CN1212195A - 激光加工方法 - Google Patents

Abstract

一种激光加工方法,将规定振荡频率的激光束分成任意数的脉冲照射区域内的所有孔,并重复这一工序直至照射所希望数的脉冲,由于相互作用时间取决于分割数并能获得冷却时间,同时取每分割的脉冲数为多个脉冲,故能提高刻蚀速率,比对所有孔一个一个脉冲照射情况加工所需脉冲数少。上述方法能高质量、高效率地对印刷板进行开孔加工。

Description

激光加工方法

本发明涉及激光加工方法，具体而言，是一种用多个脉冲的激光束对印刷板加工多个孔的激光加工方法，例如，涉及对印刷板加工路径孔或通孔的激光加工方法。

近年来，在成品或元器件制造的加工工序等中，正在极广泛地应用激光束。这种激光束是一种振幅和波长都相等的特殊的相干光，不同于自然光那样的包含多种振幅和波长的非相干光。

作为已有技术的激光加工方法之一，在用多个脉冲的激光束加工多个孔的情况下，有按照预先设定的振荡频率对各个孔照射预先设定的数个脉冲的方法。下面在本说明书中，将该方式称为“方式A”。

作为与上述不同的激光加工方法，有在使用电扫描反射镜情况下，对扫描区内所有孔一枪(shot)一枪照射激光束脉冲，在一枪一枪照射完区内所有孔后，再从最初的孔开始再一次一枪一枪照射，反复这样进行至设定数的方法。下面本说明书中将该方式称为“方式B”。

图15表示用激光束对印刷板加工路径孔的剖面图。图15(a)所示为印刷板50的绝缘层由树脂单体构成，图15(b)所示为印刷板62的绝缘层由无机质基材浸渍树脂构成。

图中，印刷板50或62，在电路芯板52上配置连接用焊区54，其上形成构成绝缘层的环氧树脂56或混合有玻璃布66的玻璃环氧树脂64之后，经激光束激光加工形成路径孔58，再在整个面上镀以图形(patter plating)60。

这样一来，可用上述的“方式A”或“方式B”的激光加工方法来制作如图15(a)、(b)所示形成在印刷板50、62上的路径孔58。特别是如图15(a)所示，当绝缘层用树脂单体构成时，无论使用“方式A”或“方式B”，在加工质量上没有差别。

因此，从能缩短加工时间及生产率方面考虑，通常使用“方式A”并取高振荡频率进行加工。这里所谓取高振荡频率(高频)就是将振荡频率设定得大于为定位多个孔所需时间的倒数所求得的频率。在低于该频率上，“方式A”比“方式B”的生产率还低。

这里，以检流计式反射镜为例说明这种加工时间的考虑。图16中，示出了脉冲数与加工时间相对于“方式A”和“方式B”的各振荡频率的关系曲线图。这里对可在2.5毫秒定位的电扫描给出振荡频率与加工时间的关系。因该电扫描可在2.5毫秒定位，故若取其倒数就成为400Hz。

如图16所示，当取振荡频率为400Hz时，由于与电扫描频率(重复周期)恰好相等，故“方式A”与“方式B”加工时间相同。当振荡频率低于400Hz时(图16中为200Hz的情况)，“方式A”比“方式B”加工时间长。相反，振荡频率高于400Hz时(图16中为800Hz的情况)，“方式A”比“方式B”加工时间短。

但是在上述已有技术的激光加工方法中，如图15(b)所示可知，在将玻璃布或陶瓷等无机质使其浸渍于树脂用作印刷板绝缘层的基材情况下，“方式A”与“方式B”在加工质量上产生明显的差别。

目前，在使用二氧化碳激光对印刷板加工孔时，一般使用电扫描方式，检流计式反射镜产生的激光束移动及定位的时间短，最快相当于400Hz。因此，如上所述，用“方式A”，若不设定为比400Hz高的频率，在生产率方面没有优点。但是，图15(b)中玻璃环氧树脂64等，其环氧分解温度约为600K(327℃)，而玻璃转变温度约为1100K(827℃)。

这样一来，在热性质明显不同的材料情况下，若激光束振荡频率取得高，则激光与材料的相互作用时间变长，有选择地更多地分解除去环氧部分。为此，加工孔的壁面呈玻璃纤维突出的状态，故在该表面不能镀成很好的图形60，存在所谓加工质量差的不良情况。

