JP3926087B2

JP3926087B2 - Green sheet drilling machine

Info

Publication number: JP3926087B2
Application number: JP2000217938A
Authority: JP
Inventors: 之夫久所
Original assignee: レーザーフロントテクノロジーズ株式会社
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-07-18
Also published as: JP2002033539A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックグリーンシートの穴あけ加工方法およびレーザーを用いた加工装置に関する。特に、穴あけ加工時の品質、つまり穴あけ速度や穴形状の精度を向上するための手段を与えるとともに、これらの技術を安価に提供するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
グリーンシートは、セラミック焼結前の生シート状態の非常に柔らかいシートのことである。近年ではインダクターやコンデンサーは、小型化、高容量化のために積層されており、各層間は穴を介して電気的に結合されている。この穴あけはセラミックを焼結後では堅くて穴あけが非常に困難になるため、焼結前の生シート（グリーンシート）で加工する。層間結合のための穴径がφ１５０μｍ以下では、レーザ加工が用いられている。グリーンシートの場合、最初はＣＯ２レーザが主に用いられてきた。しかし、穴径がφ５０μｍ以下になるとＣＯ２レーザでは波長が長いため集光の能力限界を超えてしまう。そこで最近では、近赤外領域にまで吸収帯のあるフェライト系のグリーンシートなどに対しては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが使用され始めている。
【０００３】
ＹＡＧレーザは１．０６４μｍの発振波長を有し、茶色のフェライト系シートでは強い吸収があるので、図１３のような構成を有する結像光学系で良好な加工ができる。図において、結像倍率Ｍ＝ｂ／ａで示される縮小倍率でマスクの口径がグリーンシート上に転写される。たとえば、マスクの穴径をφ０．５ｍｍとするとＭ＝１／１０のとき、φ５０μｍ径の穴があけられることになる。この結像加工法で高精度ＸＹステージを用いると、加工位置精度は５〜１０μｍとなる。穴あけ速度に関しては、レーザ発振は２００ｐｐｓ程度までの動作が限界なので、１ショットのレーザパルスで１穴ずつあけると、効率も悪く、近年求められている１千穴／秒の穴あけ速度に対応できない。そこで、図１４のようにマスクに複数個の穴をあけて、すべての穴に対して均一な像を結ぶのに足りる充分に大きなレーザパルスエネルギーを与えることで、穴あけ速度を５００〜６００穴／秒にまで向上させることができる。この原理を用いた高速タイプのＹＡＧレーザ加工機が普及してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の加工方法では、レーザ光源にランプ励起のマルチモードパルスレーザを使用しているため、横モードが不安定であるためレーザビーム分布が悪く、マスク上の開口（アパーチャ）穴に照射されるレーザ強度も大きく変動するため、穴径の大きさ、穴形状が不安定になるという問題があった。加えて、実際にグリーンシート上に穴あけ加工のために使用されるパワーは、マスクに照射する全パワーの数％〜５％程度であり、レーザパワーの利用効率が低く、精度を向上するための高出力レーザの搭載が装置全体のコストが高くなるという問題点があった。さらに、マスクでの熱処理問題の必要性やマスクの消耗が激しいなどの問題点もある。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するものであり、穴形状及び穴あけ位置を共に精度高く加工でき、装置自体とその運転を低コストにするグリーンシート穴あけ加工装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置は、独立して調整が可能な複数個のレーザダイオード（ＬＤ）励起方式のパルス固体レーザ発振器を備え、発振されたレーザを最大でもφ３ｍｍ程度の細径ロッドに入力照射し、その出力側の端面をグリーンシート上にマスクを介さずに直接結像させる光学系を介して、グリーンシート上に複数の穴を加工することを特徴とする。
【０００７】
すなわち上記目的を達成するための本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置は、レーザ光を出射するレーザダイオードと当該レーザダイオードから出射されたレーザ光を入射する細径レーザロッドとを備えるパルス固体レーザ発振器と、前記レーザダイオードと前記細径レーザロッドとの間に、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を前記細径レーザロッドへと導く結合手段と当該細径レーザロッドを通じて出射されたレーザ光が入射されるフィールドレンズと、当該フィールドレンズを透過したレーザ光が入射される結像レンズと、当該結像レンズを透過したレーザ光が照射されるグリーンシートを保持する載置台と、前記パルス固体レーザ発振器を２個以上配置し、前記レーザダイオードの操作をそれぞれ独立に制御する機能を有する調整手段とを備え、前記細径レーザロッドのレーザー光出射側端面でのレーザー光出射領域の直径が２ｍｍ以下であって、前記レーザダイオードから発振されたレーザ光は前記細径レーザロッドに入射し、前記細径レーザロッド出射側端面が前記フィールドレンズと前記結像レンズとによって縮小結像されて前記グリーンシートへと照射されることを特徴とする。
【０００８】
以上の本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置によれば、パルス固体レーザ発振器が備える細径レーザロッドの出射側端面の出射領域のレーザ光は、フィールドレンズと結像レンズによって縮小結像されてグリーンシート上に照射される。すなわち、細径レーザロッド端面をグリーンシート上に直接結像することができるため、従来必要としていたマスクを必要としない。
【０００９】
また、細径レーザロッドから出射されたレーザー光の直径を２ｍｍ以下とすることで、微調整用に穴径或いは位置が異なるものが複数必要であって、レーザパワーの利用効率が低く、それが故に耐久性が低いという欠点を有するマスクを用いることなく、φ１００μｍ以下の縮小結像をグリーンシート上に形成することが可能である。
【００１０】
従って、入射レーザパワーのごく一部のみしか加工に用いることができなかったマスクを使用する従来加工法による穴あけ装置に比べて、本願発明に係る穴あけ装置では格段にレーザパワーの利用効率を高めることができる。このことは加工効率の向上や加工装置の小型化などに寄与する。
【００１１】
また、上記結合手段として例えばグリンレンズを用いると、レーザダイオードから出射されるレーザ光を集光しつつ細径レーザロッドへと導くことが可能となる。このため、レーザダイオードから出射されるレーザ光の利用効率を向上させることが可能となる。また係る結合手段として例えば光ファイバーを用いると、レーザダイオードと細径レーザロッドとの相互配置に自由度が向上し、加工装置の小型化や細径レーザロッドの配置位置の制御精度向上に寄与する。
【００１２】
さらに、複数のレーザロッドより同時にレーザを出射し、加工を行うことができるので、グリーンシートの穴あけの加工速度を増大させることが可能となる。また、パルス固体レーザ発振器の操作をそれぞれ独立に制御する機能を有する調整手段を備えるため、複数のパルス固体レーザ発振器を単に同時に出射させて得られる場合より、より複雑な穴あけパターンをグリーンシートに施すことが可能となる。
【００１３】
また、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光のパルス幅が１μｓから２００μｓである様にしても良い。
