JPWO2003084012A1 - レーザ加工システム及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
電極（２４）間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビーム（６）の特性を可変とするパルスレーザ発振器（２）と、このレーザ発振器（２）から出力された上記レーザビーム（６）を、被加工物に導く光学システム（３）と、を備えたことを特徴とするレーザ加工システム。
Description
技術分野
この発明は、被加工物へのスルーホール、ブラインドバイアホール等の穴あけや溝加工、外形カット等を行うレーザ加工システム及びレーザ加工方法に係わり、特に加工品質の向上並びに生産性の向上に関するものである。
背景技術
プリント配線基板は導体層を設けた絶縁基材を複数枚、多層状に積層し接合することにより構成されている。
そして、各絶縁基材に設けた導体層はその上下方向における任意の導体層との間にスルーホール、ブラインドバイアホールと呼称される導通穴を介して電気的に接続される。
第１４図は、このような従来の多層のプリント配線基板を説明するための断面図であり、図において、１はプリント配線基板、１１ａ，１１ｂは絶縁基材、１２ａ〜ｃは導体層、１３は金属メッキ、１４ａは絶縁基材１１ａの導体層１２ａと導体層１２ｂとの間を導通する導通穴、１４ｂは絶縁基材１１ａの導体層１２ａと絶縁基材１１ｂにより積層接合された導体層１２ｃとの間を導通する導通穴である。
なお、導通穴１４ａは一般にブラインドバイアホール（Ｂｌｉｎｄ Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）と呼称され、導通穴１４ｂは一般にスルーホール（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｏｌｅ）と呼称される。
第１４図に示されるような導通穴１４ａ，１４ｂを有したプリント配線基板は、電子機器の高性能化に伴い、プリント配線基板の多層化、小型化（高密度化）が要求されており、この要求を満たすために、第１４図に示す導通穴１４ａ，１４ｂをレーザビームによって加工する方法が提案され、進歩してきた。
第１５図は、レーザビームを用いてプリント配線基板にスルーホールやブラインドバイアホールの穴あけを行うレーザ加工システムを説明するための模式図である。
図において、１は加工対象物となるプリント配線基板、２はレーザ発振器、３は光学システム、４は加工テーブル、５はシステム全体を制御する制御装置であり、各機器間がケーブルで接続されている。
６、７はレーザビーム、９はレーザ照射パターンの一例、レーザ照射パターン９上のＰｉはレーザビームのピークパワー、Ｗｉはパルス幅（ビーム照射時間）、Ｔｉはビーム照射休止時間である。
次に実際の加工動作を説明する。
レーザ発振器２から出力されるレーザビーム６を光学システム３によりビーム成形しながら、加工対象物であるプリント配線基板１まで伝送し、照射する。
このとき、レーザビームは、例えば第１５図に示す９のようなパルスのレーザ照射パターンで、各穴に数ショットのレーザパルスを照射する。照射したレーザビームは、プリント配線基板１を熱により溶融除去し、結果としてプリント配線基板に穴を形成する。
このように加工されたプリント配線基板の断面図の一例を第１６図に示す。
第１６図において、１５ａは加工上部穴径、１５ｂは加工中部穴径、１５ｃは加工下部穴径、１６は加工深さ、１７は加工樹脂残り、１８は内面銅箔損傷を示し、その他第１４図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
レーザビームによる加工に際して、一般的に、加工品質を確保するために第１６図における加工穴径１５ａ〜１５ｃ、加工深さ１６、加工不良１７、１８等に注目し、ビーム径とビームエネルギー（ピークパワー×パルス幅）、及びビーム照射休止時間を制御する必要があり、特にビームエネルギーは、材質や材料構成により損傷や歪み、プラズマの発生等に影響を与えるので、重要な制御パラメータである。
一般的に１穴あたりに照射されるビームエネルギーＥｔは、ｉショット目のビームエネルギーをＥｉ、レーザ発振器出口のピークパワーをＰｉ、光学システムにより制御されるレーザ発振器出口のピークパワーの伝達率をαｉ（以下、ビーム伝達率と呼ぶ）、ビームパルス幅をＷｉ、１穴に照射するショット数をｓとすると、
で示され、ビーム伝達率αｉ、ピークパワーＰｉ、Ｗｉを制御することにより、ビームエネルギーＥｔを制御することができる。
ここで、ビーム伝達率αｉは、従来のレーザ加工システムでは光学システム３においてビームモードを成形する際に発生する損失や光学部品等での吸収による損失により決定される。
このαｉを変化させる方法としては、例えば第１７図のようなマスク３１、コリメーションレンズ３２からなるオブジェクトを光学システム３に盛り込む方法がある。
第１７図において、ビーム径Ｄｉで伝播している光はコリメーションレンズ３２により集光され、マスク３１によりビームモードの成形（加工点で必要なビームモードを作り出す）が行われる。
この際の入力ビームモード体積と出力ビームモード体積の差が、前記ビームモードを成形する際に発生する損失である。
この損失は、マスク３１の直径Ｄ、コリメーションレンズ３２の焦点距離ｆ、並びにマスク径Ｄとマスク３１からコリメーションレンズ３２の距離Ｌで決定される。
例えば、マスク径Ｄが大きく、焦点距離ｆと距離Ｌがほぼ等しい場合、損失はほとんどなく、出力ビームモード体積は入力ビームモード体積とほぼ等しくなり、ビーム伝達率αｉは大きくなる。
反対にマスク径Ｄが小さく、焦点距離ｆが長く、距離Ｌが短い場合、ほとんどが損失となり、出力ビームモード体積は入力ビームモード体積に対し非常に小さいものとなり、ビーム伝達率αｉは小さくなる。
従来の加工システムにおいては、Ｄ、ｆ、Ｌの３つのパラメータのうちマスク径Ｄは加工点で必要なビーム径、すなわち加工穴径により決定され、焦点距離ｆは固定であり、距離Ｌは機械的に移動させることが可能であるので、αｉを変化させるために距離Ｌを移動している。
しかし、距離Ｌの変化はサーボモータで行っているため、変化させるためには数１００ｍｓ以上の時間を必要としていた。
また、ピークパワーＰｉは、固定か、仮に変化させることができても定格値に対し±２０％程度であり、かつ変化させるには数１００ｍｓ以上の時間を必要とする。
以下に、第１８図の炭酸ガスレーザ発振器の模式図を用いて説明する。図において、２１はレーザ筺体、２２はレーザ媒質であるＣＯ２が入った混合ガス、２３は交流電源、２４は電極、２５は励起放電、２６は部分反射鏡、２７は全反射鏡、２８はレーザの発振モードを規定するアパーチャ、２９はレーザビーム光軸、６は出力されるレーザビームである。第１８図のように構成された炭酸ガスレーザ発振器において、交流電源２３からの電圧投入により電極２４の間で励起放電２５が形成され、ＣＯ２ガスが上位準位に励起される。
このときの放電により励起された粒子密度を放電電力密度と呼ぶ。
部分反射鏡２６と全反射鏡２７で構成された共振器内部でこの励起されたＣＯ２ガスが誘導放出によりレーザ光を増幅し、レーザビーム光軸２９を中心にレーザビーム６が出力される。
ここで、一般的に炭酸ガスレーザのような気体レーザの場合、共振器損失が一定である場合、レーザビームのピークパワーは放電電力密度にほぼ比例する。
この放電電力密度は、交流電源２３から電極２４に投入される電力にほぼ比例する。
したがって、放電電力密度を変化させるために、従来のレーザ発振器では電極間に印加する電圧を制御していた。
電圧を上げすぎると、電源に対する負荷が大きくなり、電源の故障や電極の破損を招くことになる。
また、電圧を下げすぎると放電しなくなり、結果としてレーザビームを出力できない状態になる。
したがって、電圧を変化させる範囲は一般的に定格値に対し±２０％程度に制限され、それに伴い、レーザビームのピークパワーも±２０％程度しか変化させることができない。
また、電圧を変化させるための応答速度は遅く、放電が安定するには数１００ｍｓ以上の時間が必要であるので、パルス毎に（パルスレーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で瞬時に）ピークパワーを変化させるような場合、安定したビームエネルギーを得ることができない。
また、レーザが出力されるレーザパルス時間幅Ｗｉ（以下、パルス幅と称す）は、励起放電している放電時間幅（以下、放電幅と称す）からレーザ発振遅れを引いた時間幅にほぼ等しい。
この理由は、励起放電開始時は、放電エネルギー（放電電力密度×時間）がレーザ発振閾値より低く、レーザ出力されないため、レーザ発振開始時間は励起放電開始時間に比べ遅れを伴うからである。（もちろん、この遅れは共振器構成、ガス組成等により異なる。）
なお、放電幅、具体的には投入電力を与える時間幅を制御することにより、レーザパルス幅を自由に変化させることができ、瞬時に（パルスレーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で）切替えることができる制御パラメータである。
但し、投入電力には電源負荷により決められる制限があり、パルス幅には上限がある。
上述したように、従来のレーザ加工システムでは、ビームエネルギーは、ピークパワーの変動が困難であることから、光学システムに基づくビーム伝達率αｉと、ビームパルス幅Ｗｉにより制御され、特に瞬時に条件切り替えする場合は、ビームパルス幅Ｗｉが唯一の制御パラメータであった。
次にレーザ照射パターンについて説明する。
レーザ照射パターンは大きく分けると、第１９図に示されるように穴あけ位置にビーム照射位置を位置決めした後、その穴形成に必要なショット数ｓだけ連続してレーザパルスを照射する加工であるバースト加工と、第２０図に示されるように穴あけ数ｎ、穴形成に必要なショット数ｓとしたとき、穴あけ位置にビーム照射位置を位置決めし、１ショットのレーザパルスを照射するという動作をｎ×ｓ回繰り返し行う加工であるサイクル加工の２つに分けることができる。
バースト加工は、各穴におけるｋショット目から（ｋ＋１）ショット目に要するレーザ発振時間をＴｏｋ（バースト加工ではビーム照射休止時間に相当）、ｓショット目のパルス幅をＷｓ、（ｊ−１）番目からｊ番目の穴への位置決め時間をＴｇｊとすると、
ｎ個の穴あけに必要な加工時間Ｔｂは、
で示される。
一般的にＷｓ＜＜ΣＴｏｋであるから、
となる。
Ｔｏｋの平均値をＴｏ、Ｔｇｊの平均値をＴｇとすると、
Ｔｂの平均値Ｔｂａは、
となる。
したがって、レーザ発振時間Ｔｏとショット数ｓ、並びに位置決め時間Ｔｇにより加工時間が決まる。
一方サイクル加工は、各穴へのｉショット目のパルス幅をＷｉ、（ｊ−１）番目からｊ番目の穴への位置決め時間をＴｇｉｊとすると、
ｎ個の穴あけに必要な加工時間Ｔｃは、
で示される。
一般的にＷｉ＜＜Ｔｇｉｊであるから、
となる。
Ｔｇｉｊの平均値をＴｇとすると、
Ｔｃの平均値Ｔｃａは、
となる。
したがって、サイクル加工ではショット数ｓと位置決め時間Ｔｇにより加工時間が決まる。
ここで、サイクル加工とバースト加工の違いを説明する。
サイクル加工では、各穴におけるビーム照射休止時間Ｔｑｃを長く取ることができるため、加工穴周辺への熱影響が少なくなり、加工品質は向上する。
それに対しバースト加工では、各穴はレーザ発振時間Ｔｏで加工されるため、ビーム照射休止時間ＴｑｂはＴｑｃに比べ短く（Ｔｑｃ＞＞Ｔｑｂ）、加工穴周辺への熱影響が生じやすい。
また加工時間については、式４と式７で一般的にＴｇ＞Ｔｏであることを考慮すると、
であるから、バースト加工の方がサイクル加工に比べ加工時間が短く、生産性がよい。
以上のように従来のレーザ加工システムでは、マスク径によりビーム径を制御し、放電電力密度と放電幅、並びに上述した光学システム等によりビームエネルギーを制御し、バースト加工とサイクル加工の選択やバースト加工時のレーザ発振周波数によりビーム照射休止時間を制御することにより、加工品質と生産性を確保してきた。
また、特開平４−４１０９１号公報には、第２１図に示すようなピークパワーを有するレーザ出力を行い、プリント配線基板１の表面銅箔１４を貫通加工し、更に絶縁樹脂１５を内面銅箔１６まで加工するという２種類の材質を加工するようなレーザ加工が示されている。
一般的に、銅箔は加工されにくいため、照射するビームエネルギーは大きくする必要がある。
一方、銅箔は光の反射率が高いため、ピークパワーの高いレーザビームを長い時間にわたり照射するとプラズマが発生し、このプラスマがレーザエネルギーの吸収をまねく。
また、銅箔は熱伝導率が大きく、熱しやすく冷めやすいという性質がある。
したがって、銅箔を貫通させるためには、短い時間に大きなビームエネルギーを照射する方法、すなわち、高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビーム（第２１図におけるＳ１）を照射する方法が適していることは一般的に知られている。
また、絶縁樹脂は、上記銅箔に比べ加工されやすいため、小さいエネルギーでも加工されるが、一般的にプリント基板に使用される絶縁樹脂の厚みは銅箔に比べ厚いため、全樹脂を加工するための総エネルギーは大きくする必要がある。
しかし、前記銅箔のように短い時間に大きなビームエネルギーを照射すると（ピークパワーを高くすると）、熱伝導率が小さい絶縁樹脂は深さ方向に熱エネルギーを伝えることができず、横方向にエネルギーが広がってしまうため、目的の加工深さが得られず、結果として、第２４図のような樹脂残り１７や内部膨らみ１９を発生させてしまう。
したがって、絶縁樹脂を貫通させるためには、低いピークパワーのレーザビームを数ショット（第２１図におけるＳ２〜Ｓ６）照射する方法が適していることは一般的に知られている。
以上のように照射するレーザパルスの各条件を選定することで、加工品質を劣化させることなく表層銅箔１２ａの貫通加工と絶縁樹脂１１の内面銅箔１２ｂまでの貫通加工を実施できることは一般的に広く知られている。
しかしながら、実加工において従来のレーザ加工システムを適用しようとすると、以下のような制限を受ける。
第一に、従来のレーザ加工システムでは、上述したようにピークパワーを大幅に変化させる方法が乏しく、特に瞬時に（レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で）変化させるようなことはできない。
第二に、従来のパルスレーザ発振器では、電源容量等の関係から高いピークパワーのレーザビームを出力する発振器では長いパルス幅のレーザビームを出力することができず、反対に長いパルス幅のレーザビームを出力する発振器では高いピークパワーのレーザビームを出力することができない。
したがって、従来のレーザ加工システムでは、第２２、２３図のようなレーザ照射パターンで加工を行うため、加工品質と生産性の両方を確保することが困難であり、どちらかを犠牲にすることになる。
第２２図は、第１５図におけるレーザ発振器２に高いピークパワーでかつ短いパルス幅（１〜１５μｓ）のレーザビームを出力する従来のレーザ発振器を用いた場合のレーザ照射パターンと加工状態を示す。
第２２図におけるＳ１１のように１ショット目に高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビームを照射し、表面銅箔１２ａを貫通させる。
絶縁樹脂１１ａを加工するのにピークパワーを低くし、４ショットのレーザビームＳ１２〜Ｓ１５を照射する。
また、６ショット目に樹脂残りを除去する目的で少しだけピークパワーを高くしたレーザビームＳ１６を照射する。
第２２図に基づく加工により、ある程度の加工品質は得ることができる。
しかし、上記のように２ショット目以降のピークパワーを大幅に低くするためには、上述した光学システム等を利用することになり、瞬時に変化させることはできないため、バースト加工はできない。
