JP4027873B2

JP4027873B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP4027873B2
Application number: JP2003349479A
Authority: JP
Inventors: 朗赤坂; 浩康土屋; 敏文伊藤; 和範松岩
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: JP2005111524A

Description

本発明は、レーザを用いた加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に電子部品の穴開け加工を行うためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来より、マスクの開口径を任意縮小倍率で加工面に投影する、いわゆる縮小投影加工光学系を有するレーザ装置を用いて電子部品、例えばグリーンシートや回路基板の穴開け加工が行われている。この際、加工穴の直径を変えるために、異なる開口径を有するマスクに交換し、マスク開口部を介してレーザビームを絞り加工穴径を変更することが行われている。

図４は、従来のレーザ加工装置１０１の構成図である。レーザ加工装置１０１は、レーザビーム発振器１４５から被加工物１３５に至る光路に沿って、反射ミラー１０７、マスク１１３、高反射ミラー１０９、転写レンズ１２９を備えている。さらに、レーザ加工装置１０１は、転写されたパターン像と所定パターンとの比である実転写倍率値を所定の転写倍率に変更するための転写倍率変更機構（不図示）を備える。この転写倍率変更機構は、転写レンズ１２９と被加工物１３５を矢印１３０、１３６方向すなわち光軸方向に移動させることが可能である。

上記構成において、レーザ発振器１４５から放射されたレーザビームは反射ミラー１０７により斜め上方からマスク１１３に入射する。そのビームの一部はマスク１１３の開口部を通過し、転写レンズ１２９に至る。マスク１１３の反射部により反射されたビームは、高反射ミラー１０９により反射されて再度マスク１１３に至り、マスク１１３の開口部を通過し転写パネル１２９に至る。マスク１１３を通過したレーザビームは、転写レンズ１２９により被加工物１３５上に結像される。

上記レーザ加工装置１０１では、転写レンズ１２９の長期使用による屈折率の変化や、被加工物１３５の厚みの変化等により被加工物上の実際の転写倍率が変化した場合であっても、転写倍率変更機構により所定の転写倍率に調整しレーザ加工を行うことが可能となる（特許文献１参照。）。

図５は、他の従来例であるレーザ加工装置２０１の構成図である。

レーザ加工装置２０１は、レーザビーム発振器２４５から被加工物２３５に至る光路に沿って、コリメータレンズを構成する固定レンズ２０３と可動レンズ２０５，マスク２１３、転写レンズ２２９が配置される構成である。さらに、可動レンズ２０５には駆動装置２１０が連結され、可動レンズ２０５が矢印２０６すなわち光軸に沿って移動可能である。

上記構成において、レーザ発振器２４５から照射されたレーザビームは、コリメータレンズを形成する固定レンズ２０３及び可動レンズ２０５に入射する。この時、可動レンズ２０５を光路に沿って移動（矢印２０６方向）して収束傾向又は発散傾向のビームを形成し、ビーム径をマスクの開口部の径に適合させる。そして、マスクを通過したレーザが転写レンズ２２９で被加工物２３５上に結像される（特許文献２参照。）。

特開平８−４７７９０号公報（段落番号〔００４４〕〜〔００５６〕、図１）特開１１−３０９５９５号公報（段落番号〔００６７〕〜〔００６８〕、図１（ａ）、（ｂ））

図４に示した従来技術のように、所定の縮小投影倍率で加工面に投影する場合において、マスクの遮光部により、透過部を通過するレーザビームの量が減り、レーザのエネルギー損失が生じてしまう。このエネルギ−損失は、加工穴の直径に合わせて、マスク１１３の透過部の直径を小さくすればするほどマスクで遮断されるエネルギーが大きくなる。

図４の従来例と同様に、図５に示したレーザ加工装置２０１は、固定レンズ２０３と移動レンズ２０５との相対的な距離を変更することでレーザビームの径をマスク２１３の開口部の直径に合わせて調整している。よって、図４のレーザ加工装置１０１と同様の不具合を有する。マスク２１３の遮光部により遮断される部分では依然としてエネルギーの損失が生じる。

また、上記レーザ加工装置１０１、２０１において、上記したようなエネルギーの損失があったとしてもその損失を補うだけの出力に余裕があればよいが、マスクによりレーザビームが絞られた結果、被加工物に対して十分エネルギーが到達せず、穴加工が不十分になる恐れがある。

