JPH02155579A - エネルギービームによる穴あけ加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザビーム・電子ビーム等のエネルギー
ビームを、プリント配線板の穴あけをはじめとした板材
の穴あけ加工へ適用することを目的とした穴あけ加工方
法およびその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、プリント基板製造産業を例にとると、プリント
基板に口径の小さい（約２００　μｍ以下）工できない
、もしくは加工速度（単位時間あたりの加工穴数）が低
下するという問題点がある。そのため、口径の小さい穴
を安定になお７かつ高速に加工できるという点で、エネ
ルギービームを用いてプリント配線板の穴あけ加工が可
能になることは、プリント基板を製造するうえで非常に
効果がある。

プリント基板産業にかかわらず、エネルギービームを用
いた穴加工は、例えば、割れやすいセラミックに対して
も高速微小穴あけ加工が可能であることなど、従来のド
リル加工や放電加工を凌駕する特徴をもっており、プリ
ント基板産業に限らず製造業全体におよぼす影響は大き
い。

第３図は例えば、特開昭６０−１２７１０８号公報や、
特開昭６１−２９３８００号公報に示された、従来の電
子ビーム穴あけ加工方法をセラミックの穴あけに適用し
た場合を示した模式図である。

図において、ｆｉ＋は電子銃、（２）は電子ビーム、（
３）は試料、（４）は試料の飛散物、（５）は集束レン
ズ、（６）は偏向レンズ、（７）は偏向レンズドライバ
とのインターフェースを含む偏向位置制御用コンピュー
タ、０１はＮＧ子テーブルの試料移動機構を示す。

次に動作について説明する。電子銃（１）から発生した
電子ビーム（２）を試料（３）の表面付近に集束レンズ
（５）を用いて集束する。通常、穴あけ加工に用いられ
るエネルギービームは１０”〜１０８Ｗ／ｃｄの高いパ
ワー密度に集束されるので、ビームの照射された部分の
試料（３）は瞬時に？８融・蒸発し、穴あけ加工が行な
われる。偏向レンズ（６）はコンピュータ（７）の制御
信号に従いビーム（２）を所望の偏向位置すなわち穴加
工位置に偏向する。通常ビーム（２）の偏向歪みなどの
問題から偏向幅には制限があるため、試料（３）が大き
いときには試料移動機構０匁を用いて試料（３）を移動
する。偏向レンズ（６）の駆動は具体的には、デジタル
メモリ等のＤ／Ａ変換器に、コンピュータ（７）から熱
膨張を補正するような位置データを書き込み、Ｄ／Ａ変
換器の出力を定電流アンプによって偏向レンズ（６）を
駆動するシステムなどがあげられる。前述のように、通
常偏向レンズ（６）は、偏向歪み等の理由からその偏向
可能な範囲には制限があるので、試料が大きい場合は試
料（＋３ン を移動機構的を用いて移動して加工する。

しかし、上記特開昭６０−１２７１０８号公報や、特開
昭６１−２９３８００号公報には試料の熱膨張等の変形
については号猜及していない。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のエネルギービーム穴あけ加工方法およびその装置
は以上のように構成されているので、加工穴の位置精度
が悪いという問題点があった。

具体的な例を、プリント基板の穴あけを例にとって説明
する。プリント基板産業における加工穴の位置精度は、
配線パターンの高密度化により高い精度が要求されてい
る。その理由は、加工穴が所定の位置からずれると配線
パターンの短絡・導通不良が発生し、プリント基板の信
頬性の低下をまねくからである。その精度はプリント基
板の使用目的等によって変化するが、−例を挙げると、
日刊工業新聞社刊、「機械技術Ｊ第３４巻第６号５０ペ
ージに記載されているように約３０〜５０μｍ以下に抑
える必要がある。

