JP6570921B2 - レーザ穴あけ加工条件の設定方法及びレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ穴あけ加工の最適条件の決定及び設定方法、及びそれを実行する装置を有するレーザ加工機に係るものである。

近年、スマートフォンなどの電子機器に多く使用されているプリント基板の層間接続の密度や電流負荷が増大し、そのためにプリント基板に形成しなければならない穴（バイア）の位置精度のみならず、穴径や穴の真円度などの穴形状に対する精度の向上が必要となっている。即ち、バイアはその後の工程で銅等の金属がメッキ等で埋められるが、その穴径がばらつくと電流容量のばらつきとなり、また真円度が悪いとメッキ等の付き回りが悪くなるのである。

図１０は、従来から使用されているレーザ穴あけ加工機の基本的な光学系を示す。レーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、ビーム整形ユニット３０でトップハット形のエネルギ空間分布にされ、コリメータ３により直径を拡大あるいは縮小され、アパーチャ４により加工に適した直径に整形される。整形されたレーザ光はコーナーミラー５および加工ヘッドＺ内のミラー１４、図示しない二つのモータによりそれぞれ回転駆動される第１および第２の２つのガルバノミラー１５_ａ，１５_ｂにより偏向されてｆθレンズ１６に入射し、ガルバノミラー１５_ａ（Ｘ方向偏向用）およびガルバノミラー１５_ｂ（Ｙ方向偏向用）により位置決めされ、ｆθレンズ１６から基板１７の加工面の所定の位置に垂直に入射する。加工はｆθレンズ１６に対応するＭ個の加工エリア1００毎に行われ，図示を省略するＸＹテーブルにより図中の１００_１，１００_２，〜１００_Ｌのように加工エリアを移動する。

このようなレーザ穴あけ加工方法においては高速なビームスキャナであるガルバノミラー１５_ａ、１５_ｂで加工する加工エリア１００を広く（５０×５０ｍｍ^２以上）とるのが通常であるが、この場合ｆθレンズ１６などの集光レンズの外縁部近くを使用せざるを得ないことになる。しかしながら、集光レンズの外縁部近くは歪曲収差等により位置ずれや穴形状の歪が発生し易いという問題がある。この問題に対しては、従来、穴位置の精度が重視され、例えば特許文献１に開示されているような穴位置の補正方法が知られている。さらに、現在では穴位置の補正は自動的に行えるようになっているので、穴位置精度が問題になることは少ない。

しかしながら、上述したように、最近は穴形状に対する精度の向上が必要となっており、これはレーザビームのビーム径、パルス高さ、パルス幅などからなるレーザ穴あけ加工条件を最適化すれば達成できるが、この最適条件が数か月乃至数週間で許容値から外れるのが問題となっている。

図１１及び図１２を用いて、レーザ穴あけ加工の最適条件の決定及び設定に関する従来の方法を説明する。図１１は、従来のレーザ加工条件の設定方法のフローチャートであり、図１２は、従来方法に係るテスト領域への分割とテスト穴の配列を示す模式図である。加工エリア１００をテスト領域２００に分割し（図では１１×１１＝１２１個）、その各テスト領域２００にまず一つの条件（Ｔ_ａ）で基板１７（テスト用）にテスト穴２１０を加工する（ステップ３００）。ここで、各テスト領域２００に記入されている番号はテスト領域の番号である。尚、作業者により、全テスト領域２００にテスト穴２１０を加工するのではなく、主要な箇所（中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所）だけにテスト穴２１０を加工する場合がある。これは、これまでの経験上、この９か所のみを確認すれば穴形状の精度を確認できることがわかっているためである。但し、全テスト領域２００にテスト穴２１０を加工する場合と比べて評価時間としては大差ない。次に、テスト基板１７を加工機から取り外す（ステップ３０１）。顕微鏡で穴の形状を測定・確認する（ステップ３０２）。ステップ３０３で穴形状が不良と判断した場合には、穴あけ加工条件（パラメータ）を変更する（ステップ３０４）。ステップ３００に戻ってステップ３０３で穴形状が良好と判断されるまで穴あけ加工条件の組をＴ_ｂ，Ｔ_ｃ，〜と変更して繰り返す。ステップ３０３で穴形状が良好と判断された場合は、その時の穴あけ条件の各パラメータを作業者が手で入力するというものであった。

