TWI546146B

TWI546146B - Laser processing device and laser processing method

Info

Publication number: TWI546146B
Application number: TW102104566A
Authority: TW
Inventors: Hiroshi Ishihara
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2016-08-21
Also published as: TW201341095A; JP5808267B2; CN103252576B; JP2013169559A; KR20130095680A; CN103252576A

Description

雷射加工裝置及雷射加工方法

本發明係有關一種藉由遠心f θ透鏡使由光束掃描器掃描之雷射光束入射於加工對象物來進行加工之雷射加工裝置及雷射加工方法。

印刷基板的開孔加工中使用組合了電流掃描儀和遠心fθ透鏡之雷射鑽孔。雷射光束垂直入射到可掃描範圍內的任意位置，因此能夠在掃描範圍的中心與周邊形成形狀偏差較少之孔。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2000-301374號公報

若使用遠心fθ透鏡，則最好是雷射光束垂直入射到可掃描範圍內的任何位置。然而，存在著在可掃描範圍的周邊部附近產生遠心誤差，從而雷射光束的入射角稍微偏離90°之情況。當所形成之孔較淺時，即使雷射光束的入射角稍微偏離90°問題亦不明顯。若所形成之孔變深，則有時因雷射光束的入射角的偏離的影響，所形成之孔的中心軸相對於基板表面而傾斜的情況。

【發明內容】

本發明的目的為提供一種能夠減輕遠心誤差的影響並形成所希望的形狀的孔之雷射加工裝置及雷射加工方法。

依本發明的一觀點，提供一種雷射加工裝置，其中，該雷射加工裝置具有：載物台，其保持加工對象物；雷射光源，其射出脈衝雷射光束；光束掃描器，其掃描從前述雷射光源射出之脈衝雷射光束；遠心f θ透鏡，其配置於前述載物台與前述光束掃描器之間的雷射光束的路徑上；聚焦面移動機構，其相對保持於前述載物台之前述加工對象物的表面而改變前述遠心f θ透鏡的聚焦面的高度；及控制裝置，其對前述雷射光源、前述光束掃描器及前述聚焦面移動機構進行控制，前述控制裝置控制前述光束掃描器及前述雷射光源，使複數條雷射脈衝分別入射到在前述加工對象物的表面上劃分出之複數個加工點，按每發入射到各前述加工點的雷射脈衝，控制前述聚焦面移動機構，改變前述聚焦面的高度。

依本發明的另一觀點，提供一種雷射加工方法，其中，該雷射加工方法具有如下製程：經由光束掃描器及遠心f θ透鏡使脈衝雷射光束入射於加工對象物的加工點來形成凹部之製程；在形成前述凹部之後，使前述遠心f θ透鏡的聚焦面下降之製程；及在使前述聚焦面下降之後，經由前述光束掃描器及前述遠心f θ透鏡，使雷射脈衝入射於前述凹部以加深前述凹部之製程。

