JP4295743B2

JP4295743B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP4295743B2
Application number: JP2005157884A
Authority: JP
Inventors: 恭之奥平; 史郎横田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP2006326673A

Description

本発明は、レーザ加工装置及び加工方法に関し、特にレーザビームを走査して加工対象物の所望の位置にレーザビームを入射させ、レーザビームの入射位置の加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

プリント基板、パッケージ基板、及びグリーンシート等にレーザビームを入射させて穴開け加工を行う技術が注目されている。レーザビームをガルバノスキャナ等の走査光学系で走査し、走査されたレーザビームをｆθレンズ等で対象物の表面に集束させることにより、複数の穴を形成することができる。

電子回路素子の実装の高密度化にともない、形成すべき穴の小径化が望まれている。穴径が小さくなると、穴の位置に高い精度が要求される。また、一秒あたりに加工できる穴の数、すなわち加工速度の向上も望まれている。

下記の特許文献１に、走査光学系と加工対象物との間にマスクを配置し、位置精度を向上させるレーザ加工装置および加工方法が開示されている。

特許第３５２２７１７号公報

特許文献１に開示された方法では、位置精度の向上が図られているが、加工速度については改善されていない。
本発明の目的は、加工速度の向上を図ることが可能なレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、反射鏡の姿勢を変化させることにより、前記レーザ光源から出射したレーザビームを走査し、該反射鏡の姿勢が目標とする許容範囲内に収まっていることを通知する信号を出力する走査器と、前記走査器によって走査されたレーザビームの経路を横切るように配置され、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる複数の透過領域が分布したマスクと、加工対象物を保持するステージと、前記マスクの透過領域を透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面上に集束させるレンズと、前記レーザ光源と前記走査器との間に配置されており、前記マスクが配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を均一に近づけ、かつ該マスクが配置された位置におけるビームスポットが、前記マスクに設けられた透過領域の各々を内包する大きさになるようにビーム断面を整形する均一化光学系と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが、前記マスクに設けられた透過領域のうち１つの透過領域を透過するように前記走査器の反射鏡の姿勢を制御するとともに、前記ビーム走査器から、前記反射鏡の姿勢が許容範囲内に収まっていることを通知する信号を受信すると、該反射鏡の姿勢が安定状態に達するまでの待ち時間を待たずに、前記レーザ光源からレーザビームを出射させる制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、反射鏡の姿勢を変化させることにより、前記レーザ光源から出射したレーザビームを走査する走査器と、前記走査器によって走査されたレーザビームの経路を横切るように配置され、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる複数の透過領域が分布したマスクと、
加工対象物を保持するステージと、前記マスクの透過領域を透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面上に集束させるレンズと、前記レーザ光源と前記走査器との間に配置されており、前記マスクが配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を均一に近づけ、かつ該マスクが配置された位置におけるビームスポットが、前記マスクに設けられた透過領域の各々を内包する大きさになるようにビーム断面を整形する均一化光学系とを有するレーザ加工装置を用い、前記走査器によって走査されたレーザビームが、前記マスクに設けられた透過領域のうち１つの透過領域を透過するように該走査器の反射鏡の姿勢を制御するとともに、該反射鏡の姿勢が許容範囲内に収まると、該反射鏡の姿勢が安定状態に達するまでの待ち時間を待たずに、前記レーザ光源からレーザビームを出射させるレーザ加工方法が提供される。

マスクの透過領域を透過したレーザビームにより加工対象物の加工が行われる。従来の加工方法では、レーザビームを走査する走査器内の反射鏡の姿勢が、目標とする許容範囲に一旦収まってもオーバシュートしてしまい、ビームスポットの中心位置がマスクの透過領域の中心位置からずれてしまう場合がある。このため、反射鏡の姿勢が整定されるまで、レーザビームの出射を待つ必要があった。本発明では、均一化光学系を入れたことにより、透過領域がビームスポット内に収まっていれば、必ずしも両者の中心位置が一致していなくても良好な加工を行うことができる。このため、両者の中心位置が一致するまでの過渡的な状態にあっても、それが収まるまでの待ち時間をとることなくレーザを出射することが可能となった。

図１に、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。
レーザ光源１がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１は、例えばＣＯ_２ガスレーザ発振器であり、赤外領域のレーザビームを出射する。なお、レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの高調波を出射するレーザ光源等を用いてもよい。レーザ光源１は、制御装置１５により制御される。