さらに、エネルギ−の損失分を見込んでレーザ加工装置の出力を上げると、レーザ加工装置に大型化やコストの上昇が生してしまうばかりでなく、マスクの遮光部により遮断されたレーザビームは熱としてマスクに吸収されてしまいマスクに損傷を与え寿命が短くなってしまう恐れがある。上記悪影響を防ぐために、マスクの熱対策が必要となってしまう。

さらに、加工穴の径が小さい場合、それに合わせてマスクの開口径を合わせてしまうと、加工穴の径を大きくすることが困難となってしまう。

そこで本発明は、被加工物をレーザ加工する際に、レーザビームのエネルギ−を有効に利用し、かつ被加工物に形成する加工穴の種々の径に対応できるようなレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

また、被加工物に形成する加工穴の径の大きさを変更するために、開口部の径を異なるマスクに取り換える必要がなく、加工時間を短縮化できるレーザ加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のレーザビーム加工装置の第１の態様は、レーザビームを放射するための光源と、前記レーザビームを所定の形状に成形するために前記レーザビームの光路上に配置されたマスクと、前記レーザビームの光路に対して挿脱可能な複数のレンズ部材と、を備え、前記マスク、前記複数のレンズ部材の少なくとも１つの順にこれらを介して前記レーザビームを前記被加工物に導く装置である。

さらに、本発明のレーザビーム加工装置の第２の態様は、前記レンズ部材がコリメータレンズである。

本発明のレーザビーム加工方法によれば、レーザビームを放射するための光源と、前記レーザビームを所定の形状に成形するために前記レーザビームの光路上に配置されたマスクと、前記レーザビームの光路に対して挿脱可能な複数のレンズ部材と、を備える加工装置を用い、前記マスク、前記複数のレンズ部材の少なくとも１つの順にこれらを介して前記レーザビームを前記被加工物に導くレーザ加工方法である。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、光路に挿脱可能な複数のレンズ部材を備え、光源側からマスク、上記複数のレンズ部材の少なくとも１つの順に光路上に配置する構成である。光路に挿脱可能な複数のレンズの一を適宜選択して、マスク、前記選択したレンズを介してレーザビームを被加工物に導くことにより、マスクの交換なしにレーザビームの径を穴加工の直径を変更することが可能となる。よって、加工穴の径に合わせてマスクを変更する手間や、マスクの遮光部によりレーザビームのエネルギー損失を防止もしくは低減することが可能となる。

また、マスクを変える必要無しに穿孔する穴の寸法を自由に変えることが可能となり、加工の自由度を高めることが可能となる。

以下、本発明によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明によるレーザ加工装置１の基本構成図を示す。レーザ加工装置１は、レーザ発振器４５及びガイドレーザ発振器４３を有するビーム発生部２、レーザビームを被加工物であるグリーンシート３５に導く光学系６、ｘガルバノスキャン３１、ｙガルバノスキャン４７等を載置するための支持架台３３、及びセラミックグリーンシート３５を搬送する搬送部８からなる。

まず、光学系６について説明する。光学系６は、複数の全反射ミラー７、１１、１５，１７、１９、コンバイナ９、マスク１３、第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１、ｘガルバノスキャナ３１、ｙガルバノスキャナ４７の各々が有するガルバノスキャンミラー３２，４８、集光レンズ２９からなる。第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１は、それぞれ光軸に対して垂直方向（矢印１０、１２、１４）に移動可能であって、各コリメータレンズ３、５、２１は、光路上の位置及び光路から離間した位置の間で移動できる。

さらに、ｘガルバノスキャナ３１、ｙガルバノスキャナ４７は、ガルバノボックス２３内に配置されている。各スキャナに設けられたガルバノスキャンミラー３２、４８は、その反射角度を調節してレーザビームの照射位置を規定する。

また、ガルバノスキャンミラー３２、４８により反射したレーザビームを集光するためのｆθレンズ２９もガルバノボックス２３内に配置されている。

次に、支持架台３３について説明する。支持架台３３は逆Ｕ字形状であり、鉛直方向に延びる一対の脚部７９、８５と、両脚部７９、８５の上端部間を連結しほぼ水平に延在する一対の横断部材８１、８３からなる。横断部材８１、８３は、平行でかつ互いに離間している。横断部材８１、８３間には矢印３９方向（ｙ軸方向）に摺動可能なガルバノボックス２３が装着されている。ガルバノボックス２３の側面には、鉛直方向下方に向けられセラミックグリーンシート１３の位置を認識するための画像処理用カメラ２５が配置されている。

