JPS5857277B2 - 穿孔装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はレーザからの可干渉性光エネルギの様な放射
エネルギによって、工作物に孔をあける装置に関する。

この発明は、電子工業の製造分野で、集積回路基板、印
刷配線カード等に孔をあけるのに特に有用であるが、そ
れに制限されない。

こＳで説明する新規なレーザ穿孔装置は、従来のレーザ
穿孔装置に較べて種々の利点がある。

この装置は、孔パターン・マスクに頼らずに、工作物上
の複数個の相異なる場所で非常に正確な寸法の孔をあけ
ることが出来る様にする。

この装置は、装置を操作したり、又はその近辺で作業す
る作業員の保護並びに安全を高める。

、この装置は、穿孔の破片を取除く一層きれいで効率の
よい方法を実施するものである。

この装置は、レーザ・ビームと工作物材料との相互作用
によって発生される蒸気並びに破片による汚染から中枢
の光学素子を保護する。

更にこの装置は、高精度の孔寸法決定素子を掃除又は取
替える為に、この素子を素早く且つ容易に取外すことが
出来る様にする。

ノズル構造の端に孔の寸法を限定する開口を設け、この
開口を工作物に向けて配置し、この開口を介してレーザ
・ビームを工作物に照射することにより、高精度の寸法
の孔が得られる。

ノズルが工作物に対面する際の工作物の場所を変えるこ
とにより、相異なる場所に孔があけられる。

孔パターン・マスクを必要とせず、自由に且つ能率よく
、種々の相異なるパターンを作ることが出来る。

ノズル構造を工作物に当て＼配置することにより、作業
員に対する安全性が高められる。

この結果、レーザ・ビームと工作物材料との相互作用が
作業員の目に入らない。

作業員は強力な放射エネルギ並びに穿孔の破片粒子の両
方から遮蔽される。

連続的に真空となる室をノズルの下端の内部に設けるこ
とにより、穿孔破片を取去る非常に能率のよい方法が得
られる。

穿孔の破片は直ちに真空室内に吸込まれ、真空ポンプ装
置を介して取去られる。

このことによって、とりわけ穿孔の破片が工作物の上に
散らばり、工作物に他の孔をあける際の妨げとなること
が防止される。

又このことによって、レーザ・ビームと工作物材料との
相互作用によって毒性の又は汚染の原因となる蒸気が発
生されても、・それが直ちに除去される。

ノズルの下端にある真空室は、その中心に孔の寸法を限
定する開口を持つ着脱自在の金属円板によって、工作物
から隔てられる。

レーザ・ビームが開口を通抜けて工作物に達する。

開口が工作物にあけられる孔の寸法を限定し、この為非
常に小さい孔の場合は、直径を非常に小さくすることが
出来る。

この為、開口の直径は例えばＯ，Ｏ２Ｓミリという様に
小さくすることが出来る。

この為、開口はかなり頻繁に掃除又は取替えを必要とす
ることがある。

開口を着脱自在の円板の中に設けたことにより、これが
非常に容易になる。

穿孔作業の際、円板は真空室内の真空によって吸収され
所定位置に保持される。

この為、真空を解除すれば円板が解放され、開口を掃除
する為、又はこの円板をきれいな開口を持つ新しい円板
と取替える為に、それを素早く且つ容易に取外すことが
出来る。

第１図について説明すると、図示のレーザ穿孔装置が垂
直方向に伸びる円筒形の金属製ノズル１０を持ち、その
下端が工作物１１に対面する様になっている。

工作物１１が可動の工作台１２に装着され、工作台はＸ
−Ｙ位置ぎめ装置１３を含む工作物位置ぎめ機構により
、ノズル１０に対して正確に位置ぎめすることか出来る
。

工作物１１は例えは１枚の集積回路基板材料、印刷配線
カド又は板、支持板、又は１つ或いは更に多くの孔をあ
けようとするその他の任意の薄板又は板材料であってよ
い。

ノズル１０のＸ−Ｙ又は水平位置を固定し、且つノズル
１０を工作物１１と係合させる別の位置ぎめ機構が設け
られている。

このノズル位置ぎめ機構は図に示していない適当な支持
構造によって工作物１１の」一方の一定距離の所に支持
された円筒形のノズル位置ぎめ構造１４を含む。

位置ぎめ構造１４がその下端にノズル保持部分１５を持
ち、保持部分１５はノズル１０の円筒形の上端を摺動自
在に受入れる円筒形本体を有する。

コイルばね１６がノズル１０の上側部分を取巻き、ノズ
ル保持部分１５の下側とノズル１０の環状の肩１７との
間で作用し、ノズル１０を下向きに工作物１１に押しつ
ける。

