JP4074486B2 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents
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Description
【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、加工品質を改善す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による金属表面の穴開け加工では、図1に示す如く、加工面の加熱Aによる加工材の蒸気としての除去(図2参照)Bと、加工材の液体としての除去(図3参照)Cの2つの現象により、図4に示すようなクレータ状の穴16が形成される。図において、10は樹脂層、12、14は、その下側及び上側に形成された銅層である。
【0004】
ここで、加工材の液体としての除去Cの割合が多い場合は、形成された穴16の端部の盛上り(ドロスと称する)17が大きくなる。又、電気基板の加工においては、銅層14の裏側への熱影響範囲が大きくなるという加工品質の悪化が生じる。従って、より短時間により多くのエネルギを加工面に吸収させ、加工材の蒸気としての除去Bをすることが、品質向上の重要な点である。
【0005】
一方、金属表面では、レーザ光の吸収率が低く、これが、レーザ光による金属の穴開けや切断加工を難しくしている。即ち、吸収率が高い場合には、図5(A)に示す如く綺麗な穴を開けられるのに対して、吸収率が低い場合には、図5(B)に示す如く、銅層14の裏に熱影響による欠陥を生じたり、盛上り(ドロス)17が大きくなる。例えばCO2レーザに対する銅の吸収率は10%以下と低い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、金属表面での吸収率を上げて加工性を改善するために、金属表面を荒らして凹凸をつけ、吸収率を上げる方法が採られている。レーザ加工に用いられているパルスレーザや連続発振(CW)レーザは、図6に示す如く、レーザ発生時に緩やかに最大ピークに達する。CO2パルスレーザでは、その期間は15〜30μ秒と長い。そのため、ピークの立上り部分P1で表面の凹凸が溶けて滑らかになり、吸収率が低下してしまう。
【0007】
この問題を解決するために、パルスの立上りを急激にして、一気に大きな熱量を投入する方法が採られている。しかしながら、TCO2レーザやQスイッチレーザは、パルスの急激な立上りを有するが、パルス幅やパルスエネルギの制御が難しいという問題点を有する。
【0008】
急激に立上げる他の方法としては、特開平11−500962や特開2000−263271に記載されているように、パルスの一部又はCWレーザの一部を、音響光学素子(AOM)を使って取り出す方法がある。AOMの応答速度は1μ秒以下と短く、急激なエネルギの立上りを得ることができる。しかしながら、吸収率を高める工夫はされていなかった。
【0009】
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、加工面でのレーザエネルギの吸収率を高めて、加工品質を改善することを課題とする。
【0010】
【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を加工対象物に照射して、加工面の温度を上昇させた後、前記加工対象物に対する照射を一旦中止し、次いで、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なうようにして、前記課題を解決したものである。
【0011】
又、前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ照射を開始してから所定時間経過後に行なうようにしたものである。
【0012】
あるいは、前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ光のエネルギが所定レベルに達したときに行なうようにしたものである。
【0013】
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を加工対象物に照射して、加工面の温度を上昇させた後、前記加工対象物に対する照射を一旦中止し、次いで、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再度照射して加工を行うための光路変更手段を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【0014】
又、前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ照射を開始してから所定時間経過後に行なうためのタイマを備えたものである。
【0015】
あるいは、前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ光のエネルギが所定レベルに達したときに行なうためのエネルギ検知手段を備えたものである。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
金属表面でのレーザの吸収率は、金属温度が高いほど高いことが知られている。本発明は、この点に着目してなされたものである。
【0023】
【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。
【0024】
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エネルギを検知するための検知器22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、前記検知器22の出力に応じて前記光路変更手段32及びレーザ発振器20を制御するための制御装置50とを備えている。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
以下、図8を参照して、第1実施形態の作用を説明する。
【0028】
図10(A)(パルスレーザの場合)、図10(B)(CWレーザの場合)に示す如く、レーザ発振器20から出たレーザ光の立上りの部分P11を、光路変更手段32により加工部42に照射する。このときのエネルギは、加工面の予熱に使われる。
【0029】
レーザ照射開始から、図示しないタイマで計時した所定時間経過後、又は、前記検知器22により所定のエネルギに達したことが検知された時t1に、前記光路変更手段32が作動して、レーザ光を加工部42からダンパ40側に切換える。
【0030】
ダンパ40側に切換えてから、前記タイマで計時した所定時間経過した後、又は、前記検知器22により所定のピークパワーに達したことが検知された時t2に、光路変更手段32を再度切換えて、レーザ光を加工部42に照射する。このときのエネルギは、加工面の除去加工に使われる。
【0031】
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11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。
【0032】
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。
【0033】
あるいは、図12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。
【0034】
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。
【0035】
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13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。
【0036】
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。
【0037】
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14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。
【0038】
この場合には、図15(A)(パルスレーザの場合)、図15(B)(CWレーザの場合)に示す如く、例えばダンパ40にS偏光を送り、加工部42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。
【0039】
あるいは、図16(側面図)及び図17(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。
【0040】
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。又、タイマにより光路を切換える場合は、検知器22は不要である。
【0041】
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。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光の最初の部分の少なくとも一部を加工対象物に照射して、加工面の凹凸が溶けない範囲で加工面の温度を上昇させ、吸収率を高めてから、本加工を行なうので、加工材が蒸発する割合を増やして、穴端部の盛上りの低減、熱影響範囲の低減、穴径の増加等、穴品質(加工品質)を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザによる穴開け加工のメカニズムを説明するための線図
【図2】加工材の蒸気としての除去の様子を示す断面図
【図3】加工材の液体としての除去の様子を示す断面図
【図4】形成されたクレータ状の穴を示す断面図
【図5】従来の問題点を説明するための、吸収率の違いによる穴形状の違いを比較して示す線図
【図6】レーザ発生時の立上りを示すタイムチャート
【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】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12】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13】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14】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15】同じくパルスの使い方を示すタイムチャート
【図16】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17】同じくスリット付反射板の形状を示す正面図
【符号の説明】
10…樹脂層
12、14…銅層
P1、P11…立上り部分
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
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
Claims (12)
- 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を加工対象物に照射して、加工面の温度を上昇させた後、
前記加工対象物に対する照射を一旦中止し、
次いで、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再度照射して加工を行なうことを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ照射を開始してから所定時間経過後に行なうことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ光のエネルギが所定レベルに達したときに行なうことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 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を加工対象物に照射して、加工面の温度を上昇させた後、前記加工対象物に対する照射を一旦中止し、次いで、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再度照射して加工を行う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。 - 前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ照射を開始してから所定時間経過後に行なうためのタイマを備えたことを特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。
- 前記残りの部分の少なくとも一部の加工対象物への照射を、レーザ光のエネルギが所定レベルに達したときに行なうためのエネルギ検知手段を備えたことを特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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4に記載のレーザ加工装置。
- 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4に記載のレーザ加工装置。
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