JP3794120B2

JP3794120B2 - レーザ孔加工方法および装置

Info

Publication number: JP3794120B2
Application number: JP23679097A
Authority: JP
Inventors: 研二河西; 俊治岡田; 智田中; 幸男西川; 出中井; 健宗行
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: JPH1177355A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ孔加工方法および装置に関し、詳しくは、樹脂基板などにレーザを照射して孔を加工する方法と、それに用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高密度配線回路基板にスルーホール等の孔を加工するのにレーザ孔加工技術が採用されている。
レーザ孔加工技術は、被加工材にレーザを照射し、レーザのエネルギーで被加工材を溶融あるいは蒸発させて孔をあける方法であり、ミクロン単位の微細な孔を正確な位置に加工するのに適しているとして、近年益々高密度化が図られている回路基板の製造に広く利用されている。
【０００３】
レーザ孔加工技術の具体例は、本願出願人が先に特許出願した特願平６−３２０２３８号等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記したレーザ孔加工における加工の良否を各孔毎に判定するのは非常に困難である。
高密度配線回路基板に加工される孔は極めて微細であるとともに、孔の数が大変に多いため、加工後に一つ一つの孔についてその良否を視覚で判定するのは現実的ではなく、画像測定などの自動化装置を用いたとしても、その測定作業に多くの時間がかかる。
【０００５】
さらに、レーザ孔加工装置では、レーザが照射される被加工材を、高度に清浄化された空気や真空雰囲気、不活性ガス雰囲気などの制御された雰囲気の中に配置しておいたりする必要がある。そのため、被加工材の配置個所は、外界と遮断された隔離室になっている場合が多い。このような隔離状態におかれた被加工材は、外部から観察し難く、目視による加工状態の判定は困難である。
【０００６】
また、孔加工の良否を判定するセンサ等の測定器を被加工材の近くに配置しておくと、レーザ照射や被加工材の移動の邪魔になるとともに、前記した特別な環境に、被加工材やレーザ孔加工のための機能に加えて加工良否の測定器までを収容しなければならず、装置の大型化、複雑化を招くことになる。
そこで、本発明の課題は、レーザ孔加工における加工良否の判定を簡単かつ確実に行うことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち、請求項１に記載のレーザ孔加工方法は、被加工材にレーザを照射して複数の孔を加工する方法であって、以下の工程を含む。
（ａ）前記レーザのエネルギー強度を測定する工程。
（ｂ）前記エネルギー強度の測定値を、予め設定された孔の加工に必要なエネルギー強度である基準値と比較する工程。
【０００８】
（ｃ）前記（ｂ）工程の結果より前記測定値が前記基準値以上であった測定の数を求め、前記測定の数と加工しようとした孔の数とが一致するか否かにより加工良否を判別する工程。
各構成について具体的に説明する。
〔被加工材〕
被加工材としては、合成樹脂、繊維強化樹脂、ガラス、セラミック、金属その他の通常のレーザ加工で孔が形成できる材料であれば適宜に使用できる。複数の材料層が積層された積層材であってもよい。本発明は、高密度配線回路基板などの電子機器分野や精密機器分野で使用される材料に対する微細な孔の加工に適している。
【０００９】
被加工材は、平坦な板状のものであってもよいし、曲面や立体的な凹凸面を有するものであってもよい。孔を加工する面は、被加工材の一部または全体に１個所または複数あってもよい。一つの加工面には、１個または複数個の孔が形成される。この発明は、数百個あるいは数千個を超える多数の孔を形成するのに適している。
