WO2017085763A1 - レーザ照射装置 - Google Patents

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laser irradiation
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良崇 橋本
政利 藤田
明宏 川尻
謙磁 塚田
雅登 鈴木
克明 牧原
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富士機械製造株式会社
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern

Definitions

  • the present invention relates to a laser irradiation apparatus, and more particularly to a laser irradiation apparatus for firing by irradiating a laser spot on a conductive particle-containing coating film applied to a substrate.
  • Patent Document 1 JP-A 63-209194
  • the laser irradiation apparatus described above changes the power after determining the spot diameter.
  • the power density may not be within the range of the power density required for firing, regardless of how the power setting is changed.
  • the main object of the present invention is to enable power setting for realizing the power density necessary for firing regardless of the power setting resolution.
  • the present invention adopts the following means in order to achieve the main object described above.
  • This laser irradiation apparatus of the present invention has a head having a laser light source whose power setting can be changed with a predetermined power resolution, a stage on which a substrate is placed, a stage and the head are relatively moved, and a laser spot diameter is set. And an adjustable moving device. Also, the laser irradiation device acquires the power density range required for firing the conductive particle-containing coating film, and the power density resolution obtained by dividing the predetermined power resolution by the area of the laser spot is higher than the acquired power density range. The moving device is controlled so that a laser spot diameter falling within the lower limit width can be obtained. As a result, it is possible to perform power setting for realizing the power density necessary for electrical conduction regardless of the power setting resolution. As a result, the conductive particle-containing coating film can be appropriately fired by irradiating the laser spot within the power density range.
  • the control device controls the moving device so that a laser spot diameter in which the power density resolution including power stability falls within the upper and lower limit widths of the power density range can be obtained. It can also be. By doing so, since power stability is also taken into consideration, the conductive particle-containing coating film can be baked more appropriately.
  • the control device sets a laser spot diameter such that the power density resolution is within an upper and lower limit width of the power density range, and defocuses based on the set laser spot diameter.
  • the distance is calculated, and the moving device is controlled so that the calculated defocus distance is obtained.
  • the defocus distance is ⁇ (z) as a spot radius from the focus to the distance z, and ⁇ 0 is the spot at the focus.
  • the distance z may be calculated by the following equation (1), where ⁇ is the radius and ⁇ is the wavelength.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a wiring substrate manufacturing apparatus 10. It is a block diagram which shows the outline of a structure of the laser irradiation apparatus 50 as one Embodiment of this invention. 4 is an explanatory diagram showing an electrical connection relationship of a control device 70.
  • FIG. It is a flowchart which shows an example of a wiring layer formation process. It is explanatory drawing which shows the mode of wiring layer formation. It is a flowchart which shows an example of a baking process. It is a flowchart which shows an example of a defocus distance setting process. It is explanatory drawing which shows the relationship between the laser spot diameter 2omega (z) and the defocus distance z.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the wiring substrate manufacturing apparatus 10
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a laser irradiation apparatus 50 as an embodiment of the present invention.
  • the wiring substrate manufacturing apparatus 10 includes a stage 12, a transfer device 20, a resin layer forming unit 30, a wiring layer forming unit 40, and a control device 70 (see FIG. 3).
  • the resin layer forming unit 30 and the wiring layer forming unit 40 are arranged side by side along the transport direction (Y-axis direction) of the stage 12.
  • the stage 12 is a work table used when the resin layer forming unit 30 and the wiring layer forming unit 40 perform work.
  • the transport device 20 includes a pair of Y-axis guide rails 22 extending in the Y-axis direction, and a belt drive device 24 (see FIG. 3) that drives the timing belt, and transmits the timing belt.
  • the stage 12 is reciprocated along the Y-axis guide rail 22 by the motive power.
  • the resin layer forming unit 30 is for forming a resin layer on the stage 12 when the stage 12 is transported into the work area of the resin layer forming unit 30.
  • the resin layer forming unit 30 includes an ink head 32 that can eject UV curable resin ink, and a UV light irradiation device that can irradiate the resin ink discharged from the ink head 32 with UV light. 34.
  • the ink head 32 is, for example, a line head in which a plurality of nozzles are arranged so as to cover the entire width of the printing area on the stage 12.
  • the ink head 32 applies (prints) a rectangular resin layer by discharging resin ink from the nozzles while conveying the stage 12 in the Y-axis direction by the conveying device 20.
  • the UV light irradiation device 34 is configured to be able to irradiate linear UV light in the X-axis direction.
  • the UV light irradiation device 34 is applied by irradiating the rectangular resin layer applied to the stage 12 with line-shaped (X-axis direction) UV light while transporting the stage 12 in the Y-axis direction.