レーザ光源１から出射したレーザビームが、均一化光学系２に入射する。均一化光学系２は、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。均一化光学系２は、一例として２枚の非球面レンズで構成することができる。均一化光学系２に入射するレーザビームの光強度分布は、例えばガウス分布に近似される。１枚目の非球面レンズは、レーザビームの中央近傍の光線束を発散させ、周辺部の光線束を集束させる。２枚目の非球面レンズは、１枚目の非球面レンズを透過したレーザビームを平行光線束に戻す。

均一化光学系２から出射したレーザビームが、折り返しミラー３、およびリレーレンズ４を介して走査器１６に入射する。走査器１６はＸ用ガルバノミラー５、Ｙ用ガルバノミラー６およびそれらを駆動する駆動系からなる。走査器１６は、制御装置１５により制御される。Ｘ用ガルバノミラー５は、レーザビームを１次元方向に走査する。Ｘ用ガルバノミラー５で走査されたレーザビームが、Ｙ用ガルバノミラー６に入射する。Ｙ用ガルバノミラー６は、Ｘ用ガルバノミラー５による走査方向と直交する方向にレーザビームを走査する。なお、図１は、Ｘ用ガルバノミラー５の走査方向が紙面に平行になり、Ｙ用ガルバノミラー６の走査方向が紙面に垂直になる場合を示している。

Ｙ用ガルバノミラー６で走査されたレーザビームが集束レンズ７に入射する。集束レンズ７は、例えばｆθレンズで構成されており、走査されたレーザビームを集束させる。
集束レンズ７によって集束されたレーザビームの経路を横切るようにマスク８が配置されている。マスク８は、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる複数の透過領域８Ａが分布した板状構造物である。ＣＯ_２レーザを用いる場合、遮光領域は、例えばベリリウム板、ベリリウム銅合金板、ステンレス板等で形成され、透過領域８Ａは貫通孔により構成される。マスク８の配置された位置におけるレーザビームのビームスポット内に１つの透過領域８Ａが内包され、透過領域８Ａの各々はその位置におけるビームスポットより小さい。

第１の実施例においては、透過領域８Ａの各々は円形である。なお、透過領域８Ａの形状は、円形以外にしてもよい。例えば、四角形等でもよい。
透過領域８Ａを透過したレーザビームが、集束レンズ９で集束され、ステージ１０の上に保持された加工対象物２０に入射する。レーザビームの入射した位置に穴が形成される。

集束レンズ９は、マスク８の透過領域８Ａを加工対象物２０の表面上に結像させる。加工対象物の被加工点（レーザビームを入射させるべき点）とマスク８の透過領域８Ａとが共役の関係になるように透過領域８Ａがマスク８内に分布している。

走査器１６は、Ｘ用ガルバノミラー５及びＹ用ガルバノミラー６（以下両者を「反射鏡」と呼ぶ。）を揺動させてレーザビームを走査することにより、マスク８の所望の透過領域８Ａにレーザビームを入射させることができる。

制御装置１５に、予め加工対象物２０の被加工点の位置情報が記憶されている。制御装置１５は、走査器１６で走査されたレーザビームが、透過領域８Ａのうち１つの透過領域を透過するように反射鏡の姿勢を制御するとともに、反射鏡の姿勢が許容範囲内に収まると、待ち時間を待たずに、レーザ光源１からレーザビームを出射させる。

図２に、マスク８が配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を、比較例の光強度分布と比較して示す。図２の曲線Ａは、比較例として、従来方式におけるマスク８が配置された位置でのビーム断面内の光強度分布を示しており、図２の曲線Ｂは、第１の実施例におけるマスク８が配置された位置でのビーム断面内の光強度分布を示している。比較例では曲線Ａで示すように、ビーム断面内の光強度は正規分布をとるが、第１の実施例において均一化光学系２を通過したレーザビームは曲線Ｂで示すように、径方向に対してトップフラットに近い光強度分布を持つようになる。

