JP6644421B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザビームを用いてプリント基板に穴開け加工を行う技術が、下記の特許文献１、２に開示されている。穴開け加工を行うプリント基板には、例えば１０万個程度の穴が配置される。穴の配置は、製品ごとに異なっている。レーザ加工時には、ガルバノスキャナの照射可能範囲内で、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら、入射位置に穴を形成する。レーザビームの経路には、レンズやミラー等の光学素子が配置される。

特開平１０−３２３７７７号公報 特開２００１−３４７３８３号公報

レンズやミラー等の光学素子にレーザビームが入射すると、光学素子の温度上昇によって光学特性が変化する。その結果、光学素子を経由したレーザビームのビーム特性も変化する。レーザビームのビーム特性が変化すると、プリント基板の表面におけるビームスポットサイズ、レーザビームのパワー密度等が変化し、加工品質が低下してしまう。

本発明の目的は、パルスレーザビームの経路に配置された光学系の温度変動に起因する加工品質の低下を抑制することが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザビームの進行方向を偏向させることにより、加工対象物上において前記パルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム偏向器と、
前記レーザ光源と前記ビーム偏向器との間の前記パルスレーザビームの経路に配置され、前記パルスレーザビームに光学的作用を及ぼす光学素子と、
前記パルスレーザビームの出力タイミング、及び前記ビーム偏向器の動作を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記ビーム偏向器を制御して前記パルスレーザビームの入射位置を目標位置まで移動させる手順と、
前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された後、前記レーザ光源から１つのレーザパルスを出力させる手順と
を繰り返し、
ある判定時刻に、前記判定時刻より前のモニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーに基づいて、前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された時点から、前記レーザ光源に発振開始の指令を送出するまでの待ち時間の値を決定し、前記判定時刻より後の反映期間において、決定された前記待ち時間の値に基づいて前記手順を繰り返すレーザ加工装置が提供される。

待ち時間の値が大きくなると、パルスレーザビームの平均パワーが低下する。モニタ期間における平均パワーに基づいて待ち時間の値を決定することにより、平均パワーの過度の上昇を抑制することができる。その結果、光学素子の過度の温度上昇が抑制され、光学素子の温度上昇に起因する加工品質の低下が抑制される。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、実施例によるレーザ加工装置のビーム偏向器の動作状態、発振指令信号、経路選択信号、切出信号のタイミングチャート、及びパルスレーザビームの波形を示すグラフである。 図３は、加工対象物の一例として示されたプリント基板の概略平面図である。 図４は、待ち時間を決定する処理のフローチャートである。 図５は、レーザ光源からのパルスレーザビームの出力タイミングと、判定時刻との関係を示すグラフである。

図１に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０がパルスレーザビームＰＬＢを出力する。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。制御装置５５が、レーザ光源１０からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する。例えば、制御装置５５からレーザ光源１０に送出される発振指令信号Ｓ０の立ち上がりにより、発振開始が指令され、発振指令信号Ｓ０の立下りにより、発振停止が指令される。

レーザ光源１０から出力され、光学系１１を経由したパルスレーザビームＰＬＢの経路に、音響光学偏向器（ＡＯＤ）２０が配置されている。光学系１１は、例えばビームエキスパンダ、アパーチャ等を含み、パルスレーザビームＰＬＢに光学的作用を及ぼす。例えば、光学系１１は、ビーム径の拡大、ビーム断面の整形等を行う。ＡＯＤ２０は、入射したレーザビームを、ビームダンパ１３に向かうダンパ経路ＰＤ、第１の加工経路ＭＰ１、及び第２の加工経路ＭＰ２のいずれかに振り向ける。ＡＯＤ２０は、音響光学結晶２１、トランスデューサ２２、及びドライバ２３を含む。トランスデューサ２２は、ドライバ２３によって駆動されることにより、音響光学結晶２１内に弾性波を生じさせる。

