JP3208659B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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    • B23K26/0643Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/0011Working of insulating substrates or insulating layers
    • H05K3/0017Etching of the substrate by chemical or physical means

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器から
のパルス状のレーザビームを被加工基板に照射して加工
を行うレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器の小形化、高密度実装化に伴
う、プリント配線基板の高密度化の要求に応えて、近
年、複数のプリント配線基板を積層した多層プリント配
線基板が提供されている。このような多層プリント配線
基板では、上下に積層されたプリント配線基板間で導電
層(銅箔)同士を電気的に接続する必要がある。このよ
うな接続は、プリント配線基板の絶縁層(通常、ポリイ
ミド、エポキシ系樹脂等のポリマー)に、下層の導電層
に達するバイアホールと呼ばれる穴を形成し、その穴の
内部に導電メッキを施すことによって実現されている。
そして、導電層を形成する銅箔は、厚さが18μmから
12μm、更には9μmと薄くされる傾向にある。
【0003】このようなバイアホールを形成するため
に、最近はレーザが利用されている。レーザを利用した
レーザ加工装置は、例えば、CO2 ガスレーザ発振器で
パルス状のレーザビームを発生し、これをレーザビーム
の断面形状を成形するためのマスクに導く。マスクで成
形されたレーザビームは、ガルバノスキャナと呼ばれる
走査系に入射し、fθレンズを通して被加工基板として
のプリント配線基板に照射される。ガルバノスキャナ
は、レーザビームをX軸方向に振らせるためのガルバノ
ミラーと、レーザビームをY軸方向に振らせるためのガ
ルバノミラーとを有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なプリント配線基板に穴あけ加工を行う場合、導電層、
すなわち銅箔に損傷を与えないようにしなければならな
い。これは、レーザビームのエネルギーを調整すること
で実現されている。そして、レーザビームエネルギーの
調整は、レーザ発振器側でレーザ出力を調整する第1の
方法と、レーザビームの光路中に減衰フィルタを配置す
る第2の方法とがある。
【0005】第1の方法では、レーザ電源装置の内部に
ある充電用コンデンサの電圧タップの設定を切り換え
る。
【0006】第2の方法では、例えば反射率0%、10
%、30%、50%の複数の減衰フィルタを用意してお
き、必要なレーザビームエネルギーの値に応じて上記の
減衰フィルタを組み合わせて配置する。
【0007】しかしながら、上記の第1の方法では、レ
ーザビームエネルギーの調整を段階的にしか行えず、調
整範囲も定格出力の15%程度が上限で不十分である。
【0008】一方、上記の第2の方法でも、レーザビー
ムエネルギーの調整は段階的であり、しかも減衰フィル
タは高価である。また、レーザビームエネルギーの調整
を行う時に、その都度オペレータが減衰フィルタの交換
作業を行わなければならず、交換時に、初期のレーザ光
軸に対してオフセット光軸ずれを生ずる場合がある。
【0009】銅箔に損傷を与える原因はまた、以下の点
にある。被加工基板上、すなわち照射域でのレーザビー
ムの断面形状は、直径あるいは一辺が0.1〜0.4m
m程度の円形あるいは方形であり、照射域でのエネルギ
ー強度分布は均一であることが望ましい。しかしなが
ら、これまでのレーザ加工装置では、照射域でのエネル
ギー強度分布が均一でないために、加工品質にばらつき
が生じ易い。例えば、シングルモードのレーザ発振器の
場合、照射域でのレーザビームのエネルギー強度分布は
ガウシアン分布となり、中心部にエネルギーが集中す
る。その結果、上記したプリント配線基板のように下層
に銅箔がある場合、銅箔に熱的損傷を与えてしまう。他
方、マルチモードのレーザ発振器の場合でも、照射域に
おいては部分的にエネルギーの集中する箇所が生じ、銅
箔に熱的損傷を与えてしまう。
【0010】そこで、本発明の課題は、レーザビームの
エネルギーを無段階で調整できるようにしたレーザ加工
装置を提供することにある。
【0011】本発明の他の課題は、レーザビームの照射
域でのエネルギー強度分布を均一にすることのできるレ
ーザ加工装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ発振器
からのレーザビームを被加工基板に照射して穴あけ加工
を行うレーザ加工装置において、前記レーザビームの光
量を連続的に可変の光量無段階調整機構を設け、該光量
