JP4492041B2

JP4492041B2 - レーザ加工装置とレーザ加工方法

Info

Publication number: JP4492041B2
Application number: JP2003159265A
Authority: JP
Inventors: 英史佐伯; 実木村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP2004358507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話などに用いられるビルトアップ式のプリント基板に層間を接続するブラインドホールをレーザビームで加工する場合、コンフォーマルマスク法、ラージウィンドウ法、あるいはダイレクト法が採用される。この中で、コンフォーマルマスク法の場合には、予めエッチングにより外層銅箔を除去して成形したエッチングウィンドウから、また、ダイレクト法では、外層銅箔のない絶縁層に直接、レーザビームを照射し、レーザエネルギーによりガラス強化繊維やフィラを含有する樹脂で成形された絶縁層を除去する。
【０００３】
これらの加工に用いられるレーザ加工装置には、発振器から発振されたレーザビームを音響光学方式装置を用いて短パルス化させるものがある。このようなレーザ加工装置を図５により説明する。
【０００４】
図５は、従来のレーザ加工装置の構成図である。
【０００５】
レーザ発振器１０１は、パルス状態のレーザビーム１０２ａを出力する。このレーザビーム１０２ａの光路を偏向可能な音響光学素子１０３は、レーザ発振器１０１の光路に所定の角度で配置されている。
【０００６】
前記音響光学素子１０３は、起動信号にてレーザビーム１０２ａを偏向する。前記音響光学素子１０３によって偏向されたレーザビーム１０２ｂは全反射ミラー１０４ａ、１０４ｂによってガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂへ導かれる。なお、全反射ミラー１０４ａ、１０４ｂの反射面は固定されている。また、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂまでの光路途中にアパーチャ１１２が配置されている。
【０００７】
集光レンズ（ｆθレンズ）１０６は、加工ヘッド１０７に固定され、プリント基板１０８は、Ｘ−Ｙテーブル１０９に固定されている。
【０００８】
なお、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂは図中矢印で示すように、回転軸の回りに回転自在であり、反射面を任意の角度に位置決めすることができる。
【０００９】
この、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂのスキャン領域１１０は、５０ｍｍ四方程度の大きさである。
【００１０】
そして、加工に使用されないレーザビーム１０２ｃは、集熱装置１１１に導かれる。
【００１１】
次に従来のレーザ加工装置の動作を説明する。
【００１２】
レーザ発振器１０１から出力されたレーザビーム１０２ａは、音響光学素子１０３に入射する。音響光学素子１０３は、起動指令によりレーザビーム１０２ａの一部を偏向する。起動指令にてレーザ光を偏向して加工面上に到達させ、起動指令がないときはレーザパルスを偏向なく透過し、集熱装置１１１に導かれる。
【００１３】
そして、偏向されたレーザビーム１０２ｂは、全反射ミラー１０４ａ、１０４ｂで反射し、アパーチャ１２を通過してビーム形状が成形される。アパーチャ１１２を通過したレーザビーム１０２ｂは、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂで定まる光路を通り、集光レンズ１０６で集光され、スキャン領域１１０内の穴を加工する。
【００１４】
そして、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂを動作させ、加工ヘッド１０７はスキャン領域１１０内の穴を、順に加工する。
【００１５】
スキャン領域１１０内の穴の加工が終了したら、Ｘ−Ｙテーブル１０９を移動させ、次のスキャン領域１１３内の加工を行う。
【００１６】
ところで、１個の穴を加工するために、パルス状のレーザビーム１０２ｂを複数個照射することが多い。１個の穴に対して複数個のパルス状のレーザを連続して照射し、その穴の加工を終了させてから次の穴を加工する加工方法をバースト加工といい、複数個の穴を１組とし、各穴にパルス状のレーザを１個づつ照射し、この動作をそれぞれの穴の加工が完了するまで繰り返す加工方法をサイクル加工という。
【００１７】
次に、図６、７で加工装置の動作を説明する。
【００１８】