第１の実施例の場合に、光強度がピーク値からピーク値の例えば９０％までの範囲で良好な加工を行うことができるとする。ピーク値の９０％の光強度をＩ_ｔｈとし、光強度Ｉ_ｔｈでのスポット半径をａ_２とする。また、曲線Ａにおける光強度がピーク値からＩ_ｔｈまでの範囲で良好な加工を行うことができるとし、光強度Ｉ_ｔｈでのスポット半径をａ_１とする。曲線Ａで示した正規分布の場合、ビームスポットの中心では過剰なエネルギーが導入されるが、ここでは、過剰なエネルギーの導入は加工品質に悪影響を与えないと仮定する。

図３に、透過領域８Ａとビームスポットとの関係を示す。図３（Ａ）に、理想的な状態、図３（Ｂ）に良好な加工が行える状態、図３（Ｃ）に従来例では加工不良が生じるが第１の実施例では良好な加工が行える状態を示す。第１の実施例におけるビームスポットＢ_２及び従来例におけるビームスポットＢ_１のスポット半径は、それぞれ図２で定義したａ_２、ａ_１である。まず、従来例について述べると、理想的な状態ではビームスポットＢ_１の中心と透過領域８Ａの中心が一致している。この場合、レーザ光源からレーザビームを出射して、良好な加工を行うことができる。また、図３（Ｂ）に示すように、透過領域８ＡがビームスポットＢ_１に内包される状態であれば、良好な加工を行うことが可能である。このとき、ビームスポットＢ_１の中心と透過領域８Ａの中心がＬだけずれている。透過領域８Ａの半径をｒとすると、透過領域８ＡがビームスポットＢ_１に内包されているとき、ずれ量Ｌは以下の式を満足している。
０≦Ｌ≦ａ_１−ｒ −（１）
図３（Ｃ）に示すように、透過領域８ＡがビームスポットＢ_１に内包されないような場合は加工不良が生じる。このときのずれ量Ｌは以下の式を満足している。
ａ_１−ｒ＜Ｌ −（２）
次に、第１の実施例について説明する。図３（Ａ）に示すように、ビームスポットＢ_２の中心と透過領域８Ａの中心が一致している場合、良好な加工が行える。また、図３（Ｂ）に示すように、透過領域８ＡがビームスポットＢ_２に内包されている状態であれば、良好な加工が行える。さらに、ビームスポットＢ_２のスポット半径ａ_２はビームスポットＢ_１のスポット半径ａ_１よりも大きいため、図３（Ｃ）に示すように、従来例では透過領域８ＡがビームスポットＢ_１から外れており良好な加工が行えないが、第１の実施例ではビームスポットＢ_２に透過領域が内包されており、良好な加工が行える状態がある。このような状態はずれ量Ｌが以下の式を満足する場合である。
ａ_１−ｒ＜Ｌ≦ａ_２−ｒ −（３）
このように、第１の実施例では、均一化光学系２によりレーザビームのビームスポットサイズが従来よりも大きくなり、スポットサイズの拡大した分だけ良好な加工が行える許容範囲が大きくなった。

なお、透過領域８Ａの形状が円でない場合には、透過領域８Ａを内包する最小の円の中心とビームスポットの中心とのずれをＬとすれば同様の説明ができる。
次に、図４を参照して、実施例によるレーザ加工方法について、従来の加工方法と比較しながら説明する。

図４の最下段に、反射鏡の姿勢の時間変動を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸は反射鏡の姿勢を示す。反射鏡の姿勢は、例えば、ある基準姿勢からの角度の変位量で表すことができる。制御装置１５は、角度の変位量がＰ_０の姿勢を保持してパルスレーザビームを出射させる。これにより、パルスレーザビームが、マスクの１つの透過領域を透過し、穴が形成される。パルスレーザビームの出射が終了すると、制御装置１５は、時刻ｔ_ｓに、次に加工すべき穴に対応する透過領域にビームスポットを移動させるための指令信号を、走査器１６に送出する。

指令信号で指令された反射鏡の角度の変位量がＰ_１であるとする。走査器１６が指令信号を受信すると、反射鏡の角度の変位量がＰ_１になるように、反射鏡の姿勢を変化させる。時刻ｔ_ｉに、反射鏡の姿勢が許容範囲内に収まり、角度の変位量が一旦Ｐ_１になる。その後、反射鏡の変位量が反対側に振れ、振動しながら目標の変位量Ｐ_１に近づく。