  • the cured resin layers are sequentially cured.
  • a mercury lamp or a metal halide lamp can be used as the UV light irradiation device 34.
  • the wiring layer forming unit 40 is for forming a wiring layer on a resin base material formed on the stage 12 when the stage 12 is transported into the work area of the wiring layer forming unit 40.
  • the wiring layer forming unit 40 includes an ink head 42 capable of discharging conductive particle-containing ink in which conductive particles such as metal nanoparticles are dispersed in a dispersant, and conductive particle-containing ink discharged from the ink head 42.
  • the laser irradiation apparatus 50 of this embodiment which irradiates a laser beam is provided.
  • the ink head 42 is, for example, a line head in which a plurality of nozzles are arranged so as to cover the entire width of the printing area.
  • the ink head 42 applies (prints) the conductive particle-containing ink onto the base material by discharging the conductive particle-containing ink from the corresponding nozzle while the stage 12 is transported in the Y-axis direction by the transport device 20. .
  • the laser irradiation apparatus 50 of the present embodiment includes an X-axis slider 52 that can move in the X-axis direction, a Z-axis slider 54 that can move in the Z-axis direction, and a Z-axis slider 54. And a laser head 56 attached to the head.
  • the X-axis slider 52 moves along the X-axis guide rail provided on the pedestal 51, and the Z-axis slider 54 moves along the Z-axis guide rail provided on the X-axis slider 52.
  • the X-axis slider 52 is driven by an X-axis actuator 53 (see FIG. 3), and the Z-axis slider 54 is driven by a Z-axis actuator 55 (see FIG. 3).
  • the laser head 56 attached to the Z-axis slider 54 can move in the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • the stage 12 is movable in the Y-axis direction along the Y-axis guide rail 22.
  • the laser light source 58 can move to any position (X-axis direction and Y-axis) on the stage 12 (base material) by moving the laser head 56 in the X-axis direction and Z-axis direction and moving the stage 12 in the Y-axis direction.
  • the laser spot can be irradiated at an arbitrary height (position in the Z-axis direction).
  • the laser irradiation device 50 moves the laser head 56 in the Z-axis direction to change the distance between the laser head 56 (laser light source 58) and the stage 12, thereby increasing the laser irradiation height.
  • the laser spot diameter can be changed by changing.
  • the laser spot diameter is the smallest when the position of the laser head 56 in the Z-axis direction is at a position where the optical system 59 is in focus, and the laser spot diameter increases as the distance from the laser spot increases.
  • the wiring layer forming unit 40 repeats the application of the conductive particle-containing ink by the ink head 42 and the conduction (firing) of the conductive particle-containing ink by the laser irradiation device 50 a plurality of times. Lamination is performed to form wiring on the resin substrate.
  • the control device 70 includes a CPU 71, a ROM 72, a HDD 73, a RAM 74, and an input / output interface 75 as shown in FIG. These are electrically connected via a bus 76.
  • Various detection signals from a position detection sensor that detects each position of the stage 12 and the laser head 56 (laser light source 58) are input to the control device 70 via the input / output interface 75.
  • Various control signals from the control device 70 to the belt driving device 24, the ink head 32, the UV light irradiation device 34, the ink head 42, the laser light source 58, the X-axis actuator 53, the Z-axis actuator 55, and the like are input / output interfaces. 75 is output.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state of wiring layer formation.
  • the wiring layer is formed by repeating discharge (printing) of conductive particle-containing ink and laser irradiation (firing) as described above.
  • Printing is performed by ejecting conductive particle-containing ink from nozzles corresponding to the ink head 42 in accordance with the wiring pattern while moving the stage 12 on which the resin base material is placed along the Y-axis guide rail 22 in the Y-axis direction. (See FIG. 4A).
  • Laser firing is performed by moving the laser head 56 mounting the laser light source 58 in the X-axis direction according to the wiring pattern in a state where the laser spot is irradiated downward from the laser light source 58 and cutting the resin base material. This is performed by moving the placed stage 12 in the Y-axis direction (see FIG. 4B).
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the firing process. This process is performed after the ink containing conductive particles is applied to the substrate by the ink head 42.
  • the CPU 71 of the control device 70 When the firing process is executed, the CPU 71 of the control device 70 first inputs necessary data such as the required power density range D p ⁇ ⁇ , the scanning speed V, the wavelength ⁇ , the maximum power P max , and the power resolution R p. Perform (S100).
  • the required power density range D p ⁇ ⁇ indicates an upper limit value D p + ⁇ and a lower limit value D p ⁇ of the power density required for firing the conductive particle-containing ink applied on the substrate. It is determined by the thermal conductivity of the substrate, the thickness of the conductive particle-containing ink applied to the substrate, the decomposition temperature of the dispersant contained in the conductive particle-containing ink, and the like.