按每發雷射脈衝來調節聚焦面的高度，藉此即便在產生遠心誤差時，亦能夠形成相對加工對象物的表面大致垂直之孔。

10‧‧‧基座

11‧‧‧載物台移動機構

12‧‧‧載物台

13‧‧‧加工對象物

14‧‧‧掃描區

20‧‧‧雷射光源

21‧‧‧光束擴展器

22‧‧‧遮罩

23‧‧‧透鏡

24‧‧‧偏轉鏡

25‧‧‧光束掃描器

26‧‧‧f θ透鏡

27‧‧‧聚焦面移動機構

30‧‧‧控制裝置

40‧‧‧基板

41‧‧‧內層的銅圖案

42‧‧‧樹脂膜

43‧‧‧表層的銅膜

45‧‧‧加工點

46‧‧‧孔

47‧‧‧遮罩位置的光束截面形狀的圖像

第1圖係藉由實施例1之雷射加工裝置之概要圖。

第2圖A係加工對象物的俯視圖，第2圖B係加工對象物的剖面圖。

第3圖係藉由實施例1之雷射加工方法的流程圖。

第4圖A係利用藉由實施例1之方法所加工之加工對象物的剖面圖，第4圖B係利用藉由實施例1之雷射加工方法所形成之孔的剖面圖。

第5圖係利用藉由比較例之雷射加工方法所形成之孔的剖面圖。

第6圖係藉由實施例2之雷射加工方法的流程圖。

第7圖係利用藉由實施例3之雷射加工方法所形成之孔的剖面圖。

〔實施例1〕

於第1圖示出藉由實施例1之雷射加工裝置的概要圖。在基座10上中介著載物台移動機構11而支撐著載物台12。在載物台12的保持面上保持著印刷基板等的加工對象物13。通常，以載物台12的保持面與加工對象物13的表面呈水平之方式來確定基座10的姿勢。如下定義xyz直角座標系：即將平行於載物台12的保持面且相互正交之2方向設為x方向及y方向，將保持面的法線方向設為z方向。載物台移動機構11使載物台12及加工對象物13在x方向及y方向上移動。

雷射光源20是用來射出脈衝雷射光束。作為雷射光源20是使用例如二氧化碳雷射器、YAG雷射器、準分子雷射器等。從雷射光源20射出之脈衝雷射光束是經由光束擴展器21、遮罩22、透鏡23、偏轉鏡24、光束掃描器25及fθ透鏡26入射於加工對象物13。

光束擴展器21是用來放大雷射光束的光束截面。遮罩22是對雷射光束的光束截面形狀進行整形。透鏡23是對透過遮罩22之雷射光束進行校準。偏轉鏡24是使雷射光束的行進方向朝向下方。光束掃描器25是以使得加工對象物13的表面的雷射光束的入射點在x方向及y方向上移動之方式來掃描雷射光束。光束掃描器25上例如使用一對電流掃描儀。

fθ透鏡26是配置在光束掃描器25與載物台12之間的雷射光束的路徑上。fθ透鏡26是將遮罩22的位置的光束截面形狀成像於加工對象物13的表面。光束掃描器25及fθ透鏡26是用來構成像方遠心光學系統。亦即，利用光束掃描器25所掃描之雷射光束的主光線是垂直入射於加工對象物13。

聚焦面移動機構27是使得f θ透鏡26相對於載物台12而升降(在z方向上移動)。若使f θ透鏡26在z方向上移動，則以加工對象物13的表面為基準來改變聚焦面的高度。其中，聚焦面是指遮罩22的位置的光束截面形狀所成像之面。

控制裝置30是對雷射光源20、光束掃描器25、聚焦面移動機構27及載物台移動機構11進行控制。

於第2圖A示出加工對象物13的俯視圖。加工對象物13的表面被區分為複數個掃描區14。1個掃描區14具有與能夠利用光束掃描器25來掃描之範圍(以下稱為“可掃描範圍”)相同或者內含於可掃描範圍之大小及形狀。在加工對象物13的表面預先確定有待形成孔之複數個加工點45的座標。加工點45的座標是記錄在控制裝置30。而且，入射到1個加工點45之雷射脈衝的發射數、及與各發射對應之雷射脈衝的脈衝能量有關的資訊是記錄在控制裝置30。

於第2圖B示出加工對象物13的1個加工點45的附近的剖面圖。在玻璃環氧等的基板40上形成有內層的銅圖案41。在基板40及銅圖案41上形成有樹脂膜42。在樹脂膜42上形成有表層的銅膜43。在加工對象物13的表面定義著有待形成孔之加工點45的位置。

於第3圖示出基於實施例1之雷射加工方法的流程圖。在以下的說明中，依據需要參閱第1圖、第2圖A、第2圖B、第4圖A及第4圖B。在步驟SA1中，控制裝置30(第1圖)是控制載物台移動機構11，而將未加工的掃描區14(第2圖A)配置在可掃描範圍內。在步驟SA2中，控制裝置30是控制聚焦面移動機構27來調整聚焦面的高度。例如，使聚焦面與加工對象物13的表面一致。加工對象物13的厚度預先記錄在控制裝置30。因此，控制裝置30能夠計算加工對象物13的表面的高度(z方向上的位置)。