穿孔装置は、放射エネルギを発生して、それを位置ぎめ
構造１４及びノズル１０の中空内部の中へ向ける放射エ
ネルギ機構をも含んでいる。

この放射エネルギ機構は、可干渉性光エネルギのコリメ
ートされたビームを発生するレーザ源又は発生器２０を
含む。

レーザ２０は連続波形であり、例えば遠赤外線領域の可
干渉性光放射を放出するＣＯ２レーザであってよい。

発生されたレーザ・ビーム２１がレーザ２０から機械的
なシャック２２を介して放出される。

シャッタ２２を選択的に作動し、ビーム放出口を開閉す
ることが出来る。

レーザ・ビーム２１が、鏡２３によってノズル位置ぎめ
構造１４の中空内部に入る様に下向きに偏向させられる
。

集束レンズ２４がノズル位置ぎめ構造１４の内部に装着
され、レーザ・ビーム２１をノズル１０の中空内部を介
して工作物１１に集束する。

ノズル１０及びノズル位置きめ構造１４が第１図に断面
図で示されている。

この各々の構造１０゜１４は外側が全体的に円筒形であ
り、いずれもレーザ゛・ビームがその中を下向きに通っ
て工作物１１に達する様にする中空内部を持っている。

各各の構造１０．１４は金属材料で作られる。

又、ノズル保持部分１５は別個の部材であってよく、そ
れをノズル位置ぎめ構造１４の本体の下端に結合するも
のであればよい。

ノズル１０のＸ−Ｙ平面内での位置ぎめを非常に正確に
する為、ノズル１０の上端の外側とノズル保持部分１５
の下向きに伸びる本体の内側との間には僅か０．００５
ミＩＪのすき間しかない。

第２図の拡大断面図について説明すると、ノズル１０の
垂直中心軸線に沿って、じょうご形−上側室２５、円筒
形の下側室２６及び両者を相互接続する通路２７が設け
られている。

上側室２５は頂部が開放していて、ノズル１０の頂部に
円形口２８を形成する。

下側室２６は底部が開放していて、ノズル１０の下端に
円形口２９を形成する。

下側の口２９の周縁に沿ってノズル１０に環状の引込ん
だ肩３０が形成されている。

引込んだ肩３０を取巻くノズル１０の底面３１は水平平
面に対して成る角度で切断され、ノズル１０の垂直軸線
からの距離の増加に伴って工作物の面から漸進的に後退
する様になっている。

。説明の便宜上、ノズルの下側室２６を以下真等室と呼
ぶ。

真空室２６の頂部に入る相互接続用の通路２７は、後で
説明する他の通路と区別する為放射エネルギ通路と呼ぶ
ことがある。

真空室の口２９を封鎖し、真空室２６を工作物１１から
分離する為、ノズル１０に薄い末端部材又は壁構造を設
ける。

図示の実施例では、この末端部材又は壁構造は着脱自在
の金属製の開口板又は円板３３（第４図に示す）であり
、これは精密なはめ合せて肩３０の凹みにはまって真空
室の口２９を封鎖する様な寸法になっている。

この開口円板３３は第２図又は第３図には示していない
が第１図にはノズル１０内の所定位置に示しであるこの
位置が穿孔作業を行なう際の位置である６２円板３３の
中心に小さい孔又は開口３４が設けられ穿孔作業のため
に、真空室２６と工作物１１との間を連通させる。

開口３４の寸法が、工作物１１に形成される孔の寸法を
制御し又は限定する。

この為、この開口の寸法は、あけようとする孔の寸法に
関係する。

開口３４の直径は、あけようとする孔の所望の寸法に応
じて、例えば０．０２５ミＩＪという様に小さいことも
あるし、或いはもつと大きいこともある。

水平（Ｘ−Ｙ）平面内での開口３４の非常に正確な位置
ぎめを保証する為、円板３３の全体の直径は、円板３３
を受入れる肩３０の凹みの直径から０．００５ミＩＪ以
内にすべきである。

円板３３の厚さは肩３０の凹みの深さより幾分大きい。

このことにより、工作物１１と接触するのが円板３３と
なり、ノズル１０の本体の下側のどの部分も接触しない
ことが保証される。

円板３３は例えば０、１２７ ミＩＪの厚さを持ってい
てよく、肩３０の凹みの深さは例えば０．１ミＩＪであ
ってよい。

円板３３を作る金属材料は開口３４の近辺で発生される
高い温度に耐え得る様に融点が比較的高いものにすべき
である。

この為に適した材料はタングステンである。

第２図及び第３図に示す様に、ノズル１０は横方向に伸
びる複数個の排気通路３５をも含んでおり、この排気通
路が真空室２６と連通し且つそれから相異なる方向に外
向きに伸ひ、真空室２６から空気をぬくことが出来る様
にする。