【００１０】
被加工材には、複数の分割領域を設定することができる。分割領域の大きさは、連続した一工程のレーザ孔加工で加工できる面積に設定しておくことが好ましい。複数の分割領域にはそれぞれ、同じ配置パターンで孔を加工してもよいし、分割領域毎に異なる配置パターンで孔を加工することもできる。
例えば、被加工材が配線回路基板の場合、最終製品になる回路基板の１単位を一つの分割領域に設定しておけば、大きな１枚の原板から、同じパターンでスルーホール孔等が加工された複数個の製品回路基板を同時に効率的に得ることができる。
【００１１】
被加工材に形成する孔は、前記したスルーホールやビアホールなどの配線回路用の孔のほか、機械的あるいは電気的に任意の目的を有する孔に適用できる。
なお、本発明において、「孔」は、被加工材を貫通するもののほか、被加工材の厚みの途中までの孔すなわち穴をも含む概念で用いている。
〔レーザ〕
孔加工用のレーザとしては、通常のレーザ孔加工装置と同様のレーザ源や波長成分、エネルギー強度などを有するものが、被加工材の材質や形成する孔の要求性能などに合わせて用いられる。通常、レーザはパルス状に照射される。
【００１２】
レーザ孔加工装置には、レーザを発生させるレーザ発振器や、レーザの照射方向、照射径、焦点位置などを光学的に制御するレンズやミラー等の光学系、被加工材を所定位置に保持するための保持機構などを備えている。
孔加工のためのレーザの照射位置を精密かつ高速に設定する手段として、光学系にガルバノメータとｆθレンズを組み合わせて用いることができる。
【００１３】
レーザの照射位置を変えるには、被加工材を移動させることもできる。被加工材をＸＹテーブルに保持しておけば、被加工材をＸＹ方向に自由に移動させることができる。ＸＹテーブルは、被加工材を比較的大きな距離で移動させるのに有効であり、前記したガルバノメータは、レーザを照射しながらその照射位置を高速かつ正確に変更するのに有効である。
【００１４】
レーザ孔加工装置および方法の具体例として、前記した特願平６−３２０２３８号等に開示された技術が適用できる。
〔エネルギー強度の測定〕
被加工材に照射されるレーザのエネルギー強度を測定できれば、通常のレーザに対するエネルギー強度の測定装置および方法を用いることができる。
【００１５】
レーザを光検出器で受光すれば、エネルギー強度を電圧に変換して測定することができる。被加工材に照射されるレーザの一部のみを取り出してエネルギー強度を測定し、その値から全体のレーザの強度を推定することができる。レーザ発振器から照射されるレーザの一部を分割して取り出すには、ビームスプリッタなどの光学機構が用いられる。
【００１６】
パルス状レーザの場合、１ショットのパルス波における最大エネルギー値を測定するのが容易であるが、平均エネルギー値やエネルギー積分値を測定することもできる。
〔基準値〕
基準値は、予め理論、実験あるいは経験により求めておくことができる。
【００１７】
通常は、実際の加工に用いるのと同じ被加工材に対して、レーザのエネルギー強度を変えながら孔の加工を繰り返し、良品と不良品との境界になるエネルギー強度のしきい値を求めておけばよい。基準値は、上記しきい値にある程度の余裕を見込んで、しきい値よりも少し高い値に設定するのが好ましい。実際の加工と全く同じ条件で上記測定を行っておけば、エネルギー強度を測定するだけで、孔加工の良または不良を判定することが可能である。この基準値を求めるための測定では、孔加工を終えた被加工材をレーザ孔加工装置から取り出して、目視その他の測定方法で加工の良否を判定すればよい。
【００１８】
また、様々に異なる条件で孔加工とその良否の判定を行えば、被加工材の種類や孔の加工条件とエネルギー強度の基準値との相関関係を、数式化したりプログラム化しておくこともできる。
前記した実際の加工時におけるエネルギー強度の測定値と上記基準値とは、コンピュータや電気回路を用いた電気的演算で比較することができる。比較の結果は、電気信号として出力することができる。
【００１９】
〔良否判定〕
