JP2008238184A - Laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、プリント基板や半導体チップなどの加工ワークにおける例えば樹脂材またはセラミックス材等の材料に、穴あけ、切断、またはマーキングなどの加工を行なうレーザ加工装置に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus that performs processing such as drilling, cutting, or marking on a material such as a resin material or a ceramic material in a workpiece such as a printed circuit board or a semiconductor chip.
下記特許文献1には、加工速度を高めるために、レーザ発振器から発振された直線偏光の加工用レーザ光を、分光手段を用いて、2つの第1、第2の加工用レーザ光に分光し,これらの2つの加工用レーザ光によるビームで同時に加工を行なうレーザ加工装置が開示されている。 In Patent Document 1 below, in order to increase the processing speed, a linearly polarized processing laser beam oscillated from a laser oscillator is split into two first and second processing laser beams using a spectroscopic unit. A laser processing apparatus is disclosed that performs processing simultaneously with a beam of these two processing laser beams.
特許文献1に開示されたレーザ加工装置では、分光されたP偏光の第1の加工用レーザ光が、位相板を用いて偏光方向を90度回転させてS偏光とされ、また、もう一方のP偏光の第2の加工用レーザ光を副偏向ガルバノミラーにより小角度偏向させた後、S偏光の第1の加工用レーザ光を反射し、P偏光の第2の加工用レーザ光を透過させる偏向ビームスプリッタを用いて、第1、第2の加工用レーザ光を主偏向ガルバノミラーへ導き、この主偏向ガルバノミラーにより、第1、第2の加工用レーザ光を大角度偏向させるとともに、加工ワーク上の加工位置を決定し、さらに、Fθレンズにより集光させ、ワークの加工を行なっている。 In the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1, the split P-polarized first processing laser light is turned into S-polarized light by rotating the polarization direction by 90 degrees using a phase plate. After the P-polarized second processing laser beam is deflected by a sub-angle galvanometer mirror by a small angle, the S-polarized first processing laser beam is reflected and the P-polarized second processing laser beam is transmitted. Using the deflection beam splitter, the first and second processing laser beams are guided to the main deflection galvanometer mirror, and the first and second processing laser beams are deflected by a large angle and processed by the main deflection galvanometer mirror. The processing position on the workpiece is determined, and further, the workpiece is processed by being condensed by an Fθ lens.
このような装置構成とすることで、加工ワーク上の2点に同時にレーザ光を照射することができるため、加工速度が高まると共に、Fθレンズが1つで済むため、コストアップと、加工装置の大型化を防ぐことができる。 By adopting such an apparatus configuration, it is possible to irradiate two points on the workpiece simultaneously with a laser beam, so that the machining speed is increased and only one Fθ lens is required. An increase in size can be prevented.
このようなレーザ加工装置にあっては、加工用レーザ光を分光手段を用いて直線偏光の第1、第2のレーザ光に分光し、偏向ビームスプリッタを用いて反射、透過させた第1、第2の加工用レーザ光を主偏向ガルバノミラーにて加工ワーク上に位置決めさせているため、加工ワークに入射するレーザ光は直線偏光になっている。しかし、直線偏光は偏光方向に偏りがあるため、プリント基板の銅箔貫通加工に代表されるような金属材料を含む材料の穴加工において、例えば真円として加工したい加工穴が楕円径になってしまうという問題があった。 In such a laser processing apparatus, the processing laser beam is split into linearly polarized first and second laser beams using a spectroscopic means, and reflected and transmitted using a deflecting beam splitter. Since the second processing laser beam is positioned on the workpiece by the main deflection galvanometer mirror, the laser beam incident on the workpiece is linearly polarized. However, since linearly polarized light is biased in the polarization direction, in a hole processing of a material containing a metal material represented by copper foil penetration processing of a printed board, for example, a processing hole to be processed as a perfect circle has an elliptical diameter. There was a problem that.
この発明は、このような問題を改善することのできるレーザ加工装置を提案するものである。 The present invention proposes a laser processing apparatus that can improve such problems.