この方法における問題点は、第一にステップ３０４におけるパラメータの変更に経験と熟練が必要という点である。穴形状の崩れを見て、次はどのパラメータを変更するべきかを決めるためには、作業者が経験を積み、熟練していなければならない。しかも、加工機に記憶できる穴あけ加工条件の組の数が通常１０セット程度であるので、その中で最適条件を見つけるのはかなり難しいものである。第二にステップ３０１で穴形状を確認するために基板を取り外す時間と労力が無駄である。第三にステップ３０５で発見した最適条件の各パラメータを手入力するための時間の無駄と誤入力が問題となる。

特開２０００−０７１０８７号公報

本発明の目的は、経験と熟練が必要なパラメータの変更を軽減し、基板を取り外すことなく穴形状を確認し、最適条件の各パラメータを手入力する必要のないレーザ穴あけ加工条件の設定方法及びレーザ加工機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に基づく代表的なレーザ穴あけ加工条件の設定方法においては、レーザ発振器から出射されたレーザビームをスキャナで偏向し、ｆθレンズで決まる矩形のエリア内に集光してワークに穴あけ加工を行うレーザ加工機のレーザ穴あけ加工条件の設定方法において、予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用して前記ワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１のステップと、当該第１のステップであけた前記領域における前記加工条件の各々に基づく穴の画像を前記領域の各々について同時に表示する第２のステップとを含むことを特徴とする。
また、本発明に基づく代表的なレーザ加工機においては、レーザ発振器から出射されたレーザビームを偏向するスキャナと、当該スキャナで偏向されたレーザビームを矩形のエリア内に集光させるｆθレンズと、加工動作を行うために前記レーザ発振器と前記スキャナの動作を制御する制御部とを有するレーザ加工機において、前記制御部は、予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用してワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１の動作と、当該第１の動作であけた前記領域における前記加工条件の各々に基づく穴の画像を前記領域の各々について同時に表示する第２の動作とを行うように制御することを特徴とする。

本発明のレーザ穴あけ加工条件の設定方法及びレーザ加工機により穴明けすることにより、経験と熟練が必要なパラメータの変更を軽減し、基板を取り外すことなく穴形状を確認し、最適条件の各パラメータを手入力する必要をなくすることができる。

本発明に係るレーザ加工条件の設定方法のフローチャートである。 本発明に係るテスト領域への分割とテスト穴の配列を示す模式図である。 本発明に係るレーザ加工条件の設定方法に好適なレーザ加工機の概略図である。 本発明に係るテスト穴加工後に撮影したテスト穴配列の画像、その一つのテスト領域の画像を拡大したもの、そしてそれぞれのテスト穴に対応する加工条件番号の表示を示す図面代用写真である。 本発明に係る観察領域の画像の限定方法を示す図面代用写真である。 加工エリアが５０×５０ｍｍ^２用に観察領域を限定した場合の抽出表示を示す図面代用写真である。 本発明に係るＮ×Ｍのテスト領域への分割の場合を示す模式図である。 本発明に係る同一加工条件の穴画像一覧表示を示す図面代用写真である。 本発明に係る同一加工条件の穴形状に関する統計データの表示例である。 レーザ加工機の光学系の模式図である。 従来のレーザ加工条件の設定方法のフローチャートである。 従来方法に係るテスト領域への分割とテスト穴の配列を示す模式図である。

以下、本発明に係るレーザ穴あけ加工条件の設定方法の実施の形態について説明する。

図１及び図２を用いて、本発明に係るレーザ穴あけ加工の最適条件の決定及び設定方法を説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工条件の設定方法のフローチャートであり、図２は、本発明に係るテスト領域への分割とテスト穴の配列を示す模式図である。正方形の加工エリア１００を正方形のテスト領域２００に分割し（図では１１×１１＝１２１個）、その各テスト領域２００に８１組の穴あけ加工条件の組Ｔ_１，Ｔ_２〜Ｔ_８１で基板１７（テスト用）に８１個のテスト穴２１０を加工する（ステップ３１０）。ここで、本発明では従来の１０個程度であった穴あけ加工条件の組の数を８１個に増加させた。これにより、経験の少ない者でも広く条件を変化させることにより、最適条件を見つけ易くできる。この穴あけ加工条件の組の数は必要に応じて変更できるが、１６個以上で行うのが良い。