係る構成を備えることで、近年特に必要とされている１０００穴／秒の加工にも対応することができる。このような高速加工をマスクを用いて行った場合には、マスクの消耗が激しいために加工効率の向上が図れない。しかし、本願発明ではマスクを用いていないので、このようなロスタイムが少なく、高速加工を行う利益を最大限享受できる。従って、係る構成を有するグリーンシートの穴あけ装置は特に加工効率が高い。
【００１４】
また、前記パルス固体レーザ発振器の位置を調整する調整手段を備える様にしても良い。このようにパルス固体レーザ発振器の位置を調整することで、グリーンシート上に結像される穴の位置を調整でき、従って加工される穴の位置を容易に微調整できるという利点がある。
【００１５】
さらに、フィールドレンズと結像レンズの間に全反射ミラーを備える様にしても良い。これにより、反射ミラーの角度を調整してパルス固体レーザ発振器とグリーンシートの設置位置を自由に調整することができる。
【００１６】
また、前記パルス固体レーザ発振器が備える前記結合手段が両端に一対の結像レンズを備えた光ファイバーよりなる様にしても良い。これにより、パルス固体レーザ発振器内のレーザ発振器と出射部の細径レーザロッドの位置を自由に設定することが可能となる。
【００１７】
前記パルス固体レーザ発振器が備える結合手段の形状は前記レーザダイオードのレーザダイオード励起光が入射される入射口よりも出射口の口径を小さくしても良い。これにより発振したレーザを出射ロッドに入射させるときに、ロッドの中央部にレーザを集中させることが可能となる。
【００１８】
前記パルス固体レーザ発振器が備える細径レーザロッド出射口は、レーザダイオード励起光がほぼ１００％透過するコートが施されたレーザロッドの中心部分を含む一部の領域と、全反射ミラーコートが施された他部の領域とからなる様にしても良い。これにより、レーザ出射光のビーム径をレーザロッド口径よりも小さくできるので、レーザロッドの出射側端面をより小さな径に結像させることができる。
ここで、前記ほぼ１００％透過するコートが施されたレーザロッドの中心部分を含む一部の領域は、ロッド径の１／２若しくは１／３の領域であることが望ましく、その領域の形状がほぼ真円をなすことがさらに望ましい。
【００１９】
前記パルス固体レーザ発振器と前記フィールドレンズとの間に非線形結晶を配置しても良い。これにより発振したレーザの波長を変換することが可能となる。また、従来では加工が困難であった性質のグリーンシートへの穴あけが可能となる。
【００２０】
グリーンシート表面を適当な光学的手段によって観察用のＣＣＤカメラ上に結像し、グリーンシートの穴についての光学観測結果を分析してパルス固体レーザ発振器の位置を調整する調整手段を備える様にしても良い。これにより、グリーンシート上に加工された穴を参照し、パルス固体レーザ発振器を自動的に調整することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態）
図１は本発明の加工装置の構成図、図２はパルス固体レーザ発振器のロッドの詳細な内部形態を示す図、図３は発振されたレーザ光の出力側の端面をグリーンシート上に直接結像させる光学系の原理図である。
【００２２】
図１において、１はパルス固体レーザ発振器、２はフィードレンズ、３はミラー、４は結像レンズ、５はグリーンシート、６は微動ステージである。７は観察光学系を示し、７−１がＣＣＤカメラで、７−２がリレーレンズである。８はパワーモニター、９はＸＹステージである。
【００２３】
複数個のパルス固体レーザ発振器１（第一実施例では４個）から照射されたレーザダイオード（以下「ＬＤ」とする。）励起レーザ（以下「レーザ光」とする。）は長焦点のフィードレンズ２を通り、ミラー３で反射する。ミラーからの漏れ光はパワーモニター８で観測されている。このパワーモニター８は、レーザ穴あけ時の穴径のばらつきを防ぐために、グリーンシートに照射されるレーザパワー値を相対的にモニターする目的で設置されたものである。すなわち、一のＬＤ励起レーザで加工される一の穴各々に対応するレーザパワーを前記パワーモニター８が検出した漏れ光の量に基づいて適正に管理することができる。反射光は結像レンズ４の前焦点に集光し、入射する。焦点の調整はステージ６によりパルス固体レーザ発振器１を光軸方向に微調整することで行う。ここで、本結像レンズ４を通った後は（疑似）テレセントリック光学系が図２に示すように構成されるため、ほぼ垂直にグリーンシート５にレーザ光を照射することが可能である。レーザ照射により加工されたグリーンシート上の穴は観察光学系７により観測され、必要に応じてＸＹステージ９により位置調整を行い、グリーンシート上の適切な位置に穴が加工されるよう調整できる。
【００２４】
上記のように、レーザ光はパルス固体レーザ発振器１の内部の細径レーザロッドより発振され、これによって図２に示される光学系が形成され、マスクを必要としない直接的なグリーンシート上への結像が実現されている。図２に第一実施例のパルス固体レーザ発振器１の光学系の説明図を示す。
【００２５】
図２において１００はＹＡＧロッド、２はフィールドレンズ、３は全反射ミラー、４は結像レンズ、５はグリーンシートを示す。
【００２６】
ＹＡＧロッド１００から発振したレーザ光はＹＡＧロッドの出射端面から出ると、フィールドレンズ２を通り、全反射ミラー３に反射して結像レンズ４の前焦点付近に集光される。その後で、結像レンズ４を通ったレーザ光はグリーンシート５に対して鉛直に照射される。このとき、グリーンシート５の面上では、縮小倍率がおおよそＭ＝ａ／Ａで結像される。ＹＡＧロッド口径がφ２ｍｍ、結像倍率Ｍ＝１／２０とすると、グリーンシート面上にφ１００μｍで照射させることができる。
【００２７】
図２に示すような光学系を実現するためには、ＬＤ励起されたレーザ光を細径ロッドを介して発振させ、ロッド端面を結像させるための工夫が必要となる。係るパルス固体レーザ発振器１の詳細な構成を図３に示す。
【００２８】
図３にはパルス固体レーザ発振器１が２個の場合を示したが、実際は図１に示したように４〜８個程度に増やして４〜８穴程度同時に加工できるシステムを構成する。尚、各パルス固体レーザ発振器１はそれぞれ独立に、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に微動できるステージで、１０μｍの精度で位置調整が可能である。これらの移動機構部は、環境温度の変動を±０．５℃に制御できるようにされてなるので、熱膨張による変化も考慮した制御が可能となっている。
【００２９】
図３において、細径レーザロッド１００はＮｄ：ＹＡＧロッドを示し、１００−１は部分透過ミラーコート、１００−２は全反射ミラーコートである。１０１は冷却用ヒートシンク、１０２は高熱伝導材、１０３は結合レンズ、１０４はレーザーダイオード（ＬＤ）、１０５は筐体ケースを示す。
【００３０】
パルス固体レーザ発振器１は、レーザ発振器１ａと細径レーザロッド１００より構成される。レーザ発振器１ａにおいては、ＬＤ１０４から出射された励起レーザ光が、結合レンズを介して損失なくＹＡＧロッド１００に導入されるよう構成されている。図３では結合レンズとしてグリンレンズを使用しているが、他の実施形態として後述するような各種レンズの組み合わせで構成することも可能である。ＬＤ１０４の温度はペルチェ素子１０５を用いて一定にコントロールされている。実際には本図には示していないが、ペルチェ素子のもう一方側を冷却用ヒートシンク１０１で使用している恒温化冷却水を使用し、できるだけパルス固体レーザ発振器１が小さくなるように工夫している。レーザ発振器１ａより発振したレーザ光は結合レンズ１０３を経て入射し、ＹＡＧロッド１００に入射する。
【００３１】
このＹＡＧロッド１００は、部分透過ミラーコート１００−１と全反射ミラーコート１００−２をロッド両端面にそれぞれ装着しており、共振器を構成している。この機構はレーザ共振器と機能し、レーザのアライメントが崩れることがないため、レーザの長期的な安定性が向上する。このＹＡＧロッド１００を介したレーザ光のロッド端面を結像させるために、１０１の冷却用ヒートシンクの端面より数ｍｍ程度突出させてある。この際、１００−２部分のコートはダイクロイックミラーで１０６４ｎｍを全反射、且つ、９０８ｎｍのＡＲコートを兼用する。９０８ｎｍはＹＡＧレーザのＬＤの発振波長である。
【００３２】
