JP4680871B2 - Beam profile measuring apparatus and laser processing apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、トップハット形状レーザビームのプロファイルに高いピークの発生有無をモニターできるレーザビームのプロファイル測定装置、及び前記レーザビームのプロファイル測定装置を装備してプリント基板等の被加工物に穴開け加工を行うレーザ加工装置にに関するものである。 The present invention is equipped with a laser beam profile measuring device that can monitor the presence or absence of a high peak in the profile of a top hat laser beam, and is equipped with the laser beam profile measuring device to drill a workpiece such as a printed circuit board. The present invention relates to a laser processing apparatus that performs the above.
図4は、従来のレーザ加工装置の構成例を示す概念図である。まず、レーザ発振器1と全反射鏡8との間にトップハット光学系2が無い場合について説明する。図4において、レーザ発振器1から射出されるパルス状のレーザビーム(以降、単に「レーザビーム」ないしは「レーザパルス」という)は、複数の可動レンズ3によってビーム径、発散角が適切に調整された後に、マスク4にて加工に使用する形状のレーザビームに整形される。マスク4にて整形されたレーザビームは、2つのガルバノスキャンミラー5にて2次元走査され、fθレンズ6によってワーク(プリント基板等の被加工物)7の任意位置に集光照射され、被加工物7に所定形状の穴開け加工が施される。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a configuration example of a conventional laser processing apparatus. First, a case where there is no top hat
なお、装置のコンパクト化を図るため、レーザ発振器1からマスク4に至る光路は、伝送ミラーである全反射鏡8,9によって折り曲げて形成され、また、マスク4から2つのガルバノスキャンミラー5に至る光路は、伝送ミラーである全反射鏡10,11によって折り曲げて形成されている。複数の可動レンズ3は、全反射鏡8,9の間に配置されている。
In order to reduce the size of the apparatus, the optical path from the laser oscillator 1 to the mask 4 is formed by being bent by total reflection mirrors 8 and 9 as transmission mirrors, and from the mask 4 to the two
図5は、マスク4上に形成されるレーザビームの強度分布(プロファイル)の各種の態様を説明する模式図である。図5(a)は、トップハット光学系2が無い場合に形成される一般的なガウス分布形状を示す。穴開け加工には、貫通穴加工と止まり穴加工とがあるが、一般に、レーザ発振器1から射出されるレーザビームの強度分布は、ガウス分布の形状をしているので、マスク4上に形成される強度分布も同様にガウス分布の形状をしている(図5(a))。そのようなガウス分布形状の強度分布を有するレーザビームで穴開け加工を施すと、加工穴径が照射面側から非照射面側に向かって段々に小さくなるいわゆるテーパの付いた穴開け加工となる場合が多い。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining various aspects of the intensity distribution (profile) of the laser beam formed on the mask 4. FIG. 5A shows a general Gaussian distribution shape formed when the top hat
ところで、止まり穴加工の方法として、被加工物を樹脂層と銅層との重ね合わせで構成し、従来では銅に対する反射率が極めて高い特性を有する赤外レーザビームを樹脂層に対して照射し、銅層表面で止まるようにした方法が実施されていたが、近年では、被加工物であるプリント基板では、高密度化の要請に伴って穴径がより小さい微細な穴加工が求められていることから、使用するレーザ光も赤外レーザ光から短波長の紫外レーザ光に変わっている。 By the way, as a blind hole processing method, a workpiece is formed by superposing a resin layer and a copper layer, and conventionally, an infrared laser beam having an extremely high reflectance to copper is irradiated to the resin layer. However, in recent years, printed circuit boards, which are workpieces, have been demanded for fine hole processing with a smaller hole diameter in response to a demand for higher density. Therefore, the laser beam to be used is changed from the infrared laser beam to the short wavelength ultraviolet laser beam.
