JP5804040B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザ光を照射して導体層上に積層された樹脂製絶縁層の所定部位を除去するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関するものである。

積層された導体層と絶縁層とから構成されるプリント基板は、電機・通信・自動車など各業界において、今や不可欠の産業素材の一つとなっている。そのプリント基板の加工においても、当然ながら、低コスト・高信頼性・高スループットであることが求められる。更に昨今では、環境負荷の低減という要求も加わり、従来の化学的加工をレーザ加工に置き換える動きが盛んである。

特開２００２−１１８３４４号公報 米国特許第５５９３６０６号明細書 特許第３８２４５２２号公報

発明者らは、上述の従来のレーザ加工技術について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、プリント基板のレーザ加工は、特許文献１の段落「００１２」、「００１３」に指摘されるとおり、導体層に接している絶縁層が極薄い層（厚み０.２〜３μｍ）であることから、絶縁層へのレーザ光照射による熱が熱伝導率の高い導体層に放散して、絶縁層除去を目的としたレーザ加工を施すことが困難となる。なお、今日、特に重要なフレキシブルプリント基板では、こうした絶縁層にはポリイミド系樹脂を用いることが最も多いが、図１に示すように、０.８μｍより長い波長域（すなわち、近赤外域）ではポリイミド系樹脂の透過率は８０％以上となり、殊更にレーザ光照射による熱を使ったポリイミド系樹脂の加工が難しくなる。

こうした困難を克服するために、特許文献１および２では、絶縁層の透過率の低い（すなわち、吸収率の高い）波長４００ｎｍ以下のＵＶレーザ光を使用することが提案されている。しかしながら、この波長域では、図２に示すように、導体層として最も使用されることの多い銅の吸収率も高く、そのため、絶縁層および導体層の双方を貫通させる穴あけ加工時などは問題ないが、特許文献１に指摘されるデスミア工程が必要となるブラインドＶｉａホール加工などの場合、絶縁層の除去のみならず導体層までも除去加工されてしまうという不具合が生じていた。

これを回避するため、特許文献１では、ＣＯ_２レーザ光を用いて絶縁層を粗方除去した後、ＵＶレーザ光を用いてレーザ光照射のエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）（以下、フルーエンスという）を、導体層の分解閾値より低く絶縁層の分解閾値より高く設定するという仕上げ工程を行うレーザ加工方法などが提案されている。しかしながら、わざわざこうした複数の波長のレーザ光を用いることは、製造設備のコスト高につながることは勿論、信頼性の低下や、スループットの低下にもつながる。

何よりＵＶレーザ光を使用すること自体、特許文献２に述べられているとおり、高調波発生のために非線形光学結晶を必要とし、非線形光学結晶自体の光損傷の危険性による信頼性の低下、出力パワーの低下および不安定化、出射ビームプロファイルの不安定化、コストの上昇等を招き、上述のプリント基板加工への要求と一致しない。

また波長４００ｎｍ以下のＵＶレーザ光は、第３次高調波発生のための波長変換の過程において、その変換効率は精々４０％しかない。このため、消費電力が増大し、往々にして水冷設備まで必要となり、消費電力低減の観点からも望ましくない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、プリント基板等の構成要素の一つである絶縁層に対するレーザ加工、特に絶縁層の選択的除去において、非線形光学結晶による波長変換技術を使用せず、しかも除去加工全般に亘って１波長のみを使用するレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的としている。

本発明に係るレーザ加工方法は、プリント基板など、導体層と樹脂製の絶縁層（導体層に直接接触させるための接着剤も絶縁層に含まれる）により構成される積層構造を含む対象物に、パルスレーザ光を照射することにより、絶縁層のうち導体層上の所定領域に位置する部分を除去するレーザ加工方法である。当該レーザ加工方法の一実施形態は、対象物の設置工程、照射されるパルスレーザ光の波長選択工程、照射されるパルスレーザ光のエネルギー設定工程、およびパルスレーザ光の照射工程を実施する。また、これら各工程は、本発明に係るレーザ加工装置（第１構造）により実行され、この第１構造のレーザ加工装置では、種光源、増幅用光ファイバ、波長選択手段等により、ＭＯＰＡ（MasterOscillator Power Amplifier）構造が構成されている。

具体的に、対象物の設置工程では、パルスレーザ光が絶縁層を通過した後に導体層に到達するよう、対象物が設置される。波長選択工程では、パルスレーザ光の波長として、導体層に対する吸収率が１０％未満となる波長が選択される。エネルギー設定工程では、パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスが、絶縁層の破壊損傷閾値以上に設定される。なお、「破壊損傷閾値」とは、特許文献１にも開示されたように絶縁層の分解閾値を意味し、破壊、損傷、気化により、当該絶縁層の除去が始まる最小フルーエンスである。そして、照射工程では、上述のように選択された波長を有するとともに設定された１パルス当たりのフルーエンスを有するパルスレーザ光が、設置された対象物の所定領域に照射される。

また、本発明に係るレーザ加工方法の他の実施形態は、対象物の設置工程、照射されるパルスレーザ光の波長選択工程、照射されるパルスレーザ光のエネルギー設定工程、照射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数設定工程、およびパルスレーザ光の照射工程を実施してもよい。また、これら各工程も、上述の第１構造のレーザ加工装置により実行可能である。