したがって、生産性が低下するサイクル加工かつショット数を増やして加工しなければならず、大きく生産性を低下させることになる。
例えば、穴数ｎ＝１００００個、条件切換えに必要な時間を考慮した平均の位置決め時間Ｔｇ＝０．００１秒（１ｋＨｚ）、ショット数ｓ＝６ショットである場合、加工時間は６０秒となり、仮に同じショット数でバースト加工（Ｔｏ＝０．０００５秒（２ｋＨｚ）とする）を行うことができたとしたときの加工時間３０秒に比べると、生産性が１／２となる。
第２３図は、第１５図におけるレーザ発振器２に従来の発振器で低いピークパワー（第２２図における発振器の１／４以下）でかつ長いパルス幅（例えば１６〜１５０μｓ）のレーザビームを出力する発振器を用いた場合のレーザ照射パターンと加工状態を示す。
第２３図におけるＳ２１のように１ショット目に照射するレーザビームのパルス幅を長くすることによりビームエネルギー大きくし、表面銅箔１２ａを貫通させようとするが、第２２図で示した１ショット目に比べ、ピークパワーが１／４以下であるため上述した理由により第２２図で示した１ショット目のエネルギー以上のビームエネルギーを投入しないと貫通することは難しい。
しかし、ビームエネルギーを上げようとパルス幅を必要以上に長くするとプラズマによるビーム吸収が発生し、エネルギーが銅箔に届かない。したがって、表面銅箔１２ａを貫通させるためには、エネルギーの大きなレーザビームを複数ショット照射する必要がある（この例では２ショットで表面銅箔１２ａを貫通させるとした）。
３ショット目は低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルスＳ２３を照射し、絶縁樹脂１１ａを内面銅箔１２ｂまで貫通させる。
４ショット目は３ショット目より高いピークパワーで比較的短いパルス幅のレーザパルスＳ２４により樹脂残りの除去を行う。
以上により表面銅箔１２ａ及び絶縁樹脂１１ａを貫通加工することができるが、銅箔に対しエネルギー過多であるため、第２２図の例に比べ、加工品質は劣化する。
また、第２２図で説明したときと同様、ピークパワーを瞬時に変更することができないため、バースト加工はできず、サイクル加工のみとなる。
以上のように、材質の全く異なる材料により多層化されたプリント配線基板を加工する場合、従来のレーザ加工システムでは加工品質と生産性の両方を確保することが困難である。
また、プリント配線基板の種類が多様化し、それぞれの加工内容も樹脂加工であったり銅箔と樹脂の混合加工であったりと異なるため、１台のレーザ加工システムで全ての加工を実施することは困難であり、設備投資に莫大な経費を必要とする。
発明の開示
本発明は前記課題を解消し、様々な材質のプリント配線基板に対し、生産性を損なうことなく加工品質を向上させることができるレーザ加工システム、及び同装置を用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、第１の観点によれば、電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするパルスレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを、被加工物に導く光学システムと、を備えたものである。
また、光学システムは、レーザ発振器から出力されたレーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有するものである。
また、電極間で励起放電を起こし、レーザビームを発振出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有し、レーザビームを被加工物に導く光学システムと、を備えたものである。
さらに、スイッチング手段のオンオフにより、フィルタ部材を通過すべく経路を切り替えるとともに、パルス発振されたレーザビームのパルス幅を制御するものである。
また、この発明に係るレーザ加工方法は、電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするレーザ発振器より出力されるレーザビームを用いて加工を行うレーザ加工方法において、レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、被加工物の材質、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
また、導体層の除去にはレーザ発振器の最大ピークパワーに近い出力かつ１〜１５μＳの短いパルス幅の第１のパルスで、絶縁層の除去には、上記第１のパルスの略１／２〜１／１０のピークパワーの出力かつ１６〜２００μＳの長いパルス幅の第２のパルスで、加工を行うものである。
また、放電指令パルスを切り替えることにより、１パルスのレーザ出力間において、ピークパワーを可変として、該パルス出力されたレーザビームを用いて加工を行うものである。
また、レーザ発振器の略最大ピークパワーかつ１〜１５μＳの短い時間の第１の領域、上記第１の領域の略１／２〜１／１０のピークパワーかつ１６〜２００μＳの長い時間の第２の領域を有した１パルスのレーザ出力で加工を行うものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１、２図は、実施の形態１に係り、第１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第２図は本発明のレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１図において、６ａ、８ａはレーザ発振器２Ａより出力するレーザビームとレーザ照射パターン、７ａ、９ａは光学システム３により成形された後のレーザビームとレーザ照射パターンを示し、その他第１５図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
第２図において、４１ａ，４１ｂは放電指令パルス群、４２ａ，４２ｂは放電電力パルス群、４３ａ，４３ｂは放電エネルギー、４４ａ，４４ｂは出力されるレーザビームエネルギーである。
また、ｆｈ、ｆｌは交流電源周波数、ｌｕ、ｌｄは実効放電電力密度、Ｎｕ、Ｎｄは平均放電電力密度、Ｄｓ、Ｄｌは放電幅、Ｐｕ、Ｐｄはピークパワー、Ｗｓ、Ｗｌはパルス幅、Ｌｓ、Ｌｌはレーザ発振遅れを示す。
従来の技術で説明したとおり、炭酸ガスレーザ発振器のような気体レーザ発振器では、発振器から出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅を変化させるために、共振器損失が一定の場合、放電電力密度と放電幅を制御する。
放電電力密度は投入電力に比例するので、従来技術では電極間への印加電圧を変化させることで放電電力密度を変化させていた。
本実施の形態では、投入電力が瞬間的な実行電力と時間平均的な平均電力に分けられ、かつ、レーザビームのピークパワーは時間平均的な平均電力に支配されていることに着目し、電圧を一定（実行放電電力密度を一定）とした上で単位時間当たりの放電電力パルス数を制御することで、平均放電電力密度を制御し、レーザビームのピークパワーを変化させるレーザ発振器に関するものである。
換言すると、プリント配線基板の被加工部の材質、材料構成、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
ここで、従来技術では放電電力パルス数が一定であるため、実効放電電力密度と平均放電電力密度が１対の比例関係であり、電圧の変化により実効放電電力密度を変化させ、平均放電電力密度を制御していた。
次に、第２図を用いて動作を説明する。
まず、時間間隔１／ｆｐで放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より電極間に放電電力パルス（周波数ｆｐ）が投入される。この放電電力パルスの高さが瞬間的な実効放電電力密度１であり、時間平均したものが平均放電電力密度Ｎである。
電極間に印加する電圧を一定とすると、実行放電電力密度は一定となり、単位時間当たりに投入する放電電力パルス数ｍが多いほど、平均放電電力密度は高く、レーザビームのピークパワーＰが高くなる。
例えば、短い時間間隔（１／ｆｈ）で放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より高い周波数ｆｈで放電電力パルスが投入され（単位時間あたりに投入する放電電力パルス数が多くなり）、平均放電電力密度Ｎｕが高くなり、高いピークパワーＰｕのレーザビームが出力される。
逆に、長い時間間隔（１／ｆｌ）で放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より低い周波数ｆｌで放電電力パルスが投入され（単位時間あたりに投入する放電電力パルス数が少なくなり）、平均放電電力密度Ｎｄが低くなり、低いピークパワーＰｄのレーザビームが出力される。
また、上述したように電極に電力を投入する時間を変化させることで、レーザビームのパルス幅を変化させる。
この電力の投入時間幅Ｄは、
で示される。
したがって、上記放電指令パルス間隔１／ｆｐと放電電力パルス数ｍの制御によって任意のパルス幅を得る。
以上のように、本実施の形態では、交流電源周波数を変調することでレーザビームのピークパワーを、電力を投入する時間を変化させることでレーザビームのパルス幅を制御することで任意のレーザパルスを得る。
具体的には、放電指令パルスを与える時間間隔と放電指令パルス数を制御することにより、任意のレーザパルスを得る。
また、本発明によれば、高いピークパワーのときは比較的短いパルス幅、長いパルス幅のときは比較的低いピークパワーとすることにより、一定の電源負荷の範囲内でパルス波形の選択範囲を広げる効果がある。
上記制御によりレーザパルス毎にピークパワーとパルス幅を任意に変化させて任意のレーザ照射パターン８ａを得、得られたレーザ照射パターン８ａを光学システム３によりビーム成形し、レーザ照射パターン９ａとして加工対象物であるプリント配線基板１まで伝送し、加工する。
次に上記レーザ加工システムを用いたバースト加工方法について説明する。
一例として、第２１図と同じプリント基板、すなわち第１層目が表面銅箔１２ａ、第２層目が絶縁樹脂１１ａ、第３層目が内面銅箔１２ｂで構成されたプリント基板を加工する場合について説明する。
第３図はレーザビームの照射パターンを示す模式図であり、第４図はこのときの加工状況を説明するための模式図である。
第３図において、Ｓ３１〜Ｓ３３は各穴における１〜３ショット目のレーザビームであり、それぞれの面積はビームエネルギーを示す。
また、Ｐはピークパワー、Ｗはパルス幅、Ｔｏはレーザ発振時間、Ｔｇは位置決め時間である。
第４図において、１２ａは表面銅箔、１１ａは絶縁樹脂、１２ｂは内面銅箔、２０は加工予定位置、１４ａは加工後のブラインドバイアホール、Ｓ３１〜Ｓ３３はそれぞれ１〜３ショット目のレーザパルス波形、ａ１〜ａ３はそれぞれ１〜３ショット目の照射レーザビームにより加工される被加工部である。
本実施の形態では、第３図に示すようなレーザ照射パターンを用いて、プリント配線基板の材質や材料構成、加工厚み等に合わせ、レーザビームのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の各条件をパルス毎に瞬時に切替えるとともに、バースト加工方法を用いることにより、加工時間の短縮を計る。
従来技術で説明した材料とレーザビームの関係を前提に本実施の形態におけるレーザ加工方法について第３、４図を用いて説明する。
まず、１ショット目に照射するレーザビームＳ３１は、第一層の銅箔１２ａを加工するためのレーザパルスとし、銅箔除去の条件を満たすべく第１層目の銅箔を安定に貫通するには高いピークパワー（１〜３ｋＷ程度）でかつ短いパルス幅（１〜１５μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
次に、２ショット目に照射するレーザビームＳ３２は、第２層の絶縁樹脂１１ａを加工するためのレーザパルスとし、絶縁樹脂除去の条件を満たし、かつ生産性を上げるために、低いピークパワー（０．０５〜０．５ｋＷ程度）でかつ長いパルス幅（８０〜２００μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
このレーザパルスは第２１図と異なり、１ショット目のレーザパルスに対し、１／６以下の低いピークパワーでかつ５倍以上の長いパルス幅のレーザパルスとするため、第２１図では絶縁樹脂を貫通するのに複数のレーザビームを照射しなければならなかったが、本発明によれば１ショットを照射すればよい。
すなわち、ピークパワーを極端に低くすることで、エネルギーが径方向に広がるのを抑え、長いパルス幅にすることで深さ方向にエネルギーを注ぐことにより、加工穴径を保持したまま絶縁樹脂を１ショットで貫通させることができる。
結果として、加工品質を確保したままショット数を低減し、不要なビーム照射休止時間を省くので、生産性の向上につながる。
次に、３ショット目に照射するレーザビームＳ３３により、２ショット目のレーザビームＳ３２により除去しきれなかった絶縁樹脂１１ａを加工するためのレーザパルスとし、大きいエネルギーを照射すると内層銅箔損傷を招くため照射エネルギーＥ３は低い方がよく、また、樹脂残りを抑えるためには２ショット目よりはピークパワーを高くした方がよいことから、２ショット目よりも少し高いピークパワー（０．１〜１ｋＷ程度）でかつ短いパルス幅（１〜３０μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
以上のように本実施の形態では、上記プリント配線基板の場合、３ショットのレーザビーム照射により良好な加工品質を確保しつつ、ショット数を低減することができる。
以上まとめると、本実施の形態では、レーザビームのピークパワーとパルス幅をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルスレーザ発振器の発振周波数以下の範囲でパルス毎に最適化することにより、ピークパワーを瞬時に変更し、例えば第３図のレーザ照射パターンをバースト加工で実施することにより、加工品質と生産性の両方を向上する効果を得る。
例えば、穴数ｎ＝１００００個、条件切換えに必要な時間を考慮した平均の位置決め時間Ｔｏ＝０．０００５秒（２ｋＨｚ）、ショット数ｓ＝３ショットである場合、加工時間は１５秒となり、第２０図のレーザ照射パターンでのサイクル加工と比較して、４５秒の短縮となる。
これは、異なる材質により多層化したプリント配線基板を高密度に穴あけ加工したい場合、特にその効果が発揮される。
また、上記ではブラインドバイアホール加工ついて説明したが、スルーホール加工に適用した場合も同様に、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビーム照射休止時間をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルスレーザ発振器の発振周波数以下の範囲でパルス毎に最適化することにより、加工品質と生産性を向上する効果がある。
また、上記ではバースト加工について説明したが、もちろんサイクル加工にも適用でき、バースト加工に比べ生産性を多少落とすが、より安定して良好な加工品質を得る効果がある。
また、バースト加工とサイクル加工を併用した加工方法に適用しても良い。
すなわち、ビーム照射休止時間に着目し、プリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、レーザパルスのピークパワーとパルス幅を最適化するだけでなく、ビーム照射休止時間を大幅に変化させる手段として、バースト加工とサイクル加工を使い分けることで、安定して良好な加工品質を得るだけでなく、生産性を向上させる効果がある。
