JP3323987B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP3323987B2 JP14326498A JP14326498A JP3323987B2 JP 3323987 B2 JP3323987 B2 JP 3323987B2 JP 14326498 A JP14326498 A JP 14326498A JP 14326498 A JP14326498 A JP 14326498A JP 3323987 B2 JP3323987 B2 JP 3323987B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザによるプリン
ト配線基板の加工装置に関し、特にフレキシブルプリン
ト配線基板(以下、FPCと呼ぶ)の穴あけ加工と切断
加工とを行うことができるようにしたレーザ加工装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】最近、レーザを使用してプリント配線基
板、特にFPCに対してビアホールと呼ばれる穴あけ加
工を行うレーザ穴あけ加工装置が提供されており、以下
に簡単に説明する。
【0003】図3において、CO2 (炭酸ガス)レーザ
によるレーザ発振器40で発生されたパルス状のレーザ
光は、反射ミラー41により90°角度を変えてマスク
43に導かれる。マスク43では、ビアホール径を規定
する穴を通過することによって、レーザ光のビーム径が
絞り込まれてX−Yスキャナ44に導かれる。X−Yス
キャナ44はガルバノスキャナとも呼ばれ、レーザ光を
振らせるためのものである。X−Yスキャナ44により
振られたレーザ光は、焦点合わせ用レンズとして作用し
fθレンズとも呼ばれる集光レンズ45を通してX−Y
ステージ46上におかれたワーク(プリント配線基板)
47に照射される。X−Yステージ46はX軸方向の駆
動機構とY軸方向の駆動機構とを有して、ワーク47を
X−Y平面上で移動させて位置調整することができる。
【0004】図4において、X−Yスキャナ44は、2
つのガルバノミラー44−1,44−2を組み合わせて
成る。すなわち、2つの反射ミラーをガルバノメータの
駆動原理で独立して回動させることにより、レーザ光を
集光レンズ45を通してワーク47の所望の複数の位置
に連続して照射することができる。
【0005】なお、CO2 レーザによるレーザ光の場
合、1つのビアホール当たりパルス状のレーザ光を数回
(通常2〜3回)照射することで穴あけが行われる。ま
た、通常、X−Yスキャナ14による走査範囲は数cm
四方の領域であり、ワーク47にはこの走査範囲により
決まる領域が加工領域としてマトリクス状に設定され
る。そして、レーザ穴あけ加工装置は、加工領域に複数
の穴あけ加工を行い、ある加工領域の穴あけ加工が終了
したら、次の加工領域に移動して同じパターンの穴あけ
加工を行う。次の加工領域への移動は、X−Yステージ
46により行われる。
【0006】上記のレーザ穴あけ加工装置は、穴あけ加
工専用であり、他の用途に用いられることは無かった。
【0007】しかしながら、プリント配線基板において
は、ビアホールのための穴あけ加工のみならず、面取り
のための切断加工や、TABにおいて必要とされるアク
セスウインドウを形成するための切断加工が必要であ
る。また、チップ部品をプリント配線基板の下面側に形
成されている放熱用プレートに実装するために、この放
熱用プレートに対応する領域の樹脂層を切り落とす切断
加工も必要である。
【0008】これまで、プリント配線基板、特にFPC
の切断は、プレス工法あるいはドリルを使用したルータ
工法により行われている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プレス
工法ではバリが発生し易く、ルータ工法では切断幅や切
断速度に制約がある。
【0010】そこで、本発明の課題は、プリント配線基
板に対して穴あけ加工、切断加工の両方を行うことので
きるレーザ加工装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、パルス発振型
レーザ発振装置からのパルス状のレーザ光をプリント配
線基板(以下、ワークと呼ぶ)に照射して加工を行うレ
ーザ加工装置において、前記ワークを搭載してこれをX
軸及びY軸方向に移動させるためのX−Yステージと、
前記パルス状のレーザ光を前記ワーク上においてX軸及
びY軸方向に振らせるためのガルバノスキャナと、前記
X−Yステージ及び前記ガルバノスキャナを制御する制
御部とを備え、前記制御部は、前記X−Yステージを固
定とすると共に、前記ガルバノスキャナを制御すること
により前記ワークに対する穴あけ加工を可能とし、一
方、前記ガルバノスキャナを固定とすると共に、前記X
−Yステージを制御することにより前記ワークに対する
切断加工を可能としたことを特徴とする。
【0012】なお、前記パルス発振型レーザ発振装置
