JP3937311B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆層を有する加工対象物にレーザビームを照射し、被覆層に穴を開けるレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下地部材上に形成された被覆層に、紫外線の波長領域のパルスレーザビームを集光させ、穴を開ける方法が知られている。被覆層がアブレーションされ下地部材がアブレーションされない大きさに、レーザビームのパルスエネルギを設定しておくと、下地部材にほとんどダメージを与えることなく、被覆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】
しかしながら、上記のアブレーション加工で大面積の穴を開けようとすると、厚さ５０μｍの樹脂層に直径５０μｍ程度の穴を開けるのでも１００ショット前後のパルスレーザビームが必要となり、加工に長時間を要していた。
【０００４】
本発明の目的は、加工対象物の被覆層に、短時間で効果的に穴を開けるレーザ加工方法を提供することである。
また、加工対象物の被覆層に、様々な大きさの穴を開ける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れば、下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の前記被覆層を透過し、該被覆層と前記下地部材との界面で反射し、反射位置の該被覆層を該下地部材から剥離させる性質を有する第１のパルスレーザビームを、該被覆層の表面から加工対象物の第１の位置に入射させて、該被覆層の一部を該下地部材から剥離させ、前記第１の位置に第１の穴を形成する工程と、前記第１のパルスレーザビームの波長と同一の第１の波長の成分及び該第１の波長の高調波成分を含むパルスレーザビームから高調波成分を分離し、分離された高調波成分を、下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の被覆層の表面から加工対象物の第２の位置に入射させ、前記第２の位置の被覆層に、前記第１の穴よりも小さい第２の穴を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【０００６】
該レーザ加工方法によれば、前記第１の波長のレーザビームで大きな穴を形成し、前記第１の波長の高調波成分で小さな穴を形成することができるので、短時間で、様々な大きさの穴を形成することが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。
図１は本発明の第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である。全固体レーザ発振器１からパルスレーザビーム、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）が、パルスエネルギ２００μＪで出射される。このパルスレーザビームを２倍波発生用非線形結晶（ＳＨＧ，Second Harmonics Generator）２に通す。これによりＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（５３２ｎｍ）を作り出すことができるが、入射したすべての基本波が２倍高調波に変換されるわけではない。２倍波発生用非線形結晶（ＳＨＧ）からは、基本波と２倍高調波との異なる二つの波長成分を含む混合波が出射される。
【０００８】
出射された混合波は、３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ，Third Harmonics Generator）３に入射し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波がつくられる。その周波数は、２倍波発生用非線形結晶（ＳＨＧ）から出射された混合波に含まれる基本波と２倍高調波との和周波である。３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）から出射されるレーザビームには、必ず基本波が残る。すなわち３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）からは、基本波（波長１０６４ｎｍ）と２倍高調波（波長５３２ｎｍ）と３倍高調波（波長３５５ｎｍ）との異なる三つの波長成分を含むレーザビームが出射される。
【０００９】
このレーザビームは、ダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４は波長の異なる基本波と３倍高調波とを分岐させ、それぞれ光路Ａ、光路Ｂに導く。このとき、２倍高調波は、ダイクロイックミラー４を通過し、基本波とともに光路Ａに進む。
【００１０】
光路Ａを辿る基本波のパルスレーザビームのパルスエネルギは、たとえば０．９ｍＪである。基本波のパルスレーザビームは、たとえばビーム断面の形状を円形に整形するマスク５ａ、基本波を反射し２倍高調波を透過させる反射ミラー６ａ、ガルバノスキャナ７ａ、レーザビームを加工対象物１０ａ上に集束させるｆθレンズ８ａを経て、ステージ９上に据えられている加工対象物１０ａに照射される。加工対象物１０ａは、たとえば多層基板である。ガルバノスキャナ７ａ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次元方向に高速で走査する。なお、反射ミラー６ａは、入射する２倍高調波のほとんどを透過させるが、４％ほどを反射してしまう。したがって、２枚の反射ミラー６ａにより、ダイクロイックミラー４を通過した２倍高調波の０．１６％が加工対象物１０ａに照射されるが、この２倍高調波の加工への参与は無視できる。
