JP3830830B2 - レーザ加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、特に加工対象物にレーザビームを入射させて穴開け加工を行うレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属層上に形成された樹脂層に、紫外領域のパルスレーザビームを集光させて穴あけ加工を行う方法が知られている。レーザビームのパルスエネルギを、樹脂層はアブレーションされるが金属層はアブレーションされない大きさに設定しておくと、下地の金属層にダメージを与えることなく、樹脂層に貫通孔を形成することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
パルスエネルギがゆらぎ、所望の値よりも大きくなると、金属層がダメージを受ける場合がある。また、装置の取り扱いの便利さを考慮すると、気体レーザ発振器よりも固体レーザ発振器を使用することが好ましい。ところが、固体レーザ発振器を用いて紫外領域のレーザビームを得るためには、非線形光学結晶を用いて第3高調波よりも高次の高調波を発生させなければならない。このため、レーザビームのエネルギ利用効率が低下する。
【0004】
本発明の目的は、固体レーザ発振器の利用に適したレーザ加工方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、金属表面上にエポキシ樹脂層が形成された加工対象物に、パルス幅が1〜20psであるパルスレーザビームを入射させ、前記加工対象物に穴をあけるレーザ加工方法であって、前記パルスレーザビームの波長が510〜540nmであり、前記加工対象物の表面における前記パルスレーザビームのパワー密度が7×10 10 W/cm 2 以上であるレーザ加工方法が提供される。
また、本発明の他の観点によると、樹脂表面上に銅層が形成された加工対象物に、パルス幅が1〜20psであるパルスレーザビームを入射させ、前記加工対象物に穴をあけるレーザ加工方法であって、前記パルスレーザビームの波長が510〜540nmであり、前記加工対象物の表面における前記パルスレーザビームのパワー密度が6×10 10 W/cm 2 以上であるレーザ加工方法が提供される。
【0006】
この波長帯域のレーザビームは、固体レーザの2倍高調波を発生させることにより得られる。固体レーザを用いると、気体レーザを用いる場合に比べて、装置の維持管理が容易になる。また、3倍高調波以上の高次の高調波を用いる場合に比べて、エネルギ変換効率を高く維持することが可能になり、エネルギ利用効率を高めることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1(A)に、本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源1がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源1から出射したパルスレーザビームは、集光レンズ2に入射する。XYステージ3の可動面上に加工対象物4が保持されている。集光レンズ2により収束されたレーザビームが、XYステージ3に保持された加工対象物4の表面に入射する。
【0008】
レーザ光源1は、波長1047nm、パルス幅12ps、パルスの繰り返し周波数10Hz、パルスエネルギ100μJ/パルスのNd:YLFレーザ発振器と非線型光学素子とを含んで構成され、2倍高調波(波長523nm)を発生させる。2倍高調波を発生させるための非線形光学結晶として、BaBO3を用いた。なお、2倍高調波はパルス幅10psで出射される。基本波から2倍高調波に波長を変換すると、パルス幅は短くなる。
【0009】
集光レンズ2として、焦点距離50〜400mmの種々の平凸レンズを用いた。加工対象物4の表面上でビームスポット径が最小になるように、集光レンズ2と加工対象物4との間の距離が調節されている。
【0010】
図1(B)に示すように、レーザ光源1と集光レンズ2との間にアイリス5を配置し、ビーム断面形状を成形してもよい。また、XYステージ3の可動面を水平に配置し、折返しミラー6でレーザビームを鉛直下方に反射させてもよい。
【0011】
次に、図2を参照して、本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
図2(A)に示すプリント基板を、図1に示したXYステージ3に保持する。プリント基板は、ガラスエポキシ基板10、その上に形成された金属層11、及びその上に形成された厚さ35μmの樹脂層12により構成されている。金属層11は、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、パラジウム、ニッケル、チタン、タングステン、プラチナ、モリブデン、またはこれらの金属の合金で形成される。樹脂層12は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、テトラフルオロエチレンポリマ、BTレジン、ベンゾシクロブテン等で形成される。また、これらの樹脂に無機系のフィラーを混ぜたものでもよい。レーザ光源1から出射したレーザビームを樹脂層12に入射させる。
