JP4205282B2

JP4205282B2 - レーザ加工方法及び加工装置

Info

Publication number: JP4205282B2
Application number: JP2000058275A
Authority: JP
Inventors: 淳千田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP2001246484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工方法及び加工装置に関し、特に穴あけ加工を主目的とし、その加工速度を向上させることができるように改良されたレーザ加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
穴あけ加工を主目的としたレーザ加工装置は、ワークを搭載するステージをＸ軸方向、Ｙ軸方向に水平移動可能な、いわゆるＸ−Ｙステージを備えたものが一般的である。このレーザ加工装置は、Ｘ−Ｙステージによりワークを移動させることでパルス状のレーザビームの照射位置を変える。このため、Ｘ−Ｙステージによるポジショニングに時間がかかり、加工速度に制限がある。便宜上、このレーザ加工装置を第１の方式と呼ぶ。
【０００３】
これに対し、ガルバノスキャナを用いてレーザビームを振らせることで加工速度の向上を図ったレーザ加工装置が提供されている。簡単に説明すると、レーザ発振器から出力されたレーザビームを、その断面形状を規定するためのマスクを通したうえでＸ−Ｙガルバノスキャナに導く。Ｘ−Ｙガルバノスキャナは、良く知られているように、入射したレーザビームを加工領域に配置されたワーク上においてＸ軸方向に振らせるためのＸ軸ガルバノミラーと、Ｙ軸方向に振らせるためのＹ軸ガルバノミラーとから成る。このようなＸ−Ｙガルバノスキャナにより、レーザ光はｆθレンズを通してワーク上に設定された所定領域の全域にわたるように振られる。なお、ワークはＸ軸方向、Ｙ軸方向に可動のＸ−Ｙステージに搭載されている。便宜上、このレーザ加工装置を第２の方式と呼ぶ。
【０００４】
この第２の方式では、ワーク上の所定領域に対してレーザ光を振らせることで加工を行った後、Ｘ−Ｙステージにより次のワークを加工領域に配置する。このような第２の方式によれば、Ｘ−ＹガルバノスキャナとＸ−Ｙステージとの組み合わせにより第１の方式に比べて加工速度の向上を図ることができる。
【０００５】
ところで、上記のようなレーザ加工においては、加工に際し、加工点毎にレーザ光のエネルギー状態をモニタしながら加工を行うことが行われている。これを第１の方式の場合について図３、図４を参照して説明する。
【０００６】
図３において、レーザ発振器２１からのパルスレーザ光はベンディングミラー２２、２３を経て一部透過型のベンディングミラー２４に至り、ここで約９９％は反射されてｆθレンズとも呼ばれる加工レンズ２５を通してワーク２６に照射される。ワーク２６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に可動のＸ−Ｙステージ３０に搭載されている。ベンディングミラー２４を透過した約１％のレーザ光はエネルギーモニタ２７に導入されてパルス毎にパルスエネルギーが検出される。検出されたパルスエネルギーはエネルギー比較回路２８に送られる。エネルギー比較回路２８は加工条件、例えばワーク２６の材質や加工厚に応じてスレッシュホールド値を任意に変更可能であり、検出されたパルスエネルギーとスレッシュホールド値との比較を行い、検出されたパルスエネルギーの方が低い時にはそれを示す信号をトリガパルス発生器２９に出力する。トリガパルス発生器２９はこの信号を受けるとレーザ発振器２１にトリガパルスを出力し、追加のパルスレーザ光を発生せしめる。
【０００７】
上記の動作を、具体的な数値を例示して説明する。加工条件により加工点１つ当たりのパルスレーザ光の個数が決定される。例えば、１発当たり０．４（Ｊ）のパルスエネルギーを持つパルスレーザ光により、１つの穴あけ（スルーホールの形成）加工につき１つのパルスレーザ光を照射するものとする。光路中でのエネルギーロスが無いものとすると、エネルギーモニタ２７での正常なパルスエネルギーの検出値は４（ｍＪ）となる。これを考慮して、スレッシュホールド値Ｖ_SLとしては２．５（ｍＪ）が設定されるものとする。１つ目の穴あけ加工ではパルスレーザ光のエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを越え、ワーク２６には正常に穴が形成されたものとする。
【０００８】