  • the firing of the conductive particle-containing ink is insufficient, and exceeds the upper limit value D p + ⁇ of the required power density. Then, the base material (resin) as a base may be excessively heated to damage the base material. Therefore, when performing laser firing, it is necessary to keep the power density within the required power density range D p ⁇ ⁇ . For example, it is assumed that 150 ⁇ 15 [W / mm 2 ] is input as the required power density range D p ⁇ ⁇ .
  • the upper limit value D p + ⁇ of the required power density range is 165 [W / mm 2 ]
  • the lower limit value D p ⁇ is 135 [W / mm 2 ].
  • the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range is 30 [W / mm 2 ].
  • the scanning speed V is set to a speed that allows the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range to be as wide as possible. For example, 100 [mm / s] is input.
  • the wavelength ⁇ , the maximum power P max, and the power resolution R p are parameters based on the specifications of the laser irradiation apparatus 50. For example, 1062 [nm], 300 [W], and 3 [W] respectively. It is assumed that it has been entered.
  • the laser irradiation apparatus 50 of this embodiment can set the laser spot diameter (defocus distance) and the output power P that can keep the power density within the required power density range by making the laser irradiation height variable. It is what.
  • CPU71 will set the defocus distance z which is the distance from the focus of the optical system 59, if required data is input (S110).
  • the defocus distance z is set by executing a defocus distance setting process illustrated in FIG.
  • the defocus distance setting process will be described.
  • the CPU 71 sets a spot radius ⁇ (z) (diameter 2 ⁇ (z)) such that the power density resolution is within the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range by the following equation (2) ( S200).
  • the power density resolution is obtained by dividing the power resolution R p [W] by the area ( ⁇ 2 (z)) of the laser spot.
  • the spot radius ⁇ (z) only needs to satisfy the formula (2) in order to make the power density resolution less than the upper and lower limit width 2 ⁇ . Since the power resolution is 3 [W] and the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range is 30 [W / mm 2 ], the power density resolution is 30 [W / mm 2 ] or less. Therefore, the spot radius ⁇ (z) may be set to 178.5 [ ⁇ m] (diameter 2 ⁇ (z) is 357 [ ⁇ m]) or more by applying the formula (2).
  • the CPU 71 sets the defocus distance z for obtaining the spot radius ⁇ (z) by the following equation (3) (S210), and ends the defocus distance setting process.
  • the shape of the laser beam is regarded as a hyperbola as shown in FIG. 7, the distance z from the focal point and the spot radius ⁇ (z) satisfy the relationship of Expression (3).
  • the wavelength ⁇ is 1062 [nm]
  • the spot radius ⁇ 0 at the focal point is 11 [ ⁇ m] (diameter 2 ⁇ 0 is 22 [ ⁇ m])
  • the spot radius ⁇ (z) is 178.5 [ ⁇ m]. Therefore, the defocus distance z for obtaining the spot radius ⁇ (z) is 4.45 [mm].
  • the defocus distance setting process has been described above.
  • the CPU 71 drives and controls the Z-axis actuator 55 so that the set defocus distance z is obtained, and moves the laser head 56 in the Z-axis direction (S120). .
  • the CPU 71 sets the output power P of the laser light source 58 (S130).
  • the processing is performed so that the power density of the laser spot is within the required power density range D p ⁇ ⁇ , that is, the output power P satisfies Expression (4).
  • the power density is set to the upper limit value D p + ⁇ of the required power density range.
  • the necessary power is 16.5 [W]
  • the power necessary for setting the power density to the lower limit value D p ⁇ of the required power density range is 13.5 [W]. Since the power resolution R p is 3 [W], the output power P can be set to 15 [W] (5% of full scale).
  • the CPU 71 drives and controls the belt driving device 24 and the X-axis actuator 53 to move the laser head 56 to the irradiation start position of the laser spot (S140). Then, the CPU 71 drives and controls the laser light source 58 so that the laser spot is irradiated with the output power P set in S130 (S150), and the belt driving device 24 scans the laser spot at the scanning speed V input in S100. And the X-axis actuator 53 are driven and controlled (S160), and the firing process is terminated.
  • the laser head 56 of this embodiment corresponds to a “head” of the present invention
  • the Z-axis slider 54 and the Z-axis actuator 55 correspond to a “moving device”
  • the control device 70 corresponds to a “control device”.