この紫外レーザ光を用いる場合、紫外レーザ光の銅に対する反射率は、赤外レーザ光のそれよりも小さいので、紫外レーザビームでの止まり穴加工では、照射するレーザビームの強度分布がガウス分布の形状であると、樹脂層にテーパの付いた穴加工が施されるのに加えて、そのレーザビームの強度分布が強い中心部分に位置する銅層表面が損傷することがある。そのため、紫外レーザビームを用いて止まり穴加工を実施する従来のレーザ加工装置では、強度分布の影響を無くすために、マスク4の整形穴径を小さくして照射するレーザビームの強度分布を平坦に近づけることで、銅層の損傷を回避して樹脂層にテーパの付かない止まり穴を得る方法を採用している。 When this ultraviolet laser beam is used, the reflectance of the ultraviolet laser beam to copper is smaller than that of the infrared laser beam. Therefore, in blind hole processing with an ultraviolet laser beam, the intensity distribution of the irradiated laser beam is a Gaussian distribution. In the case of the shape, the surface of the copper layer located at the central portion where the intensity distribution of the laser beam is strong may be damaged, in addition to the taper hole being drilled in the resin layer. Therefore, in a conventional laser processing apparatus that performs blind hole processing using an ultraviolet laser beam, in order to eliminate the influence of the intensity distribution, the intensity distribution of the laser beam to be irradiated is made flat by reducing the diameter of the shaping hole of the mask 4. By approaching, a method of avoiding damage to the copper layer and obtaining a blind hole that does not taper the resin layer is adopted.
ここで、レーザ加工装置での課題の1つに、生産性の向上を図るため穴あけ加工に要する時間を減らすことがある。穴あけ加工に要する時間を減らす方法として、1つの穴を加工するためにプリント基板に照射するレーザパルス数を少なくする手法が考えられる。この手法では、1レーザパルス当たりのエネルギーを大きくする必要があるが、通常のレーザパルスは、図5(a)に示すようなガウス分布形状の強度分布を有している。つまり、そのようなガウス分布形状の強度分布を有するレーザビームを直接プリント基板に照射すると、照射回数は少なくてもエネルギーが大きいので、銅層の損傷を回避することはできず、逆に損傷し易くなる。したがって、この手法は有効なものとはならない。 Here, one of the problems in the laser processing apparatus is to reduce the time required for drilling in order to improve productivity. As a method of reducing the time required for drilling, a method of reducing the number of laser pulses applied to the printed board in order to process one hole can be considered. In this method, it is necessary to increase the energy per laser pulse, but a normal laser pulse has an intensity distribution having a Gaussian distribution shape as shown in FIG. In other words, if a printed circuit board is directly irradiated with a laser beam having such a Gaussian intensity distribution, the energy is large even if the number of irradiations is small, so that damage to the copper layer cannot be avoided, and conversely, damage is caused. It becomes easy. Therefore, this method is not effective.
一方、このプリント基板に照射するレーザパルス数を少なくする手法においても、上記したように、強度分布の影響を無くすためにマスク径を小さくし、加工に使用するレーザビームの強度分布を平坦にして加工することは可能であるが、マスク径を小さくした結果として加工に利用されるレーザパルスのエネルギーが非常に少なくなり、レーザ発振器の射出エネルギーを上げたことの効果が小さいものになってしまう。 On the other hand, in the method of reducing the number of laser pulses irradiated to the printed circuit board, as described above, the mask diameter is reduced in order to eliminate the influence of the intensity distribution, and the intensity distribution of the laser beam used for processing is made flat. Although processing is possible, as a result of reducing the mask diameter, the energy of the laser pulse used for processing becomes very small, and the effect of increasing the emission energy of the laser oscillator becomes small.
そのため、近年では、レーザ発振器が射出するレーザパルスの強度分布を穴開け加工に適した形状の強度分布に整形してプリント基板に照射する手法が用いられている。一般には、レーザ発振器が射出するレーザパルスが有する図5(a)に示すようなピーク点に対して左右対称に漸減する通常のガウス分布形状を、図5(b)に示す平坦な強度分布を有するトップハット形状に整形してプリント基板に照射する手法がよく用いられている。 For this reason, in recent years, a technique has been used in which the intensity distribution of a laser pulse emitted from a laser oscillator is shaped into an intensity distribution having a shape suitable for drilling and irradiated onto a printed circuit board. In general, an ordinary Gaussian distribution shape gradually decreasing symmetrically with respect to a peak point as shown in FIG. 5A possessed by a laser pulse emitted from a laser oscillator has a flat intensity distribution shown in FIG. 5B. A technique of shaping a top hat shape and irradiating a printed circuit board is often used.