図３は、本発明に係るレーザ加工機の撮像制御系を示す概略図である。ＮＣ装置４００が記憶している穴あけ加工条件出し用の加工プログラム４０１の記載に基づいて上記のように穴あけ加工を行った後、同じく加工プログラムに記載された画像撮像指令に基づいて画像処理装置４０２に指令を送る。画像処理装置４０２はカメラ４０３と照明コントローラ４０５を介してＬＥＤ照明４０６を駆動し、基板１７上に形成した穴を撮影し、ＮＣ装置４００の中のハードディスク（ＨＤＤ）４０４に記憶する（ステップ３１１）。ここで、カメラ４０３は従来のアライメント用のものであり、それを活用してテスト穴加工後に、従来のように基板１７を取り外すことなく、穴画像を観察するだけでなく記憶できるようにした。

図４は、テスト穴加工後に撮影したテスト穴配列の画像、その一つのテスト領域の画像を拡大したもの、そしてそれぞれのテスト穴に対応する加工条件番号の表示が重ねて示されている。テスト穴配列の画像のうち、それぞれのテスト領域に対応するように画像番号が付されている。そのうちの一つのテスト領域の画像（図では「画像番号３５」）を拡大したものが中央の画像である。そしてその右にテスト加工穴に対応する形で加工条件の組の番号Ｔ_１，Ｔ_２〜Ｔ_８１の表示することができ、各加工条件の組に対応する穴を各テスト領域に対応する画像番号の全てについて計測・確認し、穴形状が最も良好な穴に対応する加工条件の組の番号をクリックするとその条件が自動的に実加工用の加工プログラムに読み込まれる（ステップ３１２）。これにより、従来のように最適条件の組を見出してから全ての条件パラメータを手で入力する必要がなくなる。

しかしながら、上記図２の全ての画像番号について穴を計測・確認するのは時間と労力を要する。そこで、これまでの経験から中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所だけ確認すれば穴形状の精度を確保できることがわかっていることから、中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所を抽出して表示するプログラムを作成した。その抽出するテスト領域の様子を示したものが図５である。この図において、テスト領域中に記載されている番号は、５０が加工エリアを５０×５０ｍｍ^２とした場合、４０が加工エリアを４０×４０ｍｍ^２とした場合、３０が加工エリアを３０×３０ｍｍ^２とした場合、２０が加工エリアを２０×２０ｍｍ^２とした場合、１０が加工エリアを１０×１０ｍｍ^２とした場合を示す。その抽出したものが図６である。本例では、画像番号から加工エリアが５０×５０ｍｍ^２の場合であることがわかる。このようにテスト穴の確認数が少なくなるため、穴形状を目視でも比較・見当できるようになる。

図１では正方形の加工エリアの例であったが、図７は加工エリアを矩形とし、Ｎ×Ｍのほぼ正方形のテスト領域に分割する場合を示す。ここで、テスト領域２００のサイズは加工エリア１００の評価サイズであるので、同一穴あけ加工条件で領域内での加工を行った場合は穴形状の変化がない程度に、できるだけ小さい方が良く、また反面、テスト穴の数は多い方が良いことからある程度の広さも必要であるため、テスト領域２００のサイズは４×４ｍｍ^２〜７×７ｍｍ^２程度が良い。従って、加工エリアが５０×４０ｍｍ^２の場合、Ｎは７以上１３以下、Ｍは５以上１１以下が望ましい。例えば、Ｎ＝７，Ｍ＝５とした場合、テスト領域は約７．１×８ｍｍ^２となり、正方形ではなくなるが、問題ない。但し、テスト穴の位置があまり変化すると加工エリアの評価には相応しくないので、できるだけ正方形に近い方が良い。また、実施例２のような画像抽出を行う場合には、Ｎ及びＭを奇数とするのが望ましい。

上記実施例では、全加工エリアをテスト領域に分割したが、上述したように、加工エリアの中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所のみに適当なサイズのテスト領域を設け、図６のように表示させてもよいのはもちろんである。

