TWI386269B

TWI386269B - 雷射加工方法及雷射加工機

Info

Publication number: TWI386269B
Application number: TW099136900A
Authority: TW
Inventors: Kenji Ito; Yutaka Motoki; Takamitsu Kimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-02-21
Also published as: KR101412850B1; JPWO2011148492A1; WO2011148492A1; CN102917834A; JP5183826B2; CN102917834B; TW201141645A; KR20130027529A

Description

雷射加工方法及雷射加工機

本發明係關於一種對被加工物照射雷射光，而對被加工物進行開孔加工的雷射加工方法及雷射加工機。

雷射加工機係例如對被加工物照射雷射光，而對被加工物進行開孔加工的裝置。就藉由雷射加工機予以開孔的被加工物而言，有一種係為具有銅箔(導體層)、樹脂(絕緣層)、銅箔(導體層)的三層構造的印刷線路板。在對如此的印刷線路板進行貫通孔加工時，若僅從印刷線路板的表面側(單面)照射雷射光，則無法使雷射光到達印刷線路板的背面側的銅箔。因此，要對印刷線路板進行穩定的貫通孔加工甚為困難。

就對印刷線路板進行穩定的雷射加工的方法而言，有從表面及背面兩面進行雷射光照射的方法。於該雷射加工方法中，係對於印刷線路板從表面照射雷射光而形成到達半途的孔，並在之後從印刷線路板的背面照射雷射光以形成貫通孔(參照例如專利文獻1)。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2003-218539號公報

然而，於上述習知的技術中，在從表面(一邊的主面側)照射雷射光之後，從背面(另一邊的主面側)照射雷射光時，無法將背面側的銅箔(導體層)穩定的加以去除。

本發明係有鑑於前述之問題所開發者，其目的為得到一種用以對被加工物穩定的形成貫通孔的雷射加工方法及雷射加工機。

為解決上述的課題並達成目的，本發明的雷射加工方法係於具有絕緣層、隔著該絕緣層而層積的表面之導體層、以及背面之導體層的層積材料的被加工物照射雷射光，而將前述表面之導體層、前述絕緣層及前述背面之導體層予以去除，以對前述被加工物進行貫通孔加工之層積材料的雷射加工方法中，包含下列步驟：第一加工步驟，係從前述被加工物的一邊的主面側以第一能量密度照射雷射光，以將前述一邊的主面側之導體層予以去除，而形成加工孔直到前述絕緣層的厚度方向的中途位置；以及第二加工步驟，從前述被加工物的另一邊的主面側對前述加工孔的位置以第二能量密度照射雷射光，以將前述另一邊的主面側的導體層及於前述第一步驟所殘留的絕緣層予以去除，而於前述加工孔的位置形成貫通孔；並且前述第二能量密度較前述第一能量密度更大。

依據本發明，達到能穩定地對被加工物形成貫通孔的效果。

以下依據圖式詳細地說明本發明實施形態的雷射加工方法及雷射加工機。此外，本發明並不受本實施形態之限定。

(實施形態)

第1圖係顯示本發明實施形態之雷射加工機的構成圖。雷射加工機100係為藉由照射雷射光L(脈衝雷射(pulsed laser)光)而於被加工物(work)4進行開孔加工的裝置。雷射加工機100係具備有：將雷射光L加以振盪的雷射振盪器1；進行被加工物4的雷射加工的雷射加工部3；以及加工控制裝置(控制部)2。

雷射振盪器1係將雷射光L振盪，並送出至雷射加工部3。本實施形態的雷射加工機100係以按照來自加工控制裝置2的指示的脈衝能量(雷射光L的每一脈衝之能量)將雷射光L予以送出。雷射加工部3係具備有：照射面積控制部31；電流鏡(galvano mirror)35X、35Y；電流掃描器(galvano scanner)36X、36Y；聚光透鏡(f θ透鏡)34；XY台(加工台)30；以及位置檢測部39。

照射面積控制部31係配置於例如較電流鏡35X、35Y更前段側(雷射振盪器1側)的光路上。照射面積控制部31係例如由兩片透鏡(準直透鏡(collimate lens)等)所構成。雷射光(laser beam)L係藉由通過兩片透鏡而調整為相應於兩片透鏡的射束直徑。