ドライバ２３に、経路切替端子２４、切出端子２５、第１の回折効率調整ノブ２６、及び第２の回折効率調整ノブ２７が設けられている。経路切替端子２４に、制御装置５５から経路選択信号Ｓ１が入力される。経路選択信号Ｓ１によって、第１の加工経路ＭＰ１及び第２の加工経路ＭＰ２のうち一方の経路が選択される。切出端子２５に、制御装置５５から切出信号Ｓ２が入力される。切出信号Ｓ２が入力されていない期間、ＡＯＤ２０は、入射したレーザビームをダンパ経路ＰＤに振り向ける。切出信号Ｓ２が入力されている期間、ＡＯＤ２０は、第１の加工経路ＭＰ１及び第２の加工経路ＭＰ２のうち経路選択信号Ｓ１によって選択されている方の経路にレーザビームを振り向ける。

第１の回折効率調整ノブ２６により、入力されたレーザビームを第１の加工経路ＭＰ１に振り向けるときの回折効率を調整することができる。第２の回折効率調整ノブ２７により、入力されたレーザビームを第２の加工経路ＭＰ２に振り向けるときの回折効率を調整することができる。このように、ＡＯＤ２０は、第１の加工経路ＭＰ１への回折効率と、第２の加工経路ＭＰ２への回折効率とを、独立に調整する機能を有する。回折効率を調整することにより、第１の加工経路ＭＰ１及び第２の加工経路ＭＰ２に振り向けられるレーザビームの光強度を調整することができる。第１の回折効率調整ノブ２６及び第２の回折効率調整ノブ２７で回折効率を調整する方法に替えて、制御装置５５から回折効率の指令値をドライバ２３に入力する構成としてもよい。

第１の加工経路ＭＰ１に出力されたレーザビームは、ミラー３０で反射されてビーム偏向器３１に入射する。ビーム偏向器３１は、レーザビームの進行方向を二次元方向に変化させる。ビーム偏向器３１には、例えば一対のガルバノスキャナを用いることができる。ビーム偏向器３１で偏向されたレーザビームが、ｆθレンズ３２で収束された後、加工対象物３３に入射する。同様に、第２の加工経路ＭＰ２に出力されたレーザビームは、ミラー４０、ビーム偏向器４１、ｆθレンズ４２を経由して加工対象物４３に入射する。加工対象物３３、４３は、ステージ５０に保持されている。

ビーム偏向器３１、４１は、パルスレーザビームの進行方向を偏向させることにより、ステージ５０に保持されている加工対象物３３、４３上においてパルスレーザビームの入射位置を移動させる。パルスレーザビームの入射位置の移動先は、制御装置５５から与えられる制御信号Ｇ１、Ｇ２によって指令される。レーザビームの入射位置が指令された目標位置に整定されると、整定完了を制御装置５５に通知する。ビーム偏向器３１、４１によって入射位置を移動させることができる範囲を、「照射可能範囲」ということとする。

加工対象物３３、４３の表面の一部の領域を照射可能範囲内に配置し、ビーム偏向器３１、４１で入射位置を移動させることにより、照射可能範囲内の領域の加工を行うことができる。照射可能範囲内の領域の加工が終了すると、制御装置５５がステージ５０を制御して、未加工の領域を照射可能範囲内に配置する。これにより、新たに照射可能範囲内に配置された領域の加工を行うことができる。この手順を繰り返すことにより、加工対象物３３、４３の表面の全域を加工することができる。

次に、図２を参照して、レーザ光源１０、音響光学偏向器２０、及びビーム偏向器３１、４１の動作タイミングについて説明する。

図２に、ビーム偏向器３１、４１の動作状態、発振指令信号Ｓ０、経路選択信号Ｓ１、切出信号Ｓ２のタイミングチャート、及びパルスレーザビームＰＬＢの波形を示す。ビーム偏向器３１、４１が動作中の期間が上下に分かれた２本の実線で示され、パルスレーザビームの入射位置が整定された後、（ビーム偏向器３１、４１が整定された後）、ビーム偏向器３１、４１の動作が開始するまでの期間が１本の実線で示されている。

レーザ加工の開始時、または１つの入射目標位置に１つのレーザパルスが入射した後、制御装置５５が、ビーム偏向器３１、４１を制御してパルスレーザビームの入射位置を次の目標位置まで移動させる。パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された時点（時刻ｔ１）から待ち時間ＷＴが経過した時点（時刻ｔ２）で、制御装置５５がレーザ光源１０に発振指令信号Ｓ０の送出を開始する。これにより、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームＰＬＢの１つの原初レーザパルスＬＰ０が立ち上がる。待ち時間ＷＴは、制御装置５５により決定される。発振指令信号Ｓ０の立ち上がりから原初レーザパルスＬＰ０の立ち上がりまでの遅延時間は、レーザ光源１０の特性に依存する。通常、原初レーザパルスＬＰ０の光強度は、立ち上がり時点からの時間の経過とともに低下する。