図６はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【００１９】
図７は、図６のｔ００〜ｔ１２部分を拡大した図である。
【００２０】
図で、（ａ）はレーザ発振器１０１の起動信号、（ｂ）はレーザビーム１０２ａのエネルギーの大きさ、（ｃ）は音響光学素子１０３の起動信号、（ｄ）は偏向されたレーザビーム１０２ｂのエネルギーの大きさ、（ｅ）はガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂの起動信号を示している。レーザビームの起動信号がオンされると（時刻ｔ００）数μｓの遅れ時間Ｔｄｌ経過後にレーザビーム１０２ａの照射が開始される（時刻ｔ０１。この場合はＴｄｌ）。
【００２１】
レーザビーム１０２ａのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Ｔｕ経過後に略ピーク値Ｗｐになる（時刻ｔ０２）。
【００２２】
時刻ｔ００からパルス期間Ｔｐが経過して起動信号がオフされると（時刻ｔ０３）、エネルギは徐々に減少し、立下り時間Ｔｄ経過後に０になる（時刻ｔ０５）。
【００２３】
音響光学素子１０３は、レーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになる時刻ｔ０２からレーザ発振器１０１がオフされる時刻ｔ０３の間オンされる。レーザビーム１０２ｂは音響光学素子１０３がオンされている間出力される。
【００２４】
ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂは音響光学素子１０３が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【００２５】
レーザ発振器１０１は、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂの位置決めが完了する時刻ｔ１２に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする（時刻ｔ１０）。以下、上記の動作を繰り返す。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、レーザ発振器が発振可能なレーザパルス周期は１０ｍｓ〜０．３３ｍｓ（周波数１００Ｈｚ〜３ｋＨｚ）であり、パルス期間Ｔｐは、数１０μｓである。一方、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂの位置決めに要する時間Ｔｇは、１〜３ｍｓ程度を必要とする。
【００２７】
レーザ発振器１０１の遅れ時間Ｔｄとレーザ発振器１０１の立上り時間Ｔｐの合計時間は、ガルバノミラー１０５ａ、１０５ｂの位置決めが完了する時間に比べて充分に短い。
【００２８】
レーザ加工装置については加工時間短縮という要望があり、ガルバノ位置決め完了時刻にあわせて、レーザ出力が略ピーク値Ｗｐとなるように、レーザ発振器の起動信号をオンする時刻を決定する。
【００２９】
このため、不定ピッチの穴加工をする場合にはガルバノミラノ位置決め時間が不定となり、レーザビームの照射周期が変化し、平均出力が絶えず変化することになる。
【００３０】
一方で、レーザビーム１０２ａの照射方向はレーザビームの平均出力によって変化する特性を有するために、レーザビームの照射周期が変化することで、レーザビーム１０２ａの照射方向が変化する。
【００３１】
すなわち不定ピッチの穴加工をする場合には、レーザ照射方向は一定にならず、アパーチャ１１２を通過するビーム中心とアパーチャ１１２の中心は常に変化し、アパーチャ１１２を通過し、加工するビームエネルギーは安定しない。
【００３２】
さらに、音響光学素子１０３には、レーザビームの吸収による発熱が有り、この発熱によって音響光学素子１０３が熱レンズを発生する。
【００３３】
熱レンズは平均出力に比例しているが熱的時定数が小さいため熱レンズの変化が早い。
【００３４】
そのため、不定ピッチの穴加工をする場合には、アパーチャ１１２部分でのレーザビーム径は変化し、アパーチャ１１２を通過し、加工するビームエネルギーは安定しない。
【００３５】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、レーザ発振器を有効に活用するするとともに加工エネルギーを正確に制御することで品質の優れる穴を加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することにある。（例えば特開２００１−３５２１２０号公報）
【００３６】
【特許文献】
特開２００１−３５２１２０号公報
