JP4527003B2

JP4527003B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP4527003B2
Application number: JP2005151468A
Authority: JP
Inventors: 伸典小西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: JP2006326618A

Description

本発明は、レーザビームによって多層基板の加工を行うレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置は、Ｑスイッチパルスレーザ等によって被加工物を加工している。Ｑスイッチパルスレーザは、Ｑスイッチパルスレーザ発振器のＱ値を所定時間だけ下げることによってエネルギーを蓄積し、所定のタイミングでＱスイッチパルスレーザ発振器のＱ値を急激に高めてレーザ発振を開始する。これにより、レーザー媒質に蓄えられていたエネルギーを大きなパルスエネルギーとして一気に放出している。このような、Ｑスイッチパルスレーザ等を備えたレーザ加工装置においては、Ｑスイッチパルスレーザ発振器のビーム出力を安定させ、短時間で精度よく被加工物を加工することが望まれる。

ところで、レーザ加工装置が加工する被加工物として、例えば導体層と絶縁層を積層した多層プリント基板等がある。このような多層プリント基板等をＱスイッチパルスレーザで加工する場合、被加工物（多層プリント基板）の層毎にたとえ厚みが変わっても、パルス数を制御することによって良好な加工が可能となる。また、多層構造の被加工物をＱスイッチパルスレーザ等によってレーザ加工する方法として、Ｑスイッチのパルスエネルギー等を制御しながら被加工物を加工する方法がある。

特許文献１に記載のＱスイッチレーザによる穴あけ加工方法は、発振器内部のＱスイッチの周波数が変化するとパルスエネルギーが変化することを利用し、Ｑスイッチの周波数を次第に高くすることで、パルスエネルギーを次第に小さくするスイープ処理を行い、多層プリント基板へのブラインドホールの穴あけ時に、内層の銅にダメージを与えることなく加工時間を短縮している。

特開２０００−２０２６６８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば発振器内部に設けられたＱスイッチの周波数を変化させるため、発振器内部の励起状態が不安定となり、パルスの安定性が悪化する。例えば、発振器に波長変換素子を用いる場合、波長変換素子の熱負荷が変化してパルスの安定性が悪化する。これにより、パルスエネルギーが不安定となり、パルスエネルギーの変化を所望のスロープ形状とすることができないといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短時間で精度よく被加工物を加工することが可能なレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の膜層および前記第１の膜層の積層方向の下層側に配置される第２の膜層を有する被加工物を、前記第１の膜層の積層方向の上層側からレーザ加工するレーザ加工装置において、予め設定された固定の周波数でパルスレーザビームを出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から出力されるパルスレーザビームの光路上に配置されて、前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御するエネルギー制御部と、を備え、前記エネルギー制御部は、前記被加工物を加工する際、前記第１の膜層および前記第２の膜層の加工閾値より大きい加工閾値の第１のビームエネルギーで前記被加工物のレーザ加工を開始するよう前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御するとともに、前記第１の膜層を所定の深さ方向までレーザ加工した後、前記第１の膜層の加工閾値より大きい加工閾値であって、かつ前記第２の膜層の加工閾値より小さい加工閾値の第２のビームエネルギーで前記被加工物のレーザ加工を行うよう前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御し、かつ前記第１の膜層を所定の深さ方向までレーザ加工した後には、前記第１のビームエネルギーから前記第２のビームエネルギーへの変化が急峻な変化または緩やかな変化となるよう、前記第１の膜層のエッチングレートに応じた変化率で前記第１のビームエネルギーを前記第２のビームエネルギーへ段階的に減少させることを特徴とする。

この発明によれば、ビームエネルギーを変化させながら被加工物の第１の膜層を加工するので、短時間で精度よく被加工物を加工することが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成を示す構成図であり、図２は、図１に示すレーザ加工装置のレーザ発振器の構成を示す構成図である。レーザ加工装置１０１は、Ｑスイッチパルスレーザ等によって被加工物（後述する加工ワーク１１）を加工する装置である。ここでは、レーザ加工装置１０１に加工される被加工物が、絶縁層（エポキシ樹脂等）や導体層（銅等）を含む多層構造のプリント基板等である場合について説明する。なお、ここでの絶縁層が特許請求の範囲に記載の第１の膜層に対応し、導体層が第２の膜層に対応する。

レーザ加工装置１０１は、発振器制御部２１、シャッター制御部２２、レーザ発振器（以下、発振器という）１０、シャッター１２、コリメーションユニット１３、マスク１４、折り返しミラー１８、ガルバノスキャンミラー１５、ｆθレンズ１６、ガルバノスキャン制御部２０、ＸＹテーブル１７からなる。なお、ここでの発振器１０が特許請求の範囲に記載のレーザ発振部に対応し、シャッター制御部２２、シャッター１２が特許請求の範囲に記載のエネルギー制御部に対応する。

