JP3926620B2

JP3926620B2 - レーザ加工装置およびその方法

Info

Publication number: JP3926620B2
Application number: JP2001386500A
Authority: JP
Inventors: 弘之菅原; 貞雄森; 博志青山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003181662A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光を用いて穴の加工や、切断等を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に係り、特に、プリント配線基板にビアホールを加工するのに好適なレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板は複数の基板を積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、プリント配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホールと呼ばれている穴を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより積層された上下の基板間の導電層を電気的に接続する。
【０００３】
ビアホールの微細化に伴い、ビアホールの形成には、高出力のＣＯ₂レーザやＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザが使用されるようになってきた。また、ガルバノミラーとｆθレンズを組み合せたビームスキャン光学系を用いることにより、高速加工を実現している。
【０００４】
このようなレーザ加工装置では、レーザ発振器のピーク出力不足あるいは熱影響による加工形状の劣化等の問題があり、通常、レーザ光を複数回照射（ショット）して１つのビアホールを加工する。レーザ光を複数回照射する加工方法として、所定のショット数のレーザ光を同じ穴に対して連続して照射するバースト加工と、複数の加工個所を１組にして各加工個所に１ショットずつ照射することを繰り返すサイクル加工とがある。
【０００５】
一般に、バースト加工はレーザ光の走査回数が少なくなるので、位置決めに要する時間が短くなり、高速な加工が行える。しかし、熱影響により、加工形状の劣化が生じやすい。一方、サイクル加工は各穴に照射するレーザ光の時間間隔が長くなるため、熱影響による加工形状の劣化を抑制することができる。しかし、レーザ光の走査回数が増えるので、加工時間が長くなる。いずれの方法も各ショット毎にレーザ光を所定の位置に照射する必要があるが、外部振動やスキャン光学系の位置決め誤差等により所定の位置にレーザ光が照射されないことがある。プリント基板は１つでも不導通のビアホールがあると、その基板は不良となってしまう。そこで、プリント基板の信頼性を保証するため、加工が終了すると、加工装置とは別に設けた穴検査装置により全数の穴を検査している。しかし、このような方法では、穴検査時に不良穴が発見されて初めて、その基板またはパターンが不良であることが分かるため、不良の発見が遅くなる。したがって、それまでの加工や検査に要した時間が無駄になり、結果的に加工スループットが低下する。
【０００６】
そこで、特許第３０１１１８３号では、被加工基板から反射されたレーザ光の強度を検出する手段を設け、被加工基板の樹脂層からの反射光量と内層銅箔からの反射光量との違いから加工状態を判断するようにしている。また、特開平８−２４３７７１号公報では、カメラにより加工した穴を観察している。そして、これらの技術を採用することにより、早期に加工不良を検出することができた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術の前者のように反射光の強度を検出する場合、加工の進捗状況は分かるが、内部銅箔が露出するまでの加工状態を評価することはできない。このため、例えば、外部振動により照射位置がずれ、穴が楕円形になることがあった。
【０００８】
