JP4074485B2 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を加工対象物に照射して加工を行なうレーザ加工方法及び装置に係り、特に、プリント配線基板を加工するレーザ穴開け機に用いるのに好適な、加工品質の安定及び不良の発生防止を図ることが可能なレーザ加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のプリント配線基板の小型化や高機能化に伴って小型化した、直径０．１ｍｍ以下のスルーホールやビアホールを精度良く形成するために、パルス発振型のレーザビームを用いて、小径の穴を形成するレーザ穴開け機が実用化されている。
【０００３】
このレーザ穴開け機のようなレーザ加工機において適切な加工を行うためには、レーザエネルギを制御することが重要であり、例えば特開２０００−２６３２７１、特開２０００−１０７８７５、特表平１１−５００９６２には、光学素子を使って、レーザエネルギを制御することが記載されている。このうち、特開２０００−２６３２７１、特開２０００−１０７８７５には、レーザエネルギを制御するに当たって、パルスレーザのパルスの一部を取り出すことが記載されている。
【０００４】
即ち、特開２０００−２６３２７１や特表平１１−５００９６２には、加工面に照射されるレーザエネルギの立上りと立下りを音響光学素子（ＡＯＭ）を用いて急激にして、略矩形波とすることで加工品質を向上することが示されている。又、ＡＯＭにより変調周波数を高めて、パルス幅を短くし、微細な加工を行なうことも記載されている。
【０００５】
又、特開２０００−１０７８７５には、光学素子を用いて、パルスレーザから出た１個のパルスから、より短いパルス幅のパルスを取り出すことが記載されている。更に、この短いパルスによって、加工品質の向上と加工品質の安定性の向上が図れることが記載されている。
【０００６】
以上のように、公知の光学素子を使用して、加工面に照射されるレーザエネルギの照射時間幅（パルス幅）を短くし、又、立上り、立下りを急激にすることによって、加工品質を向上、及び、安定させることが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、正常時には図１（Ａ）に示すような形状の、パルス高Ｈのパルスを出力するパルスレーザには、図１（Ｂ）に示す如く、一部のパルスのパルス高が０となって抜けてしまうミスパルスや、図１（Ｃ）に示す如く、一部のパルスの強度が低くなるウィークパルス、又は、強度が高くなるストロングパルスが存在する。又、正常時は図２（Ａ）に示すような一定出力の連続発振（ＣＷ）レーザには、図２（Ｂ）に示すような出力の変動がある。しかしながら、前記従来の方法では、これらのミスパルス、ウィークパルス、ストロングパルス等による不良の発生を防止することはできない。
【０００８】
即ち、プリント配線基板へのビア加工において、図３に示す如く、樹脂層１０の下に銅ランド１２が形成された樹脂加工の場合のように、多数のパルスで穴を開ける場合、図３（Ａ）に示すような正常なパルス列であれば、正常な加工穴が得られるのに対して、図３（Ｂ）に示す如く、ウィークパルスを含む場合には、十分な穴を開けることができず、この問題点を解消するべく、図３（Ｃ）に示す如く、１パルス追加した場合には、穴のえぐれが大きくなり、銅ランド１２表面のダメージや銅ランド１２下部のダメージが生じるという問題点を有する。
【０００９】
一方、図４に示す如く、樹脂層１０の上に銅層１４が形成された銅加工の場合のように、１発のパルスで穴を開ける場合には、図４（Ａ）に示すような正常なパルスであれば、正常な加工穴が開くのに対して、ウィークパルスの場合には、図４（Ｂ）に示す如く、小さな穴しか開かず、１パルス追加した場合には、図４（Ｃ）に示す如く、やはり穴のえぐれが大きくなるという問題点を有していた。
【００１０】
又、従来のようにパルスの立上りと立下りの両者を加工に使用しない場合には、図５（Ａ）に示す如く、パルスの立上り部分Ｐ１及び立下り部分Ｐ２を加工に使用しないことになり、パルスエネルギの利用効率が悪化するという問題点も有している。パルスレーザは、一般的に図６に示すような発振デューティ（＝制御信号幅Ａ／発振時間間隔Ｂ）の最大値が制限されており、利用効率の悪化は、発振周波数の低下を招き、加工対象物の加工時間を増やすことになる。ここで、制御信号は、レーザを発振させるために制御装置からレーザ発振器に送られる信号で、トリガ信号とも称する。レーザの発振は、この制御信号に比べて、立上り、立下りを持つ形態となっている。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、パルスレーザにおけるミスパルス、ウィークパルス、ストロングパルス、ＣＷレーザにおける出力変動時のレーザ出力を、加工面に照射することを防止し、これにより加工品質の安定、不良の発生防止を図ることを第１の課題とする。
【００１２】
本発明は又、パルスエネルギの利用効率を高めることによって、レーザの発振周波数を高め、加工時間を短縮することを第２の課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光を加工対象物に照射して加工を行なう際に、レーザ光の最初の部分の一部のエネルギを検知し、検知したエネルギが設定範囲にある時のみ、レーザ光の残りの部分の少なくとも一部を加工対象物に照射して加工を行うようにして、前記第１の課題を解決したものである。
