JP3717456B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に加工対象物にレーザビームを入射させて穴を形成するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マザーボードや半導体パッケージ基板等のプリント配線板の樹脂層にレーザビームを入射させて穴を形成する技術が知られている。通常のレーザビームのビーム断面内の強度分布はガウス分布で近似される。このレーザビームで穴あけ加工を行うと、穴の中心部のエッチング速度が、周辺部のエッチング速度よりも速くなる。このため、穴の側面がテーパ状になり、開口率が小さくなってしまう。ここで、開口率は、穴の底面の直径をφB、開口部の直径をφTとしたとき、φB／φTで定義される。開口率が小さくなると、内層配線と上層配線との接触面積が小さくなり、電気抵抗が大きくなってしまう。
【０００３】
ビーム断面内の光強度分布が均一なレーザビームを用いることにより、穴の開口率を高めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
非球面レンズ等のビームホモジナイザを用いて、光強度分布を均一に近づけることができる。ところが、これらの光学部品は高価であり、光軸調整も困難になる。
【０００５】
本発明の目的は、比較的安価で、かつ開口率の大きな穴を形成することができるレーザ加工装置を提供することである。
【０００６】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持手段と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路内に配置され、ビーム断面の中心を含む第１の領域を伝搬するビームを反射させ、該第１の領域の外側を伝搬するビームを透過させる光強度分布調整部材とを有し、前記光強度分布調整部材の、ビームを反射させる部分は、ビームの入射側に向かって凸面または凹面の反射面を含むレーザ加工装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持手段と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路上に配置された反射鏡であって、該反射鏡で反射されたレーザビームが前記レンズに入射し、該反射鏡の反射面上のビームスポットの中心を含む第１の領域の反射率が、該第１の領域の外側の反射率よりも小さい前記反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
光強度分布調整部材や反射鏡により、レーザビームの中心軸近傍の光強度が弱められる。このため、加工対象物表面におけるビームスポットの中心部の光強度と周辺部の光強度との差が小さくなる。これにより、開口率の大きな穴を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、加工用のパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１は、イオンを含んだ固体誘電体をレーザ媒質として用いた固体レーザ及び波長変換素子を含んで構成され、第３高調波またはそれ以上の高調波（紫外波長域のレーザビーム）を出射する。レーザ媒質として、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ4等が用いられる。波長変換素子として、ＢＢＯやＫＤＰ光学結晶を用いることができる。
【００１０】
レーザ光源１から出射したレーザビームが、折り返しミラー２及び３で反射され、光強度分布調整板４を介して、マスク５に入射する。マスク５に設けられたビーム透過孔を通過したレーザビームが、折り返しミラー６に入射する。折り返しミラー６で反射されたレーザビームが、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、一対の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、レーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームがｆθレンズ８で集束され、ＸＹステージ９に保持された加工対象物１０に入射する。ｆθレンズ８は、マスク５のビーム透過孔を加工対象物１０の表面上に結像させる。
【００１１】
図２（Ａ）に、参考例による光強度分布調整板４の断面図を示す。合成石英板２０の表面のほぼ中央部に金属膜２１が形成されている。金属膜２１は、例えばニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等で形成され、その厚さは２〜１０μｍ程度である。金属膜２１は、周知の真空蒸着及びフォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
【００１２】
光強度分布調整板４の位置におけるビーム径が２ｍｍ、ビームの拡がり角が１ｍｒａｄ、マスク５のビーム透過孔の直径が１ｍｍ、光強度分布調整板４とマスク５との間隔が５００ｍｍであるとき、金属膜２１を、直径０．３ｍｍの円形とする。
【００１３】
光強度分布調整板４は、レーザビームの進行方向と垂直になり、かつ金属膜２１の中心がレーザビームの中心軸と一致するように配置される。レーザビームが光強度分布調整板４に入射すると、ビームの中心軸近傍を伝搬する成分が金属膜２１で反射される。中心軸の周囲を伝搬する成分は、合成石英板２０を透過し、マスク５に入射する。このため、ビーム断面内の中心近傍の光強度分布が弱められる。
【００１４】
図３（Ａ）に、加工対象物１０の断面図及び加工対象物１０の表面におけるレーザビームの光強度分布を示す。ガラスエポキシからなる支持基板２５の表面上に、銅からなる内層配線２６が形成されている。内層配線２６を覆うように、支持基板２５の表面上にエポキシからなる絶縁膜２７が形成されている。