２つ目の穴あけ加工において、レーザ発振器２１に起因してパルスレーザ光のエネルギーが低く、スレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったとすると、ワーク２６に形成されるホールはスルーホールとならない。エネルギー比較回路２８はパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったことを検出してトリガパルス発生器２９に信号を出力する。トリガパルス発生器２９はこの信号を受けるとレーザ発振器２１にトリガパルスを出力する。レーザ発振器２１はこのトリガパルスを受けると、通常のパルスレーザ光と同じ周期で追加のパルスレーザ光を出力する。その結果、ワーク２６には完全に貫通したスルーホールが形成されることとなる。
【０００９】
次に、１発当たり０．４（Ｊ）のパルスエネルギーを持つパルスレーザ光により、１つの穴あけ（スルーホールの形成）加工につき２つのパルスレーザ光を照射する場合について図４を参照して説明する。これは、加工条件により加工点１つ当たりのパルスレーザ光の個数が決定されるからである。この場合、光路中でのエネルギーロスが無いものとすると、エネルギーモニタ２７での正常なパルスエネルギーの検出値は４（ｍＪ）となる。これを考慮して、スレッシュホールド値Ｖ_SLとして２．５（ｍＪ）が設定されるものとする。１つ目の穴あけ加工では１発目、２発目のパルスレーザ光Ｐ１、Ｐ２共にスレッシュホールド値Ｖ_SLを越え、ワーク２６には正常に穴が形成される。
【００１０】
２つ目の穴あけ加工において、レーザ発振器２１に起因して１発目、２発目のパルスレーザ光Ｐ３、Ｐ４共にパルスエネルギーが低く、特に２発目のパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったとすると、ワーク２６に形成されるホールはスルーホールとならない。エネルギー比較回路２８はパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったことを検出してトリガパルス発生器２９に信号を出力する。トリガパルス発生器２９はこの信号を受けるとレーザ発振器２１にトリガパルスを出力する。レーザ発振器２１はこのトリガパルスを受けると、通常のパルスレーザ光と同じ周期で追加のパルスレーザ光Ｐ５を出力する。その結果、ワーク２６には完全に貫通したスルーホールが形成されることとなる。
【００１１】
なお、レーザ発振器２１は、上記のように、１つの穴当たりのパルス個数が２個の場合、２個目のパルスレーザ光を出力した後、パルスレーザ光の周期よりも短い一定時間トリガパルスの有無を監視し、トリガパルスが無ければ次の加工へ移される。勿論、図４で説明したように、追加のパルスレーザ光を出力した後も、一定時間トリガパルスの有無を監視し、トリガパルスが無ければ次の加工へ移される。
【００１２】
図３、図４は、上述した第１の方式を採用した場合であるが、第２の方式の場合にはベンディングミラー２４に代えてＸ−Ｙガルバノスキャナが用いられることになり、動作自体は変わらない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、これまでは、１つの加工点について上記の動作を行って、加工が正常であると判定されてから次の加工点に移動させるという方式をとっている。Ｘ−Ｙガルバノスキャナを使用した場合、隣接する加工点間の距離にもよるが、通常１つの加工点から次の加工点への移動に要する時間は２ｍｓｅｃ程度である。これを図５を参照して説明する。
【００１４】
図５において、時刻Ｔ１においてある加工点に移動してパルスレーザ光が照射される。例えば、１つの穴につき１つのパルスレーザ光を照射する場合、パルスレーザ光が照射されるとエネルギーモニタ２７、エネルギー比較回路２８により正常であるかどうかの判定が行われる。この判定に要する時間は１５０μｓｅｃ程度である。そして、正常と判定された時刻Ｔ２ではじめて次の加工点への移動が開始される。
【００１５】
ところが、上記のレーザ加工装置を、例えばプリント配線基板の樹脂層への穴あけ加工に用いる場合には、一辺が数ｃｍの正方形領域に数十μｍの径を持つ穴が数十μｍのピッチで多数、例えば数千個程度を設けるような穴あけ加工が行われる。このような穴あけ加工においては、上記のように１つの加工点における加工が正常であると判定されてから次の加工点に移動させるという方式では加工速度の向上に制約が生ずることになる。
【００１６】
そこで、本発明の課題は、加工点間の移動に起因して生ずる加工速度の制約を解消して加工速度の改善を図ることのできるレーザ加工方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の課題は、上記のレーザ加工方法に適したレーザ加工装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ光をワークに照射して加工を行うに際し、加工点毎にレーザ光のエネルギー状態をモニタしながら加工を行うレーザ加工方法において、１つの加工点へのレーザ光照射が終了すると前記エネルギー状態のモニタ開始に伴って次の加工点への移動を開始し、モニタ結果が正常でなければ前記１つの加工点に戻して再度のレーザ光照射を行うことを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【００１９】
