JP3750388B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するもので、特にプリント基板等の材料に、高品質なバイアホールやスルーホール加工を行うためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
像転写光学系の原理を図7に示す。図7において、1は加工(結像)レンズ、2はレーザビーム、3はアパーチャ、4はレーザ発振器である。また、aは加工レンズ1とアパーチャ3との間の距離、bは加工レンズ1と転写位置との間の距離、fは加工レンズ1の焦点距離である。レーザ発振器4から発振されたレーザビーム2がアパーチャ3で制限され、アパーチャ3にて整形された形状のレーザビーム2が“b”の位置に転写される。このアパーチャ径を変えることで、任意の穴径が得られるものである。
【0003】
従来、このような光学系において、加工条件は加工点でのフルエンス(エネルギ密度)やエネルギ量により定義されていた。そのため、これらのパラメータを変更する方法として、レーザ発振器4から発振されるレーザビームの波形(パルス幅,ピーク出力)をレーザ発振器4への投入電力量等により変更する方法やアパーチャ3上でのレーザビーム径を変更する方法、及びこれらを併用した方法が用いられてきた。
【0004】
このような定義により、図8(a),(b)に示す2種類のモードのビームが同等であるとの結果となる。図9,図10にこれら2種類のビームにで加工した場合の結果について示す。
図9にビーム強度分布の中心が高いビームで加工を行った場合とビーム強度分布が平坦なビームで貫通加工を行った結果を示す。被加工材はガラスエポキシで、厚み0.4mm、加工穴径はφ0.2mm、加工点でのエネルギは15mJである。それぞれについて、穴明け加工(貫通穴)した場合の加工穴の断面径の変化を示している。図9のグラフにおいて、横軸の数値が高い方が被加工材表面すなわちレーザ入射側に近い。図8(a)に示すようなビーム強度分布の中心が高いレーザビームで加工を行った穴加工の場合、ビーム入射側の径に対し深さ方向へ加工が進行するにつれ、極端に径が小さくなる。それに対し、図8(b)に示すようなビーム強度分布が平坦なレーザビームで加工を行った穴加工の場合は、深さ方向による径の変化が小さい。
【0005】
さらに、図10にこのような2種類のビームで、プリント基板への止まり穴加工を行った場合の比較を示す。図10に示すグラフの横軸は加工位置でのレーザパワー(mJ)である。また、縦軸はプリント基板の内層部分の銅箔への損傷率を示している。この場合損傷率とは、銅箔面が溶融している穴の数を1000穴加工した場合の比率で示している。アパーチャ上でのビーム径が小さくなるほど溶融頻度が高く、大きくなるほど低い。なお、銅箔の厚みは18μmである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように従来のレーザ加工方法及び装置では、像転写光学系での加工点でのレーザパワーと加工穴径等の関係に基づいた加工条件の考え方では高品質な加工の再現性が乏しかった。
【0007】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、高品質な加工の再現性を高めることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を得るものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するものである。
また、この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を用い、内層銅箔を有するプリント基板にバイアホール加工を行うレーザ加工方法において、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する工程と、この検出情報に基づき、前記アパーチャを通過するレーザビームの全体の強度をH、最も強度の高い部分から低い部分までの差をhとした場合、h/Hを30%以下になるように、前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節する工程と、前記調節されたレーザビームにより加工を行う工程とを備えたものである。
【0009】
また、この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する強度分布検出手段と、この強度分布検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するビーム径制御手段とを備えたものである。
【0010】
また、この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャ通過前のレーザパワーと前記アパーチャ通過後のレーザパワーとを検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するものである。
【0011】
さらに、この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャ通過前のレーザパワーを検出する第1のパワー検出手段と、前記アパーチャ通過後のレーザパワーを検出する第2のパワー検出手段と、前記2つのパワー検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御するビーム径制御手段とを備えたものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
この発明の第1の実施の形態によるレーザ加工方法及び装置を、図1乃至図4を用いて説明する。アパーチャ3上でのレーザビーム径を変更する方法としては、図1に示すように、アパーチャ3とレーザ発振器4との間に可変光学手段としての可動レンズ5を設置し、この可動レンズ5(以下適宜、コリメートレンズと記す)の位置を変化させることでアパーチャ3上でのレーザビーム径を変化させる方法が考えられる。
【0013】
図8に示したような2種類のモードのビームが発生する原因は、アパーチャ3上でのレーザビーム径にある。図2において、(a)に示すようにアパーチャ3上でのレーザビーム径が小さい場合はアパーチャ3で切り出されたレーザビームの形状の中心の強度が高く、これが加工点に転写される。一方、図2において(b)に示すように、アパーチャ3上でのレーザビーム径が大きい場合はアパーチャ3で切り出されたレーザビームの形状が平坦であるため、加工点でも全体的に強度が均一な分布として転写される。
【0014】
アパーチャ3上でのビーム強度分布の形状を図3に示す。図3においてレーザビームのうちアパーチャ3の穴を通過する部分の強度分布の全体の強度をH、最も強度の高い部分から低い部分までの差をhとする。これは加工点での強度分布に反映される。コリメートレンズ5の位置を変え、アパーチャ3上でのビーム径を変化させるとこれら2つの数値の比率であるh/Hが変化する。
【0015】
このh/Hと加工の関係について調べたのが図4である。図4ではアパーチャ径をφ4.0mmとしてh/Hと加工した基板の内層銅箔の損傷率の関係について調べている。縦軸はプリント基板の内層部分の銅箔への損傷率を示している。横軸はh/Hである。この場合損傷率とは、銅箔面が溶融している穴の数を1000穴加工した場合の比率で示している。使用した基板は、ガラスエポキシであり、厚み0.1mm、内層銅箔t18μmである。図4の結果より、h/Hは30%以下に保つ必要があることが判る。
【0016】
実施の形態2.