また、本発明におけるプリント配線基板のレーザ加工システムを用いることにより、多種類のプリント配線基板の加工を１台のレーザ加工システムで実施できる。
実施の形態２．
上記実施の形態１では、平均放電電力密度と放電幅を変化させることにより、レーザビームのピークパワーとパルス幅を変化させる場合について説明したが、光学システムのビーム伝達率を変化させても良い。
したがって、本実施の形態では光学システムのビーム伝達率に着目した。
第５図、第６図、第７図、第８図は、実施の形態２に係る図であり、第５図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第６図はレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図、第７図はレーザ照射パターンを制御する手段として使用するオブジェクトの一例を示す模式図、第８図はオブジェクトの動作図である。
第６図において、４５ａ、４５ｂは光学システムによる成形された後のレーザビームエネルギーである。
第７図、第８図において、３３は随時レーザビーム伝達率を変化させることが可能な制御ユニットであるオブジェクト、３４はオブジェクト３３に入射されるレーザビーム６ｂの経路を適宜変更するための光学的な高速スイッチング素子、３５は入射されたレーザ光のレーザピークパワーを変えるべくビーム伝達率（ビーム透過率）がそれぞれ異なるハーフミラー、３６はハーフミラー３５により反射されたレーザ光を吸収するためのダンパーである。
また、スイッチング素子３４ａ，３４ｂで経路が変更されたレーザ光を、説明の便宜上３７ａ、３７ｂ、３８ｃとして説明する。
次に、本実施の形態における光学システムから加工点に出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅の変化について説明する。
まず、第６図を用いてビーム伝達率を変化させた場合のレーザピークパワーとパルス幅を変える動作について説明する。
光学システムにおけるビーム伝達率が例えば１００％（通常は５０％未満であるが説明の簡素化のために１００％とする）で一定の場合、レーザ発振器より出力されたレーザビームはそのまま同じピークパワーとパルス幅で加工点まで伝送される。
ここで、所定のビーム伝達率を持つオブジェクトを通過させると、レーザ発振器より出力されたレーザビームのうち、Ａ％がオブジェクトを透過、Ｂ％がオブジェクトに吸収、Ｃ％がオブジェクトを反射する（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１００％）。結果として、オブジェクトを通過して出力されるのはＡ％のレーザビームとなり、出力されるピークパワーが変化する。例えば、第６図に示すようにレーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ａが出力されている間、ビーム伝達率を低下させた場合、ピークパワーはＰｕからＰｍ（＜Ｐｕ）に変化し、パルス幅はＷｓのままであるレーザビーム４５ａを得る。
また、レーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ｂのビーム伝送途中においてビーム伝達率を瞬間的に０％にした場合、ピークパワーはＰｄのまま、パルス幅はＷｌからＷｍ（＜Ｗｌ）に変化したレーザビーム４５ｂを得る。
以上のように本実施の形態では、光学システムにおけるビーム伝達率を制御することにより、任意のピークパワーとパルス幅を得る。
但し、レーザ発振器より出力されたレーザビームを変換して任意のレーザパルスを得るため、最大のピークパワーと最長のパルス幅はレーザ発振器より出力されるレーザビームによって決定され、光学システムによりそれ以上のピークパワー、或いはパルス幅に変換することはできない。
具体的に、上記光学システムのビーム伝達率及びパルス幅を変化させる手段の一例として、第８図に示される随時レーザビーム伝達率を変化させることができるオブジェクト３３を用いて説明する。
オブジェクト３３は、光学的な高速スイッチング素子３４ａ〜３４ｄと透過率の異なるハーフミラー３５ａ、３５ｂ、並びにダンパー３６で構成する。
なお、オブジェクト３３に入力するレーザビームのピークパワーとパルス幅は一定として説明し、また、高速スイッチング素子の動作はＯＮで光が偏向されるものとする。
まず、スイッチング素子３４ａがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはそのままレーザビーム３７ａとなり、スイッチング素子３４ｃに伝送される。
このときスイッチング素子３４ｃをＯＦＦにしておけばレーザビーム３６ａはそのまま次のスイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄではＯＦＦからビーム伝送中に瞬時にＯＮに切替えると、ＯＦＦの間のレーザビームは７ｂとなるが、ＯＮの間のレーザビームは偏向され、ダンパー３６に照射される。
ＯＦＦの時間が短いとき、結果として、高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザパルス７ｂ１を得る。
次に、スイッチング素子３４ａがＯＦＦ、スイッチング素子３４ｂがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはスイッチング素子３４ａを通過してスイッチング素子３４ｂで偏向され、ハーフミラー３５ａに伝送される。
ハーフミラー３５ａの透過率が例えば透過率５０％であるとすると、レーザビーム３７ｂはピークパワーが７ｂに対し、半分でかつパルス幅は同じレーザビームとなる。
レーザビーム３７ｂは、スイッチング素子３４ｃに伝送され、３４ｃがＯＮのとき偏向され、スイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄでは上記説明と同じ動作が行われ、結果として、レーザパルス７ｂ２を得る。
次に、スイッチング素子３４ａ、３４ｂがＯＦＦである場合、レーザビーム６ｂはスイッチング素子３４ａ、３４ｂを通過してハーフミラー３５ｂに伝送される。
ハーフミラー３５ｂが例えば、透過率２５％であるとすると、レーザビーム３７ｃはピークパワーが６ｂに対し、１／４でかつパルス幅は同じレーザビームとなる。
その後、レーザビーム３７ｃはスイッチング素子３４ｄに伝送される。スイッチング素子３４ｄでは上記説明の動作とは逆の動作が行われる。すなわち、スイッチング素子３４ｄがＯＮの間のレーザビームは偏向されるが、ＯＦＦの間のレーザビームは通過し、ダンパー３６に照射される。
ＯＮの時間が長いとき結果として、低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルス７ｂ３を得る。
また、上記説明では３種類のピークパワーを制御する方法について示したが、２種類、或いは４種類以上のピークパワーを制御する場合についても同様な方法で制御し、任意のピークパワーとパルス幅のレーザパルスを得る。
本実施の形態では、上記オブジェクトを光学システムに挿入し、高速に光のＯＮ／ＯＦＦをスイッチングすることにより、レーザ発振器から出力されるレーザビームを任意のピークパワーとパルス幅のレーザパルスに変換する。
上記光学システムを第５図に示すレーザ加工システムに搭載すれば、実施の形態１で示した効果と同様の効果、すなわち、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビーム照射休止時間をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルス毎に最適化することにより、加工品質と生産性を向上するという効果を得る。
また、上記光学システムを上記実施の形態１で説明したレーザ発振器と組合わせたレーザ加工システム（第９図）を構成しても良い。
その効果として、レーザビームのピークパワーとパルス幅の変化をより詳細に、より大きくすることできる。
したがって、上記レーザ加工システムを用いれば、プリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、より選択範囲を広げて、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビームエネルギーをパルス毎に最適化することになり、より複雑な材料構成に対しても加工品質と生産性を向上するという効果を得る。
実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、１台のレーザ発振器で構成されるレーザ加工システムについて説明したが、本実施の形態では、レーザビームのピークパワーとパルス幅が異なる少なくとも２台以上のレーザ発振器で構成されるレーザ加工システムを提供する。
第１０図は本発明のレーザ加工システムの構成を示す模式図である。図において２Ｃ，２Ｄはそれぞれレーザ発振出力の異なるレーザ発振器、３Ｃ、３Ｄは光学システム、６ｃ、８ｃ、６ｄ、８ｄはそれぞれレーザ発振器２Ｃ，２Ｄから出力されるレーザビームとレーザ照射パターン、７ｃ、７ｄは光学システム３Ｃ，３Ｄにより成形された後のレーザビームである。
続いて、第１０図の動作を説明する。
レーザ発振器２Ｃは、例えば銅箔を貫通するために最適な高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザパルス６ｃを出力し、レーザ発振器２Ｄは、例えば絶縁樹脂を貫通するために最適な低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルス７ｄを出力する。
レーザパルス８ｃと８ｄはそれぞれ光学システム３Ｃ，３Ｄにより、プリント配線基板１まで伝送され、照射される。
このとき、プリント配線基板１上の銅箔にはレーザビーム７ｃを照射し、絶縁樹脂にはレーザビーム７ｄを照射するように制御する。
すなわち、第２１図のようなプリント配線基板の場合、１ショット目にはレーザビーム７ｃを照射し、２ショット目にはレーザビーム７ｄを照射し、３ショット目にはレーザ発振器２Ｃから出力するレーザビームのピークパワーを低くして照射するように制御することにより、実施の形態１と同様に加工品質を向上する効果を得る。
実施の形態４．
第１１図、第１２図は実施の形態４に係り、第１１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第１２図は本発明のレーザパルス波形を制御する手段を説明するための模式図である。
第１１図において、４６ａ〜ｅは放電指令パルス群、４７ａ〜ｅは放電電力パルス群、４８ａ〜ｅは投入される放電エネルギー、４９ａ〜ｅは出力されるレーザビームエネルギーである。
本実施の形態の基本的考えは、第１１図におけるレーザ発振器２Ｅより出力されるレーザビーム６ｅは、実施の形態１で説明したとおり、共振器損失が一定の場合、平均放電電力密度と放電幅により決定されるが、レーザ発振の途中においても適用できることに着目したものである。
つまり、概略動作的には、第１２図に示すようなレーザパルス波形制御を行うことにより任意のレーザ照射パターン８ｅを得るものである。
次に、第１２図について動作を説明する。
なお、第１２図は上述した実施の形態１の基本的考え方、すなわち、共振器損失を一定として、平均放電電力密度によりピークパワーを、放電幅によりパルス幅をそれぞれ制御することに適用したものである。
また、実施の形態１と同様、具体的な制御方法としては平均放電電力密度を変化させるのに交流電源周波数を変調し、放電幅を変化させるのに投入電力の時間を変化させる方法を採る。
まず、高い周波数で放電指令パルス４６ａを与えると、単位時間あたりに投入される放電電力パルス数が多くなり、高い平均放電電力密度の４８ａが得られる。
この放電エネルギー４８ａ（Ｎ１×Ｔ１）に対し、レーザ発振遅れＬ１の後、高いピークパワーのビームエネルギー４９ａ（Ｐ１×Ｗ１）を出力する。
次に時間差（ビーム照射休止時間）をおくことなく連続して少し周波数を低下させた放電指令パルス４６ｂを与えると、放電電力パルス４７ｂが投入され、放電エネルギー４８ｂ（Ｎ２×Ｔ２）を得、今度はレーザ発振遅れなしで、先の４９ａに連続して、ビームエネルギー４９ｂ（Ｐ２×Ｗ２）を出力する。
以下同様に、時間差をおくことなく連続して放電指令パルス４６ｃ、４６ｄ、４６ｅを与えると、それに対し放電エネルギー４７ｃ（Ｎ３×Ｔ３）、４７ｄ（Ｎ４×Ｔ４）、４７ｅ（Ｎ５×Ｔ５）を得、先の４９ｂに連続して、ビームエネルギー４９ｃ（Ｐ３×Ｗ３）、４９ｄ（Ｐ４×Ｗ４）、４９ｅ（Ｐ５×Ｗ５）を出力する。
結果として、５種類の任意のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
また、実施の形態２と同様、得られたレーザ照射パターン８ｅを光学システム３Ｅによりビーム成形し、レーザ照射パターン９ｅとするように適宜光学システムによりレーザビーム波形を変化させても良い。
すなわち、実施の形態２で説明したレーザビームの波形を制御するオブジェクトのスイッチング動作をレーザ発振途中において制御することにより、上記で説明したような複数のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
以上のように、実施の形態１、２と同様の考え方をレーザ発振途中において適用することにより、複数のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
但し、実施の形態１、２と比較して、より高速でより安定な制御を行わなければ、パルス毎のばらつきが多くなる可能性がある。
次に上記レーザ加工システムを手段として用いた加工方法について説明する。本実施の形態における加工方法は実施の形態１の加工方法において、より詳細にレーザパルス波形の条件を設定することに適用したものである。
第１３図は、本発明のレーザ加工システムをバースト加工に適用したときのレーザビームの照射パターンを示す模式図である。
第１３図において、ｉショット目に照射するレーザビームのビームエネルギーＥｉは、ｉショット目に存在するｕ種類のピークパワーのうち、ｖ番目のピークパワーをＰｉｖ、Ｐｉｖで保持される時間幅をＷｉｖとすると、
で与えられる。
ここで、本発明ではＰｉｖ、Ｗｉｖがともに瞬時（レーザパルス幅の１／２以下の時間）に切換えることができる制御パラメータであり、加工内容により上記方法を用いて切替える。
第１３図において、Ｓ４１、Ｓ４２はそれぞれ１ショット目中のＰ１１×Ｗ１１、Ｐ１２×Ｗ１２の照射レーザビーム、Ｓ４３は２ショット目のＰ２１×Ｗ２１の照射レーザビームである。
動作について説明する。
照射ビームＳ４１〜Ｓ４３は、実施の形態１で示したＳ３１〜Ｓ３３のそれぞれの照射ビームに対応するように適用したものである。
即ち、Ｓ４１は高いピークパワーでかつ短い時間幅、Ｓ４２は低いピークパワーでかつ長い時間幅、Ｓ４３はＳ４２より少し高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビームである。
それぞれのレーザビームによって、実施の形態１で説明した加工方法とほぼ同等の加工結果を得る。
すなわち、Ｓ４１により表面銅箔１２ａを貫通加工し、Ｓ４２により絶縁樹脂１１ａを貫通加工し、Ｓ４３により内面銅箔１２ｂにダメージを与えずに樹脂残りを除去する。
また、Ｓ４１ａとＳ４２は同じレーザパルスであるから、１穴あたりに必要なショット数が３ショットから２ショットに減少する。
したがって、ビーム照射休止時間を低減する効果があり、ｎ個の穴あけに必要な加工時間は実施の形態１よりも更に短縮される。
例えば実施の形態１で示した例では、加工時間が１０秒となり、実施の形態１のバースト加工に比べ、５秒の加工時間短縮が見込まれ、１．５倍の生産性向上となる。
