JP5510806B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば脆性材の切断加工などに好適なレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

一般に、焼成セラミックスシートなどのような脆性材の切断加工には、砥石による研削など力学的な方法で整形が行われている。しかしながら、焼成セラミックスシートなどは、焼結することにより内部に高い残留応力が発生していることから、特にその基板厚さが薄くなるほど、残留応力が高くなり、加工開始時のクラックの発生等が無いように加工することが困難であった。

また、所望の加工性状を得るために焼成セラミックスシートなどにレーザ光を照射し、繰り返し走査することで、切断等の加工を施す方法も知られている。例えば、従来、特許文献１には、亀裂を持つ脆性材料からなる帯板をレーザなどの点熱源で加熱し、加熱点を移動して亀裂を進展させて帯板を割断する脆性材料の割断方法が記載されている。また、特許文献２では、少なくとも一層を含む基板のプログラム制御ダイシングのためにパルスレーザを用いる方法であって、パルスレーザをスキャンして基板をダイシングする方法が記載されている。

特開平１１−２４０７３０号公報 特表２００５−５２３５８３号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のレーザ光を照射し、繰り返し走査してスクライブ溝を入れて割断する方法を用いた場合でも、加工途中の熱影響や不純物の分散具合により、スクライブ中に予期せぬ方向へとクラックが発生し分割してしまうという問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高い残留応力を持つ脆性材の切断加工においても亀裂など生じさせることなく加工可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を照射して加工する装置であって、レーザ光をパルス発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ光照射機構を備え、前記レーザ光照射機構が、前記繰り返し周波数をＨ、レーザ光のビーム径をａ、レーザ光の同一加工線上への走査回数をｎ、パルスレーザ光の１照射あたりの移動距離Ｌをｎ／２×ａとしたとき、レーザ光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして前記照射を行うことを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法は、加工対象物にレーザ光を照射して加工する方法であって、レーザ光をパルス発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ照射工程を有し、前記レーザ照射工程で、前記繰り返し周波数をＨ、レーザ光のビーム径をａ、レーザ光の同一加工線上への走査回数をｎ、パルスレーザ光の１照射あたりの移動距離Ｌをｎ／２×ａとしたとき、レーザ光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして前記照射を行うことを特徴とする。

これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、レーザ光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして照射を行うので、加工対象物の応力が急激に変化することを抑制して亀裂などが生じることなく加工が可能になる。
すなわち、加工対象物に対してパルスとして照射されたレーザ光のスポット間隔である上記移動距離Ｌを埋めるように、照射開始位置をずらしながら次々に同じ加工線上を走査して加工を重ねるため、１回の走査時においては加工点が間隔を空けて離れているので、走査途中では、加工対象物が間隔を空けて繋がった状態であって割れ難くなる。また、従来のようにレーザ光による加工点が連続的に重なるように走査される場合では、繋がった溝が延ばされるようにして切断加工されるために、急激な応力変化が生じてしまうのに対し、本発明では、１回の走査時において加工点が連続せず、急激な応力変化を抑制することができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記加工対象物を取り付けて固定する取り付け治具と、該取り付け治具の内部に冷却液を流通させる冷却機構と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工方法は、前記取り付け治具の内部に冷却液を流通させながら前記照射を行うことを特徴とする。
すなわち、これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、取り付け治具の内部に冷却液を流通させるので、流通する冷却液によりレーザ光による加工熱を取り付け治具を介して吸熱して、脆性材等の加工対象物への蓄熱を防ぐことができる。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記加工対象物の加工面に樹脂フィルムを接着し、前記樹脂フィルム上からレーザ光を前記加工面に照射することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、加工対象物の加工面に樹脂フィルムを接着し、樹脂フィルム上からレーザ光を加工面に照射するので、表面の樹脂フィルムによりレーザ光の中心以外の余剰なエネルギーが吸収され、脆性材等の加工対象物への蓄熱を防ぐことができる。また、樹脂フィルムによって加工中の加工対象物を力学的に保持することができ、亀裂やクラック等の発生を抑制することができる。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記加工対象物の加工面の反対面に金属フィルムを接着し、該金属フィルムを取り付け治具に密着させて該取り付け治具に前記加工対象物を固定して前記照射を行うことを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、加工対象物の加工面の反対面に金属フィルムを接着し、該金属フィルムを取り付け治具に密着させて該取り付け治具に加工対象物を固定して照射を行うので、金属フィルムによって加工中の加工対象物を力学的に保持することができると共に、熱伝導性の高い金属フィルムを介して加工時の熱が取り付け治具に放熱されて、脆性材等の加工対象物への蓄熱を防ぐことができる。特に、上記冷却機構が設けられた取り付け治具を採用することで、高い放熱効果を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、レーザ光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして照射を行うので、加工対象物の応力が急激に変化することを抑制して亀裂などが生じることなく加工が可能になる。
したがって、高い残留応力を持つ脆性材等の切断加工においても亀裂やクラック等が生じず安定した加工を行うことができる。