具体的に、対象物の設置工程では、パルスレーザ光が絶縁層を通過した後に導体層に到達するよう、対象物が設置される。波長選択工程では、パルスレーザ光の波長として、導体層に対する吸収率が１０％未満となる波長が選択される。エネルギー設定工程では、パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスが、絶縁層が破壊された後の導体層表面における炭素検出濃度との関係において設定される。なお、設定される１パルス当たりのフルーエンスは、例えば、１０〜１３Ｊ／ｃｍ^２の許容範囲内であればよい。また、繰り返し周波数設定工程では、パルスレーザ光の繰り返し周波数が、パルスレーザ光の半値全幅が５ｎｓ未満となるように設定される。照射工程では、選択された波長を有するとともに設定された１パルス当たりのフルーエンスおよび繰り返し周波数を有するパルスレーザ光が、設置された対象物の所定領域に照射される。

本発明に係るレーザ加工方法の各実施形態において、パルスレーザ光の波長は、絶縁層に対して７０％以上の透過率を有するのが好ましい。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、第２構造として、上述の第１構造のレーザ加工装置をレーザ光源として用いるとともに、パルスレーザ光が到達する絶縁層表面の加工領域内において、パルスレーザ光を掃引させる照射光学系を備えてもよい。この場合、絶縁層表面において、照射されたパルスレーザ光のビームスポットに対する次回照射されるパルスレーザ光のビームスポットのオーバーラップ率（２つのスポット中心を通る直線上における重複領域の幅／スポット径×１００）が４０％〜９０％となるように、絶縁層表面に対してパルスレーザ光が掃引させながら照射される。

本発明に係るレーザ加工方法の各実施形態において、パルスレーザ光の波長は、希土類元素を含む光活性媒質を用いたレーザ光源から直接出力し得る波長であるのが好ましい。この場合、光活性媒質は、Ｙｂ添加光ファイバであるのが好ましい。

本発明に係るレーザ加工方法の各実施形態において、パルスレーザ光の半値全幅は、絶縁層の加工残渣が導体層表面に膜状または島状に残らない程度に設定されるのが好ましい。パルスレーザ光の半値全幅は、１０ｐｓより大きく、かつ、５ｎｓ未満であるのが好ましい。パルスレーザ光のパルスピークにおける照射強度は、絶縁層の加工残渣が導体層表面に膜状または島状に残らない程度に設定されているのが好ましい。絶縁層が破壊された後の導体層表面における炭素検出濃度をより低減することが可能になるからである。

なお、上述の第２構造のレーザ加工装置において、レーザ光源は、加工領域内において任意パターンを描きながら掃引始点から掃引終点に向かうビーム掃引を一単位とするとき、この一単位のビーム掃引の期間中、パルスレーザ光の生成条件のうち、パルス幅および繰返し周波数の少なくともいずれかを、１回またはそれ以上変更するのが好ましい。また、レーザ光源は、一単位のビーム掃引における掃引開始時点を含むビーム掃引初期のパルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスを、該ビーム掃引初期以降の期間におけるパルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスより大きく設定するのが好ましい。このような構造により、加工効率を大幅に向上させることが可能になるからである。なお、ビーム掃引パターンは、加工領域の形状に合わせて任意に設定可能であり、例えば曲線成分のみで構成された螺旋状掃引パターンの他、直線成分のみで構成された掃引パターン、曲線成分と直線成分の組み合わせにより構成された掃引パターンなど種々の掃引パターンが考えられる。

また、第２構造のレーザ加工装置において、レーザ光源は、一単位のビーム掃引における掃引終了時点を含むビーム掃引終期のパルスレーザ光のパルスピークにおける照射強度を、該ビーム掃引終期以前の期間におけるパルスレーザ光のパルスピークにおける照射強度よりも大きく設定するのが好ましい。さらに、照射光学系は、絶縁層表面において、照射されたパルスレーザ光のビームスポットに対する次回照射されるパルスレーザ光のビームスポットのオーバーラップ率が４０％〜９０％となるように、絶縁層表面に対してパルスレーザ光を掃引させながら照射するのが好ましい。この場合、絶縁層の加工残渣を効果的に低減することが可能になる。また、絶縁層下に位置する導体層の損傷も回避され得る。

本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置によれば、プリント基板等の絶縁層の選択的除去において、非線形光学結晶による波長変換技術を使用せず、しかも全工程において１波長のみを使用することができる。