トップハット形状の強度分布は、非球面レンズ等の光学素子を用いて作成される。図4において、レーザ発振器1と全反射鏡8との間に配置されるトップハット光学系2は、そのようなトップハット形状の強度分布を作成する非球面レンズ等の光学素子で構成される光学系である。この場合、図4において、トップハット光学系2は、そのトップハット形状の強度分布がマスク4上で形成されるように構築されており、更にはマスク4上でのプロファイルがワーク7に転写される光学設計がなされている。
The intensity distribution of the top hat shape is created using an optical element such as an aspheric lens. In FIG. 4, a top hat
このトップハット形状の強度分布を有するレーザパルスを用いる加工方法によれば、テーパのつきにくい穴開け加工がしやすくなると同時に、紫外レーザ光のような銅に対する反射率の低いレーザパルスであっても、同じエネルギーで穴開け加工をした場合に銅層が損傷しづらくなる。その結果、実際に加工に使用するレーザエネルギーを更に大きくすることができる。また、マスク位置におけるレーザビームが強度分布の平坦なトップハット形状であることから、マスクで加工に使用するビームを整形して取り出す際に径の大きいマスクを使用することができる。 According to the processing method using the laser pulse having the intensity distribution of the top hat shape, it becomes easy to make a hole which is hard to be tapered, and at the same time, even a laser pulse having a low reflectivity with respect to copper such as an ultraviolet laser beam. When drilling with the same energy, the copper layer is less likely to be damaged. As a result, the laser energy actually used for processing can be further increased. Further, since the laser beam at the mask position has a flat top hat shape with an intensity distribution, a mask having a large diameter can be used when shaping and extracting the beam used for processing with the mask.
しかし、トップハット形状の強度分布を有するレーザビームを用いる図4に示すレーザ加工装置では、どのような加工穴が形成されるかは、マスク4上に形成されるレーザビームの強度分布によって決定されるが、その強度分布が、非球面レンズ等で構成されるトップハット光学系2の調整度合いに応じて大きく変化するという問題がある。具体的には、トップハット光学系2中の非球面レンズのレーザ光軸に対する配置位置がトップハット形状を構築する最適位置からずれていると、マスク4上に形成される強度分布に図5(c)に示すような局所的に高いピーク28が発生するので、図6に示すような問題が起こる。
However, in the laser processing apparatus shown in FIG. 4 using a laser beam having a top hat-shaped intensity distribution, what kind of processing hole is formed is determined by the intensity distribution of the laser beam formed on the mask 4. However, there is a problem that the intensity distribution varies greatly depending on the degree of adjustment of the top hat
図6は、図5(c)に示す局所的に高いピーク28を有するトップハット形状レーザビームで加工した場合の加工状態を説明する模式図である。つまり、マスク4の位置にて図5(c)に示す局所的に高いピーク28を有するトップハット形状レーザビームのバンパターンを取得してプリント基板に照射すると、図6に示すように、加工穴30が樹脂層31に形成され、その穴底部面である銅層32の表面は全体的にフラットであるが、レーザパルスが高いピーク28を持つ部分に対応する一部領域において銅層32が溶融して溝(銅層損傷部)33が形成されるという問題がある。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a processing state when processing is performed with a top hat laser beam having a locally
ところで、従来のレーザ加工装置は、加工不良を早期に発見するために1つの穴加工に用いたエネルギーをモニターする機能を備えている。このモニター機能は、伝送光路中においてレーザパルスの波形を制御装置に取り込み、積分することで1つの穴加工に用いたエネルギー量をモニターし、規定量に達しているか否かの判断を行い、規定量に達していない場合にアラームを発するようになっている。しかし、この手法でモニターするのはレーザパルス全体のエネルギー量であるので、もしレーザビームの強度分布が局所的に高いピークを有するものであったとしても全体のエネルギー量が所望する量にあればアラームが発生することはない。 By the way, the conventional laser processing apparatus has a function of monitoring the energy used for processing one hole in order to find a processing defect at an early stage. This monitoring function captures the laser pulse waveform in the transmission optical path into the control device and integrates it to monitor the amount of energy used for drilling one hole and determine whether the specified amount has been reached. An alarm is issued when the amount is not reached. However, since the energy amount of the entire laser pulse is monitored by this method, even if the intensity distribution of the laser beam has a locally high peak, the total energy amount is within the desired amount. An alarm will never occur.
つまり、ここで問題にしているトップハット光学系にてレーザビームをトップハット形状に構築させている場合において、局所的な高いピークの発生は、本来そのピークの周辺部に配分されるはずであるエネルギー成分がトップハット光学系中における素子の位置調整不足のために局所的に配分された結果であると考えられるので、レーザビーム全体としてのエネルギー量は変化しない。したがって、この従来のレーザ加工装置に装備するエネルギー量をモニターする機能では、このようなレーザビームの強度分布(プロファイル)の局所的な変化を検出することは不可能であると考えられる。 In other words, when the laser beam is constructed in a top hat shape in the top hat optical system in question here, the occurrence of a local high peak should be distributed to the periphery of the peak. Since the energy component is considered to be a result of local distribution due to insufficient position adjustment of the element in the top hat optical system, the amount of energy of the entire laser beam does not change. Therefore, it is considered impossible to detect such a local change in the intensity distribution (profile) of the laser beam by the function of monitoring the amount of energy provided in the conventional laser processing apparatus.