さらに、搬送部８について説明する。搬送部８は、Ｘ軸ステージ３７及び連続リール状セラミックグリーンシート３５を支持する一対のローラ８７、８９とからなる。連続リール状セラミックグリーンシート３５は、支持架台３３の横断部材８１、８３と交差する方向（すなわち、図１において左から右方向）に搬送される。また、Ｘ軸ステージ３７は、グリーンシート３５の延在する方向、すなわちｘ軸方向（矢印４１）に移動可能な構成である。

上記構成のレーザ加工装置１によるレーザビームの照射について説明する。
被加工物を加工するための加工用レーザビーム（波長３５５ｎｍ）は、ビーム発生部２のレーザ発振器４５から放射される。レーザ発振器４５としては、従来から知られるエキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ等を用いる。

レーザ発振器４５から照射された加工用レーザビームは全反射ミラー７により所定の方向に反射されコンバイナ９に入射する。他方、ガイドレーザ発振器４３から照射された可視光領域のガイドレーザビームも同じくコンバイナ９に入射する。加工用レーザビームとガイドレーザビームは、コンバイナ９により光軸が互いに一致される。

さらに、コンバイナ９で同軸になった加工用レーザビームとガイドレーザビームは、反射ミラー１１を介してマスク１３の開口部を通過する。マスク１３を通過したレーザビーム４は、加工形状と同一の形状に成形される。

成形されたレーザビームは、第１コリメータレンズ３に入射して、拡大されると共に平行光束に成形される。

拡大し平行光束とされたレーザビーム４は、反射ミラー１５、１７、１９、さらに、ｘガルバノスキャナー３１、ｙガルバノスキャナー４７のｘガルバノスキャンミラー３２、ｙガルバノスキャンミラー４８で反射する。

ガルバノスキャンミラー３２、４８で反射したレーザビームは集光レンズであるｆθレンズ２９に入射する。ｆθレンズ２９に入射したレーザビームは集光され、セラミックグリーンシート３５に照射される。

図２は、上記実施形態の光学系６の主要要素を示す構成図である。この光学系６の主要要素としては、レーザ発振器４５から、マスク１３、焦点距離がそれぞれ異なる第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１、ｘガルバノスキャンミラー３２、ｙガルバノスキャンミラー４８、ｆθレンズ２９の順に配置されている。ここで、焦点距離がｆ１である第１コリメータレンズ３は光路上に配置され、第２及び第３コリメータレンズ５、２１は光路から外れた位置に配置される。

上記光学系において、セラミックグリーンシート３５に形成される加工穴の直径φｄは以下のような関係を有する。
φｄ＝（ｆ０／ｆ１）×φｂ

ここで、マスク１３から第１コリメータレンズ３までの距離をｆ１とし、ｆθレンズ２９からグリーンシート３５までの距離をｆ０とする。ｆ０／ｆ１は転写倍率を意味する。

同様に、他のコリメータレンズ５、２１を光路上に選択的に矢印１２、１４の方向に移動することでグリーンシート３５に形成される加工穴の直径φｄを変更することが可能である。すなわち、第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１を適宜選択することにより、転写倍率を変えて加工穴の直径を変更することができる。

次に、レーザ加工装置１の制御について説明する。図３は、レーザ加工装置の制御系を示すブロック図である。

レーザ加工装置１はＣＰＵ（制御部）５３と、所定の加工穴の径に対応するコリメータレンズ等に関する情報等を格納するためのメモリ（記憶部）５５と、を備えている。メモリ５５は、フラッシュメモリ、ＲＯＭ等を利用できる。

制御部５３は、レーザ発振器４５、ガイドレーザ発振器４３に連結されそれらの制御を行う。さらに、制御部５３は、第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１を制御するためのコリメータレンズ切り換え制御部５７、ｘガルバノスキャンミラー３２，ｙガルバノスキャンミラー４８を制御するガルバノスキャナ制御部５９、グリーンシート３５の位置を認識するカメラ２５を制御するための画像処理装置６１、及びＸ軸ステージ３７、及びｙ軸方向（矢印３９）（図１参照。）に移動するガルバノボックス２３を駆動するための駆動系制御部６３に接続されている。

