JP2021030286A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工部への過入熱を抑制できるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】本発明のレーザ加工装置（Ｓ）は、高尖頭値のパルスレーザからなる第１レーザ光（ｂ１）を発する第１レーザ手段（１）と、第１レーザ光より尖頭値が低い第２レーザ光（ｂ２）を発する第２レーザ手段（２）と、第１レーザ光と第２レーザ光が重畳して照射されるワーク（Ｗ）の被加工部（ｇ）付近で生じる散乱光または透過光を検出する検出手段（３）と、第１レーザ手段と第２レーザ手段の作動を制御する制御手段（４）とを備える。制御手段は、検出手段により得られた検出値を閾値と比較して、被加工部の貫通を判定する。例えば、孔あけ加工なら、その貫通の判定時に、少なくとも第２レーザ光の照射を停止するとよい。このような装置を用いてレーザ加工を行えば、被加工部への過入熱を抑制でき、加工時間の短縮、省エネルギー化、ワークの熱影響部（ＨＡＺ）の抑制等が図られる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の照射により、ワークに対する穴あけ、切断等を行うレーザ加工方法等に関する。

ワークへのレーザ照射により、除去、接合または改質等を行うレーザ加工が行われている。その加工性の向上等を目的として、２種のレーザ光を重畳させて照射することが提案されている。これに関する記載が、例えば、下記の特許文献にある。

特開昭６０−２４４４９５号公報 特開２０１３−９４８４５号公報

特許文献１では、加工材である金属から蒸気またはプラズマを生成させ得る高尖頭値のパルスレーザビームを、主たる加熱源となる連続出力（ＣＷ）されるレーザビーム（例えば、ＣＯ_２レーザビーム）に重畳させることで、高反射率なアルミニウムや銅をレーザ加工することを提案している。

特許文献２では、熱加工用のパルスレーザ光（波長１０６０ｎｍ）と、固体の昇華・蒸発を伴うアブレーション加工用のパルスレーザ光とを所定の態様で重畳させると共に、それらのパルス列のずれ時間を調整することで、被加工物（ワーク）の構成に応じたレーザ加工を行うことを提案している。

もっとも、いずれの特許文献にも、レーザ光の照射期間（例えば照射停止時期）に関する記載はない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、ワークへの過入熱による影響を抑制しつつ、加工性を高められるレーザ加工方法等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、加工時に照射したレーザ光の散乱光または透過光を検出することにより、被加工部の貫通を判定することを思いついた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《レーザ加工方法》
（１）本発明は、高尖頭値のパルスレーザからなる第１レーザ光と該第１レーザ光より尖頭値が低い第２レーザ光とを重畳してワークの被加工部に照射する加工工程を備えるレーザ加工方法であって、該加工工程は、該被加工部付近で検出される透過光または散乱光の増減に基づいて、該被加工部の貫通を判定するレーザ加工方法である。

本発明のレーザ加工方法（単に「加工方法」ともいう。）によれば、照射しているレーザ光の散乱光（反射光）または透過光を検出することにより、レーザ光を照射している被加工部の貫通を判定できる。例えば、被加工部が貫通したとき、レーザ光の照射側（表側）で検出される散乱光（強度、検出値等）は減少する。逆に、被加工部が貫通したとき、その照射側の反対側（裏側）で検出される透過光（強度、検出値等）は増加する。従って、透過光または散乱光の増減に基づけば、レーザ光を照射している被加工部の貫通の有無を判定できる。

本発明の加工方法が、例えば、穴（孔）明け加工なら、被加工部が貫通したとき、少なくとも、被加工部の主たる加熱源であった第２レーザ光の照射を停止するとよい。本発明の加工方法が、例えば、切断加工なら、その被加工部の貫通後に、レーザ光の照射位置を相対的に走査させるとよい。このような加工方法によれば、被加工部への過入熱を抑制でき、加工時間の短縮、省エネルギー化等を図れると共に、レーザ加工に伴って生じ得るワークの熱影響部（ＨＡＺ：Heat-Affected Zone）または熱変性領域の生成を抑制できる。