本発明によればまた、レーザ発振器からのレーザ光をワークに照射して加工を行うレーザ加工装置において、加工点毎にレーザ光のエネルギー状態をモニタするモニタリング手段と、前記レーザ光を前記ワークにおける所望の加工点に照射するためのガルバノスキャナと、前記モニタリング手段からのモニタ結果に応じて前記ガルバノスキャナを制御する制御装置とを含み、前記制御装置は、１つの加工点へのレーザ光照射が終了すると前記モニタリング手段による前記エネルギー状態のモニタ開始に伴って前記ガルバノスキャナに対して次の加工点への移動を開始させるようにし、モニタの結果が正常でなければ前記ガルバノスキャナに対してレーザ光の照射位置を前記１つの加工点に戻すようにして再度のレーザ光照射を行わせるように制御することを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【００２０】
上記のレーザ加工装置においては、前記モニタリング手段は、１つの加工点に照射されたレーザ光のエネルギーを検出する検出手段と、該検出手段により検出されたエネルギー値とあらかじめ設定されているスレッシュホールド値とを比較し、前記検出されたエネルギー値が前記スレッシュホールド値より低い時に正常でない旨を示す信号を出力する比較手段とを含む。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明によるレーザ加工装置の実施の形態について説明する。図１において、本形態によるレーザ加工装置は、図３で説明した構成に加えてＸ−Ｙガルバノスキャナ１９を備え、トリガパルス発生器２９に代えて制御装置１０を備えている。これら以外の構成は、図３に示したものと同様である。すなわち、レーザ発振器１１からのパルスレーザ光はベンディングミラー１２、１３を経て一部透過型のベンディングミラー１４に至り、ここで約９９％は反射されてＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に入射する。前に述べたように、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９は、入射したパルスレーザ光をワーク１６上においてＸ軸方向に振らせるためのＸ軸ガルバノミラーと、Ｙ軸方向に振らせるためのＹ軸ガルバノミラーとから成る。このようなＸ−Ｙガルバノスキャナ１９により、パルスレーザ光は加工レンズ（ｆθレンズ）１５を通してワーク１６上に設定された所定領域の全域にわたるように振られる。ワーク１６はＸ軸方向、Ｙ軸方向に可動のＸ−Ｙステージ２０に搭載されている。Ｘ−Ｙステージ２０は、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９によるスキャン範囲、すなわち加工領域には制限があるので、加工領域をシフトさせる場合に用いられる。なお、図示していないが、通常、レーザ発振器１１とＸ−Ｙガルバノスキャナ１９との間の光路中には、ワーク１６に照射されるレーザ光の断面形状を規定するためのマスクが配置される。
【００２２】
ベンディングミラー１４を透過した約１％のレーザ光はエネルギーモニタ１７に導入されてパルス毎にパルスエネルギーが検出される。検出されたパルスエネルギーはエネルギー比較回路１８に送られる。エネルギー比較回路１８は加工条件、例えばワーク１６の材質や加工厚に応じてスレッシュホールド値を任意に変更可能であり、検出されたパルスエネルギーとスレッシュホールド値との比較を行い、検出されたパルスエネルギーの方が低い時にはそれを示す信号を制御装置１０に出力する。
【００２３】
制御装置１０は、１つの加工点への照射が終了するとすぐにＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に対して次の加工点への移動を開始させるようにし、エネルギー比較回路１８から検出されたパルスエネルギーの方が低いことを示す信号を受けた場合には、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９に対してパルスレーザ光の照射位置を前記１つの加工点に戻すようにし、しかもレーザ発振器１１にトリガパルスを出力して追加のパルスレーザ光を発生させることにより、前記１つの加工点に再度のレーザ光照射を行わせるように制御する。
【００２４】
