JP5693705B2 - レーザベースの材料加工装置及び方法 - Google Patents
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Description
本願は、米国特許法第119条(e)に基づき、2010年3月30日出願の「LASER−BASED MATERIAL PROCESSING APPARATUS AND METHODS」という名称の米国仮特許出願第61/319,220号の利益を主張する。同願の内容全体を、参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
[図1D〜1E]N回のパス後の機械加工の深さと望ましくない再堆積材料の形成との関係を表す概略横断面図である。図1Eは、パルスレーザシステムの少なくとも1つの実施例で得られる結果の概略図である。
[図1F]レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したレーザシステムの一実施例を示す概略図である。
[図1G]パターン付きウエハの一部分の例を示す概略図である。図1G−1は幾つかのダイを有するウエハを示し、図1G−2は図1G−1のウエハの一部分の拡大図を示し、図1G−3はウエハの一部分の断面側面図を示す。
[図2A〜2B]レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの実施例を示す概略図である。
[図3]レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの別の実施例を示す概略図である。
[図4A]レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムのさらに別の実施例を示す概略図である。
[図4B]ファイバ増幅器内又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの一実施例を示す概略図である。
[図5]レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムであって、プロセス及び/又はターゲット情報に基づくフィードバック及び制御を有するシステムのさらなる実施例を示す概略図である。
[図6A及び6B]レーザパルス列を用いて加工物を加工する一実施例に対応する実験システムをそれぞれ示す概略図及び写真である。
[図7]アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する1つの例示的な技法を示す概略図である。
[図7A及び7B]約10μJのパルスエネルギーを提供する極短パルス赤外(IR)レーザを使用する複合材料加工物の切削を示す例示的な実験結果を示す図である。複合材料加工物はPCB複合材料を含み、レーザ加工中に完全に切断された。図7Aは、複合材料の部分的に剥離させた部分における切削線の上面図であり、図7Bは、切削線の側面図である。
[図7C]本明細書に記載の実験に利用される複合材料加工物の伝送スペクトルの例示的な測定を示すグラフである。測定は、約500nm付近に吸収端を示す。吸収端より短い波長範囲は、線形吸収に対応すると考えられる(ただし必ずしも必須ではない)。この例の吸収端を上回る波長範囲内では、加工物は比較的透明であり、非線形吸収プロセスは、少なくとも比較的高強度のパルスの場合、この波長範囲内の線形吸収プロセスを左右する傾向があると考えられる(ただし必ずしも必須ではない)。
[図7D]複合材料加工物を切削する極短パルスレーザ加工例に対するレーザビームのピーク強度と半径の関係を示すグラフである。加工物は、ポリイミド上層によって被覆されたエポキシ−ガラスファイバ層を含む。ピーク強度(垂直軸上に示す)は、レーザスポット寸法(例えば、水平軸上に示すレーザビーム半径)を変化させることによって調整した。挿入図710及び715は、レーザ加工後の加工物の一部分を示す顕微鏡画像である。この例では、ガラスファイバ層のアブレーションは、約1TW/cm2のピーク強度(又はパワー密度)で開始された。
[図8A及び8B]IRナノ秒(ns)パルスレーザを使用して複合材料加工物を切削する一例を示す図である。図8Aは、ナノ秒レーザパルスで加工された加工物の一部分の上面図であり、図8Bは側面図である。図8A及び8Bは、延長した熱影響域(HAZ)及び溶融リキャスト材料の存在を示す。
[図8C]フェムト秒レーザパルスのアブレーション閾値より実質上高いフルエンスを提供するIRナノ秒パルスを照射した加工物の一部分の上面図である。この例では、ガラスファイバ層の損傷は見られず、ポリイミド上層だけがアブレーションされている。
