JP4662028B2 - レーザビームを用いて基板、殊に、電気回路基板に孔を開ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いて基板、殊に、電気回路基板に孔を開ける方法であって、レーザビームは、穿孔すべき孔の直径よりも小さなビームスポット直径で、少なくとも１つの円形軌道上を動かされる方法に関する。

米国特許第５５９３６０６号明細書からは、そのような方法が公知であり、その際、レーザのビーム直径よりも大きな直径の孔が、レーザビームが螺旋軌道内又は孔領域内の同心円内で内側から外側又は外側から内側に移動されるようにして形成される。

プリント配線板又は比較可能な回路基板の穿孔時に、最適化後、穿孔すべき孔の位置が、順次連続して、その都度使用される偏向ユニットを用いて動かされる。その際、穿孔すべき孔の形状及び加工乃至機械加工は、プログラム（所謂穿孔機器）によって予め決められている。このプログラムにより、各孔は、同じように機械加工されている。目的に適うやり方では、その際、特に正確且つ迅速な穿孔方法では、レーザビームが、出発位置、例えば、先行の穿孔位置から、穿孔すべき孔の真ん中に跳躍され、そこから、常に同じ所定の角度方向で第１の円形軌道に動かされる。この第１の円形軌道を一巡した後、ビームは、必要な場合、別の円形軌道を動かされるようにしてもよい。中心点から第１の円形軌道へのトラバース方向が、所定の角度内に決められている場合、前述の跳躍方向は、各々種々異なった出発点（穿孔）から極めて種々異なった角度を成し、つまり、全ての孔の大多数は、孔の中心点への跳躍と円形軌道へのトラバース移動との間で、１８０°以下の大きさで方向を変える必要があるということである。跳躍方向とトラバース方向との間での方向の変化が大きければ大きい程、偏向ユニット、即ち、一般的に、ガルボミラーの位置調整を急激に変える必要がある。その際、角度の方向を変えることにより、常に、移動後ミラーが静止するのに必要な時間、並びに、ガルボモータ用のストレスファクタによる時間損失が生じる。つまり、比較的高いピーク電流が流れ、それにより、ガルボモータの寿命に否定的な作用が及ぼされる。ミラーの静止時間をなくすと、孔の質が劣化する。即ち、丸くない孔があいてしまう。殊に、約１８０°の方向転換の際には、更に、先ず停止状態にする必要があり、次に、新たに加速する必要があり、その際、ガルボモータが新たにラグのエラーが生じる。

本発明の課題は、上述の、基板に孔を開ける方法を改善して、比較的高い処理速度を、それと同時に良好な孔の質で、即ち、孔の良好な丸みで達成することにある。それと同時に、偏向ユニットを僅かな負荷しかかからないようにすること、即ち、殊に、ガルボモータの比較的高い寿命を達成することにある。

本発明によると、この課題は、レーザビームを新規穿孔すべき孔の方に配向する際、ビーム軸を先ず、該ビーム軸の開始位置によって設定される跳躍方向で、当該穿孔すべき孔の中心点の方に移動させ、それから、とぎれることなく、定められた中心点を出発して、定められた半径方向でのトラバース移動から定められた円形軌道の方に移動するものであって、トラバース移動の角度方向を、跳躍方向に依存して、中心点でのビーム軸の方向の変化が、所定の最大角度を超過せず、又は、当該方向を維持するように定めることにより解決される。

本発明の方法では、その都度最後の孔からの跳躍方向に依存して、孔の真ん中からの移動は、例えば、２２５°以上の急激な方向変化を回避するように選定される。

これは、本発明の方法の第１の実施例では、孔の穿孔プログラミングを、各個別の場合に、トラバース移動の角度方向を、入射レーザビームの跳躍方向に適合させるようにして変化することにより行われる。この場合、孔の真ん中の点では、方向変化しないか、又は、方向変化しない場合と同様に良好に方向変化するが、この解決手段はコスト高である。

たいていの用途では、そのために、本発明の方法の構成は良好であり、つまり、所定の最大角度領域に相応して、トラバース移動のために幾つかの角度方向を設定し、当該角度方向には、各々入射レーザビームの跳躍方向用の角度領域が対応付けられており、その際、どの角度領域内に跳躍方向が位置しているかに応じて、所属の穿孔プログラムが、所属のトラバース方向と共に選択可能である。例えば、まん中の点での方向変化用の最大許容角度範囲が４５°である場合、入射跳躍方向に対して、各々４５°の８個の角度範囲が決められ、当該角度範囲には、各々出て行くトラバース方向が所属の穿孔プログラムと共に配属されている。どの跳躍方向からレーザビームが来るかに応じて、所属の穿孔プログラムが選択され、実行される。