【００１４】
又、前記最初の部分のエネルギ検知を、レーザ光のパルス毎に行うようにしたものである。
【００１５】
又、前記最初の部分のエネルギが設定範囲にない時は、再度レーザ光を照射して、エネルギを再び検知するようにしたものである。
【００１６】
又、前記レーザ光の再照射を設定回数又は設定時間繰り返してもエネルギが設定範囲にならない時は、レーザ光の発振を停止して警報を出力するようにしたものである。
【００１７】
本発明は、又、パルスレーザ光を加工対象物に照射して加工を行なう際に、レーザ光の立下りの少なくとも一部を加工対象物に照射して加工を行うようにして、前記第２の課題を解決したものである。
【００１８】
本発明は、又、レーザ光を加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、レーザ光の最初の部分の一部のエネルギを検知するエネルギ検知手段と、検知したエネルギが設定範囲にある時のみ、レーザ光の残りの部分の少なくとも一部を加工対象物に照射するための光路変更手段とを備えることにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００１９】
又、前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の入側に設けたものである。
【００２０】
あるいは、前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の出側の加工対象物非照射側に設けたものである。
【００２１】
あるいは、前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の出側の加工対象物非照射側と照射側の両方に設けたものである。
【００２２】
又、前記エネルギ検知手段にレーザ光の一部を分岐するためのスプリッタを透過型としたものである。
【００２３】
本発明は、又、パルスレーザ光を加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、レーザ光の立下りの少なくとも一部を加工対象物に照射するための光路変更手段を備えることにより、前記第２の課題を解決したものである。
【００２４】
又、前記光路変更手段が、音響光学素子（ＡＯＭ）を含むようにしたものである。
【００２５】
あるいは、前記光路変更手段が、電気光学素子（ＥＯＭ）と偏光ビームスプリッタを含むようにしたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の第１実施形態は、図７に示す如く、レーザ発振器２０と、該レーザ発振器２０から出力されるレーザ光の最初の部分の少なくとも一部のエネルギを検知するための検知器２２と、該検知器２２で検知されたエネルギが設定範囲にあるか否か判定するための判定装置３０と、レーザ光の光路を変更するための光路偏向手段（例えばＡＯＭ）３２と、加工面に照射されないレーザ光を吸収するためのダンパ４０と、加工面を含む加工部４２と、前記判定装置３０の出力に応じて前記光路偏向手段３２及びレーザ発振器２０を制御すると共に、必要に応じて警報装置５２を駆動するための制御装置５０とを備えている。
【００２８】
前記検知器２２は、図８に詳細に示す如く、例えば１％程度の反射率の反射型スプリッタ２４と、該スプリッタ２４により分岐された光を検知するセンサ２６とを含んで構成されている。ここで、前記スプリッタ２４には、その表面と裏面との反射光の干渉を避けるため、ウェッジ角を付けておくことが望ましい。
【００２９】
前記加工部４２は、図９に例示する如く、例えばパルス状のレーザビームを、所定の方向（図９では紙面に垂直な方向）に走査するための回転ミラー４５を含む第１ガルバノスキャナ４４と、該第１ガルバノスキャナ４４によって紙面に垂直な方向に走査されたレーザビームを、該第１ガルバノスキャナ４４による走査方向と垂直な方向（図９では紙面と平行な方向）に走査するための回転ミラー４７を含む第２ガルバノスキャナ４６と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ４４、４６により２方向に走査されたレーザビームを、例えばＸＹステージ６上に固定された、基板等の加工対象物８の表面（加工面）に対して垂直な方向に偏向して照射するためのｆθレンズ４８とを備えている。
【００３０】
以下、図８を参照して、第１実施形態の作用を説明する。
【００３１】
図１０に示す如く、前記レーザ発振器２０から出たレーザ光の最初の部分について、検知器２２を用いてエネルギを検知し、所定のエネルギ範囲にあるかどうかを判定装置３０で判定する。このときは光路偏向手段３２が働かず、レーザ光はダンパ４０にスルーして加工面には照射されない。
【００３２】
判定後、所定のエネルギの範囲内にある場合は、図８に示す如く、光路偏向手段３２が作動して、レーザ光を加工部４２に照射する。
【００３３】
一方、所定のエネルギの範囲内にない場合は、光路偏向手段３２が動作せず、レーザ光は加工部４２には照射されないで、ダンパ４２にスルーする。この場合は、自動的に設定された時間後、又は、設定されたパルス数後に、再度レーザ照射を試み、所定のエネルギに達していた場合には、光路偏向手段３２が作動して、レーザ光を加工部４２に照射する。一方、設定された回数を試みても、所定のエネルギに達していない場合には、自動的に加工機を停止し、レーザ発振を停止し、警報装置５２を駆動して、視覚的又は聴覚的な手段により、オペレータに警報を出力する。