各種絶縁体の透過率スペクトルを示す図である。 各種金属の吸収率スペクトルを示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法において好適に用いられるレーザ加工装置の第１実施形態（第１構造）の構成を示す図である。 種光源の後段に設けられたバンドパスフィルタの中心波長を調整することで種光源の出力パルスを変形した場合のパルス波形およびスペクトルを示す図である。 図３の第１実施形態に係るレーザ加工装置におけるバンドパスフィルタによるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。 図３の第１実施形態に係るレーザ加工装置におけるバンドパスフィルタによるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。 モード１でのレーザ加工装置（図３）の出力パルスレーザ光のパルス波形を示す図である。 モード１でのレーザ加工装置（図３）の出力パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す図である。 モード２でのレーザ加工装置（図３）の出力パルスレーザ光のパルス波形を示す図である。 モード２でのレーザ加工装置（図３）の出力パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法において好適に用いられるレーザ加工装置の第２実施形態（第２構造）の構成を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法において好適に用いられるレーザ加工装置の第３実施形態（第３構造）の構成を示す図である。 モード１およびモード２それぞれにおけるパルス半値全幅と１パルス当たりのフルーエンスとの関係を示すグラフである。 プリント基板（導体層と絶縁層の積層構造を含む）の断面図である。 モード１においてパルスを繰り返し周波数５００、４００、３１２.５、２００、１６６.７、１００ｋＨｚと変化させたときのＶｉａホールを光学顕微鏡で観察した写真およびＳＥＭ写真である。 モード１においてパルスを繰り返し周波数５００、４００、３１２.５、２００、１６６.７、１００ｋＨｚと変化させたときのＶｉａホールを光学顕微鏡で観察した写真およびＳＥＭ写真である。 モード１において上述の繰り返し周波数での１パルス当たりのフルーエンスと、Ｖｉａホールの底に残った炭素の検出濃度との関係を示すグラフである。 加工領域内におけるパルスレーザ光の掃引パターンの一例を示す図である。 モード２において種光源の変調電流パルス幅を５ｎｓとした場合の出力パルス波形を示す図である。 モード１、２、２Ａそれぞれの場合の繰り返し周波数、パルス幅およびフルーエンスの関係を纏めた表である。

以下、本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工方法の書く実施形態を、図３〜２０を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工方法において好適に用いられるレーザ加工装置の第１実施形態（第１構造）の構成を示す図である。図３において、第１実施形態に係るレーザ加工装置１は、種光源１００、ＹｂＤＦ１１０、バンドパスフィルタ１２０、ＹｂＤＦ１３０、バンドパスフィルタ１４０、ＹｂＤＦ１５０およびＹｂＤＦ１６０等を備え、これら要素によりＭＯＰＡ構造が構成されている。このレーザ加工装置１は、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近、具体的には、１０４０ｎｍ〜１１５０ｎｍのパルスレーザ光を出力する。

種光源１００は、直接変調可能な半導体レーザを含み、この半導体レーザからパルスレーザ光が出力される。半導体レーザは、ハイパワー化の観点から、また、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）などの非線形効果を避ける観点から、ファブリーペロ型レーザであるのが好ましい。また、この半導体レーザは、増幅用光ファイバであるＹｂＤＦ２０、４０、５０が利得を有する波長１０６０ｎｍ付近のパルスレーザ光を出力する。

ＹｂＤＦ１１０、１３０、１５０、１６０は、種光源１００から出力される波長１０６０ｎｍ付近のパルスレーザ光を増幅する光学要素であり、それぞれガラスからなる光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加されることにより得られる。ＹｂＤＦ１１０、１３０、１５０、１６０は、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利である。また、ＹｂＤＦ１１０、１３０、１５０、１６０は、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点で有利である。これらＹｂＤＦ１１０、１３０、１５０、１６０により、４段の光ファイバ増幅器が構成されている。

第１段のＹｂＤＦ１１０には、励起光源１１２から出力された励起光であって光カプラ１１３および光カプラ１１１を順に通過した励起光が順方向に供給される。さらに、ＹｂＤＦ１１０は、種光源１００から出力されたパルスレーザ光であって光アイソレータ１１４および光カプラ１１１を順に通過したパルスレーザ光を増幅する。ＹｂＤＦ１１０で増幅されたパルスレーザ光は、光アイソレータ１１５を介して出力される。

バンドパスフィルタ１２０は、第１段のＹｂＤＦ１１０において増幅された後に光アイソレータ１１５を通過したパルスレーザ光を入力し、その入力されたパルスレーザ光の波長帯域のうち特定波長帯域の成分を減衰させる。

第２段のＹｂＤＦ１３０は、励起光源１１２から出力された励起光であって光カプラ１１３および光カプラ１３１を順に通過した励起光が順方向に供給される。さらに、ＹｂＤＦ１３０は、バンドパスフィルタ１２０から出力されたパルスレーザ光であって光アイソレータ１３１を通過したパルスレーザ光を増幅する。

バンドパスフィルタ１４０は、第２段のＹｂＤＦ１３０において増幅されたパルスレーザ光を入力し、その入力されたパルスレーザ光の波長帯域のうち特定波長帯域の成分を減衰させる。

第３段のＹｂＤＦ１５０は、励起光源１５２から出力された励起光であって光カプラ１５１を通過した励起光が順方向に供給される。さらに、ＹｂＤＦ１５０は、バンドパスフィルタ１４０から出力されたパルスレーザ光であって光アイソレータ１５３を通過したパルスレーザ光を増幅する。

第４段のＹｂＤＦ１６０は、励起光源１６２〜１６６それぞれから出力された励起光であってコンバイナ１６１を通過した励起光が順方向に供給される。さらに、ＹｂＤＦ１６０は、第３段のＹｂＤＦ１５０において増幅されたパルスレーザ光であって光アイソレータ１６７およびコンバイナ１６１を順に通過したパルスレーザ光を増幅する。このＹｂＤＦ１６０で増幅されたパルスレーザ光は、エンドキャップ１７０を介して、当該レーザ加工装置（レーザ光源）の外部へ出力させる。