（２）ところで、低尖頭値（連続出力時の強度を含む）の第２レーザ光だけを被加工部の固相表面へ直接照射しても、被加工部が直ぐに溶融するとは限らない。一方、高尖頭値の第１レーザ光を被加工部へ照射すると、その照射時の一瞬だけ、局部表面は溶融し得るが、連続的に安定して溶融できるとも限らない。

本発明のように、第１レーザ光を第２レーザ光に重畳させると、第２レーザ光のパワー（密度）を抑制しつつも、被加工部を安定的に溶融させて加工を継続できる。これは、第２レーザ光の被加工部に対する吸収率（波長吸収特性）が、被加工部の固相時よりも液相時の方が高いためと考えられる（参考文献：Kikuo Ujihara, “Reflectivity of Metals at High Temperatures”, J. Appl. Phys., 43 (5), 1972.）。

つまり、第１レーザ光の照射により被加工部に液相部（溶融部）が生成されると、その被加工部（液相部）における第２レーザ光の吸収率が大幅に増加する。このため、低尖頭値または低エネルギー密度な第２レーザ光の照射でも、被加工部を安定的に溶融させて加工を継続させ得ると考えられる。

第２レーザ光の照射開始時期に対する第１レーザ光の照射開示時期は、被加工部の加熱と冷却（熱伝導による放熱）のバランスを考慮して調整される。各照射開始時期は、同じでもよいし、異なっていてもよい。敢えていうと、第２レーザ光の照射開始後は、第１レーザ光の照射開示時期よりも少し後（例えば０．１〜５ｍｓ後）であるとよい。これにより、高尖頭値の第１レーザ光の照射がトリガー的に作用して、エネルギー密度が高くない第２レーザ光の照射でも、レーザ加工を安定的に進行させ易くなる。

《レーザ加工装置》
本発明はレーザ加工装置としても把握できる。例えば、本発明は、高尖頭値のパルスレーザからなる第１レーザ光を発する第１レーザ手段と、該第１レーザ光より尖頭値が低い第２レーザ光を発する第２レーザ手段と、 該第１レーザ光と該第２レーザ光が重畳して照射されるワークの被加工部付近で生じる散乱光または透過光を検出する検出手段と、該第１レーザ手段と該第２レーザ手段の作動を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、該検出手段により得られた検出値を閾値と比較して該被加工部の貫通を判定するレーザ加工装置でもよい。

《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙｍｓ」はｘｍｓ〜ｙｍｓを意味する。他の単位系（ｎｓ、ＭＷ／ｃｍ^２等）についても同様である。

レーザ加工装置を模式的に例示する説明図である。 重畳するレーザ光の照射時期および照射時間と、被加工部側で生じる散乱光の検出値との関係を示すグラフである。

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の加工装置、加工方法またはその加工物等にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素となり得る。

《ワーク》
ワークは、レーザ加工が可能である限り、材質や形態等を問わない。ワークは、例えば、金属、樹脂、セラミックス、複合材等である。ワークは、例えば、（薄）膜状、板状、塊状等である。ワークは、単一部材に限らず、複数部材を組み合わせた積層体（例えば、多層回路基板等）や組立体等でもよい。

《レーザ加工》
レーザ加工は、被加工部に照射したレーザ光の透過光または散乱光が大きく変化し得る貫通を伴う加工（単に「貫通加工」という。）であるとよい。貫通加工は、例えば、穴（孔）あけ、切断等が代表的である。但し、加工完了前後において、透過光または散乱光の増減が明確である限り、貫通加工は、スクライビング、トリミング、マーキング等でもよい。なお、貫通が生じた時点でレーザ光の照射を停止してもよいし、レーザ光の照射を継続しつつ、その貫通時点を起点として、照射位置を移動（走査）等させてもよい。