【0012】
図2(B)に示すように、樹脂層12がアブレーションされ、100ショットで、樹脂層12を貫通する穴12aが形成された。穴12aの直径は約22μmであり、その底面に金属層11の底面が露出する。
【0013】
第1の実施例では、波長523nmの緑色レーザビームを用いたが、波長500〜600nmのレーザビームを用いても同様の加工ができるであろう。波長500nmよりも短い波長のレーザビームを使用すると、樹脂層12の下の銅層がダメージを受けやすくなる。波長600nmよりも長い波長のレーザビームを用いると、樹脂層をアブレーションさせるために3光子吸収を生じさせることが必要になり、加工効率が低下する。波長500〜600nmのレーザビームを用いることにより、銅層に与えるダメージを少なくし、かつ樹脂層の加工効率の低下を防止することができる。
【0014】
第1の実施例では、Nd:YLFレーザの2倍高調波を用いたが、Nd:YAGレーザの2倍高調波を用いてもよい。このように、固体レーザを用いると、気体レーザを用いる場合に比べて、装置の維持管理が容易になる。また、2倍高調波を用いているため、3倍以上の高次の高調波を用いる場合に比べて、エネルギ利用効率を高めることが可能になる。
【0015】
図1(B)、図3及び図4を参照して、本発明の第2の実施例について説明する。第2の実施例で使用されるレーザ加工装置の基本構成は、図1(B)に示したものと同じである。ただし、第2の実施例で用いられるレーザ光源1は、パルス幅が10psのパルスレーザビームを出射し、パルスエネルギを所定の範囲内の任意の値に設定することができる。波長及びパルスの繰り返し周波数は、第1の実施例の場合と同じである。レーザ光源1から出射されたパルスレーザビームは、アイリス5で断面を直径0.5mmの円形に成形される。成形されたビームは焦点距離50mmの集光レンズ2により集束され、折返しミラー6で反射されて、XYステージ3の可動面上に保持されている加工対象物4上に、直径0.05mmの円形の像を結ぶ。縮小率は10である。
【0016】
図3(A)、(B)、(C)に示す基板をXYステージ3上に保持する。
図3(A)に示すのは、銅層21の表面に厚さ50μmのエポキシ樹脂層20が形成されたプリント基板である。
【0017】
図3(B)に示すのは、アルミニウム層23の表面に厚さ10μmのポリイミド樹脂層22が形成された基板である。
図3(C)に示すのは、銅層26の表面にガラスエポキシ層25が、さらにその表面に厚さ12μmの銅層24が形成されたプリント基板である。
【0018】
図3(A)、(B)、(C)に示す基板のそれぞれエポキシ樹脂層20、ポリイミド樹脂層22、銅層24に、レーザ光源1から出射されたパルスレーザビームを入射させる。パルスエネルギの設定を様々に変化させて、それぞれの層に穴を開け、下の層の表面が露出するまでのショット数から、1パルス当たりの穿孔深度を計算した。
【0019】
図4に、エポキシ樹脂層20、ポリイミド樹脂層22、銅層24に入射するパルスレーザビームのフルエンスとエッチングレートとの関係を示す。横軸は加工対象物である各層表面におけるフルエンスを単位「J/cm2」で表し、縦軸はエッチングレートを単位「nm/パルス」で表す。すなわち縦軸は、1パルス当たりの穿孔深度を表す。ここでフルエンスは、ビームが入射する各層表面上におけるフルエンスを意味する。
【0020】
黒四角で示したのが、エポキシ樹脂層20を加工する場合の両者の関係である。このグラフにおいて、穴形成のしきい値は0.58J/cm2だが、0.71J/cm2あたりからの立ち上がりが急である。0.7J/cm2以上のフルエンスでレーザビームを入射させると、エポキシ樹脂層20に穴を開けることができるといえるだろう。また、穴はエポキシ樹脂層20が多光子吸収をすることで形成されるので、弱いパワーのビームを長時間照射しても穴を開けることはできない。したがって穴を開けるためのしきい値は、フルエンスよりもパワー密度で表すことが適当である。フルエンス0.7J/cm2、パルス幅10psのレーザビームのパワー密度は7×1010W/cm2である。このため、エポキシ樹脂層に穴を開けるためには、レーザビームのパワー密度を7×1010W/cm2以上とすることが好ましい。
【0021】
黒三角で示したのが、ポリイミド樹脂層22を加工する場合の両者の関係である。穴形成のしきい値は0.4J/cm2である。フルエンス0.4J/cm2、パルス幅10psのレーザビームのパワー密度は4×1010W/cm2である。このため、ポリイミド樹脂層に穴を開けるためには、レーザビームのパワー密度を4×1010W/cm2以上とすることが好ましい。
【0022】
白丸で示したのが、銅層24を加工する場合の両者の関係である。穴形成のしきい値は0.6J/cm2である。フルエンス0.6J/cm2、パルス幅10psのレーザビームのパワー密度は6×1010W/cm2である。このため、銅層に穴を開けるためには、レーザビームのパワー密度を6×1010W/cm2以上とすることが好ましい。
【0023】
穿孔する層を形成する材料によってしきい値は異なる。これを超えるパワー密度があれば穴を開けることができる。ただしパワー密度が大きすぎると、下の層に損傷を与えることになる。下層に損傷を与えないパワー密度で加工を行うことが好ましい。