与此相反，在将所述“方式B”的激光加工方法与电扫描方式组合运用情况下，电扫描区内孔越多，则同一孔重复照射间隔时间越长。换言之，因为如此，使加工材料冷却，故缩短了相互作用时间，难以发生有选择地分解除去环氧树脂的现象，能获得良好的加工质量。但是，在用“方式B”加工情况下，当每孔照射多个脉冲时除了1个孔用1个脉冲能够加工情况外，加工时间会变长，故存在生产率比“方式A”明显下降的不良情况。

本发明鉴于已有技术存在的有关不良情况，其目的在于提供一种能高质量高生产率对印刷板开孔加工的激光加工方法。

为实现上述目的，在本发明的激光加工方法中，用多个脉冲的激光束对印刷板加工多个孔，其特征在于，将为加工所述孔所需的激光束的脉冲数分成n份，n为2以上的整数，将这种分割后的第一至第n份各分割脉冲数的激光束使用于不同的工序，在各工序中，按照规定的振荡频率将该工序中脉冲数的激光束依次照射各孔，对所有孔进行加工，并按工序数作为重复次数对孔重复进行加工。

按照上述方法，对印刷板加工孔时所需激光束的脉冲数被分成n份，所分割的各脉冲数的激光束用于各工序，在各工序中按规定的振荡频率对各孔依次照射该工序的脉冲数的激光束，对所有孔进行加工，并按工序数作为重复次数对孔重复进行加工。由此，与“方式A”一样，对一个孔照射多个脉冲的激光束，但并不是照射加工孔时所需的激光束的脉冲数，而是照射将所需脉冲数加以分割的某个脉冲数的激光束就结束一个工序。

接着，重复这样的工序多次，其结果照射各加工孔所需的激光束的脉冲数，被加工到最终加工深度。分配给工序的激光束的某个脉冲数取决于加工对象的材料、板厚及所需质量等。

在本发明另一激光加工方法中，在加工所述孔的多个工序的中间，改变所述激光束的脉冲宽度或峰值输出，或改变脉冲宽度的峰值输出。

按照上述方法，由于在加工印刷板孔的多个工序的中途改变激光束的脉冲宽度的峰值输出的某一种或改变两者，故能适当控制激光束与加工对象的材料的相互作用时间和刻蚀速率，因而能稳定加工质量同时提高生产率。

附图概述

图1为说明“方式A”加工方法的概念图；

图2为说明“方式B”加工方法的概念图；

图3为“方式A”加工时表示加工孔的孔底状态图；

图4为“方式A”加工时表示加工孔的孔表面状态图；

图5为“方式B”加工时表示加工孔的孔底状态图；

图6为“方式B”加工时表示加工孔的孔表面状态图；

图7所示为用“方式A”低振荡频率加工的结果；

图8所示用“方式B”高脉冲能量加工的结果；

图9为表示图8中区域Ⅲ的铜箔受损的外观图；

图10为实施形态1激光加工方法的概念图；

图11为表示“方式C”加工时加工孔的孔底状态图；

图12为表示“方式C”加工时加工孔的孔表面状态图；

图13为表示“方式A”、“方式B”和“方式C”中热影响层的定量图；

图14为表示“方式C”中改变脉冲宽度或峰值输出的效果图；

图15为用激光束对印刷板加工路径孔的剖面图；

图16为表示“方式A”和“方式B”中相对于各振荡频率的脉冲数与加工时间的关系曲线图。

图中标号说明，10-激光束；12-一个脉冲的照射孔；14-激光照射预定位置；16-N个脉冲的激光照射孔；18-n1个脉冲的激光照射孔；20-(n1+n2)个脉冲的激光照射孔。

下面，参照附图详细说明本发明激光加工方法的实施形态。实施形态1

在该实施形态1中，首先说明使用上述激光加工方法的“方式A”或“方式B”在种种条件下加工孔时与加工时间及加工质量有关的具体数据，然后再说明本实施形态1的激光加工方法。这里，使用印刷板加工用的二氧化碳激光器通过电扫描方式使激光束扫描，在印刷板表面形成多个路径孔。

图1所示为说明“方式A”加工方法的概念图，图2所示为“方式B”加工方法的概念图。在图1及图2中，对一个加工孔照射的激光束的总脉冲数为N个脉冲。

在图1中，将激光束10照射多个(这里为9个)激光照射预定位置14，进行孔加工，激光照射预定位置14用虚线椭圆表示，受1个脉冲激光束10照射的脉冲照射孔12用实线椭圆表示，在激光照射预定位置14受总脉冲数为N个脉冲的激光束照射的N脉冲激光照射孔16用黑色椭圆表示。“方式A”的激光加工方法如图1所示，对一个激光照射预定位置14先照射1个脉冲的激光束10后，连续照射N个脉冲(完成一个N脉冲激光照射孔16)。

