JP5142784B2

JP5142784B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP5142784B2
Application number: JP2008083959A
Authority: JP
Inventors: 一也橋本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009233714A

Description

本発明は、積層コンデンサやセラミック配線基板等の電子部品の製造工程において用いられ、セラミックグリーンシート等の被加工物にレーザ光により微小な孔開け加工を行なうレーザ加工装置に関するものである。

近年、電子機器の小型化に伴い、積層セラミックコンデンサや積層セラミック配線基板のようなセラミックスを用いた電子部品において、上下の層間の導体層同士を接続するためのビアホール導体やスルーホール導体等に用いる貫通孔の形成方法として、赤外光（１．０６μｍの波長）を用いたＣＯ_２レーザや紫外光（３５５ｎｍの波長）を用いたＵＶ−ＹＡＧレーザなどのレーザ加工装置が多用されるようになっている。

このようなレーザ加工装置は、一般的に被穿孔物が搭載されるステージとステージを保持する保持台、レーザビーム発振用のレーザ発振器、発振されたレーザビームを導く光学系などを備えている。

例えば、レーザ加工装置のステージ上にセラミックグリーンシート載置し、このセラミックグリーンシートに貫通孔を穿孔する際、レーザ光は、被穿孔物を穿孔した後、被穿孔物を搭載したステージにも照射され、ステージ表面に損傷を与えてしまうので、ステージ表面における面精度が低下し、レーザ光の焦点深度の精度に影響を及ぼし、結果的に孔形状にも影響が生じる。

このような不具合の対策としてステージの表面をレーザ光を散乱する擦りガラスなどの素材で覆う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、図６の断面図に示すような、レーザ光が照射される被穿孔物２１の直下のステージ２４位置に、複数の貫通孔２４ａを設けておくレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−２２５４８５号公報特開２００３−７１５８５号公報

しかしながら、特許文献１のように被穿孔物を搭載するステージの表面に擦りガラスを使用した場合、被穿孔物を照射した後に、被穿孔物とステージとの間に熱が蓄積し、被穿孔物に熱影響が発生するという問題があった。

また、特許文献２のように被穿孔物２１の穿孔位置に対応するステージ２４位置に貫通孔２４ａを設けた場合、ステージ２４の貫通孔２４ａを貫通したレーザ光がステージ２４を保持する保持台２５に照射され、このレーザ光が反射して、再び被穿孔物２１に熱影響を与えたり、ステージ２４へ熱影響を与えたりして、不具合を発生させてしまっていた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、レーザ反射光の影響を低減し、穿孔加工を精度良く行なうことができるレーザ加工装置を提供することにある。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ加工によって穿孔される被穿孔物が搭載され、被穿孔物の穿孔位置に貫通孔を有するステージと、このステージを保持する保持台とを備え、前記貫通孔の外側の、レーザ光が入射する側と反対側の前記レーザ光が照射される位置にレーザ光吸収材が設置されており、該レーザ光吸収材は、粉末状であることを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記レーザ光吸収材は、前記レーザ光に対する吸収率が７０％以上であることを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記レーザ光は、紫外光であることを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記ステージの中央部を支持する支持台を有することを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記支持台と前記レーザ光吸収材とは一体で成ることを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記ステージに設けられる前記貫通孔の直径は、前記被穿孔物の穿孔の直径よりも１０μｍ乃至１００μｍ大きいことを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記ステージは、前記貫通孔が設けられるエリアを除く箇所に、被穿孔物を吸着するための吸着孔を有することを特徴とするものである。