在步驟SA3中，控制裝置30是控制光束掃描器25和雷射光源20，使雷射脈衝1發1發地依次入射到掃描區14內的加工點45(第2圖A)。雷射脈衝的脈衝寬度及輸出功率預先記錄在控制裝置30。另外，可依據需要在透鏡23與光束掃描器25之間的雷射光束的路徑上配置脈衝寬度調整器。脈衝寬度調整器例如能夠藉由聲光元件和光束阻尼器構成。

於第4圖A示出第1發的雷射脈衝LP1入射到加工點45時的剖面圖。聚焦面FS1與加工對象物13的表面一致。因此，在加工對象物13的表面形成有遮罩22(第1圖)的位置的光束截面形狀的圖像47。在第4圖A中示出發生遠心誤差之情況。亦即，雷射脈衝LP1的中心光線，是相對於加工對象物13的表面的法線方向而傾斜。在雷射脈衝LP1所入射之位置形成孔46。

在第3圖的步驟SA4中，判定各加工點45(第2圖A)上是否入射了加工所需之發射數的雷射脈衝。重複進行步驟SA2及步驟SA3直至所入射之發射數達到加工所需之發射數。

於第4圖B示出第2發~第4發的雷射脈衝LP2~LP4入射到加工點45時的剖面圖。在使雷射脈衝入射之前，在步驟SA2(第3圖)中，使第2發~第4發的雷射脈衝LP2~LP4的各自的聚焦面FS2~FS4的高度，與藉由前一次發射之雷射脈衝的入射所形成之孔46的底面一致。

孔46的深度能夠藉由預先以相同的雷射照射條件進行評估測試來求出。由孔46的深度所計算出的聚焦面的移動量被記錄在控制裝置30。每入射第2發~第4發的雷射脈衝LP2~LP4時，如虛線所示，孔46變深。為此可將相對後面發射的雷射脈衝的聚焦面FS2~FS4配置在比相對前面發射的雷射脈衝的聚焦面FS1~FS3更深之位置。聚焦面的移動量不限定於在各發射之間相同。在入射第4發雷射脈衝LP4之時刻，孔46到達內層的銅圖案41。

即便孔46變深，各發雷射脈衝LP2~LP4的中心光線亦仍在有關xy面內相同位置入射於孔46的底面。為此，孔46在相對加工對象物13的表面的大致垂直方向上被挖進。

若孔46變深，則藉由表層的銅膜43而產生雷射脈衝的暈影。但是，雷射脈衝的中心光線與加工對象物13的表面的法線方向所成之角度很小，因此由暈影產生之影響可以忽略。

當在第3圖的步驟SA4中判定出加工所需之發射數量的雷射脈衝入射時，在步驟SA5中判定所有的掃描區14的加工是否結束。當殘留有未加工的掃描區14時，回到步驟SA1，藉由控制裝置30來控制載物台移動機構11，將未加工的掃描區14配置在可掃描範圍。若所有的掃描區14的加工結束，則開孔加工結束。

於第5圖示出利用藉由比較例之方法所形成之孔的剖面圖。藉由比較例之方法中，固定聚焦面的位置使第1發~第4發的雷射脈衝入射於加工對象物13。第1發~第4發的雷射脈衝的中心光線一致，並且遮罩22的位置的光束截面形狀的圖像47是被固定在加工對象物13的表面。因此，孔46是沿著雷射脈衝的中心光線被挖進。當中心光線從加工對象物13的表面的法線方向傾斜時，所形成之孔46亦相對表面而傾斜。若依本專利申請的發明人的評估測試，則所形成之孔46的傾斜為能夠藉由目視而確認之程度。