より好適な構成例は以下のとおりである。第１段のＹｂＤＦ１１０は、単一クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、５ｗｔ％のＡｌ濃度、１０μｍのコア径、１２５μｍのクラッド径、７０ｄＢ／ｍの９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収、２４０ｄＢ／ｍの９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピーク、７ｍのファイバ長を有する。第２段のＹｂＤＦ１３０は、単一クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、５ｗｔ％のＡｌ濃度、１０μｍのコア径、１２５μｍのクラッド径、７０ｄＢ／ｍの９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収、２４０ｄＢ／ｍの９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピーク、７ｍのファイバ長を有する。

第３段のＹｂＤＦ１５０は、二重クラッドリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦであり、２６．４ｗｔ％のＰ濃度、０．８ｗｔ％のＡｌ濃度、１０μｍのコア径、外径が１２５μｍでありその断面形状が８角形である第一クラッド径、１．８ｄＢ／ｍの９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収、３ｍのファイバ長を有する。第４段のＹｂＤＦ１６０は、二重クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、５ｗｔ％のＡｌ濃度、１０μｍのコア径、１２５μｍのクラッド径、８０ｄＢ／ｍの９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収、３．５ｍのファイバ長を有する。

ＹｂＤＦ１１０、１３０、１５０、１６０に供給される励起光の波長は何れも０.９７５μｍ帯である。ＹｂＤＦ１１０に供給される励起光は、パワー２００ｍＷの単一モード光である。ＹｂＤＦ１３０に供給される励起光は、パワー２００ｍＷの単一モード光である。ＹｂＤＦ１５０に供給される励起光は、パワー２Ｗのマルチモード光である。また、ＹｂＤＦ１６０に供給される励起光は、パワー１４Ｗのマルチモード光である。

この第１実施形態に係るレーザ加工装置１では、種光源１００としてファブリーペロ型の半導体レーザが適用される。また、短パルス化のため、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、種光源１００の後段に設けられたバンドパスフィルタ１２０の中心波長は、各図におけるグラフＣ２またはＣ３の状態になるように調整されて、パルスレーザ光の半値全幅が約５ｎｓから０.５ｎｓまで圧縮され得る。

図４（ａ）は、種光源１００の後段に設けられるバンドパスフィルタ１２０の中心波長を調整することで種光源１００の出力パルスを変形した場合のパルス波形を示す。図４（ｂ）は、その場合のスペクトルを示す。また、図４（ｃ）は、図４（ａ）の一部を拡大した図である。各図におけるグラフＣ１は、バンドパスフィルタがない場合を示す。グラフＣ２〜Ｃ７は、バンドパスフィルタ１２０の中心波長を長波長側から徐々に短波長側にした場合を示す。

なお、グラフＣ２、Ｃ３のようにバンドパスフィルタ１２０の中心波長を種光源１００のスペクトルの中心波長から大幅にデチューニングさせると、その下流のＹｂＤＦで発生するＡＳＥが増大する。このようなＡＳＥ成分を抑圧するためには、図３に示すように、種光源の下流に接続される光増幅器の内部に複数のバンドパスフィルタが挿入されることが望ましい。

バンドパスフィルタ１２０、１４０それぞれの透過スペクトルの半値全幅は３ｎｍである。図５および図６は、レーザ加工装置１（図３）におけるバンドパスフィルタ１２０、１４０によるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。

図５に示すように、バンドパスフィルタ１２０の透過スペクトル（図５（ａ）および図５（ｂ）中のＤ１）の中心波長が種光源１０の出力光のスペクトル（図５（ｂ）中のＤ２）のピーク波長に略一致している場合には、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図５（ｂ）中のＤ３）のパワーを高く保つことができる。その結果、バンドパスフィルタ１２０の後段にあるＹｂＤＦ１３０から出力される光（図５（ｂ）中のＤ４）に含まれるＡＳＥ成分と比較したＳ／Ｎ比を高く保つことができる。

これに対して、図６に示すように、バンドパスフィルタ１２０の透過スペクトル（図６（ａ）〜図６（ｃ）中のＥ１）の中心波長が種光源１０の出力光のスペクトル（図６（ａ）中のＥ２）のピーク波長から大きくずれている場合には、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図６（ｂ）中のＥ３）のパワーが入力時に対して大きく減衰することになる。その結果、バンドパスフィルタ１２０の後段にあるＹｂＤＦ１３０から出力される光（図６（ｂ）および図６（ｃ）中のＥ４）に含まれるＡＳＥ成分と比較したＳ／Ｎ比が大幅に劣化する。これを回避するため、ＹｂＤＦ１３０の下流に更にバンドパスフィルタ１４０を挿入することで、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図６（ｃ）中のＥ５）のＳ／Ｎ比を改善することができる。なお、このとき、バンドパスフィルタ１４０の中心波長は、バンドパスフィルタ１２０の中心波長より、種光源１０出力スペクトルのピーク波長に近く設定することが望ましい。