ＹＡＧロッド１００は最大３０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ，５００ｐｐｓの励起光入力を可能にするため、ロッド側面を冷却用ヒートシンク１０１で結露しない程度の恒温で冷却している。図３では、冷却水路１０１−１を設け水冷した例を示したが、実際はペルチェ素子などの電子冷却ユニットで冷やすことも可能である。ＹＡＧロッドとの冷却用ヒートシンク１０１との熱抵抗を減らすため高熱伝導材１０２としてインジウム（金属）を使用している。
【００３３】
（他の実施形態）
なお、本発明のグリーンシート穴あけ加工装置では、前記実施形態以外にもその要旨の範囲内で状況や加工したいグリーンシートの種類などに応じて、各構成部分を変更または改良することで、加工精度の向上や従来困難であった加工などが可能になる。
【００３４】
パルス固体レーザ発振器１の結合手段は、前述の通り結合レンズ以外も、入射したレーザの周波数や強度を損なうことなく、細径レーザロッド１００に入射させることができるのであれば、任意の形状や材料を用いた変更も可能である。例えば、図３に示したパルス固体レーザ発振器１の結合レンズ１０３を、図４に示すような両端に結合レンズ１０を装備した光ファイバー９として、レーザー光の引き回しをフレキシブルにすることが可能であり、装置構成に自由度を持たせられる。本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置においては、パルス固体レーザ発振器１のピッチ間隔の縮小も重要な設計要素であるが、この光ファイバー９を用いた結合レンズ１０を取り入れることで、ピッチ間隔の縮小した複合パルス固体レーザ発振器の構築も可能である。
【００３５】
更にまた、同図３内の結合レンズ１０３を図５に示すように、テーパーロッド１１にしてレーザ光をＹＡＧロッド１００に導入させてもよい。これにより、励起したレーザが結合レンズ１０３を介してロッドに入射するときにもれが大きい場合でも、ＹＡＧロッド１００中心部にレーザを集中することができ、効率のよいレーザ光の入射が可能となる。ここでテーパーロッドの入射端の口径と出射端の口径の比は２：１程度とし、テーパーロッド１１の両端には１０６４ｎｍに対してＡＲコートを施している。出射端の口径は１００のＹＡＧロッド径の９割以下にするべきである。
【００３６】
更にまた、図３に示すパルス固体レーザ発振器１のＹＡＧロッド１００の出射端面部のコートを２種類の誘電体多層膜に分けてもよい。
【００３７】
図６ではＹＡＧロッド１００出射端面の中心部は１０６４ｎｍに対してＡＲコート１００−４（部分反射コート）を付け、残りの外周部に１０６４ｎｍに対して全反射するミラーコートを取り付けている。もう一方のロッド（入射）端面にはダイクロイックミラー１００−２（１０６４ｎｍ全反射コート／８０９ｎｍＡＲコート）を付けている。
【００３８】
ＹＡＧロッド１００口径より小さな口径の出力ミラーコートを施すことにより、φ３．０ｍｍのＹＡＧロッド１００を使用していても、実際のレーザ出力の口径を容易にφ１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度にすることができる。結果として、グリーンシート上で加工される穴径をΦ５０μｍ〜１００μｍを容易に実現できる。実際には直接φ２．０ｍｍ以下のＹＡＧロッド１００を使用するのは、事実上困難であるので、本方式はΦ５０μｍ近くの穴加工を施す際に非常に有効な手段となる。
【００３９】
更にまた、図３のパルス固体レーザ発振器のレーザロッドの先端に非線形結晶を図７に示すように配置することもできる。非線形結晶としては、例えばＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯなどの変換効率が高く、結晶安定性の優れたものを使用するのが望ましい。この際の結晶は０．５〜３．０ｍｍ程度の薄いものを使用し、レーザロッド出射端面に接触させる。
【００４０】
この場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光は非線形結晶に照射してもほとんど変換光が得られないので、１０５３ｎｍの基本波波長を有するＮｄ：ＹＬＦレーザを使用する。よって、レーザロッド１００−１にＮｄ：ＹＬＦロッドを使用し、偏光をかけて発振させる。非線形結晶の周囲は、図には示していないが、結晶温度を一定に保つための恒温化冷却機構を取り付けて、変換効率を一定に維持する。これにより、最近需要が増えている白いグリーンシート（アルミナセラミックス系）に関しては、１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ波長では加工性が悪い場合でも、第二高調波（ＳＨＧ）の５３２ｎｍや第三高調波（ＴＨＧ）の紫外光（ＵＶ光）を混合することによる、加工性の向上が期待できる。
【００４１】
加えて、複数のパルス固体レーザ発振器１をＭ行ｘＮ列のマトリックス状に配置し、ＸＹステージなどに各パルス固体レーザ発振器１の動作を制御する機能を付加することで複雑な穴あけが可能になったり、穴あけ位置の精度を向上できる。
【００４２】
図７に４行×２列に配置した８個のパルス固体レーザ発振器１を独立に制御する機構を示す。図において、１はパルス固体レーザ発振器を、２００はＬＤドライバー部を、２０１はデコーダー、２０２はＰＩＯで、２０３は制御用コンピューター（ＰＣ）を示している。
図８に示す様に制御用ＰＣがそれぞれのパルス固体レーザ発振器１に独立に設置されているＬＤドライバー２００を制御することで、各パルス固体レーザ発振器１を独立に制御してＸＹステージの動作に対して同期させてレーザ光を出射できる。よって、図９に示したような穴あけ例１），例２）のような繰り返しパターンに加えて、従来のマスクを使用した加工では不可能であった、穴あけパターンに周期性がない場合の加工も可能になる。
【００４３】
また、さらに図１０に示すように、グリーンシートを加工するＸＹステージ９にリニアスケール１２を設置し、そのリニアスケール１２を設置したＸＹテーブル９をＸＹステージコントローラ１３を介して制御用ＰＣ２０３に制御させるようにすることで、絶えずＸＹテーブル９の正確な位置の認識が可能となる。このＸＹステージ９の制御と各パルス固体レーザ発振器１からの発振と同期して穴あけを制御できるため、穴あけパターンもさらに複雑にできるようになる。例えば、加工する方向に各パルス固体レーザ発振器１が１列以上に並べてあれば、ＸＹステージ９のリニアスケール１２からの信号により、特定のパルス固体レーザ発振器１のみに設定された遅延時間を与えることにより、穴位置を設定されただけシフトできる。
【００４４】
図１１に遅延時間をもうけた場合の穴あけパターンの一例を示した。特定のパルス固体レーザ発振器１に対して、シフトさせたい距離Ｘ［ｍｍ］＝Ｖｃｏｎｓｔｘτにより求められる遅延時間τ［ｓｅｃ］を与えることによって、穴あけ位置のシフトが可能になる。但し、この際にはＸＹステージは等速運動Ｖｃｏｎｓｔ［ｍｍ／ｓｅｃ］をしているものとする。現在の制御システムを用いると、この際の穴あけ位置精度は±数μｍ程度となり、本方式で穴位置の変更を簡単に制御できる。
【００４５】
さらに、穴あけ位置や形状をリアルタイムに観測し、これをパルス固体レーザ発振器１の照射の時間間隔やステージ位置の制御と同期させることも可能である。図１２において、１０は画像処理装置を、７は観察光学系を、１１はＸＹＺリニアトランスレータを示す。画像処理装置１０により、グリーンシート上に加工された穴の穴径や各穴どおし間隔を画像処理することで測定する。画像処理の能力は、最小分解能として最小加工穴径の１／２０程度のものを使用する。穴あけ加工の状態は画像処理を通して、制御用ＰＣ２０３に於いて判断され連動するＸＹＺリニアトランスレータ１１によりパルス固体レーザ発振器１の位置を１０μｍ程度の精度で微調整する。
【００４６】