雷射加工部3係配置有相應對被加工物4照射雷射光L的照射面積(雷射光照射面積)之照射面積控制部31。具體而言。於本實施形態中，預先準備了複數個照射面積控制部31。例如，就照射面積控制部31而言，準備有複數組由兩片透鏡所構成的透鏡組。接著，在雷射加工被加工物4的表面時，係將相應於表面的照射面積控制部31配置於雷射加工部3的光路上，並於雷射加工被加工物4的背面時將相應於背面的照射面積控制部31配置於雷射加工部3的光路上。

此外，照射面積控制部31亦可為如用以調整雷射光L的射束直徑的光圈(aperture)等透鏡以外的手段。此情形時，在雷射加工被加工物4的表面之際，係將相應於表面的光圈加以配置在雷射加工部3的光路上，而在雷射加工被加工物4的背面之際，係將相應於背面的光圈加以配置在雷射加工部3的光路上。

電流掃描器36X、36Y係具有使雷射光L的軌道變化而使朝被加工物4的照射位置移動的功能，且使雷射光L在設定於被加工物4的各加工區域內二維地掃瞄。電流掃描器36X、36Y係為了使雷射光L往X-Y方向掃瞄，而使電流鏡35X、35Y(後文所述之偏向鏡33)朝預定的角度旋轉。

電流鏡35X、35Y係將雷射光L反射並使其偏向至預定的角度。電流鏡35X係使雷射光L朝X方向偏向，而電流鏡35Y係使雷射光L朝Y方向偏向。

聚光透鏡34係為具有遠心(telecentric)性的聚光透鏡。聚光透鏡34係使雷射光L相對於被加工物4的主面朝垂直的方向偏向，並且使雷射光L朝被加工物4的加工位置(孔位置Hx)聚光(照射)。

被加工物4係為印刷線路板等，從屬於一側主面的表面及屬於另一側主面的背面的兩表面進行複數次開孔加工以形成貫通孔。被加工物4係呈例如銅箔(導體層)、樹脂(絕緣層)、銅箔(導體層)的三層構造。

XY台30係用以載置被加工物4，並且藉由未圖示的X軸馬達及Y軸馬達的驅動而在XY平面內移動。藉此，XY台30即可使被加工物4於面內方向移動。

不使XY台30移動而藉由電性機構的運作(電流掃描器36X、36Y的移動)時，雷射加工所能進行的範圍(可掃瞄區域)即為加工區域(掃瞄區域)。於雷射加工機100中，使XY台30在XY平面內移動後，藉由電流掃描器36X、36Y將雷射光L予以二維掃瞄。XY台30係以各加工區域的中心成為聚光透鏡34的中心正下方(電性原點)的方式順序地移動。電性機構係以設定於加工區域內的各孔位置Hx順序地成為雷射光L的照射位置的方式運作。利用XY台30所做的加工區域間的移動，以及利用電性機構所進行的於加工區域內的雷射光L之二維掃瞄，係在被加工物4內順序地進行。藉此，被加工物4內的全部的孔位置Hx皆得以全部受到雷射加工。

位置檢測部39係檢測出預先設置於被加工物4的定位用貫通孔(未圖示)的位置，並將檢測結果傳送至加工控制裝置2。加工控制裝置2係依據加工程式及位置檢測部39所獲得的位置的檢測檢果，而控制被加工物4的雷射加工位置。於加工控制裝置2係輸入有用以雷射加工被加工物4的表面的加工程式以及用以雷射加工被加工物4的背面的加工程式。

加工控制裝置2係連接至雷射振盪器1及雷射加工部3(未圖示)，以控制雷射振盪器1及雷射加工部3。本實施形態的雷射加工機100係以設定於被加工物4的表面(一邊的主面側)的雷射光照射條件進行對被加工物4表面的雷射加工，並以設定於被加工物4的背面(另一邊的主面側)的雷射光照射條件進行對被加工物4背面的雷射加工。