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明はパルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、前記パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、前記光路偏向手段を通過したパルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、前記レーザ光位置決め手段による位置決め完了時刻にあわせて、前記レーザ発振器からのレーザ出力が飽和してピーク値となるように前記レーザ発振器の起動信号をオンにする時刻を決定し、不定ピッチの加工をする場合に前記レーザ発振器から出力される前記パルスレーザー光の照射周期が変化するレーザ加工装置であって、不定ピッチの加工をすることで加工に用いる前記パルスレーザー光の照射周期が変化する場合であっても、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が一定となるように前記レーザ発振器が照射する前記パルスレーザー光のパルス幅を制御するレーザ加工装置である。
また、パルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、前記パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、前記光路偏向手段を通過したパルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、前記レーザ光位置決め手段による位置決め完了時刻にあわせて、前記レーザ発振器からのレーザ出力が飽和してピーク値となるように前記レーザ発振器の起動信号をオンにする時刻を決定し、不定ピッチの加工をする場合に前記レーザ発振器から出力される前記パルスレーザー光の照射周期が変化するレーザ加工装置であって、不定ピッチの加工をすることで加工に用いる前記パルスレーザー光の照射周期が変化する場合であっても、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が一定となるように位置決めが完了する時刻までの間に前記レーザ発振器がひとつあるいは複数のパルスを照射する制御をするレーザ加工装置である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施の形態のレーザ加工装置の概略を示す構成図である。
【００４０】
レーザ発振器１は、パルス状態のレーザビーム２ａを出力する。
【００４１】
レーザ光の光路を偏向可能な音響光学素子３は、レーザ発振器１の光路に所定の角度で配置されている。前記音響光学素子３は、起動信号にてレーザビーム２ａを偏向する。
【００４２】
前記音響光学素子３によって偏向されたレーザビーム２ｂは全反射ミラー４ａ、４ｂによってガルバノミラー５ａ、５ｂへ導かれる。
【００４３】
全反射ミラー４ａ、４ｂの反射面は固定されている。ガルバノまでの光路途中にアパーチャ１２が配置されている。加工に使用されないレーザビーム２ｃは、集熱装置１１に導かれる。ガルバノミラー５ａ、５ｂは図中矢印で示すように、回転軸の回りに回転自在であり、反射面を任意の角度に位置決めすることができる。
【００４４】
集光レンズ（ｆθレンズ）６は、加工ヘッド７に固定されている。
【００４５】
プリント基板８は、Ｘ−Ｙテーブル９に固定されている。
【００４６】
ガルバノミラー５ａ、５ｂのスキャン領域１０は、５０ｍｍ四方の大きさである。
【００４７】
次にレーザ加工装置の動作を説明する。
【００４８】
レーザ発振器１から出力されたレーザビーム２ａは、音響光学素子３に入射する。音響光学素子３は、起動指令によりレーザビーム２ａの一部を偏向する。起動指令にてレーザ光を偏向して加工面上に到達させ、起動指令がないときはレーザビーム２ａを偏向なく透過し、レーザビーム２ｃを集熱装置１１に導く。偏向されたレーザビーム２ｂは、全反射ミラー４ａ、４ｂで反射し、アパーチャ１２を通過してビーム形状が成形される。アパーチャ１２を通過したレーザビーム２ｂは、ガルバノミラー５ａ、５ｂで定まる光路を通り、集光レンズ６で集光され、スキャン領域１０内の穴を加工する。
【００４９】
そして、ガルバノミラー５ａ、５ｂを動作させ、加工ヘッド７はスキャン領域１０内の穴を、順に加工する。スキャン領域１０内の穴の加工が終了したら、Ｘ−Ｙテーブル９を移動させ、次のスキャン領域１３内の加工を行う。
【００５０】
次に図２、３にて動作を説明する。
【００５１】
図２はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【００５２】
図３は、図２のｔ１０〜ｔ３３部分を拡大した図である。