電子ビーム、ＣＯ□　レーザビーム等のエネルギービー
ムを用いた穴あけ加工は、ビームのもつ熱エネルギーを
利用して、試料のビーム照射部分を蒸発・熔融除去する
、いわゆる熱加工である。従って、試料にビームが照射
され、除去加工が行われる瞬間以前に、ビームの持つエ
ネルギーの大部分は熱エネルギーとして試料内部に蓄積
される。

実際にビームエネルギーのどの程度が蓄積されるかは、
ビームの照射条件や試料の材質によって大きく左右され
る。

以下、その−例としてプリント基板に対して電子ビーム
を用いて穴あけ加工し、そのときの試料（プリント基板
）の温度上昇を測定した例について説明する。

プリント基板の材料としては、産業用プリント基板材料
としては最も一般的な画面銅箔張りガラスエポキシ（Ｆ
Ｒ−４、ガラスクロス織布）を用い、（銅箔厚み１８μ
ｍ、板厚み１ｅ６ｍｍｔ、大きさ３４０Ｘ１７０ｍｍ）
加速電圧１２０ｋｖ、ビーム電流２０ｍＡの電子ビーム
を１穴あたり１゜５ｍｓ照射して、１２５０穴加工した
。（穴加工の面密度（単位面積あたりの穴数）は産業用
プリント基板としては低い部類になる。）そして、その
時のプリント基板表面銅箔の温度上昇を熱電対を用いて
測定した。その結果、プリント基板全体で約１０℃の温
度上昇が測定された。

ここで、プリント基板に与えた熱エネルギーは、１２０
ｋｖ　Ｘ　２０ｍＡ　　Ｘ　　１．５ｍ５Ｘ　１２５０
　＝　４５００Ｊ銅箔も含めたプリント基板全体の比熱
は約０．０２８に／ｃａ　ｌなので、プリント基板に蓄
積され温度上、昇に寄与した熱量は、 １０　ｘ　１１０．０２８　Ｘ　４．１Ｂ　＃　１５０
０Ｊすなわち、プリント基板に照射されたエネルギーの
約３０％が熱エネルギーとしてプリント基板に蓄積され
たことになる。

前述のように、試料（この場合はプリント基板）の温度
上昇は、ビームの照射条件や試料の材質によって大きく
左右されるが、仮に、実際にプリント基板加工を行って
いる最中、このｌｏｔという温度上昇が発生した場合、
プリント基板は熱的に膨張する。その大きさは、ＦＲ−
４の場合、約１５μＩＩｌ／ｍ・℃といわれているので
、例えば４００１角のプリント基板を考えた場合、 １５ｘｌＯｘ０．４　−６０　μ− の膨張が予想される。プリント基板を加工するエネルギ
ービーム加工装置からとってみれば、この予期せぬ熱膨
張は穴加工位置の誤差に直結することになる。

第４図は試料の熱膨張によって実際の加工穴位置にずれ
が生じることを説明した模式図である。

図において、（９）は所望の加工穴位置、α（至）は実
際に加工された加工穴位置、０υはビーム照射位置、０
乃は膨張後（または膨張しつつある）の試料を示す。

図では、試料（３）がＸ方向にΔｌたけ膨張したことを
示している。

第４図に示すように、いくら精密にビームの照射位置を
制御しても、加工後に基板が熱収縮するために、基板の
端の部分では基板の一端を固定した場合、穴加工位置誤
差が生じる。この例の場合、最大６０μｍの穴加工位置
誤差が生じ、規格（前述の例では５０μ削）以下の精度
になってしまう。

仮に、プリント基板の両端を固定して位置ずれを抑制し
ても、第５図のように基板がそるという現象が発生する
。この状態でビームによって穴あけ加工すると、加工穴
の中心軸と試料表面が垂直にならない。従って、板材の
表裏で穴加工位置誤差が生じる。

このように、電子ビーム加工をプリント基板の穴あけに
適用しようとした場合、基板の熱膨張のために、加工穴
の位置精度が低下するという問題点がある。また、金属
板に穴あけ加工を行う場合では、除去した金属の熔融物
が試料に再付着し試料に温度が上がりやすいという問題
点があり、温度上昇の傾向はさらに顕著なものとなる。