そこで、例えば特許文献1では、被加工物に照射されるレーザビームの一部を分離し、レーザビームの強度分布をCCD素子等の受光センサで測定し、画像の良否判断を行ってレーザ発振器の発振条件を制御する手法が提案されているが、この特許文献1に記載の技術を利用して、レーザパルスのエネルギー量だけでなく、レーザビームのプロファイルもモニターすれば、加工に使用しているレーザビームのプロファイルを確実に把握できるので、ビームプロファイルの変化に起因する加工不良をより早期にかつ確実に発見することが可能になると考えられる。 Therefore, for example, in Patent Document 1, a part of a laser beam irradiated to a workpiece is separated, the intensity distribution of the laser beam is measured by a light receiving sensor such as a CCD element, and the quality of the image is judged to determine the quality of the laser oscillator. A method for controlling the oscillation condition has been proposed, but not only the amount of energy of the laser pulse but also the profile of the laser beam is monitored by using the technique described in Patent Document 1, which is used for processing. Since the profile of the laser beam can be ascertained reliably, it is considered possible to detect the processing defect due to the change in the beam profile earlier and more reliably.
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、画像の良否判断に複雑な測定システムが必要となる上に、その画像の良否判断を高い繰り返し率で発生するレーザパルスに追従させる必要があり、現在のレーザ加工装置では、実現が難しい。 However, the technique described in Patent Document 1 requires a complicated measurement system for determining the quality of an image, and also requires that the quality determination of the image follow a laser pulse generated at a high repetition rate. Realization is difficult with a laser processing apparatus.
上記したように、現在のレーザ加工装置は、紫外レーザを使用しているが、紫外レーザは、以前に使用していた赤外レーザと比較して1パルス当たりに得られるエネルギーが少ないので、一般に1つの穴加工に必要とされるパルス数が圧倒的に多くなる。具体的に言えば、赤外レーザによる加工では数パルスの加工で済むところが、紫外レーザによる加工では少なくとも数十パルス、場合によっては100パルス近いパルス数を必要とする。 As described above, the current laser processing apparatus uses an ultraviolet laser. However, an ultraviolet laser generally has less energy per pulse than an infrared laser that has been used before. The number of pulses required for drilling one hole is overwhelmingly large. Specifically, processing with an infrared laser requires only a few pulses, but processing with an ultraviolet laser requires at least several tens of pulses, and in some cases, a pulse number close to 100 pulses.
そのため、現在、紫外レーザを使用するレーザ加工装置では、高い生産性を得るためにレーザ発振器の更なる高出力化が進められ、同時に高繰り返し率化も進められている。つまり、特許文献1に記載の技術を適用して画像の良否判断を実施するとすれば、数100kHzで生起するレーザパルスに追従できるシステムが必要となる。 Therefore, at present, in laser processing apparatuses using an ultraviolet laser, in order to obtain high productivity, further increase in output of the laser oscillator is advanced, and at the same time, increase in repetition rate is also promoted. In other words, if the image quality determination is performed by applying the technique described in Patent Document 1, a system capable of following a laser pulse generated at several hundred kHz is required.
例えば、100kHzで生起するレーザパルスを用いて加工するとして、1つの加工穴に数10パルスを要すると仮定する。この場合、10パルス毎に1パルスの波形を観測するとしても、100μs毎にレーザパルスの強度分布を測定システムに取り込み、良否判断をする必要がある。したがって、高い処理能力を有する測定システムが必要になり、高価なものとなってしまう。 For example, assuming that machining is performed using a laser pulse generated at 100 kHz, it is assumed that several tens of pulses are required for one machining hole. In this case, even if the waveform of one pulse is observed every 10 pulses, it is necessary to take the intensity distribution of the laser pulse into the measurement system every 100 μs and judge whether it is good or bad. Therefore, a measurement system having a high processing capacity is required, which is expensive.