以下、従来の加工方法で用いられるレーザ出射のタイミング制御について説明する。従来の加工方法において、透過領域８Ａとビームスポットとの位置ずれが許容値ａ_１−ｒ以下の状態が、反射鏡の姿勢の許容範囲Ａ_１に対応する。

反射鏡の姿勢と、レーザを出射させる制御信号との関係は次のように説明される。
まず、反射鏡が角度の変位量Ｐ_０の姿勢から角度の変位量Ｐ_１の姿勢に近づいてくる。時刻ｔ_０において反射鏡の姿勢が許容範囲Ａ_１に入る。反射鏡は慣性等の原因で時刻ｔ_１において許容範囲Ａ_１から外れてしまう。図４の領域Ｘで示される期間、すなわちｔ_１からｔ_２の間、反射鏡は許容範囲Ａ_１を外れている。時刻ｔ_２になり、反射鏡は再び許容範囲Ａ_１に入り、時刻ｔ_２以降、許容範囲Ａ_１に収まっている。

図４の下から２段目に、反射鏡の位置が許容範囲Ａ_１に収まっていることを制御装置１５に通知する通知信号のタイミングチャートを示す。時刻ｔ_０において、通知信号が出力される。時刻ｔ_１において反射鏡の姿勢が許容範囲Ａ_１を外れると出力を停止させる。時刻ｔ_２において反射鏡の姿勢が許容範囲Ａ_１内に戻ると再び通知信号を出力する。

図４の下から３段目に、レーザ光源１からレーザを出射させる制御装置１５の制御信号を示す。従来の加工方法においては、反射鏡が一旦許容範囲Ａ_１に収まっても、短時間で許容範囲Ａ_１から外れてしまう場合があり、反射鏡の姿勢が整定されるのを確認するまでの時間Ｓをとる必要がある。したがって制御装置１５によるレーザ光源１からのレーザの出射は、通知信号を受信してから一定時間Ｓが経過するまで許容範囲Ａ_１に収まっていたことを確認した後である。時刻ｔ_０からｔ_１の間、反射鏡１６が許容範囲Ａ_１に入っていても十分な待ち時間Ｓを経過しておらず、この間レーザは出射しない。時刻ｔ_２から一定時間Ｓ経過した時刻ｔ_３においてレーザを出射する。

次に、本発明の実施例による加工方法で用いられるレーザ出射のタイミング制御について説明する。
ビームスポットのずれが許容値ａ_２−ｒ以下の状態が、許容範囲Ａ_２に対応する。図４の上から２段目に、反射鏡が許容範囲Ａ_２に入ったことを制御装置１５に通知する通知信号を示し、図４の最上段にレーザ光源１からレーザを出射させる制御装置１５の制御信号を示す。時刻ｔ_ｉにおいて、反射鏡が許容範囲Ａ_２に入る。反射鏡が静止するまでの過渡状態においても反射鏡の姿勢が許容範囲Ａ_２内に収まっている。したがって、従来の実施例のように反射鏡の姿勢の過渡的な状態が収まったことを確認するまでの待ち時間Ｓをとる必要がない。レーザ光源１からレーザを出射させる制御信号は、通知信号が時刻ｔ_ｉで立ち上がると同時に立ち上がっている。

このように、従来の加工方法と本発明とを比較した場合、レーザ１回の出射につきｔ_３−ｔ_ｉの時間が短縮され、加工速度を速めることができる。
上記第１の実施例では、反射鏡の姿勢の過渡的状態が収まったことを確認するための待ち時間を待たずにレーザビームを出射したが、従来のように、待ち時間を待つようにしてもよい。この場合、図４において時刻ｔ_ｉから待ち時間Ｓだけ経過した時点からレーザビームを出射して加工を行うことができる。従来の加工開始時刻ｔ_３よりも早い時点から加工が開始される。

１つの穴の加工が終わると、次に加工すべき穴に対応する透過領域にビームスポットが移動するように走査器を制御する。その後第１の実施例で説明した方法によりレーザビームの出射を開始する。このようにレーザビームが複数の透過領域を順番に透過するように走査器を制御することにより、穴を形成すべき全ての位置に、レーザビームを入射させることができる。