また、好ましくは、本発明のレーザ加工装置において、前記ステージを保持する保持台の内側に、凹凸形状が設けられていることを特徴とするものである。

本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ加工によって穿孔される被穿孔物が搭載され、被穿孔物の穿孔位置に貫通孔を有するステージと、このステージを保持する保持台とを備え、貫通孔の外側の、レーザ光が入射する側と反対側のレーザ光が照射される位置にレーザ光吸収材が設置されているため、レーザ光の反射が低減され、被穿孔物に及ぼす熱影響が少なくなり、高精度な穿孔が可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光吸収材は、レーザ光に対する吸収率が７０％以上である場合、レーザ光が吸収されて被穿孔物への熱影響が少なくなり、高精度な穿孔が可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光が、紫外光である場合、レーザの照射スポット径を３０μｍ程度に小さくすることができ、穿孔の直径を３０μｍ程度まで小径にすることができる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光吸収材が、粉末状であるため、レーザ光吸収材の表面でレーザ光を吸収するとともに、僅かに反射されるレーザ光は散乱されるので、被穿孔物に及ぼす熱影響を少なくすることが可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、ステージの中央部を支持する支持台を有する場合、被穿孔物を搭載するステージの撓みが少なくなり、安定したステージの平坦度が保たれるので、レーザ光の焦点深度の精度が上がる。これにより、高精度な穿孔が可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、支持台と光吸収材とが一体である場合、レーザ光吸収材と支持台とによってレーザ光を吸収することができ、被穿孔物に及ぼす熱影響を少なくすることができる。また、レーザ光吸収材と支持台との設置が容易になる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、ステージに設けられる貫通孔の直径が、被穿孔物の穿孔の直径よりも１０μｍ乃至１００μｍ大きい場合、レーザ光の熱影響による被穿孔物の溶融部のエリア外にステージの貫通孔が配置されるため、被穿孔物のステージへの溶着、加工屑の付着を避けることができ、高精度で信頼性の高い穿孔が可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、ステージは、貫通孔が設けられるエリアを除く箇所に、被穿孔物を吸着するための吸着孔を有する場合、貫通孔が穿孔された場合でも被穿孔物の吸着力が保たれ、高精度な穿孔が可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、ステージを保持する保持台の内側に、凹凸形状が設けられているため、保持台内の反射されたレーザ光が照射される位置にてレーザ光を散乱させることができ、被穿孔物への熱影響を少なくして、高精度な穿孔が可能となる。

本発明のレーザ加工装置を添付図面に基づいて以下に詳細に説明する。

図１は本発明のレーザ加工装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１はセラミックグリーンシート１ａ等の被穿孔物、１ｂはセラミックグリーンシート１ａ等が載置される支持体、３はレーザ光によってセラミックグリーンシートおよび支持体に加工された穿孔、４はステージ、４ａはステージ４の被穿孔物１の穿孔３位置に設けられた貫通孔、４ｂはステージ４の貫通孔４ａが設けられるエリアを除く箇所に、被穿孔物を吸着するために設けられた吸着孔、５はステージ４を保持する保持台、６は貫通孔４ａの外側のレーザ光が入射する側と反対側のレーザ光が照射される位置に設置されたレーザ光吸収材、７は真空ポンプ、８は吸引ホース、９は集光レンズ、１０はレーザ光、１１はステージ４吸着用孔である。

本発明のレーザ加工装置は、まず図１に示すように、支持体１ｂ上にセラミックグリーンシート１ａを形成した被穿孔物１を吸着ステージ４上に搭載する。ついで真空ポンプ７によって保持台５内の空気を吸引し、吸着孔４ｂを介して、被穿孔物１をステージ４に吸着させる。ついで集光レンズ７を通して照射されるレーザ光１０によって、被穿孔物１としてのセラミックグリーンシート１ａおよび支持体１ｂに穿孔３を形成する。

セラミックグリーンシート１ａは、セラミック粉末、有機バインダーからなるものであり、セラミック粉末，有機バインダーに溶剤および必要に応じて所定量の分散剤を加えてスラリーを得、これを支持体１ｂ上にドクターブレード法，リップコーター法，ダイコーター法等によりシート状に成形して乾燥することにより形成されたものである。

支持体１ｂは、溶剤の浸透しない樹脂製のフィルム状のものであり、従来から用いられているポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート−イソフタレート共重合体等のポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン樹脂、ポリフッ化エチレン系樹脂、セルロース系樹脂、アクリル樹脂等の樹脂から成る厚みが１０〜１００μｍのプラスチックフィルム等から成り、セラミックグリーンシート１ａを支持する。なかでも、ＰＥＴフィルムは、支持体１ｂとして十分な強度を有しているのでセラミックグリーンシート１ａの補強材として好適であり、また安価で入手しやすいので好ましい。