前記測定値と基準値との比較により、測定値が基準値を下回れば、このときにレーザ加工された孔は不良である、と判定する。
不良判定された孔が一つでも存在する被加工材あるいは分割領域は、全体を不良であると判定してもよい。不良と判定された分割領域あるいは被加工材は、その後の処理加工工程から外されたり、そのまま廃棄されたり再加工や修復加工に回されたりする。一つの分割領域に不良判定された孔があっても、残りの分割領域が良であれば、不良と判定された分割領域だけを廃棄して、良と判定された分割領域は使用することもできる。
【００２０】
〔数の測定による判定〕
一つの分割領域あるいは被加工材に多数の孔を加工する場合、良否判定を以下の工程で行うことができる。
【００２１】
前記複数の孔の加工が終了した後、前記測定値が前記基準値以上であった測定の数ｈと、加工しようとした孔の数Ｈとを比較し、ｈとＨとが不一致であれば、加工不良であると判定する。
測定値が基準値以上であった測定の数ｈは、判定が良となる孔の数であるから、加工しようとした孔の数Ｈと前記測定数ｈが一致すれば、全ての加工孔が良であったことを意味する。
【００２２】
この方法では、複数の孔加工が終了した後で、１回だけ良否の判定を行えばよいので、個々の孔加工毎に良不良の判定を行う方法に比べて、能率的に判定が行える。
通常の孔加工では、一つの分割領域あるいは被加工材に一つでも不良が発生すれば、その分割領域あるいは被加工材の全体を不良と判定しなければならないことが多いので、前記した数Ｈとｈの比較で、一つの分割領域あるいは被加工材の全体について良否を判定すれば十分である。
【００２３】
また、良否の判定結果を表示手段に表示させる場合、多数の孔の個々に良否を表示するには、大量のデータを表示しなければならない煩雑さがあるのに対し、一つの分割領域あるいは被加工材についての良否を表示するのであれば、簡単かつ直観的に判り易い良否の表示が可能になる。
〔判定結果の表示〕
加工良否の判定結果は、表示ランプやモニタ画面などの視覚的な表示手段に表示させることができる。
【００２４】
被加工材に複数の分割領域が存在する場合、複数の分割領域毎に加工良否を表示することができる。表示手段が、各分割領域毎に表示部を備えていれば、複数の分割領域毎の加工良否を視覚的に確認し易い。表示手段における表示部の配置と、実際の被加工面における分割領域の配置とが対応していれば、どの分割領域に不良が発生したのかを直観的に知ることができる。
【００２５】
加工の良否は、表示ランプの点灯あるいは非点灯で区別することもできるし、表示ランプの発光色を変えて区別することもできる。モニタ画面の特定の領域だけで色を変えたり、良または不良を意味する文字や記号を表示させたりすることもできる。色の違いによる良否の区別は、直観的で判り易い。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に示すレーザ孔加工装置は、高密度配線回路基板に対するスルーホールあるいはビアホールに利用される貫通孔の加工を行う。
ＸＹテーブル４０に、被加工材となる基板３０が２枚並べて装着される。基板３０は、エポキシ樹脂をアラミド繊維で補強した繊維強化樹脂からなり、最終段階までの硬化が完了していない半硬化状態のものを用いる。このような半硬化状態の基板３０は、レーザ孔加工が容易である。基板３０の寸法としては、約５１０×３４０mmの矩形状をなすものが用いられる。
【００２７】
矩形状をなす基板３０は、複数個の小さな分割領域３２に分割されている。分割領域３２は一辺約５０mmの正方形をなし、各分割領域３２が、最終的に１個分の回路基板製品となる。それぞれの分割領域３２に、同じパターンあるいは異なるパターンで配置された多数の貫通孔を加工する。１分割領域３２に加工する孔の数は、数千から数万程度になる。貫通孔が加工されたあとの基板３０は、通常の回路基板の製造方法と同様に、貫通孔に導体材料を充填したり、基板３０を複数枚積層したりして、多層回路基板製品に加工される。
【００２８】