第３図に示す場合、真空室２６の周囲に６０°の間隔で
この様な排気通路３５が５個設けられている。

これら排気通路３５の各々に排気管３６がはめ込まれて
いる。

これらの排気管３６はノズル１０の本体から短かな距離
だけ外に伸び出している。

第１図に示す様に、この各々の排気管３６が可撓性ホー
ス３７により、真空ポンプ３８で表わす真空発生機構に
接続されている。

更に正確に云うと、ホース３７が共通のマニホルド室３
９に接続され、これが真空配管４０を介して真空ポンプ
３８に接続されている。

真空ポンプ３８は、穿孔作業中、真空室２６から連続的
に空気をぬき取る様に作用する。

真空室２６内の真空度を調節する為、調節機構が真空ポ
ンプ３８に付設されている。

図示の実施例では、この調節機構が側路弁４２によって
表わされており、その片側が真空配管４０に結合され、
その反対側が大気に開放している。

側路弁４２の開き具合を調節することにより、真空室２
６内の真空度が調節される。

これによって工作物１１に対するノズル１０の接触圧力
が調節される。

ノズル１０は空気供給通路４４をも持っている。

この空気供給通路はノズル１０の下部にあり、真空室２
６と連通して、開口板３３内の開口３４の内側に圧縮空
気の周期的な吹込みを行い、開口３４の中又は周りに溜
まったり或いは盛上がった穿孔の破片があれば、それを
ばらばらにすることが出来る様にする。

空気供給管４５が空気供給通路４４内に設けられる。

この管４５は、ノズル１０の本体から外向きに伸び出す
ねじつき拡大頭部４６と、ノズル１０の本体を通抜け、
途中まで真空室２６の中に入り込む一層小さい直径の吹
出し目部分４７とを持っている。

吹出し目部分４γは着脱自在の円板３３内にある開口３
４の所定位置に向けられる。

空気供給通路４４の外側部分には、空気供給管４５のね
じつき頭部４６を受入れる内ねじが設けられている。

第１図に示す様に、圧縮空気源４８が弁機構５０及び可
撓性ホース５１を介して空気供給管４５と結合される。

弁５０は電気的に制御される形式であって、作動電流を
供給したり或いは供給しないことにより、敏速に開閉す
ることが出来る様になっている。

云い換えれば、弁機構５０はばね荷重の常閉形であり、
作動電流を供給することによって敏速に開くことも、或
いはこの作動電流を遮断することによって敏速に閉じる
ことも出来る。

弁５０が開いている時、圧縮空気が空気供給管４５の吹
出し目部分４７の内側端から放出される。

第１図に見られる様に、集束レンズ２４とノズル１０の
上側口２８との中間の点で、ノズル位置ぎめ構造１４の
側壁に空気取入口５２が設けられている。

この取入口は、真空室２６が真空にされる時空気がノズ
ル１０内を下向きに、真空室２６に向って流れることが
出来る様にするものである。

この空気の下向きの流れは、放射エネルギ通路２７の直
径を小さくしたことによって作られた絞りと共に、レー
ザ・ビームと工作物材料との相互作用によって生ずる蒸
気並びにその他の破片が、集束レンズ２４に達し、その
下側の面を汚染するのを防止する様に作用する。

Ｘ−Ｙ位置ぎめ装置１３、レーザ・シャッタ機構２２及
び圧縮空気弁５０が制御装置５４によって制御される。

この制御装置５４は純機械的なものでも電気機械的なも
のでもよい。

然し、特に工作物１１の種々の相異なる場所に相当数の
孔をあけようとする場合、制御装置５４が製造プロセス
を高度に自動化するプログラム式テイジタル制御装置を
含んでいることが好ましい。

次に上に説明した装置の動作を説明するに当って、例と
して、工作物１１の多数の相異なる場所に孔をあけよう
とする場合を考える。

更に、開口円板３３はまだノズル１０の下端の所定位置
に配置されていないと仮定する。

最初、真空ポンプ３８をオンに転じ、圧縮空気弁５０を
閉じて圧縮空気の放出を防止し、レーザ２０をオンに転
じ、レーザ・シャッタ２２を閉じてレーザ・ビームの放
出を防止する。