この発明によるレーザ加工装置は、直線偏光の加工用レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記加工用レーザ光を偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された前記加工用レーザ光を加工ワーク上で集光する集光レンズを備え、前記偏向ミラーには、前記直線偏光された前記加工用レーザ光が入射され、この直線偏光された加工用レーザ光を円偏光に変換するコーティングが形成されたことを特徴とする。 A laser processing apparatus according to the present invention includes a laser oscillator that outputs a linearly polarized processing laser beam, a deflection mirror that deflects the processing laser beam, and the processing laser beam deflected by the deflection mirror on a workpiece. The linearly polarized laser beam for processing is incident on the deflecting mirror, and a coating for converting the linearly polarized laser beam for processing into circularly polarized light is formed on the deflection mirror. It is characterized by that.
この発明によれば、偏向ミラーには、直線偏光された加工用レーザ光を円偏光に変換するコーティングが形成されているので、加工ワークに入射するレーザ光を円偏光とさせることが可能となり、従来のレーザ加工装置からの直線偏光のレーザ光では真円度が悪かった、プリント基板の銅箔貫通加工に代表されるような穴加工について、真円度が高い加工穴を得ることできるという効果が得られる。また、特別な光学系を追加することなく、直線偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換することができるので、装置の大型化、コストアップを防ぐことが可能となる。 According to the present invention, since the coating for converting the linearly polarized processing laser light into circularly polarized light is formed on the deflection mirror, the laser light incident on the work piece can be made circularly polarized, The effect of being able to obtain processed holes with high roundness for hole processing as represented by copper foil penetration processing of printed circuit boards, where roundness was poor with linearly polarized laser light from conventional laser processing equipment Is obtained. In addition, since linearly polarized laser light can be converted into circularly polarized laser light without adding a special optical system, it is possible to prevent an increase in size and cost of the apparatus.
以下、この発明によるレーザ加工装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a laser processing apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は,この発明の実施の形態1によるレーザ加工装置を示す全体構成図である。この実施の形態1のレーザ加工装置は、加工部10と、加工用レーザ光生成部20と、加工用レーザ光分光部30と、加工用レーザ光統合部40を含む。このレーザ加工装置は、加工用レーザ光Lを、第1、第2の2つの加工用レーザ光La、Lbに分光し、これらの加工用レーザ光La、Lbをそれぞれ加工ワークに照射して、加工を行なう。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser processing apparatus according to the first embodiment includes a
