JP4174267B2

JP4174267B2 - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP4174267B2
Application number: JP2002240945A
Authority: JP
Inventors: 弘之菅原; 貞雄森; 博志青山; 英之渡辺; 健後藤
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: JP2004074253A

Description

【０００１】
【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ＣＯ_２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、ＣＯ_２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

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。