無段階調整機構の後には更に、カライド反射鏡を設け、
該カライド反射鏡は、複数の棒状体が、これらの間に中
空部を形成し、かつ該中空部が所定の断面形状を持つよ
うに組付けされており、前記光量無段階調整機構は、
枚の三日月形状に形成された板部材をそれらの間にでき
レーザビームの通過域が漸減するように組み合わせた
ものを含むことを特徴とする。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
好ましい実施の形態について説明する。図1は、本発明
によるレーザ加工装置の概略構成を示す。図1におい
て、ここでは、レーザ発生源としてTEA(Trans
versely Excited Atmospher
ic pressure)CO2 ガスレーザ発振器(以
下、レーザ発振器と呼ぶ)を用いている。レーザ発振器
10から出射したパルス状のレーザビームは、第1、第
2の反射鏡11、12を経由してレーザ光量無段階調整
機構13に導入する。レーザ光量無段階調整機構13
は、詳しくは後述するが、絞り機構とこれを駆動するス
テッピングモータとを含んで、カメラの絞り機構のよう
な原理で、入射するレーザの光量を調整するものであ
る。すなわち、レーザ光量無段階調整機構13に入射す
るレーザビームは、通常、断面が11mm×9mm程度
のサイズの長方形になっている。レーザ光量無段階調整
機構13は、この断面長方形のレーザビームを機械的に
一部制限して切り出す。そして、切り出されたレーザビ
ームのエネルギーは、その切り出し面積に関連して可変
となり、この値はステッピングモータの回転量に関連し
て可変である。
【0020】レーザ光量無段階調整機構13からのレー
ザビームは、均一光学系20に入射する。均一光学系2
0は、入射用集光レンズ21、カライド反射鏡22、及
び出射レンズ23を含む。
【0021】均一光学系20は、その構造については後
述するが、シングルモードあるいはマルチモードの強度
分布を持つレーザを入射用集光レンズ21によりカライ
ド反射鏡22に入射させ、カライド反射鏡22ではその
内部での多重反射を利用してレーザビームのエネルギー
強度分布を均一にするためのものである。均一光学系2
0を出たレーザビームは、光学レンズ14を通してレー
ザビーム成形用のマスク15に入射する。断面形状を成
形されたレーザビームは、結像レンズ16により縮小投
影され、ガルバノスキャナと呼ばれる走査系17により
振られ、fθレンズと呼ばれる光学レンズ18を通して
X−Yステージ30上の被加工基板19に照射される。
【0022】ここで、走査系17は、レーザビームをX
−Yステージ30上における被加工基板19の被加工領
域に対してX軸方向に振らせるためのガルバノミラー1
7−1と、ガルバノミラー17−1からのレーザビーム
をY軸方向に振らせるためのガルバノミラー17−2と
を有する。X−Yステージ30はX軸方向、Y軸方向に
可動であり、被加工基板19の1つの被加工領域に対す
る加工が終了すると、走査系17による走査域に被加工
基板19の次の被加工領域が位置するように被加工基板
19を移動させる。
【0023】なお、レーザの照射域でのビームの断面形
状及びサイズは、マスク15における開口の形状と、そ
こからのレーザビームを縮小投影する結像レンズ16
と、光学レンズ18の焦点距離との比で決定される。
【0024】図2を参照して、レーザ光量無段階調整機
構13について説明する。レーザ光量無段階調整機構1
3は、レーザビームの通過域に配置された絞り機構13
0とこれを駆動するステッピングモータ(図示せず)と
を含む。絞り機構130は、レーザビームの通過可能な
スリット132を有し、このスリット132の周辺部を
反射面とした回転可能な可動部材131を有する。ここ
では特に、スリット132は、可動部材131の回転に
伴ってレーザビームの通過域が漸減するように三日月形
状に形成されている。可動部材131は、レーザの光路
中に配置された第1の固定反射コーン131−1と第2
の固定反射コーン131−2とを含む。第1の固定反射
コーン131−1は、中空のリング状でレーザ光の入射
側となるテーパ部が鏡面仕上げされている。第2の固定
反射コーン131−2も鏡面仕上げされたテーパ部を有
し、第1の固定反射コーン131−1の中空部よりわず
かに小さい径を有する。第2の固定反射コーン131−
2を、その中心を偏心させて第1の固定反射コーン13
1−1に一体的に組み付けることにより、両者の間に三
日月形状のスリット132を形成している。その結果、
図示しないステッピングモータにより可動部材131の
回転角度をわずかずつ変化させると、その回転角度の変
化に応じてレーザビームの通過域が漸減することで、レ
ーザビームの光軸をずらすことなく、その断面形状、す
なわちレーザ光量を連続的に変化させることができる。
【0025】なお、可動部材131の反射面をコーン状
にしているのは、ここで反射したレーザ光が常に同じ方
向に進むようにするためであり、反射したレーザ光を図
示しない位置に配置したエネルギー消費部に導いて消滅
させるようにしている。図示しないエネルギー消費部に
