KR101318612B1

KR101318612B1 - 레이저가공방법

Info

Publication number: KR101318612B1
Application number: KR1020060095904A
Authority: KR
Inventors: 구니오 아라이
Original assignee: 히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-10-15
Also published as: JP5030512B2; TWI378839B; DE102006046679A1; JP2007118079A; TW201228761A; US8319147B2; DE102006046679B4; KR20070037404A; TW200716289A; US20070075059A1

Abstract

가공능률을 저하시키지 않고 가공정밀도 및 가공품질이 우수한 레이저가공방법 및 레이저가공장치를 제공하기 위해, 펄스형상의 제 1 레이저빔인 분기빔(5)과, 제 1 레이저빔(5)의 조사위치를 기준으로 해서 조사위치가 위치결정되는 펄스형상의 제 2 레이저빔인 분기빔(6)에 의해 1개의 구멍을 가공한다. 이 경우, 분기빔(5)과 분기빔(6)의 주회방향 및 각속도를 동일하게 해서 원형의 구멍을 가공하면, 가공품질을 향상시킬 수 있다. 분기빔(5)과 분기빔(6)은 1개의 레이저발진기(1)로부터 출사되는 레이저빔을 빔스플리터(4)에 의해 분기하고, AOM(7A, 7B)에 의해 시간 분기한 것으로 할 수 있다.

분기빔, 트레퍼닝가공, 빔스플리터, 레이저빔, 음향광학소자

Description

레이저가공방법{LASER MACHINING METHOD}

도 1은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 1 레이저가공기의 광학계 구성도,

도 2는 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 3은 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 4는 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 5는 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 6은 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 7은 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 8은 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도,

도 9는 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 2 레이저가공기의 광학계 구성도,

도 10은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 3 레이저가공기의 광학계 구성도,

도 11은 본 발명을 적용해서 트레퍼닝(trepanning)가공을 하는 경우의 조사 타이밍의 일예를 나타내는 도면,

도 12는 본 발명을 적용해서 수지를 펀칭가공하는 경우의 조사타이밍의 일예를 나타내는 도면,

도 13은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 4 레이저가공기의 광학계 구성도.

[부호의 설명]

1; 레이저발진기 4; 빔스플리터

5; 분기빔 6; 분기빔

7A, 7B; AOM

본 발명은 펄스형상의 레이저빔을 피가공물에 조사해서 피가공물에 구멍을 가공하는 레이저가공방법에 관한 것이다.

특허문헌 1에는 한쌍의 회전경으로 구성되는 제 1 갈바로미러계와, 회전경과 회전편광빔 믹서로 구성되는 제 2 갈바노미러계에 의해, S편광으로 한 제 2 레이저빔과 P편광으로 한 제 1 레이저빔을 1개의 fθ렌즈에 동시에 입사시켜, 2개소를 동시에 가공하도록 한 레이저가공방법이 개시되어 있다.

예를 들면 CO₂ 레이저의 경우, 레이저빔의 에너지밀도를 높게 할 수 있으므로, CO₂ 레이저를 흡수하기 쉬운 재료를 고능률로 가공할 수 있다. 그러나, CO₂ 레이저를 동판(銅板)에 조사한 경우, CO₂ 레이저의 대부분이 동판의 표면에서 반사되어 버리기 때문에, 가공이 곤란하다. 그래서, 예를 들면, 동도체층(이하, 「동층」 이라 한다)과 수지층(수지 또는 수지와 유리섬유로 이루어지는 절연층. 이하, 「절연층」이라 한다)이 적층된 프린트기판의 표면의 동층과 하층의 동층을 전기적으로 접속하기 위한 구멍을 가공하는 경우, 미리 표면의 동층에 구멍을 뚫어 두고, 이 구멍에 레이저빔을 조사해서 절연물을 제거하여, 하층의 동층에 도달하는 구멍을 가공하고 있었다. 이 때문에, 가공 공정이 많아졌다.

한편, UV레이저는 금속, 유기재료, 무기재료 등, 많은 재료에 흡수되기 쉬우므로, CO₂ 레이저에 비해 복합재료를 비교적 용이하게 가공할 수 있다. 이 때문에, 프린트기판의 표면의 동층과 하층의 동층을 전기적으로 접속하기 위한 구멍을 가공하는 경우, 미리 표면의 동층에 구멍을 뚫어 둘 필요가 없어, 가공 공정수를 저감시킬 수 있다. 그래서, 프린트기판의 가공을 하기 위해, UV레이저를 이용한 가공법이 주류로 되고 있다.

[특허문헌 1] 일본국 특허공개공보 2004－249364호

UV레이저의 경우, 레이저발진기의 발진주파수는 높지만, 펄스 1개당의 에너지는 작다. 펄스 1개당의 에너지가 작아도, 레이저빔의 외경을 줄여, 단위체적당의 에너지밀도를 높게 하는 것에 의해, 예를 들면 동층을 능률좋게 가공할 수 있다. 그러나, 에너지밀도를 너무 높게 하면, 구멍바닥의 동층이 용융해서 구멍이 뚫려 버리는 경우가 있다.

예를 들면, 동층과 절연층이 적층된 프린트기판의 표면의 동층과 하층의 동 층을 접속하는 직경이 40㎛인 구멍을 동일직경 즉 직경이 40㎛인 UV레이저에 의해 버스트가공(동일한 위치에 레이저빔을 반복해서 조사하는 가공방법. 여기서는 펀칭가공과 마찬가지이므로 펀칭가공이라고도 한다)하면, 이하와 같은 결과가 된다. 또한, 동층을 가공하는 경우의 에너지밀도는 8J/㎠, 절연층을 가공하는 경우의 에너지밀도는 1J/㎠, 펄스 주파수를 30㎑로 한다.