ＸＹテーブル４０は、基板３０を載せた上部材４２が下部材４４に対して一方向にスライド移動自在に配置され、下部材４４は前記上部材４２のスライド方向と直交する方向にスライド移動自在に配置されている。その結果、基板３０はＸＹ両方向に自在に水平移動させることができる。
レーザ発振器１０は、ＣＯ₂レーザ発振器である。レーザ発振器１０から照射されたパルス状のレーザｒは、ビームスプリッタ２１で２方向に等分に分割される。分割されたそれぞれのレーザｒは、ＸＹ一対のガルバノメータ２２、２２およびｆθレンズ２４を経て、左右の基板３０の表面にそれぞれ照射される。
【００２９】
ガルバノメータ２２は、旋回自在なミラーでレーザｒを反射させてレーザｒの照射方向を変える。ガルバノメータ２２で変向されたレーザｒはｆθレンズを通過して基板３０の表面に照射される。ＸＹ両方向のガルバノメータ２２を組み合わせることで、基板３０の分割領域３２内で任意の位置にレーザｒが照射され、スルーホール用の貫通孔があけられる。通常は、１パルスのレーザｒで１個の貫通孔が加工されるが、複数のパルスを重ねて１個の貫通孔を加工することもできる。
【００３０】
左右のガルバノメータ２２、２２は、一対の基板３０、３０に対して同じ関係位置にある分割領域３２、３２に同じ配置パターンでレーザｒを照射して孔を加工する。
一つの分割領域３２において孔加工が完了すれば、ＸＹテーブル４０を移動させて、次の分割領域３２がガルバノメータ２２およびｆθレンズ２４の下方に配置されるようにした後、前記同様に分割領域３２内における所定数の孔加工が繰り返される。
【００３１】
図２は、孔加工の良否を判定する機構を説明している。
レーザ発振器１０から照射されたレーザｒの光路に、判定用レーザを取り出すためのビームスプリッタ２８が配置されていて、レーザｒの一部を分割し、判定用レーザｒa として光検出器５２に導く。このビームスプリッタ２８は、前記した２分割用のビームスプリッタ２８よりもレーザ発振器１０に近い側に配置されていてもよいし、２分割された後のそれぞれのレーザの光路に配置されていてもよい。
【００３２】
光検出器５２は、判定用レーザｒa の光エネルギーを電気エネルギーに変換してエネルギー強度を測定する。
具体的には、図３に示すように、光検出器５２で測定されたレーザパルスＰ₁、Ｐ₂の最大電圧値Ｖ₁、Ｖ₂を利用する。光検出器５２で検出される最大電圧値Ｖは、基板３０に照射されるレーザｒのエネルギー強度に対応して変化する。
【００３３】
光検出器５２で検出された前記電圧値Ｖが、孔加工に必要な基準値Ｖｘ以上であれば（レーザパルスＰ₁すなわち電圧値Ｖ₁）、基板３０へのレーザ孔加工が良好に行われたと判断できる。基準値Ｖｘを下回るレーザパルスＰ₂（電圧値Ｖ₂）では十分なレーザ孔加工が達成できておらず、不良であると判定できる。
光検出器５２にはカウンタ５４が連結されている。カウンタ５４では、基準値Ｖｘ以上の電圧値Ｖを示した判定用レーザｒa の数ｈを計測する。
【００３４】
前記した分割領域３２内で照射されたレーザパルスｒの数すなわちレーザ孔加工の実行数Ｈと、カウンタ５４の計測数ｈとが一致していれば、全てのレーザ孔加工は良好に行われたと判断できる。
カウンタ５４にはメインコントローラ５６が連結されている。メインコントローラ５６は、カウンタ５４から計測数ｈのデータを受け取る。また、レーザｒの照射とカウンタ５４の計測とのタイミングを一致させるように、カウンタ５４の計測開始あるいは終了を指令したり、計測数の初期化を行わせたりして、カウンタ５４の制御を行う。メインコントローラ５６は、レーザ発振器１０に対するパルス発射の指令も出す。メインコントローラ５６では、カウンタ５４の計測数ｈとレーザｒの発射数Ｈとの比較演算を行い、孔加工の良否判定を行う。
【００３５】
メインコントローラ５６における孔加工の良否判定結果は、外部に出力されて、基板３０の処理工程全体を制御する制御機構で基板３０に対する次工程での処理を変更するデータに利用したり、測定結果を記録したりすることができる。
また、メインコントローラ５６には表示器６０が連結され、孔加工の良否判定結果を視覚的に表示する。
【００３６】