最後に、レーザ媒質としては、本実施の形態ではＮｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＬＦの２種類しか示していないが、Ｎｄ：ＹＶＯ４，Ｎｄ：ＹＡＰ，Ｎｄ：ＹＡＩＯに属するものも同様に有効である。加えて、可視光（ＳＨＧ）を直接発振させることが可能なＮｄ：ＹＡＢレーザなども適用できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置では、レーザ光の励起機構をランプ励起からＬＤ励起に変換することで、加工するグリーンシートに適したパルス幅と強度の選択が可能となるため、エネルギー的にも効率よい安定度の高いレーザ発振が可能となる。加えて、従来使用されていたマスクに投射しない光学方式を採用しているため、レーザ光出力をほぼ２ケタ近く小さくすることができるため、安定度がより高くなり、穴あけ精度が向上する。同時に、レーザ光利用効率がほぼ１００％となり、穴あけ装置の小型化、低価格化も可能になる。
【００４８】
本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置に適用されるパルス固体レーザ発振器は、加工の際に求められる発振強度も小さいことから、一個のパルス固体レーザ発振器を小型化することが可能である。特に、本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置に適用されるＬＤ励起のパルス固体レーザ発振器は端面方式であるので、小型化してφ１０ｍｍ以下にすることも可能である。このパルス固体レーザ発振器を複数個組み合わせたＭ列×Ｎ行に配列したパルス固体レーザ発振器部を形成することができる。各々のパルス固体レーザ発振器より発振されたレーザ光は、フィールドレンズと結合レンズを介して擬テレセントリック光学系となり、結像レンズからＸＹステージ上のグリーンシートに対して垂直に入射する。これにより、パルス固体レーザ発振器があけられる穴と１：１で対応し、しかも穴形状の精度も高いものが得られる。各パルス固体レーザ発振器の位置や照射のタイミングを制御系を用いて制御することで、これまでのマスクを用いた光学系では困難であった自在な穴パターンをグリーンシート上に形成できる。
【００４９】
本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置による加工時の結像比を１／Ｍと仮定すれば、各パルス固体レーザ発振器の位置を１０μｍ精度で合わせる機構を設けると、グリーンシート上では１０μｍ／Ｍの精度で調整できる。たとえば、Ｍ＝１０とすれば、１μｍ精度での微調整が可能であることになる。尚、穴径の制御も、微動ステージを光軸方向（Ｚ軸方向）に調整することによって可能である。従来の加工行程では、加工した結果を見てその後、マスクにあけられた穴径や穴間隔を調整していたが、これと比較して、本発明はグリーンシート加工技術の際の大幅な時間の節約ならびにマスク代の節約になる効果もある。
【００５０】
さらに、ＬＤ励起方式のパルス固体レーザ発振器を使用することにより、レーザパルス幅を１μｓ〜２００μｓの幅に連続的に可変させることが可能になった。従来のレーザでは、加工した穴形状が爆発性になり、真円でなく歪で、良質の加工ができなかったアルミナ系の白系グリーンシートの穴あけ加工に対しても、材質・厚みに最適化したパルス幅を選択できるようになり、形状の優れたφ１００μｍ以下の穴あけ加工技術を提供できるようになった効果もある。
【００５１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグリーンシート穴あけ加工装置の実施例を示す概略構成図
【図２】実施例における結像光学系を示す図
【図３】図１におけるパルス固体レーザ発振器の詳細を示す図
【図４】光ファイバーを用いた場合のパルス固体レーザ発振器の詳細を示す図
【図５】テーパロッド用いた場合のパルス固体レーザ発振器の詳細を示す図
【図６】パルス固体レーザ発振器の細径レーザロッド先端に２種類の誘電体多層膜を装着した場合の詳細を示す図
【図７】パルス固体レーザ発振器の細径レーザロッド先端に非線形結晶を装着した場合の詳細を示す図
【図８】複数のパルス固体レーザ発振器をＭ行ｘＮ列に配置した概略構成図
【図９】図８に示すパルス固体レーザ発振器を用いた場合の穴あけ加工例
【図１０】リニアスケールを装備したＸＹステージと図８に示したパルス固体レーザ発振器の制御機構の概略構成図
【図１１】図１０に示す制御機構を用いた場合の穴あけ加工例
【図１２】画像処理装置を装備した観察光学系とＸＹＺリニアトランスレータを装備したパルス固体レーザ発振器およびこれらの制御装置を備えた本発明のグリーンシートの穴あけ加工装置の概略構成図
【図１３】従来のグリーンシート穴あけ加工に用いられている結像光学系
【図１４】従来のマスクを用いた結像光学系におけるレーザ照射範囲とマスクの穴形状との相関を示す図
【符号の説明】
１．パルス固体レーザ発振器、
２．フィールドレンズ
３．全反射ミラー
４．結像レンズ
５．グリーンシート
６．微動ステージ
７−１．ＣＣＤカメラ
７−２．リレーレンズ
８．パワーモニター
９．ＸＹステージ
１０．画像処理装置
１１．ＸＹＺリニアトランスレータ
１２．リニアスケール
１３．ＸＹステージコントローラ
１００．ＹＡＧロッド
１００−１．部分透過ミラーコート
１００−２．全反射ミラーコート
１００−３．全反射ミラーコート
１００−４．ＡＲコート（部分反射ミラーコート）
１００−５．ＹＬＦレーザロッド
１０１．冷却用ヒートシンク
１０１−１．冷却用水路
１０２．インジウム
１０３．結合レンズ
１０４．レーザダイオード（ＬＤ）
１０５．筐体ケース
１０６．ペルチェ素子
２００．ＬＤドライバー
２０１．レコーダ
２０２．ＰＩＯ
２０３．ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
２１０．非線形結晶
５００．銅製マスク
５０１．レーザ照射領域
５０２．マスク穴（４つ穴）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for drilling a ceramic green sheet and a processing apparatus using a laser. In particular, the present invention relates to a method for providing quality at the time of drilling, that is, means for improving the drilling speed and accuracy of the hole shape, and providing these techniques at a low cost.
[0002]
[Prior art]
The green sheet is a very soft sheet in a green sheet state before ceramic sintering. In recent years, inductors and capacitors are laminated for miniaturization and high capacity, and the respective layers are electrically coupled through holes. Since this drilling is hard after ceramic is sintered and it becomes very difficult to drill, it is processed with a green sheet before sintering. When the hole diameter for interlayer coupling is φ150 μm or less, laser processing is used. In the case of green sheets, a CO2 laser has been mainly used at first. However, if the hole diameter is 50 μm or less, the CO2 laser has a long wavelength, which exceeds the condensing capability limit. Therefore, recently, an Nd: YAG laser has begun to be used for a ferrite green sheet having an absorption band in the near infrared region.