は、CO2 ガスレーザ発振器、またはYAGあるいはY
LF固体レーザ発振器を含み、前記YAGあるいはYL
F固体レーザ発振器の場合にはその第2〜第4高調波の
いずれかを出力するものであることが好ましい。
【0013】また、前記パルス発振型レーザ発振装置と
前記ガルバノスキャナとの間の経路に、前記ワークに照
射されるビーム径を任意に選定できるマスクを配置し、
マスク投影法により前記穴あけ加工を行うことを特徴と
する。
【0014】一方、前記制御部により制御されて前記X
−YステージをZ軸方向に移動させるZステージを備
え、前記ガルバノスキャナと前記ワークとの間に集光レ
ンズを配置し、前記ガルバノスキャナによるレーザ光の
スキャン位置を前記集光レンズの中心を通るように設定
したうえで固定とし、前記Zステージの高さ調整により
前記レーザ光の焦点を前記ワークに合わせて焦点加工方
式により前記切断加工を行うことを特徴とする。
【0015】前記制御部は、切断パターンを規定するた
めにあらかじめ設定される切断データに基づいて前記X
−Yステージを制御して前記切断パターンの切断加工を
行うことを特徴とする。
【0016】前記X−Yステージは、前記プリント配線
基板を均一にチャッキングするための焼結式真空プレー
トチャッキング機構を備えることが好ましい。
【0017】また、前記レーザ光を、少なくとも1つの
折り返しミラーを経由して前記マスクに導き、前記折り
返しミラーには、前記レーザ光を前記マスクに導くため
の第1の角度位置と、前記第1の角度位置とは異なる第
2の角度位置のいずれかに前記折り返しミラーを置くよ
うに切換えを行うための切換え機構を設け、前記折り返
しミラーが前記第2の角度位置にある時に反射されたレ
ーザ光を受けてそのエネルギーを消費するビームダンパ
を更に設け、前記制御部は、前記切換え機構を制御して
ある加工領域から次の加工領域に移る間あるいは前記ワ
ークの交換時には前記折り返しミラーを前記第2の角度
位置に置く。
【0018】前記折り返しミラーと前記切換え機構とを
ガルバノミラーにより実現することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、図1、図2を参照してF
PCの穴あけ加工及び切断加工の両方を可能とする本発
明の好ましい実施の形態について説明する。図1におい
て、パルス発振型のレーザ発振装置10で発生されたパ
ルス状のレーザ光は、折り返しミラー11、12、レー
ザ光の断面形状を規定するためのマスク13、X−Yス
キャナ14を経由し、集光レンズ15を通してワーク、
すなわちFPC16に照射されて加工が行われる。
【0020】本形態によるレーザ加工装置においては、
レーザ発振装置10として、CO2レーザ発振器を含む
ものが使用される。また、YAGあるいはYLF固体レ
ーザ発振器を含んで波長351、355(nm)の第3
高調波を出力するものを使用することができる。具体的
には、YAGあるいはYLF固体レーザ発振器から出力
されたパルス状のレーザ光を、周知のKTP、LBO、
BBO等による波長変換素子を通すことにより、所望の
次数の高調波を抽出することができる。FPC16に照
射されるレーザ光のスポットサイズは、直径50〜10
0(μm)である。なお、第3高調波の代わりに、波長
248(nm)の第4高調波あるいは波長532(n
m)の第2高調波を使用することもできる。
【0021】本形態によるレーザ加工装置はまた、FP
C16を搭載してX軸方向及びY軸方向に移動させるた
めのX−Yステージ17を備えている。
【0022】制御部20は、穴あけ加工の場合には、1
つの加工領域あたり複数の穴あけ位置を規定するために
設定部21からあらかじめ設定される穴あけ位置データ
に基づいてX−Yスキャナ14を制御することによりF
PC16の加工領域に対して穴あけ加工を行う。一方、
切断加工の場合には、制御部20は、加工領域に対して
切断パターンを規定するために設定部21からあらかじ
め設定される切断データに基づいてX−Yステージ17
を制御することによりFPC16に対して切断パターン
通りの切断加工を行う。
【0023】すなわち、本形態では、穴あけ加工の場合
には、X−Yステージ17は固定としてX−Yスキャナ
14によりレーザ光を振らせて所定の位置に穴あけを行
う。一方、切断加工の場合には、X−Yスキャナ14は
固定とし、X−Yステージ17を移動させることにより
見掛け上、FPC16上でレーザ光を振らせて所望の個
所の切断を行う。
【0024】レーザ加工装置は更に、レーザ光のフォー
カス調整のためにX−Yステージ17をZ軸方向に移動
させるためのZステージ18を備えており、このZステ
ージ18も制御部20により制御される。
【0025】X−Yステージ17は、FPC16を均一
にチャッキングするための焼結式真空プレートチャッキ
ング機構19を備えている。この種のプレートチャッキ
ング機構は公知であり、簡単に言えば、FPC16を載
置している板の全面に微小な穴が均一に設けられ、これ
