JP4174267B2 - レーザ加工方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
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に関する。
【0002】
【従来の技術】
以下、従来のレーザ加工装置について説明する。
【0003】
電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板として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、多層配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホール(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、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。
【0004】
ビアホールの形成には、ビアホールの微細化に伴い、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。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てレーザ光を走査させることにより、高速加工を実現している。さらに、加工する穴径を選択するため、マスクとしてアパーチャを採用し、アパーチャの像を結像レンズ用いて基板上に転写する転写光学系を採用すると共に、1つのビアホールに対してレーザ光を複数回に分けて照射することにより、ビアホールの形状精度を向上させている。
【0005】
ところで、1枚のプリント配線基板であっても、場所によって絶縁層の厚さにばらつきがある。さらに、絶縁層にガラスクロスが入っている場合はガラスクロスに疎密がある。そこで、一般に、レーザ光のエネルギを最も必要とされる大きさにしておき、ビアホールを確実に形成するようにしている。
【0006】
しかし、投入したエネルギよりも低いエネルギで加工が完了する場合、エネルギが過多となり目的とする導体層(以下、「内層銅箔」という。)を損傷させてしまう場合があった。
【0007】
そこで、特開2000−202668号公報ではQスイッチ発振が可能なレーザを用いてQスイッチ発振の周波数を変化させ、Qスイッチのピークパワーとパルスエネルギを小さくすることにより、レーザ光のピークパワーを徐々に小さくしている。
【0008】
また、特許第3011183号では、基板によって反射されたレーザ光の強度を検出する手段を設け、基板の樹脂層と内層銅箔の反射光量の違いから加工状態を判断してレーザ照射回数を制御するようにしている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
図9は、いわゆるガラス入り基板を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A断面図、(c)は(a)におけるB−B断面図である。この基板の絶縁層は、樹脂55と格子状に織られたガラス繊維56とから構成されており、第1の穴位置57のように表面から内層銅箔54までが樹脂55だけで埋まっている場所もあれば、第2の穴位置58のようにガラス繊維56が密な場所もある。
【0010】
ところで、ガラス繊維56を加工するためには、樹脂55を加工する場合に比べて数百倍程度のエネルギが必要である。このため、従来技術の前者のように同一条件で加工を繰り返しても所望の加工を行うことができない場合がある。一方、従来技術の後者はレーザ照射回数を制御しているものの、照射するエネルギを予め定めているため、加工部に残存する樹脂の量によってはエネルギが供給過剰になって内層銅箔を損傷させる場合がある。
【0011】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、内層銅箔の損傷を低減することができると共に、信頼性が高いビアホールを加工することができるレーザ加工方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第1の手段は、レーザビーム強度とパルス幅とがそれぞれ一定である第1のレーザ光を複数回照射して穴明け加工を行うレーザ加工方法において、加工対象物から反射される前記レーザ光の反射ビーム強度に基づいて、パルス幅が前記パルス幅よりも小さい第2のレーザ光を次に照射するレーザ光として定めておき、加工時、前記反射ビーム強度を監視し、前記反射ビーム強度が予め定めた第1の強度を超えるまでは前記第1のレーザ光を前記加工対象物に照射し、前記反射ビーム強度が前記予め定めた第1の強度を超えたときは、前記反射ビーム強度が予め定めた第2の強度に達するまで、前記第2のレーザ光を照射することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図1は、本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。