また、ビームスキャン光学系を用いたレーザ加工装置では、加工範囲が広いため、従来技術の後者をビームスキャン光学系を用いたレーザ加工装置に適用しようとすると、視野が広くかつ空間分解能に優れるカメラが必要になり、装置が高価になってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ビームスキャン光学系を用いたレーザ加工装置であっても、品質に優れるビアホールを高速で加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、レーザ加工方法として、レーザ光の照射回数と、加工個所からの反射光に含まれる偏光成分の照射回数毎の強度の基準値と、を予め定めておき、レーザ光を照射する毎に前記偏光成分の強度を測定し、測定値が前記基準値を満足する場合は次のレーザ光を照射し、その他の場合および前記照射回数が予め定めた回数を越える場合は加工を中止する、ことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、光の強度を検出する光検出手段を備え、レーザ発振器から出力されたレーザ光を加工レンズにより加工対象物上に集光させて加工するレーザ加工装置において、レーザ光の照射回数、及び加工個所からの反射光に含まれる偏光成分の照射回数毎の強度の基準値を予め定める手段と、レーザ光を照射する毎に前記偏光成分の強度を測定する手段と、前記測定する手段によって測定された測定値が前記基準値を満足する場合は次のレーザ光を照射し、その他の場合および前記照射回数が予め定めた回数を越える場合は加工を中止させる手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。
【００１３】
同図において、レーザ加工機制御装置１には、加工条件制御装置２、加工状態判断装置２５、加工位置制御装置１５および記憶装置２６が接続されている。記憶装置２６のデータベースには、レーザ光の照射回数毎に、加工個所からの反射光に含まれる偏光成分の強度の基準値が記憶されている。
【００１４】
加工条件制御装置２には、レーザ発振制御装置３とマスク切替駆動機構５が接続されている。レーザ発振制御装置３に接続されたレーザ発振器４は、振動方向（偏光方向）が紙面と平行なＣＯ₂レーザ光７（以下、「レーザ光」という。）を発振する。切替駆動機構５は、複数のアパーチャ６ａを備えたマスク６の位置を切替える。
【００１５】
加工状態判断装置２５には、光検出器２２、２３、２４が接続されている。
【００１６】
加工位置制御装置１５には、ビームスキャナ１１を駆動するビームスキャナ角度制御装置１７とＸＹステージ１３を駆動するＸＹステージ制御装置１６とが接続されている。
【００１７】
レーザ発振器４から出力されるレーザ光７の光路上には、マスク６、ビームスプリッタ８、ビームスキャナ１１およびｆθレンズ１２が配置されている。ビームスプリッタ８は光路に対して４５度に配置されている。ビームスプリッタ８のレーザ発振器４側の反射方向には光検出器２２が、ビームスキャナ１１側の反射方向には偏光ビームスプリッタ１９が、それぞれ配置されている。偏光ビームスプリッタ１９の反射側には光検出器２４が、透過側には光検出器２３が、それぞれ配置されている。また、ＸＹステージ１３には、被加工基板１４が載置されている。
【００１８】
次に、レーザ光の動作を説明する。
【００１９】
レーザ発振器４から出力されたレーザ光７は、マスク６により外形をアパーチャ６ａの大きさに整形された後、ビームスプリッタ８に入射し、極一部が反射され（以下、反射されたレーザ光７を「モニタビーム１０」という。）、残りの大部分（以下、「加工ビーム９」という。）はビームスプリッタ８を透過する。モニタビーム１０は光検出器２２に入射し、強度が電気信号に変換されて加工状態判定装置２５に出力される。また、加工ビーム９は、ビームスキャナ１１を介してｆθレンズ１２により集光され、被加工基板１４を加工する。
【００２０】
このとき、加工ビーム９の一部は被加工基板１４により反射され（以下、反射された加工ビーム９を「反射ビーム１８」という。）、上記の光路を逆行し、ビームスプリッタ８で反射されて偏光ビームスプリッタ１９に入射する。反射ビーム１８に含まれるＰ偏光成分（以下、「Ｉｐ」という。）２０は偏光ビームスプリッタ１９を透過して光検出器２３に入射する。光検出器２３は、入射したＩｐ２０の強度を電気信号に変換して加工状態判定装置２５に出力する。また、反射ビーム１８に含まれる振動方向が紙面に垂直のＳ偏光成分（以下、「Ｉｓ」という。）２１は偏光ビームスプリッタ１９により反射されて光検出器２４に入射する。光検出器２４は、入射したＩｓ２１の強度を電気信号に変換して加工状態判定装置２５に出力する。
【００２１】
ここで、反射ビーム１８の全反射光量をＩｏｕｔ、全反射光量Ｉｏｕｔに含まれるＳ偏光成分Ｉｓの割合をＳ偏光率ＩＳ、全反射光量Ｉｏｕｔに含まれるＰ偏光Ｉｐの割合をＰ偏光率ＩＰとすると、Ｉｏｕｔ、ＩＳおよびＩＰの間には、式１〜３の関係がある。
【００２２】
ＩＳ＝Ｉｓ／Ｉｏｕｔ・・・（式１）
ＩＰ＝Ｉｐ／Ｉｏｕｔ・・・（式２）
Ｉｏｕｔ＝ＩＳ＋ＩＰ・・・（式３）
次に、加工時におけるＩｐ２０とＩｓ２１について説明する。
【００２３】
図２は、反射ビーム１８の強度と加工部の断面形状を模式的に示す図であり、反射ビーム１８と加工ビーム９の強度を矢印の幅で示してある。また、被加工基板１４は、樹脂層２７と銅箔層２８とが交互に積層されている。
【００２４】
いま、加工を完了させるために必要な加工ビーム９の照射回数がｎ回であるとする。
【００２５】