[1] 표면의 동층의 판두께가 5㎛이하, 절연층의 두께가 25㎛이상인 경우에, 표면의 동층을 가공하는 경우

·레이저빔을 임의의 회수 이상 계속해서 조사하면, 표면의 동층과 절연층의 경계에 박리가 발생하여, 동층이 박리하기 쉬워진다. 즉, 동층과 절연층의 경계에 균열을 발생시키지 않도록 하기 위해서는 조사회수를 미리 정하는 수까지로 할 필요가 있다.

[2] 표면의 동층의 판두께가 5㎛이상, 절연층의 두께가 25㎛이상인 경우에, 표면의 동층을 가공하는 경우

·레이저빔을 임의의 회수 이상 계속해서 조사하면, 동층의 하부의 절연층이 도려내어져 표면의 동층의 오버행이 커지고, 도금의 부착이 나빠진다. 즉, 동층의 오버행을 작게 하기 위해서는 조사회수를 미리 정하는 수까지로 할 필요가 있다.

[3] 절연층이 수지만인 경우에 절연층을 가공하는 경우

·레이저빔을 임의의 회수 이상을 계속해서 조사하면, 맥주통형상의 구멍이 된다. 즉, 측벽이 곧은(straight) 구멍을 형성하기 위해서는 조사회수를 미리 정하는 수까지로 할 필요가 있다.

[4] 절연층내에 유리섬유가 들어가 있는 경우에 절연층을 가공하는 경우

·레이저빔을 임의의 회수 이상을 계속해서 조사하면, 유리섬유가 구멍내로 돌출된 맥주통형상의 구멍으로 된다. 즉, 측벽의 요철이 적고 또한 곧은 구멍을 형성하기 위해서는 조사회수를 미리 정하는 수까지로 할 필요가 있다.

또, 상기와 동일한 조건으로 트레퍼닝가공(레이저빔을 원주 궤도상에서 복수회 조사하고, 레이저빔보다도 대경의 구멍을 가공하는 가공방법)하는 경우에도, 조사피치(레이저빔의 조사위치간격, 펄스피치라고도 한다)를 작게 하면, 동층과 절연층이 박리되기 쉽다.

따라서, 어느 경우에도 레이저가공방법으로서 가공능률을 저하시키지 않고, 또한 열의 집중을 예방해서 동층과 절연층의 박리 등을 방지하는 것이 필요하게 된다.

그래서 종래에는 예를 들면 상기 [1]의 경우, 사이클가공, 즉 복수 개소를 1조로 해서 각 가공개소에 대해 레이저빔을 미리 정하는 펄스수 조사하는 것을 필요 회수 반복하는 것에 의해, 가공품질을 유지하고 있었다.

사이클 가공인 경우의 구체적인 가공 시간은 다음과 같이 된다.

예를 들면, 두께가 40㎛인 수지만으로 이루어지는 절연층을 펄스주파수 30㎑, 에너지밀도 1J/㎠로 가공하는 경우, 레이저빔을 40펄스 조사할 필요가 있다. 여기서, 갈바노미러의 위치결정시간은 2㎑로 한다. 또, 1개소에 10펄스씩 조사하는 것으로 해서 복수 개소를 병행해서 가공한다고 한다. 이 경우, 각 가공개소마다 갈바노미러의 위치결정이 4회, 가공이 4회이기 때문에, 1개소의 가공을 하는데 3.2ms 걸린다. 또, 1개소에 5펄스씩 조사하는 경우, 위치결정이 8회, 가공이 8회이기 때문에, 1개소의 가공을 하는데 5.1ms 걸린다.

또, 레이저빔의 직경(빔직경)이 커질수록, 또 가공속도가 빨라질수록 단위시간내의 분해 비산물의 양이 증가한다. 고온의 분해 비산물내를 레이저빔이 통과하면 레이저빔의 굴절률이 변화하고, 이것에 수반해서 빔모드가 변화하여 가공된 구멍의 형상 정밀도가 저하하는 경우가 있다. 즉, 빔모드가 가우시안 빔모드(에너지 강도가 가우시안 곡선형상의 레이저빔)인 경우, 구멍의 벽면을 급준, 즉 구멍바닥직경을 구멍의 입구직경에 가까운 구멍을 가공할 수 있지만, 빔모드가 변화하면, 구멍바닥직경이 구멍의 입구직경보다 훨씬 작아져 버리는 경우도 있다. 따라서, 레이저가공방법으로서, 가공능률을 저하시키지 않고 또한 분해 비산물의 발생을 억제하는 것도 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 가공능률을 저하시키지 않고 가공정밀도 및 가공품질이 우수한 레이저가공방법을 제공하는 것이다.

그러나, 사이클 가공을 채용하는 경우, 가공품질의 향상을 목적으로 1회에 조사하는 회수를 작게 하면 할수록 위치결정회수가 증가하므로, 가공시간이 길어진다. 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자는 각종 테스트를 하여 다음의 결과를 얻었다.

구멍의 측면의 형상 및 품질을 향상시키기 위해서는 레이저빔의 직경을 소경(小徑)으로 하는 것이 유효하다. 즉, 동층을 가공하는 경우, 동층과 절연층의 박 리가 없고, 동층에 오버행이 없는 형상이 얻어지는 빔직경은 30㎛이하(이상적으로는 25㎛이하), 에너지밀도 14J/㎠ 이하(이상적으로는 10J/㎠ 이하)이다. 그리고, 이러한 조건으로 하는 경우, 동층만을 가공하는 범위에서는 펄스를 연속해서 조사해도, 구멍의 품질을 손상시키는 일은 거의 없는 것, 또 절연층을 가공하는 경우, 절연층이 수지만으로 형성되어 있는 경우에는 에너지밀도 1.5J/㎠ 이하(이상적으로는 1.0J/㎠ 이하), 연속 펄스수 10펄스 이하(이상적으로는 5펄스 이하)로 하고, 절연층이 유리가 들어있는 수지인 경우에는 에너지밀도 2∼6J/㎠(이상적으로는 2∼4J/㎠ 이하), 연속 펄스수는 5펄스 이하(이상적으로는 3펄스 이하)로 하면, 벽면의 품질을 우수한 것으로 하고, 또한 구멍바닥직경을 구멍입구직경에 근접시키거나, 혹은 구멍내로 돌출하는 유리섬유의 길이가 짧고, 측벽이 곧은 구멍으로 할 수 있는 것을 알아냈다.