らの穴を通してバキューム吸引を行うことによりFPC
16の撓みを防止する。これは、FPC16は、最大5
00(mm)×400(mm)程度のサイズを有し、撓
み易い。そして、FPC16が撓んでいると、集光レン
ズ15からのレーザ光の焦点深度がずれてしまい、良好
な穴あけあるいは切断が行われない場合があるからであ
る。なお、上記のようなサイズのFPCの場合、通常、
FPCは母板として使用され、この母板に複数の加工領
域が設定されて、加工領域毎に同じ加工が行われる。
【0026】図2をも参照して、折り返しミラー12に
は、レーザ光をマスク13に導くための第1の角度位置
(図中、実線で示す)と、第1の角度位置とは異なる第
2の角度位置(図中、破線で示す)のいずれかに折り返
しミラー12を置くように切換えを行うための切換え機
構(図示せず)が設けられる。そして、折り返しミラー
12が第2の角度位置にある時に反射されたレーザ光を
受けてそのエネルギーを消費するビームダンパ22が更
に設けられる。制御部20は、この切換え機構を制御し
て、ある加工領域から次の加工領域に移る間は折り返し
ミラー12を第2の角度位置に置くようにする。これ
は、いわばレーザ光の捨て打ちであり、このようにする
のは、次の理由による。
【0027】レーザ光は、パルス状に連続的に発生され
ており、ある加工領域から次の加工領域に移る間(通
常、1秒未満)は、レーザ光がFPC16に照射される
ことは避けなければならない。一方、FPC16の交換
に際しては約30秒程度の時間を必要とする。この場合
には、レーザ発振装置10は一旦動作が停止される。し
かし、レーザ発振装置10は、その動作を停止してしま
うと、次の加工のために起動した際に、ドラフト等の原
因により、得られたレーザ光のエネルギー密度にばらつ
きが生じることがある。これはまた、最初の加工を開始
する際にも当てはまる。これを防止するために、レーザ
光を実際に加工に使用する約10秒程度前にレーザ発振
装置10を起動して暖気運転を行うようにし、この暖気
運転の間はレーザ光をビームダンパ22に照射するよう
にする。このような暖気運転の後に、レーザ光をマスク
13側に導くようにして、レーザ光をエネルギー密度に
ばらつきの無い状態で使用できるようにしている。
【0028】なお、上記の折り返しミラー12と切換え
機構は、周知のガルバノミラーにより実現することがで
きる。
【0029】ところで、設定部21はキーボードのよう
なデータ入力装置であり、加工に入る前に穴あけ位置や
切断パターンを規定する穴あけ位置データあるいは切断
データが入力される。このような穴あけ位置データある
いは切断データは、穴あけ位置あるいは切断パターンを
位置により表すためのデータであり、ガーバデータと呼
ばれている。制御部20は、このようなガーバデータを
X−Yスキャナ14におけるミラーの回動角度データあ
るいはX−Yステージ17における位置データに変換し
てX−Yスキャナ14あるいはX−Yステージ17の位
置制御を行う。なお、X−Yステージ17及びZステー
ジ18にはそれぞれ、その現在位置を検出するための位
置センサ(図示せず)が設けられている。制御部20
は、切断加工に際しては、これらの位置センサからの現
在位置を示す位置検出信号と、ガーバデータを変換して
得られる位置データとによりX−Yステージ17の位置
をフィードバック制御することになる。
【0030】更に、本形態では、集光レンズ15の上方
に、撮像装置及びディスプレイを含む画像処理装置30
を備えており、画像処理装置30をFPC16の位置決
めに使用することができる。すなわち、FPC16の加
工領域にアライメントマークを付しておき、画像処理装
置30でこのアライメントマークを検出する。そして、
アライメントマークが所定の位置からずれている場合に
は、ずれ量を示す信号を制御部20に送ることにより、
制御部20はこのずれ量を補正するようにX−Yステー
ジ17の位置を制御する。なお、所定位置は次のように
して設定される。画像処理装置30内の撮像装置の位置
は、一旦位置決めされると固定されるので、本レーザ加
工装置の立ち上げに際して、ディスプレイで表示された
X−Yテーブル17上の画像に対して基準位置を設定す
ることで、決めることができる。この位置はディスプレ
イ上のカーソルにより設定部21から指定することによ
り、制御部20を通して画像処理装置30に与えられ
る。
【0031】また、制御部20においてガーバデータを
変換して得られた位置データを画像処理装置30に出力
することにより、画像処理装置30を切断すべき位置の
認識のために使用することもできる。更に、ディスプレ
イにより、加工領域の加工状態をモニタ画像として見る
ことができる。
【0032】本形態によるレーザ加工装置を穴あけ加工
装置として使用する場合について説明する。穴あけ加工
は、周知のマスク投影法により行われる。この場合、要
求される穴径に基づき、マスク13の穴の径が変えられ
る。マスクの穴の径を任意に選択できる機構は、例えば