以上のように、レーザパルス波形を制御するレーザ加工システムを用いることで、加工品質を向上し、またショット数低減（ビーム照射休止時間低減）により生産性も向上する。
また、従来のレーザ加工システムでは達成されなかった加工品質と生産性の両方を得る効果がある。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第２図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を示す状態図である。
第３図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムによるレーザ加工方法において用いられるレーザ照射パターンを示す模式図である。
第４図は、第３図のレーザ照射パターンによるレーザ加工状態を説明するための模式図である。
第５図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第６図は、オブジェクトによるビーム伝達率の変化を示す状態図である。
第７図は、オブジェクトの構成を示す構成図である。
第８図は、オブジェクトによるビーム伝達率及びパルス幅の変化を示す状態図である。
第９図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１０図は、実施の形態３におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１１図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１２図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１３図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムをバースト加工に適用したときのレーザビームの照射パターンを示す模式図である。
第１４図は、一般的なプリント配線基板の穴あけ加工を説明するための模式図である。
第１５図は、従来のプリント配線基板の穴あけ用レーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１６図は、レーザによる穴あけ加工による加工品質を説明するためのプリント配線基板の断面図である。
第１７図は、マスク、コリメーションレンズからなるオブジェクトの構成を示す構成図である。
第１８図は、炭酸ガスレーザ発振器を説明するための構成図である。
第１９図は、従来のプリント配線基板の穴あけレーザ加工方法であるバースト加工を説明するためのレーザ照射パターンである。
第２０図は、従来のプリント配線基板の穴あけレーザ加工方法であるサイクル加工を説明するためのレーザ照射パターンである。
第２１図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２２図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２３図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２４図は、従来の加工品質を示すプリント配線基板の断面図である。
この発明は、被加工物へのスルーホール、ブラインドバイアホール等の穴あけや溝加工、外形カット等を行うレーザ加工システム及びレーザ加工方法に係わり、特に加工品質の向上並びに生産性の向上に関するものである。
背景技術
プリント配線基板は導体層を設けた絶縁基材を複数枚、多層状に積層し接合することにより構成されている。
そして、各絶縁基材に設けた導体層はその上下方向における任意の導体層との間にスルーホール、ブラインドバイアホールと呼称される導通穴を介して電気的に接続される。
第１４図は、このような従来の多層のプリント配線基板を説明するための断面図であり、図において、１はプリント配線基板、１１ａ，１１ｂは絶縁基材、１２ａ〜ｃは導体層、１３は金属メッキ、１４ａは絶縁基材１１ａの導体層１２ａと導体層１２ｂとの間を導通する導通穴、１４ｂは絶縁基材１１ａの導体層１２ａと絶縁基材１１ｂにより積層接合された導体層１２ｃとの間を導通する導通穴である。
なお、導通穴１４ａは一般にブラインドバイアホール（Ｂｌｉｎｄ Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）と呼称され、導通穴１４ｂは一般にスルーホール（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｏｌｅ）と呼称される。
第１４図に示されるような導通穴１４ａ，１４ｂを有したプリント配線基板は、電子機器の高性能化に伴い、プリント配線基板の多層化、小型化（高密度化）が要求されており、この要求を満たすために、第１４図に示す導通穴１４ａ，１４ｂをレーザビームによって加工する方法が提案され、進歩してきた。
第１５図は、レーザビームを用いてプリント配線基板にスルーホールやブラインドバイアホールの穴あけを行うレーザ加工システムを説明するための模式図である。
図において、１は加工対象物となるプリント配線基板、２はレーザ発振器、３は光学システム、４は加工テーブル、５はシステム全体を制御する制御装置であり、各機器間がケーブルで接続されている。
６、７はレーザビーム、９はレーザ照射パターンの一例、レーザ照射パターン９上のＰｉはレーザビームのピークパワー、Ｗｉはパルス幅（ビーム照射時間）、Ｔｉはビーム照射休止時間である。
次に実際の加工動作を説明する。
レーザ発振器２から出力されるレーザビーム６を光学システム３によりビーム成形しながら、加工対象物であるプリント配線基板１まで伝送し、照射する。
このとき、レーザビームは、例えば第１５図に示す９のようなパルスのレーザ照射パターンで、各穴に数ショットのレーザパルスを照射する。照射したレーザビームは、プリント配線基板１を熱により溶融除去し、結果としてプリント配線基板に穴を形成する。
このように加工されたプリント配線基板の断面図の一例を第１６図に示す。
第１６図において、１５ａは加工上部穴径、１５ｂは加工中部穴径、１５ｃは加工下部穴径、１６は加工深さ、１７は加工樹脂残り、１８は内面銅箔損傷を示し、その他第１４図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
レーザビームによる加工に際して、一般的に、加工品質を確保するために第１６図における加工穴径１５ａ〜１５ｃ、加工深さ１６、加工不良１７、１８等に注目し、ビーム径とビームエネルギー（ピークパワー×パルス幅）、及びビーム照射休止時間を制御する必要があり、特にビームエネルギーは、材質や材料構成により損傷や歪み、プラズマの発生等に影響を与えるので、重要な制御パラメータである。
一般的に１穴あたりに照射されるビームエネルギーＥｔは、ｉショット目のビームエネルギーをＥｉ、レーザ発振器出口のピークパワーをＰｉ、光学システムにより制御されるレーザ発振器出口のピークパワーの伝達率をαｉ（以下、ビーム伝達率と呼ぶ）、ビームパルス幅をＷｉ、１穴に照射するショット数をｓとすると、
ここで、ビーム伝達率αｉは、従来のレーザ加工システムでは光学システム３においてビームモードを成形する際に発生する損失や光学部品等での吸収による損失により決定される。
このαｉを変化させる方法としては、例えば第１７図のようなマスク３１、コリメーションレンズ３２からなるオブジェクトを光学システム３に盛り込む方法がある。
第１７図において、ビーム径Ｄｉで伝播している光はコリメーションレンズ３２により集光され、マスク３１によりビームモードの成形（加工点で必要なビームモードを作り出す）が行われる。
この際の入力ビームモード体積と出力ビームモード体積の差が、前記ビームモードを成形する際に発生する損失である。
この損失は、マスク３１の直径Ｄ、コリメーションレンズ３２の焦点距離ｆ、並びにマスク径Ｄとマスク３１からコリメーションレンズ３２の距離Ｌで決定される。
例えば、マスク径Ｄが大きく、焦点距離ｆと距離Ｌがほぼ等しい場合、損失はほとんどなく、出力ビームモード体積は入力ビームモード体積とほぼ等しくなり、ビーム伝達率αｉは大きくなる。
反対にマスク径Ｄが小さく、焦点距離ｆが長く、距離Ｌが短い場合、ほとんどが損失となり、出力ビームモード体積は入力ビームモード体積に対し非常に小さいものとなり、ビーム伝達率αｉは小さくなる。
従来の加工システムにおいては、Ｄ、ｆ、Ｌの３つのパラメータのうちマスク径Ｄは加工点で必要なビーム径、すなわち加工穴径により決定され、焦点距離ｆは固定であり、距離Ｌは機械的に移動させることが可能であるので、αｉを変化させるために距離Ｌを移動している。
しかし、距離Ｌの変化はサーボモータで行っているため、変化させるためには数１００ｍｓ以上の時間を必要としていた。
また、ピークパワーＰｉは、固定か、仮に変化させることができても定格値に対し±２０％程度であり、かつ変化させるには数１００ｍｓ以上の時間を必要とする。
以下に、第１８図の炭酸ガスレーザ発振器の模式図を用いて説明する。図において、２１はレーザ筺体、２２はレーザ媒質であるＣＯ２が入った混合ガス、２３は交流電源、２４は電極、２５は励起放電、２６は部分反射鏡、２７は全反射鏡、２８はレーザの発振モードを規定するアパーチャ、２９はレーザビーム光軸、６は出力されるレーザビームである。第１８図のように構成された炭酸ガスレーザ発振器において、交流電源２３からの電圧投入により電極２４の間で励起放電２５が形成され、ＣＯ２ガスが上位準位に励起される。
このときの放電により励起された粒子密度を放電電力密度と呼ぶ。
部分反射鏡２６と全反射鏡２７で構成された共振器内部でこの励起されたＣＯ２ガスが誘導放出によりレーザ光を増幅し、レーザビーム光軸２９を中心にレーザビーム６が出力される。
ここで、一般的に炭酸ガスレーザのような気体レーザの場合、共振器損失が一定である場合、レーザビームのピークパワーは放電電力密度にほぼ比例する。
この放電電力密度は、交流電源２３から電極２４に投入される電力にほぼ比例する。
したがって、放電電力密度を変化させるために、従来のレーザ発振器では電極間に印加する電圧を制御していた。
電圧を上げすぎると、電源に対する負荷が大きくなり、電源の故障や電極の破損を招くことになる。
また、電圧を下げすぎると放電しなくなり、結果としてレーザビームを出力できない状態になる。
したがって、電圧を変化させる範囲は一般的に定格値に対し±２０％程度に制限され、それに伴い、レーザビームのピークパワーも±２０％程度しか変化させることができない。
また、電圧を変化させるための応答速度は遅く、放電が安定するには数１００ｍｓ以上の時間が必要であるので、パルス毎に（パルスレーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で瞬時に）ピークパワーを変化させるような場合、安定したビームエネルギーを得ることができない。
また、レーザが出力されるレーザパルス時間幅Ｗｉ（以下、パルス幅と称す）は、励起放電している放電時間幅（以下、放電幅と称す）からレーザ発振遅れを引いた時間幅にほぼ等しい。
この理由は、励起放電開始時は、放電エネルギー（放電電力密度×時間）がレーザ発振閾値より低く、レーザ出力されないため、レーザ発振開始時間は励起放電開始時間に比べ遅れを伴うからである。（もちろん、この遅れは共振器構成、ガス組成等により異なる。）
なお、放電幅、具体的には投入電力を与える時間幅を制御することにより、レーザパルス幅を自由に変化させることができ、瞬時に（パルスレーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で）切替えることができる制御パラメータである。
但し、投入電力には電源負荷により決められる制限があり、パルス幅には上限がある。
上述したように、従来のレーザ加工システムでは、ビームエネルギーは、ピークパワーの変動が困難であることから、光学システムに基づくビーム伝達率αｉと、ビームパルス幅Ｗｉにより制御され、特に瞬時に条件切り替えする場合は、ビームパルス幅Ｗｉが唯一の制御パラメータであった。
次にレーザ照射パターンについて説明する。
レーザ照射パターンは大きく分けると、第１９図に示されるように穴あけ位置にビーム照射位置を位置決めした後、その穴形成に必要なショット数ｓだけ連続してレーザパルスを照射する加工であるバースト加工と、第２０図に示されるように穴あけ数ｎ、穴形成に必要なショット数ｓとしたとき、穴あけ位置にビーム照射位置を位置決めし、１ショットのレーザパルスを照射するという動作をｎ×ｓ回繰り返し行う加工であるサイクル加工の２つに分けることができる。
バースト加工は、各穴におけるｋショット目から（ｋ＋１）ショット目に要するレーザ発振時間をＴｏｋ（バースト加工ではビーム照射休止時間に相当）、ｓショット目のパルス幅をＷｓ、（ｊ−１）番目からｊ番目の穴への位置決め時間をＴｇｊとすると、
ｎ個の穴あけに必要な加工時間Ｔｂは、
一般的にＷｓ＜＜ΣＴｏｋであるから、
Ｔｏｋの平均値をＴｏ、Ｔｇｊの平均値をＴｇとすると、
Ｔｂの平均値Ｔｂａは、
したがって、レーザ発振時間Ｔｏとショット数ｓ、並びに位置決め時間Ｔｇにより加工時間が決まる。
一方サイクル加工は、各穴へのｉショット目のパルス幅をＷｉ、（ｊ−１）番目からｊ番目の穴への位置決め時間をＴｇｉｊとすると、
ｎ個の穴あけに必要な加工時間Ｔｃは、
一般的にＷｉ＜＜Ｔｇｉｊであるから、
Ｔｇｉｊの平均値をＴｇとすると、
Ｔｃの平均値Ｔｃａは、
したがって、サイクル加工ではショット数ｓと位置決め時間Ｔｇにより加工時間が決まる。
ここで、サイクル加工とバースト加工の違いを説明する。
サイクル加工では、各穴におけるビーム照射休止時間Ｔｑｃを長く取ることができるため、加工穴周辺への熱影響が少なくなり、加工品質は向上する。
それに対しバースト加工では、各穴はレーザ発振時間Ｔｏで加工されるため、ビーム照射休止時間ＴｑｂはＴｑｃに比べ短く（Ｔｑｃ＞＞Ｔｑｂ）、加工穴周辺への熱影響が生じやすい。
また加工時間については、式４と式７で一般的にＴｇ＞Ｔｏであることを考慮すると、
以上のように従来のレーザ加工システムでは、マスク径によりビーム径を制御し、放電電力密度と放電幅、並びに上述した光学システム等によりビームエネルギーを制御し、バースト加工とサイクル加工の選択やバースト加工時のレーザ発振周波数によりビーム照射休止時間を制御することにより、加工品質と生産性を確保してきた。
また、特開平４−４１０９１号公報には、第２１図に示すようなピークパワーを有するレーザ出力を行い、プリント配線基板１の表面銅箔１４を貫通加工し、更に絶縁樹脂１５を内面銅箔１６まで加工するという２種類の材質を加工するようなレーザ加工が示されている。
一般的に、銅箔は加工されにくいため、照射するビームエネルギーは大きくする必要がある。
一方、銅箔は光の反射率が高いため、ピークパワーの高いレーザビームを長い時間にわたり照射するとプラズマが発生し、このプラスマがレーザエネルギーの吸収をまねく。
また、銅箔は熱伝導率が大きく、熱しやすく冷めやすいという性質がある。
したがって、銅箔を貫通させるためには、短い時間に大きなビームエネルギーを照射する方法、すなわち、高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビーム（第２１図におけるＳ１）を照射する方法が適していることは一般的に知られている。
また、絶縁樹脂は、上記銅箔に比べ加工されやすいため、小さいエネルギーでも加工されるが、一般的にプリント基板に使用される絶縁樹脂の厚みは銅箔に比べ厚いため、全樹脂を加工するための総エネルギーは大きくする必要がある。
しかし、前記銅箔のように短い時間に大きなビームエネルギーを照射すると（ピークパワーを高くすると）、熱伝導率が小さい絶縁樹脂は深さ方向に熱エネルギーを伝えることができず、横方向にエネルギーが広がってしまうため、目的の加工深さが得られず、結果として、第２４図のような樹脂残り１７や内部膨らみ１９を発生させてしまう。