更に３段目ＹｂＤＦ１５０には、ＡＳＥ帯域がＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦよりも狭いリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦが適用されている。

以上のように構成されたレーザ加工装置１において、図７に示すようにパルスピークが最高５６ｋＷに至る出力が実現された。この図７には、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、１６６.７ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３１２.５ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚおよび２.５ＭＨｚのパルス波形が示されている。なお、このパルス波形の測定に際しては、レーザ加工装置１の出力端にあるエンドキャップ１７０の後に減衰量６５ｄＢ程度の空間アッテネータを挿入し、エンドキャップ１７０からの出力光をソーラボ製光電変換モジュール（ＳＩＲ５−ＦＣ型）で受光し、その光電変換モジュールからの電気出力波形を横河電機製オシロスコープ（ＤＬ９２４０）で観測した。繰り返し周波数２.５ＭＨｚ〜１００ｋＨｚの何れの条件でも、パルス幅は０.５±０.１ｎｍの範囲内であった。図８は、レーザ加工装置１の出力パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す図である。この図８に示すように、出力パルスレーザ光のパルスエネルギーは最高でも０．０４１ｍＪであった。この動作状態を今後便宜的にモード１と呼ぶ。

なお、比較のため、図３に示す構成からバンドパスフィルタ１４０を取り除いた構成において、上述したような短パルス化を目的とするバンドパスフィルタ１２０の調整をしない場合で、パルス半値全幅５ｎｓ以上の出力パルスレーザ光を使ったレーザ加工も試行した。この動作状態を、今後便宜的にモード２と呼ぶ。図９は、モード２でのレーザ加工装置１の出力パルスレーザ光のパルス波形を示す図である。図１０は、モード２でのレーザ加工装置１の出力パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す図である。なお、電気的なパルス変調幅を２０ｎｓと設定したことから、繰り返し周波数が５００ｋＨｚであるときにはパルス半値全幅は１８ｎｓであるが、繰り返し周波数を下げる程、光ファイバ増幅部の過渡応答によりパルスの半値全幅は小さくなる。例えば、繰り返し周波数が５０ｋＨｚであるときにはパルスの半値全幅は５.３ｎｓとなる。図１０に示すように、そのパルスエネルギーは、最高０．２４ｍＪとなり、モード１の場合の約６倍にも達する。

次に、レーザ加工装置１から出力されるパルスレーザ光を加工対象物に照射した実験について説明する。具体的には、このような実験を実現する第２実施形態に係るレーザ加工装置２の構成を図１１に示す。図１１（ａ）に示すように、第２実施形態に係るレーザ加工装置２は、上述の第１実施形態に係るレーザ加工装置１をレーザ光源とし、さらに、照明光学系２００ａを備える。レーザ加工装置１（レーザ光源）のエンドキャップ１７０から対象物へ至る照射光学系は、順に、出射ビーム径１．６ｍｍのコリメータ１７１、偏波無依存アイソレータ１７２、倍率８倍のビームエキスパンダ１７３、ガルバノスキャナ１７４およびテレセントリックＦθレンズ１７５により構成される。エンドキャップ１７０から出力されたパルスレーザ光がこれら光学要素を通過したときの該パルスレーザ光に対する透過率は７５％である。上記Ｆθレンズの焦点距離は１６４ｍｍである。対象物１０上のビームスポット径ｄは、「ｄ＝（４／π）・（焦点距離×波長）／（レンズ前ビーム径）」なる式で与えられ、１７．３μｍが得られる。その結果、対象物におけるレーザ光のスポット面積は２．３５×１０^−６ｃｍ^２である。

また、ガルバノスキャナ１７４は、Ｆθレンズ１７５を介してパルスレーザ光Ｐを、掃引始点Ｐ１から矢印Ｓ１で示す方向に沿って掃引しながら対象物１０の表面に照射する。なお、対象物１０は、少なくとも、導体層１１と、この導体層１１の表面１１ａ上に直接接触するように設けられた絶縁層１２により構成された積層構造を有する。また、絶縁層１２の表面１２ａ上に照射されるパルスレーザ光Ｐの中心は、図１１（ｂ）に示すように、加工領域ＡＳ内を、始点Ｐ１から矢印Ｓ１で示す方向に沿って、螺旋状に掃引される。また、図１１（ｃ）に示すように、隣接するパルスレーザ光Ｐの中心Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ（パルスレーザ光の中心は矢印Ｓ２で示す方向に移動）は、それぞれのビームスポットが領域Ａ１０で重なるよう所定のオーバーラップ率（好ましくは４０％〜９０％）を満たしている。なお、図１１（ｂ）には、ビーム掃引パターンの一例として、螺旋状掃引パターンが示されているが、これには限定されない。例えば、螺旋状掃引パターンの他、直線成分のみで構成された掃引パターン、曲線成分と直線成分の組み合わせにより構成された掃引パターンなど、任意のビーム掃引パターンが設定可能である。

以上のように、加工領域ＡＳ内においてパルスレーザ光Ｐを掃引することにより、図１１（ｄ）に示すように、絶縁層１２のうち除去された部分（加工領域ＡＳに相当）に位置する導体層１１の表面１１ａを露出させることが可能になる。