以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際
図１は、多層基板に孔を開けるためのレーザ装置の略図、
図２は、穿孔すべき孔の領域内で、入射レーザビームのビーム軸の経路を、中心点での角度変化なしに示した図、
図３は、中心点での最大角度変化時に、穿孔すべき孔の範囲内での、入射レーザビーム経路を示す図、
図４〜１１は、入射ビームの種々異なった跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す。

図１に正しい尺度で図示せずに略示した装置は、偏向ユニット２及び光学結像ユニット３とを有するレーザ１を示し、光学結像ユニットを介して、レーザビーム４は、基板１０、有利には、プリント配線板の方に配向される。この基板１０は、図示の実施例では、上側の第１の金属層（例えば、銅層）１１、並びに、下側の第２の金属層１２を有しており、第１の金属層と第２の金属層との間に誘電体層１３が設けられている。この誘電体層は、例えば、ポリマー材料、例えば、ＲＣＣ又はグラスファイバ強化ポリマー材料、例えば、ＦＲ４からなる。一般的に銅製の金属層は、加工乃至伝送のために、誘電体とは異なったエネルギ量を必要とする。それに相応して、種々異なったレーザ調整、例えば、種々異なったパルス繰り返し率及び種々異なった、レーザビームのフォーカシングを選択してもよい。

図１に示されているように、基板１内に、各々直径Ｄ１の止まり穴又は貫通孔１５が穿孔されている。この目的のために、例えば、レーザの第１の調整では、孔１４は、銅層１１を貫通して穿孔され、それから、別のレーザ調整では、止まり穴１５が誘電体層１３内に形成される。どの材料が穿孔されるかとは無関係に、ここでは、レーザビーム４は、材料が完全に当該孔１４乃至１５から除去される迄、各々その焦点Ｆ１において、同心円状に、穿孔すべき孔領域内に移動されることが前提とされる。個別孔は、順次連続して加工され、その結果、各々レーザビーム乃至跳躍中スイッチオフされる、又は、非常に小さなエネルギ（例えば、ＣＷモードで３５５ｎｍＵＶ）で駆動されるレーザビームの光軸は、一方の孔領域から直ぐ次の孔領域に跳躍する。

図１には、このような、一方の孔から他方の孔への跳躍方向が、各々矢印Ｓで示されている。つまり、跳躍は、各々先行の孔の出発点から、例えば、縁点又は孔まん中の点での穿孔過程の完全修了後、直ぐ次に穿孔すべき孔のまん中の点にほぼ直線状に行われる。それから、このまん中の点から、所定の固定穿孔プログラムが開始され、その際、レーザビームの軸が先ず固定して設定されたトラバース方向Ｖ又は択一的に円の中心点から円形軌道に移動される。円形軌道に達すると、レーザはスイッチオンされ、レーザビームは、所与の前提、例えば、基板材料、穿孔深さ、レーザの形式及びエネルギ密度等に応じて円形軌道を１回又は複数回回転する。穿孔の大きさがレーザの同心状の回転を必要とする場合、レーザビームは、第１の円形軌道上を１回又は複数回回転した後、別の円形軌道上にトラバースされる。実際には、レーザビーム乃至スイッチオフされたレーザのビーム軸は、まん中の点Ｍから開始時にだけトラバース方向Ｖに移動され、その後、弧Ｂ（図２）の形式で、所望の円形軌道Ｋに接近される。

既述のように、跳躍方向Ｓと中心点Ｍとの角度は、各々の出発点Ａ、一般的には、先行の穿孔に依存している。従って、加工すべき孔の構成及び順序に応じて、跳躍方向Ｓは各角度を成す。トラバース方向Ｖの角度は固定して予めプログラミングされているので、まん中の点Ｍでは、多少大きな角度変化が生じる。理想的な場合の角度変化が、図２に示されている。その際、出発点Ａは、跳躍方向ＳがＸ軸で０°を成すトラバース方向Ｖとほぼ同じであるような位置に位置している。つまり、レーザビームの軸は、まん中の点Ｍを介してとぎれなく更に移動するようにすることができ、その結果、偏向ユニットは連続的に移動することができる。つまり、レーザビームは、トラバース方向Ｖにおいて円形軌道の方に動かされ、その際、それに相応して、破線で示した弧Ｂ又は択一的にトラバース方向Ｖに円形軌道Ｋに移動され、この破線で示した円形軌道Ｋに沿って穿孔工程を実行する。