【００５３】
図で、（ａ）はレーザ発振器１の起動信号、（ｂ）はレーザビーム２ａのエネルギーの大きさ、（ｃ）は音響光学素子３の起動信号、（ｄ）は偏向されたレーザビーム２ｂのエネルギーの大きさ、（ｅ）は偏向されないレーザビーム２ｃのエネルギーの大きさ、（ｆ）はガルバノミラー５ａ、５ｂの起動信号を示している。
【００５４】
レーザビームの起動信号がオンされると（時刻ｔ１０）数μｓの遅れ時間Ｔｄｌ経過後にレーザビーム２ａの照射が開始される（時刻ｔ１１）。レーザビーム２ａのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Ｔｕ経過後に略ピーク値Ｗｐになる（時刻ｔ１２）。時刻ｔ１０からパルス期間Ｔｐが経過して起動信号がオフされると（時刻ｔ１５）、
エネルギは徐々に減少し、立下り時間Ｔｄ経過後に０になる（時刻ｔ１６）。レーザ発振器１は、加工時のレーザビームの照射方向、１パルスあたりのレーザビームエネルギーおよび音響光学素子の熱レンズ効果状態を略一定とするため、加工を開始する時刻ｔ１２の前からパルス照射を開始する。
【００５５】
このときのレーザ発振器の照射するパルス幅、パルス周期およびパルス数を予め設定している。また、このとき音響光学素子はオフのままで、レーザは集熱装置に導かれ、ガルバノミラー５ａ、５ｂは第１の加工位置で予め待機している。
【００５６】
加工前のレーザ照射が完了した後で、レーザ発振器１は、加工のためのレーザ照射を開始する。
【００５７】
レーザ発振器１がこのときに照射するパルス幅は、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が所定の割合となるように制御する。
【００５８】
音響光学素子３はレーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになる時刻ｔ１２から所定の時刻ｔ１３の間オンされる。
【００５９】
ガルバノミラー５ａ、５ｂは音響光学素子３が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【００６０】
レーザ発振器１は、ガルバノミラー５ａ、５ｂの位置決めが完了する時刻ｔ２２に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする（時刻ｔ２０）。以下、上記の動作を繰り返す。
【００６１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６２】
なお、図１と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
【００６３】
図４にて本実施の形態例の動作を説明する。
【００６４】
図４はサイクル加工を行う場合の各部のタイミングチャートであり、加工個所を連続加工するときの加工動作の解説図である。
【００６５】
図で、（ａ）はレーザ発振器１の起動信号、（ｂ）はレーザビーム２ａのエネルギーの大きさ、（ｃ）は音響光学素子３の起動信号、（ｄ）は偏向されたレーザビーム２ｂのエネルギーの大きさ、（ｅ）は偏向されないレーザビーム２ｃのエネルギーの大きさ、（ｆ）はガルバノミラー５ａ、５ｂの起動信号を示している。
【００６６】
レーザビームの起動信号がオンされると（時刻ｔ０）数μｓの遅れ時間Ｔｄｌ経過後にレーザビーム２ａの照射が開始される（時刻ｔ１。この場合はＴｄｌ）。レーザビーム２ａのエネルギーの大きさは徐々に増加し、立上り時間Ｔｕ経過後に略ピーク値Ｗｐになる（時刻ｔ２）。時刻ｔ０からパルス期間Ｔｐが経過して起動信号がオフされると（時刻ｔ３）、エネルギは徐々に減少し、立下り時間Ｔｄ経過後に０になる（時刻ｔ４）。レーザ発振器１は、加工時のレーザビームの照射方向、１パルスあたりのレーザビームエネルギーおよび音響光学素子の熱レンズ効果状態を略一定とするため、加工を開始する時刻ｔ５の前からパルス照射を開始する。このときのレーザ発振器の照射するパルス幅、パルス周期およびパルス数を予め設定している。
【００６７】
また、このとき音響光学素子はオフのままで、レーザは集熱装置に導かれ、ガルバノミラー５ａ、５ｂは第１の加工位置で予め待機している。
【００６８】
予め設定されたパルスの照射が完了した後のパルスでは、音響光学素子３はレーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになる時刻ｔ５からレーザ発振器１がオフされる時刻ｔ６の間オンされる。レーザビーム２ｂは音響光学素子３がオンされている間出力される。
【００６９】
ガルバノミラー５ａ、５ｂは音響光学素子３が動作している期間を除いて次の加工位置に位置決めする。
【００７０】