なお、セラミックグリーンシート１ａに用いられるセラミック粉末としては、製造する電子部品に要求される特性に合わせて適宜選択される。例えば、積層コンデンサの場合であればＢａＴｉＯ_３系，ＰｂＴｉＯ_３系等の複合ペロブスカイト系セラミック粉末等が用いられる。一方、セラミック配線基板を製造する場合であれば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ガラスセラミック粉末（ガラス粉末とフィラー粉末との混合物）等が用いられるが、なかでも低抵抗の配線導体と同時焼成することが可能で、誘電損失が低いガラスセラミック粉末からなるガラスセラミックグリーンシートが高周波用途に好適に多用される。

ガラス粉末としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（ただし、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（ただし、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（ただし、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（ただし、Ｍ^３はＬｉ、ＮａまたはＫを示す，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（ただし、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等が用いられる。

フィラー粉末としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物，ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物，Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等のセラミック粉末が用いられる。

これらガラス粉末とフィラー粉末とに、例えばアクリル系（アクリル酸，メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体，具体的にはアクリル酸エステル共重合体，メタクリル酸エステル共重合体，アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等），ポリビニルブチラール系，ポリビニルアルコール系，アクリル−スチレン系，ポリプロピレンカーボネート系，セルロース系等の単独重合体または共重合体等の有機バインダーと、トルエン、ケトン類、アルコール類の有機溶媒や水等の溶剤とを加えてセラミックスラリーが得られる。

穿孔３を形成するために用いるレーザは、ＣＯ_２レーザ、ＵＶ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等が挙げられる。なかでも、孔径が５０μｍ以下の小径の穿孔３を高精度に形成する場合などには、ＵＶ−ＹＡＧレーザを用いることが好ましい。この場合、支持体１ｂにＵＶ吸収材を含有させておくと、支持体１ｂの孔加工の効率を高くすることができる。

なお、上記支持体１ｂ上に形成されたセラミックグリーンシート１ａは被穿孔物１の例として挙げたもので、本発明のレーザ加工装置は、その他にも、ポリイミド樹脂，シリコーン樹脂，Ｃｕ板等の被穿孔物１にも同様に用いることができる。

本発明のレーザ加工装置のステージ４は、被穿孔物１を搭載する面内に、例えば図２（ａ）のステージ４の平面図に示すように、被穿孔物１を吸着して固定するための吸着孔４ｂと被穿孔物１の穿孔位置に対応する部分に設けられた貫通孔４ａとを有する。すなわち、図２（ａ）において、吸着孔４ｂはステージ４の外周部と中央に十字状に配置され、貫通孔４ａは吸着孔４ｂより少し大きな直径で吸着孔４が形成されていない中央部の領域４箇所に設けられている。

貫通孔４ａは、レーザ加工装置にて照射されるレーザ光１０による被穿孔物１への熱影響を少なくするために設けられている。この貫通孔４ａを設けずに加工した場合には、被穿孔物１の例えば支持体１ｂとステージ４との間にレーザ光１０による熱影響が発生し、支持体１ｂとステージ４とが溶着する可能性がある。溶着が発生した場合、穿孔後にステージ４から支持体１ｂを剥がす際、支持体１ｂが変形してしまう可能性がある。そのため、予めステージ４側の穿孔位置に貫通孔４ａを設けて、この溶着を防止するために設けられている。

この貫通孔４ａの直径は、被穿孔物１の穿孔３におけるレーザ光出射側の直径よりも１０μｍ乃至１００μｍ大きい直径で設けられる。これは、被穿孔物１のレーザ光照射後の穿孔３の開口付近に生じる溶融部等、熱を生じる部分よりも大きい直径にしておくためである。

また、ステージ４の材料としては、被穿孔物１を吸着するための吸着孔４ｂ、穿孔位置にてステージ４と支持体１ａとの溶着を防止する貫通孔４ａの加工性を考慮して、レーザ光に対する吸収率（レーザ光を被照射物に照射した際のレーザ光の透過率、反射率をセンサーにて測定し、透過率と反射率とを加算した値を１から引いたときの値）が高いものを使用するのがよい。