つまり、トップハット形状のビームプロファイルを有するレーザビームを用いるレーザ加工装置では、図6に示した銅層損傷部33の発生を回避するために、簡単かつ安価な構成でトップハット形状のビームプロファイルに高いピークの発生有無をモニターできる機構を装備する必要がある。その場合、高いピークが発生しているというモニター結果が非球面レンズの位置調整に反映できることが望まれる。そのような簡単かつ安価な構成のモニター機構をどのようにして構築するかが問題である。
That is, in a laser processing apparatus using a laser beam having a top hat beam profile, in order to avoid the occurrence of the copper layer damaged
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡単かつ安価な構成でトップハット形状のビームプロファイルに高いピークの発生有無をモニターできるレーザビームのプロファイル測定装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a laser beam profile measuring apparatus capable of monitoring the presence or absence of a high peak in a top hat-shaped beam profile with a simple and inexpensive configuration.
この発明は、上記発明のレーザビームのプロファイル測定装置を備えたレーザ加工装置を得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a laser processing apparatus provided with the laser beam profile measuring apparatus of the above invention.
上述した目的を達成するために、この発明にかかるレーザビームのプロファイル測定装置は、強度分布がトップハット形状をしたレーザビームの光路上に配置され、前記トップハット形状上に発生する高ピーク領域のレーザビームを透過する位置に円弧状の開口部が設けられているアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザビームの強度を測定して一定値を超える強度の存在有無を判断する第1の測定手段とを備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a laser beam profile measuring apparatus according to the present invention is arranged on an optical path of a laser beam having a top hat shape and has a high peak region generated on the top hat shape. An aperture provided with an arc-shaped opening at a position where the laser beam is transmitted, and first measuring means for measuring the intensity of the laser beam that has passed through the aperture and determining whether there is an intensity exceeding a certain value; It is characterized by having.
この発明によれば、アパーチャは、常に、トップハット形状上に発生する高ピーク領域のレーザビーム成分のみを透過するので、第1の測定手段では、トップハット形状上に高ピーク領域が発生していない通常時ではほぼ一定強度のレーザビームが入力し、高ピーク領域が発生している異常時ではその一定強度よりも高い強度のレーザビームが入力するので、ビームプロファイルの全体を取り込み、その変化を解析する複雑なシステムを必要とせずに簡単かつ安価な構成で確実にビームプロファイルの変化を検出することができる。 According to the present invention, since the aperture always transmits only the laser beam component of the high peak region generated on the top hat shape, the high peak region is generated on the top hat shape in the first measuring means. In normal times, a laser beam with a substantially constant intensity is input, and when there is an abnormality in which a high peak area is generated, a laser beam with a higher intensity than the constant intensity is input. Changes in the beam profile can be reliably detected with a simple and inexpensive configuration without requiring a complicated system to analyze.
この発明によれば、簡単かつ安価な構成でトップハット形状のビームプロファイルに高いピークの発生有無をモニターできるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to monitor whether or not a high peak is generated in the top hat beam profile with a simple and inexpensive configuration.
以下に図面を参照して、この発明にかかるレーザビームのプロファイル測定装置及びレーザ加工装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a laser beam profile measuring apparatus and a laser processing apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、この発明の一実施の形態によるレーザビームのプロファイル測定装置を装備したレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。なお、図1では、従来例(図4)に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態に関わる部分を中心に説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a laser processing apparatus equipped with a laser beam profile measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, components that are the same as or equivalent to those shown in the conventional example (FIG. 4) are assigned the same reference numerals. Here, the description will be focused on the parts related to this embodiment.