なお、絶縁層１２の除去性能を向上するためには、パルスレーザ光の照射領域（加工領域ＡＳ）にアシストガスとして酸素などの助燃ガスを吹き付けるのが更に有効である。しかしながら、プリント基板の穴あけ加工は高い能率が要求され、上述のように（本願明細書の段落「００３５」参照）、ガルバノスキャナ１７４とテレセントリックＦθレンズ１７５によるビーム高速掃引が必要となるケースが殆どである。この場合、パルスレーザ光のビームスポットが高速で動いてしまうので、ビームスポットのみに助燃ガスを吹き付けることは不可能である。この対策として、第３実施形態に係るレーザ加工装置３では、Ｆθレンズ１７５の真下（Ｆθレンズ１７５と絶縁層１２の表面１２ａの間）に風洞１７６を設置し、この風洞１７６内に助燃ガス（Ｏ_２）を注入する構成を備える。具体的に第３実施形態に係るレーザ加工装置３は、図１２に示すように、実質的に第２実施形態に係るレーザ加工装置２と同様の構成を備えるが、構造的には、Ｆθレンズ１７５と絶縁層１２の表面１２ａの間に風洞１７６が設けられた点で異なる。

図１３は、モード１およびモード２それぞれにおけるパルス半値全幅と１パルス当たりのフルーエンスとの関係を示すグラフである。この図１３には、モード１のデータが△印で示され、モード２のデータが◇印で示されている。また、後述するモード２Ａのデータが□印で示されている。また、図１３には、特許文献３の段落「０００５」に記載されている「フルーエンス破壊閾値がパルス幅の平方根に比例」の関係が破線で示されている。図１３に示すとおり、１パルス当たりのフルーエンスは、モード１では最高で１３Ｊ／ｃｍ^２となり、モード２では最高で７７Ｊ／ｃｍ^２となる。

これらモード１およびモード２のパルスレーザ光を、繰り返し周波数１００ｋＨｚの時のオーバーラップ率８８％で掃引しながら、図１４に断面構造が示されたプリント基板１０（図１１（ａ）および図１２の対象物に相当）に照射してＶｉａホール加工が行われた。このプリント基板１０は、厚さ１８μｍの銅箔１１（図１１（ａ）および図１２の導体層に相当）、厚さ１４μｍのポリイミド系樹脂層１２ｂおよび厚さ１８μｍの銅箔１３が積層された構造を有する。また、プリント基板１０は、これら層１１、１２ｂ、１３を接着する接着層（ＴＰＩ）をも含む。したがって、ポリイミド系樹脂層１２ｂおよび接着層が絶縁層１２（図１１（ａ）および図１２の絶縁層に相当）を構成する。また、プリント基板１０の銅箔１３には、化学的加工またはレーザ加工により予め穴が開けられている。このＶｉａホール加工の結果が図１５および図１６に示されている。

図１５および図１６それぞれは、モード１においてパルスを繰り返し周波数５００、４００、３１２.５、２００、１６６.７、１００ｋＨｚと変化させたときのＶｉａホールを光学顕微鏡で観察した写真およびＳＥＭ写真である。特に、図１５には、アシストガスを用いず通常の大気中で加工したときの結果を示す。図１６には、アシストガスとして酸素ガスを吹き付けながら加工したときの結果を示す。また、図１５（ａ）および図１６（ａ）は光学顕微鏡写真を示し、図１５（ｂ）および図１６（ｂ）はＳＥＭ写真を示す。また、図１７は、モード１において上述の繰り返し周波数での１パルス当たりのフルーエンスと、Ｖｉａホールの底に残った炭素の検出濃度との関係を示すグラフである。ただし、炭素の検出に際しては、エネルギー分散型Ｘ線蛍光分析装置（以下、ＥＤＸという）が使用された。

ＵＶレーザで加工した時にも２０Ａｔ．％程度の残渣は残るが、図１６に示すとおり、モード１では酸素ガスをアシストガスとし、フルーエンスを１０Ｊ／ｃｍ^２以上とすれば、ＵＶレーザと同等にまで残渣の濃度を下げられることが判る。一方、図１５に示すとおり、アシストガスとして酸素ガスを用いない場合でも、フルーエンスが１３Ｊ／ｃｍ^２であるときでは、ＵＶレーザと同等にまで残渣の濃度を下げられる。そして導体層の表面は殆ど除去されない。

なお、スメア（smear：導体層表面に膜状あるいは島状に残る加工残渣）は、上述のように（本願明細書の段落「０００３」参照）、パルスレーザ光照射による熱が、熱伝導率の高い導体層１１に逃げるため、絶縁層１２の除去に成功する条件として、フルーエンスと同時に、瞬時的に照射される最大パワー、すなわちパルスピークにおける照射強度も考慮する必要がある。モード１では、酸素アシストガスを用いた場合、照射強度１８ＧＷ／ｃｍ^２以上で絶縁層１２の除去に成功している。酸素アシストガスを用いない場合でも、照射強度２４ＧＷ／ｃｍ^２以上であれば絶縁層１２の除去に成功している。これら照射強度の閾値は、導体層１１の材質、厚み、更に導体層１１が置かれているステージの材質にも依存すると考えられ、対象物であるプリント基板１０の設計に応じて所定の値が必要になると思われる。