ガラスファイバ強化PCBのダイシングには、ガラス材料を切削する能力のため、連続波(CW)CO2レーザが使用されてきた。エポキシ樹脂及び残留する破片の炭化は、さらなる加工要件なしに高品質の切削を得る上で問題となってきた。パルスCO2レーザは、この問題に対処するために導入されたが、品質及び切削速度を制限する傾向がある。ビアドリルに対するパルス固体UVレーザは、K.C.Yungら、J.Mater.Process.Technology、vol.122、278頁(2002)によって調査された。パルスエネルギー及びパルス繰返し率に関しては、これらの筆者らによって、所与の繰返し率において、平均レーザパワーの増大とともに同等の幅の熱影響域(HAZ)も増大することが分かった(例えば、Yungら、284頁)。パルスUV波長の使用については、X.C.Wangら、Optics and Lasers in Engineering、vol.46、404頁(2008)によってさらに実証された。同文献は、低エネルギーパルスを使用できるだけでなく、スポット重複の小さい加工で良好な切削品質を実現できることを提案している。レーザ加工の技術分野では、熱作用を低減させるには、比較的小さいスポット重複(例えば、場合によっては実質上ゼロ)が有用になり得ると考えられてきた。本発明者らは、Wang(例えば、Wang、406頁)によって記載されたパラメータに基づいて、X.C.Wangらによって最適化された加工に対するスポット重複比は、約50%より小さかったと推定する。
上記で論じたように、本発明者らは、高い処理能力を維持しながら熱作用を低減させて、比較的狭い切り口及び比較的はっきりした切れ目をもたらすように、スクライビング、ダイシング、切削、又は他の加工を行って、複合材料加工物のある領域から材料を除去するレーザベースの加工が必要とされていると認識した。
図1Fは、レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したシステム100の一実施例を概略的に示す。システム100はレーザシステム104を含み、レーザシステム104は制御装置114及び走査システム106に動作可能に結合される。幾つかの実施例では、レーザシステム104は、1つ以上の極短パルスを含むレーザパルスを出力するように構成される。例えば、少なくとも1つの実施例では、レーザシステム104は極短パルスレーザを含む。様々な実施例では、システム100は相当な範囲にわたって特定のパルスパラメータの調整を実現する。そのようなパラメータは、パルスエネルギー、パルス繰返し率、パルス幅、パルスパワー、パルスフルエンス、パルスパワー密度、パルス強度、パルス波長(又は周波数)、スポット直径、隣接するスポットの重複、走査速度、及び走査パスの回数の1つ以上を含むことができる。例として、数十kHzから最高約1MHz又は最高約10MHzまでの調整可能な繰返し率で、パルスを生成することができる。出力パルスは約1μJ以上、例えば最高約5〜20μJ又はそれ以上(500μJ)のエネルギーと、約1ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。システム100の様々な実施例のさらなる詳細について、以下に説明する。
別の概括的な態様では、複合材料加工物をレーザ加工する方法は、複合材料加工物の少なくとも1つの材料に、あるパルス幅を有するレーザパルスを照射するステップを含む。レーザパルスは、少なくとも1つの材料内のスポット上に集束させることができる。この方法は、相対的な速度で複合材料に対して集束スポットを移動させるステップを含む。幾つかの実装形態では、加工物はパターン付き領域及び複合材料領域を含む。パターン付き領域は、誘電体材料及び/又は金属材料を含む電子回路を含むことができる。幾つかの実施例では、パターン付き領域の少なくとも一部分の除去に使用されるレーザスポットの相対的な速度は、複合材料の少なくとも一部分の除去に使用される相対的な速度より実質上遅い。
ナノ秒パルスと比較した極短パルスによる切削例
実験を実施して、極短パルスとナノ秒パルスによって得られた切削結果を比較した。使用したシステム構成は、図6Aに概略的に示すシステムに類似していた。これらの実験では、レーザシステム104は、極短パルスを提供するためのD−10Kレーザを備え、またナノ秒パルスを提供するためのファイバベースのナノ秒レーザユニットを備えた。どちらのレーザも、IMRA America Inc.(ミシガン州アナーバー)製である。
図7は、アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する1つの例示的な技法を概略的に示す。幾つかの加工の適用分野では、レーザパラメータが機械加工品質に及ぼす影響を定量化するには、リキャスト・ピーク又は平均高さに対するトレンチ深さの大まかな測定で十分であることがある。しかし、他の加工の適用分野では、除去される材料の量とリキャストされる材料の量の関係を特徴付けた方がより精密であろう。
D−10Kレーザは、1MHzの繰返し率及び10Wの平均パワーで極短パルス列を生成する。これは、約10μJのパルスエネルギーに対応する。パルス持続時間は約0.5ピコ秒(500フェムト秒)であり、中心波長は約1045nmであった。HAZに対する測定を提供できる非線形吸収の作用を実証するために、これらの実験では、ナノ秒ファイバレーザも使用して複合材料を加工した。ナノ秒ファイバレーザは、約1066nmの中心波長、及び約20ナノ秒のパルス持続時間を有し、これはD−10Kレーザの500フェムト秒のパルスより著しく長い。ナノ秒レーザのパルス繰返し率は、440mWの平均パワーで14kHzに設定されており、これは約31μJのパルスエネルギーに対応する。D−10K極短パルスレーザを使用した例示的な実験結果を図7A〜7Dに示し、ナノ秒レーザを使用した例示的な実験結果を図8A〜8Cに示した。
幾つかの実施例では、レーザベースの加工システムの光学パラメータは、次のうちの1つ以上を含むことができる。
Claims (48)
- スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して、異なる光学特性を有する少なくとも2つの非金属材料を含む複合材料を有する加工物のある領域から材料を除去する方法であって、
前記加工物の前記複合材料の方へレーザパルスを誘導し、
数ミクロンから100μmの範囲内のスポット寸法(1/e2)を有するレーザスポット内に前記レーザパルスを集束させ、
前記複合材料を除去するための隣接する集束スポット(1/e2)間の空間的重複が、前記波長、パルス幅、繰返し率、及びパワー密度において前記加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するのに十分となるように、前記加工物に対して前記レーザスポットを位置決めし、
前記複合材料が強化繊維及び母材を具備し、
前記レーザパルスが数十フェムト秒から500ピコ秒の範囲内の少なくとも1つのパルス幅、及び数十kHzから10MHzの範囲内のパルス繰返し率を有し、
少なくとも1つの前記レーザパルスが、該少なくとも1つのレーザパルスの波長において、前記複合材料内の前記強化繊維の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供し、
前記加工物領域の1つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、前記領域の周りの望ましくない材料の蓄積を制限する、方法。 - 請求項1の方法において、前記加工物の前記複合材料が材料構造及びそのホスト材料を含み、該材料構造が前記強化繊維から構成され、該ホスト材料が前記母材から構成される、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物が、前記複合材料と接触するように配置された非複合材料をさらに含み、前記方法が、前記非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップをさらに備える方法。
- 請求項3の方法において、前記非複合材料が金属を含む、方法。
- 請求項3の方法において、前記非複合材料が高分子を含む、方法。
- 請求項3の方法において、前記非複合材料に当たるパルスのエネルギー密度が、この波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値を上回る、方法。
- 請求項1の方法において、前記波長が0.5μmから2μmの範囲内である、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物が少なくとも2つの非複合材料層をさらに含み、前記複合材料が前記少なくとも2つの非複合材料層間に配置され、前記方法が、前記非複合材料の少なくとも1つの層から前記非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップをさらに備える方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物の厚さが1000μmより小さい、方法。
- 請求項1の方法において、少なくとも1つのパルスのフルエンスが、0.01J/cm2から10J/cm2の範囲内であり、前記位置決めするステップが、1mm/秒から0.5m/秒の範囲内の速度で前記集束スポットに対して前記複合材料を移動させることを含む、方法。
- 請求項1の方法において、前記パワー密度が少なくとも1012W/cm2である、方法。
- 請求項1の方法において、前記パワー密度が1012W/cm2から1014W/cm2の範囲内である、方法。
- 請求項1の方法において、パルス幅が数十フェムト秒から1ピコ秒の範囲内である、方法。
- 請求項1の方法において、前記パルスが、パルスの列、及び少なくとも50%の空間的重複を有する少なくとも2つの対応するレーザスポットを含み、前記パルスの列が、前記加工物の前記複合材料の少なくとも一部分に当たるように位置決めされると、30〜300μm深さ方向に除去し、前記スポット寸法が10〜100μmの範囲内である、方法。
- 請求項2の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料が前記加工物の機械的特性を向上させ、該機械的特性が前記加工物の剛性である、方法。
- 請求項2の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料がガラス織物を含む、方法。
- 請求項2の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料が艶消しガラスを含む、方法。
- 請求項2の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料がコットン紙を含む、方法。
- 請求項2の方法において、前記ホスト材料がエポキシを含む、方法。