然后，使激光束的照射位置移动至下一个激光照射预定位置14，照射N个脉冲的激光束(完成两个N脉冲激光照射孔16)。就这样，对所有激光照射预定位置14依次照射N个脉冲的激光束，故所有照射位置形成N脉冲激光照射孔16，结束激光加工。

图2情况也一样，对多个(这里为9个)激光照射预定位置14照射激光束10，进行孔加工。该“方式B”的激光加工方法如图2所示，对一个激光照射预定位置14首先照射一个脉冲的激光束10，形成单脉冲照射孔12，接着移动激光束的照射位置至下一个激光照射预定位置14，再照射一个脉冲，形成单脉冲照射孔12。

由此，对所有激光照射预定位置14依次照射1个脉冲的激光束之后，再回到最初的单脉冲照射孔12，对各加工孔照射第2脉冲的激光束，经过N次这样的重复，所有照射位置(加工孔)形成N脉冲激光照射孔16，并结束激光加工。

下面，计算用“方式A”及“方式B”加工孔时的加工时间。这里，设加工孔总数为M，设每孔加工所需脉冲数为N，作为电扫描(galvano)能力在区域内可按P孔/秒定位，当设定的振荡频率为B时，则用“方式A”加工所需时间(At)表达为下式(1)。

At=(1/P+(N-1)/B)×M      …(1)

又，用“方式B”加工所需时间(Bt)表达为下式(2)。

Bt=M×N/P                …(2)

这里，对作为加工对象的绝缘层(参见图15中55,64)的材料为FR-4、厚度为0.1mm的印刷板形成961孔(M=961)的路径孔的情况，计算其加工时间。设为形成一个路径孔所需脉冲总数为6(N=6)，经电扫描可按400孔/秒(P=400)定位，取振荡频率为1000Hz，在这种情况下，代入上述式(1)，所计算的“方式A”的加工时间(At)为

At=(1/400+(6-1)/1000)×961=7.2秒。

又，代入上述式(2)，“方式B”的加工时间为

Bt=961×6/400=14.4秒。

其结果可见，“方式B”比“方式A”约需2倍的加工时间。

下面，说明对印刷板加工孔时的实际加工质量。这里，印刷板绝缘层的材料为FR-4，基板的厚度为0.1mm，在外层铜箔厚度为12μm上层叠有绝缘层的基板上形成路径孔(φ0.3mm)。图3及图4所示为用“方式A”加工的加工孔状态。

图3所示为加工孔的孔底状态图，图4示出加工孔的孔表面状态图，图3及图4中(a)为5脉冲情况，(b)为6脉冲情况，(c)为8脉冲情况。图3及图4中分别只表示一个加工孔的情况，但实际上要加工961个孔(电扫描定位为400孔/秒)。作为此时的加工条件，每个脉冲的能量为15mJ，脉冲宽度为50μs，振荡频率为1000Hz。

如图3(a)所示，可观察到在5脉冲下孔底部铜箔上存在未除去的玻璃布。但是，增加激光束的脉冲数；如取6或8个脉冲，可见这种玻璃布被除去。

从图4所示孔表面的观察结果看，孔边缘附着有球状玻璃，若脉冲数按5→6→8增加，可见表面环氧层受到热影响。此时的加工时间约为7.2秒(6脉冲)，生产率虽高，但加工质量差。

图5和图6表示“方式B”加工的加工孔状态。此时印刷板的绝缘层的材料也为FR-4，基板厚度为0.1mm，在外层铜箔厚度为12μm上层叠有绝缘层的基板上形成有路径孔。

图5示出加工孔的孔底状态，图6示出加工孔的孔表面状态，图5和图6中(a)为6脉冲情况，(b)为10脉冲情况，(c)为12脉冲情况。图5及图6分别只表示一个加工孔，但实际上加工961个孔。此时的加工条件为，每个脉冲的能量为15mJ，脉冲宽度为50μs。但是由于加工孔为961个，故每孔的脉冲重复频率约0.4Hz。

如图5(a)及(b)所示，在6或10脉冲情况下可看到在孔的底部铜箔上有未除去的玻璃或树脂块。然而，如图5(c)所示，通过增加激光束的脉冲数，如取12脉冲，可见能除去它们。