本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の一実施形態において、レーザ加工装置を示す簡易的な全体構成図である。 本実施形態において、加工対象物および取り付け治具を示す断面図である。 本実施形態において、レーザ光の走査方法を示す説明図である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のレーザ加工装置１は、図１から図３に示すように、加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工する装置であって、レーザ光Ｌをパルス発振して加工対象物Ｗに一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ光照射機構２と、加工対象物Ｗを保持して移動可能な移動機構３と、該移動機構３上に設置され加工対象物Ｗを取り付けて固定する取り付け治具４と、該取り付け治具４の内部に冷却液５ａを流通させる冷却機構５と、これらを制御する制御部６と、を備えている。

上記加工対象物Ｗは、例えばセラミックス焼結体の基板などの高い残留応力を持つ脆性材である。
なお、加工時には、図２に示すように、加工対象物Ｗの加工面（表面）に樹脂フィルム７を接着し、樹脂フィルム７上からレーザ光Ｌを加工面に照射する。また、加工対象物Ｗの加工面の反対面（裏面）には、金属フィルム８を接着し、該金属フィルム８を取り付け治具４に密着させて該取り付け治具４に加工対象物Ｗを固定して照射を行う。

上記樹脂フィルム７としては、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリメチルペンテンフィルム、ポリ塩化ビニル等のプラスチックフィルム、ポリオレフィン等の紫外線透過フィルム等が採用可能である。
また、上記金属フィルム８としては、アルミニウム、銅、ステンレス（ＳＵＳ）等のメタルテープが採用可能である。この金属フィルム８は、加工対象物Ｗにアクリルゴム、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等を主成分とする粘着剤で接着される。

なお、これらの樹脂フィルム７および金属フィルム８としては、熱膨張係数が加工対象物Ｗに同じ又は近く、加工時の熱膨張差が生じ難い低熱膨張率のフィルムを採用することが好ましい。例えば、加工対象物Ｗとして、熱膨張係数が８．８×１０^−６／Ｋのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、熱膨張係数が１０．８×１０^−６／Ｋのランタンガレートを加工する場合、樹脂フィルム７としては、熱膨張係数が６〜１０×１０^−６／Ｋの低熱膨張率特殊樹脂（例えば、低熱膨張ポリイミド）を採用する。また、この場合、金属フィルム８としては、熱膨張係数が１３．６×１０^−６／ＫのＳＵＳ３０４が好ましい。

上記移動機構３は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部３ｘと、該Ｘ軸ステージ部３ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直なかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部３ｙと、該Ｙ軸ステージ部３ｙ上に設けられ取り付け治具４が固定されて加工対象物Ｗを保持可能であると共に水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部３ｚと、で構成されている。