上記の動作を、図２をも参照しながら具体的な数値を例示して説明する。例えば、１発当たり０．４（Ｊ）のパルスエネルギーを持つパルスレーザ光により、１つの穴あけ（スルーホールの形成）加工につき１つのパルスレーザ光を照射するものとする。光路中でのエネルギーロスが無いものとすると、エネルギーモニタ１７での正常なパルスエネルギーの検出値は４（ｍＪ）となる。これを考慮して、スレッシュホールド値Ｖ_SLとしては２．５（ｍＪ）が設定されるものとする。図２において、１つ目の穴あけ加工ではパルスレーザ光のエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを越え、ワーク１６には正常に穴が形成される。エネルギーモニタ１７、エネルギー比較回路１８における判定には、前に述べたように１５０μｓｅｃ程度の時間を要するが、制御装置１０はこの判定結果を待たずに、１つ目の穴あけのためのパルスレーザ光の照射が終了するとすぐにＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に対してレーザ光照射を次の加工点に移動させるべく制御する。以下、同様にして２つ目、３つ目の穴あけ加工も正常であったとする。
【００２５】
続いて、４つ目の穴あけ加工において、レーザ発振器１１に起因してパルスレーザ光のエネルギーが低く、スレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったとすると、ワーク１６に形成されるホールはスルーホールとならない。エネルギー比較回路１８はパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったことを検出して制御装置１０に信号を出力する。
【００２６】
制御装置１０は、４つ目の穴加工のためのレーザ光照射が終了するとすぐにＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に対して次の加工点への移動を開始させるが、エネルギー比較回路１８から検出されたパルスエネルギーの方が低いことを示す信号を受けると、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９に対してパルスレーザ光の照射位置を４つ目の穴加工位置に戻すようにし、しかもレーザ発振器１１にトリガパルスを出力して追加のパルスレーザ光を発生させることにより、４つ目の穴加工位置に再度のレーザ光照射を行わせるようにする。レーザ発振器１１は制御装置１０からのトリガパルスを受けると、通常のパルスレーザ光と同じ周期で追加のパルスレーザ光を出力する。その結果、ワーク１６には完全に貫通したスルーホールが形成されることとなる。
【００２７】
以上の動作は、１つの穴について２発以上のパルスレーザ光を照射する場合についても同様である。例えば、１発当たり０．４（Ｊ）のパルスエネルギーを持つパルスレーザ光により、１つの穴あけ（スルーホールの形成）加工につき２つのパルスレーザ光を照射する場合について説明する。この場合、光路中でのエネルギーロスが無いものとすると、エネルギーモニタ１７での正常なパルスエネルギーの検出値は４（ｍＪ）となる。これを考慮して、スレッシュホールド値Ｖ_SLとして２．５（ｍＪ）が設定されるものとする。１つ目の穴あけ加工では１発目、２発目のパルスレーザ光共にスレッシュホールド値Ｖ_SLを越え、ワーク１６には正常に穴が形成されたとする。エネルギーモニタ１７、エネルギー比較回路１８における判定には、前に述べたように１５０μｓｅｃ程度の時間を要するが、制御装置１０はこの判定結果を待たずにＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に対してレーザ光照射を次の加工点に移動させるべく制御する。
【００２８】
次に、２つ目の穴あけ加工において、レーザ発振器１１に起因して１発目、２発目のパルスレーザ光共にパルスエネルギーが低く、特に２発目のパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったとすると、ワーク１６に形成されるホールはスルーホールとならない。エネルギー比較回路１８はパルスエネルギーがスレッシュホールド値Ｖ_SLを下回ったことを検出して制御装置１０に信号を出力する。制御装置１０は、２つ目の穴加工のための２発目のレーザ光照射が終了するとすぐにＸ−Ｙガルバノスキャナ１９に対して次の加工点への移動を開始させるが、エネルギー比較回路１８から検出されたパルスエネルギーの方が低いことを示す信号を受けると、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９に対してパルスレーザ光の照射位置を２つ目の穴加工位置に戻すようにし、しかもレーザ発振器１１にトリガパルスを出力して追加のパルスレーザ光を発生させることにより、２つ目の穴加工位置に再度のレーザ光照射を行わせるようにする。レーザ発振器１１は制御装置１０からのトリガパルスを受けると、通常のパルスレーザ光と同じ周期で追加のパルスレーザ光を出力する。その結果、ワーク１６には完全に貫通したスルーホールが形成されることとなる。