また、図６は加工エリアの中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所のテスト領域を抽出して表示させたものだが、この抽出を同一穴あけ加工条件の穴の画像を各テスト領域から抽出して表示させてもよい。この場合、穴あけ加工条件による穴形状の分布を目視できるようになる。さらに、これを加工エリアの中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所のテスト領域から同一穴あけ加工条件の穴の画像を抽出して表示させてもよい。これにより当該穴あけ加工条件の良否の判定を早く行えるようになる。また、このように少ないテスト領域で判定する方法は、穴形状の良否判定を自動的に行うと良否の判定がさらに早くなる。

さらに、図６は加工エリアの中心部、四隅部、四辺の中央部の９か所のテスト領域を抽出して表示させたものだが、これをさらに減少させ加工エリアの中心部、四隅部の５か所のテスト領域のみを抽出して表示させるだけでも最適加工条件を決定することができることが分かった。この場合、例えば図６の表示を四辺の中央部の４か所をブランクにして加工エリアの中心部、四隅部の５か所のみを表示させればよい。また、加工エリアの中心部、四隅部の５か所のみに適当なサイズのテスト領域を設けてもよい。また、加工エリアの中心部、四隅部の５か所のテスト領域から同一穴あけ加工条件の穴の画像を抽出して表示させてもよい。

図８は、全てのテスト領域の同一穴あけ加工条件に対応する穴の画像を抽出し、一括して表示したものである。本例は実施例２に対応しているので、１１×１１＝１２１個のテスト領域から同一穴あけ加工条件に対応する穴の画像を表示している。さらに、図９は、図８の穴の画像を公知の画像処理を行って穴形状を測定し、統計量を計算した結果を表示させたものである。ここで、長径は穴の縁から縁の距離で最も長い寸法、短径は長径に垂直な方向の寸法を表し、そして真円度はその比（＝短径／長径）である。平均はそれぞれの平均値、３σは標本標準偏差（不偏分散の正の平方根）の３倍を計算したものである。穴形状数値としては、これらの他に、等価円径（同等な面積の円の直径）、フェレ径（（装置）座標軸に平行に測定したときのＹ方向の長さ（垂直フェレ径）とＸ方向の長さ（水平フェレ径））、統計量としては、これらの他に、最大値・最小値、中央値、最頻値、標本の標準偏差（標本の分散の正の平方根）等の基本的な統計量を計算及び表示させることができる。

ここで、着目するべき統計量（例えば、３σ）を明確にし、実施例２のような目視での条件選択を省略して、各穴あけ加工条件での当該統計量の計算結果によって最適条件を選択する。この実施例によれば、最適条件をコンピュータで自動的に選択することができる。この場合、着目する統計量が複数であっても、その判断条件を明確にプログラムしておけば問題ない。さらに、このようにして選択した最適な穴あけ加工条件を自動的に加工プログラムに取り込むようにしてもよい。

尚、本実施例の図８及び図９は、上記実施例２又は３において、段落００１９から段落００２３までのようにして最適と思われる穴あけ加工条件を選択した後、当該穴あけ条件に対応する穴の画像を抽出して一括して表示し（図８）、基本統計量を計算して表示し（図９）、選択した穴あけ加工条件が最適であることを確認すること、即ち、実施例２又は３の補助的手段にすることもできる。

１ レーザ発振器
２ レーザビーム
１５_ａ ガルバノミラー（Ｘ方向偏向用）
１５_ｂ ガルバノミラー（Ｙ方向偏向用）
１６ ｆθレンズ
１７ 基板
１００（１００_１，１００_２，・・・１００_L） 加工エリア
２００ テスト領域
２１０ テスト穴
４００ ＮＣ装置
４０１ 加工プログラム
４０２ 画像処理装置
４０３ カメラ
４０４ ＨＤＤ
４０５ 照明コントローラ
４０６ 照明

Claims (8)