또한, 1개의 fθ렌즈에 복수개의 레이저빔을 입사시켜서 워크를 가공하는 가공방법은 종래부터 알려져 있지만, 종래와 같이 1개의 구멍을 1개의 레이저빔으로 가공하는 것은 가공품질과 가공능률의 양자를 향상시키는 것은 곤란한 것에 착안하였다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 제 1 수단은 레이저가공방법으로서, 펄스형상의 제 1 레이저빔과, 상기 제 1 레이저빔의 조사위치를 기준으로 해서 조사위치가 위치결정되는 펄스형상의 제 2 레이저빔에 의해 1개의 구멍을 가공하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 제 2 수단은 레이저가공방법으로서, 미리 레이저빔의 조사 간 격의 최대값 L과, 레이저빔을 계속해서 조사하는 경우의 허용회수 N과, 휴지기간 T₀를 미리 정해 두고, 인접하는 조사위치의 간격이 상기 L미만인 경우에는 레이저빔을 상기 회수 N 조사한 후, 상기 휴지기간 T₀ 동안 조사를 휴지하고, 그 후 레이저빔의 조사를 재개하는 것을 특징으로 한다.

삭제

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하, 본 발명에 대해서 설명한다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 1 레이저가공기의 광학계 구성도이다.

레이저발진기(1)는 주파수 F(여기서는 30㎑)의 P편광의 UV레이저빔을 출사한 다. 레이저발진기(1)로부터 출사된 펄스빔(2)은 빔직경조정기(3)에 의해 외경이 조정된 후, 음향광학방식의 펄스정형기(AOM, 음향광학소자라고도 함)(7)에 의해 펄스에너지가 제어되어, 빔스플리터(4)에 입사한다. 또한, AOM(7)은 펄스에너지의 크기를 제어할 뿐만 아니라, 펄스빔(2)을 입사한 방향으로 그대로 투과시킬지(도면 중 점선으로 나타냄), 혹은 입사한 방향으로부터 어긋난 광로로 인도할지를 제어할 수 있다.

빔스플리터(4)는 펄스빔(2)의 50%를 반사하고(분기빔(5)), 나머지 50%를 투과시킨다(분기빔(6)). 분기빔(5)은 헤드(H)의 제1XY갈바노유닛(12)에 입사하고, 분기빔(6)은 편향수단(21)에 의해 편광방향이 90도 시프트(회전)되고, S편광의 펄스빔으로 되어 제1XY갈바노유닛(12)에 입사한다. 또한, 편광수단(21)과 제1XY갈바노유닛(12)의 사이에는 광로길이 전환장치(22)가 설치되어 있어, 분기빔(6)의 광로길이를 전환할 수 있다. 광로길이 전환장치(22)는 분기빔(6)의 광로길이를, 분기빔(5)의 광로길이와 동일한 경우(동일직경 광로)와, 분기빔(5)의 광로길이보다도 긴 경우(확대직경 광로)의 2종류를 선택할 수 있도록 되어 있으며, 광로길이 전환장치(22)가 동일직경 광로측에 설정되어 있는 경우, 분기빔(5)과 분기빔(6)의 빔직경은 동일직경으로 된다. 또, 광로길이 전환장치(22)가 확대직경 광로측으로 설정되어 있는 경우, 분기빔(6)의 빔직경은 분기빔(5)의 빔직경보다 크게(예를 들면, 2배) 된다. 광로길이 전환장치(22)를 확대직경 광로측에 설정하는 것에 의해, 레이저발진기(1)의 출력을 변경하지 않고 분기빔(6)의 에너지밀도를 작게(예를 들면, 1/4배) 할 수 있다.

분기빔(5)은 P파이므로, 제1XY갈바노유닛(12)을 투과해서(즉, 제1XY갈바노유닛(12)에 의해서는 위치결정되지 않는다), 제2XY갈바노유닛(14)에 입사하고, 제2XY갈바노유닛(14)에 의해 위치결정되어 집광용의 fθ렌즈(16)에 입사하며, 광축을 워크에 수직인 방향으로 인도한다.

한편, 분기빔(6)은 S파이므로, 제1XY갈바노유닛(12)에 의해 위치결정되어(여기서는 가공영역에서 2㎜×2㎜, 갈바노 동작각으로 0.5도 이하) 제2XY갈바노유닛(14)에 입사하고, 또한 제2XY갈바노유닛(14)에 의해 위치결정되어 집광용의 fθ렌즈(16)에 입사하며, 광축을 워크에 수직인 방향으로 인도한다. 또한, 분기빔(6)과 분기빔(5)의 에너지강도는 동일하다. 이 실시예 1에서는 이하, 분기빔(5)을 「주빔(제 1 레이저빔)」, 분기빔(6)을 「부빔(제 2 레이저빔)」이라 한다.

이 구성의 경우, 주빔과 부빔이 동기하고 있으므로, 가공속도는 제1,제2XY갈바노유닛(12, 14)의 위치결정에 요하는 시간으로 결정되지만, 부빔의 위치결정에 요하는 시간은 주빔의 위치결정에 요하는 시간에 비해 짧으므로, 가공속도는 실질적으로 주빔의 위치결정에 요하는 시간으로 결정된다.

다음에, 본 발명에 관한 레이저빔의 조사 수순을, 직경이 레이저빔의 직경보다도 대경(大徑)인 원형의 구멍을 가공(트레퍼닝 가공)하는 경우에 대해 설명한다.

2빔 2궤도 트레퍼닝 가공방법

도 2는 본 발명에 관한 레이저빔 조사 수순을 나타내는 조사 궤도도이다.