本発明のレーザ加工装置のステージ４を保持するステージ保持台１の材料としては、ＳＵＳ、アルミニウムなどがあるが、レーザ加工を行なう際、高速にステージ４を動かす必要があるため、アルミニウムのように可能な限り軽量な材料にすることが望ましい。

本発明のレーザ加工装置内には、被穿孔物１の穿孔３の外側で、レーザ光１０が入射する側と反対側のレーザ光１０が照射される位置にレーザ光吸収材６が設置されている。すなわち、例えば図１においては、被穿孔物１の上方からレーザ光１０が照射されるが、この被穿孔物の穿孔３の下側の保持台１の底面にレーザ光吸収材６が設置されている。

このレーザ光吸収材６は、レーザ光１０に対する吸収率が７０％以上である材料を使用するのが好ましい。７０％未満になると照射されたレーザ光１０の反射光により、被穿孔物１に対して熱影響を与え、支持体１ｂの溶融、ステージ４の溶融、被穿孔物１に加工屑の付着が発生し、穿孔した孔３の形状、信頼性に影響を及ぼす可能性がある。また、このときの吸収率の値は、使用するレーザ光が、紫外光（３５５ｎｍの波長）のときは紫外光を用いて計測した値である。

例えば、レーザ光吸収材６に用いる好ましい材料としては、紙フェノール、布フェノール、ＵＶ吸収材入りのアクリル樹脂板、Ｃｕ板、ポリイミド樹脂、ポリカーボネイト樹脂等があるが、安価で溶融点が比較的に高い紙フェノールが望ましい。なお、ステージ４にもこれら材料を用いるとよい。

なお、図３に示す実施形態の例のように、このレーザ光吸収材６として、Ｃｕ粉末、Ｔｉ粉末などの粉末状のレーザ光吸収材１３をガラス板１４上に散布したものとしてもよい。

レーザ光吸収材６は、例えば、図２（ｂ）に示す平面視形状を有している。すなわち、ステージ４より少し小さい外径を有し、ステージ４の吸着孔４ｂが形成される位置には同様に空気を引くための開口が設けられている。また、ステージ４の貫通孔４ａが形成される位置には開口はなく、これら貫通孔４ａに対応する領域６ａに貫通孔４ａを透過したレーザ光１０が照射される。

また、図４に示す実施形態の例に示すように、ステージ４の中央部を下面から支持する支持台１２を設けておくと、被穿孔物１を搭載するステージ４が保持台１に吸着された際に起こるステージ４の撓みが少なくなり、安定したステージ４の平坦度が保たれるので、レーザ光１０の焦点深度の精度があがることになり、高精度な穿孔３の形成が可能となる。

支持台１２は、例えば図２（ｃ）に示す平面視形状を有したものである。すなわち、レーザ光吸収材６の領域６ａに対応する領域およびステージ４の吸引孔４ｂに対応する位置に開口１２ａ，１２ｂが設けられた板状のものである。レーザ光１０の反射を低減する観点から、支持台１２にもレーザ光吸収材６と同じ材料を用いるのが好ましい。

また、支持台１２とレーザ光吸収材６とを一体のものとして形成すると、レーザ光吸収材６と支持台１２との設置が容易になるので好ましい。この支持台１２とレーザ光吸収材６とが一体になったものは、図２（ｃ）の形状のレーザ光吸収材６を底面に持ち、その上に図１２（ｃ）の支持台１２が一体に積み重ねられた形状を有する。当然、支持台１２にはレーザ光吸収材６と同じ材料で形成され、レーザ光吸収材６と支持台１２とによってレーザ光を吸収することができる。

また、図５の実施形態の例のように、保持台１の内側は、レーザ光１０の反射光を散乱させるために、波状または三角形状の凹凸面形状１５に仕上げておくのが好ましい。さらに、レーザ光吸収材６のレーザ光１０が照射される位置にも、レーザ光１０の反射光を散乱させるために、波状または三角形上の凹凸面形状１５が設けられていてもよい。この凹凸形状１５により、照射されたレーザ光１０が散乱され、被穿孔物１へ与える熱影響を少なくできる。