図1に示すように、この実施の形態によるレーザ加工装置は、従来例(図4)に示した構成において、マスク4の前後に配置される全反射鏡9,10に代えて反射率を下げて一部透過を行う部分反射鏡9a,10aが設けられている。そして、部分反射鏡9aの透過光の光路上に、複数のレンズ12、スリットを有するアパーチャ13(図3参照)及びフォトダイオードなどの光電素子14がこの順に配置され、光電素子14の出力を受ける制御装置15が設けられている。なお、複数のレンズ12は、必要に応じて配置される。また、部分反射鏡10aの透過光の光路上にフォトダイオードなどの光電素子16が配置され、光電素子16の出力を受ける制御装置17が設けられている。
As shown in FIG. 1, the laser processing apparatus according to this embodiment reduces the reflectivity in place of the total reflection mirrors 9 and 10 arranged before and after the mask 4 in the configuration shown in the conventional example (FIG. 4). Partially reflecting
なお、部分反射鏡9a,10aは、それぞれ、分光手段を構成している。また、光電素子14及び制御装置15の全体と光電素子16及び制御装置17の全体とは、それぞれ、測定装置を構成している。
Each of the partial reflection mirrors 9a and 10a constitutes a spectroscopic means. Moreover, the whole
まず、部分反射鏡9a〜レンズ12〜アパーチャ13〜光電素子14〜制御装置15の経路について説明する。図2は、図3に示す実験結果に基づき定めたアパーチャ13の形態例を示す図である。図3は、図5(c)に示すような局所的に高いピーク28が発生している状態のレーザビームのバンパターンをマスク4にて取り出してアクリルに照射し、高ピークの発生位置の変化態様を調べた実験結果を示す図である。
First, the path from the
前述したように、トップハット光学系2中の非球面レンズのレーザ光軸に対する配置位置がトップハット形状を構築する最適位置からずれていると、つまり、非球面レンズの中心軸が本来のレーザ光軸からずれていると、マスク4上に形成される強度分布に図5(c)に示すような局所的に高いピーク28が発生する。そして、そのような局所的に高ピークを有するトップハット形状レーザビームのバンパターンをマスク4で取り出しワーク7に照射すると、図6に示すような銅層損傷部33が発生する。
As described above, when the arrangement position of the aspheric lens in the top hat
そこで、図3に示す方法で実際にトップハット形状のプロファイルに局所的な高ピークを有するレーザビームで加工を行って高ピーク位置と銅層損傷部の形成位置との関係を調べた。図3において、符号20は、マスク4で切り出すビーム外形である。符号21は、非球面レンズの配置位置を最適位置からある一方向にずらした場合にビームプロファイル上に発生したピーク部によって深く加工された部位であり、ビーム中心から一定距離の位置においてある幅を有した円弧状を描いて形成されている。そして、図示してないが、非球面レンズの配置位置を最適位置から他の一方向にずらすと、ビーム中心からの一定距離は同じで、その一定距離の円周上の異なる位置に同様にある幅を有して円弧状を描いて形成されることを突き止めた。なお、この深く加工された部位21は、図6に示した銅層損傷部33に対応しているので、以降、この深く加工された部位21を銅層損傷部21と称する。
Therefore, processing was actually performed with a laser beam having a local high peak in the profile of the top hat shape by the method shown in FIG. 3, and the relationship between the high peak position and the formation position of the damaged portion of the copper layer was investigated. In FIG. 3,
このような実験の結果から、トップハット形状のビームプロファイルに発生するピーク位置は、非球面レンズの中心軸が本来のレーザ光軸(ビーム中心)からずれる方向に応じて変化するが、どの向きにずれてもビーム中心から一定距離の同心円周上に発生することが判明した。このことは、トップハット光学系2を通過するレーザビームが本来のレーザ光軸からのずれ方向は、非球面レンズの中心軸がレーザ光軸からずれた方向でほぼ決定されることを示す。そして、トップハット光学系2を通過するレーザビームの本来のレーザ光軸からずれた方向への距離は、トップハット光学系2によってほぼ決定される一定距離であることを示すものである。
From the results of such experiments, the peak position generated in the top-hat shaped beam profile varies depending on the direction in which the central axis of the aspherical lens deviates from the original laser optical axis (beam center). It has been found that even if they deviate, they occur on a concentric circle at a certain distance from the beam center. This indicates that the deviation direction of the laser beam passing through the top hat
すなわち、この実施の形態では、実際に高ピークが発生してビームプロファイルがトップハット形状から崩れた状態のレーザビームで加工した場合の加工状態(図3参照)から決定した円弧状の開口部であるスリット部22(図2参照)を有するアパーチャ13を形成した。そして、全体に加工されている径がマスク4の穴径を転写したものであることを考慮して、このアパーチャ13上に照射形成されるトップハット形状のプロファイルがマスク4上に照射形成されるものと同じものとなるように、アパーチャ13をレーザ発振器1からの光学距離がマスク4と同じになる位置に配置した。
That is, in this embodiment, an arcuate opening determined from a machining state (see FIG. 3) when machining is performed with a laser beam in which a high peak is actually generated and the beam profile is broken from the top hat shape. An