  • the laser irradiation apparatus 50 of the present embodiment described above sets a spot diameter such that the power density resolution is within the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range, sets a defocus distance z for setting the spot diameter, The laser head 56 is moved in the Z-axis direction so that the set defocus distance z is obtained. Thereby, regardless of the power resolution of the laser irradiation apparatus 50, it is possible to set the power so that the wiring can be fired within the required power density range. As a result, the wiring can be fired more appropriately.
  • the CPU 81 changes the laser spot diameter by moving the laser head 56 in the Z-axis direction, but changes the laser spot diameter by moving the stage 12 in the Z-axis direction. Also good.
  • the CPU 81 sets a laser spot diameter (radius ⁇ (z)) such that the power density resolution is within the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range, and obtains the set laser spot diameter.
  • the focus distance z was calculated.
  • the defocus distance may be set directly using a map or the like based on the parameters input in S100 of the firing process.
  • the laser spot diameter ⁇ (z) in which the power density resolution falls within the upper and lower limit width 2 ⁇ of the required power density range is calculated by the equation (2), but the power density resolution (R p / ⁇ 2 ( z)) may also take into account power stability ⁇ [%].
  • the power density resolution is replaced with [power density resolution ⁇ (1 + ⁇ / 100)], and an equation for calculating the spot radius ⁇ (z) in S200 of the defocus distance setting process is as follows: Instead, the following equation (5) may be used.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above at all, and as long as it belongs to the technical scope of this invention, it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect.
  • the present invention can be used in the laser irradiation apparatus manufacturing industry.

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Abstract

レーザ照射高さを変更可能なレーザ照射装置において、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなスポット径を設定し（Ｓ２００）、スポット径とするためのデフォーカス距離ｚを設定する（Ｓ２１０）。そして、設定したデフォーカス距離ｚとなるようレーザ照射高さを調整する。これにより、レーザ照射装置のパワー分解能に拘わらず、要求パワー密度範囲内で配線を焼成できるようなパワー設定が可能となる。この結果、配線の焼成をより適切に行うことができる。

Description

レーザ照射装置
　本発明は、レーザ照射装置に関し、より詳しくは、基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置に関する。
　従来より、基板上に塗布された導電ペーストにレーザを照射することにより焼成するレーザ照射装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この装置は、導電ペーストの線幅に応じてスポット径を変化させると共にスポット径の変化に合わせてレーザ光源の出力（パワー）を変化させることにより、スポット径に拘わらず単位面積当りのエネルギ（パワー密度）が等しくなるようレーザを照射する。