[0003]
The YAG laser has an oscillation wavelength of 1.064 μm, and the brown ferrite sheet has strong absorption, so that it can be satisfactorily processed by the imaging optical system having the configuration shown in FIG. In the figure, the aperture of the mask is transferred onto the green sheet at a reduction magnification indicated by the imaging magnification M = b / a. For example, if the hole diameter of the mask is φ0.5 mm, a hole with a diameter of φ50 μm is formed when M = 1/10. When a high-precision XY stage is used in this imaging processing method, the processing position accuracy is 5 to 10 μm. As for the drilling speed, the laser oscillation is limited to operation up to about 200 pps, and if one hole is drilled with one shot of laser pulse, the efficiency is poor, and it is not possible to cope with the drilling speed of 1,000 holes / second that has been required in recent years. Therefore, by making a plurality of holes in the mask as shown in FIG. 14 and applying a sufficiently large laser pulse energy sufficient to form a uniform image for all the holes, the drilling speed is set to 500 to 600 holes / It can be improved to seconds. High-speed YAG laser processing machines using this principle have become widespread.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional processing method, a lamp-excited multi-mode pulse laser is used as the laser light source, so that the transverse mode is unstable, so that the laser beam distribution is poor and the aperture (aperture) hole on the mask is irradiated. Since the laser intensity also fluctuates greatly, there is a problem that the hole diameter and hole shape become unstable. In addition, the power actually used for drilling on the green sheet is about several to 5% of the total power irradiated to the mask, and the laser power utilization efficiency is low and the accuracy is improved. The mounting of a high output laser has a problem that the cost of the entire apparatus becomes high. Furthermore, there are problems such as the necessity of heat treatment problems in the mask and excessive wear of the mask.
[0005]
An object of the present invention is to provide a green sheet drilling apparatus capable of processing both the hole shape and the drilling position with high accuracy and reducing the cost of the apparatus itself and its operation.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the green sheet drilling apparatus of the present invention uses a plurality of laser diode (LD) pumping systems that can be adjusted independently. Pulse solid A green sheet is provided through an optical system equipped with a laser oscillator, which irradiates the oscillated laser to a small-diameter rod of about φ3 mm at the maximum and forms an image directly on the green sheet without a mask. A plurality of holes are machined on the top.
[0007]
That is, the green sheet drilling apparatus of the present invention for achieving the above object is a pulse solid laser oscillator comprising a laser diode that emits laser light and a small-diameter laser rod that emits laser light emitted from the laser diode. And a coupling means for guiding the laser beam emitted from the laser diode to the fine laser rod between the laser diode and the fine laser rod, and a laser emitted through the fine laser rod light A field lens on which is incident, an imaging lens on which laser light transmitted through the field lens is incident, Imaging A mounting table for holding a green sheet irradiated with laser light transmitted through the lens; Pulse solid Two or more laser oscillators are arranged, and the laser diode Adjusting means having a function of independently controlling the operation of The diameter of the laser light emission region at the laser light emission side end face of the small diameter laser rod is 2 mm or less, Laser diode The laser light oscillated from is incident on the small-diameter laser rod, and the end surface on the emission side of the small-diameter laser rod is reduced and imaged by the field lens and the imaging lens and irradiated to the green sheet. Features.
[0008]
According to the above-described green sheet drilling apparatus of the present invention, the laser light in the exit region on the exit side end surface of the small-diameter laser rod included in the pulsed solid-state laser oscillator is reduced and imaged by the field lens and the imaging lens. Irradiated on the sheet. That is, since the end face of the small-diameter laser rod can be directly imaged on the green sheet, a mask that has been conventionally required is not required.
[0009]
In addition, by making the diameter of the laser beam emitted from the small diameter laser rod 2 mm or less, a plurality of holes having different hole diameters or positions are necessary for fine adjustment, and the use efficiency of laser power is low. Therefore, without using a mask having the disadvantage of low durability, It is possible to form a reduced image of φ100 μm or less on a green sheet.
[0010]
Therefore, the drilling device according to the present invention significantly increases the efficiency of the laser power compared to the conventional drilling device using a mask that can be used for processing only a small part of the incident laser power. Can do. This contributes to improvement of processing efficiency and downsizing of the processing apparatus.
[0011]
Further, when a Glyn lens is used as the coupling means, for example, it becomes possible to guide the laser beam emitted from the laser diode to the small diameter laser rod while condensing it. For this reason, it becomes possible to improve the utilization efficiency of the laser beam emitted from the laser diode. Further, when an optical fiber is used as the coupling means, for example, the degree of freedom in mutual arrangement of the laser diode and the small-diameter laser rod is improved, which contributes to downsizing of the processing apparatus and improvement in control accuracy of the arrangement position of the small-diameter laser rod.
[0012]
further, Simultaneously with multiple laser rods Since processing can be performed by emitting a laser, it is possible to increase the processing speed of drilling the green sheet. Also, Pulse solid In order to provide adjustment means having a function of independently controlling the operation of the laser oscillator, Pulse solid A more complicated drilling pattern can be applied to the green sheet than can be obtained by simply emitting laser oscillators simultaneously.
[0013]
The pulse width of the laser light emitted from the laser diode may be 1 μs to 200 μs.
By providing such a configuration, it is possible to cope with processing of 1000 holes / second that is particularly required in recent years. When such high-speed processing is performed using a mask, the processing efficiency cannot be improved because the mask is heavily consumed. However, since a mask is not used in the present invention, such loss time is small and the benefits of high-speed machining can be enjoyed to the maximum. Therefore, the green sheet drilling apparatus having such a configuration has a particularly high processing efficiency.
[0014]
Also, the above Pulse solid An adjusting means for adjusting the position of the laser oscillator may be provided. in this way Pulse solid By adjusting the position of the laser oscillator, the position of the hole imaged on the green sheet can be adjusted, and therefore, the position of the processed hole can be easily finely adjusted.
[0015]
Further, a total reflection mirror may be provided between the field lens and the imaging lens. This adjusts the angle of the reflection mirror Pulse solid The installation position of the laser oscillator and the green sheet can be freely adjusted.
[0016]
Also, the above Pulse solid The coupling means provided in the laser oscillator may be an optical fiber having a pair of imaging lenses at both ends. This Pulse solid The laser oscillator and the emission part in the laser oscillator Small diameter The position of the laser rod can be freely set.
[0017]
Said Pulse solid The shape of the coupling means provided in the laser oscillator may be such that the diameter of the exit is smaller than the entrance where the laser diode excitation light of the laser diode is incident. As a result, when the oscillated laser is incident on the exit rod, the laser can be concentrated at the center of the rod.
[0018]
The pulse solid The thin laser rod exit of the laser oscillator includes a part of the area including the central part of the laser rod on which the coating for transmitting laser diode excitation light is transmitted almost 100% and the other part on which the total reflection mirror coating is applied. You may make it consist of these areas. As a result, the beam diameter of the laser emission light can be made smaller than the diameter of the laser rod, so that the emission side end face of the laser rod can be imaged to a smaller diameter.
Here, it is preferable that a part of the region including the central portion of the laser rod coated with the coating that transmits almost 100% is a region that is 1/2 or 1/3 of the rod diameter. It is more desirable to make a perfect circle.
[0019]
Said Pulse solid A nonlinear crystal may be disposed between the laser oscillator and the field lens. As a result, the wavelength of the oscillated laser can be converted. In addition, it is possible to make a hole in a green sheet that has been difficult to process.
[0020]
The green sheet surface is imaged on the CCD camera for observation by appropriate optical means, and the optical observation result about the hole in the green sheet is analyzed. Pulse solid An adjusting means for adjusting the position of the laser oscillator may be provided. This refers to the hole processed on the green sheet, Pulse solid It is possible to automatically adjust the laser oscillator.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram of the processing apparatus of the present invention, and FIG. Pulsed solid-state laser oscillator FIG. 3 is a diagram showing the detailed internal form of the rod of FIG. 3, and FIG. 3 is a principle diagram of an optical system for directly forming an image on the output side end face of the oscillated laser light on the green sheet.
[0022]
In FIG. 1, 1 is Pulsed solid-state laser oscillator 2 is a feed lens, 3 is a mirror, 4 is an imaging lens, 5 is a green sheet, and 6 is a fine movement stage. Reference numeral 7 denotes an observation optical system, 7-1 is a CCD camera, and 7-2 is a relay lens. 8 is a power monitor and 9 is an XY stage.