この時、工作物１１の代りに仮支持板を工作台１２の上
に配置し、ノズル１０がノズル保持部分１５から落ちな
い様にする。

この場合コイルばね１６がノズル１０を下向きに押すの
で、仮支持板がなければ、ノズル１０がノズル保持部分
１５から落下するのを防止する機械的な要素が全くない
ことに注意されたい。

真空ポンプ３８を運転している状態で、作業員がノズル
１０を手で持上げ、開口円板３３を真空室２６の一ド端
の口２９に被さる所定位置に滑り込ませる。

円板３３が大体正確な位置に達すると、真空室２６の内
部が急速に真空になり始める。

この為、円板３３は、肩３０の凹み内の所定位置に、程
度の差はあってもスナップ式にはまる。

真空室２６がかなりの真空になると、作業員はもはやノ
ズル１０を手で押えている必要はない。

ノズル１０はばね１６に抗して浮上する。

真空室２６内の真空度が高くなると、ノズル１０の水平
の外面に対する大気圧により、ノズル１０の重みとコイ
ルばね１６によって加えられる下向きの力とが、この大
気圧と釣合うまで、ノズル１０は強制的に上向きに動か
される。

この為、真空がノズル１０を上昇位置に保持する。

この時仮支持板をはずし、工作物１１を工作台１２の上
に配置し、必要があれば固定する。

ＸＹ位置ぎめ装置１３を作動し、最初の孔に対する所望
の場所が開口３４の真下に来る様に工作物１１を位置ぎ
めする。

その後、真空ポンプ側路弁４２を調節して、真空室２６
内の真空度を幾分下げ、ノズル１０が下降して工作物１
１に接する様にする。

工作物１１に対するノズル１０の接触圧力が比較的軽く
、ノズル１０の全重量によって生ずる接触圧力より実質
的に小さくなる様な設定位置に側路弁４２を調節するこ
とが好ましい。

こうすると１．ノズル１０を持上げなくても、この後工
作物１１を移動させることが出来、開口円板３３と工作
物１１との間の摩擦又は抗力も最小限で済む。

ノズル１０が正しい位置に来たら、レーザ・シャッタ２
２を開き、レーザ・ビーム２１を鏡２３で偏向させ、ノ
ズル位置ぎめ構造１４の内部、ノズルの上側室２５、放
射エネルキ通路２７、真空室２６及び開口３４を介して
工作物１１に通す。

集束レンス２４がレーザ・ビームを強力なエネルギ製置
を持つ、直径が非常に小さい光線に集束する様に作用す
る。

この強力な濃度のエネルギが工作物１１に入射し、その
材料を蒸発させて、所望の孔をあける。

開口３４の所でのこの光線の直径は開口３４の直径より
僅かに大きい。

この為、開口３４の直径が実際にあけられる孔の寸法を
決定する。

この為、孔の寸法を非常に正確に制御することが出来る
。

レーザ・ビームが工作物１１に入射すると、その材料は
、煙が突然ぷつと吹く様に又は小爆発の様に、非常に急
速に蒸発する。

この結果生ずる蒸気並びにその他の破片が即座に真空室
２６に吸込まれ、そこから排気管３６、ホース３７及び
真空ポンプ３８を介して排出される。

謂わば真空が、蒸発した工作物材料を真空室２６の中に
爆発させ、そこから真空ポンプ３８によって直ちに取去
る。

このことにより、とりわけ穿孔の際の破片が開口円板３
３の下に挾まり、後で工作物１１を次の孔へ位置替えす
る時、開口３４をつまらせることが防止される。

開口円板３３の過熱を防止する為、一旦孔が工作物材料
１１に形成されたら、レーザ・シャッタ２２を非常に急
速に閉じる。

レーザ°ビームを再びオンに転する短い期間の間、開口
円板３３は、工作物材料１１に接触していることにより
孔の直ぐ周りの工作物材料を遮蔽して、この材料の過熱
並びに劣化を防止するという別の作用もする。

最初の孔の穿孔が完了した後、工作台１２をＸ−Ｙ位置
ぎめ装置１３によって水平方向に位置替えし、次に希望
する孔の場所を開口３４と整合させる。

この後、レーザ・シャッタ２２を一時的に開き、次の孔
を形成し、そしてその後再び閉じる。

この位置替え及び穿孔工程が工作物１１に希望する他の
孔の場所の各々に対して繰返される。

その後、ノズル１０を上昇させ（側路弁４２の調節）、
完成された工作物１１を取外し、新しい工作物と取替え
る。

新しい工作物に対して上に述べた工程が繰返される。

コイルばね１６は、工作物１１に凹凸、即ち盛上った部
分又は凹んだ部分があったり或いは彎曲があった場合、
ノズルが垂直方向に上下に移動出来る様にする点で、自
己調節作用をするのを助ける。