동일 도면에 있어서, 실선으로 나타내는 Z는 주빔(5)의 궤도이며, 구멍의 중심(F)을 중심으로 하는 제 1 반경(R)의 제 1 원 궤도이다. 또, 점선으로 나타내는 Y는 부빔(6)의 궤도이며, 제 1 원 궤도(Z)상의 점(P)을 중심으로 하는 제 2 반경(r)의 제 2 원 궤도이다.

각도(θ)는 직선(PF)과, 제 1 원 궤도(Z)와 제 2 원 궤도(Y)의 교점(S)을 통과하는 직선(FS)이 이루는 각도(PFS)이다.

각도(α)는 주빔(5)에 대한 부빔(6)의 직경방향 시프트각, 즉 제 2 원 궤도(Y)상의 S로부터 각도(α)의 점(s)의 위치를 결정하는 각도이다. 이 때, 점(s)은 중심(F)으로부터 거리(a)의 위치에 있다. 또한, 각도(α)는 직선(PS)에 대해 시계방향의 방향이 정(+), 반시계방향의 방향이 부(-)이다.

먼저, 주빔(5)을 도면 중 P에 조사하면(도면 중의 조사점(M1)), 동시에 부빔(6)이 도면 중 s(M2)에 조사된다. 다음에, 주빔(5)과 부빔(6)을 각속도(ω)로 각각의 궤도상을 동일방향으로(여기서는 시계방향) 이동시키고, 주빔(5)의 광축이 도면 중 M3에 위치결정되었을 때에 레이저빔을 조사한다. 그러면, 동시에 부빔(6)이 도면 중 M4에 조사된다. 여기서, 시간(t) 경과후의 각각의 이동각도(ωt)는 동일하기 때문에, 직선(FP)상에서 P로부터 본 S 및 s가 이루는 각도(FPs)는 항상 일정하므로, 주빔(5)을 궤도(Z)상에 등간격으로 조사하면, 부빔(6)을 구멍의 중심(F)을 중심으로 하는 반경(a)의 원궤도(K)(도면중 일점쇄선)상에 등간격으로 조사할 수 있다. 이하, 마찬가지로 해서 레이저를 조사한다.

이 실시예의 경우, 2개의 레이저빔을 동시에 조사할 수 있으므로, 갈바노미러의 위치결정시간이 종래와 동일해도, 가공능률을 2배로 향상시킬 수 있다. 또, 2개의 레이저빔을 원궤도(Z, K)상의 떨어진 위치에 조사시킬 수 있으므로, 가공부의 온도상승이 완만하게 되어, 가공품질을 향상시킬 수 있다.

또, 갈바노미러를 상시 요동시키면서 레이저빔을 조사하므로, 즉 갈바노미러를 원하는 위치에 정지(靜止)시키지 않으므로, 갈바노미러의 위치결정 응답주파수를 갈바노미러를 원하는 위치에 정지시키는 경우의 5∼15배로 고속화할 수 있다.

또한, 레이저빔의 조사위치를 1개의 궤도상에서 거리를 두고 조사하는 경우에 비해 위치결정제어가 용이하다.

또, 부빔(6)의 위치결정은 주빔(5)의 위치결정시간 이하이므로, 갈바노미러의 위치결정시간을 개별적으로 위치결정하는 경우에 비해 저감시킬 수 있다.

여기서, 제 1 원 궤도(Z)의 제 1 반경(R), 제 2 원 궤도(Y)의 제 2 반경(r), 각도(θ) 및 각도(α)의 값을 각종 선택하는 것에 의해, 도 3∼도 8에 나타내는 궤도를 설정할 수 있다. 즉, 예를 들면,

(a) θ= π/8, α= 0, r= 2 R·sinπ/16으로 하면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 원 궤도(Z)상에서 주빔(5)과 부빔(6)을 π/12 떨어진 위치에 조사할 수 있는 동시에, 주빔(5)과 부빔(6)의 조사간격을 1/2 어긋나게 해서, 즉 주빔(5)의 조사위치의 중간에 부빔(6)의 조사위치를 배치할 수 있다(2빔 동일 궤도 트레퍼닝 궤도).

이와 같이 하면, 시간 및 거리적인 레이저빔의 조사간격(여기서는 부빔(6)을 주빔(5)에 대해 원주방향으로 1.5피치 시프트)을 넓힐 수 있으므로, 가공부의 온도상승이 완만하게 되어, 가공품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 도 3에서는 회전각도 π/12 마다 레이저빔을 조사하는 경우를 나타내고 있다.

(b) θ= π/6, α= 0, r= 2R·sinπ/12로 하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 원 궤도(Z)상에서 주빔(5)과 부빔(6)의 조사위치를 동일하게(단, 조사시기는 다르다) 할 수 있다(2빔 동일궤도 트레퍼닝의 궤도). 따라서, 도 2의 경우와 마찬가지로 가공품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 도 4에서는 회전각도 π/12마다 레이저빔을 조사하는 경우를 나타내고 있다.

(c) θ= π/6, α= -π/7.5로 하면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 부빔(6)의 제 2 원 궤도(Y)를 주빔(5)의 제 1 원 궤도(Z)의 외측에 배치할 수도 있다.

(d) θ= π/3, α= π/30, r= R로 하면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 주빔(5)을 제 1 원 궤도(Z)상에서 이동시키는 동시에, 부빔(6)의 광축을 제 1 원 궤도(Z)의 중심(F)에 고정시킬 수 있다(1펀치 ＆ 1트레퍼닝 궤도). 즉, 주빔(5)으로 외주를 가공하면서, 부빔(6)으로 중심부의 가공을 할 수 있다. 또한, 도 6에서는 회전각도 π/12마다 레이저빔을 조사하는 경우를 나타내고 있다.