発振指令信号Ｓ０の立ち上がり時点（時刻ｔ２）では、経路選択信号Ｓ１によって第１の加工経路ＭＰ１が選択されている。第１の加工経路ＭＰ１が選択されている状態で、制御装置５５が切出信号Ｓ２のパルスを音響光学偏向器２０に送出する（時刻ｔ３）。これにより、原初レーザパルスＬＰ０から第１の加工経路ＭＰ１に第１のレーザパルスＬＰ１が切り出される。第１のレーザパルスＬＰ１の光強度は、原初レーザパルスＬＰ０の光強度、及び第１の回折効率調整ノブ２６で設定されている回折効率に依存する。

切出信号Ｓ２のパルスが立ち下がった後、制御装置５５が音響光学偏向器２０に、経路選択信号Ｓ１を送出する（時刻ｔ４）ことにより、選択されている経路を第１の加工経路ＭＰ１から第２の加工経路ＭＰ２に切り替える。第２の加工経路ＭＰ２が選択されている状態で、制御装置５５が音響光学偏向器２０に切出信号Ｓ２のパルスを送出する（時刻ｔ５）。これにより、原初レーザパルスＬＰ０から第２の加工経路ＭＰ２に第２のレーザパルスＬＰ２が切り出される。第２のレーザパルスＬＰ２の光強度は、原初レーザパルスＬＰ０の光強度、及び第２の回折効率調整ノブ２７で設定されている回折効率に依存する。

第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅と、第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅とは同一である。第１の加工経路ＭＰ１への回折効率及び第２の加工経路ＭＰ２への回折効率は、第１のレーザパルスＬＰ１のパルスエネルギと第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギとが等しくなるように設定されている。

切出信号Ｓ２のパルスが立ち下がった後、制御装置５５が、発振指令信号Ｓ０の送出を停止する（時刻ｔ６）。さらに、経路選択信号Ｓ１により選択されている経路を、第２の加工経路ＭＰ２から第１の加工経路ＭＰ１に戻す（時刻ｔ７）。その後、制御装置５５は、ビーム偏向器３１、４１に制御信号Ｇ１、Ｇ２を送出ことにより、次の目標位置を指令する。これにより、ビーム偏向器３１、４１が、パルスレーザビームの入射位置を指令された目標位置まで移動させる動作を開始する（時刻ｔ８）。

ビーム偏向器３１、４１の整定から、原初レーザパルスＬＰ０の出力、ビーム偏向器３１、４１の動作開始までの手順を繰り返すことにより、ビーム偏向器３１、４１の照射可能範囲内の加工が行われる。

次に、図３〜図５を参照して、制御装置５５が決定する待ち時間ＷＴについて説明する。
図３に、加工対象物３３、４３の一例としてプリント基板６０の概略平面図を示す。プリント基板６０の表面が、複数のブロック６１に区分されている。各ブロック６１は、ビーム偏向器３１、４１（図１）の動作によってビーム入射位置を移動させることができる照射可能範囲の大きさ以下に設定されている。

プリント基板６０の表面に、形成すべき穴の複数の目標位置６２が定義されている。複数の目標位置６２の座標、及び加工順が、制御装置５５（図１）に予め記憶されている。１つのブロック６１内の全ての目標位置６２に穴が形成された後、制御装置５５がステージ５０を移動させることにより、未加工のブロック６１を、ビーム偏向器３１、４１（図１）の照射可能範囲に配置する。その後、同様の手順を繰り返すことにより未加工のブロック６１の加工を行う。

図４に、待ち時間ＷＴを決定する処理のフローチャートを示す。この処理は、例えば、ビーム偏向器３１、４１の照射可能範囲内に配置されているブロック６１（図３）の加工が終了した後、未加工のブロック６１を照射可能範囲内に配置するまでの間に実行される。待ち時間ＷＴの決定処理を実行する時刻を「判定時刻」ということとする。