[0023]
Multiple Pulsed solid-state laser oscillator Laser diode irradiated from 1 (four in the first embodiment) (Hereafter referred to as “LD”) Pump laser (Hereafter referred to as “laser light”) Passes through the long-focus feed lens 2 and is reflected by the mirror 3. Light leaked from the mirror is observed by the power monitor 8. The power monitor 8 is installed for the purpose of relatively monitoring the laser power value applied to the green sheet in order to prevent variations in the hole diameter during laser drilling. That is, one LD excitation The laser power corresponding to each hole processed by the laser can be properly managed based on the amount of leaked light detected by the power monitor 8. The reflected light is collected and incident on the front focal point of the imaging lens 4. The focus is adjusted by stage 6. Pulsed solid-state laser oscillator 1 is finely adjusted in the optical axis direction. Here, after passing through the imaging lens 4, the (pseudo) telecentric optical system is configured as shown in FIG. 2, so that the green sheet 5 can be irradiated with laser light substantially vertically. The hole on the green sheet processed by laser irradiation is observed by the observation optical system 7, and the position is adjusted by the XY stage 9 as necessary, so that the hole is processed at an appropriate position on the green sheet.
[0024]
As mentioned above, the laser beam is Pulsed solid-state laser oscillator 1 inside Small diameter Oscillated from the laser rod, the optical system shown in FIG. 2 is formed, and direct image formation on a green sheet that does not require a mask is realized. FIG. 2 shows the first embodiment. Pulsed solid-state laser oscillator 1 is an explanatory diagram of an optical system 1.
[0025]
In FIG. 2, 100 is a YAG rod, 2 is a field lens, 3 is a total reflection mirror, 4 is an imaging lens, and 5 is a green sheet.
[0026]
When the laser light oscillated from the YAG rod 100 exits from the exit end face of the YAG rod, it passes through the field lens 2, is reflected by the total reflection mirror 3, and is condensed near the front focal point of the imaging lens 4. After that, it passed through the imaging lens 4 Laser light Is irradiated vertically to the green sheet 5. At this time, an image is formed on the surface of the green sheet 5 with a reduction magnification of approximately M = a / A. When the YAG rod diameter is φ2 mm and the imaging magnification M = 1/20, the green sheet surface can be irradiated with φ100 μm.
[0027]
In order to realize an optical system as shown in FIG. Laser light Is required to oscillate through a small-diameter rod to form an image on the rod end face. Affect Pulsed solid-state laser oscillator 1 FIG. 3 shows the detailed configuration.
[0028]
In FIG. Pulsed solid-state laser oscillator 1 In FIG. 1, a system that can process 4 to 8 holes at the same time by increasing the number to 4 to 8 is shown. In addition, each Pulsed solid-state laser oscillator 1 Are stages that can be finely moved in the X, Y, and Z directions, respectively, and their positions can be adjusted with an accuracy of 10 μm. Since these movement mechanisms can control the fluctuation of the environmental temperature to ± 0.5 ° C., they can be controlled in consideration of changes due to thermal expansion.
[0029]
FIG. In Small diameter laser rod 100 denotes an Nd: YAG rod, 100-1 denotes a partially transmissive mirror coat, and 100-2 denotes a total reflection mirror coat. Reference numeral 101 denotes a cooling heat sink, 102 denotes a high thermal conductive material, 103 denotes a coupling lens, 104 denotes a laser diode (LD), and 105 denotes a case.
[0030]
Pulsed solid-state laser oscillator 1 The laser oscillator 1a When Small diameter laser rod 100. Laser oscillator 1a Is configured such that the excitation laser light emitted from the LD 104 is introduced into the YAG rod 100 through the coupling lens without loss. Although a green lens is used as a coupling lens in FIG. 3, it can also be configured by a combination of various lenses as will be described later as another embodiment. The temperature of the LD 104 is controlled to be constant using the Peltier element 105. Actually, although not shown in this figure, the constant temperature cooling water used on the other side of the Peltier element with the cooling heat sink 101 is used as much as possible. Pulsed solid-state laser oscillator 1 Is devised to reduce the. Laser oscillator 1a The more oscillated laser beam enters through the coupling lens 103 and enters the YAG rod 100.
[0031]
this YAG rod 100 Are provided with a partially transmissive mirror coat 100-1 and a total reflection mirror coat 100-2 on both end faces of the rod, respectively, to constitute a resonator. This mechanism functions as a laser resonator, and the laser alignment is not lost, so the long-term stability of the laser is improved. In order to form an image of the rod end surface of the laser beam through the YAG rod 100, the end surface of the cooling heat sink 101 is protruded by about several millimeters. At this time, the coating of the 100-2 portion is totally reflected at 1064 nm by the dichroic mirror and also serves as the AR coating of 908 nm. 908 nm is the oscillation wavelength of the YAG laser LD.
[0032]
YAG rod 100 In order to enable excitation light input at a maximum of 30 mJ / pulse and 500 pps, the rod side surface is cooled by the cooling heat sink 101 at a constant temperature that does not cause condensation. FIG. In the above example, the cooling water channel 101-1 is provided and water-cooled. However, in actuality, the cooling water channel 101-1 can be cooled by an electronic cooling unit such as a Peltier element. Indium (metal) is used as the high thermal conductive material 102 in order to reduce the thermal resistance between the YAG rod and the cooling heat sink 101.
[0033]
(Other embodiments)
In the green sheet drilling apparatus of the present invention, the processing accuracy can be improved by changing or improving each component according to the situation and the type of green sheet to be processed within the scope of the gist in addition to the embodiment. Improvement and processing that has been difficult in the past.
[0034]
Pulsed solid-state laser oscillator 1 As described above, the coupling means other than the coupling lens, without impairing the frequency and intensity of the incident laser, Small diameter laser rod As long as it can be made incident on 100, the change using arbitrary shapes and materials is also possible. For example, as shown in FIG. Pulsed solid-state laser oscillator 1 The coupling lens 103 is an optical fiber 9 equipped with the coupling lens 10 at both ends as shown in FIG. 4, so that the laser beam can be routed flexibly, and the apparatus configuration can be given flexibility. Of the present invention Green sheet drilling equipment In Pulsed solid-state laser oscillator 1 The reduction of the pitch interval is also an important design element. However, by incorporating the coupling lens 10 using the optical fiber 9, the pitch interval can be reduced. Pulsed solid-state laser oscillator Is also possible.
[0035]
Furthermore, as shown in FIG. 5, the coupling lens 103 in FIG. 3 may be a tapered rod 11 to introduce laser light into the YAG rod 100. As a result, even when leakage is large when the excited laser is incident on the rod via the coupling lens 103, YAG rod 100 The laser can be concentrated at the center, and the laser beam can be incident efficiently. Here, the ratio of the diameter of the entrance end of the taper rod to the diameter of the exit end is about 2: 1, and both ends of the taper rod 11 are AR coated to 1064 nm. The diameter of the exit end should be 90% or less of the 100 YAG rod diameter.
[0036]
Furthermore, the coating on the exit end face portion of the YAG rod 100 of the pulse solid-state laser oscillator 1 shown in FIG. 3 may be divided into two types of dielectric multilayer films.
[0037]
In FIG. 6, an AR coat 100-4 (partial reflection coat) is attached to the center of the exit end face of the YAG rod 100 for 1064 nm, and a mirror coat that totally reflects 1064 nm is attached to the remaining outer peripheral part. A dichroic mirror 100-2 (1064 nm total reflection coating / 809 nm AR coating) is attached to the other rod (incident) end face.