レーザビームの案内のために不利な場合が、図３に示されている。この場合には、レーザビームの案内が、先行のトラバース方向Ｖから１８０°反転している。つまり、ビーム軸は、まん中の点Ｍで１８０°方向反転する必要がある。そのために、偏向ユニットは先ず停止されて、新しい方向に加速される必要がある。

そのような、穿孔すべき孔のまん中の点での強い方向変化によって生じる遅延を回避するために、本発明によると、トラバース方向が角度の点でできる限り跳躍方向Ｓに適合化される。各方向のための理想的な場合（図２による）を達成するために、穿孔プログラムの各々の適合は非常にコスト高であるので、所定数の穿孔プログラムが固定して設けられ、跳躍方向に応じて、その都度プログラムが跳躍方向とトラバース方向との間の僅かな偏差で選択される。ここで説明している実施例では、８個のプログラムが各々４５°だけずらされたトラバース方向Ｖ１〜Ｖ８が設けられており、その際、各トラバース方向には、入射跳躍方向用の角度領域が対応付けられている。跳躍方向とトラバース方向の、この８個の所定の組合せが、図４〜１１に示されている。予めプログラミングされた８個のトラバース方向Ｖ１〜Ｖ８は、各々角度領域Ｗ１〜Ｗ８と結合されており、その結果、どの角度範囲Ｗ１〜Ｗ８に跳躍方向Ｓ１〜Ｓ８が入るかに応じて、自動的に所属の穿孔プログラムがトラバース方向Ｓ１〜Ｓ８と結合される。そうすることによって、跳躍方向とトラバース方向との間で、まん中の点で、２２．５°の角度変化が生じる。孔のまん中の点からの方向は、各々対向している入射角度範囲の角度の半分によって与えられる。この角度範囲が４５°であると、領域毎の角度変化は最大２２．５°である（図４参照）。

一般的に、基板乃至プリント配線板上に穿孔すべき孔のための切除作業の位置及び列順序は分かっているので、予め穿孔すべき各孔に対して、当該穿孔プログラムを決めることができ、その結果、場合によっては十分でない処理効率によって時間損失が生じることはない。更に、固定して決められるトラバース方向の個数は、当該実施例に限定されるものではなく、必要に応じて別の各個数の所定のトラバース方向と所属の穿孔プログラムを設けるか、又は、理想的な場合、オンラインで方向を考慮するようにしてもよい。

多層基板に孔を開けるためのレーザ装置の略図 穿孔すべき孔の領域内で、入射レーザビームのビーム軸の経路を、中心点での角度変化なしに示した図 中心点での最大角度変化時に、穿孔すべき孔の範囲内での、入射レーザビーム経路を示す図 入射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図 射ビームの所定の跳躍方向での、本発明の方法により穿孔すべき孔の範囲内でのレーザビームの軸の経路を示す図

Claims (1)

1. レーザビームを用いて基板、殊に、電気回路基板（１）に孔を開ける方法であって、前記レーザビームは、穿孔すべき孔の直径よりも小さなビームスポット直径（Ｆ１）で、少なくとも１つの円形軌道（Ｋ）上を動かされる方法において、
   レーザビーム（４）を新規穿孔すべき孔（１４，１５）の方に配向する際、ビーム軸を先ず、該ビーム軸の開始位置（Ａ）によって設定される跳躍方向（Ｓ）で、当該穿孔すべき孔の中心点（Ｍ）の方に移動させ、それから、とぎれることなく、前記定められた中心点を出発して、定められた半径方向でのトラバース移動（Ｖ）から定められた円形軌道（Ｋ）の方に移動するものであって、
   前記中心点（Ｍ）に関して３６０°を等分した角度範囲（Ｗ）を設け、
   それぞれの角度範囲（Ｗ）の角度を半分にする方向でかつ対向する方向にそれぞれの前記トラバース移動（Ｖ）の角度方向を設定し、
   前記跳躍方向（Ｓ）がどの角度範囲（Ｗ）に入るかに応じて対応するトラバース移動（Ｖ）の角度方向を選定する、
   ことを特徴とする方法。

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