【0015】
初めに、レーザ光の光路について説明する。
【0016】
レーザ発振器2の光路上には、パルス幅調整器100、ズームユニット7、マスク5、ビームスプリッタ8、2軸スキャナ11、fθレンズ12および基板14が配置されている。
【0017】
レーザ発振器2は、加工機制御部1からの指令に基づいて、ピークエネルギが略一定のレーザ光3を出射する。パルス幅調整器100は加工機制御部1からの指令に基づいて、レーザ光3のパルス幅を制御する。駆動機構6は、加工機制御部1からの指令に基づいて、ズームユニット7を動作させ、入射するレーザ光3のビーム径を制御する。マスク5には、複数のアパーチャ5aが形成されている。マスク切替え駆動機構4は、加工機制御部1からの指令に基づき、所望のアパーチャ5aをレーザ光3の光路上に配置する。
【0018】
ビームスプリッタ8は、レーザ光3の光路に対して45度に配置され、レーザ光3の大部分を加工ビーム9として反射し、残りのレーザ光3をモニタビーム10として透過(直進)させる。モニタビーム10の光路上には、光減衰手段21、集光レンズ19、光検出器17が配置されている。
【0019】
また、ビームスプリッタ8の背面側(モニタビーム10側)の加工ビーム9の延長線上には、光減衰手段20、集光レンズ18、光検出器16が配置されている。
【0020】
2軸スキャナ11は、ガルバノミラー25、26から構成されており、加工機制御部1からの指令に基づいて、ガルバノミラー25、26の回転角度を制御する。XYステージ13は、多層配線基板14を載置し、加工機制御部1からの指令に基づいて、多層配線基板14をfθレンズ12に対して位置決めする。
【0021】
光検出器16、17は、検出結果を加工状態診断部22に出力する。加工状態診断部22は、診断結果を加工機制御部1に出力する。加工機制御部1には、後述するデータテーブルを記憶すると共に加工状態診断部22から出力された診断結果を記憶する記憶部23と、加工状態を表示する表示部24とが接続されている。
【0022】
次に、記憶部23に記憶されているデータテーブルについて説明する。
【0023】
図3は、内層銅箔54の表面における穴底面積Sと反射ビーム15(多層配線基板14で反射された加工ビーム9の一部である。)の強度Rとの関係を示す図であり、(a)の上段は穴の平面図、下段は穴の断面図、(b)は穴底面積Sと反射ビーム15の強度Rとの関係を示している。
【0024】
同図(b)に示すように、反射ビーム15の強度Rは穴底面積Sにほぼ比例して増大するので、反射ビーム15の強度Rから穴底面積Sを推定することができる。また、穴底が露出した後は、加工すべき樹脂の量が少ないので、加工部に供給するエネルギは初期に設定したエネルギより少なくて良い。そこで、予め基板の材質および加工しようとする穴径毎に加工条件を変えて試験を行い、反射ビーム15の強度Rすなわち加工部の加工状態と穴底面積Sとの関係を把握する。そして、それぞれの加工状態から当該加工が完了するまでに必要なエネルギを求め、任意の加工状態ごとに次のショットで照射するレーザ光のエネルギ(ここではパルス幅)を決定する。そして、その結果をデ−タテーブルにして記憶部23に記憶させておく。
【0025】
図4は、本発明におけるレーザ光の照射パターン例を示す図であり、同図(a)は反射ビーム15の強度Rが図3に示すR2以下の場合は、次に照射するレーザ光のパルス幅をt、反射ビーム15の強度RがR2を超えR4以下の場合はパルス幅を0.5t、反射ビーム15の強度RがR4を超えている場合はパルス幅を0.1tとする例である。なお、レーザ光のパルス幅をtとすると、ガラス繊維56が密な上記図9における第2の穴位置58の場合も確実に穴を加工することができる。
【0026】