(e) θ= π, α= π, r= 2R로 하면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제 1 원 궤도(Z)상에서 주빔(5)과 부빔(6)을 중심(F)에 관해 점대칭의 위치에 배치할 수 있다(2빔 점대칭궤도 트레퍼닝 궤도). 이와 같이 하면, 예를 들면 주빔(5)의 에너지강도와 부빔(6)의 에너지강도를 동일하게 하는 경우, 입열의 집중을 회피할 수 있으므로, 가공한 구멍의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 1개의 구멍을 복수의 궤도에 의해 가공하는 경우, 내측의 궤도의 둘레길이는 외측의 둘레길이에 비해 짧다. 따라서, 단위면적당 입열량을 일정하게 하는 것을 목적으로 조사피치를 일정하게 하는 경우, 외측의 궤도에 있어서의 조사수 q와 내측의 궤도에 있어서의 조사수 p의 관계는 q ≥ p이며, 대부분의 경우가 q ＞ p이다. 즉, 조사피치를 일정하게 하는 경우, 내측을 가공하는 레이저빔의 조사수는 외측을 가공하는 레이저빔의 조사수보다도 적다. 따라서, 내측의 궤도에서는 레이저빔의 조사를 정지(停止)시키는 경우가 있어, 가공능률이 저하한다.

이러한 경우, 주빔(5)을 각속도(ω)로 제 1 원 궤도(Z)상에서 이동시키는 동시에, 부빔(6)을 각속도 ω1와 각속도 ω2로 교대로 전환해서 이동시키도록 하면(단, ω1≤ω2이고 또한 ω1＋ω2 = 2ω), 도 8에 나타내는 바와 같이, 부빔(6)의 조사위치를 제 1 원 궤도(Z)의 중심인 F를 중심으로 하는 반경 a1과 반경 a2의 2개의 궤도상(반경 a1 = 반경a2＋W. 단, W는 반경 a1과 반경 a2의 차이다)에서 이동시킬 수 있다(2빔 3궤도 트레퍼닝의 궤도). 즉, 주빔(5)을 외주의 궤도상에서 이동시키면서, 부빔(6)을 내주측의 2개의 궤도상에서 이동시키는 것에 의해, 도 2에 나타낸 경우와 같이 부빔(6)을 솎아낼 필요가 없어, 가공능률을 향상시킬 수 있다.

또, 부빔(6)의 조사간격이 반경방향과 원주방향으로 확대되기 때문에, 에너지밀도가 평균화되고, 블라인드홀(바닥을 갖는 구멍)을 가공하는 경우, 구멍바닥의 품질이 향상한다.

또한, 스루홀(관통구멍) 가공의 경우, 내주측은 제거되므로, 부빔(6)을 솎아내지 않고, 그대로 조사하도록 해도 좋다.

그런데, 이 실시예의 경우, 가공속도를 향상시킬 수 있지만, 1개의 레이저빔을 2개로 분기하기 위해, 출력이 큰 레이저발진기를 필요로 한다.

[실시예 2]

도 9는 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 2 레이저가공기의 광학계 구성도로서, 도 1과 동일한 것 또는 동일기능의 것은 동일부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다.

발진주파수 F로 레이저발진기(1)로부터 출사된 P파의 펄스빔(2)은 빔직경조정기(3)에 의해 외경이 조정된 후 미러(20)에 반사되고, 음향광학방식의 펄스정형기(AOM)(7)에 의해 주파수 F/2의 광축이 다른 2개의 분기빔(8, 9)으로 분기된다. 또한, AOM(7)은 펄스빔(2)을 분기빔(8, 9)으로 분기할 뿐만 아니라, 1개의 펄스, 즉 분기빔(8, 9)의 펄스에너지를 제어할 수 있다.

분기빔(8)은 헤드(H)의 제 1 XY갈바노유닛(12)에 입사한다. 또, 분기빔(9)은 편향수단(21)에 의해 편광방향이 90도 시프트(회전)되어, S파의 펄스빔으로 되며, 광로길이 전환장치(22)를 경유해서 제 1 XY갈바노유닛(12)에 입사한다.

분기빔(8)은 P파이므로, 제 1 XY갈바노유닛(12)을 투과해서(즉, 제 1 XY갈바노유닛(12)에 의해서는 위치결정되지 않는다) 제 2 XY갈바노유닛(14)에 입사하고, 제 2 XY갈바노유닛(14)에 의해 위치결정되어 집광용의 fθ렌즈(16)에 입사하며, 광축을 워크에 수직인 방향으로 인도한다.

한편, 분기빔(9)은 S파이므로, 제 1 XY갈바노유닛(12)에 의해 위치결정되어(여기서는 가공영역에서 2㎜×2㎜, 갈바노 동작각으로 0. 5도 이하), 제 2 XY갈바노유닛(14)에 입사하고, 또한 제 2 XY갈바노유닛(14)에 의해 위치결정되어 집광용의 fθ렌즈(16)에 입사하며, 광축을 워크에 수직인 방향으로 편향한다.

이하, 분기빔(8)을 「주빔」, 분기빔(9)를 「부빔」으로 한다.

이 실시예 2에서는 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 주빔과 부빔의 조사위치를 떼어놓는 것이 가능할 뿐만 아니라, AOM(7)에 의해 주빔과 부빔을 교대로 조사하게 되므로, 실시예 1의 경우에 비해 가공부의 온도상승을 더욱 완만하게 할 수 있다.

또, 레이저발진기의 출력은 상기 실시예 1의 경우의 1/2로 좋다.

또한, 이 실시예의 경우, 주빔과 부빔은 교대로 조사하게 되기 때문에, 상기도 2∼도 8에 나타낸 위치에 레이저빔을 조사하기 위해서는 주빔에 대한 부빔의 직경방향 시프트각인 각도 α를 (α+ ωt/2, 또는 α- ωt/2)로 할 필요가 있다.

그런데, 상기 2개의 실시예에 따르면, 종래에 비해 가공품질을 향상시킬 수 있지만, 가공속도는 종래기술의 경우와 동일하다.

그래서, 이하, 가공속도를 향상시킬 수 있는 레이저가공기에 대해서 설명한다.