《レーザ》
第１レーザ光と第２レーザ光は、多種のレーザ光のなかから、ワーク材質や加工仕様等に応じて、適宜、選択される。レーザは、レーザ媒質の相違により、固体レーザ、気体レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ等がある。固体レーザは、例えば、レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等であり、発振波長が１０６４ｎｍである。気体レーザは、例えば、レーザ媒質がＣＯ_２であり、発振波長が１０６００ｎｍ（１０．６μｍ）である。ＣＯ_２レーザは、通常、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｘｅ、Ｈｅ等を含む混合ガス（０．１気圧以下）内で放電されて、連続出力またはｋＨｚ級（例えば０．５〜１００ｋＨｚ）の高繰り返しパルス出力が得られる。気体レーザは、ＴＥＡ（transversely excited atmospheric pressure）ＣＯ_２レーザでもよい。ＴＥＡＣＯ_２レーザは、大気圧以上のガス中で横励起方式の放電がなされて、短パルス幅（例えば、０．１〜０．５μｓ）で、ＭＷ級（例えば、０．１〜１００ＭＷ）の高尖頭値のパルス出力が得られる。繰り返し周波数は数百Ｈｚ（例えば１００〜５００Ｈｚ）である。半導体レーザは、例えば、レーザ媒質（活性層）がＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等からなり、発振波長は様々である。ファイバーレーザは、例えば、ファイバーのコア（例えばＹｂを含む）をレーザ媒質とし、発振波長が１０００〜１１５０ｎｍである。

本明細書でいう「高」尖頭値とは、第１レーザ光の尖頭値が第２レーザ光の尖頭値（出力）よりも高いことを意味する。敢えていうと、第１レーザ光の高尖頭値は、例えば、１〜１０ＭＷとするとよい。第１レーザ光のパルス幅は、例えば、０．１〜８（ｎｓ）さらには１〜５（ｎｓ）である。本明細書でいうパルス幅は半値幅とする（矩形パルスを含む）。その繰り返し周波数は、例えば、１０〜１０００Ｈｚである。その（発振）波長は、例えば、１０００〜１１００ｎｍである。このような第１レーザ光は、例えば、上述した固体レーザの発振器（第１レーザ手段）により得られる。

第２レーザ光は、パルス光でも連続光（ＣＷの他、ＱＣＷを含む）でもよい。本明細書では、便宜上、連続光の（ピーク）パワーも尖頭値という。その尖頭値は、例えば、０．１〜１ｋＷである。第２レーザ光がパルス光であるとき、そのパルス幅は、例えば、１〜１００（ｍｓ）である。その繰り返し周波数は、例えば、１０〜１０００Ｈｚである。その（発振）波長は、例えば、１０００〜１１００ｎｍである。このような第２レーザ光は、例えば、上述したファイバレーザの発振器（第２レーザ手段）により得られる。

《検出》
被加工部に向けて照射された第１レーザ光および／または第２レーザ光は、その被加工部付近で、散乱光（反射光）または透過光として検出される。少なくとも、主たる加熱源である第２レーザ光の散乱光または透過光を検出することで、被加工部の貫通の有無が判断され得る。

散乱光または透過光の検出は、光センサ（受光素子）を備えた光検出器（検出手段）によりなされる。光センサは、例えば、光電効果を利用したフォトダイオード等からなる。

被加工部の貫通の有無は、例えば、光検出器から得られた検出値と、所定の閾値と比較してなされる。レーザ光を照射している被加工部側（表側）の散乱光を検出している場合なら、検出値が所定の閾値以下（または未満）となったとき、被加工部の貫通を判断できる。レーザ光を照射している被加工部の反対側（裏側）の透過光を検出している場合なら、検出値が所定の閾値以上（または超）となったとき、被加工部の貫通を判断できる。

《レーザ加工装置》
本発明の一例であるレーザ加工装置Ｓ（単に「装置Ｓ」という。）を図１に示した。装置Ｓは、第１レーザ光ｂ１を発生させる第１レーザ共振器１（第１レーザ手段）と、第２レーザ光ｂ２を発生させる第２レーザ共振器２（第２レーザ手段）と、ワークＷの被加工部ｇの付近に配置された光検出器３（検出手段）と、第１レーザ共振器１と第２レーザ共振器２を制御する制御回路４（制御手段）と、第１レーザ光ｂ１および第２レーザ光ｂ２を集光させる光学系装置（図略）を備える。