レーザ発振器は、ガルバノミラー５ａ、５ｂの位置決めが完了する時刻ｔ７までの間にも加工時の発振周期に近い所定の周期およびパルス幅で、略平均エネルギーが一定になるようなひとつあるいは複数のパルスを照射し続ける。
【００７１】
レーザ発振器１は、ガルバノミラー５ａ、５ｂの位置決めが完了する時刻ｔ８に、レーザビームエネルギがほぼピーク値Ｗｐになるように、レーザビームの起動信号を再びオンする（時刻ｔ７）。
【００７２】
そして、上記の動作を繰り返す。
【００７３】
なお、上記ではレーザ偏向手段に音響光学素子を例に説明したが電気光学素子を用いてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振器から出力されガルバノスキャナへ導かれるレーザ光の光路中にレーザ光偏向手段を配置し、光路外に集熱装置を配置し、ガルバノスキャナが加工穴間を移動している間に、音響光学変換素子を用いて集熱装置にレーザデューティーあるいはレーザビームエネルギーを一定に保つような捨てパルスを照射するので、プリント基板に不定ピッチの穴加工をする場合にもレーザビームの平均出力を一定に保つことができ、レーザの照射方向や音響光学素子の熱レンズ状態をより安定化させることができる。
【００７５】
この結果、アパーチャを通過するビームエネルギーを安定させることができ、加工穴形状は安定し、高品質な加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るサイクル加工をする場合の各部のタイミングチャート
【図３】図２の部分拡大図
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るサイクル加工をする場合の各部のタイミングチャート
【図５】従来のレーザ加工装置の構成図
【図６】従来のサイクル加工における各部のタイミングチャート
【図７】図１１の部分拡大図
【符号の説明】
１．レーザ発振器
２ａ．レーザビーム
２ｂ．偏向されたレーザビーム
２ｃ．偏向されないレーザビーム
３．音響光学素子
４ａ．全反射ミラー
４ｂ．全反射ミラー
５ａ．ガルバノミラー
５ｂ．ガルバノミラー
６．ｆθレンズ
７．加工ヘッド
８．プリント基板
９．Ｘ−Ｙテーブル
１０．スキャン領域
１１．集熱装置
１２．アパーチャ
１３．次のスキャン領域

Claims

パルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、前記パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、前記光路偏向手段を通過したパルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、
前記レーザ光位置決め手段による位置決め完了時刻にあわせて、前記レーザ発振器からのレーザ出力が飽和してピーク値となるように前記レーザ発振器の起動信号をオンにする時刻を決定し、不定ピッチの加工をする場合に前記レーザ発振器から出力される前記パルスレーザー光の照射周期が変化するレーザ加工装置であって、
不定ピッチの加工をすることで加工に用いる前記パルスレーザー光の照射周期が変化する場合であっても、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が一定となるように、前記レーザ発振器が照射する前記パルスレーザー光のパルス幅を制御するレーザ加工装置。
パルスレーザー光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザー光の光路上に設け、前記パルスレーザー光の光路を偏向する光路偏向手段と、前記光路偏向手段を通過したパルスレーザー光と被加工物を相対的に移動させるレーザ光位置決め手段を備え、
前記レーザ光位置決め手段による位置決め完了時刻にあわせて、前記レーザ発振器からのレーザ出力が飽和してピーク値となるように前記レーザ発振器の起動信号をオンにする時刻を決定し、不定ピッチの加工をする場合に前記レーザ発振器から出力される前記パルスレーザー光の照射周期が変化するレーザ加工装置であって、
不定ピッチの加工をすることで加工に用いる前記パルスレーザー光の照射周期が変化する場合であっても、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が一定となるように、位置決めが完了する時刻までの間に前記レーザ発振器がひとつあるいは複数のパルスを照射する制御をするレーザ加工装置。
請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用い、次のレーザ照射までの時間（周期）に対するレーザパルス幅の占める割合（デューティー）が一定となるように制御するレーザ加工方法。