[실시예 3]

도 10은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 3 레이저가공기의 광학계 구성도로서, 도 1 및 도 9와 동일한 것 또는 동일기능의 것은 동일부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 동일한 기능의 것이 2개 있는 경우에는 부호뒤에 A, B를 붙여서 구별한다. 또, 도 11은 본 발명을 적용해서 트레퍼닝 가공을 하는 경우의 조사타이밍의 일예를 나타내는 도면으로서, (a)는 가공공정을, (b)는 갈바노미러의 동작을, (c)는 레이저발진기로부터 출력된 레이저빔을, (d)∼(i)의 실선은 가공부에 조사되는 각 분기빔의 강도와 조사타이밍을 나타내며, 점선은 가공부에 조사되지 않는 경우이며, 횡축은 시간이다. 또한, (c)∼(i)에 있어서의 높이는 에너지강도를 나타내고 있다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 이 실시예 3에서는 레이저발진기로부터 출력된 레이저빔을 빔스플리터(4)에 의해 레이저빔을 2개의 분기빔(5, 6)으로 분기한 후, 분기빔(5)을 AOM(7A)에 의해 2개의 빔(8A, 9A)으로, 또 분기빔(6)을 AOM(7B)에 의해 2개의 빔(8B, 9B)으로 분할하고, 빔(8A)과 빔(8B)을 제 1 헤드(HA)에, 빔(9A)와 빔(9B)를 제 2 헤드(HB)에 인도한다. 또한, 이 실시예에서는 분기빔(5)과 분기빔(6)의 에너지강도는 동일하며, AOM(7A)과 AOM(7B)은 동기해서 동작한다. 또한, 도 11의 (a)에 나타내져 있는 바와 같이, 이 경우의 천공사이클은 갈바노미러의 위치결정과 가공(동층가공과 절연층가공)의 반복이다. 또, 레이저발진기(1)는 주파수(f)로 레이저빔을 출력한다.

이하, 헤드(HA)의 경우에 대해서 설명한다.

갈바노미러를 각속도 ω로 요동시킨 상태에서, 빔(8A)을 기간 2T(단, T= 1/f)마다 M1회(도면에서는 10회), 또, 빔(8B)을 기간 4T마다 m1회(도면에서는 5회) 조사해서, 동층을 가공한다. 동층의 가공이 종료하면, 동층을 가공하는 경우에 비해 에너지강도를 작게 하고, 빔(8A)을 기간 2T마다 N1회(도면에서는 10회), 또 빔(8B)을 기간 4T마다 n1회(도면에서는 5회) 조사해서 절연층을 가공한다. 해당 위치에 있어서의 가공이 종료하면, 갈바노미러를 이동시키고, 다음의 가공개소를 가공한다. 이하, 마찬가지로 해서 가공을 계속한다.

헤드(HB)의 동작은 헤드(HA)의 동작을 기간 T만큼 어긋나게 한 것이다.

이 실시예의 경우, 예를 들면 레이저발진기의 발진주파수가 30㎑, 갈바노미러의 위치결정 응답 주파수가 15㎑인 경우에도 발진되는 레이저빔을 낭비없이 활용 할 수 있다.

또, 예를 들면, 빔스플리터(4)의 분배비율을 바꾸는 것에 의해, AOM(7A, 7B)을 제어하는 일 없이, 주빔과 부빔의 에너지를 바꿀 수 있다.

또, HA와 HB의 각각에 있어서, 주빔과 부빔의 조사타이밍을 어긋나게 할 수 있으므로, 가공부의 온도상승이 완만하게 되어, 품질이 우수한 가공을 실행할 수 있다.

또, 갈바노미러의 이동 위치결정중에도 레이저발진기는 펄스발진을 계속하고, AOM(7A, 7B)에 있어서 미사용분의 레이저빔을 폐기(도 10중 점선으로 나타냄)하도록 했으므로, 레이저발진기 및 광학계의 열적 안정성을 높일 수 있다.

그런데, 상기 실시예 1∼3에 의하면, 예를 들면 트레퍼닝 가공을 하는 경우, 레이저빔을 떨어진 위치에 조사하므로, 가공부의 온도상승을 완만하게 할 수 있었다. 그러나, 레이저발진기의 출력이 크고, 또한 발진주파수가 높아진 경우, 가공부의 온도가 급격하게 상승하는 것에 의해 구멍의 측면의 요철이 커지거나, 맥주통형상으로 되는 것을 회피할 수 없는 경우가 발생한다.

다음에, 가공품질을 더욱 향상시킬 수 있는 가공방법에 대해서 설명한다.

본 발명자는 또한 테스트를 하여, 레이저빔의 직경과 동일한 구멍을 뚫기 위해, 레이저빔을 동일 개소에 조사하는 경우(펀칭가공과 마찬가지의 가공)의 적정 조건이 다음과 같이 되는 것을 알아내었다.

즉, 절연층을 가공하는 경우, 절연층이 수지만으로 형성되어 있는 경우에는 에너지밀도 1. 5J/㎠ 이하(이상적으로는 1. 0J/㎠ 이하)로 하고, 연속조사수를 10 회 이하(즉, 10펄스 이하, 이상적으로는 5펄스 이하)로 한다. 또, 절연층이 유리가 들어간 수지인 경우에는 에너지밀도 2∼6J/㎠(이상적으로는 2∼4J/㎠ 이하)로 하고, 연속조사수를 5펄스 이하(이상적으로는 3펄스 이하)로 한다. 이와 같이 하면, 구멍의 벽면의 품질을 우수한 것으로 하고, 또한 구멍바닥직경을 구멍입구직경에 근접시킬 수 있다, 즉, 구멍내로 돌출하는 유리섬유의 길이가 짧고, 측벽이 곧은 구멍으로 할 수 있다.

또, 트레퍼닝 가공에 있어서도 조사위치의 간격이 5㎛이하, 혹은 레이저빔의 직경의 1/5이하인 경우에는 상기 펀칭가공의 경우에 얻어진 에너지밀도와 연속조사수의 관계가 적용된다.