使用藉由實施例1之雷射加工裝置，能夠將孔46在相對於加工對象物13的表面大致垂直之方向上挖進。因此能夠防止或減輕孔46的傾斜。

實施例1中，如第4圖B所示，使聚焦面FS2~FS4的高度與已形成之孔46的底面的位置一致，但無需嚴格地一致。作為一例，可將以加工所需之發射數對最終形成之孔46的深度(從表層的銅膜43的表面至內層的銅圖案41的上面之深度)進行等分之值設為聚焦面的移動距離。

而且，實施例1中，示出使4發雷射脈衝入射於1個加工點45(第4圖A、第4圖B)之例子，但入射到1個加工點45之發射數不限定於4發。加工所需之發射數依存於加工對象物13的材料及厚度。使聚焦面移動之上述的實施例1在使複數發雷射脈衝入射於1個加工點45時很有效。

〔實施例2〕

於第6圖示出藉由實施例2之雷射加工方法的流程圖。以下，對與實施例1的不同點進行說明，且對相同的結構及製程省略說明。實施例1中，在1個掃描區14的加工結束之後，進行下一個待加工之掃描區14的加工。實施例2中，對所有的掃描區14入射第1發雷射脈衝。在對所有的掃描區14之第1發雷射脈衝的入射結束之後，對所有的掃描區14進行下一發的雷射脈衝的入射。

首先，在步驟SB1中，對發射號進行初始設定。具體而言，將發射號設為「1」。在步驟SB2中，調整聚焦面的高度。當進行第1發加工時，如第4圖A所示，使聚焦面FS1的高度與加工對象物13的表面一致。

在步驟SB3中，將未進行第1發雷射脈衝的入射之掃描區14配置在可掃描範圍。在步驟SB4中，對配置在可掃描範圍之掃描區14內的加工點，依次入射第1發雷射脈衝。在步驟SB5中，判定對所有的掃描區14之第1發雷射脈衝的入射是否結束。當殘留有未結束的掃描區14時，回到步驟SB3來進行未結束的掃描區14的處理。

當對所有的掃描區14之第1發雷射脈衝的入射結束時，在步驟SB6中，判定必要發射數的入射是否結束。當入射發射數比必要發射數少時，在步驟SB7中更新發射號之後，回到步驟SB2。在步驟SB2至步驟SB5的製程中，對所有的掃描區14的所有的加工點45入射下1發的雷射脈衝。在步驟SB7中，具體而言是在發射號上加「1」。

當在步驟SB6判定出必要發射數的入射已結束時，結束雷射加工。

在實施例2中，亦在步驟SB2調整每發的聚焦面的高度。因此，與實施例1相同地能夠形成相對加工對象物13的表面大致垂直的孔。

〔實施例3〕

於第7圖示出利用藉由實施例3之雷射加工方法所加工之孔的剖面圖。以下，對與實施例1的不同點進行說明，且對相同的結構及製程省略說明。實施例1中，如第4圖B所示，使聚焦面按雷射脈衝的每1發下降，但無需使聚焦面按每1發下降。

如第7圖所示，實施例3中，當使第1發與第2發的雷射脈衝LP1、LP2入射時，使聚焦面FS1與加工對象物13的表面一致。當使第3發與第4發的雷射脈衝LP3、LP4入射時，使聚焦面FS3與照射第2發的雷射脈衝LP2之後的孔46的底面一致。

第2發及第4發的雷射脈衝LP2、LP4的中心光線，是在稍微偏離第1發雷射脈衝LP1的中心光線的入射位置之位置，到達孔46的底面。但是，第3發雷射脈衝LP3的中心光線入射到孔46的底面之位置與第1發雷射脈衝LP1的中心光線的入射位置大致一致。因此，與將聚焦面固定在加工對象物13的表面進行加工之情況相比，能夠減輕孔46的傾斜程度。

更通常地，在最初發射至最後發射期間，使聚焦面至少下降1次，藉此與固定聚焦面來進行加工之情況相比，能夠減輕孔的傾斜程度。

藉由以上實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限定於此。本領域的技術人員可知能夠進行例如各種變更、改良、組合等。