待ち時間ＷＴを決定する処理が起動されると、ステップＳＴ１において、直近のモニタ期間におけるパルスレーザビームＰＬＢの平均パワーを算出する。「モニタ期間」として、例えば、判定時刻の直近に加工された１つまたは複数のブロック６１の加工に要した期間を採用することができる。

図５を参照して、モニタ期間と判定時刻との関係について説明する。図５は、レーザ光源１０（図１）からのパルスレーザビームＰＬＢの出力タイミングと、判定時刻ＤＴ（ｉ）との関係を示す。パルスレーザビームＰＬＢの原初レーザパルスＬＰ０のパルス間隔は、第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２（図２）の各々が入射した位置から、次に入射する目標位置６２（図３）までの距離、現時点で設定されている待ち時間ＷＴの値によって変化する。

第ｉ番目のブロック６１を加工する期間をＢＴ（ｉ）と表記する。第ｉ番目のブロック６１の加工が終了した時点の判定時刻をＤＴ（ｉ）と表記する。判定時刻ＤＴ（ｉ）の直近に加工された複数、例えば４個のブロック６１の加工に要した期間ＢＴ（ｉ―３）からＢＴ（ｉ）までをモニタ期間ＭＴＳとして採用する。なお、モニタ期間ＭＴＳとして採用されるブロック６１の個数は４個に限定されない。例えば、１個のブロック６１の加工に要した期間ＢＴ（ｉ）を、モニタ期間ＭＴＳとして採用してもよい。

次に、ステップＳＴ１（図４）で算出される平均パワーについて説明する。平均パワーは、モニタ期間ＭＴＳの間に出力された全ての原初レーザパルスＬＰ０のパルスエネルギの合計値を、モニタ期間ＭＴＳの長さで除することにより算出される。パルスエネルギは、原初レーザパルスＬＰ０（図２）の波形の面積に相当する。加工期間中のパルスレーザビームＰＬＢのピークパワーがほぼ一定であると仮定して、パルスエネルギは、ピークパワーとパルス幅との積で近似することができる。

ステップＳＴ１（図４）で平均パワーを算出した後、ステップＳＴ２において、平均パワーの算出値が判定閾値以上か否かを判定する。平均パワーの算出値が判定閾値以上である場合、ステップＳＴ３において、待ち時間ＷＴの値を現在の値より長くする。待ち時間ＷＴの増加分は、予め制御装置５５に記憶されている。平均パワーの算出値が判定閾値より低い場合、ステップＳＴ４において、待ち時間ＷＴの値を現在の値以下にする。待ち時間ＷＴの減少分は、予め制御装置５５に記憶されている。なお、ステップＳＴ４において、待ち時間ＷＴの値を初期設定して０にしてもよい。判定閾値は、種々の条件で評価実験を繰り返すことにより決定することができる。

図５に示した判定時刻ＤＴ（ｉ）において、待ち時間ＷＴが新たに設定されると、制御装置５５は、判定時刻ＤＴ（ｉ）の直後の反映期間ＲＴＳに、待ち時間ＷＴの新たな値を用いてレーザ加工を行う。反映期間ＲＴＳとして、例えば、１つのブロック６１（図３）の加工に要する期間を採用することができる。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。上記実施例では、モニタ期間ＭＴＳ（図５）におけるパルスレーザビームＰＬＢの平均パワーが判定閾値以上になると、待ち時間ＷＴの値を大きくして、直後の反映期間ＲＴＳ（図５）のレーザ加工が行われる。

反映期間ＲＴＳとして、１つのブロック６１（図３）の加工に要する期間が採用されている場合、反映期間ＲＴＳに照射されるショット数は、待ち時間ＷＴの値を大きくしても不変であり、１つのブロック６１の加工に要する時間が長くなる。その結果、待ち時間ＷＴの値を変化させない場合と比べて、反映期間ＲＴＳの加工時の平均パワーが低下する。反映期間ＲＴＳとして、一定の時間幅が採用されている場合には、待ち時間ＷＴの値を大きくすることにより、反映期間ＲＴＳにおけるショット数が減少する。その結果、待ち時間ＷＴの値を変化させない場合と比べて、反映期間ＲＴＳの加工時の平均パワーが低下する。