- 請求項2の方法において、前記ホスト材料が高分子を含む、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物の前記複合材料が、FR−4、FR−5、FR−6、G−10、CEM−1、CEM−2、CEM−3、CEM−4、及びCEM−5からなる群から選択される、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物の前記複合材料が、(a)ガラス及びエポキシ織物、(b)艶消しガラス及びポリエステル、(c)コットン紙及びエポキシ、並びに(d)ガラス及びポリエステル織物からなる群から選択される、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物がプリント回路基板を含む、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物上にパターン付きの金属層が堆積される、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物が、前記加工物の前記複合材料を保護するために、薄い高分子層を含む、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物が低誘電率材料層を含む、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物の前記複合材料に当たるレーザパルスの前記エネルギー密度が、このレーザ波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値より小さく、前記エネルギー密度が、前記複合材料内の蓄熱を低減又は回避する、方法。
- 請求項1の方法において、前記空間的重複が少なくとも50%である、方法。
- 請求項1の方法において、前記空間的重複が少なくとも99%である、方法。
- 請求項1の方法において、前記空間的重複が90%から99%の範囲内である、方法。
- 請求項1の方法において、前記繰返し率が100kHzから10MHzの範囲内である、方法。
- 請求項1の方法において、前記加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法が、前記複合材料に対してレーザ加工パルスの1〜10回のパスにおいて、前記レーザパルスで複合材料を少なくとも25μmから150μm深さ方向に除去するステップを備える方法。
- 請求項1の方法において、前記波長が、前記複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、且つ、前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法のフルエンスが、該波長において、少なくとも1ナノ秒のパルス幅を有するパルスのフルエンスより実質上小さい、方法。
- 請求項33の方法において、前記フルエンスが、前記波長において、少なくとも1ナノ秒のパルス幅を有する前記パルスの前記フルエンスより少なくとも4分の1小さい、方法。
- 請求項1の方法において、前記波長が、前記複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法のフルエンスが、前記複合材料内の前記強化繊維の線形吸収に対するアブレーション閾値を上回る、方法。
- 異なる特性及び機能性をもつ少なくとも2つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物を加工する方法であって、前記異なる材料が誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも1つを含む、方法において、
レーザパルスの列を前記加工物の前記複合材料に照射し、
前記誘電体材料及び前記金属材料のうちの少なくとも1つの除去中に生成される少なくとも1つのHAZが、前記加工物の前記複合材料の一部分の除去中に生成される少なくとも1つのHAZに対して深さ方向に増大するように、熱影響域(HAZ)を制御し、
前記複合材料が強化繊維及び母材を具備し、
前記列の少なくとも2つのパルスが異なる特性を有し、前記パルスが前記加工物の異なる材料に加えられ、少なくとも1つのパルスを含む前記レーザパルスの列が、前記少なくとも1つのレーザパルスの波長において、前記複合材料内の前記強化繊維の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供する、方法。 - 異なる特性及び機能性をもつ少なくとも2つの異なる材料であって強化繊維及び母材を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムであって、
少なくとも1つのパルスが前記加工物の前記複合材料の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、
前記光源からのパルスを少なくとも1μJのパルスエネルギーに増幅するように、そして10フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも1つのパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システム、
数kHzから10MHzの範囲内になるように前記出力光パルスの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも1つの光変調器を備える変調システム、
パルスレーザビームを前記加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、10μmから100μmの範囲内のスポット寸法(1/e2)内にパルスビームが集束され、前記集束ビームが、前記レーザパルスの波長において、前記複合材料内の前記強化繊維の非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、