アパーチャ13には、図2に示すように、ある幅を有した円弧状のスリット部22が本来のレーザ光軸から一定距離の同心円周上に配置されている。スリット部22の幅と形成位置は、全体に加工されている径がマスク4の穴径を転写したものであることを考慮して決定したので、図3に示した銅層損傷部21のそれと同じになっている。そして、図2に示すように、スリット部22は、非球面レンズの中心軸が本来のレーザ光軸からどの向きにずれても対応できるように、直交座標の4つの象限のそれぞれに設けてある。
In the
このように、アパーチャ13は、非球面レンズの中心軸が本来のレーザ光軸からずれることによってトップハット形状のビームプロファイルに発生するピーク位置でのレーザビーム成分を常に透過できる形態になっている。スリット部22の数値例を示すと、マスク4で取り出すビーム半径を1とすると、スリット部22は、半径0.8の円弧と半径0.6の円弧で囲まれる幅0.2のスリットを有している。
As described above, the
なお、実際のマスク4の位置でのビーム径は小さいので、図1に示すように、アパーチャ13の前に複数のレンズ12を配置してビーム径を拡大してもよい。この場合においてスリット部22の位置は、レンズ12による拡大倍率によって変化するが、相対的な位置は変化しないことは言うまでもない。
Since the actual beam diameter at the position of the mask 4 is small, a plurality of
この構成によれば、アパーチャ13を通過して光電素子14に受光されるレーザビームは、スリット部22を通過したものだけである。つまり、光電素子14に受光されるレーザビームは、非球面レンズの中心軸からのずれによってトップハット形状のビームプロファイルに発生するピーク位置でのレーザビーム成分だけである。
According to this configuration, the laser beam that passes through the
光電素子14の出力電圧は、トップハット形状のビームプロファイルに高ピークが発生していない通常時では、ほぼ一定値であるが、高ピークが発生しビームプロファイルが通常時から崩れていると、その一定値よりも高い電圧値になる。この場合には、加工穴の底部面である銅層表面に損傷が発生している。
The output voltage of the
そこで、制御装置15は、光電素子14の出力電圧値をモニターし、その値が銅層表面に損傷を発生させるようなある一定値を超えた場合にアラーム信号を発生し、それに基づき当該加工装置を停止させる措置を採るようになっている。
Therefore, the
ここでの制御装置15は、光電素子14の出力電圧値の変化をモニターするだけで済むので、ビームプロファイルの全体を取り込み、その変化を解析する複雑なシステムを必要とせずに、簡単かつ安価な構成で確実にビームプロファイルの変化を検出することができる。
Since the
そして、以上は、アパーチャ13に設ける各象限のスリット部22からのレーザビーム成分を1つの光電素子14で受光する場合であるが、光電素子14を各象限のスリット部22に対応付けて配置すれば、非球面レンズの中心軸が本来のレーザ光軸からどの向きにずれているかも判断でき、それに基づき非球面レンズを適切な位置に調整する作業が行えるので、調整作業の容易化が図れるようになる。
The above is the case where the laser beam component from the
次に、部分反射鏡10aは、マスク4を通過してワーク7に照射するレーザビームの一部を取り出して光電素子16に与える。制御装置17は、光電素子16が出力する加工レーザビームのバンパターンの波形に対応する電圧値を積分して1つの穴開け加工に用いたエネルギー量をモニターする。これによって、1つの穴開け加工に投入されるエネルギー量の不足による未穴加工の発生も早期に検出することが可能になる。
Next, the
このように、この実施の形態によれば、トップハット形状のビームプロファイルを用いてプリント基板等に止まり穴加工を実施するレーザ加工装置において、プリント基板等に照射するトップハット形状レーザビームのうち、トップハット形状のビームプロファイルが非球面レンズの位置ずれによって崩れた場合に顕著に影響が出やすい領域部分のみを取り出して高いピークの発生有無をモニターできるようにしたので、簡単かつ安価な構成で加工穴の底部面である銅層表面に損傷が発生する加工不良を検出することができる。 Thus, according to this embodiment, in a laser processing apparatus that performs blind hole processing on a printed circuit board or the like using a top hat-shaped beam profile, among the top hat laser beam irradiated to the printed circuit board or the like, Since the top hat-shaped beam profile is collapsed due to the displacement of the aspherical lens, it is possible to monitor the presence or absence of high peaks by extracting only the areas that are prominently affected. It is possible to detect a processing defect in which damage is generated on the surface of the copper layer that is the bottom surface of the hole.
そして、銅層表面の損傷による加工不良が発生した場合に、非球面レンズの位置ずれの方向も検出できるので、それに基づき非球面レンズを適切な位置に調整する作業を行うことができ、迅速に、同様の不良発生を回避する措置を講ずることができる。 And when a processing defect occurs due to damage to the copper layer surface, it is possible to detect the direction of misalignment of the aspheric lens, and based on this, the work to adjust the aspheric lens to an appropriate position can be performed quickly. Measures can be taken to avoid the occurrence of similar defects.