は、水冷ユニット等を配置して発熱を抑制する。
【0026】図3は絞り機構130の他の例を示す。こ
の例は、回転軸136−1を中心に回転可能な三日月形
状の第1の板部材136と、回転軸137−1を中心に
回転可能な三日月形状の第2の板部材137と、これら
を回転させるための図示しないステッピングモータとを
含む。この例によれば、第1、第2のの板部材136、
137を図中時計方向に回動させるとレーザビームの通
過域が狭くなり、図中反時計方向に回動させるとレーザ
ビームの通過域が広くなる。
【0027】図4を参照して、カライド反射鏡22につ
いて説明する。カライド反射鏡22は、無酸素銅から成
る断面長四角形の4本の棒状体22−1〜22−4を、
これらの間に中空部22−5ができるように組み合わせ
て成る。これらの組付けは、ボルト22−6で行われ
る。特に、レーザビームの通過路となる中空部22−5
は、四角形の断面形状を持ち、しかもその内面が反射鏡
となるように鏡面仕上げされている。
【0028】このようなカライド反射鏡22によれば、
入射したレーザビームは中空部22−5内で多重反射
し、その結果レーザビームのエネルギー強度分布が均一
にされる。エネルギー強度分布の均一度は、入射するレ
ーザビームの径、入射用集光レンズ21の焦点距離、中
空部22−5の断面形状の大きさ、及び中空部22−5
の全長により決定される。中空部22−5の全長が長い
ほど、多重反射の回数が増え、均一度が向上する。本形
態では、少なくとも3回の多重反射が行われる長さに設
定されるが、多重反射の回数が増えるとロスが増加する
ので、数回程度が好ましい。
【0029】なお、カライド反射鏡22の材料として
は、CO2 レーザ発振器の場合には、無酸素銅の他にベ
リリウムが考えられる。他方、YAGレーザ発振器、エ
キシマレーザ発振器を使用する場合には、石英のような
ガラス材料を使用することもできる。
【0030】以上のような均一光学系20を用いること
により、レーザビーム照射域でのレーザのエネルギー強
度分布が均一化され、プリント配線基板への穴あけ加工
の場合、レーザ光量無段階調整機構13によるレーザビ
ームエネルギーの調整と合わせて、プリント配線基板の
下層にある銅箔に損傷を与えることなく、穴あけ加工を
行うことができる。言い換えれば、レーザビームの照射
域においては、その断面形状が変化することなく、エネ
ルギー密度が調整されると共に、均一な状態にされてい
る。このことから、本形態によるレーザ加工装置は、プ
リント配線基板の銅箔の厚さが18μm、12μmの場
合は勿論のこと、9μmまで薄くされた場合でも適用可
能である。
【0031】なお、本発明はCO2 ガスレーザ発振器の
みならず、他のレーザ発振器、例えばエキシマレーザ発
振器やYAGレーザ発振器にも適用可能である。
【0032】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
レーザ加工装置は、レーザビームの光量を連続的に変化
させることができると共に、レーザビーム照射域でのレ
ーザのエネルギー強度分布を均一化できるので、特に銅
箔が形成されるプリント配線基板への穴あけ加工におい
て銅箔に損傷を与えることなく穴あけ加工を行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるレーザ加工装置の概略構成を示し
た図である。
【図2】本発明の特徴部分であるレーザ光量無段階調整
機構の主要部の構成を示した図である。
【図3】本発明によるレーザ光量無段階調整機構のおけ
る主要部の他の例を示した図である。
【図4】図1に示されたカライド反射鏡の構造を説明す
るための正面図である。
【符号の説明】
10 レーザ発振器 11、12 反射鏡 13 レーザ光量無段階調整機構 14、18 光学レンズ 15 マスク 16 結像レンズ 17 走査系 17−1、17−2 第1、第2のガルバノミラー 19 被加工基板 20 均一光学系 21 入射用集光レンズ 22 カライド反射鏡 23 出射レンズ 30 X−Yステージ 130 絞り機構 131 可動部材 132 スリット 131−1、131−2 第1、第2の固定反射コー

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器からのレーザビームを被加
    工基板に照射して穴あけ加工を行うレーザ加工装置にお
    いて、 前記レーザビームの光量を連続的に可変の光量無段階調
    整機構を設け、 該光量無段階調整機構の後には更に、カライド反射鏡を
    設け、 該カライド反射鏡は、複数の棒状体が、これらの間に中
    空部を形成し、かつ該中空部が所定の断面形状を持つよ
    うに組付けされており、 前記光量無段階調整機構は、2枚の三日月形状に形成さ
    れた板部材をそれらの間にできるレーザビームの通過域
    が漸減するように組み合わせたものを含むことを特徴と
    するレーザ加工装置。
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