JPWO2013094025A1

JPWO2013094025A1 - レーザ加工方法

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Publication number: JPWO2013094025A1
Application number: JP2012525788A
Authority: JP
Inventors: 裕本木; 俊博森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: WO2013094025A1; JP5100917B1; KR20130086388A

Abstract

第１の形状のビーム断面をなし、被加工物上にて、第１の形状のビーム断面に相当する第１の照射領域（２１）をなすレーザ光を、掘削領域（２４）の全体へ順次照射させる第１の加工工程と、第１の形状より小さい第２の形状のビーム断面をなし、被加工物上にて、第２の形状のビーム断面に相当する第２の照射領域（２２）をなすレーザ光を、掘削領域（２４）へ順次照射させる第２の加工工程と、を含み、第１の加工工程では、第１の照射領域（２１）の一部分同士が互いに重畳する重畳領域（２３）を形成するように、第１の照射領域（２１）をなすレーザ光を順次照射させ、第２の加工工程では、掘削領域（２４）のうち重畳領域（２３）以外の領域に第２の照射領域（２２）が含まれるように、第２の照射領域（２２）をなすレーザ光を順次照射させる。

Description

本発明は、レーザ光の照射により、被加工物に穴あけ加工を施すレーザ加工方法に関する。

レーザ加工機による穴あけ加工は、被加工物を貫かず所望の深さに到達するまで掘削を施すことで、止まり穴の形成に適用されている。例えば、表層の樹脂層と内層の銅箔層とを備えるプリント配線板において、樹脂層から銅箔層に到達するまでの掘削により、止まり穴を形成することがある。銅は、レーザ光を高い効率で反射させる高反射性材料の一つとされている。樹脂層の掘削を経て、レーザ光が銅箔層に到達すると、銅箔層でレーザ光が反射することで、その先へのレーザ加工の進行が停止される。銅箔層が掘削領域の全体に露出する場合、銅箔層が露出した時点でレーザ加工の進行は停止される。この場合、十分なショット数のレーザ光を照射させて、銅箔層までの均一な加工ができる。

近年、プリント配線板の加工において、銅箔層が形成された領域に対して広い底面を持つ止まり穴を形成する事例が増加している。この場合、樹脂層の掘削により銅箔層が露出してからも、銅箔層の周囲においてレーザ加工が進行し得ることで、均一な深さの止まり穴を形成することが困難となる。レーザ光のビーム断面より広い領域を掘削する場合、被加工物に対してレーザ光の照射領域を相対移動させながらレーザ加工を行う。この場合、複数のショットにおけるレーザ光の照射領域が重なる部分と、重ならない部分とによって、無用な凹凸が生じることがある。例えば、特許文献１には、レーザ光の重なりによる凹凸の発生を抑制させるために、エネルギー密度分布が制御されたレーザ光の照射領域を重ね合わせる技術が提案されている。

特開平１１−３２０１５６号公報

ビーム断面の中心から周辺部に向けてエネルギー密度を減衰させたレーザ光を使用する場合に、被加工物上で受けるエネルギーを均等にするには、ビーム断面の幅に対して２分の１のピッチで相対移動するごとにレーザ光を照射することになる。この場合、連続する二回のショットにおける照射領域が重なるようなレーザ光の相対移動を、掘削領域の全体について行うこととなる。均一な加工を可能とするには、レーザ光のエネルギー分布と、レーザ光の照射領域を重ね合わせる量との厳密な調整を要する。レーザ加工機は、所望のエネルギー分布のレーザ光を作るための特殊な光学系を要する。