从图6所示孔表面的观察结果可判明，附着于孔边缘的玻璃球状物减少，即使增加脉冲数，对于表面环氧层也不会产生热影响。但此时的加工时间为961×12/400=约28.8秒，加工质量好，但生产率(加工时间约为“方式A”的4倍)下降。

图7给出了提高上述“方式A”的加工质量旨在缩短激光与材料的相互作用时间而降低振荡频率进行加工情况的结果。如图7所示，比较了振荡频率取为1000Hz、500Hz、200Hz、20Hz各种情况的加工质量(热影响)。为了与该“方式A”进行比较，图中进一步示出了“方式B”的数据。

图7中示出了从表面孔边缘至热影响层的最大距离作为定量数据。从图7明显可见，1000～200Hz热影响层的大小几无差别，在20Hz附近才与“方式B”的结果基本相。但在以20Hz振荡频率加工时的加工时间为(1/400+(6-1)/20)×961=243秒，比“方式B”的生产率还低。

图8示出了为了提高“方式B”的生产率而提高脉冲能量情况的结果。这里，激光束的脉冲能量按15mJ、17.5mJ、20mJ三级变化，图中纵轴表示脉冲数，横轴表示每个脉冲的能量。图8中示出3个区域(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)，区域Ⅰ为由于脉冲数和能量两者不足而使孔底部残留有树脂的区域，区域Ⅱ为脉冲数和能量恰当而获得良好加工质量的区域，区域Ⅲ为脉冲数和能量都过头而使外层铜箔受损的区域(图9示出区域Ⅲ中铜箔受损的外观)。

如上述图8及图9所示可知，提高每个脉冲的能量能减少为除去铜箔上树脂所需的脉冲数，但容易伤及铜箔。此时判定为良好的条件是17.5mJ的10脉冲，但此时的加工时间为961×10/400=24秒，与16mJ情况相比，生产率是提高了一些。然而即便如此，与“方式A”相比也约为3.3倍。

如上所述，对于采用图1至图9所说明的“方式A”或“方式B”在种种条件下加工孔时与加工时间及加工质量有关的具体数据研究的结果表明：“方式A”、“方式B”两者在质量或生产率的某一方面存在不足。

下面，详细说明本实施形态1的激光加工方法。图10表示实施形态1激光加工方法的概念图。图10中第一工序与上述“方式A”相同，按照规定振荡频率照射n1脉冲(图中斜线椭圆所示n1脉冲激光照射孔18)。也即，按照振荡频率依次对区域内所有孔各照射n1脉冲。

在结束上述照射的时刻移至第二工序，按照规定振荡频率再次从最初的孔开始对区域内所有孔依次各照射n2脉冲(图中浅色椭圆所示(n1+n2)脉冲激光照射孔20)。由此，重复照射直到最后的工序，在最后工序，各照射nn脉冲的激光束。此时总脉冲数为n1+n2+…+nn=N。而n表示N(总脉冲数)的分割数。这样一来，在本实施形态1，将N脉冲数分割成n份，以“方式A”的形式照射各工序脉冲数，并重复这样的工序。本说明书将这种激光加工方法称为“方式C”。

由于该“方式C”可看作n分割后的“方式A”的集合，故在“方式C”中把重复照射n1、n2……nn的工序分别叫做“方式An1”、“方式An2”、……“方式Ann”。

该实施形态1的“方式C”的加工时间(Ct)可表达为下式(3)。

Ct=(n/P+N/B)×M    (3)

此时印刷板绝缘层的材料为FR-4，对厚度为0.1mm的印刷板形成961孔(M=961)的路径孔，为形成路径孔的1个孔所需脉冲数为6(N=6)，可用电扫描按400孔/秒(P=400)定位。

此时振荡频率为1000Hz,6脉冲3分割为每份2个脉冲进行激光加工时的“方式C”的加工时间(Ct)，若代入上述式(3)计算，则为

Ct=(3/400+6/1000)×961=13秒，其结果为“方式A”的约1.8倍，“方式B”的约0.9倍。

图11及图12表示对与图3及图4相同条件的印刷板(绝缘层材料为FR-4,厚度为0.1mm，在外层铜箔厚为12μm上层叠有绝缘层的基板)按“方式C”进行激光加工时的加工孔状态。此时加工条件也与图3及图4的相同，每个脉冲的能量为15mJ，脉冲宽度为50μs。