上記のように構成されたレーザ加工装置１を用いてセラミックグリーンシートに加工穴を形成する方法について図４を参照して説明する。

まず、リール状のセラミックグリーンシート３５をＸ軸ステージ３７上に載置した後、グリーンシート３５に設けられている位置決め用基準穴（不図示）をカメラ２５により認識し、画像処理装置６１により位置情報に変換されＣＰＵ５３に送られる。グリーンシート３５の位置情報に基づいて、照射位置を規定すべく、ガルバノスキャナ制御部５９によりｘガルバノスキャンミラー３２及びｙガルバノスキャンミラー４８を、または駆動系制御部６３によりＸ軸ステージ３７、ガルバノボックス２３を移動させて、レーザビームの照射位置を加工位置に設定する。

さらに、グリーンシート３５に設ける加工穴３６に関する情報がＣＰＵ５３に入力され、メモリ５５に格納された情報を参照してその加工穴３６に対応する一のコリメータレンズが選択される。選択されたコリメータレンズに関する情報は、コリメータレンズ切り換え制御部５７に送られ、第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１の何れか一つが光路上に配置される。

上記設定が行われた後、レーザ発振器４５、ガイドレーザ発振器４５からそれぞれ加工用レーザビーム及びガイドレーザビームを照射する。照射された加工用レーザビームは光学系６によりグリーンシート３５上の所定位置に穿孔加工を行う。この穿孔工程は、ｘガルバノスキャンミラー３２、ｙガルバノスキャンミラー４８の反射角度を変化させてグリーンシート３５への照射を繰り返して行われる。

以上説明した実施形態では、第１コリメータレンズ３のみを使用しているが、加工穴の直径に応じて他の第２及び第３コリメータレンズ５、２１を使用することは言うまでもない。

また、レーザ加工装置には、第１〜第３コリメータレンズ３、５、２１を備える実施形態としたが、その一部をレーザビームを拡張するためのエキスパンダに変更したり、３個全てをエキスパンダとしてもよい。すなわち、レーザビームを拡大し、平行光束とする機能を有するレンズ部材であれば特にレンズの種類が制限されることはない。また、上記レンズの個数は３つに限られず、必要な加工穴の直径の種類に応じてレンズ部材の個数を変更することが可能である。

さらに、セラミックグリーンシートに加工穴を設ける構成としたが、キャリアフィルム付きのセラミックグリーンシートや電子部品等に加工穴を設けるための装置として適用できることは言うまでもない。

また、正面円形の加工穴を設ける構成としたが、円形に限らず矩形状のものや、加工穴に限らず溝加工等にも適用できることは言うまでもない。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

本発明によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、セラミックグリーンシート、キャリアフィルム付きセラミックグリーンシート、電子部品等の穿孔に利用できる。

本発明によるレーザ加工装置１の基本構成図である。図１の光学系の構成図である。図１のレーザ加工装置の制御に関するブロック図である。従来のレーザ加工装置の構成図である他の従来のレーザ加工装置の構成図である

符号の説明

１レーザ加工装置
３、５、１４コリメータレンズ
２９ｆθレンズ
３１、４７ｘｙガルバノスキャナ
３５グリーンシート
４５レーザ発振器

Claims

被加工物にレーザビームを用いて穴開け加工するためのレーザ加工装置であって、
前記レーザビームを放射するための光源と、
前記レーザビームを所定の形状に成形するために前記レーザビームの光路上に配置されたマスクと、
前記レーザビームの光路に対して挿脱可能であって、入射するレーザビームを拡大すると共に平行光束に成形可能な複数のレンズ部材と、を備え、
前記マスクと、前記複数のレンズ部材の少なくとも１つと、の順にこれらを介して前記レーザビームを前記被加工物に導くことを特徴とするレーザ加工装置。
前記レンズ部材は、コリメータレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
被加工物にレーザビームを用いて穴開け加工するレーザ加工方法であって、前記レーザビームを放射するための光源と、前記レーザビームを所定の形状に成形するために前記レーザビームの光路上に配置されたマスクと、前記レーザビームの光路に対して挿脱可能であって、入射するレーザビームを拡大すると共に平行光束に成形可能な複数のレンズ部材と、を備える加工装置を用い、
前記マスクと、前記複数のレンズ部材の少なくとも１つと、の順にこれらを介して前記レーザビームを前記被加工物に導くことを特徴とするレーザ加工方法。