加工部10は、XYステージ11を有し、このXYステージ11上には、加工ワーク12が固定される。XYステージ11は、互いに直交するX軸方向とY軸方向に可動に構成される。
The
加工用レーザ光生成部20は、レーザ発振器21と、コリメートレンズ22と、絞り手段23を含む。レーザ発振器21は、光軸Aに沿って加工用レーザ光Lを発生する。この加工用レーザ光Lは、直線偏光されたP偏光のレーザ光である。コリメートレンズ22は、加工用レーザ光Lを通過させるように、光軸A上に配置され、加工用レーザ光Lの発散角を調整する。絞り手段23は、同じく光軸A上に配置され、コリメートレンズ22を通過した加工用レーザ光Lに任意のビームスポット径を設定する。この加工用レーザ光Lのスポット径は、加工ワーク12上に照射される加工用レーザ光La、Lbのスポット径に対応して設定される。
The processing
加工用レーザ光分光部30は、分光手段31と、位相板32と、ベントミラー33と、副偏向手段34を含む。分光手段31は、光軸A上に配置され、絞り手段23を通過した加工用レーザ光Lを、第1の加工用レーザ光Laと、第2の加工用レーザ光Lbとに分光する。加工用レーザ光La、Lbの強度比は1:1とされ、互いに等しくされる。加工用レーザ光Laは、光軸Aと一致する光軸A1に沿って出射される。加工用レーザ光Lbは、光軸A、A1に直交する光軸A3に沿って出射される。
The processing laser beam
位相板32は、光軸A1上に配置され、分光手段31で分光された第1の加工用レーザ光La、すなわち直線偏光されたP偏光の第1の加工用レーザ光Laの偏光方向を90度回転し、この加工用レーザ光Laを、直線偏光されたS偏光のレーザ光に変換する。ベントミラー33は、光軸A1に対して45度の角度で傾斜する面に配置され、S偏光に変換された第1の加工用レーザ光Laを、光軸A1と直交する光軸A2に沿った方向に反射する。
The
副偏向手段34は、一対の副偏向ガルバノミラー35、36と、これらに対する一対の副偏向ガルバノスキャナ37、38を含む。一対の副偏向ガルバノミラー35、36は、その反射面で第2の加工用レーザ光Lbを反射し、副偏向ガルバノスキャナ37、38により、小角度で偏向するもので、加工用レーザ光Lbを加工ワーク12上において、小角度、例えば、±1度の範囲で偏向する。第2の加工用レーザLbのこの小角度の偏向は、加工ワーク12上では、例えば数ミリメータの間隔に相当する。副偏向ガルバノミラー35は、加工用レーザ光Lbを加工ワーク11のX軸方向に偏向し、また副偏向ガルバノミラー36は、加工用レーザ光Lbを加工ワーク11のY軸方向に偏向する。
The sub deflection means 34 includes a pair of sub
加工用レーザ光Lbは、分光手段31から先ず副偏向ガルバノミラー35の反射面にほぼ45度の入射角で入射され、その後、副偏向ガルバノミラー36の反射面にほぼ45度の入射角で入射される。副偏向ガルバノスキャナ37は、副偏向ガルバノミラー35を駆動し、加工用レーザ光Lbを小角度の範囲で、加工ワーク12のX軸方向に偏向する。副偏向ガルバノスキャナ38は、副偏向ガルバノミラー36を駆動し、加工用レーザ光Lbを小角度の範囲で、加工ワーク12のY軸方向に偏向する。加工用レーザ光Lbは、一対の副偏向ガルバノミラー35、36で小角度の偏向を受けた後、副偏向ガルバノミラー36から光路A4に沿って出射される。光路A4は、光軸A2にほぼ直交するが、加工用レーザ光Lbは、各副偏向ガルバノミラー35、36の偏向を受けて、その光軸が小角度の範囲で変化する。
The processing laser beam Lb is first incident on the reflecting surface of the
加工用レーザ統合部40は、偏向ビームスプリッタ41と、主偏向手段42と、集光レンズ47を含み、第1、第2の加工用レーザ光La、Lbを統合して、加工ワーク12上に照射する。偏向ビームスプリッタ41は、光軸A2と光路A4との交差部に設置される。この偏向ビームスプリッタ41には、ベントミラー33から第1の加工用レーザ光Laが入射され、また副偏向ガルバノミラー36から第2の加工用レーザ光Lbが入射される。この偏向ビームスプリッタ41は、第1の加工用レーザ光Laを、光軸A2と直交する光軸A5の方向に反射するとともに、第2の加工用レーザ光Lbを、光路A4の延長方向に通過させ、結果として、これらの加工用レーザ光La、Lbを、ともに主偏向手段42へ向けて出射する。光路A4は、光軸A5とほぼ平行となる。
The processing
主偏向手段42は、一対の主偏向ガルバノミラー43、44と、これらに対する一対の主ガルバノスキャナ45、46を含む。一対の主偏向ガルバノミラー43、44は、それぞれの反射面で、第1、第2の加工用レーザ光La、Lbを反射し、それらをそれぞれ大角度で偏向するもので、第1、第2の加工用レーザ光La、Lbを加工ワーク12上において、大角度、例えば±10度の角度範囲で偏向する。主偏向ガルバノミラー43は、各加工用レーザ光La、Lbを、加工ワーク11のY軸方向に大角度で偏向し、また主偏向ガルバノミラー44は、各加工用レーザ光La、Lbを、加工ワーク11のX軸方向に大角度で偏向する。