上記レーザ光照射機構２は、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザ光Ｌを発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源９と、照射するレーザ光Ｌを走査させるガルバノスキャナ１０と、保持された加工対象物Ｗの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ１１と、を備えている。
上記レーザ光源９は、１９０〜５５０ｎｍのいずれかの波長のレーザ光Ｌを照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光Ｌを発振して出射できるものを用いている。

上記ガルバノスキャナ１０は、移動機構３の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ１１は、ガルバノスキャナ１０に隣接して設置されている。
上記冷却機構５は、取り付け治具４の内部に設けられた流通路５ｂ内に冷却液５ａとして例えば冷却水を流通させる構造を有しており、流通路５ｂには冷却液５ａの供給源（図示略）が接続されている。

また、取り付け治具４は、加工対象物Ｗの取り付け面に複数の吸着孔４ａが形成されており、これら吸着孔４ａは治具内部に形成された空洞部４ｂを介して真空源（図示略）に接続されている。すなわち、取り付け面に載置された加工対象物Ｗを吸着孔４ａにより真空吸着して保持可能になっている。このように、取り付け治具４は、水冷機能と真空吸着機能とを有する水冷吸着治具とされている。

上記レーザ光照射機構２は、繰り返し周波数をＨ、レーザ光Ｌのビーム径をａ、レーザ光Ｌの同一加工線上への走査回数をｎ、レーザ光Ｌの１照射あたりの移動距離Ｌをｎ／２×ａとしたとき、レーザ光Ｌの走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光Ｌの照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして照射を行うように設定されている。

なお、このとき、パルスレーザ光一発あたりの時間は１／Ｈとなる。また、走査回数ｎは、任意の数で亀裂等が発生しない数であって、走査速度Ｓが制御可能な範囲に設定される。
また、レーザ光照射機構２は、レーザ出力を加工対象物Ｗの加工閾値より僅かに高く設定している。

詳述すれば、図３に示すように、走査回数を３回（ｎ＝３）とした場合、１回目の走査時に照射開始位置Ｌ１から走査を開始し、移動距離Ｌを空けて加工線上をレーザ光Ｌが設定した繰り返し周波数Ｈおよび走査速度Ｓで照射される。例えば、ビーム径ａを２０μｍ、繰り返し周波数Ｈを１０ｋＨｚとした場合、走査速度Ｓは、３００ｍｍ／ｓｅｃに設定される。この１回目の走査では、加工線上で間隔を空けて加工されているため、加工点の間で加工対象物Ｗが繋がっている。

次に、２回目の走査時では、レーザ光Ｌの照射開始位置をＬ１＋（Ｌ／２）に設定して１回目の照射開始位置からずらして１回目と同一の加工線上を走査する。さらに、最後の３回目の走査時では、レーザ光Ｌの照射開始位置をＬ１＋（Ｌ／３）×２に設定して１回目および２回目の照射開始位置からずらして１回目と同一の加工線上で走査を行う。この３回の走査によって、加工対象物Ｗが加工線上で完全に切断される。

このように本実施形態では、レーザ光Ｌの走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザ光Ｌの照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光Ｌの照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして照射を行うので、加工対象物Ｗの応力が急激に変化することを抑制して亀裂などが生じることなく加工が可能になる。

すなわち、加工対象物Ｗに対してパルスとして照射されたレーザ光Ｌのスポット間隔である上記移動距離Ｌを埋めるように、照射開始位置をずらしながら次々に同じ加工線上を走査して加工を重ねるため、１回の走査時においては加工点が間隔を空けて離れているので、走査途中では、加工対象物Ｗが間隔を空けて繋がった状態であって割れ難くなる。また、従来のようにレーザ光による加工点が連続的に重なるように走査される場合では、繋がった溝が延ばされるようにして切断加工されるために、急激な応力変化が生じてしまうのに対し、本実施形態では、１回の走査時において加工点が連続せず、急激な応力変化を抑制することができる。