　特許文献１：特開昭６３－２０９１９４号公報
　上述したレーザ照射装置は、スポット径を決定した上で、パワーを変化させる。この場合、パワー設定の分解能（パワー分解能）によっては、どのようにパワー設定を変化させても、焼成に必要なパワー密度の範囲内とならない場合が生じる。
　本発明は、パワー設定の分解能に拘わらず焼成に必要なパワー密度を実現するためのパワー設定を可能とすることを主目的とする。
　本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
　本発明のレーザ照射装置は、
　基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置であって、
　所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、
　前記基材が裁置されるステージと、
　前記ステージと前記ヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置と、
　前記導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、前記所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が前記取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する制御装置と、
　を備えることを要旨とする。
　この本発明のレーザ照射装置は、所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、基材が裁置されるステージと、ステージとヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置とを備える。また、レーザ照射装置は、導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように移動装置を制御する。これにより、パワー設定の分解能に拘わらず導電化に必要なパワー密度を実現するためのパワー設定が可能となる。この結果、パワー密度範囲内でレーザースポットを照射することにより、導電性粒子含有塗膜の焼成を適切に行うことができる。
　こうした本発明のレーザ照射装置において、前記制御装置は、パワー安定性を含めた前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御するものとすることもできる。こうすれば、パワー安定性も考慮するから、導電性粒子含有塗膜の焼成をより適切に行うことができる。
　また、本発明のレーザ照射装置において、前記制御装置は、前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるようなレーザスポット径を設定し、前記設定したレーザスポット径に基づいてデフォーカス距離を算出し、該算出したデフォーカス距離となるように前記移動装置を制御し、前記デフォーカス距離は、ω（ｚ）を焦点から距離ｚでのスポット半径とし、ω0を焦点でのスポット半径とし、λを波長としたときに、次式（１）により算出される距離ｚであるものとすることもできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
配線基材製造装置１０の構成の概略を示す構成図である。 本発明の一実施形態としてのレーザ照射装置５０の構成の概略を示す構成図である。 制御装置７０の電気的な接続関係を示す説明図である。 配線層形成処理の一例を示すフローチャートである。 配線層形成の様子を示す説明図である。 焼成処理の一例を示すフローチャートである。 デフォーカス距離設定処理の一例を示すフローチャートである。 レーザスポット直径２ω（ｚ）とデフォーカス距離ｚとの関係を示す説明図である。
　図１は、配線基材製造装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、本発明の一実施形態としてのレーザ照射装置５０の構成の概略を示す構成図であり、図３は、制御装置７０の電気的な接続関係を示す説明図である。なお、図１中の前（手前）後（奥）方向がＸ軸方向であり、左右方向がＹ軸方向であり、上下方向がＺ軸方向である。
　配線基材製造装置１０は、図１に示すように、ステージ１２と、搬送装置２０と、樹脂層形成ユニット３０と、配線層形成ユニット４０と、制御装置７０(図３参照）とを備える。樹脂層形成ユニット３０と配線層形成ユニット４０は、ステージ１２の搬送方向（Ｙ軸方向）に沿って並べて設置されている。
　ステージ１２は、樹脂層形成ユニット３０と配線層形成ユニット４０とがそれぞれ作業を行う際の作業台である。
　搬送装置２０は、図１に示すように、Ｙ軸方向に延びる一対のＹ軸ガイドレール２２と、タイミングベルトを駆動するベルト駆動装置２４（図３参照）とを備え、タイミングベルトを介して伝達される動力によってステージ１２をＹ軸ガイドレール２２に沿って往復動させる。
　樹脂層形成ユニット３０は、ステージ１２が樹脂層形成ユニット３０の作業エリア内に搬送されているときに、ステージ１２上に樹脂層を形成するものである。この樹脂層形成ユニット３０は、図１に示すように、ＵＶ硬化性の樹脂インクを吐出可能なインクヘッド３２と、インクヘッド３２から吐出された樹脂インクにＵＶ光を照射可能なＵＶ光照射装置３４とを備える。
　インクヘッド３２は、例えば、ステージ１２上の印刷領域の幅を全てカバーするように複数のノズルが配列されたラインヘッドである。このインクヘッド３２は、搬送装置２０によりステージ１２をＹ軸方向に搬送しながらノズルから樹脂インクを吐出することにより、矩形形状の樹脂層を塗布（印刷）する。