h/Hは第1の実施の形態において述べたように、アパーチャ上でのビーム径により変わってくるため、レーザ発振器4の出口でのレーザパワーとアパーチャ通過後のレーザパワーとの関係に置き換えることが可能である。図5は図4の(h/H×100(%))を(アパーチャ通過後のレーザパワー/レーザ発振器出口のレーザパワー)(以下適宜、利用率と記す)に置き換えた結果である。h/Hに対し、利用率は同じ値とはならないが、図5より、利用率を35%以下に保てば良質加工が可能であることが判る。
【0017】
h/H(あるいはアパーチャ上でのビーム径、コリメートレンズ位置)を利用率に置き換えることで、レーザ発振器出口とアパーチャ通過後にパワーの測定器を設置し、2箇所のレーザパワーを測定すれば簡単に利用率が得られるため、管理が簡便である。また、図6に示すような装置構成を用いて、利用率をある設定値以下に常に保つことにより、加工の再現性が向上する。
図6に示す装置の機能を以下に述べる。
▲1▼アパーチャ3を設置し、アパーチャ3通過後(加工点)で必要なパワー分を入力する。
▲2▼レーザ発振器4に備えられた第1のパワー検出手段(図示せず)によって、現在のレーザ出力条件でのレーザ発振器4の出力の値と照合する。
▲3▼利用率が設定値となるように、パルス幅、ピーク等を変更する。
▲4▼アパーチャ3通過後(加工点)のレーザ出力を、例えば、第2のパワー検出手段としてのパワーセンサ8を用いる等により測定する。
▲5▼ビーム径制御手段としての制御装置9により、必要なパワーに対し測定結果が大きければ、アパーチャ3上でのビーム径を大きくさせる方向にコリメートレンズ5が移動するように指令を与え、測定結果が小さければ、アパーチャ3上でのビーム径を小さくさせる方向にコリメートレンズ5が移動するように指令を与える。コリメートレンズ5は、可変光学手段の一部を構成する、例えばボールねじ7及びモータ10を用いた駆動手段によって移動させる。
【0018】
【発明の効果】
以上に述べたようにこの発明によれば、像転写光学系におけるアパーチャ径とアパーチャ上でのビーム径の比率を、加工点でのビームプロファイルという観点から適正位置を見出すことにより、高品質な加工の再現性を高めることができる、という効果がある。
【0019】
また、レーザビーム径とアパーチャ径との関係を、レーザ発振器出口でのレーザパワーとアパーチャ通過後のレーザパワーとの関係に置き換えることにより適正なビーム位置を得ることができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態によるレーザ加工方法のアパーチャ上でのレーザビーム径を可変にした光路系を示した図である。
【図2】 アパーチャ径とレーザビーム径によるビーム形状の違いを示した図である。
【図3】 アパーチャ上でのレーザビームプロファイルを示した図である。
【図4】 銅箔損傷率とh/Hとの関係を示した図である。
【図5】 銅箔損傷率と利用率との関係を示した図である。
【図6】 この発明の実施の形態によるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
【図7】 像転写光学系の原理を示した図である。
【図8】 加工点でのレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図9】 加工穴深さ(厚さ)と断面での穴径との関係を示した図である。
【図10】 レーザパワーと銅箔損傷率との関係を示した図である。
【符号の説明】
1 加工レンズ
2 レーザビーム
3 アパーチャ
4 レーザ発振器
5 可動レンズ
6 全反射ミラー
7 ボールねじ
8 パワーセンサ
9 制御装置
10 モータ
a アパーチャ・加工レンズ間距離
b 加工レンズ・転写位置間距離
f 加工レンズ焦点距離
E1,E2 エネルギ
d1,d2 ビーム径
Claims (5)
- レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更することを特徴とするレーザ加工方法。
- レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を用い、内層銅箔を有するプリント基板にバイアホール加工を行うレーザ加工方法において、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する工程と、この検出情報に基づき、前記アパーチャを通過するレーザビームの全体の強度をH、最も強度の高い部分から低い部分までの差をhとした場合、h/Hを30%以下になるように、前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節する工程と、前記調節されたレーザビームにより加工を行う工程とを備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
- レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する強度分布検出手段と、この強度分布検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するビーム径制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
- レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャ通過前のレーザパワーと前記アパーチャ通過後のレーザパワーとを検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更することを特徴とするレーザ加工方法。
- レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャ通過前のレーザパワーを検出する第1のパワー検出手段と、前記アパーチャ通過後のレーザパワーを検出する第2のパワー検出手段と、前記2つのパワー検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御するビーム径制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
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