したがって、絶縁樹脂を貫通させるためには、低いピークパワーのレーザビームを数ショット（第２１図におけるＳ２〜Ｓ６）照射する方法が適していることは一般的に知られている。
以上のように照射するレーザパルスの各条件を選定することで、加工品質を劣化させることなく表層銅箔１２ａの貫通加工と絶縁樹脂１１の内面銅箔１２ｂまでの貫通加工を実施できることは一般的に広く知られている。
しかしながら、実加工において従来のレーザ加工システムを適用しようとすると、以下のような制限を受ける。
第一に、従来のレーザ加工システムでは、上述したようにピークパワーを大幅に変化させる方法が乏しく、特に瞬時に（レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で）変化させるようなことはできない。
第二に、従来のパルスレーザ発振器では、電源容量等の関係から高いピークパワーのレーザビームを出力する発振器では長いパルス幅のレーザビームを出力することができず、反対に長いパルス幅のレーザビームを出力する発振器では高いピークパワーのレーザビームを出力することができない。
したがって、従来のレーザ加工システムでは、第２２、２３図のようなレーザ照射パターンで加工を行うため、加工品質と生産性の両方を確保することが困難であり、どちらかを犠牲にすることになる。
第２２図は、第１５図におけるレーザ発振器２に高いピークパワーでかつ短いパルス幅（１〜１５μｓ）のレーザビームを出力する従来のレーザ発振器を用いた場合のレーザ照射パターンと加工状態を示す。
第２２図におけるＳ１１のように１ショット目に高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビームを照射し、表面銅箔１２ａを貫通させる。
絶縁樹脂１１ａを加工するのにピークパワーを低くし、４ショットのレーザビームＳ１２〜Ｓ１５を照射する。
また、６ショット目に樹脂残りを除去する目的で少しだけピークパワーを高くしたレーザビームＳ１６を照射する。
第２２図に基づく加工により、ある程度の加工品質は得ることができる。
しかし、上記のように２ショット目以降のピークパワーを大幅に低くするためには、上述した光学システム等を利用することになり、瞬時に変化させることはできないため、バースト加工はできない。
したがって、生産性が低下するサイクル加工かつショット数を増やして加工しなければならず、大きく生産性を低下させることになる。
例えば、穴数ｎ＝１００００個、条件切換えに必要な時間を考慮した平均の位置決め時間Ｔｇ＝０．００１秒（１ｋＨｚ）、ショット数ｓ＝６ショットである場合、加工時間は６０秒となり、仮に同じショット数でバースト加工（Ｔｏ＝０．０００５秒（２ｋＨｚ）とする）を行うことができたとしたときの加工時間３０秒に比べると、生産性が１／２となる。
第２３図は、第１５図におけるレーザ発振器２に従来の発振器で低いピークパワー（第２２図における発振器の１／４以下）でかつ長いパルス幅（例えば１６〜１５０μｓ）のレーザビームを出力する発振器を用いた場合のレーザ照射パターンと加工状態を示す。
第２３図におけるＳ２１のように１ショット目に照射するレーザビームのパルス幅を長くすることによりビームエネルギー大きくし、表面銅箔１２ａを貫通させようとするが、第２２図で示した１ショット目に比べ、ピークパワーが１／４以下であるため上述した理由により第２２図で示した１ショット目のエネルギー以上のビームエネルギーを投入しないと貫通することは難しい。
しかし、ビームエネルギーを上げようとパルス幅を必要以上に長くするとプラズマによるビーム吸収が発生し、エネルギーが銅箔に届かない。したがって、表面銅箔１２ａを貫通させるためには、エネルギーの大きなレーザビームを複数ショット照射する必要がある（この例では２ショットで表面銅箔１２ａを貫通させるとした）。
３ショット目は低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルスＳ２３を照射し、絶縁樹脂１１ａを内面銅箔１２ｂまで貫通させる。
４ショット目は３ショット目より高いピークパワーで比較的短いパルス幅のレーザパルスＳ２４により樹脂残りの除去を行う。
以上により表面銅箔１２ａ及び絶縁樹脂１１ａを貫通加工することができるが、銅箔に対しエネルギー過多であるため、第２２図の例に比べ、加工品質は劣化する。
また、第２２図で説明したときと同様、ピークパワーを瞬時に変更することができないため、バースト加工はできず、サイクル加工のみとなる。
以上のように、材質の全く異なる材料により多層化されたプリント配線基板を加工する場合、従来のレーザ加工システムでは加工品質と生産性の両方を確保することが困難である。
また、プリント配線基板の種類が多様化し、それぞれの加工内容も樹脂加工であったり銅箔と樹脂の混合加工であったりと異なるため、１台のレーザ加工システムで全ての加工を実施することは困難であり、設備投資に莫大な経費を必要とする。
発明の開示
本発明は前記課題を解消し、様々な材質のプリント配線基板に対し、生産性を損なうことなく加工品質を向上させることができるレーザ加工システム、及び同装置を用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、第１の観点によれば、電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするパルスレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを、被加工物に導く光学システムと、を備えたものである。
また、光学システムは、レーザ発振器から出力されたレーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有するものである。
また、電極間で励起放電を起こし、レーザビームを発振出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有し、レーザビームを被加工物に導く光学システムと、を備えたものである。
さらに、スイッチング手段のオンオフにより、フィルタ部材を通過すべく経路を切り替えるとともに、パルス発振されたレーザビームのパルス幅を制御するものである。
また、この発明に係るレーザ加工方法は、電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするレーザ発振器より出力されるレーザビームを用いて加工を行うレーザ加工方法において、レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、被加工物の材質、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
また、導体層の除去にはレーザ発振器の最大ピークパワーに近い出力かつ１〜１５μＳの短いパルス幅の第１のパルスで、絶縁層の除去には、上記第１のパルスの略１／２〜１／１０のピークパワーの出力かつ１６〜２００μＳの長いパルス幅の第２のパルスで、加工を行うものである。
また、放電指令パルスを切り替えることにより、１パルスのレーザ出力間において、ピークパワーを可変として、該パルス出力されたレーザビームを用いて加工を行うものである。
また、レーザ発振器の略最大ピークパワーかつ１〜１５μＳの短い時間の第１の領域、上記第１の領域の略１／２〜１／１０のピークパワーかつ１６〜２００μＳの長い時間の第２の領域を有した１パルスのレーザ出力で加工を行うものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１、２図は、実施の形態１に係り、第１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第２図は本発明のレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１図において、６ａ、８ａはレーザ発振器２Ａより出力するレーザビームとレーザ照射パターン、７ａ、９ａは光学システム３により成形された後のレーザビームとレーザ照射パターンを示し、その他第１５図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
第２図において、４１ａ，４１ｂは放電指令パルス群、４２ａ，４２ｂは放電電力パルス群、４３ａ，４３ｂは放電エネルギー、４４ａ，４４ｂは出力されるレーザビームエネルギーである。
また、ｆｈ、ｆｌは交流電源周波数、ｌｕ、ｌｄは実効放電電力密度、Ｎｕ、Ｎｄは平均放電電力密度、Ｄｓ、Ｄｌは放電幅、Ｐｕ、Ｐｄはピークパワー、Ｗｓ、Ｗｌはパルス幅、Ｌｓ、Ｌｌはレーザ発振遅れを示す。
従来の技術で説明したとおり、炭酸ガスレーザ発振器のような気体レーザ発振器では、発振器から出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅を変化させるために、共振器損失が一定の場合、放電電力密度と放電幅を制御する。
放電電力密度は投入電力に比例するので、従来技術では電極間への印加電圧を変化させることで放電電力密度を変化させていた。
本実施の形態では、投入電力が瞬間的な実行電力と時間平均的な平均電力に分けられ、かつ、レーザビームのピークパワーは時間平均的な平均電力に支配されていることに着目し、電圧を一定（実行放電電力密度を一定）とした上で単位時間当たりの放電電力パルス数を制御することで、平均放電電力密度を制御し、レーザビームのピークパワーを変化させるレーザ発振器に関するものである。
換言すると、プリント配線基板の被加工部の材質、材料構成、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
ここで、従来技術では放電電力パルス数が一定であるため、実効放電電力密度と平均放電電力密度が１対の比例関係であり、電圧の変化により実効放電電力密度を変化させ、平均放電電力密度を制御していた。
次に、第２図を用いて動作を説明する。
まず、時間間隔１／ｆｐで放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より電極間に放電電力パルス（周波数ｆｐ）が投入される。この放電電力パルスの高さが瞬間的な実効放電電力密度１であり、時間平均したものが平均放電電力密度Ｎである。
電極間に印加する電圧を一定とすると、実行放電電力密度は一定となり、単位時間当たりに投入する放電電力パルス数ｍが多いほど、平均放電電力密度は高く、レーザビームのピークパワーＰが高くなる。
例えば、短い時間間隔（１／ｆｈ）で放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より高い周波数ｆｈで放電電力パルスが投入され（単位時間あたりに投入する放電電力パルス数が多くなり）、平均放電電力密度Ｎｕが高くなり、高いピークパワーＰｕのレーザビームが出力される。
逆に、長い時間間隔（１／ｆｌ）で放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より低い周波数ｆｌで放電電力パルスが投入され（単位時間あたりに投入する放電電力パルス数が少なくなり）、平均放電電力密度Ｎｄが低くなり、低いピークパワーＰｄのレーザビームが出力される。
また、上述したように電極に電力を投入する時間を変化させることで、レーザビームのパルス幅を変化させる。
この電力の投入時間幅Ｄは、
したがって、上記放電指令パルス間隔１／ｆｐと放電電力パルス数ｍの制御によって任意のパルス幅を得る。
以上のように、本実施の形態では、交流電源周波数を変調することでレーザビームのピークパワーを、電力を投入する時間を変化させることでレーザビームのパルス幅を制御することで任意のレーザパルスを得る。
具体的には、放電指令パルスを与える時間間隔と放電指令パルス数を制御することにより、任意のレーザパルスを得る。
また、本発明によれば、高いピークパワーのときは比較的短いパルス幅、長いパルス幅のときは比較的低いピークパワーとすることにより、一定の電源負荷の範囲内でパルス波形の選択範囲を広げる効果がある。
上記制御によりレーザパルス毎にピークパワーとパルス幅を任意に変化させて任意のレーザ照射パターン８ａを得、得られたレーザ照射パターン８ａを光学システム３によりビーム成形し、レーザ照射パターン９ａとして加工対象物であるプリント配線基板１まで伝送し、加工する。
次に上記レーザ加工システムを用いたバースト加工方法について説明する。
一例として、第２１図と同じプリント基板、すなわち第１層目が表面銅箔１２ａ、第２層目が絶縁樹脂１１ａ、第３層目が内面銅箔１２ｂで構成されたプリント基板を加工する場合について説明する。
第３図はレーザビームの照射パターンを示す模式図であり、第４図はこのときの加工状況を説明するための模式図である。
第３図において、Ｓ３１〜Ｓ３３は各穴における１〜３ショット目のレーザビームであり、それぞれの面積はビームエネルギーを示す。
また、Ｐはピークパワー、Ｗはパルス幅、Ｔｏはレーザ発振時間、Ｔｇは位置決め時間である。
第４図において、１２ａは表面銅箔、１１ａは絶縁樹脂、１２ｂは内面銅箔、２０は加工予定位置、１４ａは加工後のブラインドバイアホール、Ｓ３１〜Ｓ３３はそれぞれ１〜３ショット目のレーザパルス波形、ａ１〜ａ３はそれぞれ１〜３ショット目の照射レーザビームにより加工される被加工部である。
本実施の形態では、第３図に示すようなレーザ照射パターンを用いて、プリント配線基板の材質や材料構成、加工厚み等に合わせ、レーザビームのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の各条件をパルス毎に瞬時に切替えるとともに、バースト加工方法を用いることにより、加工時間の短縮を計る。
従来技術で説明した材料とレーザビームの関係を前提に本実施の形態におけるレーザ加工方法について第３、４図を用いて説明する。
まず、１ショット目に照射するレーザビームＳ３１は、第一層の銅箔１２ａを加工するためのレーザパルスとし、銅箔除去の条件を満たすべく第１層目の銅箔を安定に貫通するには高いピークパワー（１〜３ｋＷ程度）でかつ短いパルス幅（１〜１５μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
次に、２ショット目に照射するレーザビームＳ３２は、第２層の絶縁樹脂１１ａを加工するためのレーザパルスとし、絶縁樹脂除去の条件を満たし、かつ生産性を上げるために、低いピークパワー（０．０５〜０．５ｋＷ程度）でかつ長いパルス幅（８０〜２００μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
このレーザパルスは第２１図と異なり、１ショット目のレーザパルスに対し、１／６以下の低いピークパワーでかつ５倍以上の長いパルス幅のレーザパルスとするため、第２１図では絶縁樹脂を貫通するのに複数のレーザビームを照射しなければならなかったが、本発明によれば１ショットを照射すればよい。
すなわち、ピークパワーを極端に低くすることで、エネルギーが径方向に広がるのを抑え、長いパルス幅にすることで深さ方向にエネルギーを注ぐことにより、加工穴径を保持したまま絶縁樹脂を１ショットで貫通させることができる。
結果として、加工品質を確保したままショット数を低減し、不要なビーム照射休止時間を省くので、生産性の向上につながる。
次に、３ショット目に照射するレーザビームＳ３３により、２ショット目のレーザビームＳ３２により除去しきれなかった絶縁樹脂１１ａを加工するためのレーザパルスとし、大きいエネルギーを照射すると内層銅箔損傷を招くため照射エネルギーＥ３は低い方がよく、また、樹脂残りを抑えるためには２ショット目よりはピークパワーを高くした方がよいことから、２ショット目よりも少し高いピークパワー（０．１〜１ｋＷ程度）でかつ短いパルス幅（１〜３０μｓ程度）のレーザパルスを照射する。