【００３４】
前記判定装置３０におけるエネルギの判定は、図１１に示す如く、レーザ発振から所定の時間後に、センサ２６で受けたピーク出力が、予め設定した上下限値以内にあることから判定することができる。あるいは、レーザ発振から所定の時間後に、センサ２６で受けたピーク出力の積分値が、予め設定した上下限値以内にあることから判定することもできる。なお、前記上下限値は、例えば加工前にダンパ４０に向けたレーザ照射を行ない、その平均値を中心として、予め設定した割合で自動的に設定することができる。
【００３５】
前記検知器２２の配設位置は、図７や図８に示したような光路偏向手段３２の入側に限定されず、図１２に示す第２実施形態のように、光路偏向手段３２の出側に設けることも可能である。
【００３６】
この場合には、光路偏向手段３２の劣化や故障も検知可能となる。
【００３７】
あるいは、図１３に示す第３実施形態の如く、光路偏向手段３２出側の加工部４２非照射側だけでなく、加工部４２の照射側にも検知器２２を設けることができる。
【００３８】
この場合には、加工部４２に照射したエネルギの良不良確認判定も可能になる。
【００３９】
又、前記検知器２２におけるスプリッタ２４とセンサ２６の配置は、前記実施形態に限定されず、図１４に示す変形例の如く、透過型のスプリッタ２５を用いることもできる。
【００４０】
この場合には、ウェッジ角によりレーザビームが楕円になることを防止できる。
【００４１】
前記実施形態においては、光路変更手段として、ＡＯＭからなる光路偏向手段３２が用いられていたが、光路変更手段は、これに限定されず、図１５に示す第４実施形態のように、電気光学素子（ＥＯＭ）３４と偏光ビームスプリッタ３６を組合わせて使用することもできる。
【００４２】
この場合には、図１６に示す如く、例えば検知器２２にＳ偏光を送り、加工部４０にはＰ偏光を送ることができる。なお、Ｐ偏光とＳ偏光は逆であってもよい。
【００４３】
あるいは、図１７（側面図）及び図１８（正面図）に示す第５実施形態のように、光路変更手段として、スリット３９のついた反射板３８を回転動作させ、これに同期してレーザ発振を行なうことも可能である。
【００４４】
なお、加工に必要なパルスエネルギが同じ場合、図５（Ｂ）に示した如く、立下り部分Ｐ２も加工に使用すると、図５（Ａ）に示す如く、立上り部分Ｐ１、立下り部分Ｐ２を共に使用しない場合に比べ、制御信号幅（トリガ時間）を短くすることができる。即ち、図５（Ａ）（Ｂ）において、ハッチング部分の面積（エネルギ）は同じであるが、（Ｂ）の方が制御信号幅は短い。発振デューティが制限されている場合、パルス幅を短くすることによって、発振時間間隔を短くすることができる。よって、発振周波数が増し、加工対象物の加工時間を短縮することができる。
【００４５】
なお、加工材料によっては、ある一定のエネルギ密度（スレッシュホールド）以上でないと、全く加工されない場合がある。この場合、立下り最終部の過剰なエネルギは、光路変更手段後の光学部品の劣化を早めるだけであり、又、過剰なエネルギは、加工部４２からより多くのヒュームを発生させ、次パルスが加工部に照射される際の障害となる。
【００４６】
このような問題に対処しつつ、レーザ発振周波数をできるだけ増やすため、図１９に示す如く、エネルギ密度がスレッシュホールド以下にならない範囲でのある一定の遅れ時間を設け、この時間内のパルスの立下り部分のみを使用することができる。これは、光路変更手段の切換えタイミングを、タイマ等を用いて、制御信号終了後に一定時間遅らせることで実現できる。あるいは、図８に示した第１実施形態や図１３に示した第３実施形態の場合には、検知器２２により、実際にエネルギがスレッシュホールドに到達するタイミングを検知すれば、パルスエネルギを無駄なく使用することができる。
【００４７】
なお、前記実施形態においては、いずれも、ダンパ４０により不要なレーザ光を吸収していたが、ダンパ４０の代わりにパワーメータやフォトダイオードで分岐状態をモニタしたり、あるいは、ボディに直接当てて吸収することも可能である。
【００４８】
前記実施形態においては、本発明が、レーザ穴開け機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、レーザ切断機やマーキングマシン等、レーザ加工機一般に、同様に適用できることは明らかである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、パルスレーザにおいては、ウィークパルスやミスパルスの加工面への照射を防止し、正常なパルスのみを所定の数だけ加工面に照射することができる。従って、加工品質を安定させ、不良の発生を防止することができる。又、ＣＷレーザにおいても、同様に、所定の範囲外のエネルギを照射することを防止し、加工品質を安定させ、不良の発生を防止することができる。
【００５０】
又、パルスの立下り部分を使用することにより、パルスエネルギの利用効率を上げることができ、レーザの発振周波数を高めて、加工対象物の加工時間を削減することができる。更に、加工面での急激なエネルギ減少を防止でき、例えば溶接時等に発生する凝固割れ（高温割れ）を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルスレーザのミスパルス、ウィークパルス、ストロングパルスを示すタイムチャート