特願平9−125422号に開示されている。マスク1
3を通過して所望の径に整形されたレーザ光は、制御部
20により制御されるX−Yスキャナ14によってFP
C16上において振られることにより加工領域に設定さ
れた複数個所に照射され、穴あけが行われる。
【0033】なお、X−Yスキャナ14によりレーザ光
を振らせることができる範囲は、通常、50mm四方程
度である。このため、FPC16にはこの大きさよりも
小さな面積を1つの加工領域として多数の加工領域が設
定されている。そして、1つの加工領域に対する穴あけ
加工が行われている間は、XーYステージ17は固定で
ある。しかし、FPC16の加工済みの領域をずらして
次の加工領域をX−Yスキャナ14の直下に位置せしめ
るために、制御部20によりXーYステージ17が駆動
される。
【0034】次に、本形態によるレーザ加工装置を切断
加工装置として使用する場合について説明する。切断加
工は、周知の焦点加工方式により行われる。この場合、
レーザ発振装置10からのレーザ光のビームサイズは、
例えば6(mm)×9(mm)であるので、マスク13
における穴の径として直径5(mm)程度のものを選択
する。そして、制御部20により、所望の径に整形され
たレーザ光が、集光レンズ15の中心に照射されるよう
にX−Yスキャナ14をセットして固定とする。制御部
20はまた、Zステージ18を制御してZ軸方向の高さ
調整を行い、FPC16を集光レンズ15の焦点位置に
設定する。このような初期設定作業が行われた後、制御
部20は設定部21からの切断データを位置データに変
換してX−Yステージ17を移動させることにより設定
された切断パターンによる切断加工が行われる。なお、
切断加工においては、レーザ照射パルス周波数は一定で
あり、X−Yステージ17の移動速度も一定である。特
に、切断を均一にするために、X軸方向の速度VxとY
軸方向の速度Vyとの合成速度とパルス周波数が常に一
定になるようにする。これは、制御部20に与えられる
単位時間当たりの位置の変化量からX軸方向の速度Vx
とY軸方向の速度Vyとを算出し、制御部20からレー
ザ発振装置10に与えるトリガパルスの周波数fを、 f=k・(Vx2 +Vy2 1/2 とすることにより、実現できる。このような制御を行う
ことにより、コーナ部が存在するような切断加工の場合
に、コーナ部においても均一なレーザ照射が行われる。
【0035】なお、上記の切断加工は、FPC16の樹
脂層、特に銅による導電層上の樹脂層のみの切断加工を
対象としている。しかし、場合によっては、樹脂層だけ
でなく、樹脂層とその上あるいは下にある導電層の一括
切断加工が必要になる場合もある。この場合、FPC1
6の切断面でのエネルギー密度を制御する必要がある。
FPCは、一般に、厚さ30〜60μmのポリイミドに
よる絶縁樹脂層と、厚さ18μmの銅箔による導電層と
してのランドあるいはパターン(以下、ランドと呼ぶ)
とから構成されている。絶縁樹脂層とランドとの間に接
着剤を使用する場合もある。
【0036】上記のようなFPCを前提として、FPC
16の切断面でのエネルギー密度を、10(J/c
2 )程度に設定すると絶縁樹脂層とランドの一括切断
が可能であり、1(J/cm2 )以下にすると絶縁樹脂
層のみの切断が可能であることが確認されている。
【0037】YAGあるいはYLFレーザ発振器では、
レーザパワーを制御できることが知られている。すなわ
ち、制御部20から発振器に与えるトリガパルスを調整
してレーザパワー、すなわちエネルギー密度を制御する
ことができる。一方、CO2レーザ発振器では、外部光
学系、例えばレーザ光の経路にアッテネータを配置して
エネルギー密度を任意に設定することができる。
【0038】いずれにしても、FPCに対する切断加工
の場合、250〜500(mm/分)の切断速度が得ら
れ、これは既存のルータ工法の2倍以上の速度である。
【0039】以上、本発明の実施の形態を、ポイミミド
によるFPCに適用する場合について説明したが、本発
明はエポキシ系やガラスエポキシ系の絶縁樹脂を用いた
一般のプリント配線基板にも適用できることは言うまで
も無い。
【0040】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、X−Yスキャナ、X−Yステージ及びZステージを
備え、これらの必要に応じて制御部で制御できるように
したことにより、プリント配線基板の穴あけ加工及び切
断加工を行うことができる。特に、切断加工において
は、切断幅は0.1(mm)以下が可能となり、バリの
少ない切断面とすることができる。更に、従来のルータ
工法による切断加工では、100(mm/分)程度が限
度であったのに対し、本発明ではこれを上回る切断速度
を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるレーザ加工装置の実施の形態の概
略構成を示す図である。
【図2】図1に示された折り返しミラーに設けられる角