また、取り付け治具４の内部に冷却液５ａを流通させるので、流通する冷却液５ａにより加工熱を取り付け治具４を介して吸熱して、脆性材等の加工対象物Ｗへの蓄熱を防ぐことができる。
さらに、加工対象物Ｗの加工面に樹脂フィルム７を接着し、樹脂フィルム７上からレーザ光Ｌを加工面に照射するので、表面の樹脂フィルム７によりレーザ光Ｌの中心以外の余剰なエネルギーが吸収され、脆性材等の加工対象物Ｗへの蓄熱を防ぐことができる。

また、樹脂フィルム７によって加工中の加工対象物Ｗを力学的に保持することができ、亀裂やクラック等の発生を抑制することができる。特に、従来のように加工線上に間隔を空けずに連続させてレーザ光Ｌを続けて照射する場合では、樹脂フィルム７の加工線周辺が熱で溶けてしまい溝幅が広くなって加工部付近の保持効果が低下してしまうが、本実施形態では、間隔を空けて照射を行うため、樹脂フィルム７への熱の影響も低減させることができ、溝幅を狭く制御することができる。

また、加工対象物Ｗの加工面の反対面に金属フィルム８を接着し、該金属フィルム８を取り付け治具４に密着させて該取り付け治具４に加工対象物Ｗを固定して照射を行うので、金属フィルム８によって加工中の加工対象物Ｗを力学的に保持することができると共に、熱伝導性の高い金属フィルム８を介して加工時の熱が取り付け治具４に放熱されて、脆性材等の加工対象物Ｗへの蓄熱を防ぐことができる。

次に、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法により実際に加工された際の実施例について具体的に説明する。
本実施例では、本実施形態のレーザ加工装置を用いて、加工対象物としてセラミックス焼結体（厚さ２５０μｍ）を波長３５５ｎｍのレーザ光にて加工した。その際、セラミックス焼結体の表面に樹脂フィルムとしてポリイミド樹脂フィルム（厚さ０．１ｍｍ）をアクリル系接着剤にて接着し、裏面に金属フィルムとしてアルミニウムフィルム（厚さ０．０５ｍｍ）をシリコーン系接着剤にて接着した。この状態の加工対象物を、取り付け治具上に吸着させた。

レーザ光の出力を１．３Ｗ、繰り返し周波数Ｈを１２５ｋＨｚに設定し、ビームスポットを測定した結果、ビーム径は２０μｍであることから、ガルバノスキャナにて走査速度Ｓを３７５０ｍｍ／ｓｅｃに設定して走査回数３回で加工を行った。
この結果、クラックの無い良好な切断面を得ることができた。

本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、特に高い残留応力を持つ脆性材の切断加工において好適なものである。

１…レーザ加工装置、２…レーザ光照射機構、４…取り付け治具、５…冷却機構、５ａ…冷却液、７…樹脂フィルム、８…金属フィルム、Ｌ…レーザ光、Ｗ…加工対象物

Claims (2)

1. 加工対象物にレーザ光を照射して加工する方法であって、
   レーザ光をパルス発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ照射工程を有し、
   前記レーザ照射工程で、前記繰り返し周波数をＨ、レーザ光のビーム径をａ、レーザ光の同一加工線上への走査回数をｎ、パルスレーザ光の１照射あたりの移動距離Ｌをｎ／２×ａとしたとき、
   レーザ光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、
   走査回数１回目のレーザ光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザ光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ−１）として走査毎に照射開始位置をずらして前記照射を行い、
   前記加工対象物の加工面に樹脂フィルムを接着し、前記樹脂フィルム上からレーザ光を前記加工面に照射すると共に、
   前記加工対象物の加工面の反対面に金属フィルムを接着し、該金属フィルムを取り付け治具に密着させて該取り付け治具に前記加工対象物を固定して前記照射を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザ加工方法において、
   前記取り付け治具の内部に冷却液を流通させながら前記照射を行うことを特徴とするレーザ加工方法。

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