以上のことから、プリント基板１０を設置するステージ上面の材質は、熱伝導性の高い金属などではなく、熱伝導性の低いセラミック、ガラスなどが望ましい。

また、絶縁層１２の除去の初期段階（図１１（ｂ）に示すような加工領域ＡＳ内のビーム掃引を１回行う場合の初期掃引段階）においては、後述する図１９のモード２Ａのフルーエンスの高いパルスを用いて除去エリア（加工領域ＡＳ）を掃引して、絶縁層１２の除去の後期段階（図１１（ｂ）に示すような加工領域ＡＳ内のビーム掃引を１回行う場合の後期掃引段階）、すなわち、スメアの除去段階では、最大照射強度に優れ、かつ、フルーエンスは抑えられているモード１を適用し、加工領域ＡＳ（除去エリア）全域に対してビーム掃引すれば、絶縁層１２の除去に費やされる時間も、導体層１１の損傷も、何れも最小限に抑えられると期待される。特許文献１の、ＣＯ_２レーザとＵＶレーザを併用する方式と類似しているが、本発明では１台のレーザで両者の加工が可能である。

この時のビーム掃引のパターンの一例を図１８に示す。ここで、図１８（ａ）は、直径５０μｍのホール内部（導体層１３に予め形成されたホールであって、この底部が加工領域ＡＳに相当）を、掃引始点Ｐ１から矢印Ｓ３で示す方向に沿って掃引終点Ｐ２（加工領域ＡＳの中心）に向かうアルキメデスの螺旋状のビーム掃引パターン（１回のビーム掃引に相当）を示す。最も外周付近に近い照射スポットの中心同士の間の距離は１１μｍであり、スポット径１７．３μｍを考慮すると、オーバーラップ率は３６％程度（＝（１７．３−１１）／１７．３×１００）である。また、図１８（ｂ）は、掃引始点Ｐ１から掃引終点Ｐ２に向かう１回のビーム掃引における前半では、掃引始点Ｐ１から矢印Ｓ４で示す方向に沿って加工領域ＡＳの中心に向かう一方、１回のビーム掃引の後半では、加工領域ＡＳの中心から矢印Ｓ５で示す方向に沿って掃引終点Ｐ２に向かうビーム掃引パターンを示す。最も外周付近に近い照射スポットの中心同士の間の距離は７μｍであり、スポット径１７．３μｍを考慮すると、オーバーラップ率は５９％程度（＝（１７．３−７）／１７，３×１００）である。

なお、図１８（ａ）のビーム掃引パターンは、掃引始点Ｐ１から掃引終点Ｐ２に向かう１回のビーム掃引の期間中、後述するモード２Ａでのビーム掃引のみが行われる。図１８（ｂ）のビーム掃引パターンは、その半径変化量が、図１８（ａ）に示すビーム掃引パターンの２倍である。また、図１８（ｂ）のビーム掃引パターンでは、１回のビーム掃引における前半（掃引始点Ｐ１から加工領域ＡＳの中心まで）はモード２Ａでのビーム掃引が行われる一方、後半（加工領域ＡＳの中心から掃引終点Ｐ２まで）はモード１でのビーム掃引が行われている。何れも加工領域ＡＳ内のパルスショット数は１００である。

続いて説明を図１７に戻し、モード２においては、繰り返し周波数を５０〜５００ｋＨｚの範囲（すなわち、１パルス当りのフルーエンスを８〜７７Ｊ／ｃｍ^２の範囲）で変えても、ＥＤＸによる炭素の検出濃度は変わらず６０Ａｔ．％程度であった。

以上の加工結果と図１３とを比較する限り、ＬＩＢ閾値となるフルーエンスのパルス幅への依存性は、特許文献３に記載されているようにフルーエンス破壊閾値がパルス幅の平方根に比例するという古典的な関係ではない。恐らく、特許文献１に記載されているとおり、スメアとなる、導体層１１に接している絶縁層１２の部分は、レーザ照射されても熱が導体に逃げ易いので、より短時間に集中して加熱することが望ましい結果、材料単体を想定した上記のＬＩＢ閾値の議論は当てはまらないと考えられる。

しかしながら、いずれにせよ、特許文献３に記載されているように、パルス幅を１０ｐｓ以下にしなければ加工が成功しないなどということはなく、図７に示すとおりパルス半値全幅が０．６ｎｓ程度でも加工に成功することができるので、ＣＰＡなどの光増幅部における特殊なパルス圧縮方式は不要である。

ただし、プリント基板１０を構成するポリイミド系樹脂層１２ｂおよび接着層（絶縁層１２を構成し、何れもスメアとなり得る）それぞれには様々な組成があり、必ずしもモード１のような短パルスでなくても絶縁層１２を除去できるケースがある。例えばモード２において種光源１００の変調電流パルス幅を５ｎｓとした場合、出力パルス波形は図１９に示すとおりとなり、１００〜４００ｋＨｚの繰返し周波数において、そのパルス半値全幅は２ｎｓ前後となる。以下、この動作をモード２Ａと呼ぶ。