特許文献１の技術では、レーザ光の走査方向に対して各辺が斜めとなるように傾けられた矩形のビーム断面のレーザ光を使用する。掘削領域の外縁には、被加工物を平面視した場合において、矩形の角部分に相当する照射領域の一部分が連続して残存する。直線状の辺を外縁とする掘削領域を得るには、掘削領域の外縁を整形するための追加工を要することになる。矩形の角部分が残存しても直線とみなし得るようにするために、ビーム断面をさらに小さくした場合、加工に要するショット数をさらに増大させることとなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光のビーム断面より広い掘削領域を、凹凸を低減させて深さを均一とし、かつ効率的に加工可能とするレーザ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工物の掘削領域へ、前記掘削領域に対して小さいビーム断面をなすレーザ光を順次照射させ、前記掘削領域を加工するレーザ加工方法であって、第１の形状のビーム断面をなし、前記被加工物上にて、前記第１の形状のビーム断面に相当する第１の照射領域をなすレーザ光を、前記掘削領域の全体へ順次照射させる第１の加工工程と、前記第１の形状より小さい第２の形状のビーム断面をなし、前記被加工物上にて、前記第２の形状のビーム断面に相当する第２の照射領域をなすレーザ光を、前記掘削領域へ順次照射させる第２の加工工程と、を含み、前記第１の加工工程では、前記第１の照射領域の一部分同士が互いに重畳する重畳領域を形成するように、前記第１の照射領域をなすレーザ光を順次照射させ、前記第２の加工工程では、前記掘削領域のうち前記重畳領域以外の領域に前記第２の照射領域が含まれるように、前記第２の照射領域をなすレーザ光を順次照射させることを特徴とする。

本発明にかかるレーザ加工方法では、照射領域の一部を重畳させながら掘削領域の全体にレーザ光を順次照射させる第１の加工工程と、重畳領域以外の領域にレーザ光を順次照射させる第２の加工工程とを実施する。第１の照射領域の一部分同士を重畳させた重畳領域以外の領域を第２の照射領域とすることで、凹凸の発生を抑制させる。レーザ光のエネルギー密度の分布は調節を要さず任意であって、エネルギー分布に応じた、レーザ光の照射領域の重ね合わせ量の調整や、特殊な光学系が不要となる。掘削領域の外縁を整形するための追加工をしなくても、直線状の辺を外縁とする掘削領域を得ることができる。これにより、レーザ光のビーム断面より広い掘削領域を、凹凸を低減させて深さを均一とし、かつ効率的に加工することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法を適用するレーザ加工機の概略構成を示す図である。図２は、第１の加工工程における照射領域と、第２の加工工程における照射領域とについて説明する図である。図３は、第１の照射領域および第２の照射領域と、被加工物が掘削される状態との関係を説明する模式図である。図４は、第１の照射領域の位置と第２の照射領域の位置との関係の例を説明する図である。図５は、第１の照射領域の位置と第２の照射領域の位置との関係の例を説明する図である。

以下に、本発明にかかるレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法を適用するレーザ加工機の概略構成を示す図である。レーザ加工機１００は、被加工物３へレーザ光Ｌ（パルスレーザ光）を照射することにより、被加工物３にレーザ加工を施す装置である。

被加工物３は、例えば、表層の樹脂層と内層の銅箔層とを備えるプリント配線板である。レーザ加工機１００は、例えば、表層の樹脂層を加工する。本実施の形態のレーザ加工方法は、被加工物３として、いずれの材料を加工対象とするものであっても良い。

レーザ発振器１は、ビーム状のレーザ光Ｌを射出する。ビーム整形部１０は、レーザ光Ｌのビーム断面を整形する。ガルバノスキャナ１１は、ガルバノミラー１３を回動させる。ガルバノミラー１３は、ビーム整形部１０からのレーザ光Ｌを反射する。ガルバノミラー１３は、回動することで、レーザ光Ｌの進行方向を変化させる。

ガルバノスキャナ１２は、ガルバノミラー１４を回動させる。ガルバノミラー１４は、ガルバノミラー１３からのレーザ光Ｌを反射する。ガルバノミラー１４は、回動することで、レーザ光Ｌの進行方向を変化させる。ガルバノミラー１３および１４は、被加工物３上のＸＹ方向について、レーザ光Ｌの照射領域を移動させる。

ｆθレンズ１５は、テレセントリック性を備える集光レンズである。ｆθレンズ１５は、ＸＹ面に垂直なＺ方向に、レーザ光Ｌの主光線の向きを揃える。ＸＹテーブル１６は、被加工物３が載置されるとともに、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータ（いずれも図示省略）の駆動によってＸＹ平面内を移動する。これにより、ＸＹテーブル１６は、被加工物３をＸ方向およびＹ方向へ移動させる。