[0038]
By applying an output mirror coat with a diameter smaller than the YAG rod 100 diameter, the diameter of the actual laser output can be easily made to be about 1.0 mm to 2.0 mm even when the YAG rod 100 with a diameter of 3.0 mm is used. Can do. As a result, the diameter of the hole processed on the green sheet can be easily realized at Φ50 μm to 100 μm. In practice, it is practically difficult to directly use the YAG rod 100 having a diameter of 2.0 mm or less. Therefore, this method is a very effective means when drilling a hole having a diameter of approximately 50 μm.
[0039]
Furthermore, in FIG. Pulsed solid-state laser oscillator A nonlinear crystal can also be arranged at the tip of the laser rod as shown in FIG. As the nonlinear crystal, for example, it is desirable to use a crystal having high conversion efficiency and excellent crystal stability such as KTP, LBO, BBO, and CLBO. In this case, a thin crystal having a thickness of about 0.5 to 3.0 mm is used and brought into contact with the laser rod emission end face.
[0040]
In this case, Nd: YAG laser light having a fundamental wave wavelength of 1053 nm is used because almost no converted light can be obtained even when the non-linear crystal is irradiated with the Nd: YAG laser light. Therefore, an Nd: YLF rod is used for the laser rod 100-1, and the laser rod 100-1 is oscillated with polarized light. Although the periphery of the nonlinear crystal is not shown in the figure, a constant temperature cooling mechanism for keeping the crystal temperature constant is attached to keep the conversion efficiency constant. As a result, for white green sheets (alumina ceramics) that have recently increased in demand, even if the YAG laser wavelength of 1064 nm is poor in workability, the second harmonic (SHG) of 532 nm and the third harmonic (THG) Improvement of workability can be expected by mixing ultraviolet light (UV light).
[0041]
in addition, A plurality of pulsed solid state laser oscillators 1 are arranged in a matrix of M rows and N columns, and by adding a function for controlling the operation of each pulsed solid state laser oscillator 1 to an XY stage or the like, complicated drilling becomes possible, The accuracy of the drilling position can be improved.
[0042]
Fig. 7 shows 8 pieces arranged in 4 rows x 2 columns. Pulsed solid-state laser oscillator 1 The mechanism which controls independently is shown. In the figure, 1 is Pulsed solid-state laser oscillator 200 denotes an LD driver unit, 201 denotes a decoder, 202 denotes a PIO, and 203 denotes a control computer (PC).
As shown in FIG. Pulsed solid-state laser oscillator 1 By controlling the LD driver 200 installed independently, Pulsed solid-state laser oscillator 1 Can be controlled independently to synchronize with the operation of the XY stage to emit laser light. Therefore, in addition to the repetitive patterns as shown in FIG. 9 such as drilling example 1) and example 2), machining in the case where the drilling pattern has no periodicity, which is impossible with machining using a conventional mask. Will also be possible.
[0043]
Further, as shown in FIG. 10, XY for processing a green sheet stage 9 is installed with a linear scale 12 XY table 9 with linear scale 12 installed Is controlled by the control PC 203 via the XY stage controller 13 continuously. XY table 9 It is possible to recognize the exact position of This XY stage 9 controls and each From pulse solid laser oscillator 1 Since the drilling can be controlled in synchronization with the oscillation, the drilling pattern can be further complicated. For example, each direction Pulsed solid-state laser oscillator 1 Are arranged in one or more columns, a signal from the linear scale 12 of the XY stage 9 Pulsed solid-state laser oscillator 1 By giving the delay time set only to the hole position, the hole position can be shifted by the set value.
[0044]
FIG. 11 shows an example of a drilling pattern when a delay time is provided. By giving a delay time τ [sec] obtained by a distance X [mm] = Vconstxτ to be shifted to a specific pulse solid-state laser oscillator 1, the drilling position can be shifted. However, in this case, it is assumed that the XY stage is moving at a constant speed Vconst [mm / sec]. If the current control system is used, the drilling position accuracy at this time is about ± several μm, and the hole position change can be easily controlled by this method.
[0045]
Furthermore, it is also possible to observe the drilling position and shape in real time and to synchronize this with the control of the irradiation time interval and stage position of the pulse solid laser oscillator 1. In FIG. 12, 10 denotes an image processing apparatus, 7 denotes an observation optical system, and 11 denotes an XYZ linear translator. The image processing apparatus 10 measures the hole diameter and the interval between holes processed on the green sheet by image processing. The image processing capability is about 1/20 of the minimum processing hole diameter as the minimum resolution. The state of the drilling process is determined by the control PC 203 through image processing, and the position of the pulse solid laser oscillator 1 is finely adjusted with an accuracy of about 10 μm by the interlocking XYZ linear translator 11.
[0046]
Finally, as a laser medium, In this embodiment Although only two types of Nd: YAG and Nd: YLF are shown, those belonging to Nd: YVO4, Nd: YAP, Nd: YAIO are also effective. In addition, an Nd: YAB laser that can directly oscillate visible light (SHG) can be used.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the present invention Green sheet drilling machine Then, by converting the laser beam excitation mechanism from lamp excitation to LD excitation, it is possible to select the pulse width and intensity suitable for the green sheet to be processed. Is possible. In addition, since an optical method that does not project onto a conventionally used mask is adopted, the laser light output can be reduced by almost two digits, so that the stability becomes higher and the drilling accuracy is improved. At the same time, the laser beam utilization efficiency is almost 100%, and the drilling device can be made smaller and less expensive.
[0048]
Of the present invention Pulsed solid-state laser oscillator applied to green sheet drilling equipment Since the oscillation intensity required during processing is small, Pulsed solid-state laser oscillator Can be miniaturized. In particular, the present invention Applied to green sheet drilling equipment LD excitation Pulsed solid-state laser oscillator Since this is an end face method, it is possible to reduce the size to 10 mm or less. this Pulsed solid-state laser oscillator Arranged in M columns x N rows combining multiple Pulsed solid-state laser oscillator The part can be formed. Each Pulsed solid-state laser oscillator The more oscillated laser light becomes a quasi-telecentric optical system via the field lens and the coupling lens, and enters the green sheet on the XY stage perpendicularly from the imaging lens. This 1: 1 correspondence with the hole where the pulsed solid state laser oscillator is drilled, In addition, a hole with high accuracy can be obtained. each Pulsed solid-state laser oscillator By controlling the position and timing of irradiation using a control system, it is possible to form a free hole pattern on a green sheet, which has been difficult with an optical system using a conventional mask.
[0049]
Of the present invention With green sheet drilling equipment Assuming that the imaging ratio during processing is 1 / M, Pulsed solid-state laser oscillator By providing a mechanism for aligning the position of 10 with an accuracy of 10 μm, the green sheet can be adjusted with an accuracy of 10 μm / M. For example, if M = 10, fine adjustment with 1 μm accuracy is possible. The hole diameter can also be controlled by adjusting the fine movement stage in the optical axis direction (Z-axis direction). In the conventional machining process, the hole diameter and the hole interval drilled in the mask were adjusted after looking at the machining result. There is also an effect of saving the mask and the mask cost.
[0050]
Furthermore, the LD excitation method Pulsed solid-state laser oscillator By using this, the laser pulse width can be continuously varied from 1 μs to 200 μs. With conventional lasers, the processed hole shape has become explosive, and it has been optimized for material and thickness even for drilling of alumina-based white green sheets, which were not perfect circles but distorted and could not be processed with good quality. There is an effect that a pulse width can be selected and a drilling technique with an excellent shape of φ100 μm or less can be provided.