以上のように本実施の形態では、上記プリント配線基板の場合、３ショットのレーザビーム照射により良好な加工品質を確保しつつ、ショット数を低減することができる。
以上まとめると、本実施の形態では、レーザビームのピークパワーとパルス幅をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルスレーザ発振器の発振周波数以下の範囲でパルス毎に最適化することにより、ピークパワーを瞬時に変更し、例えば第３図のレーザ照射パターンをバースト加工で実施することにより、加工品質と生産性の両方を向上する効果を得る。
例えば、穴数ｎ＝１００００個、条件切換えに必要な時間を考慮した平均の位置決め時間Ｔｏ＝０．０００５秒（２ｋＨｚ）、ショット数ｓ＝３ショットである場合、加工時間は１５秒となり、第２０図のレーザ照射パターンでのサイクル加工と比較して、４５秒の短縮となる。
これは、異なる材質により多層化したプリント配線基板を高密度に穴あけ加工したい場合、特にその効果が発揮される。
また、上記ではブラインドバイアホール加工ついて説明したが、スルーホール加工に適用した場合も同様に、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビーム照射休止時間をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルスレーザ発振器の発振周波数以下の範囲でパルス毎に最適化することにより、加工品質と生産性を向上する効果がある。
また、上記ではバースト加工について説明したが、もちろんサイクル加工にも適用でき、バースト加工に比べ生産性を多少落とすが、より安定して良好な加工品質を得る効果がある。
また、バースト加工とサイクル加工を併用した加工方法に適用しても良い。
すなわち、ビーム照射休止時間に着目し、プリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、レーザパルスのピークパワーとパルス幅を最適化するだけでなく、ビーム照射休止時間を大幅に変化させる手段として、バースト加工とサイクル加工を使い分けることで、安定して良好な加工品質を得るだけでなく、生産性を向上させる効果がある。
また、本発明におけるプリント配線基板のレーザ加工システムを用いることにより、多種類のプリント配線基板の加工を１台のレーザ加工システムで実施できる。
実施の形態２．
上記実施の形態１では、平均放電電力密度と放電幅を変化させることにより、レーザビームのピークパワーとパルス幅を変化させる場合について説明したが、光学システムのビーム伝達率を変化させても良い。
したがって、本実施の形態では光学システムのビーム伝達率に着目した。
第５図、第６図、第７図、第８図は、実施の形態２に係る図であり、第５図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第６図はレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図、第７図はレーザ照射パターンを制御する手段として使用するオブジェクトの一例を示す模式図、第８図はオブジェクトの動作図である。
第６図において、４５ａ、４５ｂは光学システムによる成形された後のレーザビームエネルギーである。
第７図、第８図において、３３は随時レーザビーム伝達率を変化させることが可能な制御ユニットであるオブジェクト、３４はオブジェクト３３に入射されるレーザビーム６ｂの経路を適宜変更するための光学的な高速スイッチング素子、３５は入射されたレーザ光のレーザピークパワーを変えるべくビーム伝達率（ビーム透過率）がそれぞれ異なるハーフミラー、３６はハーフミラー３５により反射されたレーザ光を吸収するためのダンパーである。
また、スイッチング素子３４ａ，３４ｂで経路が変更されたレーザ光を、説明の便宜上３７ａ、３７ｂ、３８ｃとして説明する。
次に、本実施の形態における光学システムから加工点に出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅の変化について説明する。
まず、第６図を用いてビーム伝達率を変化させた場合のレーザピークパワーとパルス幅を変える動作について説明する。
光学システムにおけるビーム伝達率が例えば１００％（通常は５０％未満であるが説明の簡素化のために１００％とする）で一定の場合、レーザ発振器より出力されたレーザビームはそのまま同じピークパワーとパルス幅で加工点まで伝送される。
ここで、所定のビーム伝達率を持つオブジェクトを通過させると、レーザ発振器より出力されたレーザビームのうち、Ａ％がオブジェクトを透過、Ｂ％がオブジェクトに吸収、Ｃ％がオブジェクトを反射する（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１００％）。結果として、オブジェクトを通過して出力されるのはＡ％のレーザビームとなり、出力されるピークパワーが変化する。例えば、第６図に示すようにレーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ａが出力されている間、ビーム伝達率を低下させた場合、ピークパワーはＰｕからＰｍ（＜Ｐｕ）に変化し、パルス幅はＷｓのままであるレーザビーム４５ａを得る。
また、レーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ｂのビーム伝送途中においてビーム伝達率を瞬間的に０％にした場合、ピークパワーはＰｄのまま、パルス幅はＷｌからＷｍ（＜Ｗｌ）に変化したレーザビーム４５ｂを得る。
以上のように本実施の形態では、光学システムにおけるビーム伝達率を制御することにより、任意のピークパワーとパルス幅を得る。
但し、レーザ発振器より出力されたレーザビームを変換して任意のレーザパルスを得るため、最大のピークパワーと最長のパルス幅はレーザ発振器より出力されるレーザビームによって決定され、光学システムによりそれ以上のピークパワー、或いはパルス幅に変換することはできない。
具体的に、上記光学システムのビーム伝達率及びパルス幅を変化させる手段の一例として、第８図に示される随時レーザビーム伝達率を変化させることができるオブジェクト３３を用いて説明する。
オブジェクト３３は、光学的な高速スイッチング素子３４ａ〜３４ｄと透過率の異なるハーフミラー３５ａ、３５ｂ、並びにダンパー３６で構成する。
なお、オブジェクト３３に入力するレーザビームのピークパワーとパルス幅は一定として説明し、また、高速スイッチング素子の動作はＯＮで光が偏向されるものとする。
まず、スイッチング素子３４ａがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはそのままレーザビーム３７ａとなり、スイッチング素子３４ｃに伝送される。
このときスイッチング素子３４ｃをＯＦＦにしておけばレーザビーム３６ａはそのまま次のスイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄではＯＦＦからビーム伝送中に瞬時にＯＮに切替えると、ＯＦＦの間のレーザビームは７ｂとなるが、ＯＮの間のレーザビームは偏向され、ダンパー３６に照射される。
ＯＦＦの時間が短いとき、結果として、高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザパルス７ｂ１を得る。
次に、スイッチング素子３４ａがＯＦＦ、スイッチング素子３４ｂがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはスイッチング素子３４ａを通過してスイッチング素子３４ｂで偏向され、ハーフミラー３５ａに伝送される。
ハーフミラー３５ａの透過率が例えば透過率５０％であるとすると、レーザビーム３７ｂはピークパワーが７ｂに対し、半分でかつパルス幅は同じレーザビームとなる。
レーザビーム３７ｂは、スイッチング素子３４ｃに伝送され、３４ｃがＯＮのとき偏向され、スイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄでは上記説明と同じ動作が行われ、結果として、レーザパルス７ｂ２を得る。
次に、スイッチング素子３４ａ、３４ｂがＯＦＦである場合、レーザビーム６ｂはスイッチング素子３４ａ、３４ｂを通過してハーフミラー３５ｂに伝送される。
ハーフミラー３５ｂが例えば、透過率２５％であるとすると、レーザビーム３７ｃはピークパワーが６ｂに対し、１／４でかつパルス幅は同じレーザビームとなる。
その後、レーザビーム３７ｃはスイッチング素子３４ｄに伝送される。スイッチング素子３４ｄでは上記説明の動作とは逆の動作が行われる。すなわち、スイッチング素子３４ｄがＯＮの間のレーザビームは偏向されるが、ＯＦＦの間のレーザビームは通過し、ダンパー３６に照射される。
ＯＮの時間が長いとき結果として、低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルス７ｂ３を得る。
また、上記説明では３種類のピークパワーを制御する方法について示したが、２種類、或いは４種類以上のピークパワーを制御する場合についても同様な方法で制御し、任意のピークパワーとパルス幅のレーザパルスを得る。
本実施の形態では、上記オブジェクトを光学システムに挿入し、高速に光のＯＮ／ＯＦＦをスイッチングすることにより、レーザ発振器から出力されるレーザビームを任意のピークパワーとパルス幅のレーザパルスに変換する。
上記光学システムを第５図に示すレーザ加工システムに搭載すれば、実施の形態１で示した効果と同様の効果、すなわち、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビーム照射休止時間をプリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、パルス毎に最適化することにより、加工品質と生産性を向上するという効果を得る。
また、上記光学システムを上記実施の形態１で説明したレーザ発振器と組合わせたレーザ加工システム（第９図）を構成しても良い。
その効果として、レーザビームのピークパワーとパルス幅の変化をより詳細に、より大きくすることできる。
したがって、上記レーザ加工システムを用いれば、プリント配線基板の材質や材料構成に合わせ、より選択範囲を広げて、レーザビームのピークパワーとパルス幅、ビームエネルギーをパルス毎に最適化することになり、より複雑な材料構成に対しても加工品質と生産性を向上するという効果を得る。
実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、１台のレーザ発振器で構成されるレーザ加工システムについて説明したが、本実施の形態では、レーザビームのピークパワーとパルス幅が異なる少なくとも２台以上のレーザ発振器で構成されるレーザ加工システムを提供する。
第１０図は本発明のレーザ加工システムの構成を示す模式図である。図において２Ｃ，２Ｄはそれぞれレーザ発振出力の異なるレーザ発振器、３Ｃ、３Ｄは光学システム、６ｃ、８ｃ、６ｄ、８ｄはそれぞれレーザ発振器２Ｃ，２Ｄから出力されるレーザビームとレーザ照射パターン、７ｃ、７ｄは光学システム３Ｃ，３Ｄにより成形された後のレーザビームである。
続いて、第１０図の動作を説明する。
レーザ発振器２Ｃは、例えば銅箔を貫通するために最適な高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザパルス６ｃを出力し、レーザ発振器２Ｄは、例えば絶縁樹脂を貫通するために最適な低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルス７ｄを出力する。
レーザパルス８ｃと８ｄはそれぞれ光学システム３Ｃ，３Ｄにより、プリント配線基板１まで伝送され、照射される。
このとき、プリント配線基板１上の銅箔にはレーザビーム７ｃを照射し、絶縁樹脂にはレーザビーム７ｄを照射するように制御する。
すなわち、第２１図のようなプリント配線基板の場合、１ショット目にはレーザビーム７ｃを照射し、２ショット目にはレーザビーム７ｄを照射し、３ショット目にはレーザ発振器２Ｃから出力するレーザビームのピークパワーを低くして照射するように制御することにより、実施の形態１と同様に加工品質を向上する効果を得る。
実施の形態４．
第１１図、第１２図は実施の形態４に係り、第１１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第１２図は本発明のレーザパルス波形を制御する手段を説明するための模式図である。
第１１図において、４６ａ〜ｅは放電指令パルス群、４７ａ〜ｅは放電電力パルス群、４８ａ〜ｅは投入される放電エネルギー、４９ａ〜ｅは出力されるレーザビームエネルギーである。
本実施の形態の基本的考えは、第１１図におけるレーザ発振器２Ｅより出力されるレーザビーム６ｅは、実施の形態１で説明したとおり、共振器損失が一定の場合、平均放電電力密度と放電幅により決定されるが、レーザ発振の途中においても適用できることに着目したものである。
つまり、概略動作的には、第１２図に示すようなレーザパルス波形制御を行うことにより任意のレーザ照射パターン８ｅを得るものである。
次に、第１２図について動作を説明する。
なお、第１２図は上述した実施の形態１の基本的考え方、すなわち、共振器損失を一定として、平均放電電力密度によりピークパワーを、放電幅によりパルス幅をそれぞれ制御することに適用したものである。
また、実施の形態１と同様、具体的な制御方法としては平均放電電力密度を変化させるのに交流電源周波数を変調し、放電幅を変化させるのに投入電力の時間を変化させる方法を採る。
まず、高い周波数で放電指令パルス４６ａを与えると、単位時間あたりに投入される放電電力パルス数が多くなり、高い平均放電電力密度の４８ａが得られる。
この放電エネルギー４８ａ（Ｎ１×Ｔ１）に対し、レーザ発振遅れＬ１の後、高いピークパワーのビームエネルギー４９ａ（Ｐ１×Ｗ１）を出力する。
次に時間差（ビーム照射休止時間）をおくことなく連続して少し周波数を低下させた放電指令パルス４６ｂを与えると、放電電力パルス４７ｂが投入され、放電エネルギー４８ｂ（Ｎ２×Ｔ２）を得、今度はレーザ発振遅れなしで、先の４９ａに連続して、ビームエネルギー４９ｂ（Ｐ２×Ｗ２）を出力する。
以下同様に、時間差をおくことなく連続して放電指令パルス４６ｃ、４６ｄ、４６ｅを与えると、それに対し放電エネルギー４７ｃ（Ｎ３×Ｔ３）、４７ｄ（Ｎ４×Ｔ４）、４７ｅ（Ｎ５×Ｔ５）を得、先の４９ｂに連続して、ビームエネルギー４９ｃ（Ｐ３×Ｗ３）、４９ｄ（Ｐ４×Ｗ４）、４９ｅ（Ｐ５×Ｗ５）を出力する。
結果として、５種類の任意のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
また、実施の形態２と同様、得られたレーザ照射パターン８ｅを光学システム３Ｅによりビーム成形し、レーザ照射パターン９ｅとするように適宜光学システムによりレーザビーム波形を変化させても良い。
すなわち、実施の形態２で説明したレーザビームの波形を制御するオブジェクトのスイッチング動作をレーザ発振途中において制御することにより、上記で説明したような複数のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
以上のように、実施の形態１、２と同様の考え方をレーザ発振途中において適用することにより、複数のピークパワーが混在するレーザパルス波形を得る。
但し、実施の形態１、２と比較して、より高速でより安定な制御を行わなければ、パルス毎のばらつきが多くなる可能性がある。
次に上記レーザ加工システムを手段として用いた加工方法について説明する。本実施の形態における加工方法は実施の形態１の加工方法において、より詳細にレーザパルス波形の条件を設定することに適用したものである。