針對於被加工物4的表面所設定的雷射光照射條件，係為對被加工物4的雷射光照射面積及脈衝能量。同樣地，對於被加工物4的背面所設定的雷射光照射條件，係為對被加工物4的雷射光照射面積及脈衝能量(pulse energy)。

針對被加工物4的表面所設定的雷射光照射條件，係可設定於用以雷射加工被加工物4的表面的加工程式內，並亦可設定於加工控制裝置2內。同樣地，針對被加工物4的背面所設定的雷射光照射條件，係可設定於用以雷射加工被加工物4的背面的加工程式內，並亦可設定於加工控制裝置2內。

加工控制裝置2係在雷射加工被加工物4的表面之際將針對表面所設定的雷射光照射條件指示到雷射振盪器1及雷射加工部3，並於雷射加工被加工物4的背面之際將針對背面設定的雷射光照射條件指示到雷射振盪器1及雷射加工部3。於本實施形態中，於雷射加工被加工物4的表面之際，加工控制裝置2以對應於針對表面的雷射光照射條件的脈衝能量照射雷射光的方式，將指令傳送至雷射振盪器1。同樣地，於雷射加工被加工物4的背面之際，加工控制裝置2以對應於針對背面的雷射光照射條件的脈衝能量照射雷射光的方式，將指令傳送至雷射振盪器1。

加工控制裝置2係由電腦等所構成，並藉由NC(數值控制(Numerical Control))控制等對雷射振盪器1、雷射加工部3來進行控制。加工控制裝置2係具備有CPU(中央處理單元，Central Processing Unit)、ROM(唯讀記憶體，Read Only Memory)、RAM(隨機存取記憶體，Random Access Memory)等而構成。在加工控制裝置2控制雷射加工之際，CPU係依據使用者從輸入部(未圖示)進行的輸入，讀取儲存於ROM內的加工程式，並於RAM內的程式儲存區域展開以執行各種的處理。當在該處理時所產生的各種資料，係暫時儲存在形成於RAM內的資料儲存區域。加工控制裝置2係藉此控制雷射振盪器1及雷射加工部3。

雷射加工機100係藉由此構成而將從雷射振盪器1射出的雷射光L，利用電流鏡35X、35Y偏向至任意的角度，透過聚光透鏡34成像並照射至被加工物4上的預定位置。藉此，被加工物4即受到雷射加工，並於被加工物4形成貫通孔。

本實施形態之雷射加工機100係於對被加工物4的表面照射雷射光之後、將被加工物4予以翻轉並對被加工物4的背面照射雷射光，藉以從被加工物4的兩表面照射雷射光，並藉此於被加工物4形成貫通孔。

接著，說明關於本實施形態的開孔加工方法。第2圖係用以說明對表面的開孔加工方法之圖。於第2圖中，顯示從被加工物4的表面20A照射了雷射光L時所形成的加工孔(未貫通的孔)的剖面圖。

被加工物4係於表面20A側形成有銅箔21A，並且於背面20B側形成有銅箔21B。而且，於銅箔21A及銅箔21B之間，形成有樹脂22。換言之，被加工物4係從背面20B側朝表面20A側，以銅箔21B、樹脂22、21A的順序層積有該等材料所構成。

將表面20A予以雷射加工時，被加工物4係以表面20A朝向上面側的方式載置於XY台30上。於第2圖中，顯示透過偏向鏡33、聚光透鏡34，對屬於被加工物4的表面20A側之孔的表面孔HA進行雷射加工的情形。

雷射加工機100係對各孔位置Hx進行從被加工物4的表面20A側照射雷射光L並到達被加工物4的厚度方向的中途位置的雷射加工。此時，加工控制裝置2係將位於要成為貫通孔的預定的各孔位置Hx的下部(被加工物4內)的樹脂22以預先設定的預定量予以去除的方式，依據針對表面20A的雷射光照射條件，控制雷射振盪器1及雷射加工部3。換言之，各表面孔HA係進行雷射加工到相應於雷射光照射條件的預定深度。於本實施形態中，各表面孔HA樹脂22係被去除1/2以上，且以產生僅預定殘留量的樹脂的方式進行雷射加工。例如，對各表面孔HA以雷射光照射面積5024μm² (直徑ψ=80μm的雷射光L)，且脈衝能量為10mJ(能量密度=1.99J/m² )的雷射光L對表面20A僅做單次的照射(shot)。