1mm/秒から20m/秒の範囲内の速度で前記加工物に対して前記ビームを位置決めするように構成された位置決めシステム、及び
少なくとも前記位置決めシステムに結合されるように構成された制御装置であって、前記繰返し率で前記加工物の加工中に隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成された制御装置、
を備えるレーザベースのシステム。 - 請求項37のシステムにおいて、前記光増幅システムがファイバベースのチャープパルス増幅システムを備える、システム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記光増幅システムが少なくとも1つの大モードファイバ増幅器を含み、
前記大モードファイバ増幅器は回折限界の出力ビームを生成する、システム。 - 請求項37のシステムにおいて、前記光増幅システムが、パルスエネルギーが最高20μJの出力パルスを生成するように、そして最高10Wの平均パワーを生成するように動作可能である、システム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記光パルス光源がファイバ発振器を備え、前記増幅システムの1つ以上の増幅器がファイバ増幅器であり、前記発振器及び増幅システムがオールファイバ設計として構成されたシステム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記光パルス光源がファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Qスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも1つを備える、システム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記レーザベースのシステムが、送達されるパルスビームの集束スポット寸法内で少なくとも0.25J/cm2のフルエンスを提供するように動作可能である、システム。
- 請求項43のシステムにおいて、前記フルエンスが少なくとも0.01J/cm2である、システム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記パルスエネルギーが1μJから20μJの範囲内である、システム。
- 請求項37のシステムにおいて、前記繰返し率が100kHzから5MHzの範囲内である、システム。
- 異なる特性及び機能性をもつ少なくとも2つの異なる材料であって強化繊維及び母材を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムであって、
少なくとも1つのパルスが前記加工物の前記複合材料の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、
前記光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から500ピコ秒の範囲内の少なくとも1つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成された光増幅システム、
少なくとも1MHzから100MHz未満の範囲内で前記出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくとも1つの光変調器を含む変調システム、
パルスレーザビームを前記加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、少なくとも5ミクロンのスポット寸法(1/e2)内にパルスビームが集束され、前記集束ビームが、前記レーザパルスの波長において、前記複合材料内の前記強化繊維の非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、並びに
前記繰返し率及び前記スポット寸法で前記加工物の前記1つ以上の材料上又はその内に少なくとも50%のスポット重複をもたらすように構成された位置決めシステム、
を備える、レーザベースのシステム。 - 請求項47のレーザベースのシステムにおいて、前記光増幅システムが、前記光源からのパルスを少なくとも1μJのエネルギーに増幅するように、そして10フェムト秒から500ピコ秒の範囲内の少なくとも1つのパルス幅を有する極短出力パルスを生成するように構成され、前記光増幅システムが、少なくとも1つの大モードファイバ増幅器を備え、前記少なくとも1つの大モードファイバ増幅器が、ドープされた大コア漏洩チャネルファイバ増幅器、フォトニック結晶ファイバ、及びフォトニック・バンドギャップ・ファイバのうちの少なくとも1つを備え、
前記少なくとも1つの大モードファイバ増幅器が、前記レーザベースのシステムが回折限界のパルス出力ビームを放出するように構成され、
前記レーザベースのシステムが、数kHzから10MHzの範囲内の繰返し率で前記パルス出力ビームを生成するように調整可能に構成される、レーザベースのシステム。
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