同図（ａ）示すように、加工前の被加工基板１４の表面は平坦である。ＣＯ₂レーザのビームモード（強度分布）はガウス分布であるので、加工ビーム９の１回目の照射（ショット）により、同図（ｂ）示すように、被加工基板１４の表面に穴が形成される。加工された穴の形状は、中央部が深く周辺部が浅いテーパがついた形状であり、穴の表面は荒れている。そして、反射ビーム１８はほとんどが加工ビーム９と同じＰ偏光であり、Ｓ偏光成分は無視できる程度である。すなわち、ＩＰ≒１（ＩＳ≒０）である。
【００２６】
同図（ｃ）示すように、２ショット目の加工ビーム９は１ショット目に形成された穴に照射されるので、同図（ｄ）示すように、穴の深さは深くなる。この場合、穴の表面が荒れているため、加工ビーム９は穴の内部で複雑に反射して偏光状態が乱れ、Ｐ偏光とは異なるＳ偏光（ここではＩｓ２１）が発生する結果、ＩＰ＝γ（ＩＳ＝δ。ただし、δ＞０、かつγ＋δ＝１）になる。
【００２７】
そして、照射回数が増すにつれ、同図（ｅ）示すように、穴は深さは徐々に深くなると共に、穴内部で複雑な多重反射が起こるため、偏光状態の乱れは一層顕著になる。すなわち、δは徐々に大きく、γは徐々に小さくなる。そして、予め設定したｎショット目で、同図（ｆ）示すように、銅箔２８が露出する。銅箔２８は樹脂２７に比べて光の吸収が少なく、かつ表面の反射率が高いため、反射ビーム１８はＰ偏光になると共に、強度が極端に大きくなる。そこで、偏光の強度の変化（すなわち、増加していたＩＳが急激に減少した時、または、減少していたＩＰが急激に増加した時）により、また、偏光成分の割合の変化により、あるいは、偏光成分の割合の変化とＩｐ２０の強度変化を検出すること等により、加工の完了が判断できる。
【００２８】
次に、バースト加工をする場合について、本発明の加工手順を説明する。
【００２９】
図３は、本発明の加工手順を示すフローチャートである。
【００３０】
加工に先立ち、オペレータはレーザ加工機制御装置１に、基板の種類、加工する穴の径、レーザ光のパルス幅とパルス間隔およびピークエネルギ、照射回数等の加工条件を入力する。すると、レーザ加工機制御装置１は、加工条件情報に関する指令を加工条件制御装置２に、位置情報に関する指令を加工位置制御装置１５に出力する。レーザ加工機制御装置１からの指令を受けた加工条件制御装置２は、マスク切替え駆動機構５を動作させ、加工する穴の径に適したアパーチャ６ａをレーザ光７の光路上に配置する。
【００３１】
また、加工位置制御装置１５は、ＸＹステージ制御装置１６を介してＸＹステージ１３を駆動させ、被加工基板１４をｆθレンズ１２に対して位置決めする。
【００３２】
図示を省略する加工開始釦がオンされると、レーザ加工機制御装置１は、ショット数ｎ１を１にした後（Ｓ１００）、ｎ１回目の照射を行う（Ｓ１１０）。加工状態判断装置２５は、光検出器２２の出力を参照して、モニタビーム１０の強度ｍと予め設定された値αとを比較し、ｍ≧αの場合は手順Ｓ１３０の処理を行い、その他の場合はエラーを表示して処理を終了する（Ｓ１２０）。手順Ｓ１３０ではｎ１回目（ここでは１回目）の基準値をデータベースから読み出すと共に、光検出器２３、２４の出力に基づいて全反射光量Ｉｏｕｔ、Ｐ偏光率ＩＰ、Ｓ偏光率ＩＳ等を演算する（Ｓ１４０）。そして、演算により求めた値と基準値とを比較し、基準値を満足している場合は手順Ｓ１６０の処理を行い、その他の場合は加工エラーを表示して処理を終了する（Ｓ１５０）。手順Ｓ１６０ではｎとｎ１とを比較し、ｎ１＝ｎの場合は処理を終了し、その他の場合は手順Ｓ１７０の処理を行う。手順Ｓ１７０では、ショット数ｎ１をｎ１＋１とした後、手順Ｓ１１０の処理を行う。
【００３３】
以上で、この穴の加工を終了したので、ビームスキャナ１１を動作させ、加工ビーム９の光路を次の穴の中心に位置決めする。また、ｆθレンズ１２の大きさによって決まる加工領域の加工が終了した場合は、ＸＹステージ１３を動作させて次の加工領域をｆθレンズ１２に対して位置決めする。
【００３４】
なお、モニタビーム１０の強度や、全反射光量Ｉｏｕｔ、Ｐ偏光率ＩＰ、Ｓ偏光率ＩＳ等の強度は、レーザ加工機制御装置１内で加工位置およびレーザショット数の情報と統合され、加工状態記憶装置２６に貯えられて、それ以降の加工、検査等のプロセスに活用される。
【００３５】
この実施形態では、各ショット毎の加工状態をリアルタイムで検出し、モニタビームおよび反射ビームの測定値が基準値を満足しなかった場合は直ちに加工を終了するので、加工速度を向上させることができる。また、例えば、機械が振動することにより照射位置がずれると、測定値が基準値を満足しないので、直径が揃った加工品質に優れる穴を加工することができる。
【００３６】
なお、加工エラーが表示された場合には、ビームスキャナ１１およびＸＹステージ１３から得られる穴位置情報から、当該穴の座標および加工状態を記憶しておき、後工程で排除したり追加工する等の処理が行えるようにすると共に基板１４を取り替える、または次の配線パターンを加工する等の処理を行う。また、モニタービームの強度が小さかった場合は装置の点検を行う。