モード２Ａにおいて、第３実施形態に係るレーザ加工装置３の照射光学系２００ｂにより、アシストガスとして酸素ガスを使用し、プリント基板にパルスレーザ光を照射して、Ｖｉａホール加工を行った結果、繰り返し周波数３００〜８００ｋＨｚと比較的高い（すなわち、１パルス当りのフルーエンスは１０Ｊ／ｃｍ^２程度と低い）動作領域で、炭素のＥＤＸ検出濃度は２０At.％程度またはそれ以下（最も良好な場合は０Ａｔ．％）と出来る。そして、このときも、導体層の表面には殆ど損傷がない。

尚、上記の絶縁層にモード１のパルス列を照射した時は、寧ろ繰返し周波数３００〜４００ｋＨｚの場合（すなわち、１パルス当りのフルーエンスが５Ｊ／ｃｍ^２程度と比較的低い場合）に、炭素のＥＤＸ検出濃度は２０Ａｔ．％程度に低減できた。

すなわち、絶縁層の材質によって１パルス当りのフルーエンスが高いことが望ましいこともあれば、１パルス当りのフルーエンスが低くても繰返し周波数が高い（３００ｋＨｚ以上、すなわちオーバーラップ率９６％）ことが望ましいこともある。しかし、図１１に示されるとおり、パルス幅が５ｎｓ以上である場合は、繰返し周波数に関わらず良好な結果が得られなかった。これは上述の通り、スメアとなる、導体に接している絶縁層部分は、レーザ照射されても熱が導体に逃げ易いので、より短時間に高いピークパワー（図１９のとおり、光源出力では１０ｋＷ以上、加工対象の上では７.５ｋＷ以上）で集中して加熱することが望ましい為であろうと考えられる。

図２０は、モード１、モード２、モード２Ａそれぞれの場合の繰り返し周波数、パルス幅およびフルーエンスの関係を纏めた表である。特に、図２０（ａ）はモード１の場合を示し、図２０（ｂ）はモード２の場合を示し、図２０（ｃ）はモード２Ａの場合を示す。また、これら図２０（ａ）〜図２０（ｃ）では、絶縁層１２の加工が成功した場合の実施例番号が示されている。なお、実施例１および実施例２は、図１３中に対応付けて示してある。

本実施形態では、絶縁層を本来透過する波長域での導体層と絶縁層とから構成されるプリント基板またはこれに類する複合材における絶縁層の選択的なレーザ除去は、必ずしも銅とポリイミド系樹脂との組合せに限らず、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを主成分とする合金を、導体層または導体層表面に付されたメッキ層に用いた場合も良好な選択的な除去加工が実現可能である。

１、２、３…レーザ加工装置（レーザ光源）、２００ａ、２００ｂ…照明光学系、１００…種光源、１１０…ＹｂＤＦ、１１１…光カプラ、１１２…励起光源、１１３…光カプラ、１１４、１１５…光アイソレータ、１２０…バンドパスフィルタ、１３０…ＹｂＤＦ、１３１…光カプラ、１４０…バンドパスフィルタ、１５０…ＹｂＤＦ、１５１…光カプラ、１５２…励起光源、１５３…光カプラ、１６０…ＹｂＤＦ、１６１…コンバイナ、１６２〜１６６…励起光源、１６７…光アイソレータ、１７０…エンドキャップ、１７１…コリメータ、１７２…偏波無依存アイソレータ、１７３…ビームエキスパンダ、１７４…ガルバノスキャナ、１７５…テレセントリックＦθレンズ１７５、１７６…風洞。

Claims (4)

1. 導体層と前記導体層上に積層された樹脂製の絶縁層とを含む対象物をパルスレーザ光の光路上に設置し、前記対象物にパルスレーザ光を照射することにより、前記導体層上の所定領域に位置する前記絶縁層のみを破壊損傷で除去するレーザ加工方法であって、
   前記パルスレーザ光の波長として、前記導体層に対する吸収率が１０％未満かつ前記絶縁層に対する透過率が７０％以上となる波長を選択し、
   前記パルスレーザ光の半値全幅が１０ｐｓより大きくかつ５ｎｓ未満となるように、前記パルスレーザ光の繰り返し周波数を５０ｋＨｚ以上の所定の値に設定し、
   前記パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスを、前記半値全幅に依存した前記絶縁層の破壊損傷閾値以上であり、かつ、前記導体層がほとんど損傷を受けない範囲に設定し、
   前記選択された波長、前記設定された１パルス当たりのフルーエンスおよび前記設定された繰り返し周波数を有する前記パルスレーザ光を、前記所定領域の前記絶縁層に掃引しながら直接入射させ、
   前記絶縁層を通過した後に前記導体層に到達するよう、前記対象物の所定領域に照射するレーザ加工方法。
2. 前記パルスレーザ光の半値全幅が０．６ｎｓ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方法。
3. 前記絶縁層表面において、照射されたパルスレーザ光の照射スポットに対する次回照射されるパルスレーザ光の照射スポットのオーバーラップ率が４０％〜９０％となるように、前記絶縁層表面に対して前記パルスレーザ光を掃引させながら照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記パルスレーザ光の半値全幅は、前記絶縁層の加工残渣が前記導体層表面に膜状または島状に残らない程度に設定されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。