また、プリント基板等に照射するトップハット形状レーザビーム全体のエネルギー量をモニターできるので、エネルギー量の不足による未穴加工の発生も早期に検出できるようになる。 In addition, since the energy amount of the entire top hat laser beam irradiated onto the printed circuit board or the like can be monitored, occurrence of unholed processing due to insufficient energy amount can be detected at an early stage.
以上のように、この発明にかかるレーザビームのプロファイル測定装置は、簡単かつ安価な構成でトップハット形状のビームプロファイルに高いピークの発生有無をモニターするのに有用であり、特に、トップハット形状のビームプロファイルを用いるレーザ加工装置に装備するのに適している。 As described above, the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention is useful for monitoring the presence or absence of a high peak in a top hat-shaped beam profile with a simple and inexpensive configuration. It is suitable for mounting on a laser processing apparatus using a beam profile.
1 レーザ発振器
2 トップハット光学系
3 可動レンズ
4 マスク
5 ガルバノミラー
6 fθレンズ
7 ワーク
8,11 全反射鏡
9a,10a 部分反射鏡
12 レンズ
13 アパーチャ
14,16 光電素子
15,17 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記アパーチャを通過したレーザビームの強度を測定して一定値を超える強度の存在有無を判断する第1の測定手段と
を備えていることを特徴とするビームプロファイル測定装置。 An aperture having an intensity distribution disposed on the optical path of a laser beam having a top hat shape, and an arcuate opening provided at a position where the laser beam in a high peak region generated on the top hat shape is transmitted;
A beam profile measuring apparatus comprising: a first measuring unit that measures the intensity of a laser beam that has passed through the aperture and determines whether or not there is an intensity exceeding a certain value.
前記分光手段にて分光された他方のレーザビームであって、レーザ光源からの光学距離が前記アパーチャと同じ位置に配置されるマスクにて所定の形状に整形されたレーザビームの強度を測定して前記マスクを透過するレーザビームのエネルギー量を判断する第2の測定手段と
を備えていることを特徴とする請求項1に記載のビームプロファイル測定装置。 A spectroscopic means for splitting the laser beam having an intensity distribution in a top-hat shape in two directions and guiding one of the laser beams to the aperture;
Measure the intensity of the other laser beam split by the spectroscopic means and shaped into a predetermined shape with a mask whose optical distance from the laser light source is located at the same position as the aperture. The beam profile measuring device according to claim 1, further comprising: a second measuring unit that determines an energy amount of the laser beam that passes through the mask.
前記トップハット光学系を通過したレーザビームを2方向に分光し、一方のレーザビームを前記マスクに導く第1の分光手段と、
前記第1の分光手段にて分光された他方のレーザビームの光路上において前記レーザ発振器からの光学距離が前記マスクと同じ位置に配置され、前記トップハット形状上に発生する高ピーク領域のレーザビームを透過する位置に円弧状の開口部が設けられているアパーチャと、
前記アパーチャを通過したレーザビームの強度を測定して一定値を超える強度の存在有無を判断する第1の測定手段と
を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser oscillator that emits a laser beam, a top hat optical system that shapes the intensity distribution of the laser beam emitted from the laser oscillator into a top hat shape, and a workpiece that is irradiated with the laser beam that has passed through the top hat optical system A laser comprising a mask for shaping into a shape suitable for the above, a galvano mirror for two-dimensionally scanning the laser beam that has passed through the mask, and an fθ lens for condensing and irradiating the laser beam from the galvano mirror on the workpiece In processing equipment,
A first spectroscopic unit that splits the laser beam that has passed through the top hat optical system in two directions and guides one of the laser beams to the mask;
An optical distance from the laser oscillator is disposed at the same position as the mask on the optical path of the other laser beam dispersed by the first spectroscopic means, and a laser beam in a high peak region generated on the top hat shape. An aperture provided with an arc-shaped opening at a position where it passes through;
1. A laser processing apparatus comprising: a first measuring unit that measures the intensity of a laser beam that has passed through the aperture and determines whether or not an intensity exceeding a certain value exists.
前記第2の分光手段にて分光された他方のレーザビームの強度を測定して前記マスクを透過するレーザビームのエネルギー量の過不足を判断する第2の測定手段と
を備えていることを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工装置。 A second spectroscopic unit that splits the laser beam that has passed through the mask in two directions and guides one of the laser beams to the galvanometer mirror;
And a second measuring means for measuring the intensity of the other laser beam split by the second spectroscopic means and judging whether the energy amount of the laser beam transmitted through the mask is excessive or insufficient. The laser processing apparatus according to claim 5.
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