　ＵＶ光照射装置３４は、Ｘ軸方向にライン状のＵＶ光を照射可能に構成されている。このＵＶ光照射装置３４は、ステージ１２をＹ軸方向に搬送しながらステージ１２に塗布された矩形形状の樹脂層にライン状（Ｘ軸方向）のＵＶ光を照射していくことにより、塗布された樹脂層を順次硬化させる。ＵＶ光照射装置３４は、例えば、水銀ランプやメタルハライドランプ等を用いることができる。
　樹脂層形成ユニット３０は、こうしてインクヘッド３２による樹脂層の塗布とＵＶ光照射装置３４による樹脂層の硬化とを複数回に亘って繰り返すことで、樹脂層を積層していき、所定厚さの樹脂基材を作製する。
　配線層形成ユニット４０は、ステージ１２が配線層形成ユニット４０の作業エリア内に搬送されているときに、ステージ１２上に形成された樹脂基材に配線層を形成するものである。この配線層形成ユニット４０は、金属ナノ粒子等の導電性粒子が分散剤に分散された導電性粒子含有インクを吐出可能なインクヘッド４２と、インクヘッド４２から吐出された導電性粒子含有インクにレーザビームを照射する本実施形態のレーザ照射装置５０とを備える。
　インクヘッド４２は、例えば、印刷領域の幅を全てカバーするように複数のノズルが配列されたラインヘッドである。このインクヘッド４２は、搬送装置２０によりステージ１２をＹ軸方向に搬送しながら対応するノズルから導電性粒子含有インクを吐出することで、基材上に導電性粒子含有インクを塗布（印刷）する。
　本実施形態のレーザ照射装置５０は、図１および図２に示すように、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸スライダ５２と、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸スライダ５４と、Ｚ軸スライダ５４に取り付けられたレーザヘッド５６とを備える。
　レーザヘッド５６には、レーザ光線を光学系５９を介してＺ軸方向にスポット状に照射するレーザ光源（レーザ発振器）５８が内蔵されている。なお、レーザ光源５８としては、例えば、最大パワーＰmaxが３００［Ｗ］，パワー分解能Ｒpが３［Ｗ］（フルスケールの１％），パワー安定性βが±２［％］，波長λが１０６２［ｎｍ］，焦点でのスポット直径２ω0が２２［μｍ］（ω0はスポット半径）の仕様のものを用いるものとした。基材上に塗布された導電性粒子含有インクは、レーザ光源５８によって照射されたレーザスポットによって導電性粒子の周囲の分散剤が加熱されて分解されることで、導電化する。
　Ｘ軸スライダ５２は、台座５１に設けられたＸ軸ガイドレールに沿って移動し、Ｚ軸スライダ５４は、Ｘ軸スライダ５２に設けられたＺ軸ガイドレールに沿って移動する。また、Ｘ軸スライダ５２は、Ｘ軸アクチュエータ５３（図３参照）により駆動され、Ｚ軸スライダ５４は、Ｚ軸アクチュエータ５５（図３参照）により駆動される。これにより、Ｚ軸スライダ５４に取り付けられたレーザヘッド５６は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動できるようになっている。上述したように、ステージ１２は、Ｙ軸ガイドレール２２に沿ってＹ軸方向に移動可能である。したがって、レーザ光源５８は、レーザヘッド５６のＸ軸方向およびＺ軸方向の移動とステージ１２のＹ軸方向の移動とによって、ステージ１２（基材）上の任意の位置（Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置）に、任意の高さ（Ｚ軸方向の位置）からレーザスポットを照射できるようになっている。
　また、レーザ照射装置５０は、図２に示すように、レーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させてレーザヘッド５６（レーザ光源５８）とステージ１２との距離を変更することにより、レーザ照射高さを変化させて、レーザスポット径を変化させることができる。レーザスポット径は、レーザヘッド５６のＺ軸方向位置が光学系５９の焦点が合う位置にあるときが最も小さくなり、そこから上下に離れるほど大きくなる。
　配線層形成ユニット４０は、こうしてインクヘッド４２による導電性粒子含有インクの塗布とレーザ照射装置５０による導電性粒子含有インクの導電化（焼成）とを複数回に亘って繰り返すことで、配線層を積層していき、樹脂基材上に配線を形成する。
　制御装置７０は、図３に示すように、ＣＰＵ７１とＲＯＭ７２とＨＤＤ７３とＲＡＭ７４と入出力インタフェース７５とを備える。これらは、バス７６を介して電気的に接続されている。制御装置７０には、ステージ１２やレーザヘッド５６（レーザ光源５８）の各位置を検知する位置検知センサなどからの各種検知信号が入出力インターフェース７５を介して入力されている。また、制御装置７０からは、ベルト駆動装置２４やインクヘッド３２，ＵＶ光照射装置３４，インクヘッド４２，レーザ光源５８，Ｘ軸アクチュエータ５３，Ｚ軸アクチュエータ５５などへの各種制御信号が入出力インタフェース７５を介して出力されている。
　次に、こうして構成された実施例の配線基材製造装置１０の動作、特に樹脂層形成ユニット３０により形成された樹脂層（樹脂基材）上に配線層を形成する際の動作について説明する。
　図４は、配線層形成の様子を示す説明図である。図示するように、配線層の形成は、上述したように、導電性粒子含有インクの吐出（印刷）とレーザ照射（焼成）とを繰り返すことにより行われる。印刷は、樹脂基材が裁置されたステージ１２をＹ軸ガイドレール２２に沿ってＹ軸方向に移動させながら、配線パターンに合わせてインクヘッド４２の対応するノズルから導電性粒子含有インクを吐出することにより行われる（図４（ａ）参照）。また、レーザ焼成は、レーザ光源５８からレーザスポットを下方に向けて照射させた状態で、配線パターンに合わせてレーザ光源５８を搭載するレーザヘッド５６をＸ軸方向へ移動させると共に樹脂基材が裁置されたステージ１２をＹ軸方向へ移動させることにより行われる（図４（ｂ）参照）。