【００１１】
図２（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工方法で加工する多層基板の断面図である。
支持材料（補強材料）たとえばガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂で形成された支持基板１３、金属材料たとえば銅で作られた下地部材である金属層１２、誘電体材料たとえばエポキシ樹脂で作られた樹脂被覆層１１が、この順に下から積層されている。樹脂被覆層１１の厚みはたとえば５０μｍである。
【００１２】
樹脂被覆層１１の誘電体材料の例としては、エポキシ樹脂の他、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＢＴレジン、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などがある。
【００１３】
金属層１２の金属材料の例としては、銅の他、アルミ、金、銀、パラジューム、ニッケル、チタン、タングステン、プラチナ、モリブデンなどがある。
支持基板１３は、支持材料（補強材料）たとえばガラス繊維の他、アルミナ繊維、アラミド繊維、ケプラーなどで強化された誘電体材料で形成される。
【００１４】
樹脂被覆層１１の上面から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波を入射させる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波は樹脂被覆層１１にほとんど吸収されることなく透過し、金属層１２で大部分反射される性質をもつ。レーザビームは樹脂被覆層１１と金属層１２との界面に高圧力状態を引き起こし、その圧力によって、樹脂被覆層１１の金属層１２からの剥離を誘起し、樹脂被覆層１１に穴を形成する。この現象を「リフティング現象」と呼び、「リフティング現象」を利用して行う加工を、「リフティング加工」と呼ぶことにする。リフティング加工の特徴の一つに、アブレーション加工に比べ、大きい穴を開けることができる、という点がある。
【００１５】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した多層基板に、０．９ｍＪ／パルスのＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）が１ショット入射した後の、該多層基板の断面図である。樹脂被覆層１１に穴１１ａが形成されている。穴１１ａの形状がたとえば円形であるとき、たとえばその直径を９０μｍとすることができる。また、数ショットのビームを穴を広げるように照射し、少ないショット数で、しかも金属層１２にほとんど損傷を与えずに、直径が９０μｍを超える任意の穴径の穴を開けることができる。もし、たとえばパルスエネルギを３ｍＪに設定すれば、直径が１ｍｍに達するような円形の穴も１ショットで作製することができる。
【００１６】
ガルバノスキャナ７ａの動作により、基本波のレーザビームの入射位置が多層基板１０ａの表面上を移動し、樹脂被覆層１１の所定の位置に、直径９０μｍ以上の所定の大きさの穴が、次々と開けられる。これらは、リフティング現象により形成された穴である。
【００１７】
３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）３によって３倍高調波に変換され、ダイクロイックミラー４で基本波と分岐されたパルスレーザビームが光路Ｂを進む。このレーザビームのパルスエネルギは、たとえば１００μＪ／パルスである。３倍高調波のレーザビームは、たとえばビーム断面の形状を円形に整形するマスク５ｂ、反射ミラー６ｂ、レーザビームを高速で走査するガルバノスキャナ７ｂ、レーザビームの焦点を加工対象物１０ｂ上に結ばせるｆθレンズ８ｂを経て、ステージ９上に据えられている加工対象物１０ｂに照射される。ガルバノスキャナ７ｂ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次元方向に高速で走査する。
【００１８】
加工対象物１０ｂは、たとえば下地層の表面に被覆層が形成されている多層基板である。加工対象物１０ａと同じである必要はない。ここでは、加工対象物１０ｂを、下地層がたとえばアルミニウム層であり、被覆層がたとえば厚さ１０μｍのポリイミド樹脂層である多層基板とし、光路Ｂを辿ってきた３倍高調波をポリイミド樹脂層上面から入射させる。
【００１９】
アブレーションにより、ポリイミド樹脂層に穴が形成される。ガルバノスキャナ７ｂの動作により、幾ショットものビームが１つの穴を深めたり広げたりするように照射され、たとえばポリイミド樹脂層を貫通する所定の大きさの穴が開けられる。たとえば形成される穴の形状が円形であるとき、その直径は、たとえば２５μｍ以上９０μｍ未満である。続いて、同様にして、所定の別の位置に所定の大きさの穴を開ける。
【００２０】
パルスエネルギ１００μＪ／パルスの３倍高調波の照射で、たとえば直径が２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴を開ける。直径９０μｍ以上の円形の穴は、ショット数が多くなるため、アブレーション加工では非現実的である。
【００２１】
１枚の多層基板の被覆層が、たとえば直径２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴と、９０μｍ以上の穴とを有するように加工することもできる。以下、第２の実施例でそのことを説明する。
【００２２】
図１を参照する。第２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は、第１の実施例で用いたレーザ加工装置と同一である。なお、ステージ９は、その上に載置された加工対象物を移動させる移動機構を備えている。加工対象物は、第１の実施例でも用いた、たとえば銅で形成された金属層１２表面に、厚さ５０μｍのエポキシ樹脂で形成された樹脂被覆層１１が積層された、図２（Ａ）に示す多層基板である。