【００１５】
光強度分布調整板４により、レーザビームの中心軸近傍の光強度が弱められているため、加工対象物１０の表面におけるレーザビームの光強度は、曲線２９で示すように、中心部が窪んだ分布になる。このため、中心部の光強度と周辺部の光強度との差が小さくなる。これにより、開口率の大きな穴２８を形成することができる。
【００１６】
図３（Ｂ）に、比較のために、光強度分布調整板４を配置しない場合の、加工対象物１０の表面における光強度分布を示す。この場合の光強度分布は、曲線２９Ａで示すように、ガウス分布で近似される。中心部の光強度と周辺部の光強度との差が大きいため、形成される穴２８Ａの開口率が低下する。
【００１７】
上記実施例によるレーザ加工装置では、非球面レンズやビームホモジナイザ等の高価な光学素子を使用することなく、容易に開口率の大きな穴を形成することができる。
【００１８】
図２（Ｂ）〜（Ｄ）に、実施例による光強度分布調整板４の断面図を示す。図２（Ｂ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜２１Ａの表面がレーザビームの入射側に向かって凸の曲面にされている。金属膜２１Ａは、パターニングされた金属膜を溶融させることにより形成される。図２（Ｃ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜の代わりに金属球２１Ｂが、合成石英板２０に接着剤で接着されている。図２（Ｄ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜の代わりに、高反射コーティングされた凹面鏡２１Ｃが、合成石英板２０に接着剤で接着されている。
【００１９】
図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示した金属膜２１Ａ〜２１Ｃも、図２（Ａ）に示した金属膜２１と同様に、レーザビームの中心軸近傍を伝搬する成分を反射させる。このため、開口率の大きな穴を形成することができる。さらに、図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示した金属膜２１Ａ〜２１Ｃで反射されたレーザビームは、大きな拡がり角をもって拡散する。このため、レーザ光源１への戻り光を少なくすることができる。
【００２０】
上記実施例では、光強度分布調整板４を、レーザ光源１とマスク５との間のレーザビームの経路内に配置したが、マスク５とｆθレンズ８との間のレーザビームの経路内に配置してもよい。
【００２１】
図４に、光強度分布調整板４をマスク５とｆθレンズ８との間のレーザビームの経路内に配置した構成例を示す。ガスバノボックス３０内に、ガルバノスキャナ７及びｆθレンズ８が装填されている。ガスバノボックス３０に合成石英製の入射窓３１が取り付けられており、この入射窓３１を通ってレーザビームがガルバノボックス３０内に導入される。
【００２２】
入射窓３１の表面に金属膜３２が取り付けられている。入射窓３１及び金属膜３２が、図１に示した光強度分布調整板４と同様の機能を果たす。入射窓３１の位置におけるレーザビームのビーム径は約１０ｍｍであり、金属膜３２は、直径約２ｍｍの円形である。
【００２３】
上記実施例では、レーザビームの中心軸近傍を伝搬する成分を反射させたが、この成分を減衰させてもよい。例えば、図２（Ａ）に示した光強度分布調整板４の金属膜２１を、レーザビームを吸収する材料で形成してもよい。このとき、レーザビームの中心軸近傍におけるレーザビームの透過率が、その周囲の領域における透過率よりも低くなる。
【００２４】
また、図１に示した折り返しミラー６の反射面のうち、ビームスポットの中心を含む領域の反射率を、その周囲の反射率より低くしてもよい。これにより、図３（Ａ）に示した中央が窪んだビームプロファイルを形成することができる。
【００２５】
また、上記実施例では、プリント配線板の樹脂製の絶縁層に穴を形成する場合を示したが、上記実施例は、その他の加工対象物、例えばセラミックグリーンシート等に穴を形成する場合にも適用可能である。
【００２６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の表面におけるビームスポットの中心部及び周辺部の光強度の差を小さくすることにより、開口率の大きな穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】 参考例及び実施例によるレーザ加工装置に使用される光強度分布調整板の断面図である。
【図３】 （Ａ）は、実施例によるレーザ加工装置の加工対象物の断面図及びビームプロファイルを示すグラフであり、（Ｂ）は、光強度分布調整板を取り外した時の加工対象物の断面図及びビームプロファイルを示すグラフである。
【図４】 他の実施例によるレーザ加工装置のガスバノボックスの概略図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に加工対象物にレーザビームを入射させて穴を形成するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マザーボードや半導体パッケージ基板等のプリント配線板の樹脂層にレーザビームを入射させて穴を形成する技術が知られている。通常のレーザビームのビーム断面内の強度分布はガウス分布で近似される。このレーザビームで穴あけ加工を行うと、穴の中心部のエッチング速度が、周辺部のエッチング速度よりも速くなる。このため、穴の側面がテーパ状になり、開口率が小さくなってしまう。ここで、開口率は、穴の底面の直径をφB、開口部の直径をφTとしたとき、φB／φTで定義される。開口率が小さくなると、内層配線と上層配線との接触面積が小さくなり、電気抵抗が大きくなってしまう。
【０００３】