　レーザ焼成について更に詳細に説明する。図５は、焼成処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、インクヘッド４２により基材上に導電性粒子含有インクが塗布された後に実行される。
　焼成処理が実行されると、制御装置７０のＣＰＵ７１は、まず、要求パワー密度範囲Ｄp±αや走査速度Ｖ，波長λ，最大パワーＰmax，パワー分解能Ｒpなどの必要なデータの入力を行う（Ｓ１００）。ここで、要求パワー密度範囲Ｄp±αは、基材上に塗布された導電性粒子含有インクの焼成に必要とされるパワー密度の上限値Ｄp＋αと下限値Ｄp－αとを示すものであり、基材の熱伝導率や基材に塗布された導電性粒子含有インクの厚み、導電性粒子含有インクに含まれる分散剤の分解温度などによって定められる。レーザ光源５８から照射されたレーザスポットのパワー密度が要求パワー密度の下限値Ｄp－αを下回ると、導電性粒子含有インクの焼成は不十分となり、要求パワー密度の上限値Ｄp＋αを上回ると、下地の基材（樹脂）が過剰に加熱されて基材にダメージを与えるおそれがある。したがって、レーザ焼成を行う場合、パワー密度を要求パワー密度範囲Ｄp±α内に収めることが必要である。例えば、要求パワー密度範囲Ｄp±αとして１５０±１５［Ｗ／ｍｍ2］が入力されたものとする。なお、この場合、要求パワー密度範囲の上限値Ｄp＋αは、１６５［Ｗ／ｍｍ2］となり、下限値Ｄp－αは、１３５［Ｗ／ｍｍ2］となる。また、要求パワー密度範囲の上下限幅２αは、３０［Ｗ／ｍｍ2］となる。また、走査速度Ｖは、例えば、要求パワー密度範囲の上下限幅２αをできる限り広くとれるような速度とされ、例えば、１００［ｍｍ／ｓ］が入力されたものとする。波長λと最大パワーＰmaxとパワー分解能Ｒpは、上述したように、レーザ照射装置５０の仕様に基づくパラメータであり、例えば、それぞれ１０６２［ｎｍ］，３００［Ｗ］，が３［Ｗ］が入力されたものとする。
　ここで、例えば、レーザ照射高さが固定され、スポット直径２ω（ｚ）が２００［μｍ］の場合を考える。この場合、レーザ光源５８が上述した仕様（パワー分解能が３［Ｗ］（フルスケールの１％））であると、出力パワーＰが３［Ｗ］（フルスケールの１％）のときには、パワー密度が９５［Ｗ／ｍｍ2］となり、出力パワーＰが６［Ｗ］（フルスケールの２％）のときには、パワー密度が１９１［Ｗ／ｍｍ2］となる。このため、パワー分解能３［Ｗ］のレーザ光源５８では、出力パワーＰをどのように変更しても、要求パワー密度範囲１５０±１５［Ｗ／ｍｍ2］を満たすパワー密度を実現することができない。本実施形態のレーザ照射装置５０は、レーザ照射高さを可変とすることで、パワー密度を要求パワー密度範囲内に収めることのできるレーザスポット径（デフォーカス距離）および出力パワーＰの設定を可能とするものである。
　ＣＰＵ７１は、必要なデータを入力すると、光学系５９の焦点からの距離であるデフォーカス距離ｚを設定する（Ｓ１１０）。ここで、デフォーカス距離ｚの設定は、図６に例示するデフォーカス距離設定処理を実行することにより設定される。以下、デフォーカス距離設定処理について説明する。
　デフォーカス距離設定処理では、ＣＰＵ７１は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなスポット半径ω（ｚ）（直径２ω（ｚ））を次式（２）により設定する（Ｓ２００）。ここで、パワー密度分解能は、パワー分解能Ｒp［Ｗ］をレーザスポットの面積（πω2（ｚ））で除したものである。このパワー密度分解能を上下限幅２α以下とするためには、スポット半径ω（ｚ）が式（２）を満たせばよいことがわかる。いま、パワー分解能が３［Ｗ］であり、要求パワー密度範囲の上下限幅２αが３０［Ｗ／ｍｍ2］であるときを考えているから、パワー密度分解能を３０［Ｗ／ｍｍ2］以下とするために、式（２）を適用して、スポット半径ω（ｚ）を１７８．５［μｍ］（直径２ω（ｚ）は３５７［μｍ］）以上とすればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ＣＰＵ７１は、スポット半径ω（ｚ）を設定すると、スポット半径ω（ｚ）を得るためのデフォーカス距離ｚを次式（３）により設定して（Ｓ２１０）、デフォーカス距離設定処理を終了する。レーザ光線の形状を図７に示すような双曲線とみなすと、焦点からの距離ｚとスポット半径ω（ｚ）は、式（３）の関係を満たす。波長λは１０６２［ｎｍ］であり、焦点でのスポット半径ω0は１１［μｍ］（直径２ω0は２２［μｍ］）であり、スポット半径ω（ｚ）は１７８．５［μｍ］であるから、スポット半径ω（ｚ）を得るためのデフォーカス距離ｚは、４．４５［ｍｍ］となる。以上、デフォーカス距離設定処理について説明した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　焼成処理に戻って、ＣＰＵ７１は、こうしてデフォーカス距離ｚを設定すると、設定したデフォーカス距離ｚが得られるようＺ軸アクチュエータ５５を駆動制御してレーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１２０）。
　そして、ＣＰＵ７１は、レーザ光源５８の出力パワーＰを設定する（Ｓ１３０）。ここで、本実施形態では、レーザスポットのパワー密度が要求パワー密度範囲Ｄp±α内となるように、即ち出力パワーＰが式（４）を満たすように行う。１７８．５［μｍ］のスポット半径ω（ｚ）（３５７［μｍ］のスポット直径２ω（ｚ））で配線を焼成する場合、パワー密度を要求パワー密度範囲の上限値Ｄp＋αとするために必要なパワーは１６．５［Ｗ］となり、パワー密度を要求パワー密度範囲の下限値Ｄp－αとするために必要なパワーは１３．５［Ｗ］となる。パワー分解能Ｒpは３［Ｗ］であるから、出力パワーＰは１５［Ｗ］（フルスケールの５％）に設定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　次に、ＣＰＵ７１は、ベルト駆動装置２４とＸ軸アクチュエータ５３とを駆動制御してレーザスポットの照射開始位置にレーザヘッド５６を移動させる（Ｓ１４０）。そして、ＣＰＵ７１は、Ｓ１３０で設定した出力パワーＰでレーザスポットが照射されるようレーザ光源５８を駆動制御し（Ｓ１５０）、Ｓ１００で入力した走査速度Ｖでレーザスポットが走査されるようベルト駆動装置２４とＸ軸アクチュエータ５３とを駆動制御して（Ｓ１６０）、焼成処理を終了する。