度位置切換え機構を説明するための図である。
【図3】従来のレーザによる穴あけ加工装置の概略構成
を示した図である。
【図4】図3に示されたX−Yスキャナの構成を示した
図である。
【符号の説明】
10 レーザ発振装置 11、12 折り返しミラー 13 マスク 14 X−Yスキャナ 15 集光レンズ 16 FPC 17 X−Yステージ 18 Zステージ 19 焼結式真空プレートチャッキング機構 22 ビームダンパ

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パルス発振型レーザ発振装置からのパル
    ス状のレーザ光をプリント配線基板(以下、ワークと呼
    ぶ)に照射して加工を行うレーザ加工装置において、 前記ワークを搭載してこれをX軸及びY軸方向に移動さ
    せるためのX−Yステージと、 前記パルス状のレーザ光を前記ワーク上においてX軸及
    びY軸方向に振らせるためのガルバノスキャナと、 前記X−Yステージ及び前記ガルバノスキャナを制御す
    る制御部とを備え、 前記制御部は、前記X−Yステージを固定とすると共
    に、前記ガルバノスキャナを制御することにより前記ワ
    ークに対する穴あけ加工を可能とし、一方、前記ガルバ
    ノスキャナを固定とすると共に、前記X−Yステージを
    制御することにより前記ワークに対する切断加工を可能
    としたことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザ加工装置におい
    て、前記パルス発振型レーザ発振装置は、CO2 ガスレ
    ーザ発振器、またはYAGあるいはYLF固体レーザ発
    振器を含み、前記YAGあるいはYLF固体レーザ発振
    器の場合にはその第2〜第4高調波のいずれかを出力す
    るものであることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のレーザ加工装置におい
    て、前記パルス発振型レーザ発振装置と前記ガルバノス
    キャナとの間の経路に、前記ワークに照射されるビーム
    径を任意に選定できるマスクが配置され、マスク投影法
    により前記穴あけ加工を行うことを特徴とするレーザ加
    工装置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載のレーザ加工装置におい
    て、前記制御部により制御されて前記X−Yステージを
    Z軸方向に移動させるZステージを備え、前記ガルバノ
    スキャナと前記ワークとの間に集光レンズが配置され、
    前記ガルバノスキャナによるレーザ光のスキャン位置を
    前記集光レンズの中心を通るように設定したうえで固定
    とし、前記Zステージの高さ調整により前記レーザ光の
    焦点を前記ワークに合わせて焦点加工方式により前記切
    断加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のレーザ加工装置におい
    て、前記制御部は、切断パターンを規定するためにあら
    かじめ設定される切断データに基づいて前記X−Yステ
    ージを制御して前記切断パターンの切断加工を行うこと
    を特徴とするレーザ加工装置。
  6. 【請求項6】 請求項3あるいは4記載のレーザ加工装
    置において、前記X−Yステージは、前記プリント配線
    基板を均一にチャッキングするための焼結式真空プレー
    トチャッキング機構を備えることを特徴とするレーザ加
    工装置。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のレーザ加工装置におい
    て、前記レーザ光は、少なくとも1つの折り返しミラー
    を経由して前記マスクに導かれ、前記折り返しミラーに
    は、前記レーザ光を前記マスクに導くための第1の角度
    位置と、前記第1の角度位置とは異なる第2の角度位置
    のいずれかに前記折り返しミラーを置くように切換えを
    行うための切換え機構を設け、前記折り返しミラーが前
    記第2の角度位置にある時に反射されたレーザ光を受け
    てそのエネルギーを消費するビームダンパを更に設け、
    前記制御部は、前記切換え機構を制御してある加工領域
    から次の加工領域に移る間あるいは前記ワークの交換時
    には前記折り返しミラーを前記第2の角度位置に置くこ
    とを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 【請求項8】 請求項7記載のレーザ加工装置におい
    て、前記折り返しミラーと前記切換え機構とをガルバノ
    ミラーにより実現することを特徴とするレーザ加工装
    置。
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