ビーム断面内の光強度分布が均一なレーザビームを用いることにより、穴の開口率を高めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
非球面レンズ等のビームホモジナイザを用いて、光強度分布を均一に近づけることができる。ところが、これらの光学部品は高価であり、光軸調整も困難になる。
【０００５】
本発明の目的は、比較的安価で、かつ開口率の大きな穴を形成することができるレーザ加工装置を提供することである。
【０００６】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持手段と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路内に配置され、ビーム断面の中心を含む第１の領域を伝搬するビームを反射させ、該第１の領域の外側を伝搬するビームを透過させる光強度分布調整部材とを有し、前記光強度分布調整部材の、ビームを反射させる部分は、ビームの入射側に向かって凸面または凹面の反射面を含むレーザ加工装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持手段と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路上に配置された反射鏡であって、該反射鏡で反射されたレーザビームが前記レンズに入射し、該反射鏡の反射面上のビームスポットの中心を含む第１の領域の反射率が、該第１の領域の外側の反射率よりも小さい前記反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
光強度分布調整部材や反射鏡により、レーザビームの中心軸近傍の光強度が弱められる。このため、加工対象物表面におけるビームスポットの中心部の光強度と周辺部の光強度との差が小さくなる。これにより、開口率の大きな穴を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、加工用のパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１は、イオンを含んだ固体誘電体をレーザ媒質として用いた固体レーザ及び波長変換素子を含んで構成され、第３高調波またはそれ以上の高調波（紫外波長域のレーザビーム）を出射する。レーザ媒質として、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ4等が用いられる。波長変換素子として、ＢＢＯやＫＤＰ光学結晶を用いることができる。
【００１０】
レーザ光源１から出射したレーザビームが、折り返しミラー２及び３で反射され、光強度分布調整板４を介して、マスク５に入射する。マスク５に設けられたビーム透過孔を通過したレーザビームが、折り返しミラー６に入射する。折り返しミラー６で反射されたレーザビームが、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、一対の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、レーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームがｆθレンズ８で集束され、ＸＹステージ９に保持された加工対象物１０に入射する。ｆθレンズ８は、マスク５のビーム透過孔を加工対象物１０の表面上に結像させる。
【００１１】
図２（Ａ）に、参考例による光強度分布調整板４の断面図を示す。合成石英板２０の表面のほぼ中央部に金属膜２１が形成されている。金属膜２１は、例えばニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等で形成され、その厚さは２〜１０μｍ程度である。金属膜２１は、周知の真空蒸着及びフォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
【００１２】
光強度分布調整板４の位置におけるビーム径が２ｍｍ、ビームの拡がり角が１ｍｒａｄ、マスク５のビーム透過孔の直径が１ｍｍ、光強度分布調整板４とマスク５との間隔が５００ｍｍであるとき、金属膜２１を、直径０．３ｍｍの円形とする。
【００１３】
光強度分布調整板４は、レーザビームの進行方向と垂直になり、かつ金属膜２１の中心がレーザビームの中心軸と一致するように配置される。レーザビームが光強度分布調整板４に入射すると、ビームの中心軸近傍を伝搬する成分が金属膜２１で反射される。中心軸の周囲を伝搬する成分は、合成石英板２０を透過し、マスク５に入射する。このため、ビーム断面内の中心近傍の光強度分布が弱められる。
【００１４】
図３（Ａ）に、加工対象物１０の断面図及び加工対象物１０の表面におけるレーザビームの光強度分布を示す。ガラスエポキシからなる支持基板２５の表面上に、銅からなる内層配線２６が形成されている。内層配線２６を覆うように、支持基板２５の表面上にエポキシからなる絶縁膜２７が形成されている。
【００１５】
光強度分布調整板４により、レーザビームの中心軸近傍の光強度が弱められているため、加工対象物１０の表面におけるレーザビームの光強度は、曲線２９で示すように、中心部が窪んだ分布になる。このため、中心部の光強度と周辺部の光強度との差が小さくなる。これにより、開口率の大きな穴２８を形成することができる。
【００１６】
図３（Ｂ）に、比較のために、光強度分布調整板４を配置しない場合の、加工対象物１０の表面における光強度分布を示す。この場合の光強度分布は、曲線２９Ａで示すように、ガウス分布で近似される。中心部の光強度と周辺部の光強度との差が大きいため、形成される穴２８Ａの開口率が低下する。
【００１７】
上記実施例によるレーザ加工装置では、非球面レンズやビームホモジナイザ等の高価な光学素子を使用することなく、容易に開口率の大きな穴を形成することができる。
【００１８】