　ここで、本実施形態の主要な要素と発明の開示の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、本実施形態のレーザヘッド５６が本発明の「ヘッド」に相当し、Ｚ軸スライダ５４およびＺ軸アクチュエータ５５が「移動装置」に相当し、制御装置７０が「制御装置」に相当する。
　以上説明した本実施形態のレーザ照射装置５０は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなスポット径を設定し、スポット径とするためのデフォーカス距離ｚを設定し、設定したデフォーカス距離ｚとなるようレーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させる。これにより、レーザ照射装置５０のパワー分解能に拘わらず、要求パワー密度範囲内で配線を焼成できるようなパワー設定が可能となる。この結果、配線の焼成をより適切に行うことができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
　例えば、上述した実施形態では、ＣＰＵ８１は、レーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させることによりレーザスポット径を変化させたが、ステージ１２をＺ軸方向に移動させることによりレーザスポット径を変化させてもよい。
　上述した実施形態では、ＣＰＵ８１は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなレーザスポット径（半径ω（ｚ））を設定し、設定したレーザスポット径を得るためのデフォーカス距離ｚを算出するものとした。これに対して、焼成処理のＳ１００で入力したパラメータに基づいてマップ等を用いて直接にデフォーカス距離を設定するものとしてもよい。
　上述した実施形態では、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなレーザスポット径ω（ｚ）を式（２）により算出したが、パワー密度分解能（Ｒp／πω2（ｚ））にパワー安定性β［％］も考慮に入れるものとしてもよい。この場合、パワー密度分解能を［パワー密度分解能－（１＋β／１００）］で置き換え、デフォーカス距離設定処理のＳ２００にてスポット半径ω（ｚ）を算出する際の演算式として、式（２）に代えて次式（５）を用いるものとすればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
　本発明は、レーザ照射装置の製造産業などに利用可能である。
　１０　配線基材製造装置、１２　ステージ、２０　搬送装置、２２　Ｙ軸ガイドレール、２４　ベルト駆動装置、３０　樹脂層形成ユニット、３２　インクヘッド、３４　ＵＶ光照射装置、４０　配線層形成ユニット、４２　インクヘッド、５０　レーザ照射装置、５１　台座、５２　Ｘ軸スライダ、５３　Ｘ軸アクチュエータ、５４　Ｚ軸スライダ、５５　Ｚ軸アクチュエータ、５６　レーザヘッド、５８　レーザ光源、５９　光学系、７０　制御装置、７１　ＣＰＵ、７２　ＲＯＭ、７３　ＨＤＤ、７４　ＲＡＭ、７５　入出力インタフェース、７６　バス。

Claims (3)

  1. 　基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置であって、
    　所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、
    　前記基材が裁置されるステージと、
    　前記ステージと前記ヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置と、
    　前記導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、前記所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が前記取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する制御装置と、
    　を備えることを特徴とするレーザ照射装置。
  2. 　請求項１記載のレーザ照射装置であって、
    　前記制御装置は、パワー安定性を含めた前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する
    　ことを特徴とするレーザ照射装置。
  3. 　請求項１または２記載のレーザ照射装置であって、
    　前記制御装置は、前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるようなレーザスポット径を設定し、前記設定したレーザスポット径に基づいてデフォーカス距離を算出し、該算出したデフォーカス距離となるように前記移動装置を制御し、
    　前記デフォーカス距離は、ω（ｚ）を焦点から距離ｚでのスポット半径とし、ω0を焦点でのスポット半径とし、λを波長としたときに、次式（１）により算出される距離ｚである
    　ことを特徴とするレーザ照射装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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