또, 레이저조사 후 일정한 시간이 경과하면, 가공부의 열이 가공부 주변으로 전달하는 것에 의해 가공부의 온도가 충분히 저하한다.

이상의 결과에 의거해서, 레이저빔을 이하와 같이 조사하는 것에 의해, 가공품질을 더욱 향상시킬 수 있다.

즉, 미리 레이저빔의 조사간격의 최대값 L(예를 들면, 5㎛ 또는 레이저빔의 직경의 1/5)과, 레이저빔을 계속해서 조사하는 경우의 허용회수 N(예를 들면, 5회)과, 휴지기간 T₀을 정해 두고, 인접하는 조사위치의 간격이 최대값 L이하인 경우에는 레이저빔을 회수 N 조사 후, 휴지기간 T₀ 동안 조사를 휴지하고, 그 후 레이저빔의 조사를 재개한다. 또한, 최대값 L은 0이라도 좋지만, 이 경우, 상술한 펀칭가공으로 된다. 또, 휴지기간 T₀은 미리 실험에 의해 구해 둔다.

다음에, 본원을 적용한 경우의 가공속도를, 상기 식별번호 <0035>에서 기술한 사이클가공과 비교한다. 또한, 가공조건 및 가공장치의 능력은 동일하다고 한다. 또, 갈바노미러의 위치결정 주파수는 2㎑이다.

여기서는 1개의 구멍을 가공하기 위해 40펄스 조사한다고 한다. 또, 미리 테스트를 하는 것에 의해, 휴지기간 T₀으로서는 레이저발진기의 발진주파수가 30㎑인 경우, 허용회수 N = 10에서는 11펄스에 대응하는 기간이, 허용회수 N = 5인 경우에는 6펄스에 대응하는 기간이 각각 적절한 것을 알아내었다. 즉, 조사기간과 휴지기간을 합쳐 1사이클로 하고, 펄스의 조사간격을 t로 하면, 조사기간은 (N－1)t, 휴지기간 T₀은 T₀ = (N＋1)t의 관계가 된다. 또, 휴지기간 T₀은 레이저발진기의 발진 주파수가 30㎑이상인 경우에도, 펄스의 에너지강도 및 연속해서 조사하는 펄스수가 동일한 경우에는(즉, 공급하는 에너지가 동일한 경우), 발진주파수에 관계없이 발진주파수가 30㎑인 경우와 동일한 휴지기간으로 할 필요가 있다. 또한, 발진주파수가 30㎑인 경우를 기준으로 한 것은 현재 가장 사용되고 있는 레이저발진기의 발진주파수가 30㎑이기 때문이다.

[1] 허용회수 N = 10(절연층이 수지만으로 형성되어 있는 경우)으로 하면, 가공을 완료하기 위해서는 레이저를 4회로 나누어 조사할 필요가 있으므로, 휴지기간 T₀은 3회 필요하다. 또, 갈바노미러의 위치 결정은 1회이다.

·레이저발진기의 발진주파수가 30㎑인 경우, 1개의 구멍을 가공하는데 요하는 시간은 2.8ms이며, 종래의 사이클가공의 경우인 3.2ms에 비해 0.4ms(14%) 고속 화할 수 있다.

·레이저발진기의 발진주파수가 60㎑인 경우, 휴지기간 T₀은 30㎑의 경우와 동일한 시간이 필요하지만, 1개의 구멍을 가공하는데 요하는 시간을 2.2ms로 할 수 있으므로, 종래의 사이클가공의 경우의 2.6ms에 비해 0.4ms(18%) 고속화할 수 있다.

[2] 허용회수 N = 5(절연층에 유리섬유가 포함되어 있는 경우)로 하면, 가공을 완료하기 위해서는 레이저를 8회로 나누어 조사할 필요가 있으므로(40/5 = 8) 것으로, 휴지기간 T₀은 7회 필요하다. 또, 갈바노미러의 위치결정은 1회이다.

·레이저발진기의 발진주파수가 30㎑인 경우, 1개의 구멍을 가공하는데 요하는 시간은 3.0ms이며, 종래의 사이클가공의 경우의 5.1ms에 비해 2.1ms(71%) 고속화할 수 있다.

· 레이저발진기의 발진주파수가 60㎑인 경우, 1개의 구멍을 가공하는데 요하는 시간은 2.4ms이며, 종래의 사이클가공의 경우인 4.5ms에 비해 2.1ms(86%) 고속화할 수 있다.

또한, 여기서는 N = 10으로 해서 조사기간을 4회로 했지만, N을 10보다 작게 해도 좋고, N을 서서히 줄이도록 해도 좋다.

상기 [1], [2]에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따르면, 레이저발진기의 발진주파수가 높아질수록 종래의 사이클가공에 비해 능률을 향상시킬 수 있다.

일반적으로, 휴지기간 T₀을 길게 하면 할수록, 측벽과 구멍바닥의 사이에 형 성되는 곡면의 반경을 작고, 즉 구멍바닥의 직경을 입구 혹은 측벽중앙부의 직경에 근접시킬 수 있으므로, 가공품질이 향상한다. 그러나, 가공능률을 향상시키기 위해서는 휴지기간 T₀을 짧게 하는 것이 바람직하다. 이 실시형태에서 설명한 바와 같이, 휴지기간 T₀을 (N＋1)t로 하면, 품질을 저하시키지 않고 또한 가공능률을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 레이저를 2개소에 교대로 공급하므로, 레이저발진기로부터 발진되는 레이저의 대부분을 유효하게 이용할 수 있다.

또한, 레이저가공기의 광학계가 도 10에 나타내는 것인 경우에 있어서 펀칭가공하는 경우, 한쪽의 레이저빔이 휴지하고 있는 동안, 다른쪽의 레이저빔을 다른 가공개소에 조사할 수 있다.