加工制御装置２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備える。加工制御装置２は、レーザ加工機１００全体を制御する。加工制御装置２は、加工プログラムに従い、レーザ発振器１、ガルバノスキャナ１１および１２、ＸＹテーブル１６のＮＣ（Numerical Control）制御を実施する。

レーザ加工機１００は、被加工物３を貫かず所望の深さに到達するまで掘削を施すことで、被加工物３に止まり穴を形成する。レーザ加工機１００は、被加工物３の掘削領域において照射領域を移動させながらレーザ光Ｌを順次照射させることで、掘削領域を加工する。掘削領域とは、レーザ光Ｌによる掘削を全体に施す対象である領域とする。

レーザ加工機１００は、第１の加工工程および第２の加工工程を経て、被加工物３の掘削領域を加工する。第１の加工工程では、レーザ加工機１００は、第１の形状のビーム断面をなすレーザ光を、掘削領域の全体へ順次照射させる。第１の形状は、例えば正方形とする。第１の形状は、掘削領域より小さい。レーザ加工機１００は、第１の加工工程において、例えば、第１の形状の開口を備えるマスクを、ビーム整形部１０として適用する。

第２の加工工程では、レーザ加工機１００は、第２の形状のビーム断面をなすレーザ光を、掘削領域へ順次照射させる。第２の形状は、掘削領域より小さく、かつ第２の形状より小さい。第２の形状は、例えば正方形とする。レーザ加工機１００は、第２の加工工程において、例えば、第２の形状の開口を備えるマスクを、ビーム整形部１０として適用する。なお、ビーム整形部１０は、マスクの他、レーザ光Ｌのビーム断面の形状を第１の形状と第２の形状とに変更可能ないずれの光学素子であっても良い。

図２は、第１の加工工程における照射領域と、第２の加工工程における照射領域とについて説明する図である。図３は、第１の照射領域および第２の照射領域と、被加工物が掘削される状態との関係を説明する模式図である。レーザ加工機１００は、第１の加工工程および第２の加工工程のいずれを先に実施しても良いものとする。

第１の加工工程において、レーザ光Ｌは、被加工物３上にて第１の照射領域２１をなす。第１の照射領域２１は、第１の形状のビーム断面に相当する。マスクの開口である第１の形状の像を被加工物３上に転写する際の転写限界により、第１の照射領域２１は、正方形の角に丸みを持つ形状となる。第１の照射領域２１は、掘削領域２４より小さい。

第１の加工工程では、レーザ加工機１００は、第１の照射領域２１の一部分同士が互いに重畳する重畳領域２３を形成するように、掘削領域２４の全体にレーザ光Ｌを順次照射させる。レーザ加工機１００は、例えば、正方形に近い形状の掘削領域２４に対して、Ｘ方向に二つ、Ｙ方向に二つの第１の照射領域２１をなすように、レーザ光Ｌの位置を順次移動させる。

この場合において、Ｘ方向において隣り合う第１の照射領域２１の一部分同士、Ｙ方向において隣り合う第１の照射領域２１の一部分同士が、それぞれ重畳領域２３を構成する。重畳領域２３は、ＸＹ面内において、掘削領域２４の中心を交点とする十字型をなしている。

第１の加工工程では、被加工物３は、第１の照射領域２１のうち重畳領域２３が深く掘り込まれる。重畳領域２３のうち、四つの第１の照射領域２１が重畳する交点部分は、各第１の照射領域２１のうち丸みを帯びた角部分の重畳であることから、重畳領域２３のその他の部分に比べて掘削が大きく進行することにはなりにくい。これに対して、重畳領域２３は、第１の照射領域２１のうち重畳領域２３以外の部分に比べて、掘削が大きく進行することとなる。

第２の加工工程において、レーザ光Ｌは、被加工物３上にて第２の照射領域２２をなす。第２の照射領域２２は、第２の形状のビーム断面に相当する。第１の照射領域２１と同様、マスクの開口である第２の形状の像を被加工物３上に転写する際の転写限界により、第２の照射領域２２は、正方形の角に丸みを持つ形状となる。第２の照射領域２２は、掘削領域２４より小さく、かつ第１の照射領域２１より小さい。