於此，說明關於雷射加工表面之際的加工深度。第3圖係用以說明利用雷射光進行的開孔加工的加工原理圖。當從被加工物4的表面20A側照射雷射光L時(ST1)，表面20A側的銅箔21A熔融(ST2)，進一步樹脂22熔融(ST3)。此時，銅箔21A只熔融而未蒸發。

銅箔21A及樹脂22熔融之後，樹脂22蒸發(ST4)。接著，因為樹脂22的蒸發壓力，使樹脂22被吹飛至加工孔的外側。藉此，熔融狀態的銅箔21A會與樹脂22一起往加工孔的外側飛散(ST5)。

如此，藉由雷射光L對具有銅箔21A及樹脂22的複合材料進行開孔加工時，需要只夠使銅箔21A飛散的適量樹脂22。從而，藉由雷射光L從背面20B側進行開孔加工時，亦需要只夠使銅箔21B飛散的適量樹脂22。因此，於本實施例中，以在銅箔21B側殘留有預定量以上的樹脂22的方式，從表面20A側開始進行開孔加工。

結束對表面20A的雷射加工後，被加工物4係以背面20B朝向上面側的方式載置於XY台30上，並進行對各孔位置Hx的雷射加工。雷射加工機100係對形成有加工至中途的加工孔的各孔位置Hx，從被加工物4的背面20B側照射雷射光L以朝孔位置Hx形成貫通孔。

第4圖係用以說明對背面的開孔進行加工方法之圖。於第4圖中，係顯示從被加工物4的表面20A側及背面20B側照射雷射光L時所形成的加工孔(貫通孔)的剖面圖。

雷射加工係從被加工物4的背面20B側，經由偏向鏡33、聚光透鏡34，朝屬於背面20B側之孔的背面孔HB進行。背面孔HB係為與表面孔HA相同孔位的孔，且從表面20A側觀視，係形成於表面孔HA的下部的孔。

雷射加工機100係對於各孔位置Hx從被加工物4的背面20B側照射雷射光L以進行被加工物4的背面20B側的雷射加工。此時，本實施形態的加工控制裝置2係依據針對於背面20B設定的雷射光照射條件控制雷射振盪器1及雷射加工部3。針對背面20B設定的雷射光照射條件，係為可將銅箔21B、以及於從表面20A側進行開孔加工之際所殘留的樹脂22予以去除的條件。

從表面20A側進行開孔加工後的樹脂22，係於貫通孔內僅殘留1/2以下的厚度份量。又，殘留在形成貫通孔的位置的樹脂22的量較少時，樹脂22的蒸發壓力變小。因此，在從背面20B側進行開孔加工之際，係以較從表面20A側進行開孔加工時更大的脈衝能量照射雷射光L。換言之，雷射加工機100於將照射的雷射光L的面積(雷射光照射面積)予以設為固定時，係將從背面20B照射雷射光L之際的脈衝能量設為相較於從表面20A照射雷射光L之際的脈衝能量更大。例如，如第4圖所示，雷射加工機100係於各背面孔HB以雷射光照射面積為5024μm² (直徑ψ=80μm的雷射光L)，且脈衝能量為15mJ的雷射光L僅作單次照射的方式進行照射。

具體來說，加工控制裝置2係對於雷射振盪器1以射出脈衝能量為15mJ的雷射光L的方式送出指令。雷射振盪器1係依照來自加工控制裝置2的指示，射出脈衝能量為15mJ的雷射光L。

藉此，對各表面孔HA及各背面孔HB的雷射光照射面積，係成為40×40×3.14=5024μm² 。此外，相較於從表面20A照射雷射光L時的脈衝能量(10mJ)，從背面20B照射雷射光L時的脈衝能量(15mJ)增高了10%以上。

如此，於本實施形態中，係在表面20A及背面20B將雷射光照射面積予以設為相同，並且，相較於對表面20A的雷射光L的脈衝能量，將對背面20B的雷射光L的脈衝能量增高例如10%以上。