【００３７】
そして、検出した不良穴の位置情報は穴検査等の後工程装置に送られ、例えば、加工不良があった配線パターンエリアはそれ以後の検査対象から除去される。
【００３８】
次に、本発明の他の加工手順を、バースト加工をする場合について説明する。
【００３９】
図４は、本発明の他の加工手順を示すフローチャートである。
【００４０】
加工に先立ち、オペレータはレーザ加工機制御装置１に、基板の種類、加工する穴の径、レーザ光のパルス幅とパルス間隔およびピークエネルギ、照射回数等の加工条件を入力する。すると、レーザ加工機制御装置１は、加工条件情報に関する指令を加工条件制御装置２に、位置情報に関する指令を加工位置制御装置１５に出力する。レーザ加工機制御装置１からの指令を受けた加工条件制御装置２は、マスク切替え駆動機構５を動作させ、加工する穴の径に適したアパーチャ６ａをレーザ光７の光路上に配置する。また、加工位置制御装置１５は、ＸＹステージ制御装置１６を介してＸＹステージ１３を駆動させ、被加工基板１４をｆθレンズ１２に対して位置決めする。
【００４１】
図示を省略する加工開始釦がオンされると、レーザ加工機制御装置１は、ショット数ｎ１を１にした後（Ｓ１００）、ｎ１回目の照射を行う（Ｓ１１０）。加工状態判断装置２５は、光検出器２２の出力を参照して、モニタビーム１０の強度ｍと予め設定された値αとを比較し、ｍ≧αの場合は手順Ｓ１４０の処理を行い、その他の場合は加工エラーを表示して処理を終了する（Ｓ１２０）。手順Ｓ１４０では光検出器２３、２４の出力に基づいて全反射光量Ｉｏｕｔ、Ｐ偏光率ＩＰ、Ｓ偏光率ＩＳ等を演算する。そして、測定値とデータベースに入力されているｎ回目の基準値とを比較し、測定値が基準値を満足する場合は処理を終了し、その他の場合は手順Ｓ１６０の処理を行う（Ｓ２００）。手順Ｓ１６０ではｎとｎ１とを比較し、ｎ１＝ｎの場合はエラーを表示して処理を終了し、その他の場合は手順Ｓ１７０の処理を行う。手順Ｓ１７０では、ショット数ｎ１をｎ１＋１とした後、手順Ｓ１１０の処理を行う。
【００４２】
この実施形態では、測定値が最終加工時における基準値を満足した場合は、予め設定したショット回数ｎに達していなくても加工を終了する。この結果、加工部近傍が温度上昇することを防止できるので、品質に優れる穴を加工することができる。また、予め定めたショット回数に達した時に穴が加工されていない場合も加工を終了するので、加工能率を低下させることがない。
【００４３】
なお、上記ではレーザ発振器１としてＣＯ₂レーザを例にして説明したが、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザ等の他のレーザにも適用することができる。また、マスクを用いて加工形状を転写する光学系を使った加工装置ついて説明したが、マスクをしない加工装置にも適用することができる。さらに、ビームスキャナを用いたレーザ装置について説明したが、ビームスキャナを用いないレーザ加工装置にも適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、品質に優れるビアホールを高速で加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】反射ビームの強度および加工部の断面形状を模式的に示す図である。
【図３】本発明の加工手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の加工手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
７レーザ光
１８反射光
２３センサ
２４センサ

Claims

レーザ光の照射回数と、加工個所からの反射光に含まれる偏光成分の照射回数毎の強度の基準値と、を予め定めておき、
レーザ光を照射する毎に前記偏光成分の強度を測定し、
測定値が前記基準値を満足する場合は次のレーザ光を照射し、
その他の場合および前記照射回数が予め定めた回数を越える場合は加工を中止する、
ことを特徴とするレーザ加工方法。
光の強度を検出する光検出手段を備え、レーザ発振器から出力されたレーザ光を加工レンズにより加工対象物上に集光させて加工するレーザ加工装置において、
レーザ光の照射回数、及び加工個所からの反射光に含まれる偏光成分の照射回数毎の強度の基準値を予め定める手段と、
レーザ光を照射する毎に前記偏光成分の強度を測定する手段と、
前記測定する手段によって測定された測定値が前記基準値を満足する場合は次のレーザ光を照射し、その他の場合および前記照射回数が予め定めた回数を越える場合は加工を中止させる手段と、
を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。