【００２９】
例えば、Ｘ−Ｙガルバノスキャナ１９によるある加工点から次の加工点への移動時間が２ｍｓｅｃで、エネルギーモニタ１７、エネルギー比較回路１８における判定時間が１５０μｓｅｃとし、１００，０００個の穴あけ加工を行う場合を想定すると、図３で説明した方式の場合、トータル加工時間は（２ｍｓｅｃ＋０．１５ｍｓｅｃ）×１０００００＝２１５ｓｅｃとなる。一方、本形態による方式の場合、エネルギー不足による追加ショットの発生確率を１／１０００００とすると、トータル加工時間は（２ｍｓｅｃ×１０００００）＋（追加ショットのために必要となる再移動時間２ｍｓｅｃ×２）となり約２００ｓｅｃとなる。その結果、約１５秒の加工時間短縮を実現することができる。
【００３０】
このような加工時間の短縮は、前に述べたように、プリント配線基板の樹脂層への穴あけ加工において、一辺が数ｃｍの正方形領域に数十μｍの径を持つ穴を数十μｍのピッチで多数、例えば数千個程度を設けるような穴あけ加工を連続して行う場合には非常に有効である。
【００３１】
なお、上記の説明では、エネルギー比較回路１８は、パルスレーザ光の１発毎に比較を行う場合について説明したが、１つの穴あけに例えば２発のパルスレーザ光を照射する場合には、２発分のパルスエネルギーを加算したうえでこれを２発分のスレッシュホールド値と比較して判定を行うようにしても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば加工点間の移動に起因して生ずる加工速度の制約を解消して加工速度の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザ加工装置の概略構成を示した図である。
【図２】図１に示されたレーザ加工装置においてパルスレーザ光のエネルギー判定と加工点間の移動時間の関係を説明するための図である。
【図３】従来のレーザ加工装置の概略構成を示した図である。
【図４】図３に示されたレーザ加工装置におけるパルスレーザ光のエネルギー判定動作を説明するための図である。
【図５】図３に示されたレーザ加工装置においてパルスレーザ光のエネルギー判定と加工点間の移動時間の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１０制御装置
１１、２１レーザ発振器
１２、１３、２２、２３ベンディングミラー
１４、２４一部透過型のベンディングミラー
１５、２５加工レンズ
１６、２６ワーク
１７、２７エネルギーモニタ
１８、２８エネルギー比較回路
１９Ｘ−Ｙガルバノスキャナ
２０、３０Ｘ−Ｙステージ

Claims

レーザ光をワークに照射して加工を行うに際し、加工点毎にレーザ光のエネルギー状態をモニタしながら加工を行うレーザ加工方法において、１つの加工点へのレーザ光照射が終了すると前記エネルギー状態のモニタ開始に伴って次の加工点への移動を開始し、モニタ結果が正常でなければ前記１つの加工点に戻して再度のレーザ光照射を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
レーザ発振器からのレーザ光をワークに照射して加工を行うレーザ加工装置において、
加工点毎にレーザ光のエネルギー状態をモニタするモニタリング手段と、
前記レーザ光を前記ワークにおける所望の加工点に照射するためのガルバノスキャナと、
前記モニタリング手段からのモニタ結果に応じて前記ガルバノスキャナを制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、１つの加工点へのレーザ光照射が終了すると前記モニタリング手段による前記エネルギー状態のモニタ開始に伴って前記ガルバノスキャナに対して次の加工点への移動を開始させるようにし、モニタの結果が正常でなければ前記ガルバノスキャナに対してレーザ光の照射位置を前記１つの加工点に戻すようにして再度のレーザ光照射を行わせるように制御することを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２記載のレーザ加工装置において、前記モニタリング手段は、１つの加工点に照射されたレーザ光のエネルギーを検出する検出手段と、該検出手段により検出されたエネルギー値とあらかじめ設定されているスレッシュホールド値とを比較し、前記検出されたエネルギー値が前記スレッシュホールド値より低い時に正常でない旨を示す信号を出力する比較手段とを含むことを特徴とするレーザ加工装置。