【００２３】
光路Ａを進んできたＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）が、多層基板の樹脂被覆層１１表面から入射する。基本波は、ガルバノスキャナ７ａで高速走査され、ガルバノスキャナ７ａで走査可能な領域内の樹脂被覆層１１の所定の位置に、次々と、所定の大きさのたとえば円形の穴を開ける。リフティング加工である。直径が９０μｍの円形の穴を、１ショットの基本波で加工することができる。また、数ショットのビームを穴を広げるように照射し、直径９０μｍを超える任意の穴径の穴を形成することができる。
【００２４】
ガルバノスキャナ７ａによって走査可能な領域内の加工が終了すると、ステージ９により多層基板が移動し、他の領域の加工が行われる。ガルバノスキャナ７ａによる走査とステージ９による多層基板の移動とを繰り返すことにより、たとえば直径が９０μｍ以上の円形の穴を開けることが望まれる多層基板上のすべての位置に、穿孔がなされる。
【００２５】
基本波により穿孔された多層基板が、ガルバノスキャナ７ｂの加工対象領域に搬送される。
光路Ｂを進んできたＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）が、基本波で穴を開けられた多層基板に入射し、基本波で加工された穴とは異なる位置の樹脂被覆層１１に穴を形成する。幾ショットかのレーザビームが、ガルバノスキャナ７ｂの動作により、１つの穴を広げたり深めたりするように照射され、所定の位置に、所定の大きさの穴を形成する。ガルバノスキャナ７ｂで走査可能な領域内の穿孔が終了すると、ステージ９により多層基板が移動し他の領域の加工が行われる。ガルバノスキャナ７ｂによる走査とステージ９による多層基板の移動とを繰り返すことにより、たとえば直径が２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴を開けることが望まれる多層基板上のすべての位置に、穿孔がなされる。
【００２６】
このように、１枚の多層基板の被覆層が、たとえば直径２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴と、直径９０μｍ以上の円形の穴とを有するように加工することもできる。
【００２７】
また、第２の実施例においては、ガルバノスキャナ７ｂの走査可能領域で３倍高調波を照射し、多層基板にたとえば直径２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴を加工すると同時に、ガルバノスキャナ７ａの走査可能領域では基本波を照射して、別の多層基板にたとえば直径９０μｍ以上の円形の穴を加工する。したがって、作業の高速化が実現される。
【００２８】
なお、第１及び第２の実施例においては、多くの場合、基本波を用いるリフティング加工よりも、３倍高調波を用いて行うアブレーション加工の方が、照射するレーザビームのショット数を必要とするであろう。この場合、ガルバノスキャナ７ａの走査領域において基本波による加工が終了した後、ガルバノスキャナ７ｂの走査領域における３倍高調波による加工が終了するまでは、基本波のレーザビームを多層基板に入射させないように、ガルバノスキャナを調節する。また、たとえば、ビームを遮るシャッタを、ダイクロイックミラー４と多層基板の間の光路Ａ上に設けてもよい。
【００２９】
以上、第１及び第２の実施例においては、アブレーション加工にＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（３５５ｎｍ）を用いたが、２倍高調波（５３２ｎｍ）や４倍高調波（２６６ｎｍ）を用いることも可能である。２倍高調波を使用する場合は、図１の加工装置の３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）３が不要である。４倍高調波を使用する場合は、３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）３のかわりに、４倍波発生用非線形結晶（ＦＨＧ，Forth Harmonics Generator）を使用すればよい。高調波成分としては、パルス幅が１ｐｓ以上１μｓ未満の紫外線の波長領域（波長４〜４００ｎｍ）のパルスレーザビーム、パルス幅が１ｐｓ以上１ｎｓ未満の緑色の波長領域（波長４９２〜５７７ｎｍ）のパルスレーザビームを用いることができる。この範囲においては、加工が良好に行われる。なお、紫外線の波長領域のパルスレーザビームの場合、パルス幅が１μｓ以上の範囲では、入熱時間が長いことによる悪影響が出るため、良質の加工は難しい。緑色の波長領域のパルスレーザビームの場合、パルス幅が１ｎｓ以上の範囲では、樹脂被覆層の透過率が高くなり、銅の溶融が起こるため、良質の加工は難しい。
【００３０】
全固体レーザ発振器としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用いたが、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを使用してもよい。また、ガルバノスキャナのかわりにポリゴンミラーを用いたビーム走査光学系を使用してもよい。
【００３１】
更に、ここでは直径が２５μｍ以上９０μｍ未満の円形の穴を３倍高調波で、直径９０μｍ以上の円形の穴を基本波で加工したが、リフティング加工により形成される穴の直径は、照射するレーザビームのパルスエネルギ、加工対象物上に集光されるビームスポットのサイズ、加工対象物の特性等に応じて決定できるので、可能な限りリフティング加工となる基本波を用いることとし、リフティング加工では不可能な小径の穴の加工に３倍高調波を用いることとすれば、トータルの加工時間を最短にすることができる。