図５に、第２の実施例によるレーザ加工装置の一部の断面図を示す。図１に示した第１の実施例では、マスク８と加工対象物２０との間に集束レンズ９が配置されていたが、第２の実施例では、マスク８が加工対象物２０の表面に密着している。マスク８は、マスク固定部材１１により、ステージ１０の上に固定される。加工対象物２０は図１に示したマスクが配置された位置に配置される。その他の構成は、第１の実施例のものと同様である。

第２の実施例の場合にも、第１の実施例の場合と同様に、従来の加工方法と比べ時間が短縮され、加工速度を速めることができる。
いずれの実施例の場合でも、均一化光学系２を入れたことによりレーザビームのビームスポットが従来よりも大きくなり、かつ光強度分布をトップフラットに近づけたたことで、加工速度を速くすることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。実施例におけるマスクが配置された位置でのレーザビーム断面の光強度分布である。実施例における透過領域とビームスポットとの位置関係を示した図である。実施例における反射鏡の姿勢とレーザを出射させる制御信号との関係を示した図である。第２の実施例におけるレーザ加工装置の部分概略図である。

符号の説明

１レーザ光源
２均一化光学系
３折り返しミラー
４リレーレンズ
５Ｘ用ガルバノミラー
６Ｙ用ガルバノミラー
７，９集束レンズ
８マスク
８Ａ透過領域
１０ステージ
１１マスク固定部材
１５制御装置
１６走査器
２０加工対象物

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
反射鏡の姿勢を変化させることにより、前記レーザ光源から出射したレーザビームを走査し、該反射鏡の姿勢が目標とする許容範囲内に収まっていることを通知する第１の信号を出力する走査器と、
前記走査器によって走査されたレーザビームの経路を横切るように配置され、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる複数の透過領域が分布したマスクと、
加工対象物を保持するステージと、
前記マスクの透過領域を透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面上に集束させるレンズと、
前記レーザ光源と前記走査器との間に配置されており、前記マスクが配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を均一に近づけ、かつ該マスクが配置された位置におけるビームスポットが、前記マスクに設けられた透過領域の各々を内包する大きさになるようにビーム断面を整形する均一化光学系と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが、前記マスクに設けられた透過領域のうち１つの透過領域を透過するように前記走査器の反射鏡の姿勢を制御するとともに、前記ビーム走査器から、前記第１の信号を受信すると、該反射鏡の姿勢の過渡的状態が収まるまでの待ち時間を待たずに、前記レーザ光源からレーザビームを出射させる制御装置と
を有するレーザ加工装置。
前記レンズは、前記マスクに形成された透過領域を前記ステージに保持された加工対象物の表面上に結像させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記マスクの配置された位置におけるビームスポットは、前記反射鏡が許容範囲内に収まった後、安定状態に至るまでの過渡的な状態の期間に、該反射鏡の姿勢の変動に起因してビームスポットの位置が変動しても、ビームスポット内に前記マスクの１つの透過領域が内包される状態が維持されるような大きさである請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
反射鏡の姿勢を変化させることにより、前記レーザ光源から出射したレーザビームを走査する走査器と、
前記走査器によって走査されたレーザビームの経路を横切るように配置され、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる複数の透過領域が分布したマスクと、
加工対象物を保持するステージと、
前記マスクの透過領域を透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面上に集束させるレンズと、
前記レーザ光源と前記走査器との間に配置されており、前記マスクが配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を均一に近づけ、かつ該マスクが配置された位置におけるビームスポットが、前記マスクに設けられた透過領域の各々を内包する大きさになるようにビーム断面を整形する均一化光学系とを有するレーザ加工装置を用い、
前記走査器によって走査されたレーザビームが、前記マスクに設けられた透過領域のうち１つの透過領域を透過するように該走査器の反射鏡の姿勢を制御するとともに、該反射鏡の姿勢が許容範囲内に収まると、該反射鏡の姿勢の過渡的状態が収まるまでの待ち時間を待たずに、前記レーザ光源からレーザビームを出射させるレーザ加工方法。
前記マスクの配置された位置におけるビームスポットは、前記反射鏡が許容範囲内に収まった後、安定状態に至るまでの過渡的な状態の期間に、該反射鏡の姿勢の変動に起因してビームスポットの位置が変動しても、ビームスポット内に前記マスクの１つの透過領域が内包される状態が維持されるような大きさである請求項４に記載のレーザ加工方法。