The main deflection means 42 includes a pair of main
第1、第2の加工用レーザ光La、Lbは、偏向ビームスプリッタ41から先ず主偏向ガルバノミラー43の反射面にほぼ45度の入射角で入射され、その後、主偏向ガルバノミラー44の反射面にほぼ45度の入射角で入射される。主偏向ガルバノスキャナ45は、主偏向ガルバノミラー43を駆動し、各加工用レーザ光La、Lbを大角度の範囲で、加工ワーク12のY軸方向に偏向する。主偏向ガルバノスキャナ46は、主偏向ガルバノミラー44を駆動し、各加工用レーザ光La、Lbを大角度の範囲で、加工ワーク12のX軸方向に偏向する。
The first and second processing laser beams La and Lb are first incident on the reflection surface of the main
第1、第2の加工用レーザ光La、Lbは、集光レンズ47を通り、この集光レンズ47から加工ワーク12に照射される。加工用レーザ光Laは、加工ワーク12にほぼ垂直な光路A6に沿って加工ワーク12に照射される。加工用レーザ光Lbは、光路A6とほぼ平行な光路A7から加工ワーク12に照射される。光路A6、A7は、主偏向ガルバノミラー43、44の偏向によって、その光軸が変化する。集光レンズ47は、fθレンズであり、各加工用レーザ光La、Lbをともに屈折させ、加工ワーク12上に集光させる。各加工用レーザ光La、Lbは、集光レンズ47から加工ワーク12に同時に照射され、加工ワーク12に同時に加工を行なう。
The first and second processing laser beams La and Lb pass through the condensing
第1の加工用レーザ光Laは、副偏向手段34による小角度の偏向を受けず、主偏向手段42による大角度の偏向だけを受けて、加工ワーク12上に照射される。第2の加工用レーザ光Lbは、副偏向手段34による小角度の偏向と、主偏向手段42による大角度の偏向とを受けて、加工ワーク12上に照射される。言い換えれば、第2の加工用レーザ光Lbには、第1の加工用レーザ光Laに比較し、副偏向手段34による小角度の偏向が加わっており、この結果、第2の加工用レーザ光Lbは、第1の加工用レーザ光Laから小角度さらに偏向された位置において加工ワーク12上に照射され、小角度に偏向に基づき、第1の加工用レーザ光Laから、例えば数ミリメータだけ離れた位置に照射され、加工用レーザ光Laと同時に、加工ワーク12を加工する。第1、第2の加工用レーザ光La、lbは、例えば隣接する2つの加工穴を同時に加工する。
The first processing laser beam La is irradiated on the
ここで、主偏向ガルバノミラー44は、その反射面に、直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する、円偏光ミラーの特性を持つコーティング44aを有する。この主偏向ガルバノミラー44には、S偏光に直線偏光された加工用レーザ光Laと、P偏光に直線偏光された加工用レーザ光Lbが、ともに入射され、その反射面で反射される。主偏向ガルバノミラー44のコーティング44aは、これらの直線偏光の加工用レーザ光La、Lbを、ともに円偏光に変換する。
Here, the main
コーティング44aは、例えばZnSとThF4を用いた8層誘電体多層膜で構成される。具体的には、このZnSとThF4からなる8層誘電体多層膜のコーティングは、空気と接する厚さ0.95±0.1μmのZnSからなる第1層、厚さ1.57±0.1μmのThF4からなる第2層、厚さ1.10±0.1μmのZnSからなる第3層、厚さ1.04±0.1μmのThF4からなる第4層、厚さ1.43±0.1μmのZnSからなる第5層、厚さ1.80±0.1μmのThF4からなる第6層、厚さ1.80±0.1μmのZnSからなる第7層,および厚さ1.54±0.1μmのThF4からなる第8層から構成され、これらの第1〜第8層からなるコーティング44aがミラー材料層の上に積層される。第8層は、ミラー材料層に接しており、その上に第7〜第1層が順次積層され、第1層は空気と接しており、この第1層の表面に、加工用レーザ光La、Lbがほぼ45度の入射角で入射する。
The
コーティング44aは、また、ZnSとThF4に代わって、GeとZnSを用いた8層誘電体多層膜で構成することもできる。このGeとZnSからなる8層の誘電体多層膜は、具体的には、空気と接する厚さ0.47±0.05μmのGeからなる第1層、厚さ0.89±0.1μmのZnSからなる第2層、厚さ0.48±0.05μmのGeからなる第3層、厚さ0.65±0.1μmのZnSからなる第4層、厚さ0.64±0.1μmのGeからなる第5層、厚さ1.07±0.1μmのZnSからなる第6層、厚さ0.65±0.1μmのGeからなる第7層、および厚さ1.19±0.1μmのZnSからなる第8層で構成され、このコーティングが、ミラー材料層の上に積層される。第8層は、ミラー材料層上に接し、その上に第7〜第1層が順次積層され、第1層は空気と接しており、この第1層の表面に加工用レーザ光La、Lbがほぼ45度の入射角で入射する。