1. レーザ発振器から出射されたレーザビームをスキャナで偏向し、ｆθレンズで決まる矩形のエリア内に集光してワークに穴あけ加工を行うレーザ加工機のレーザ穴あけ加工条件の設定方法において、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用して前記ワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１のステップと、
   当該第１のステップであけた前記領域における前記加工条件の各々に基づく穴の画像を前記領域の各々について同時に表示する第２のステップと
   を含むことを特徴とするレーザ穴あけ加工条件の設定方法。
2. レーザ発振器から出射されたレーザビームをスキャナで偏向し、ｆθレンズで決まる矩形のエリア内に集光してワークに穴あけ加工を行うレーザ加工機のレーザ穴あけ加工条件の設定方法において、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用して前記ワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１のステップと、
   当該第１のステップであけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴の画像を同時に表示する第２のステップと
   を含むことを特徴とするレーザ穴あけ加工条件の設定方法。
3. レーザ発振器から出射されたレーザビームをスキャナで偏向し、ｆθレンズで決まる矩形のエリア内に集光してワークに穴あけ加工を行うレーザ加工機のレーザ穴あけ加工条件の設定方法において、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用して前記ワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１のステップと、
   当該第１のステップであけた穴の画像から穴の寸法を自動的に測定する第２のステップと、
   前記第１のステップであけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴について前記第２のステップでの寸法測定結果を同時に表示する第３のステップと
   を含むことを特徴とするレーザ穴あけ加工条件の設定方法。
4. レーザ発振器から出射されたレーザビームをスキャナで偏向し、ｆθレンズで決まる矩形のエリア内に集光してワークに穴あけ加工を行うレーザ加工機のレーザ穴あけ加工条件の設定方法において、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用して前記ワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１のステップと、
   当該第１のステップであけた穴の画像から穴の寸法を自動的に測定する第２のステップと、
   当該第２のステップでの測定結果に基づいて穴の真円度を自動的に算出する第３のステップと、
   前記第１のステップであけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴について前記第３のステップでの真円度算出結果を同時に表示する第４のステップと
   を含むことを特徴とするレーザ穴あけ加工条件の設定方法。
5. レーザ発振器から出射されたレーザビームを偏向するスキャナと、当該スキャナで偏向されたレーザビームを矩形のエリア内に集光させるｆθレンズと、加工動作を行うために前記レーザ発振器と前記スキャナの動作を制御する制御部とを有するレーザ加工機において、前記制御部は、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用してワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１の動作と、
   当該第１の動作であけた前記領域における前記加工条件の各々に基づく穴の画像を前記領域の各々について同時に表示する第２の動作と
   を行うように制御することを特徴とするレーザ加工機。
6. レーザ発振器から出射されたレーザビームを偏向するスキャナと、当該スキャナで偏向されたレーザビームを矩形のエリア内に集光させるｆθレンズと、加工動作を行うために前記レーザ発振器と前記スキャナの動作を制御する制御部とを有するレーザ加工機において、前記制御部は、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用してワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１の動作と、
   当該第１の動作であけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴の画像を同時に表示する第２の動作と
   を行うように制御することを特徴とするレーザ加工機。
7. レーザ発振器から出射されたレーザビームを偏向するスキャナと、当該スキャナで偏向されたレーザビームを矩形のエリア内に集光させるｆθレンズと、加工動作を行うために前記レーザ発振器と前記スキャナの動作を制御する制御部とを有するレーザ加工機において、前記制御部は、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用してワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１の動作と、
   当該第１の動作であけた穴の画像から穴の寸法を自動的に測定する第２の動作と、
   前記第１の動作であけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴について前記第２の動作での寸法測定結果を同時に表示する第３の動作と
   を行うように制御することを特徴とするレーザ加工機。
8. レーザ発振器から出射されたレーザビームを偏向するスキャナと、当該スキャナで偏向されたレーザビームを矩形のエリア内に集光させるｆθレンズと、加工動作を行うために前記レーザ発振器と前記スキャナの動作を制御する制御部とを有するレーザ加工機において、前記制御部は、
   予め異なる複数の加工条件を加工プログラムに用意しておき、前記エリアの少なくとも中心部を含む特定の複数の領域の各々において前記用意した複数の加工条件を共通に適用してワークに穴をあけ当該穴の画像を撮像して記憶手段に記憶する第１の動作と、
   当該第１の動作であけた穴の画像から穴の寸法を自動的に測定する第２の動作と、
   当該第２の動作の測定結果に基づいて穴の真円度を自動的に算出する第３の動作と、
   前記第１の動作であけた前記複数の領域の各々での穴のうちの同じ加工条件であけた穴について前記第３の動作での真円度算出結果を同時に表示する第４の動作と
   を行うように制御することを特徴とするレーザ加工機。