レーザ・
ビーム部分56″は、長波長レーザ・ビームを反射する光
学部材64の外側部分によって反射されて光学的放射線検
出器45″に入る。被加工片から戻ってくる反射放射線5
6″は、反射されて他の光学的放射線信号検出器45′に
入る。同様にして、原レーザ・ビームの入射して来る短
波長レーザ・ビーム部分57″は、短波長レーザ・ビーム
を反射する光学部材63の外側部分によって反射されて光
学放射線検出器46″に入る。被加工片から戻ってくる反
射放射線57′は、反射されて他の光学放射線信号検出器
46′に入る。放射線検出器45′及び46′はレーザ・ビー
ムが積層板材料及び金属を通過する際における反射して
戻ってくる放射線量の変化を記録する。
本実施例の全ての検出器の検出面積は充分に広く、反
射された放射線を受光できる。従って、光学部材63及び
64は、切欠中心部分を持つか、或いは原レーザ・ビーム
放射線57及び56を夫々透過又は通過させる中心部分を有
する。光学部材63及び64の縁部は、レーザ・ビーム57′
及び56′を光学放射線検出器に向って反射させる。第５
図中には、開口した窓部分又は透明部分を長さ69で示し
てある。
光学信号検出器45′及び46′の送出する信号の経時変
化を比較し、電圧計等の部材66で測定する。従って、反
射されたレーザ放射線56′及び57′のうち検出器45′及
び46′から送り出された即ち透過した戻り放射線信号レ
ベルは、レーザ・ビームが接触した材料物質によって変
動し、電圧計、コンピュータ等の部材66はレベル差を表
示し、これをコンピュータ操作レーザ・オン・オフ・ス
イッチに送る。この測定値によりレーザが金属又は基板
材料に何時接触したか又はこれを何時通過したかを知る
ことができる。レーザ穿孔の深さが深くなり反射した放
射線の幾分かが被加工片から出る際に吸収されたとして
も、金属との接触の場合と積層板材料との接触の場合と
における信号の差は際立っており、差を測定してレーザ
・ビームの送出開始又は停止させることができる。必ず
しも電圧計等の部材66を使用する必要はなく、被加工片
から反射された放射線を受光する検出器45′及び46′か
らの出力信号の経時的な差異を測定できる回路であれ
ば、どのような回路を用いてもよい。
第６図に、放射線検出器及び原レーザ・ビームと組み
合わせる光学系の変形実施例を示す。一例として、短波
長レーザ・ビーム57を用いた場合について説明すると、
部分透過・部分反射光学部材63と検出器46′及び46″と
の間にもう一つの光学部材レンズ70を追加配置し、光学
部材63から検出器46′及び46″に反射される照射線を細
くする即ち小面積に集まるようにした点が前記実施例と
異なる。この実施例では、面積の小さな検出器を使用で
きる。長波長放射線検出器についても、本実施例の教示
に従い、同様の変異を加えることができる。
第７図に本発明と組み合わせる光学系の更に別の変形
実施例を示してあるが、第７図にも例として短波長レー
ザ・ビーム57を書き入れてある。
第５図及び第６図に示した部分反射・部分透過光学部
材63を入射放射線57に対して半透明の光学部材と置き換
えることができる。鏡75は、原レーザ・ビーム放射線57
及び反射された放射線57′の既知部分たとえば５％乃至
約20％を反射し、約80％乃至約95％の放射線を透過させ
ることができる。その結果、上述の各実施例における中
央切欠光学部材63と同様の作用を奏することができ、製
作、組込み、調節が簡単である。第７図に示した追加光
学部材レンズ70と一緒に半透明光学部材を用いることも
できる。本実施例の教示に従い、長波長放射線検出器に
も同様に変更を加えることができる。
次に実施例を挙げて、本発明について説明する。
実 施 例 TEMooモードで作動する波長1.06ミクロンのコントロ
ール・レーザ・モデル512QTのネオジミウム−YAGレーザ
を用いて、7.62cm×11.43cm×0.762mm（厚さ）のPWBサ
ンプル積層板に貫通孔を穿孔した。用いた積層板はエポ
キシ樹脂含浸ガラス布から成り、厚さ0.254mm（0.01イ
ンチ）の銅被覆が両面に施されたものであった。出力レ
ベル３ワット、パルス繰返し数4000ヘルツでレーザを作
動させて、直径0.05mmの孔部をPWB全体を貫通させて７
列×８列の配列で穿孔した。孔部を穿孔するためには、
100ミリ秒間のレーザ・パルスの２回のバースト（burs
t;急激な出力増加）が必要であった。PWBの背面の出口
孔の平均直径は0.037mmであった。
積層板に盲穴をあけるために、波長10.6ミクロン、最
大出力約475ワットのフォトン・ソーシズ（Photon Sour
ces）モデルV500のCO2レーザを用いて積層板への盲穴の
形成が成功裏に行なわれた。用いたCO2レーザ・ビーム
は、一連の鏡を用いて焦点距離12.7cmのレンズに導かれ
たが、このレンズによりレーザ・ビームは上面が有機樹
脂含浸布材料から成り下面に厚さ0.03mmの銅を被覆した
サンプルを積層板に合焦した。テフロン・ケブラー（Te
flon−Kevlar）積層板、エポキシ・ケブラー積層板、ポ