この為、作業員の手を煩わせなくても、相異なる孔の場
所で、工作物１１との所望の接触を維持することが出来
る。

真空室２６内の真空により、少量の空気が位置ぎめ構造
１４の側面にある取入口５２から吸込まれ、ノズルの上
側室２５及び放射エネルギ通路２７を介して真空室２６
に流れ込む。

この空気の下向きの流れが、放射エネルギ通路２７によ
って構成された絞りと共に、穿孔による蒸気並びに破片
が集束し／ズ２４に達してそれを汚染することを防止す
る。

穿孔作業の開時、真空室２６の真空は上記のように維持
されるけれども、圧縮空気源４８、弁５０及び空気供給
管４５を用いて、圧縮空気が円板３３における開口３４
の内側に向けて周期的に吹き込まれる。

こうするのは、開口３４の中又は周りに溜まり又は盛上
がった穿孔時の破片又は沈積物があるかも知れないので
、それを取去る為である。

圧縮空気弁５０を瞬間的に開いて、その後再び閉じるこ
とにより、圧縮空気を噴射状に放出する。

開型的な穿孔作業では、数個の孔をあけ、次に空気の噴
射を放出し、更に数個の孔をあけ、その後もう１回空気
の噴射を放出するという風にする。

相次ぐ空気の噴射の間にあける孔の数が１個乃至１０個
の範囲である時、良好な結果が得られた。

この頻度は開口３４の寸法に幾分関係する。典型的な穿
孔作業の際、着脱自在の開口円板３３が所定位置にある
時、到達する真空度、或いは更に正確に云えば、真空室
２６内に残っている空気圧力の大きさは水銀柱約５０ミ
リ程度である。

大体５０００個乃至２５０００個の孔をあけた後、開口
円板３３を取外し、その開口３４を掃除することが望ま
しい。

この発明の装置では、こういうことを非常に敏速に且つ
容易に行なうことが出来る。

必要なことは、真空ポンプ３８を止めるか、又は側路弁
４２を開くことによって真空室２６内の真空を解除し、
圧縮空気弁５０を作動して、圧縮空気の流れを円板３３
の内側に向けることだけである。

これを行なう時、円板３３は作業員の手に程度の差はあ
るが押付けられる。

この後、円板３３を超音波浴内に配置し、洗滌すること
が出来る。

勿論、円板３３を取外した後、圧縮空気弁５０は再び閉
じられる。

開口円板３３を掃除した後、真空ポンプ３８をオンに転
じ、真空室２６の空気ぬき取りが開始される様に弁４２
を調節することにより、円板を容易にノズル取付けるこ
とが出来る。

次に、開口円板３３をノズル１０の下で滑らせ、適正な
位置に近づくと、所定位置にすぽんとはまる。

１つ又は更に多くの予備の開口円板を用意しておいて、
汚れたものを掃除している間、きれいなものを直ちに取
付は且つ使用することが出来る様にするのが好ましい。

任意の所定の開口円板によって大体１０００００個乃至
２０００００個の孔があけられた後、この円板を廃棄し
、再び使用しない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従って構成されたレーザ穿孔装置の
代表的な実施例の略図で、装置の一部分は断面図で示し
である。 第２図は第１図のノズル要素を第３図の線２−２で切っ
た拡大横断面図、第３図は第２図に示したノズル構造の
底面図、第４図は穿孔作業の際、ノズルの下端に装着さ
れる着脱自在の開口円板の平面図である。 １０・・・・・・ノズル、１ Ｘ−Ｙ位置ぎめ機構、 ・・・開口。 １・・・・・・工作物、１３・・・・・・３３・・・・
・・開口円板、３４・・・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ・ビームによって工作物に孔をあける装置に
   於て、 該工作物上へのレーザ・ビームの通路を内部に有するノ
   ズルと、該ノズルにおける工作物側の端部で受けとめら
   れ、該工作物に形成されるべき孔の寸法を限定する開口
   を有する金属性の開口板と、該ノズルと共動して開口板
   の外側表面を該工作物に押しつけるための機構と、真空
   発生機構とより戊り、 前記ノズルの工作物側の端部には、前記開口板を受けと
   めるためのくぼみが前記開口板の厚さよりも浅く設けら
   れ、 前記ノズルにおける前記工作物の近くには、ノズルの内
   部の空気を連続的に排出するために前記真空発生機構と
   連通した排出路が設けられたことを特徴とする穿孔装置
   。