第２の加工工程では、レーザ加工機１００は、掘削領域２４のうち重畳領域２３以外の領域に、第２の照射領域２２が含まれるように、レーザ光Ｌを順次照射させる。掘削領域２４のうち重畳領域２３以外の領域は、十字型の重畳領域２３によってＸ方向に二つ、Ｙ方向に二つに分断される。レーザ加工機１００は、かかる四つの領域の各々に第２の照射領域２２が一致するように、レーザ光Ｌの位置を順次移動させる。Ｘ方向において隣り合う第２の照射領域２２同士の間、Ｙ方向において隣り合う第２の照射領域２２同士の間には、それぞれ重畳領域２３の幅に相当する間隔が設けられる。

第２の加工工程では、被加工物３は、重畳領域２３以外の部分が掘り込まれる。第２の加工工程では、レーザ加工機１００は、第１の加工工程における重畳領域２３の深さと重畳領域２３以外の部分の深さとの差分に相当する深さを掘削する。レーザ加工機１００は、第２の照射領域２２について、重畳領域２３の部分の深さに到達するまで掘削を施す。レーザ加工機１００は、第１および第２の加工工程により、掘削領域２４の全体が均一な深さをなす止まり穴を被加工物３に形成する。

レーザ加工機１００は、例えば、第１の加工工程と第２の加工工程とで、同等のエネルギーのレーザ光Ｌを使用する。レーザ加工機１００は、第１の加工工程において、一部分が互いに重なり合う四つの領域に対して一回ずつ、合計四回のショットにより、掘削領域２４の全体にレーザ光Ｌを照射させる。レーザ加工機１００は、第２の加工工程において、掘削領域２４のうち互いに間隔をなす四つの領域に対して一回ずつ、合計四回のショットにより、レーザ光Ｌを照射させる。

なお、レーザ加工機１００は、第２の加工工程では、各領域に対して複数回ずつのショットによりレーザ光Ｌを照射しても良い。レーザ加工機１００は、第２の加工工程におけるレーザ光Ｌのエネルギーを、第１の加工工程におけるレーザ光Ｌのエネルギーより小さく設定する。レーザ加工機１００は、第１の加工工程および第２の加工工程により得られる止まり穴に要求される仕上がり状態等に応じて、レーザ光Ｌのショット数およびエネルギーを適宜調整しても良い。

本実施の形態にかかるレーザ加工方法は、第１の照射領域２１の一部分同士を重畳させる第１の加工工程と、重畳領域２３以外に第２の照射領域２２を一致させる第２の加工工程とにより、掘削領域２４における凹凸の発生を抑制させる。レーザ加工機１００は、レーザ光Ｌについては、第１の加工工程と第２の加工工程とでビーム断面の形状を整形すれば良く、エネルギー分布の特別な調節は不要である。

本実施の形態にかかるレーザ加工方法によると、掘削領域２４の外縁を整形するための追加工をしなくても、直線状の辺を外縁とする掘削領域２４を得ることができる。これにより、レーザ光Ｌのビーム断面より広い掘削領域２４を、凹凸を低減させて深さを均一とし、かつ効率的に加工することができるという効果を奏する。

図４および図５は、第１の照射領域の位置と第２の照射領域の位置との関係の例を説明する図である。例えば、図４に示す例では、レーザ加工機１００は、第１の加工工程における第１の照射領域２１のうちの一つと、第２の加工工程における第２の照射領域２２のうちの一つとで、中心位置同士を一致させる。

この例では、レーザ加工機１００は、第１の加工工程と第２の加工工程とで、レーザ光Ｌを入射させる目標として共通の座標を使用可能とする。これにより、レーザ加工機１００は、制御の容易化を図り得る。

図５に示す例では、レーザ加工機１００は、第１の加工工程における第１の照射領域２１のうちの一つと、第２の加工工程における第２の照射領域２２のうちの一つとにおいて、第２の照射領域２２の外縁の一部を、第１の照射領域２１のうち掘削領域２４の外縁を構成する部分に一致させる。第１の照射領域２１がなす略正方形のうち互いに垂直な方向の二辺と、第２の照射領域２２がなす略正方形のうち互いに垂直な方向の二辺とは、掘削領域２４の外縁にて一致する。