その他にも、加工穴径がサブミリ〜ミクロンレベルであ
るため、加工穴位置精度にミクロンレヘルを要求する穴
加工の応用は数多くあり、この例が′ と同様の問題点が発生する可能性郊十分ある。

方法およびその装置は、 ｆｉ＋　　エネルギービームによる穴あけ加工のために
生じる被加工物の熱的膨張をセンサーを用いて感知し、
その膨張の度合いに応じてビームの照射位置すなわち加
工位置をコンピュータを用いて制御して穴あけ加工する
ように装置を構成したものである。

（２）　　エネルギービームによる穴あけ加工のために
生じる被加工物の熱的膨張を、被加工物に照射されるビ
ームエネルギー、加工穴数、被加工物の材質などから、
コンピュータを用いてあらかじめ予測し、その結果に応
してビームの照射位置すなわち加工位置を制御して穴あ
け加工するように装置を構成したものである。

加工方法およびその装置は、穴あけ加工のために生じる
被加工物の熱的膨張によって起こる加工穴の位置ずれを
、センサーによって被加工物の膨張を測定しコンピュー
タによって位置ずれを補正しながら穴あけ加工するため
、加工穴位置精度の高加工方法およびその装置は、被加
工物に照射されるビームエネルギー、加工穴数、被加工
物の材質などから、コンピュータによって熱膨張を予測
し、それにより生じる加工穴の位置ずれを予測し、位置
ずれが補正されるように穴あけ加工するため、加工穴位
置精度の高い穴加工が達成される。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明にかかるエネルギービーム穴あけ加工方
法を示した模式図である。

図において、ｆｉ＋は電子銃、（２）はエネルギービー
ム、（３）は試料、（４）は試料の飛散物、（５）は集
束レンズ、（６）は偏向レンズ、（７）は偏向位置制御
用コンピュータ、（８）は位置センサー、αｌは移動機
構、α荀は試料押えを示す。

次に動作について説明する。第１図において、電子銃（
１１から発生した電子ビーム（２）を試料（３）の表面
付近に集束レンズ（５）を用いて集束する。試料の一端
は試料押え０４１によって固定されている０通常、穴あ
け加工に用いられるエネルギービームは１０６〜１０’
　Ｗ／ｃｄの高いパワー密度に集束されるので、ビーム
の照射された部分の試料は瞬時に溶融・夷発し、穴あけ
加工が行なわれる。偏向レンズ（６）はコンピュータ（
７）の制御信号に従いビームを所望の偏向位置すなわち
穴加工位置に偏向する。その際、コンピュータ（７）は
、位置センサー（８）の感知した試料（３）の熱膨張を
穴加工位置制御信号にフィードバックし、（具体的には
、熱膨張分を偏向位置データに加算・減算して）熱膨張
した試料に穴加工し、加工後に試料の温度が室温に低下
し熱収縮した時に所望の加工位置に穴加工されているよ
うにする。具体的には、デジタルメモリ等のＤ／Ａ変換
器に、コンピュータ（７）から熱膨張を補正するような
位置データを書き込み、Ｄ／Ａ変換器の出力を定ｔｉア
ンプによって偏向レンズ（６）を駆動するシステムなど
が挙げられる。ｉｌｌ常、偏向器レンズは、偏向歪み等
の理由からその偏向可能な範囲には制限があるので、試
料（３）が大きい場合は試料（３）を移動機構α簿を用
いて移動して加工する。

なお、上記実施例（特許請求範囲１）１に相当）のよう
に、位置センサー信号をフィードバックしなくても、エ
ネルギービーム加工による熱膨張（長さ）を、加工穴数
、面密度などから実験的もしくは熱計算などによってあ
らかじめ予測し、コンピュータによってエネルギービー
ム加工装置の加工穴位置データをそれによって補正し、
そのデータに従って穴加工をすることによれば、上記実
施例と同様の効果を奏する。この方式の場合、上記実施
例と比較して加工穴の位置精度は低下する可能性は高い
が、センサーの信号をフィードバックする必要がないた
め、装置が簡便になるという利点がある。