The
次に、この実施の形態1のレーザ加工装置において、加工用レーザ光Lの動作について説明する。レーザ発振器21から出射された直線偏光(P偏光)の加工用レーザ光Lは、コリメートレンズ22により発散角を調整され、さらに、絞り手段23により加工ワーク20上での狙いビームスポット径に応じてビーム径が設定される。その後、分光手段31により、強度比が1:1の第1、第2の加工用レーザ光La、Lbに分光され、第1の加工用レーザ光Laは、位相板32により偏光方向が90度回転され、S偏光となる。S偏光となった第1の加工用レーザ光Laは、偏向ビームスプリッタ41、主偏向ガルバノミラー43で反射され、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー44により、S偏光(直線偏光)から円偏光のレーザ光に変換され、加工ワーク上20に照射される。
Next, the operation of the processing laser beam L in the laser processing apparatus of the first embodiment will be described. The linearly polarized (P-polarized) processing laser light L emitted from the
一方、分光手段31で分光された第2の加工用レーザ光Lbは、P偏光のままで副偏向ガルバノミラー35に入射し、偏向ビームスプリッタ41を透過して、主偏向ガルバノミラー43で反射され、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー44により、P偏光(直線偏光)から円偏光のレーザ光に変換され、加工ワーク12上に、加工用レーザ光Laとは異なる位置に照射される。加工用レーザ光Laの加工ワーク12上への照射位置に対する加工用レーザ光Lbの相対的な照射位置は、副偏向ガルバノスキャナ37、38により決定される。
On the other hand, the second processing laser light Lb split by the spectroscopic means 31 is incident on the
ここで、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー44によって、直線偏光から円偏光に変換された第1、第2のレーザ光La、Lbは、完全な円偏光ではなく、その円偏光率が60%程度の楕円偏光となっている。
Here, the first and second laser beams La and Lb converted from linearly polarized light to circularly polarized light by the main
一般的に直線偏光のレーザ光を正確な円偏光に変換する場合には、図2に示すように、円偏光ミラー1の反射面に対し、直線偏光のレーザ光を45度の入射角で入射させ、この入射したレーザ光を90度折り曲げて反射させるという手段が用いられ、入射する直線偏光の入射角が45度からずれると完全な円偏光が得られず、厚鋼板のレーザ切断などの加工では、円偏光率が少なくとも90%以上でないと加工溝が傾くなどの現象が生じ、高精度な加工ができなかった。 In general, when linearly polarized laser light is converted into accurate circularly polarized light, the linearly polarized laser light is incident on the reflecting surface of the circularly polarizing mirror 1 at an incident angle of 45 degrees as shown in FIG. The incident laser beam is bent 90 degrees and reflected, and if the incident angle of the incident linearly polarized light deviates from 45 degrees, complete circularly polarized light cannot be obtained, and processing such as laser cutting of a thick steel plate However, unless the circular polarization rate is at least 90% or more, a phenomenon such as tilting of the processing groove occurs, and high-accuracy processing cannot be performed.