於雷射加工背面20B之際，因為從表面20A開始的雷射加工使得樹脂22的量減少，然由於在雷射加工背面20B之際照射較表面20A更高10%以上的脈衝能量，故樹脂22的蒸發壓力增加。從而，能穩定地去除銅箔21B。如此，由於在雷射加工背面20B之際以較表面20A更高的脈衝能量照射雷射光L，故能穩定地加工貫通孔。

此外，亦可在將表面20A或背面20B予以雷射加工之際，與雷射光L的照射同時地往表面20A或背面20B吹送氣體。藉此，利用氣體的運動能量能輕易地去除銅箔21A或銅箔21B。

此外，於背面20B進行雷射加工時，亦可將雷射光照射面積設為較表面20A進行雷射加工時更大。第5圖係用以說明對背面進行的開孔加工方法的其他例圖。於第5圖中，顯示從被加工物4的表面20A側及背面20B側照射雷射光L時所形成的加工孔(貫通孔)的剖面圖。

雷射加工機100係對於各孔位置Hx從被加工物4的背面20B側照射雷射光L以進行被加工物4的背面20B側雷射加工。此時，從表面20A側進行開孔加工後的殘留樹脂，在貫通孔內只殘留1/2以下。因此，雷射加工機100係將在表面20A及背面20B所照射的雷射光L的脈衝能量密度設為大約固定，且相較於從表面20A照射雷射光L時的雷射光照射面積，將從背面20B照射雷射光L時的雷射光照射面積設為更大。

例如，如第5圖所示，雷射加工機100係對各背面孔HC以雷射光照射面積7850μm² (直徑ψ=100μm的雷射光L)且脈衝能量為15mJ的雷射光L僅作單次照射。具體而言，將照射面積控制部31交換為相應於表面20A的雷射加工條件的照射面積控制部31後，進行對被加工物4的雷射加工。

藉此，對各表面孔HA及各背面孔HB照射的雷射光L的脈衝能量係大約成為相同。此外，相較於從表面20A照射雷射光L時的雷射光照射面積(40×40×3.14=5024μm² )，從背面20B照射雷射光L時的雷射光照射面積(50×40×3.14=7850μm² )增大了10%。

在雷射加工背面20B之際，由於從表面20A的雷射加工，使樹脂22的深度方向的量有所減少。於本實施形態中，在雷射加工背面20B之際，係以較雷射加工表面20A時大10%以上的雷射光照射面積照射雷射光L，故藉由從背面20B照射雷射光所去除的樹脂22的體積，係相應雷射光照射面積的增加而增加其量。藉此，用以吹散經熔融的銅箔21B的樹脂22蒸發壓力增加。從而，能將銅箔21B予以穩定的去除。如此，由於在雷射加工背面20B之際以較表面20A更大的雷射光照射面積照射雷射光L，故能穩定地加工貫通孔。

接著，說明關於表面20A與背面20B之間的雷射加工條件與貫通孔的完成效果的關係。於此，係說明雷射加工條件為背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率，與背面20B相對於表面20A的能量密度予以相組合的情形。

第6圖係顯示表面及背面之間的雷射加工條件與貫通孔的完成效果之關係的一例圖。顯示於第6圖的橫軸的雷射光照射面積，係顯示照射於背面20B的雷射光L的雷射光照射面積。此外，顯示於第6圖的橫軸的比率，係顯示照射在背面20B的雷射光照射面積相對於照射在表面20A的雷射光照射面積的比率。此外，顯示於第6圖的縱軸的比率，係顯示照射在背面20B的能量密度相對於照射在表面20A的能量密度的比率。

此外，顯示於第6圖的○記號，係為可穩定地加工貫通孔的雷射加工條件。顯示於第6圖的╳記號，係為無法穩定地加工貫通孔的雷射加工條件。

背面20B相對於表面20A的能量密度的比率為1.10以上時，可穩定地加工貫通孔。此外，表面20A及背面20B的能量密度的比率為相同時，或背面20B的能量密度較表面20A的能量密度更大時(比率為1.00以上時)，只要背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率為1.10以上，即可穩定地加工貫通孔。