[0051]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a green sheet drilling apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an imaging optical system in the embodiment.
FIG. 3 is the same as FIG. Pulsed solid-state laser oscillator Figure showing details of
[Fig. 4] When using optical fiber Pulsed solid-state laser oscillator Figure showing details of
FIG. 5 shows the case where a taper rod is used. Pulsed solid-state laser oscillator Figure showing details of
[Fig. 6] Pulsed solid-state laser oscillator of Small diameter laser rod The figure which shows the details when two kinds of dielectric multilayer films are attached to the tip
[Fig. 7] Pulsed solid-state laser oscillator of Small diameter laser rod Diagram showing details when a nonlinear crystal is attached to the tip
FIG. 8 Pulsed solid-state laser oscillator Schematic configuration diagram in which M is arranged in M rows x N columns
FIG. 9 is shown in FIG. Pulsed solid-state laser oscillator Drilling example when using
FIG. 10 shows an XY stage equipped with a linear scale and FIG. Pulsed solid-state laser oscillator Schematic configuration diagram of the control mechanism
11 is an example of drilling when the control mechanism shown in FIG. 10 is used.
FIG. 12 is equipped with an observation optical system equipped with an image processing device and an XYZ linear translator. Pulsed solid-state laser oscillator Schematic configuration diagram of a green sheet drilling device of the present invention equipped with these control devices
FIG. 13 is an imaging optical system used for conventional green sheet drilling processing.
FIG. 14 is a diagram showing a correlation between a laser irradiation range and a mask hole shape in an imaging optical system using a conventional mask.
[Explanation of symbols]
1. Pulsed solid-state laser oscillator ,
2. Field lens
3. Total reflection mirror
4). Imaging lens
5. Green sheet
6). Fine movement stage
7-1. CCD camera
7-2. Relay lens
8). Power monitor
9. XY stage
10. Image processing device
11. XYZ linear translator
12 Linear scale
13. XY stage controller
100. YAG rod
100-1. Partial transmission mirror coat
100-2. Total reflection mirror coat
100-3. Total reflection mirror coat
100-4. AR coat (partial reflection mirror coat)
100-5. YLF laser rod
101. Cooling heat sink
101-1. Cooling channel
102. indium
103. Coupling lens
104. Laser diode (LD)
105. Case
106. Peltier element
200. LD driver
201. Recorder
202. PIO
203. PC (personal computer)
210. Nonlinear crystal
500. Copper mask
501. Laser irradiation area
502. Mask hole (4 holes)

Claims

レーザ光を出射するレーザダイオードと当該レーザダイオードから出射されたレーザ光を入射する細径レーザロッドとを備えるパルス固体レーザ発振器と、
前記レーザダイオードと前記細径レーザロッドとの間に、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を前記細径レーザロッドへと導く結合手段と、
当該細径レーザロッドを通じて出射されたレーザ光が入射されるフィールドレンズと、
当該フィールドレンズを透過したレーザ光が入射される結像レンズと、
当該結像レンズを透過したレーザ光が照射されるグリーンシートを保持する載置台と、
前記パルス固体レーザ発振器を２個以上配置し、前記レーザダイオードの操作をそれぞれ独立に制御する機能を有する調整手段とを備え、
前記細径レーザロッドのレーザー光出射側端面でのレーザー光出射領域の直径が２ｍｍ以下であって、
前記レーザダイオードから発振されたレーザ光は前記細径レーザロッドに入射し、前記細径レーザロッド出射側端面が前記フィールドレンズと前記結像レンズとによって縮小結像されて前記グリーンシートへと照射されることを特徴とするグリーンシートの穴あけ加工装置。A pulsed solid-state laser oscillator comprising: a laser diode that emits laser light; and a small-diameter laser rod that receives laser light emitted from the laser diode;
A coupling means for guiding the laser beam emitted from the laser diode to the small-diameter laser rod between the laser diode and the small-diameter laser rod;
A field lens on which the laser beam emitted through the small-diameter laser rod is incident;
An imaging lens on which the laser beam transmitted through the field lens is incident;
A mounting table for holding a green sheet irradiated with laser light transmitted through the imaging lens;
Two or more pulsed solid state laser oscillators, and adjusting means having a function of independently controlling the operation of the laser diode ,
The diameter of the laser light emission region at the laser light emission side end face of the small diameter laser rod is 2 mm or less,
The laser light oscillated from the laser diode is incident on the small-diameter laser rod, and the end surface on the emission side of the small-diameter laser rod is reduced and imaged by the field lens and the imaging lens and irradiated onto the green sheet. A punching device for green sheets.

集光されてグリーンシートへと照射される前記レーザ光によって当該グリーンシートに孔径１００μｍ以下の穴を形成する請求項１に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。2. The green sheet drilling apparatus according to claim 1, wherein a hole having a hole diameter of 100 [mu] m or less is formed in the green sheet by the laser light that is condensed and applied to the green sheet.

前記レーザダイオードから出射されたレーザ光のパルス幅が１μｓから２００μｓである請求項１又は請求項２記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。 The green sheet drilling apparatus according to claim 1 or 2, wherein a pulse width of the laser light emitted from the laser diode is 1 µs to 200 µs.

前記パルス固体レーザ発振器の位置を調整する調整手段を備えた請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。The green sheet drilling apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising an adjusting unit that adjusts a position of the pulsed solid-state laser oscillator.

前記フィールドレンズと前記結像レンズの間に全反射ミラーを備えた請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。 The green sheet drilling device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a total reflection mirror between the field lens and the imaging lens .

前記パルス固体レーザ発振器が備える前記結合手段が両端に一対の結像レンズを備えた光ファイバーよりなる請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。The green sheet drilling apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the coupling means included in the pulse solid-state laser oscillator includes an optical fiber including a pair of imaging lenses at both ends.

前記パルス固体レーザ発振器が備える結合手段の形状は前記レーザダイオードのレーザダイオード励起光が入射される入射口よりも出射口の口径を小さくした請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。The green according to any one of claims 1 to 3, wherein the coupling means provided in the pulsed solid-state laser oscillator has a smaller exit aperture than an entrance to which laser diode excitation light of the laser diode is incident. Sheet punching device .

前記パルス固体レーザ発振器が備える細径レーザロッド出射口は、レーザダイオード励起光がほぼ１００％透過するコートが施されたレーザロッドの中心部分を含む一部の領域と、全反射ミラーコートが施された他部の領域とからなる請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。 The small-diameter laser rod exit provided in the pulsed solid-state laser oscillator is provided with a partial region including a central portion of a laser rod on which a coating that transmits almost 100% of laser diode excitation light is applied, and a total reflection mirror coating. The green sheet drilling apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the green sheet drilling apparatus comprises the other region.

前記パルス固体レーザ発振器と前記フィールドレンズとの間に非線形結晶を配置した請求項１から請求項３のいずれか一に記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。The green sheet drilling device according to any one of claims 1 to 3, wherein a nonlinear crystal is disposed between the pulse solid-state laser oscillator and the field lens.

グリーンシート表面を適当な光学的手段によって観察用のＣＣＤカメラ上に結像し、グリーンシート上の穴についての光学観測結果を分析して前記パルス固体レーザ発振器の位置を調整する調整手段を備えた請求項１記載のグリーンシートの穴あけ加工装置。The green sheet surface is imaged on a CCD camera for observation by appropriate optical means, and an adjusting means for adjusting the position of the pulsed solid-state laser oscillator by analyzing the optical observation result of the hole on the green sheet is provided. The green sheet drilling apparatus according to claim 1.