第１３図は、本発明のレーザ加工システムをバースト加工に適用したときのレーザビームの照射パターンを示す模式図である。
第１３図において、ｉショット目に照射するレーザビームのビームエネルギーＥｉは、ｉショット目に存在するｕ種類のピークパワーのうち、ｖ番目のピークパワーをＰｉｖ、Ｐｉｖで保持される時間幅をＷｉｖとすると、
ここで、本発明ではＰｉｖ、Ｗｉｖがともに瞬時（レーザパルス幅の１／２以下の時間）に切換えることができる制御パラメータであり、加工内容により上記方法を用いて切替える。
第１３図において、Ｓ４１、Ｓ４２はそれぞれ１ショット目中のＰ１１×Ｗ１１、Ｐ１２×Ｗ１２の照射レーザビーム、Ｓ４３は２ショット目のＰ２１×Ｗ２１の照射レーザビームである。
動作について説明する。
照射ビームＳ４１〜Ｓ４３は、実施の形態１で示したＳ３１〜Ｓ３３のそれぞれの照射ビームに対応するように適用したものである。
即ち、Ｓ４１は高いピークパワーでかつ短い時間幅、Ｓ４２は低いピークパワーでかつ長い時間幅、Ｓ４３はＳ４２より少し高いピークパワーでかつ短いパルス幅のレーザビームである。
それぞれのレーザビームによって、実施の形態１で説明した加工方法とほぼ同等の加工結果を得る。
すなわち、Ｓ４１により表面銅箔１２ａを貫通加工し、Ｓ４２により絶縁樹脂１１ａを貫通加工し、Ｓ４３により内面銅箔１２ｂにダメージを与えずに樹脂残りを除去する。
また、Ｓ４１ａとＳ４２は同じレーザパルスであるから、１穴あたりに必要なショット数が３ショットから２ショットに減少する。
したがって、ビーム照射休止時間を低減する効果があり、ｎ個の穴あけに必要な加工時間は実施の形態１よりも更に短縮される。
例えば実施の形態１で示した例では、加工時間が１０秒となり、実施の形態１のバースト加工に比べ、５秒の加工時間短縮が見込まれ、１．５倍の生産性向上となる。
以上のように、レーザパルス波形を制御するレーザ加工システムを用いることで、加工品質を向上し、またショット数低減（ビーム照射休止時間低減）により生産性も向上する。
また、従来のレーザ加工システムでは達成されなかった加工品質と生産性の両方を得る効果がある。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第２図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を示す状態図である。
第３図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムによるレーザ加工方法において用いられるレーザ照射パターンを示す模式図である。
第４図は、第３図のレーザ照射パターンによるレーザ加工状態を説明するための模式図である。
第５図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第６図は、オブジェクトによるビーム伝達率の変化を示す状態図である。
第７図は、オブジェクトの構成を示す構成図である。
第８図は、オブジェクトによるビーム伝達率及びパルス幅の変化を示す状態図である。
第９図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１０図は、実施の形態３におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１１図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１２図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１３図は、実施の形態４におけるレーザ加工システムをバースト加工に適用したときのレーザビームの照射パターンを示す模式図である。
第１４図は、一般的なプリント配線基板の穴あけ加工を説明するための模式図である。
第１５図は、従来のプリント配線基板の穴あけ用レーザ加工システムを説明するための模式図である。
第１６図は、レーザによる穴あけ加工による加工品質を説明するためのプリント配線基板の断面図である。
第１７図は、マスク、コリメーションレンズからなるオブジェクトの構成を示す構成図である。
第１８図は、炭酸ガスレーザ発振器を説明するための構成図である。
第１９図は、従来のプリント配線基板の穴あけレーザ加工方法であるバースト加工を説明するためのレーザ照射パターンである。
第２０図は、従来のプリント配線基板の穴あけレーザ加工方法であるサイクル加工を説明するためのレーザ照射パターンである。
第２１図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２２図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２３図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２４図は、従来の加工品質を示すプリント配線基板の断面図である。
【００１２】
とプラズマによるビーム吸収が発生し、エネルギーが銅箔に届かない。したがって、表面銅箔１２ａを貫通させるためには、エネルギーの大きなレーザビームを複数ショット照射する必要がある（この例では２ショットで表面銅箔１２ａを貫通させるとした）。
３ショット目は低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルスＳ２３を照射し、絶縁樹脂１１ａを内面銅箔１２ｂまで貫通させる。４ショット目は３ショット目より高いピークパワーで比較的短いパルス幅のレーザパルスＳ２４により樹脂残りの除去を行う。
以上により表面銅箔１２ａ及び絶縁樹脂１１ａを貫通加工することができるが、銅箔に対しエネルギー過多であるため、第２２図の例に比べ、加工品質は劣化する。
また、第２２図で説明したときと同様、ピークパワーを瞬時に変更することができないため、バースト加工はできず、サイクル加工のみとなる。
以上のように、材質の全く異なる材料により多層化されたプリント配線基板を加工する場合、従来のレーザ加工システムでは加工品質と生産性の両方を確保することが困難である。
また、プリント配線基板の種類が多様化し、それぞれの加工内容も樹脂加工であったり銅箔と樹脂の混合加工であったりと異なるため、１台のレーザ加工システムで全ての加工を実施することは困難であり、設備投資に莫大な経費を必要とする。
発明の開示
本発明は前記課題を解消し、様々な材料のプリント配線基板に対し、生産性を損なうことなく加工品質を向上させることができるレーザ加工システム、及び同システムを用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
とプラズマによるビーム吸収が発生し、エネルギーが銅箔に届かない。したがって、表面銅箔１２ａを貫通させるためには、エネルギーの大きなレーザビームを複数ショット照射する必要がある（この例では２ショットで表面銅箔１２ａを貫通させるとした）。
３ショット目は低いピークパワーでかつ長いパルス幅のレーザパルスＳ２３を照射し、絶縁樹脂１１ａを内面銅箔１２ｂまで貫通させる。４ショット目は３ショット目より高いピークパワーで比較的短いパルス幅のレーザパルスＳ２４により樹脂残りの除去を行う。
以上により表面銅箔１２ａ及び絶縁樹脂１１ａを貫通加工することができるが、銅箔に対しエネルギー過多であるため、第２２図の例に比べ、加工品質は劣化する。
また、第２２図で説明したときと同様、ピークパワーを瞬時に変更することができないため、バースト加工はできず、サイクル加工のみとなる。
以上のように、材質の全く異なる材料により多層化されたプリント配線基板を加工する場合、従来のレーザ加工システムでは加工品質と生産性の両方を確保することが困難である。
また、プリント配線基板の種類が多様化し、それぞれの加工内容も樹脂加工であったり銅箔と樹脂の混合加工であったりと異なるため、１台のレーザ加工システムで全ての加工を実施することは困難であり、設備投資に莫大な経費を必要とする。
発明の開示
本発明は前記課題を解消し、様々な材料のプリント配線基板に対し、生産性を損なうことなく加工品質を向上させることができるレーザ加工システム、及び同システムを用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１３】
この目的を達成するために、第１の発明は、電極間を流れる放電電流を、所定の周波数で構成される放電指令パルスのパルスを与える時間間隔とパルス数を制御して変化させ、ピークパワーとパルス幅において任意のレーザパルスを出力するレーザ発振器を備えたレーザ加工システムにおいて、被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替える手段を具備することを特徴とする。
また、第２の発明は、レーザ発振器から出力されるレーザビームを透過することにより、上記レーザビームのピークパワーを可変とする複数のフィルタ部材と、上記レーザビームが上記複数のフィルタ部材における任意のフィルタ部材を通過する経路を適宜切替えるスイッチング手段、を有する光学システムを備えたレーザ加工システムにおいて、被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替える手段を具備することを特徴とする。
また、第３の発明は、上記第１または第２の発明において、レーザ発振器は、放電指令パルスを制御することにより、１パルスのレーザ出力間においてピークパワーを可変とするものであることを特徴とする。
また、第４の発明は、電極間を流れる放電電流を、所定の周波数で構成される放電指令パルスのパルスを与える時間間隔とパルス数を制御して変化させ、ピークパワーとパルス幅において任意のレーザパルスを出力するレーザ発振器により被加工物をレーザ加工する方法において、前記被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替えることを特徴とする。
この目的を達成するために、第１の発明は、電極間を流れる放電電流を、所定の周波数で構成される放電指令パルスのパルスを与える時間間隔とパルス数を制御して変化させ、ピークパワーとパルス幅において任意のレーザパルスを出力するレーザ発振器を備えたレーザ加工システムにおいて、被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替える手段を具備することを特徴とする。
また、第２の発明は、レーザ発振器から出力されるレーザビームを透過することにより、上記レーザビームのピークパワーを可変とする複数のフィルタ部材と、上記レーザビームが上記複数のフィルタ部材における任意のフィルタ部材を通過する経路を適宜切替えるスイッチング手段、を有する光学システムを備えたレーザ加工システムにおいて、被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替える手段を具備することを特徴とする。
また、第３の発明は、上記第１または第２の発明において、レーザ発振器は、放電指令パルスを制御することにより、１パルスのレーザ出力間においてピークパワーを可変とするものであることを特徴とする。
また、第４の発明は、電極間を流れる放電電流を、所定の周波数で構成される放電指令パルスのパルスを与える時間間隔とパルス数を制御して変化させ、ピークパワーとパルス幅において任意のレーザパルスを出力するレーザ発振器により被加工物をレーザ加工する方法において、前記被加工物の材質や材料構成、加工厚みに合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件を、前記レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、パルス毎に切替えることを特徴とする。
【００１４】
また、第５の発明は、上記第４の発明において、導体層の除去には、レーザ発振器の最大ピークパワーに近い出力を有すると共に、１〜１５μｓのパルス幅を有する第１のパルスで加工し、絶縁層の除去には、上記第１のパルスの略１／２〜１／１０のピークパワーの出力を有すると共に、１６〜２０μｓのパルス幅を有する第２のパルスで加工を行うことを特徴とする。
また、第６の発明は、上記第４または第５の発明において、放電指令パルスを制御することにより、１パルスのレーザ出力間においてピークパワーを可変とするものであることを特徴とする。
図面の簡単な説明
第１図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第２図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を示す状態図である。
第３図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムによるレーザ加工方法において用いられるレーザ照射パターンを示す模式図である。
第図４は、第３図のレーザ照射パターンによるレーザ加工状態を説明するための模式図である。
第５図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第６図は、オブジェクトによるビーム伝達率の変化を示す状態図である。
また、第５の発明は、上記第４の発明において、導体層の除去には、レーザ発振器の最大ピークパワーに近い出力を有すると共に、１〜１５μｓのパルス幅を有する第１のパルスで加工し、絶縁層の除去には、上記第１のパルスの略１／２〜１／１０のピークパワーの出力を有すると共に、１６〜２０μｓのパルス幅を有する第２のパルスで加工を行うことを特徴とする。
また、第６の発明は、上記第４または第５の発明において、放電指令パルスを制御することにより、１パルスのレーザ出力間においてピークパワーを可変とするものであることを特徴とする。
図面の簡単な説明
第１図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第２図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムにおいてレーザ照射パターンを制御する手段を示す状態図である。
第３図は、実施の形態１におけるレーザ加工システムによるレーザ加工方法において用いられるレーザ照射パターンを示す模式図である。
第図４は、第３図のレーザ照射パターンによるレーザ加工状態を説明するための模式図である。
第５図は、実施の形態２におけるレーザ加工システムを説明するための模式図である。
第６図は、オブジェクトによるビーム伝達率の変化を示す状態図である。
【００１６】
第２１図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２２図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２３図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２４図は従来の加工品質を示すプリント配線基板の断面図である。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１、２図は、実施の形態１に係り、第１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第２図は本発明のレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１図において、６ａ、８ａはレーザ発振器２Ａより出力するレーザビームとレーザ照射パターン、７ｂ、９ｂは光学システム３により成形された後のレーザビームとレーザ照射パターンを示し、その他第１５図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
第２図において、４１ａ、４１ｂは放電指令パルス群、４２ａ、４２ｂは放電電力パルス群、４３ａ、４３ｂは放電エネルギー、４４ａ、４４ｂは出力されるレーザビームエネルギーである。