発振器制御部２１は発振器１０を制御し、シャッター制御部２２は、シャッター１２を制御する。発振器（ＱスイッチパルスＵＶレーザ発振器）１０は、発振器制御部２１の制御によって所定のレーザビーム７（レーザパルスビーム）を出力する。

シャッター１２は、シャッター制御部２２によって制御される。シャッター１２は、エネルギーを調整する手段である音響光学素子等を備え、発振器１０から入力されるレーザビーム７を回折させて出力する。コリメーションユニット１３は、レーザビーム７の光路内に設置され、入力したレーザビーム７を所定のビーム径に変化させる。

マスク１４は、レーザビーム７の光路内に設置され、レーザビーム７のビームプロファイルを整形する。マスク１４は、シャッター１２から入射される０次光のみを透過させ、シャッター１２からの回折光を遮断する。折り返しミラー１８は、レーザビーム７を反射し、レーザビーム７を所定の方向に折り返す。

ガルバノスキャンミラー１５は、所定の加工点にレーザビーム７が照射されるようガルバノスキャン制御部２０によって位置決めされる。ｆθレンズ１６は、レーザビーム７を集光して加工ワーク１１の加工点に照射する。ガルバノスキャン制御部２０は、ガルバノスキャンミラー１５を制御する。

加工ワーク１１は、例えば絶縁層が積層方向の上層側に配置され、その下層側に導体層が配置するよう載置される。すなわち、本実施の形態１では、レーザ加工装置１０１が、まず絶縁層を加工し、その後導体層を加工する。ＸＹテーブル１７は、加工ワーク１１を固定するとともに、レーザビーム７の照射方向と垂直な方向（Ｘ軸、Ｙ軸の２次元平面）を自在に移動する。

ここで、発振器１０の詳細な構成について説明する。図２に示すように、発振器１０は、レーザ媒質１、レーザダイオード２、Ｑスイッチ３、波長変換素子を搭載した波長変換ユニット４、部分反射鏡５、全反射鏡６からなる。

レーザ媒質１は、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）、ＹＶＯ４（Yttrium Vanadium tera Oxide）等の結晶を備えて構成されている。レーザ媒質１は、レーザダイオード２によって励起され、レーザビーム７を出力する。

レーザダイオード２は、レーザ媒質１を連続的に励起する。Ｑスイッチ３は、数十ｋＨｚ以上の高周波数でＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことによってレーザビーム７をパルス発振させる。

波長変換素子を搭載した波長変換ユニット４は、レーザビーム７を２倍高調波、３倍高調波、４倍高調波へと変換させ、ＵＶ（Ultra Violet）光として発振器１０から出力する。波長変換ユニット４には例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６０１０）等の結晶を有する素子をが用いられる。部分反射鏡５は、励起光のみを透過させ、レーザ光を全反射させる。全反射鏡６は、励起光とレーザ光を全反射させる。

つぎに、レーザ加工装置１０１の動作手順を説明する。発振器１０は、レーザダイオード２によってレーザ媒質１を連続的に励起させる。励起されたレーザ光はレーザビーム７として出射される。Ｑスイッチ３は、数十ｋＨｚ以上の高周波数（予め設定した固定の周波数）でＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことによってレーザビーム７をパルス発振している。すなわち、本実施の形態１においては、発振器１０よりパルス発振されるレーザビーム７は、繰り返し周波数、パルス幅、パルスピークが一定であり、シャッター１２によってビームエネルギーの強度を変化させる。これにより、発振器１０内における共振器内部の励起状態、波長変換ユニット４への熱負荷状態などを一定に保つことができ、安定したレーザパルスビームが発振器１０からパルス発振される。

このとき、全反射鏡６は、励起光とレーザ光を全反射させている。また、部分反射鏡５は、励起光のみを透過させ、レーザ光を全反射させている。これにより、部分反射鏡５と全反射鏡６の間の励起光が部分反射鏡５から出力する。部分反射鏡５を透過したレーザビーム７は、波長変換ユニット４によって２倍高調波、３倍高調波、４倍高調波へと変換され、ＵＶ光として発振器１０から出力される。

発振器１０からパルス発振されたレーザビーム７は、複数の折り返しミラー１８を介して光路内を伝搬していく。すなわち、発振器１０から出力されたレーザビーム７は、まず音響光学素子等を備えたシャッター１２を通過することによってエネルギーが変化する。

このとき、シャッター１２は、シャッター制御部２２からの指令電圧に基づいて、入射したレーザビーム７の回折効率を制御し、出射する０次光（後述する０次光Ｌ０）のビームエネルギー強度を変化させる。このシャッター１２によるビームエネルギー強度の制御は、加工ワーク１１の加工深さ位置（絶縁層、絶縁層と導体層の境界、導体層等）に応じて、変化させる。

次に、シャッター１２を通過したレーザビーム７は、光路内に設置されたコリメーションユニット１３によってビーム径を変化させる。コリメーションユニット１３を通過したレーザビーム７は、複数の折り返しミラー１８を介してマスク１４に入射され、マスク１４によってビームプロファイルが整形される。