ここで、被加工物の熱膨張を予測する方法の一例を説明
する。−船釣に、熱膨張は、 Δβ＝線熱膨張係数×長さ×温度上昇 で表すことができる。このうち、右辺第１項の線熱膨張
係数は被加工物の材質で決まる。また、第２項は、被加
工物のＸＹ力方向長さとなる。第３項は、エネルギービ
ームの種類（レーザ、電子ビームなど）およびその加工
条件（加工穴数、ビーム照射エネルギー、ビームパルス
の空間的・時間的照射方法など）によって複雑に変化す
る。しかし、従来の実施例で説明したような方法によっ
て、ある−加工条件における温度上昇は実験によって比
較的容易に予測が可能である。例えば、被加工物の材質
・板厚・一つの加工穴に対するビームパルスの空間的・
時間的照射方法を固定して考えた場合、温度上昇は、は
ぼ被加工物に加工される加工穴数に比例すると考えるこ
とができる。いいかえれば、温度上昇は、被加工物に照
射し蓄熱されるビームエネルギーに比例すると考えられ
る。

この考え方を、従来の実施例で熱膨張を実測した例と、
被加工物の材質・一つの加工穴に対するビームパルスの
空間的照射方法が同一である場合を用いて説明すると、
熱膨張長さは以下のように予測（近似）できる。

■被加工物の面積は同じままで、被加工物の一辺の大き
さが４００１■から８００ｆｉになった場合、８００１
方向の熱膨張： ΔＡ＝ＥｉｏＸ　（８００／４００）＝１２０μＩ■加
工六数のみが１２５０穴から６２５穴になった場合の熱
膨張： Δｚ＝６０ｘ　（１２５０／６２５）＝３０μ刺■板厚
が１　ｍ　６　ｍａｔからＯ＊　８　■ｊとなり、照射
ビームパルス幅を１　、５ｓ＋ｓから、０　、７５ｍ５
とした場合の熱膨張； Δ６＝ＥｉｏＸ　（０，７５／１．５）ｘ　（１，６０
，８）−６０μｌ （この場合は、被加工物全体に対する表面銅箔の割合が
変化するので、予測の精度は低下してしまう、なるべく
同じ加工条件下での実験データを用いて予測することが
精度の向上につながる。）となる。なお、この予測方法
の例（実施例）では、被加工物の熱膨張を、照射される
ビームエネルギ、加工穴数、被加工物の材質から予測し
ているが、これは、予測の精度を向上するために、他の
パラメータと複合して予測してもよい。

第２図は、被加工物の熱膨張Δｌを予測した後に行う、
コンピュータの加工穴位置制御の様子の一例を模式的に
示した図である。

図において、（９）は所望の加工穴位置、ａのは実際に
加工された加工穴位置、０υはビーム照射位置、＠は膨
張後（または膨張しつつある）の試料を示す。第２図上
段において、試料の左下角をＸＹ座標の原点（０，０）
とすると、膨張以前の試料（３）のＸ、Ｙ方向の長さを
Ｌｘ、Ｌｙとした場合、試料（３）の各月のＸＹ座標は
図のようになる。また、第２図中段において、膨張した
試料（ロ）は、膨張以前の試料（３）と比較して、Ｘ方
向にΔ１熱膨張したことを示す。

このように膨張した試料にビームを照射するときのビー
ム照射位置指令の一例を説明する。仮に、ある１つの穴
の所望の加工穴位置座標を（ｘｉ、ｙｌ）とし、膨張を
補正するためにコンピュータから出されるビーム照射位
置指令座標を（ＸＦ、Ｙｌ）とすると、 ＸＩ−ｘｌｘ　　（Ｌｘ　　＋　Δ　＃）／Ｌｘとする
。Ｙ軸方向も同様に制御するならば、Ｙｌ−ｙｌＸ　　
（Ｌｙ　　＋　Δ　ｊり／Ｌｙとする。実際には、熱膨
張がＸＹ力方向全く同様でないこと、瞬時に膨張しない
こと、加工中（ビーム照射中）にも膨張すること、など
により、完全に熱膨張を補正することは非常に困難であ
る。