【図２】ＣＷレーザの出力変動例を示すタイムチャート
【図３】基板へのビア加工における樹脂加工の場合の問題を説明するためのタイムチャート及び断面図
【図４】同じく銅加工の場合の問題を説明するためのタイムチャート及び断面図
【図５】従来例及び本発明の実施形態におけるレーザパルス、加工面に照射されるエネルギ及び制御信号幅の関係を示すタイムチャート
【図６】パルスレーザの発振デューティを説明するためのタイムチャート
【図７】本発明の第１実施形態の全体構成を示すブロック図
【図８】同じく要部を示す拡大ブロック図
【図９】同じく加工部を示す斜視図
【図１０】第１実施形態におけるパルスの使い方を示すタイムチャート
【図１１】同じくエネルギの判定方法を示す線図
【図１２】本発明の第２実施形態における検知器の配置を示す拡大ブロック図
【図１３】同じく第３実施形態における検知器の配置を示す拡大ブロック図
【図１４】前記実施形態で用いられている検知器を構成するスプリッタの変形例を示す要部拡大図
【図１５】本発明の第４実施形態における配置を示すブロック図
【図１６】同じくパルスの使い方を示すタイムチャート
【図１７】本発明の第５実施形態における光路変更手段の構成を示す側面図
【図１８】同じくスリット付反射板の形状を示す正面図
【図１９】本発明の第６実施形態におけるレーザパルスの使い方を示すタイムチャート
【符号の説明】
１０…樹脂層
１２…銅ランド
１４…銅層
Ｐ１…立上り部分
Ｐ２…立下り部分
２０…レーザ発振器
２２…検知器
２４…スプリッタ（反射型）
２５…スプリッタ（透過型）
２６…センサ
３０…判定装置
３２…光路偏向手段（ＡＯＭ）
３４…電気光学素子（ＥＯＭ）
３６…偏光ビームスプリッタ
３８…スリット付反射板
４０…ダンパ
４２…加工部
５０…制御装置
５２…警報装置

Claims (13)

1. レーザ光を加工対象物に照射して加工を行なう際に、
   レーザ光の最初の部分の一部のエネルギを検知し、
   検知したエネルギが設定範囲にある時のみ、レーザ光の残りの部分の少なくとも一部を加工対象物に照射して加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記最初の部分のエネルギ検知を、レーザ光のパルス毎に行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記最初の部分のエネルギが設定範囲にない時は、再度レーザ光を照射して、エネルギを再び検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザ光の再照射を設定回数又は設定時間繰り返してもエネルギが設定範囲にならない時は、レーザ光の発振を停止して警報を出力することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. パルスレーザ光を加工対象物に照射して加工を行なう際に、
   レーザ光の立下りの少なくとも一部を加工対象物に照射して加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
6. レーザ光を加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、
   レーザ光の最初の部分の一部のエネルギを検知するエネルギ検知手段と、
   検知したエネルギが設定範囲にある時のみ、レーザ光の残りの部分の少なくとも一部を加工対象物に照射するための光路変更手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の入側に設けたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の出側の加工対象物非照射側に設けたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
9. 前記エネルギ検知手段を、前記光路変更手段の出側の加工対象物非照射側と照射側の両方に設けたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
10. 前記エネルギ検知手段にレーザ光の一部を分岐するためのスプリッタが透過型であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. パルスレーザ光を加工対象物に照射して加工を行なうためのレーザ加工装置において、
    レーザ光の立下りの少なくとも一部を加工対象物に照射するための光路変更手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
12. 前記光路変更手段が、音響光学素子を含むことを特徴とする請求項６又は１１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記光路変更手段が、電気光学素子と偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項６又は１１に記載のレーザ加工装置。

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