此外，背面20B相對於表面20A的能量密度的比率為0.95以上時，只要背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率為1.15以上，即可穩定地加工貫通孔。

另一方面，背面20B相對於表面20A的能量密度的比率為未滿1.10時，若背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率為未滿1.10，則無法穩定地加工貫通孔。

此外，背面20B的能量密度較表面20A的能量密度為小時(比率未滿1.00時)，若背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率未滿1.15，則無法穩定地加工貫通孔。此外，背面20B相對於表面20A的能量密度的比率未滿0.95時，無法穩定地加工貫通孔。

此外，背面20B相對於表面20A的雷射光照射面積的比率為1.10以上時，即使在穿通了表面孔HA後沒有在表面孔HA的下部殘留有樹脂22亦無妨。此外，亦可依據對背面20B進行了開孔加工時所去除的樹脂22的體積(預測值)，來決定將背面20B予以開孔之際的雷射光照射面積及能量密度。藉此，即能設定相應在背面20B進行開孔加工時所去除的樹脂22的體積的適切雷射加工條件。從而，雷射加工背面20B之際的雷射光照射面積或能量密度能不需要無謂地增大，並能以良好效率進行開孔加工。

此外，被加工物4不限於印刷線路板，而亦可為其他的構件。例如亦可使用對被加工物4照射雷射光之際僅會熔融而不會蒸發的其他種類的層來取代銅箔21A、21B。此外，亦可使用對被加工物4照射雷射光之際會熔融並蒸發的其他種類的層來取代樹脂22。

此外，於本實施形態中，雖說明了在雷射加工被加工物4的表面20A後再雷射加工背面20B的情形，然亦可在雷射加工被加工物4的背面20B後再雷射加工表面20A。此時，對背面20B運用前文所述對表面20A的雷射加工條件，並對表面20A運用前文所述對背面20B的雷射加工條件。

此外，顯示於第6圖的表面20A與背面20B之間的雷射加工條件與貫通孔的完成效果的關係係為一例示性，亦能以第6圖所示的○記號以外的雷射加工條件對背面20B照射雷射光L。例如，將雷射加工背面20B之際的能量密度，設為較雷射加工表面20A之際的能量密度更大，藉此可穩定地加工貫通孔。此外，將雷射加工背面20B之際的雷射光照射面積，設為較雷射加工表面20A之際的雷射光照射面積更大，藉此可穩定的加工貫通孔。

依據如此的實施形態，由於將雷射加工被加工物4的背面20B之際的能量密度，設為較雷射加工被加工物4的表面20A之際的能量密度更大，故能將構成被加工物4的銅箔21B予以從被加工物4穩定的去除。此外，由於將雷射加工被加工物4的背面20B之際的雷射光照射面積，設為較雷射加工表面20A之際的雷射光照射面積更大，故能將構成被加工物4的銅箔21B從被加工物4予以穩定的去除。從而，能對被加工物4穩定的形成貫通孔。

(產業上的利用可能性)

如上文所述，本發明的雷射加工方法及雷射加工機甚適於利用雷射光對被加工物的開孔加工。

1．．．雷射振盪器

2．．．加工控制裝置

3．．．雷射加工部

4．．．被加工物

20A．．．表面

20B．．．背面

21A、21B．．．銅箔

22．．．樹脂

30．．．XY台

31．．．照射面積控制部

33．．．偏向鏡

34．．．聚光透鏡

35X、35Y．．．電流鏡

36X、36Y．．．電流掃描器

39．．．位置檢測部

100．．．雷射加工機

HA．．．表面孔

HB、HC．．．背面孔

Hx．．．孔位置

L．．．雷射光

第1圖係顯示本發明實施形態之雷射加工機的構成圖。

第2圖係用以說明對表面的開孔加工方法之圖。

第3圖係用以說明利用雷射光進行的開孔加工的加工原理圖。

第4圖係用以說明對背面的開孔加工方法之圖。

第5圖係用以說明對背面的開孔加工方法的其他例圖。

第6圖係顯示表面及背面之間的雷射加工條件與貫通孔的完成效果之關係的一例圖。