パルスレーザビームＰＬＢの平均パワーが過度に高くなると、パルスレーザビームＰＬＢの経路に配置された光学系１１（図１）内の光学素子や、音響光学結晶２１（図１）の温度が許容値を超えてしまう場合がある。上記実施例では、モニタ期間ＭＴＳにおけるパルスレーザビームＰＬＢの平均パワーが判定閾値以上になると、次の反映期間ＲＴＳにおけるパルスレーザビームＰＬＢの平均パワーが低下する方向にパルスレーザビームＰＬＢの出力タイミングが制御される。これにより、光学系１１内の光学素子や音響光学結晶２１の過度の温度上昇を抑制することができる。その結果、光学素子の過度の温度上昇に起因するビーム特性の変動が抑制され、加工品質の低下を抑制することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ光源
１１ 光学系
１３ ビームダンパ
２０ 音響光学偏向器
２１ 音響光学結晶
２２ トランスデューサ
２３ ドライバ
２４ 経路切替端子
２５ 切出端子
２６ 第１の回折効率調整ノブ
２７ 第２の回折効率調整ノブ
３０ ミラー
３１ ビーム偏向器
３２ ｆθレンズ
３３ 加工対象物
４０ ミラー
４１ ビーム偏向器
４２ ｆθレンズ
４３ 加工対象物
５０ ステージ
５５ 制御装置
６０ プリント基板
６１ ブロック
６２ 目標位置
ＢＴ １つのブロックを加工する期間
ＤＴ 判定時刻
Ｇ１、Ｇ２ 制御信号
ＬＰ０ 原初レーザパルス
ＬＰ１ 第１のレーザパルス
ＬＰ２ 第２のレーザパルス
ＭＰ１ 第１の加工経路
ＭＰ２ 第２の加工経路
ＭＴＳ モニタ期間
ＰＤ ダンパ経路
ＰＬＢ パルスレーザビーム
ＲＴＳ 反映期間
Ｓ０ 発振指令信号
Ｓ１ 経路選択信号
Ｓ２ 切出信号
ＷＴ 待ち時間

Claims (6)

1. パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記パルスレーザビームの進行方向を偏向させることにより、加工対象物上において前記パルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム偏向器と、
   前記レーザ光源と前記ビーム偏向器との間の前記パルスレーザビームの経路に配置され、前記パルスレーザビームに光学的作用を及ぼす光学素子と、
   前記パルスレーザビームの出力タイミング、及び前記ビーム偏向器の動作を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記ビーム偏向器を制御して前記パルスレーザビームの入射位置を目標位置まで移動させる手順と、
   前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された後、前記レーザ光源から１つのレーザパルスを出力させる手順と
   を繰り返し、
   ある判定時刻に、前記判定時刻より前のモニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーに基づいて、前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された時点から、前記レーザ光源に発振開始の指令を送出するまでの待ち時間の値を決定し、前記判定時刻より後の反映期間において、決定された前記待ち時間の値に基づいて前記手順を繰り返すレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記モニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーが判定閾値以下の場合、前記待ち時間を、現時点の前記待ち時間の値以下にし、前記モニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーが判定閾値を超えた場合、前記待ち時間の値を、現時点の前記待ち時間の値より長くする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記モニタ期間に前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームのショット数、パルス幅、ピークパワー、及び前記モニタ期間の長さに基づいて、前記平均パワーを算出する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. さらに、前記パルスレーザビームが入射する位置に前記加工対象物を保持するステージを有し、
   前記加工対象物の表面が、前記ビーム偏向器の動作によって前記パルスレーザビームの入射位置を移動させることが可能な大きさの複数のブロックに区分されており、
   前記制御装置は、
   前記複数のブロックのうち１つを前記ビーム偏向器の照射可能範囲に配置して、前記照射可能範囲に配置された前記ブロック内の全ての目標位置のレーザ加工を行う手順と、
   前記照射可能範囲に配置された前記ブロック内の全ての目標位置の加工が終了した後、前記ステージを制御して、未加工の前記ブロックを前記照射可能範囲に配置する手順と
   を繰り返し、
   １つの前記ブロックの加工が終了した後、次の前記ブロックの加工を行うまでの間の前記判定時刻において、前記待ち時間の値を決定する請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記モニタ期間として、前記判定時刻の直近に加工された少なくとも１つの前記ブロックの加工期間が採用される請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記反映期間として、前記判定時刻の直後に加工される１つの前記ブロックの加工期間が採用される請求項４または５に記載のレーザ加工装置。

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