以上の本発明のレーザ加工装置によれば、被穿孔物１にレーザ光１０の反射光による熱影響がなく、高精度で信頼性の高い穿孔加工を提供することができる。

以下、本発明による実施例とその結果について説明する。

先ず被穿孔物１として、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス粉末６０質量％およびアルミナ粉末４０質量％の無機粉末に、有機バインダーおよび溶剤を添加し、ボールミルにて２４時間混合して、セラミックスラリーを作製し、このセラミックスラリーを、支持体１ｂとしての厚み５０μｍで紫外光（３５５ｎｍの波長）での吸収率が９６％の透光性を有するＰＥＴ製のフィルム上にリップコーター法で塗布してシート状に成形し、熱風乾燥機で乾燥することにより、厚み１２９μｍのセラミックグリーンシート１ａを形成した。また、セラミックグリーンシート１ａおよび支持体１ｂを２００ｍｍ×２００ｍｍの大きさに切断した。

ついで、セラミックグリーンシート１ａが支持体１ｂに支持された状態で、ＵＶ−ＹＡＧレーザ加工機（日立ビアメカニクス製ＬＵ−１Ｆ２１）を用いて、レーザ光１０のビーム径２５μｍ、アパーチャ径０．９５ｍｍ、出力２．７５Ｗ、周波数４０ＫＨｚ、１８ショット、３サイクルの条件下でセラミックグリーンシート１ａおよび支持体１ｂに穿孔３を形成した。

ステージ４には、厚み１ｍｍの紙フェノール（日光化成製ＦＬ−１０６５Ｎ）の基板を使用した。また、ステージ４保持台５内の底面に、レーザ光吸収材６として厚み１ｍｍの紙フェノール製の板を載置した。また、ステージ４の中央部を下面から支持する厚み１ｍｍの紙フェノール製の板を支持台１２として設置した。

その結果、セラミックグリーンシート１ａ上に形成された支持体１ｂとこれを搭載したステージ４との溶着はみられず、加工屑の付着も見られなかった。また、穿孔した５５個の孔３の直径を、クイックビジョン（株式会社ミツトヨ製ＱＶ２０２）にて測定した結果、平均で４２．７μｍ、３σで２．３μｍであった。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では紙フェノール製の板を使用したが、ポリイミド樹脂フィルムを使用しても同様の結果が得られた。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

本発明のレーザ加工装置の実施の形態の一例を示す断面図である。（ａ）は本発明のレーザ加工装置に用いられるステージの平面図、（ｂ）はレーザ光吸収材の平面図、（ｃ）は支持台の平面図である。本発明のレーザ加工装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。本発明のレーザ加工装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。本発明のレーザ加工装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。従来のレーザ加工装置の例を示す断面図である。

符号の説明

１：被穿孔物
１ａ：セラミックグリーンシート
１ｂ：支持体
３：穿孔
４：ステージ
４ａ：貫通孔
４ｂ：吸着孔
５：保持台
６：レーザ光吸収材
１０：レーザ光
１２：支持台
１５：凹凸形状

Claims

レーザ加工によって穿孔される被穿孔物が搭載され、被穿孔物の穿孔位置に貫通孔を有するステージと、該ステージを保持する保持台とを備え、前記貫通孔の外側の、レーザ光が入射する側と反対側の前記レーザ光が照射される位置にレーザ光吸収材が設置されており、該レーザ光吸収材は、粉末状であることを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ光吸収材は、前記レーザ光に対する吸収率が７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光は、紫外光であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
前記ステージの中央部を支持する支持台を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記支持台と前記レーザ光吸収材とは一体で成ることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
前記ステージに設けられる前記貫通孔の直径は、前記被穿孔物の穿孔の直径よりも１０μｍ乃至１００μｍ大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記ステージは、前記貫通孔が設けられるエリアを除く箇所に、被穿孔物を吸着するための吸着孔を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記ステージを保持する保持台の内側に、凹凸形状が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ加工装置。