【００３２】
なお、第１及び第２の実施例においては、円形の穴を加工したが、穴の形状は円形でなくてもよい。
一般に、アブレーションによる加工は、大きい穴を開けるのには適さない。したがって従来、大きい穴はたとえばＣＯ₂レーザで加工し、小さい穴はたとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の全固体レーザの高調波を用いて、アブレーションで加工を行っていた。また、アブレーションで加工を行う際、高調波発生時に含まれる基本波のビームは利用しないのが通常であった。第１及び第２の実施例に示したレーザ加工方法は、たとえば全固体レーザ発振器だけを用いて、大きい穴と小さい穴を効率よく開けることを可能にする。また、従来活用できていなかった、高調波発生時に含まれる基本波を、有効に活用することができる。
【００３３】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定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は自明であろう。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の被覆層に、短時間で、様々な大きさの穴を開けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２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である。
【図２】（Ａ）は、第１及び第２の実施例によるレーザ加工方法で加工する多層基板の断面図であり、（Ｂ）は、第１及び第２の実施例によるレーザ加工方法で穴を開けられた多層基板の断面図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ 光路
１ 全固体レーザ発振器
２ ２倍波発生用非線形結晶（ＳＨＧ）
３ ３倍波発生用非線形結晶（ＴＨＧ）
４ ダイクロイックミラー
５ａ、ｂ マスク
６ａ、ｂ 反射ミラー
７ａ、ｂ ガルバノスキャナ
８ａ、ｂ ｆθレンズ
９ ステージ
１０ａ、ｂ 加工対象物
１１ 樹脂被覆層
１１ａ 穴
１２ 金属層
１３支持基板

Claims (6)

1. 下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の前記被覆層を透過し、該被覆層と前記下地部材との界面で反射し、反射位置の該被覆層を該下地部材から剥離させる性質を有する第１のパルスレーザビームを、該被覆層の表面から加工対象物の第１の位置に入射させて、該被覆層の一部を該下地部材から剥離させ、前記第１の位置に第１の穴を形成する工程と、
   前記第１のパルスレーザビームの波長と同一の第１の波長の成分及び該第１の波長の高調波成分を含むパルスレーザビームから高調波成分を分離し、分離された高調波成分を、下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の被覆層の表面から加工対象物の第２の位置に入射させ、前記第２の位置の被覆層に、前記第１の穴よりも小さい第２の穴を形成する工程と
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記第１の穴と前記第２の穴とが、一個の加工対象物の異なる箇所に形成される請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記高調波成分が、パルス幅が１ｐｓ以上１μｓ未満の紫外線の波長領域のパルスレーザビーム、またはパルス幅が１ｐｓ以上１ｎｓ未満の緑色の波長領域のパルスレーザビームである請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１の穴を形成する工程において、前記第１のパルスレーザビームを加工対象物の前記第１の位置に、第１のショット数だけ入射させ、
   前記第２の穴を形成する工程において、前記高調波成分を加工対象物の前記第２の位置に、前記第１のショット数より多い第２のショット数だけ入射させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
5. 下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の前記被覆層を透過し、該被覆層と前記下地部材との界面で反射し、反射位置の該被覆層を該下地部材から剥離させる性質を有する第１のパルスレーザビームの波長と同一の第１の波長の成分、及び該第１の波長の高調波成分を含むパルスレーザビームから、前記第１のパルスレーザビームと高調波成分とを分離する工程と、
   前記第１のパルスレーザビームを、該被覆層の表面から加工対象物の第１の位置に入射させて、該被覆層の一部を該下地部材から剥離させ、前記第１の位置に第１の穴を形成する工程と、
   前記高調波成分を、下地部材の表面上に、該下地部材の表層部の材料とは異なる材料からなる被覆層が形成された加工対象物の被覆層の表面から加工対象物の第２の位置に入射させ、前記第２の位置の被覆層に、前記第１の穴よりも小さい第２の穴を形成する工程と
   を有するレーザ加工方法。
6. 前記第１の穴を形成する工程において、前記第１のパルスレーザビームを加工対象物の前記第１の位置に、第１のショット数だけ入射させ、
   前記第２の穴を形成する工程において、前記高調波成分を加工対象物の前記第２の位置に、前記第１のショット数より多い第２のショット数だけ入射させる請求項５に記載のレーザ加工方法。

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