また、同図(b)は反射ビーム15の強度RがR1以下の場合はパルス幅をt、反射ビーム15の強度RがR1を超えR2以下の場合はパルス幅を0.75t、反射ビーム15の強度RがR2を超えR3以下の場合はパルス幅を0.5t、反射ビーム15の強度RがR3を超えR4以下の場合はパルス幅を0.25t、反射ビーム15の強度RがR4を超えている場合はパルス幅を0.1tとする例である。
【0027】
また、同図(c)は反射ビーム15の強度RがR4以下の場合はパルス幅をt、反射ビーム15の強度RがR4を超えた場合はパルス幅を0.1tとする例である。
【0028】
なお、レーザ光の照射パターンは、基板の材質や加工する穴径等に応じて設定すればよい。
【0029】
また、上記では次に照射するレーザ光のエネルギを第1回目のエネルギの100%以下にしたが、100%を超える値にしてもよい。
【0030】
次に、照射パターンとして上記図4(a)のパターンを採用し、3ショットで(すなわち、レーザ光3を3回照射することにより)穴を加工する場合を例にとり、図9に示すガラス入り基板を加工する場合について説明する。
【0031】
図5と図6はそれぞれ図9における第1の穴位置57と第2の穴位置58を加工する場合のモニタビーム10と反射ビーム15の強度と加工形状との関係を示す図であり、(a)はモニタビームの強度(光検出器17の出力信号)と反射ビームの強度(光検出器16の出力信号)を、(b)は加工部の断面形状を示している。
【0032】
図5に示す第1の穴位置58の場合、ガラス繊維56が密であるため、3ショット目のレーザ光でようやく内部銅箔54が露出し始め、パルスの中期以降で露出面積が略加工ビーム9の直径に等しくなる。そして、穴底面積が変化しなくなることに伴い、反射ビーム15の強度信号が基準2(R4)を超えて一定となる。この状態になると加工が完了したと判断できる。
【0033】
一方、図6に示すガラス繊維56がない第2の穴位置57の場合、1ショット目のレーザ光で内部銅箔54に到達する穴が形成されて内部銅箔54が露出し始め、反射ビーム15の強度が基準1(R2)を超えたので、2ショット目のレーザ光のパルス幅を0.5tにする。2ショット目の中期以降から、内部銅箔54の穴底面積Sが略加工ビーム9の直径に等しくなり、穴底面積が変化しなくなることに伴い、基準2を超えて反射ビーム15の強度信号は一定となる。この状態になると加工が完了したと判断できるが、ここでは、3ショット目のパルス幅を0.1tに制御し、内層銅箔54へ損傷を与えることがない極弱いエネルギを照射する。このようにすると、穴底に残っていた絶縁物を確実に除去することができる。
【0034】
このように、本発明では、加工に必要なエネルギだけを加工部に供給するので、内層銅箔54が損傷することを予防できる。
【0035】
次に、この実施形態の動作を説明する。
【0036】
図2は、本発明により1個のビアホールを加工する場合の加工手順を示すフローチャートである。
【0037】
加工に先立ち、予め加工機制御部1に加工条件を入力しておく。加工条件としては、基板の種類、加工する穴径、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、照射回数等を入力する。
【0038】
図示を省略する加工開始釦がオンされると、加工機制御部1は照射回数n1を0にした後(S10)、n1回目の照射を行い(S20)、照射回数n1をn1+1とする(S30)。レーザ発振器2から出射されたレーザ光3は、ズームユニット7により予め定められた直径に整形された後、マスク5に入射する。アパーチャ5aを透過したレーザ光3の大部分はビームスプリッタ8により反射され、加工ビーム9として2軸スキャナ11、fθレンズ12により定められた基板14の加工個所に入射し、当該箇所の加工を行う。
【0039】
反射ビーム15はfθレンズ12、2軸スキャナ11を介してビームスプリッタ8に入射する。そして、ビームスプリッタ8を透過した反射ビーム15は、光減衰手段20によりエネルギを減衰されて集光レンズ18に入射し、光検出器16の中心に集光される。
【0040】
光検出器16は、検出した反射ビーム15の光量を、加工状態診断部22に出力する。加工状態診断部22は、光検出器16の出力信号と予め入力されている評価基準とを比較することにより現在の加工状態を評価し、その結果を加工機制御部1に出力する。加工機制御部1は、加工状態診断部22から出力された結果に基づいて記憶部23のデータテーブルを参照し、適切なパルス幅を選択して、その値をパルス幅調整器100に出力する。また、加工状態診断部22で得られた結果を加工位置およびレーザショット数の情報と統合して記憶部23に貯えると共に、表示部24に表示する。なお、記憶部23に貯えられたデータは、以後の加工や検査等のプロセスに活用される。