도 12는 본 발명을 적용해서 수지를 펀칭가공(1회의 연속조사수가 10펄스. 합계 40펄스로 가공)하는 경우의 조사타이밍의 일에를 나타내는 도면으로서, 상단 A는 레이저발진기의 발진주파수가 30㎑의 경우, 하단 B는 레이저발진기의 발진주파수가 60㎑인 경우의 펄스를 나타내고 있으며, 각각의 (a)는 빔(8A)를, (b)는 빔(9A)을 각각 나타내고 있다.

동일 도면에 나타내는 바와 같이, 빔(8A)을 헤드(HA)에 공급하지 않는 기간은 빔(8B)을 헤드(HB)에 공급하도록 하면, 레이저발진기로부터 출력되는 레이저빔을 낭비없이 사용할 수 있다.

또한, 헤드(HA) 혹은 헤드(HB)에 공급하는 레이저빔의 펄스수 혹은 에너지 강도는 적절히 선택할 수 있다.

또, 레이저발진기의 능력이 커지는 동시에 발진주파수가 높아진 경우에는 헤드의 수를 늘리는 것에 의해 레이저발진기로부터 출력되는 레이저빔을 낭비없이 사용할 수 있다.

또, 도 9에 있어서 2개의 다른 구멍의 위치가 극히 가까운 경우에는 도 12에 나타내는 바와 같이 레이저발진기로부터 출력되는 레이저빔을 낭비없이 사용할 수 있다.

[실시예 4]

도 13은 본 발명에 적용하는데 바람직한 제 4 레이저가공기의 광학계 구성도이다. 도 10의 변형예를 나타내는 레이저가공기의 광학계 구성도이다.

동일 도면에 나타내는 레이저가공기의 광학계는 도 10에 있어서의 빔스플리터(4) 대신에 AOM(7)으로 하고, AOM(7A) 대신에 빔스플리터(4A)를, AOM(7B) 대신에 빔스플리터(4B)를 각각 배치한 것이다.

또한, 이 레이저가공기의 동작은 실시예 1∼3으로부터 용이하게 이해할 수 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.

또한, AOM(7) 대신에 분배 각도를 제어가능한 AOD를 채용하면, AOD로부터 출사되는 레이저빔의 출사방향을 2방향 뿐만 아니라, 3방향 이상으로 분배할 수 있다.

또, 상기에 있어서는 구멍을 가공하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 구멍에 한정되지 않으며, 홈이나 면(예를 들면, 내면의 동층의 일부로서 배치되어 있는 위치결정용의 인식마크(fiducial mark)를 노출시키는 경우, 혹은 실리콘(Si) 의 산화막을 제거하는 경우와 같이, 면의 가공을 하는 경우에도 적용할 수 있다.

예를 들면 트레퍼닝 가공을 하는 경우, 1개의 구멍을 2개의 레이저빔으로 가공하므로, 가공능률이 동일해도, 1개소의 입열(入熱)을 예를 들면 절반으로 할 수 있다. 또, 조사위치를 이간시킬 수 있으므로, 가공부의 온도상승이 적어져, 품질이 우수한 가공을 실행할 수 있다.

또, 레이저빔을 시간 분기하는 것에 의해, 갈바노미러의 응답주파수가 레이저빔의 발진주파수보다도 낮은(예를 들면 1/2) 경우에도, 레이저발진기의 능력을 최대로 활용할 수 있으므로, 가공능률을 향상시킬 수 있다.

Claims

펄스형상의 제 1 레이저빔의 조사 위치를 제 1 XY 갈바노유닛에 의해서 위치 결정하는 동시에, 펄스형상의 제 2 레이저빔의 조사 위치를 상기 제 1 XY 갈바노유닛 및 제 2 XY 갈바노유닛에 의해서 위치 결정하고, 상기 제 1 및 제 2 레이저빔에 의해서 워크를 가공하는 레이저 가공 방법에 있어서,

상기 제 1 레이저빔의 궤도가, 제 1 반경을 갖는 제 1 원 궤도를 그리도록 상기 제 1 XY 갈바노유닛을 조정하는 공정과,

상기 제 2 레이저빔의 궤도가, 상기 제 1 레이저빔의 조사 위치를 중심으로 한 제 2 반경을 갖는 제 2 원 궤도를 그리도록 상기 제 2 XY 갈바노유닛를 조정하는 공정과,

상기 제 1 및 제 2 XY 갈바노유닛의 갈바노 미러를 상시 요동시키면서, 상기 제 1 레이저빔 및 제 2 레이저빔을, 각각의 원 궤도상에서 소정 시간 간격으로 조사하는 것에 의해서, 상기 제 1 레이저빔의 조사 위치를 상기 제1 원 궤도상에서 이동시키는 동시에, 상기 제2레이저빔의 조사위치를 상기 제 1 원 궤도와 중심을 동일하게 한 원 궤도상에서 이동시키고, 상기 제 1 및 제 2 레이저빔의 직경보다 대경인 하나의 구멍을 트레퍼닝 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 레이저빔과 상기 제 2 레이저빔의 주회방향 및 각속도를 동일하게 해서 원형의 구멍을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저가공방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 원 궤도와 중심을 동일하게 한 원 궤도는, 상기 제 1 원 궤도의 내측에서 상기 제 1 원 궤도와 중심이 동일하게 되도록 형성된 2 이상의 원 궤도이고,

상기 제 2 레이저빔의 조사 위치는 상기 2 이상의 원 궤도 상을 이동하는 것을 특징으로 하는 레이저가공방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 레이저빔과 상기 제 2 레이저빔의 에너지강도를 다른 값으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저가공방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 레이저빔과 상기 제 2 레이저빔은 1개의 레이저발진기로부터 출사되는 레이저빔을 시간 분기하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저가공방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 레이저빔과 상기 제 2 레이저빔은 1개의 레이저발진기로부터 출사되는 레이저빔을 빔스플리터 또는 하프미러에 의해 분기한 것인 것을 특징으로 하는 레이저가공방법.
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