この例では、レーザ加工機１００は、第１の加工工程において掘削を施す領域の境界と、第２の加工工程において掘削を施す領域の境界とを、掘削領域２４の外縁にて一致させる。これにより、レーザ加工機１００は、掘削領域２４の外縁近傍について、凹凸の発生を低減させることができる。また、レーザ加工機１００は、掘削領域２４の外縁に、テーパ面等を形成可能とする。

レーザ加工機１００は、第１の加工工程および第２の加工工程により得られる止まり穴に要求される形状に応じて、第１の照射領域２１の位置と第２の照射領域２２の位置とを適宜調整しても良い。

本実施の形態のレーザ加工方法では、略正方形の掘削領域２４に対して、第１の形状および第２の形状として正方形を採用することで、重畳領域２３以外の領域に第２の照射領域２２を一致可能とする。第１の形状および第２の形状として、掘削領域２４の形状に相似する形状を適用することで、Ｘ方向およびＹ方向の双方について、重畳領域２３が占める幅を必要最小限に設定し得る。

第１の形状および第２の形状は、正方形である場合に限られず、適宜変形可能であるものとする。第１の形状および第２の形状は、例えば長方形であっても良い。本実施の形態のレーザ加工方法では、矩形の掘削領域２４に対しては、第１の形状および第２の形状として矩形を採用することで、重畳領域２３以外の領域に第２の照射領域２２を一致させることができる。第１の形状および第２の形状として矩形を採用することで、直線状の辺を外縁とする掘削領域２４を得ることができる。

本発明にかかるレーザ加工方法は、ビーム断面より大きい領域を掘削するための加工に有用であり、例えばプリント配線板の穴あけ加工、大口径の座ぐり加工等に適している。

１レーザ発振器
２加工制御装置
３被加工物
１０ビーム整形部
１１、１２ガルバノスキャナ
１３、１４ガルバノミラー
１５ｆθレンズ
１６ＸＹテーブル
２１第１の照射領域
２２第２の照射領域
２３重畳領域
２４掘削領域
１００レーザ加工機
Ｌレーザ光

第２の加工工程では、レーザ加工機１００は、第２の形状のビーム断面をなすレーザ光を、掘削領域へ順次照射させる。第２の形状は、掘削領域より小さく、かつ第１の形状より小さい。第２の形状は、例えば正方形とする。レーザ加工機１００は、第２の加工工程において、例えば、第２の形状の開口を備えるマスクを、ビーム整形部１０として適用する。なお、ビーム整形部１０は、マスクの他、レーザ光Ｌのビーム断面の形状を第１の形状と第２の形状とに変更可能ないずれの光学素子であっても良い。

Claims

被加工物の掘削領域へ、前記掘削領域に対して小さいビーム断面をなすレーザ光を順次照射させ、前記掘削領域を加工するレーザ加工方法であって、
第１の形状のビーム断面をなし、前記被加工物上にて、前記第１の形状のビーム断面に相当する第１の照射領域をなすレーザ光を、前記掘削領域の全体へ順次照射させる第１の加工工程と、
前記第１の形状より小さい第２の形状のビーム断面をなし、前記被加工物上にて、前記第２の形状のビーム断面に相当する第２の照射領域をなすレーザ光を、前記掘削領域へ順次照射させる第２の加工工程と、を含み、
前記第１の加工工程では、前記第１の照射領域の一部分同士が互いに重畳する重畳領域を形成するように、前記第１の照射領域をなすレーザ光を順次照射させ、
前記第２の加工工程では、前記掘削領域のうち前記重畳領域以外の領域に前記第２の照射領域が含まれるように、前記第２の照射領域をなすレーザ光を順次照射させることを特徴とするレーザ加工方法。
前記第１の形状および前記第２の形状が、いずれも矩形であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記第２の照射領域の中心位置を、前記第１の照射領域の中心位置に一致させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
前記第２の照射領域の外縁の一部を、前記第１の照射領域のうち前記掘削領域の外縁を構成する部分に一致させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。