【0041】
また、モニタビーム10の強度はレーザ光3の強度に比例するので、ビームスプリッタ8を透過したモニタビーム10の強度を、反射ビーム15の場合と同様に、加工状態診断部22により評価する(S40)。そして、モニタビーム10の強度が予め入力されている評価基準を満足した場合はS50の処理を行い、その他の場合はS80の処理を行う。S50では、反射ビーム15の強度と予め入力されている評価基準とを比較し、反射ビーム15の強度が評価基準を満足した場合はこの穴の加工を終了し、その他の場合はS60の処理を行う。
【0042】
S60では、照射回数n1とnとを比較し、n1<nの場合はS70の処理を行い、n1=nの場合はS80の処理を行う。
【0043】
S70では、反射ビーム15の強度に基づきデータテーブルを参照して、n1+1回目に照射するレーザ光のパルス幅を設定する。S80では、当該加工位置を加工不良個所として記憶した後、加工エラーを表示して(S90)、処理を終了する。
【0044】
以上、説明したように加工が完了するのに必要な加工エネルギを事前に求めてレーザ光を過剰に照射することを防止することで、加工閾値(必要とされるエネルギに)にばらつきがある基板でも高品質な加工ができる。
【0045】
なお、上記では、レーザ光を照射する毎に加工状態を評価し、加工が完了したと評価された場合には、照射回数が設定回数未満であっても、加工を終了するようにしたが、図7に示すように、手順S50と手順S60を入替え、予め定める回数だけレーザ光を照射してから、加工状態を評価するようにしてもよい。
【0046】
なお、モニタビーム10の測定結果を、記憶部23に記憶させるようにしてもよい。
【0047】
また、上記ではレーザ源としてCO2レーザを用いる場合について説明したが、レーザ源としてQスイッチレーザを用いることもできる。
【0048】
図8は、本発明に係る他のエネルギ制御方法の説明図である。
【0049】
Qスイッチレーザの場合、発振周波数fとピークパワーとの関係は図8(a)に示すように、発振周波数fが高くなるに従ってピークパワーが小さくなる。そこで、加工状態を監視し、例えば次に照射するレーザ光のエネルギを小さくして良い場合には、同図(b)に示すように、発振周波数を高くすることにより加工部に照射するレーザ光のエネルギを小さくするようにすると、CO2レーザの場合と同様に、加工部に供給するエネルギを制御することができる。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工に必要なエネルギだけを加工部に供給するので、内層銅箔が損傷することを予防でき、これにより、高い品質の穴を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】本発明の加工手順を示すフローチャートである。
【図3】内層銅箔表面における穴底面積と反射ビームの強度との関係を示す図である。
【図4】本発明におけるレーザ光の照射パターン例を示す図である。
【図5】モニタビームと反射ビームの強度信号と加工形状との関係を示す図である。
【図6】モニタビームと反射ビームの強度信号と加工形状との関係を示す図である。
【図7】本発明の加工手順を示す他のフローチャートである。
【図8】本発明に係る他のエネルギ制御方法の説明図である。
【図9】いわゆるガラス入り基板を模式的に示す図である。
【符号の説明】
3 レーザ光
14 加工対象物
15 反射ビーム
23 記憶部
Claims (1)
- レーザビーム強度とパルス幅とがそれぞれ一定である第1のレーザ光を複数回照射して穴明け加工を行うレーザ加工方法において、
加工対象物から反射される前記レーザ光の反射ビーム強度に基づいて、パルス幅が前記パルス幅よりも小さい第2のレーザ光を次に照射するレーザ光として定めておき、
加工時、前記反射ビーム強度を監視し、
前記反射ビーム強度が予め定めた第1の強度を超えるまでは前記第1のレーザ光を前記加工対象物に照射し、
前記反射ビーム強度が前記予め定めた第1の強度を超えたときは、前記反射ビーム強度が予め定めた第2の強度に達するまで、前記第2のレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
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