图11及图12中的(a)为激光束是6脉冲情况，(b)为8脉冲情况，(c)为10脉冲情况。在本实施形态1中“方式C”的各工序所照射的脉冲由于分别按每次2脉冲分割，故6脉冲为3分割，8脉冲为4分割，10脉冲为5分割。

在本实施形态1中，按“方式C”激光加工的结果如图11所示，当观察加工孔的孔底状态时，可见该图(a)的6脉冲情况下在孔底部的铜箔上残留有未除去的玻璃布，但在(b)的8脉冲或(c)的10脉冲情况下能除去。

如图12所示，当观察加工孔的孔表面状态时，可见不管多少脉冲数，附着于孔边缘的玻璃粒状物总是比“方式A”的(参看图4)少，表面环氧层的热影响层也小。然而，图13示出热影响层的大小与图5的相同，虽比“方式B”的差，但比“方式A”的热影响层要小。这样，“方式C”的加工质量可谓介行“方式A”与“方式B”的之间。

加工时间(Ct)，由于8脉冲4分割，故Ct=(4/400+8/1000)×961=17.3秒，生产率为“方式A”的2.4倍，为“方式B”的0.6倍(“方式B”为12脉冲时)。这样，“方式C”的加工时间可谓处于“方式A”与“方式B”之间。

如上所述，按照本实施形态1，由于采用“方式C”进行激光加工，故能获得生产率大致介于“方式A”与“方式B”之间而加工质量接近“方式B”的良好加工结果。已有技术由于用“方式A”或“方式B”进行激光加工，故只能照顾到加工质量或生产率的某一方，而用实施形态1，能使加工质量和生产率两全其美，能进行良好的激光加工。实施形态2

下面，参照图14说明本发明实施形态2。首先，如上述实施形态1中“方式B”的采用高能量说明那样，考虑铜箔的受损来确定每个脉冲的能量最大值。这种该考虑的受损取决于铜箔厚度和焊区直径求得的热容量及加工面的铜箔表面状态求得的激光吸收率。

对作为绝缘层的玻璃环氧树脂进行激光加工的情况比之前面所述对使用树脂单体(如环氧树脂)的绝缘层进行加工的情况，需要更高的能量，这样易于损伤铜箔。此时，若使用“方式A”进行激光加工，由于连续脉冲照射，冷却效果低，故更易于损坏铜箔。

图14所示为“方式C”中改变脉冲宽度或峰值输出所获得的效果。在图14中，在4分割的“方式C”的各分割方式的“方式An1”～“方式An4”中，通过将“方式An2”～“方式An4”的每个脉冲的脉冲宽度、峰值输出变为“方式An1”的情况(每个脉冲的能量设为一定)，给出了与图8相同的3区域的结果。

在图14中，区域Ⅰ为孔底部残留有树脂的区域，区域Ⅱ为获得良好加工质量的区域。区域Ⅲ为外层铜箔受损的区域，但这里图中未画出。如图14所示，通过使“方式An3”采用短脉冲、高峰值，可见能以小分割数进行高质量加工。但是，脉冲越短、峰值越高，则加工点温升越高，故铜箔会受损，或产生等离子体使除去能力下降，因此有必要根据被加工物的种类或加工质量状况选择适当的值。

如上所述，按照本实施形态2，用“方式C”进行激光加工时，由于在分割为多个加工阶段的中间，通过改变每个脉冲的脉冲宽度或峰值输出，可适当控制激光束与被加工物材料间的相互作用时间，故能调节加工质量的稳定性和生产率的高低，能实现良好的激光加要。

如上所述，按照本发明的激光加工方法，能对印刷板进行高质量和高效率的开孔加工。

按照本发明的另一激光加工方法，能适当控制激光束与加工对象材料间的相互作用时间和刻蚀速率，故能使加工质量稳定，同时可提高生产率。

Claims (2)

1．一种激光加工方法，用多个脉冲的激光束对印刷板加工多个孔，其特征在于，将为加工所述孔所需的激光束的脉冲数分成n份，n为2以上的整数，将这种分割后的第一至第n份各分割脉冲数的激光束使用于不同的工序，在各工序中，按照规定的振荡频率将该工序中脉冲数的激光束依次照射各孔，对所有孔进行加工，并按工序数作为重复次数对孔重复进行加工。

2．如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，在加工所述孔的多个工序的中间，改变所述激光束的脉冲宽度或峰值输出，或改变脉冲宽度的峰值输出。

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