図２（Ｂ）〜（Ｄ）に、実施例による光強度分布調整板４の断面図を示す。図２（Ｂ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜２１Ａの表面がレーザビームの入射側に向かって凸の曲面にされている。金属膜２１Ａは、パターニングされた金属膜を溶融させることにより形成される。図２（Ｃ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜の代わりに金属球２１Ｂが、合成石英板２０に接着剤で接着されている。図２（Ｄ）に示した光強度分布調整板４では、金属膜の代わりに、高反射コーティングされた凹面鏡２１Ｃが、合成石英板２０に接着剤で接着されている。
【００１９】
図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示した金属膜２１Ａ〜２１Ｃも、図２（Ａ）に示した金属膜２１と同様に、レーザビームの中心軸近傍を伝搬する成分を反射させる。このため、開口率の大きな穴を形成することができる。さらに、図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示した金属膜２１Ａ〜２１Ｃで反射されたレーザビームは、大きな拡がり角をもって拡散する。このため、レーザ光源１への戻り光を少なくすることができる。
【００２０】
上記実施例では、光強度分布調整板４を、レーザ光源１とマスク５との間のレーザビームの経路内に配置したが、マスク５とｆθレンズ８との間のレーザビームの経路内に配置してもよい。
【００２１】
図４に、光強度分布調整板４をマスク５とｆθレンズ８との間のレーザビームの経路内に配置した構成例を示す。ガスバノボックス３０内に、ガルバノスキャナ７及びｆθレンズ８が装填されている。ガスバノボックス３０に合成石英製の入射窓３１が取り付けられており、この入射窓３１を通ってレーザビームがガルバノボックス３０内に導入される。
【００２２】
入射窓３１の表面に金属膜３２が取り付けられている。入射窓３１及び金属膜３２が、図１に示した光強度分布調整板４と同様の機能を果たす。入射窓３１の位置におけるレーザビームのビーム径は約１０ｍｍであり、金属膜３２は、直径約２ｍｍの円形である。
【００２３】
上記実施例では、レーザビームの中心軸近傍を伝搬する成分を反射させたが、この成分を減衰させてもよい。例えば、図２（Ａ）に示した光強度分布調整板４の金属膜２１を、レーザビームを吸収する材料で形成してもよい。このとき、レーザビームの中心軸近傍におけるレーザビームの透過率が、その周囲の領域における透過率よりも低くなる。
【００２４】
また、図１に示した折り返しミラー６の反射面のうち、ビームスポットの中心を含む領域の反射率を、その周囲の反射率より低くしてもよい。これにより、図３（Ａ）に示した中央が窪んだビームプロファイルを形成することができる。
【００２５】
また、上記実施例では、プリント配線板の樹脂製の絶縁層に穴を形成する場合を示したが、上記実施例は、その他の加工対象物、例えばセラミックグリーンシート等に穴を形成する場合にも適用可能である。
【００２６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の表面におけるビームスポットの中心部及び周辺部の光強度の差を小さくすることにより、開口率の大きな穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】 参考例及び実施例によるレーザ加工装置に使用される光強度分布調整板の断面図である。
【図３】 （Ａ）は、実施例によるレーザ加工装置の加工対象物の断面図及びビームプロファイルを示すグラフであり、（Ｂ）は、光強度分布調整板を取り外した時の加工対象物の断面図及びビームプロファイルを示すグラフである。
【図４】 他の実施例によるレーザ加工装置のガスバノボックスの概略図である。
Claims (4)
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持手段と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、
前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、
前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路内に配置され、ビーム断面の中心を含む第１の領域を伝搬するビームを反射させ、該第１の領域の外側を伝搬するビームを透過させる光強度分布調整部材と
を有し、
前記光強度分布調整部材の、ビームを反射させる部分は、ビームの入射側に向かって凸面または凹面の反射面を含むレーザ加工装置。 - 前記レンズが、前記マスクのビーム透過孔を、前記保持手段に保持されている加工対象物の表面上に結像させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持手段と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが通過するビーム透過孔が設けられ、ビーム断面を整形するマスクと、
前記マスクのビーム透過孔を通過したレーザビームを、前記保持手段に保持された加工対象物の表面上に集光させるレンズと、
前記レーザ光源と前記レンズとの間のビーム経路上に配置された反射鏡であって、該反射鏡で反射されたレーザビームが前記レンズに入射し、該反射鏡の反射面上のビームスポットの中心を含む第１の領域の反射率が、該第１の領域の外側の反射率よりも小さい前記反射鏡と
を有するレーザ加工装置。 - 前記レンズが、前記マスクのビーム透過孔を、前記保持手段に保持されている加工対象物の表面上に結像させる請求項３に記載のレーザ加工装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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