また、ｆｈ、ｆｌは交流電源周波数、ｌｕ、ｌｄは実効放電電力密度、Ｎｕ、Ｎｄは平均放電電力密度、Ｄｓ、Ｄｌは方ｄ年幅、Ｐｕ、Ｐｄはピークパワー、Ｗｓ、Ｗｌはパルス幅、Ｌｓ、Ｌｌはレーザ発振遅れを示す。
従来の技術で説明したとおり、炭酸ガスレーザ発振器のような気体レーザ発振器では、発振器から出力されるレーザビームのピークパワーと
第２１図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２２図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２３図は、従来のレーザ照射パターンを示す模式図とプリント配線基板の断面図である。
第２４図は従来の加工品質を示すプリント配線基板の断面図である。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１、２図は、実施の形態１に係り、第１図は本発明のレーザ加工システムを説明するための模式図、第２図は本発明のレーザ照射パターンを制御する手段を説明するための模式図である。
第１図において、６ａ、８ａはレーザ発振器２Ａより出力するレーザビームとレーザ照射パターン、７ｂ、９ｂは光学システム３により成形された後のレーザビームとレーザ照射パターンを示し、その他第１５図と同じものは同一符号を付して説明を省略する。
第２図において、４１ａ、４１ｂは放電指令パルス群、４２ａ、４２ｂは放電電力パルス群、４３ａ、４３ｂは放電エネルギー、４４ａ、４４ｂは出力されるレーザビームエネルギーである。
また、ｆｈ、ｆｌは交流電源周波数、ｌｕ、ｌｄは実効放電電力密度、Ｎｕ、Ｎｄは平均放電電力密度、Ｄｓ、Ｄｌは方ｄ年幅、Ｐｕ、Ｐｄはピークパワー、Ｗｓ、Ｗｌはパルス幅、Ｌｓ、Ｌｌはレーザ発振遅れを示す。
従来の技術で説明したとおり、炭酸ガスレーザ発振器のような気体レーザ発振器では、発振器から出力されるレーザビームのピークパワーと
【００１７】
パルス幅を変化させるために、共振器損失が一定の場合、放電電力密度と放電幅を制御する。
放電電力密度は投入電力に比例するので、従来技術では電極間への印加電力を変化させることで放電電力密度を変化させていた。
本実施の形態では、投入電力が瞬間的な実効電力と時間平均的な平均電力に分けられ、かつ、レーザビームのピークパワーは時間平均的な平均電力に支配されていることに着目し、電圧を一定（実効放電電力密度を一定）とした上で単位時間当たりの放電電力パルス数を制御することで、平均放電電力密度を制御し、レーザビームのピークパワーを変化させるレーザ発振器に関するものである。
換言すると、プリント配線基板の被加工部の材質、材料構成、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
ここで、従来技術では放電電力パルス数が一定であるため、実効放電電力密度と平均放電電力密度が１対の比例関係であり、電圧の変化により実効放電電力密度を変化させ、平均放電電力密度を制御していた。
次に、第２図を用いて動作を説明する。
まず、時間間隔１／ｆｐで放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より電極間に放電電力パルス（周波数ｆｐ）が投入される。この放電電力パルスの高さが瞬時的な実効放電電力密度１であり、時間平均したものが平均放電電力密度Ｎである。
電極間に印加する電圧を一定とすると、実効放電電力密度は一定となり、単位時間当たりに投入する放電電力パルス数ｍが多いほど、平均放電電力密度は高く、レーザビームのピークパワーＰが高くなる。
例えば、短い時間間隔（１／ｆｈ）で放電指令パルスを与えると、それ
パルス幅を変化させるために、共振器損失が一定の場合、放電電力密度と放電幅を制御する。
放電電力密度は投入電力に比例するので、従来技術では電極間への印加電力を変化させることで放電電力密度を変化させていた。
本実施の形態では、投入電力が瞬間的な実効電力と時間平均的な平均電力に分けられ、かつ、レーザビームのピークパワーは時間平均的な平均電力に支配されていることに着目し、電圧を一定（実効放電電力密度を一定）とした上で単位時間当たりの放電電力パルス数を制御することで、平均放電電力密度を制御し、レーザビームのピークパワーを変化させるレーザ発振器に関するものである。
換言すると、プリント配線基板の被加工部の材質、材料構成、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えるものである。
ここで、従来技術では放電電力パルス数が一定であるため、実効放電電力密度と平均放電電力密度が１対の比例関係であり、電圧の変化により実効放電電力密度を変化させ、平均放電電力密度を制御していた。
次に、第２図を用いて動作を説明する。
まず、時間間隔１／ｆｐで放電指令パルスを与えると、それに同期して交流電源より電極間に放電電力パルス（周波数ｆｐ）が投入される。この放電電力パルスの高さが瞬時的な実効放電電力密度１であり、時間平均したものが平均放電電力密度Ｎである。
電極間に印加する電圧を一定とすると、実効放電電力密度は一定となり、単位時間当たりに投入する放電電力パルス数ｍが多いほど、平均放電電力密度は高く、レーザビームのピークパワーＰが高くなる。
例えば、短い時間間隔（１／ｆｈ）で放電指令パルスを与えると、それ
【００２３】
第７図、第８図において、３３は随時レーザビーム伝達率を変化させることが可能な制御ユニットであるオブジェクト、３４はオブジェクト３３に入射されるレーザビーム６ｂの経路を適宜変更するための光学的な高速スイッチング素子、３５は入射されたレーザ光のレーザピークパワーを変えるべくビーム伝達率（ビーム透過率）がそれぞれ異なるハーフミラー、３６はハーフミラー３５により反射されたレーザ光を吸収するためのダンパーである。
また、スイッチング素子３４ａ、３４ｂで経路が変更されたレーザ光を、説明の便宜上３７ａ、３７ｂ、３７ｃとして説明する。
次に、本実施の形態における光学システムから加工点に出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅の変化について説明する。
まず、第６図を用いてビーム伝達率を変化させた場合のレーザピークパワーとパルス幅を変える動作について説明する。
光学システムにおけるビーム伝達率が例えば１００％（通常は５０％未満であるが説明の簡素化のために１００％とする）で一定の場合、レーザ発振器より出力されたレーザビームはそのまま同じピークパワーとパルス幅で加工点まで伝送される。
ここで、所定のビーム伝達率を持つオブジェクトを通過させると、レーザ発振器より出力されたレーザビームのうち、Ａ％がオブジェクトを透過、Ｂ％がオブジェクトに吸収、Ｃ％がオブジェクトを反射する（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１００％）。結果として、オブジェクトを通過して出力されるのはＡ％のレーザビーとなり、出力されるピークパワーが変化する。
例えば、第６図に示すようにレーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ａが出力されている間、ビーム伝達率を低下させた場合、ピークパワーはＰｕからＰｍ（＜Ｐｕ）に変化し、パルス幅はＷｓのままである
第７図、第８図において、３３は随時レーザビーム伝達率を変化させることが可能な制御ユニットであるオブジェクト、３４はオブジェクト３３に入射されるレーザビーム６ｂの経路を適宜変更するための光学的な高速スイッチング素子、３５は入射されたレーザ光のレーザピークパワーを変えるべくビーム伝達率（ビーム透過率）がそれぞれ異なるハーフミラー、３６はハーフミラー３５により反射されたレーザ光を吸収するためのダンパーである。
また、スイッチング素子３４ａ、３４ｂで経路が変更されたレーザ光を、説明の便宜上３７ａ、３７ｂ、３７ｃとして説明する。
次に、本実施の形態における光学システムから加工点に出力されるレーザビームのピークパワーとパルス幅の変化について説明する。
まず、第６図を用いてビーム伝達率を変化させた場合のレーザピークパワーとパルス幅を変える動作について説明する。
光学システムにおけるビーム伝達率が例えば１００％（通常は５０％未満であるが説明の簡素化のために１００％とする）で一定の場合、レーザ発振器より出力されたレーザビームはそのまま同じピークパワーとパルス幅で加工点まで伝送される。
ここで、所定のビーム伝達率を持つオブジェクトを通過させると、レーザ発振器より出力されたレーザビームのうち、Ａ％がオブジェクトを透過、Ｂ％がオブジェクトに吸収、Ｃ％がオブジェクトを反射する（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１００％）。結果として、オブジェクトを通過して出力されるのはＡ％のレーザビーとなり、出力されるピークパワーが変化する。
例えば、第６図に示すようにレーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ａが出力されている間、ビーム伝達率を低下させた場合、ピークパワーはＰｕからＰｍ（＜Ｐｕ）に変化し、パルス幅はＷｓのままである
【００２４】
レーザビーム４５ａを得る。
また、レーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ｂのビーム伝達途中においてビーム伝達率を瞬時的に０％にした場合、ピークパワーはＰｄのまま、パルス幅はＷｌからＷｍ（＜Ｗｌ）に変化したレーザビーム４５ｂを得る。
以上のように本実施の形態では、光学システムにおけるビーム伝達率を制御することにより、任意のピークパワーとパルス幅を得る。
但し、レーザ発振器より出力されたレーザビームを変換して任意のレーザパルスを得るため、最大のピークパワーと最長のパルス幅はレーザ発振器より出力されるレーザビームによって決定され、光学システムによりそれ以上のピークパワー、或いはパルス幅に変換することはできない。具体的に、上記光学システムのビーム伝達率及びパルス幅を変化させる手段の一例として、第７図に示される随時レーザビーム伝達率を変化させることができるオブジェクト３３を用いて説明する。
オブジェクト３３は、光学的な高速スイッチング素子３４ａ〜３４ｄと透過率の異なるハーフミラー３５ａ、３５ｂ、並びにダンパー３６で構成する。
なお、オブジェクト３３に入力するレーザビームのピークパワーとパルス幅は一定として説明し、また、高速スイッチング素子の動作はＯＮで光が偏向されるものとする。
まず、スイッチング素子３４ａがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはそのままレーザビーム３７ａとなり、スイッチング素子３４ｃに伝送される。
このときスイッチング素子３４ｃをＯＦＦにしておけばレーザビーム３６ａはそのまま次のスイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄではＯＦＦからビーム伝送中に瞬時にＯＮに
レーザビーム４５ａを得る。
また、レーザ発振器より出力されたレーザビーム４４ｂのビーム伝達途中においてビーム伝達率を瞬時的に０％にした場合、ピークパワーはＰｄのまま、パルス幅はＷｌからＷｍ（＜Ｗｌ）に変化したレーザビーム４５ｂを得る。
以上のように本実施の形態では、光学システムにおけるビーム伝達率を制御することにより、任意のピークパワーとパルス幅を得る。
但し、レーザ発振器より出力されたレーザビームを変換して任意のレーザパルスを得るため、最大のピークパワーと最長のパルス幅はレーザ発振器より出力されるレーザビームによって決定され、光学システムによりそれ以上のピークパワー、或いはパルス幅に変換することはできない。具体的に、上記光学システムのビーム伝達率及びパルス幅を変化させる手段の一例として、第７図に示される随時レーザビーム伝達率を変化させることができるオブジェクト３３を用いて説明する。
オブジェクト３３は、光学的な高速スイッチング素子３４ａ〜３４ｄと透過率の異なるハーフミラー３５ａ、３５ｂ、並びにダンパー３６で構成する。
なお、オブジェクト３３に入力するレーザビームのピークパワーとパルス幅は一定として説明し、また、高速スイッチング素子の動作はＯＮで光が偏向されるものとする。
まず、スイッチング素子３４ａがＯＮである場合、レーザビーム６ｂはそのままレーザビーム３７ａとなり、スイッチング素子３４ｃに伝送される。
このときスイッチング素子３４ｃをＯＦＦにしておけばレーザビーム３６ａはそのまま次のスイッチング素子３４ｄに伝送される。
スイッチング素子３４ｄではＯＦＦからビーム伝送中に瞬時にＯＮに
Claims (8)
- 電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするパルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを、被加工物に導く光学システムと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工システム。 - 光学システムは、レーザ発振器から出力されたレーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有することを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工システム。
- 電極間で励起放電を起こし、レーザビームを発振出力するレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出力された上記レーザビームを透過することにより上記レーザビームのピークパワーを可変とするフィルタ部材、ビーム透過率の異なるフィルタ部材を通過すべく適宜経路を切り替えるスイッチング手段、を有し、レーザビームを被加工物に導く光学システムと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工システム。 - スイッチング手段のオンオフにより、フィルタ部材を通過すべく経路を切り替えるとともに、パルス発振されたレーザビームのパルス幅を制御することを特徴とする請求の範囲２または３に記載のレーザ加工システム。
- 電極間に投入する放電電力を、所定の周波数で構成される放電指令パルスを切り替えることにより変化させ、レーザビームの特性を可変とするパルスレーザ発振器より出力されるレーザビームを用いて加工を行うレーザ加工方法において、
レーザ発振器の最大発振周波数以下の範囲で、被加工物の材質、加工厚み等に合わせ、照射する複数のレーザパルスのピークパワーとパルス幅、及びビーム照射休止時間の３つの条件をパルス毎に瞬時に切替えることを特徴とするレーザ加工方法。 - 導体層の除去にはレーザ発振器の最大ピークパワーに近い出力かつ１〜１５μＳの短いパルス幅の第１のパルスで、
絶縁層の除去には、上記第１のパルスの略１／２〜１／１０のピークパワーの出力かつ１６〜２００μＳの長いパルス幅の第２のパルスで、加工を行うことを特徴とする請求の範囲５に記載のレーザ加工方法。 - 放電指令パルスを切り替えることにより、１パルスのレーザ出力間において、ピークパワーを可変として、該パルス出力されたレーザビームを用いて加工を行うことを特徴とする請求の範囲５に記載のレーザ加工方法。
- レーザ発振器の略最大ピークパワーかつ１〜１５μＳの短い時間の第１の領域、上記第１の領域の略１／２〜１／１０のピークパワーかつ１６〜２００μＳの長い時間の第２の領域を有した１パルスのレーザ出力で加工を行うことを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工方法。
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