しかし、発明者は、実験により図3に示すように、例えばプリント基板などの銅箔、樹脂への穴あけ加工において、円偏光率が30%以上であれば、真円度90%以上の加工穴が得られることを確認した。図3は、実施の形態1において、プリント基板などの銅箔、樹脂への穴あけ加工を行う場合に、その円偏光率と加工穴真円度との関係を示す実験データである。図3の横軸は円偏光率(%)を、また、その縦軸は加工穴真円度(%)を示す。実施の形態1では、主偏向ガルバノミラー44を円偏光ミラーとし、ビーム位置決めのためビーム入射角が45度から±10度程度ずれても、円偏光率は30%以上を十分確保できるため、ビームスキャンしても真円度90%以上の加工穴を得ることができた。
However, as shown in FIG. 3, the inventor, for example, in drilling holes in a copper foil or resin such as a printed circuit board, if the circular polarization rate is 30% or more, a processed hole having a roundness of 90% or more It was confirmed that FIG. 3 is experimental data showing the relationship between the circular polarization rate and the roundness of a processed hole when drilling a copper foil such as a printed circuit board or a resin in the first embodiment. The horizontal axis in FIG. 3 represents the circular polarization rate (%), and the vertical axis represents the processed hole roundness (%). In the first embodiment, the main
このように実施の形態1では、円偏光ミラーの特性を持つコーティング44aを反射面に形成した主偏向ガルバノミラー44を有するレーザ加工装置とし、加工ワーク12に入射する第1、第2の加工用レーザ光La、Lbを円偏光とすることで、真円度の高い加工穴が得ることができる。例えば、従来の直線偏光の加工用レーザ光では約83%の真円度しか得られなかった銅箔貫通加工の加工穴において、約92%の真円度の加工穴を得ることが可能となった。また実施の形態1のレーザ加工装置では、特別な光学系を用いることなく、主偏向ガルバノミラー44の反射面にコーティング44aを形成するだけで、直線偏光の第1、第2の加工用レーザ光La、Lbを円偏光のレーザ光に変換することができるので、装置の大型化を防止し、低価格で高性能のレーザ加工装置を提供できるという効果が得られる。
As described above, in the first embodiment, a laser processing apparatus having the main
実施の形態2.
実施の形態1では、主偏向ガルバノミラー44の反射面に円偏光ミラーの特性を持つコーティング44aを形成したが、実施の形態2は、これに代わって、主偏向ガルバノミラー43の反射面に円偏光ミラーの特性を持つコーティングを形成するものである。このコーティングは、実施の形態1のコーティング44aと同じ材料で構成される。実施の形態2は、その他は実施の形態1と同じに構成される。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the
この実施の形態2でも、第1、第2の加工用レーザ光La、Lbは、直線偏光から円偏光に変換されるため、実施の形態1と同様に、高い真円度の加工を行なうことができる。なお、実施の形態2において、主偏向ガルバノミラー43に前記コーティングを形成するのに加え、さらに、主偏向ガルバノミラー44に、実施の形態1と同じコーティング44aを形成してもよい。
Also in the second embodiment, since the first and second processing laser beams La and Lb are converted from linearly polarized light into circularly polarized light, processing with high roundness is performed as in the first embodiment. Can do. In the second embodiment, in addition to forming the coating on the main
A、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7:光軸、L、La、Lb:レーザ光、
1:円偏光ミラー、10:加工部、11:XYステージ、12:加工ワーク、
20:レーザ光生成部、21:レーザ発振器、22:コリメートレンズ、
23:絞り手段、31:分光手段、32:位相板、33:ベントミラー、
34:副偏向手段、35、36:副偏向ガルバノミラー、
37、38:副偏向ガルバノスキャナ、40:レーザ統合部、
41:偏向ビームスプリッタ、42:主偏向手段、
43.44:主偏向ガルバノミラー、44a:コーティング。
A, A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7: optical axis, L, La, Lb: laser light,
1: circularly polarized mirror, 10: processing part, 11: XY stage, 12: processing work,
20: Laser light generation unit, 21: Laser oscillator, 22: Collimating lens,
23: Aperture means, 31: Spectroscopic means, 32: Phase plate, 33: Vent mirror,
34: Sub deflection means, 35, 36: Sub deflection galvanometer mirror,
37, 38: Sub-deflection galvano scanner, 40: Laser integration unit,
41: deflection beam splitter, 42: main deflection means,
43.44: Main deflection galvanometer mirror, 44a: Coating.
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