図４に示すように、表示器６０は、ＣＲＴあるいは液晶等による通常のモニタ画面を備えている。また、表示器６０には、キーなどによる入力装置も備えていて、メインコントローラに対する指示を入力することができる。表示器６０の表示画面には、２枚の基板３０に対応する矩形状の基板表示部６２、６２が表示され、各基板表示部６２には、基板３０の分割領域３２に対応する複数の表示領域６４が配置されている。表示器６０には、メインコントローラ５６から、孔加工の良否判定結果とともに、現在加工中の分割領域３２の位置に関する情報も送られてくる。
【００３７】
各表示領域６４のうち、孔加工がまだ行われていない領域６４は、透明あるいは背景色と同じ色Ｂが表示されている。孔加工を終えた領域６４では、判定結果が色分けされて表示される。孔加工の実行数Ｈ＝測定数ｈである判定良の領域Ｇは緑色、Ｈ＞ｈである判定不良の領域Ｒは赤色が表示される。さらに、図示した表示器６０では、黄色の領域Ｙも存在する。この領域Ｙは、判定不良であるが、前記したカウンタ５４の計測数ｈが孔加工の実行数Ｈよりも多く測定されたＨ＜ｈの場合を表している。このような不良は、機器の誤作動などによって生じる可能性がある。
【００３８】
したがって、表示器６０の画面をみれば、レーザ孔加工が完了した分割領域３２のうち、どの領域３２に不良が発生したのかを直観的に知ることができる。また、レーザ孔加工がどの分割領域３２まで進行しているのかを知ることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ孔加工方法および装置によれば、レーザのエネルギー強度を基準値と比較するという簡単な方法および機構だけで、加工不良の判定を正確かつ迅速に行うことができる。その結果、レーザ孔加工の品質性能維持あるいは生産性の向上に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態となるレーザ孔加工装置の基本構造を示す斜視図
【図２】加工良否の判定部分を表すブロック図
【図３】検出器の検出値を表す線図
【図４】表示器の画面を表す正面図
【符号の説明】
１０レーザ発振器
２２ガルバノメータ
２４ｆθレンズ
３０基板
３２分割領域
４０ＸＹテーブル
５２光検出器
５４カウンタ
６０表示器

Claims

被加工材にレーザを照射して複数の孔を加工する方法であって、以下の工程を含むレーザ孔加工方法。
（ａ）前記レーザのエネルギー強度を測定する工程。
（ｂ）前記エネルギー強度の測定値を、予め設定された孔の加工に必要なエネルギー強度である基準値と比較する工程。
（ｃ）前記（ｂ）工程の結果より前記測定値が前記基準値以上であった測定の数を求め、前記測定の数と加工しようとした孔の数とが一致するか否かにより加工良否を判別する工程。
請求項１記載の方法において、
前記（ｃ）工程が、前記測定の数と加工しようとした孔の数とが不一致であれば、加工不良であると判定する
レーザ孔加工方法。
請求項１または２記載の方法において、前記被加工材に複数の分割領域を設定し前記分割領域毎に複数の孔を加工する方法であって、以下の工程を含むレーザ孔加工方法。
（ｄ）前記分割領域毎に前記（ｃ）工程を行う工程。
（ｅ）前記分割領域毎の加工の良否を表示させる工程。
請求項２または３記載の方法において、
前記（ｅ）工程が、前記加工の良否を色の違いで表示させる
レーザ孔加工方法。
被加工材を保持する手段と、
前記被加工材にレーザを照射する手段と、
前記レーザのエネルギー強度を測定する手段と、
前記エネルギー強度の測定値を、予め設定された孔の加工に必要なエネルギー強度である基準値と比較する手段と、
前記測定値と前記基準値とを比較した結果より前記測定値が前記基準値以上であった測定の数を求め、前記測定の数と加工しようとした孔の数とが一致するか否かにより加工良否を判別する手段と、
前記加工良否を視覚的に表示する表示手段と
を備えるレーザ孔加工装置。
前記被加工材を保持する手段が、前記複数の分割領域を順次、前記レーザの照射範囲に配置する被加工材の移動手段を備える
請求項５記載のレーザ孔加工装置。