第１レーザ光ｂ１と第２レーザ光ｂ２は、被加工部ｇに集光するように、照射角が設定されている。第１レーザ光ｂ１は、第２レーザ光ｂ２に対して斜め方向から重畳される他、ベンドミラー等を用いて同軸状に重畳されてもよい。いずれの場合でも、レーザ光の少なくとも一方は、光学系装置（レンズ等）により集光され、被加工部ｇにおけるエネルギー密度が高められるとよい。

制御回路４は、第１レーザ共振器１と第２レーザ共振器２を制御して、第１レーザ光ｂ１と第２レーザ光ｂ２による各照射（発射）の時期や期間を調整する。光検出器３からの出力は制御回路４に入力される。制御回路４は、光検出器３から入力される検出値（電圧）を所定の閾値と比較する。検出値が閾値以下（未満）となったときに、例えば、第２レーザ光ｂ２の照射を停止する。

《レーザ加工例》
（１）装置構成
自作した第１レーザ共振器１（レーザ媒質：Ｎｄ：ＹＡＧ）を用意した。これにより発生する第１レーザ光ｂ１は、波長：１０６４ｎｍ、尖頭値：１０ＭＷ、パルス幅：１ｎｓ、繰り返し周波数：５０Ｈｚである。

第２レーザ共振器１として ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製 ＹＬＲ−１５０／１５００−ＱＣＷ（レーザ媒質：Ｙｂ）を用意した。これにより発生する第２レーザ光ｂ２は、連続波からなり、波長：１０７０ｎｍ、平均出力：１５０Ｗである。

光検出器３にはフォトダイオードを用意した。光検出器３は、ワークＷの被加工部ｇから約３００ｍｍ離れた所に配置した。

（２）加工
ワークＷとして銅箔（厚さ１０μｍ）を用意した。その表面の一点（被加工部ｇ）に、先ず、第２レーザ光ｂの照射を開始した。その状態を継続したまま、第２レーザ光ｂの照射開始時期から０．１ｍｓ遅れて、第１レーザ光ｂ１を１パルス照射した。

図２に示すように、第１レーザ光ｂ１の照射開始から約２０ｍｓ経過後、光検出器３の検出値（電圧）が急減した。制御回路４は、その時点で、第２レーザ光ｂの照射を停止した。

ちなみに、第１レーザ光ｂ１の照射を重畳させない場合（第２レーザ光ｂ２の照射のみの場合）、銅箔は溶融せず、被加工部ｇは貫通しなかった。また、本実施例の場合、第１レーザ光ｂ１の尖頭値を２×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上としたとき、銅箔が溶融することを確認した。

１ 第１レーザ共振器（第１レーザ手段）
２ 第２レーザ共振器（第２レーザ手段）
３ 光検出器
４ 制御回路
Ｓ レーザ加工装置
Ｗ ワーク
ｂ１ 第１レーザ光
ｂ２ 第２レーザ光
ｇ 被加工部

Claims (4)

1. 高尖頭値のパルスレーザからなる第１レーザ光と該第１レーザ光より尖頭値が低い第２レーザ光とを重畳してワークの被加工部に照射する加工工程を備えるレーザ加工方法であって、
   該加工工程は、該被加工部付近で検出される透過光または散乱光の増減に基づいて、該被加工部の貫通を判定するレーザ加工方法。
2. 前記第１レーザ光の照射開示時期は、前記第２レーザ光の照射開始と同時または該第２レーザ光の照射開始後である請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工工程は、前記透過光または前記散乱光の増減に基づいて、少なくとも前記第２レーザ光の照射を停止する請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 高尖頭値のパルスレーザからなる第１レーザ光を発する第１レーザ手段と、
   該第１レーザ光より尖頭値が低い第２レーザ光を発する第２レーザ手段と、
   該第１レーザ光と該第２レーザ光が重畳して照射されるワークの被加工部付近で生じる散乱光または透過光を検出する検出手段と、
   該第１レーザ手段と該第２レーザ手段の作動を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、該検出手段により得られた検出値を閾値と比較して該被加工部の貫通を判定するレーザ加工装置。

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