リイミド・ガラス積層板及びエポキシ・．ガラス積層板
にも、一連の盲穴を穿孔した。
エポキシ・ケブラー積層板を除く全ての積層板の場合
には、約50ワットで全エネルギーが約0.2ジュール乃至
0.8ジュールのときに最適の盲穴穿孔を行なうことがで
きた。これに関しては、夫々の樹脂・基材系について出
力及びエネルギー水準を合わせた。テフロン・ケンバー
の場合には約0.8ジュールのレーザ・エネルギーがよ
く、エポキシ・ケルバーの場合には約0.1ジュールが適
切であり、ポリイミド・ガラス及びイポキシ・ガラスの
場合には、特に積層板の基体部厚さがもっと厚いときに
は、約0.2ジュールが適切である。
上記の実験の結果は、短波長のレーザを用いて回路板
の金属部分を貫き、必要な場合には長波長のレーザで積
層板の基体部分に穿孔して盲穴をつくることができるこ
とを示している。第４図及び第５図に示すレーザ穿孔装
置の構成のための両者の組合せは可能であり、しかも極
めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、多層回路板の上面図であり、１本の貫通孔
と、３本の盲穴と、上部及び埋込み金属電路パターンと
を示す図である。 第２図は、第１図のII−II線に沿って切断した断面図で
あり、貫通孔と３本の盲穴とを示してある。 第３図は、第２図の一部分を示す断面図であり、金属を
付着させた盲穴と、上部金属電路を埋込み金属電路との
接続を示す図である。 第４図は、本発明のレーザ穿孔システムの一実施例の概
略説明図である。 第５図は、本発明を最もわかり易く示す図であるが、レ
ーザ穿孔深さの制御に用いることができる反射ビーム光
学系、反射光学系及び反射線検出系の組み合わせを含む
レーザ合焦ヘッドの一実施例の概略説明図である。 第６図は、本発明において反射された反射線検出器の必
要とする面積を減少させた第一変形光学系の概略説明図
である。 第７図は、本発明において、本発明の反射ビーム光学系
中のビーム分割鏡を組み込んだ第二変形光学系の概略説
明図である。 10は被加工片、43は穿孔深さモニター、56は原レーザ・
ビーム（短波長レーザ・ビーム）、57は原レーザ・ビー
ム（長波長レーザ・ビーム）である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビンセント・アンドリュー・トス アメリカ合衆国，ベンシルベニア州，ハ リソン・シティー グレンシャイヤー・ ドライブ ４ (56)参考文献 特開 昭58−205689（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属質の導体と基材とを含む被加工片を穿
    孔する深さ制御レーザ穿孔装置であって、 （１） 金属及び基材を貫通できる短波長の原レーザ・
    ビームを発生する第一レーザ送出機と、基材を貫通でき
    るが、金属によってほぼ完全に反射されてしまう長波長
    の原レーザ・ビームを発生する第二レーザ送出機とを有
    し、両方の前記原レーザ・ビームの一部分は、被加工片
    によって反射され、 （２） 各レーザ・ビームの焦点を被加工片上に合わ
    せ、両方の原レーザ・ビームの一部分を第一組の放射線
    検出器に向けて反射し、被加工片によって反射された両
    方のレーザ・ビームの一部分を第二組の放射線検出器に
    向けて反射することができる光学系から成る穿孔深さモ
    ニターを有し、両方の組の検出器は、受光した放射線を
    電気信号に変換でき、 （３） 更に、前記電気信号を測定する手段を有するこ
    とを特徴とするレーザ穿孔装置。
  2. 【請求項２】有機樹脂含浸繊維質材料から成る基材と金
    属導体とを含む多層配線板である被加工片中に孔部を形
    成する方法であって、被加工片を穿孔装置の真下に位置
    させ、レーザ穿孔装置を用いて孔部を形成し、形成した
    孔部に金属を被覆するステップより成り、前記レーザ穿
    孔装置は、金属及び基材を貫通できる短波長の原レーザ
    ・ビームを発生する第一レーザ送出機と、基材を貫通で
    きるが、金属によってほぼ完全に反射されてしまう長波
    長の原レーザ・ビームを発生する第二レーザ送出機とを
    有し、両方の前記原レーザ・ビームの一部分は、被加工
    片によって反射され、各レーザ・ビームの焦点を被加工
    片に合わせ、両方の原レーザ・ビームの一部分を第一組
    の放射線検出器に向けて反射し、被加工片によって反射
    された両方のレーザ・ビームの一部分を第二組の放射線
    検出器に向けて反射することができる光学系から成る穿
    孔深さモニターを有し、両方の組の検出器は、受光した
    放射線を電気信号に変換でき、更に、前記電気信号を測
    定する手段を有していることを特徴とする孔部形成方
    法。
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