しかし、従来の方法（第４図）と比較した場合、熱膨張
・収１ｌｉｌ後においても所望の加工穴位置と、実際の
加工穴位置の誤差を大幅に低減できることがわかる。

なお、第２図における上記実施例（特許請求範囲（２）
に相当）では、膨張後にビーム照射位置データを一括し
て補正しているが、これは、特許請求範囲１０のように
、膨張センサのデータに基づいて、加工中に逐次補正し
てもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

なお、第２図における上記実施例では、試料全体のビー
ム照射位置データを一括して補正しているが、これは、
各ビーム偏向範囲内において逐次補正してもよい。

また、上記実施例では、エネルギービームとして電子ビ
ームを例に挙げたが、これは、レーザビーム等の他のエ
ネルギービームであってもよい。

また、上記実施例では、ビームの偏向位置データのみを
補正しているが、これは試料移動機構の位置制御データ
を補正してもよく、これらを単独で使用してもよい。

更に、上記実施例では、ビームの偏向に磁界型偏向器を
使用しているが、これは電界型偏向器を使用してもよく
、上記実施例と同様の効果を奏する。また、上記実施例
では、電子ビームを一段偏向しているが、これは２段以
上偏向してもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、穴あけ加工のために
生じる被加工物の熱的膨張によって起こるであろう加工
穴の位置ずれを、コンピュータによって補正しながら、
もしくはあらがしめ被加工物に照射されるビームエネル
ギー、加工穴数、被加工物の材質などから予測して穴あ
け加工するた得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるエネルギービーム穴あけ加工方
法およびその装置を示した模式図、第２図は、本発明に
おけるコンピュータの位置制御の様子の一例を示す模式
図、第３図は従来のエネルギービーム穴あけ加工方法お
よびその装置を示した模式図、第４図は従来のエネルギ
ービーム穴あけ加工方法およびその装置における穴加工
位置ずれを説明した模式図、第５図は従来のエネルギー
ビームによる穴あけ加工において、熱的膨張のため被加
工物がそれる状態を説明した模式図を示す。 図において、（１）は電子銃、（２）はエネルギービー
ム、（３）は試料、（５）は集束レンズ、（６）は偏向
レンズ、（７）は偏向位置制御用コンピュータ、（８）
は位置センサー、（９）は所望の加工穴位置、α１は実
際の加工穴位置、αυはビーム照射位置、０２１は膨張
εまたは膨張しつつある）μ試料、０３は試料の移動機
構、（２）は試料押さえを示す。 図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビーム・電子ビーム等のエネルギービーム
   を被加工物に照射して穴あけ加工を行う穴あけ加工にお
   いて、エネルギービームによる穴あけ加工のために生じ
   る被加工物の熱的膨張をセンサーを用いて感知し、その
   膨張の度合いに応じてビームの照射位置すなわち加工位
   置を制御し穴あけ加工することを特徴とするエネルギー
   ビームによる穴あけ加工方法およびその装置。
2. （２）レーザビーム・電子ビーム等のエネルギービーム
   を被加工物に照射して穴あけ加工を行う穴あけ加工にお
   いて、エネルギービームによる穴あけ加工のために生じ
   る被加工物の熱的膨張を、被加工物に照射されるビーム
   エネルギー、加工穴数、被加工物の材質などからコンピ
   ュータを用いてあらかじめ予測し、その予測結果に応じ
   てビームの照射位置すなわち加工位置を制御し穴あけ加
   工することを特徴とするエネルギービームによる穴あけ
   加工方法およびその装置。