【0024】
第2の実施例では、波長523nmのレーザビームを用いたが、波長が510〜540nmのレーザビームを用いても同様の結果が得られるだろう。波長523nmのレーザビームを照射した場合、樹脂層が2光子吸収をすることで、エポキシ樹脂層やポリイミド樹脂層に穴が形成されるが、樹脂層が2光子吸収をするのに適する波長の範囲は510〜540nmであるからである。また、銅層に穴を形成する場合については、以下に説明する。
【0025】
プリント基板の銅層は、電解研磨された試料の表面とは異なり、凹凸を有する。また、基板によっては、黒化処理されて銅層の表面が酸化しているものもある。更に一旦レーザを照射すると、銅層表面は溶けてしまいラフになる。このような銅層においては、たとえばNd:YLFレーザの基本波(1047nm)などの、全固体レーザの基本波は、2倍高調波と比べると半分以下しか吸収されず、また、3倍高調波は2倍高調波に比較すると、2倍未満しか吸収されない。これに対し、レーザの波長変換の効率を考えると、通常、3倍高調波のエネルギは2倍高調波のそれの半分程度しか得られない。吸収の観点からは、短い波長のレーザビームが望まれ、エネルギ効率や、前述した装置の維持管理の観点からは基本波が最もよいことになるわけだが、これらのちょうど折り合うのが全固体レーザの2倍高調波の波長領域である510nm〜540nmということになる。したがって、波長が510〜540nmのレーザビームを用いても、同様の結果が得られるだろう。
【0026】
また、第2の実施例においても、Nd:YLFレーザの2倍高調波のかわりに、Nd:YAGレーザの2倍高調波を用いることもできる。
第1及び第2の実施例では、パルス幅を10psとしたが、その他のパルス幅のレーザビームを用いてもよい。パルス幅が長くなると、加工品質が低下するため、パルス幅は、20ps以下とすることが好ましい。また、レーザ発振器の特性上、パルス幅は1ps以上とすることが好ましい。なお、ここでパルス幅とは、単位時間当たりのレーザ強度が、その最大値の半分まで立ち上がった時点から、最大値の半分まで低下した時点までの時間(半値全幅)を意味する。
【0027】
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。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波長500〜600nmのレーザビームを用い、加工対象物をアブレーションさせて穴を形成することができる。波長500〜600nmのレーザビームとして、Nd:YLFレーザ等の固体レーザの2倍高調波を用いることができる。このため、より高次の高調波を用いる場合に比べて、エネルギ利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法で使用するレーザ加工装置の概略図である。
【図2】第1の実施例のレーザ加工方法の加工対象物となるプリント基板の断面図、及び加工後のプリント基板の断面図である。
【図3】(A)、(B)、及び(C)は、第2の実施例のレーザ加工方法の加工対象物となる基板の断面図である。
【図4】第2の実施例によるレーザ加工方法で使用するレーザ加工装置で、基板に穴を開けたときの、基板(加工対象物)の表面におけるフルエンスとエッチングレートとの関係を表すグラフである。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2 集光レンズ
3 XYステージ
4 加工対象物
5 アイリス
6 折返しミラー
10 ガラスエポキシ基板
11 金属層
12 樹脂層
20 エポキシ樹脂層
21 銅層
22 ポリイミド樹脂層
23 アルミニウム層
24 銅層
25 ガラスエポキシ層
26 銅層
Claims (5)
- 金属表面上にエポキシ樹脂層が形成された加工対象物に、パルス幅が1〜20psであるパルスレーザビームを入射させ、前記加工対象物に穴をあけるレーザ加工方法であって、前記パルスレーザビームの波長が510〜540nmであり、前記加工対象物の表面における前記パルスレーザビームのパワー密度が7×10 10 W/cm 2 以上であるレーザ加工方法。
- 前記加工対象物の前記金属表面が露出するまで、前記パルスレーザビームを前記加工対象物に入射させる請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記パルスレーザビームが、Nd:YAGレーザの2倍高調波またはNd:YLFレーザの2倍高調波である請求項1または2に記載のレーザ加工方法。
- 樹脂表面上に銅層が形成された加工対象物に、パルス幅が1〜20psであるパルスレーザビームを入射させ、前記加工対象物に穴をあけるレーザ加工方法であって、前記パルスレーザビームの波長が510〜540nmであり、前記加工対象物の表面における前記パルスレーザビームのパワー密度が6×10 10 W/cm 2 以上であるレーザ加工方法。
- 前記パルスレーザビームが、Nd:YAGレーザの2倍高調波またはNd:YLFレーザの2倍高調波である請求項4に記載のレーザ加工方法。
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