また、加工穴の大きさは、マスク１４のビームを切り出すマスクホールの穴径を変化させることによって制御する。なお、コリメーションユニット１３によって、マスク１４を透過するレーザビーム７のエネルギーを調整し、レーザビーム７のエネルギーの初期値等を設定してもよい。

マスク１４で整形されたレーザビーム７は、複数の折り返しミラー１８を介してガルバノスキャンミラー１５に入射される。ガルバノスキャンミラー１５を透過したレーザビーム７は、ｆθレンズ１６によって集光される。

ここでの、ガルバノスキャンミラー１５は、ガルバノスキャン制御部２０によって制御される。すなわち、ガルバノスキャンミラー１５は、所定の加工点にレーザビーム７が照射されるようガルバノスキャン制御部２０によって位置決めされた後、ＸＹテーブル１７に固定された加工ワーク１１にレーザビーム７を照射し加工穴を形成する。

加工ワーク１１にブラインドホールを形成する場合、ガルバノスキャンミラー１５が加工点に位置決めされた後、発振器制御部２１は、発振器１０内部のＱスイッチ３が加工に必要なパルス数、パルス幅、パルス間隔に従ってＯＮ・ＯＦＦを繰り返すように発振器１０を制御する。

これにより、所望のパルスレーザビーム７が加工ワーク１１に対して照射され、被加工物にブラインドホールが形成される。この後、Ｑスイッチ３がＯＮの状態となってレーザビーム７が遮断され、ガルバノスキャンミラー１５が次の加工対象点に向けて位置決めされる。これらの動作を繰り返すことによって、ガルバノスキャンミラー１５がスキャンできる範囲内全域にわたりブラインドホール加工を行っていく。

つぎに、レーザビーム７の出力制御手順を説明する。発振器１０から出力されたレーザビーム７はシャッター１２へ入射する。シャッター１２は、シャッター制御部２２からの指令電圧に基づいて、入射したレーザビーム７の回折効率を制御し、出射する０次光（後述する０次光Ｌ０）のビームエネルギー強度を変化させる。

すなわち、ブラインドホール加工時には、レーザビーム７の照射指令としてシャッター制御部２２からシャッター１２に電圧指令（電圧を制御するための指示情報）が入力される。この電圧指令に基づいて、シャッター１２がレーザビーム７の回折効率を変化させ、加工ワーク１１に照射されるレーザビーム７の１パルスエネルギー（ビームエネルギー）を変化させる。

まず、１パルスあたりのレーザビーム７のエネルギー量（１パルスエネルギー）と、絶縁層材の一例として使用されるエポキシ系樹脂（以下、樹脂という）に対するエッチングレート（１パルスあたりの樹脂除去量）との関係を説明する。

図３は、１パルスエネルギーとエッチングレートの関係の一例を示す図である。１パルスエネルギーが樹脂加工閾値（加工を行うために必要なビーム強度の下限値）を超えると樹脂の除去を行うことが可能となる。また、１パルスエネルギーが大きくなると、樹脂深さ方向への入熱量が増すことによって樹脂の分解作用が進行するため、樹脂の除去量は増えていく。すなわち、１パルスエネルギーが大きくなると、１パルスで加工される樹脂の加工深さの値が大きくなる。

従って、１パルスエネルギーを高く設定すれば加工時間の短縮は可能となるが、導体層材料の加工閾値Ｅｃを越えると導体層に溶融等のダメージが入ってしまい、加工後のメッキ工程で導通不良の原因となってしまう。このため絶縁層の加工閾値Ｅｉ、導体層の加工閾値Ｅｃを越える１パルスエネルギーの設定は、絶縁層部分のみを除去する加工深さ位置（導体層まで達しない加工深さ位置）までとする。

絶縁層の加工深さ位置の設定は、図３に示す１パルスエネルギーとエッチングレートの関係等に基づいた設定を、シャッター制御部２２や発振器制御部２３にしておくことによって行う。そして、所定の深さ位置まで絶縁層を加工したか否かの判断は、加工時のパルス数をカウントすることによって判断する。

ここで、シャッター１２によるレーザビーム７の１パルスエネルギーの制御の概念を説明する。本実施の形態１におけるシャッター１２は、音響光学素子を備えており、音響光学素子によってレーザビーム７を回折させる。

図４は、音響光学素子によるレーザビームの回折を説明するための図である。音響光学素子は、シャッター制御部２２と接続された圧電素子３０、石英３２を備えている。圧電素子３０は、シャッター制御部２２からの指令電圧に対応する電圧が印加されると、この印加電圧に対応する超音波３１を出射する。

音響光学素子内において、圧電素子３０から出射される超音波３１を石英３２中に発生させると、光弾性効果によって石英３２中に周期的な屈折率の変化が生じる。この周期的な屈折率の変化が回折格子として作用しレーザビーム７の回折現象が生じる。

例えば、音響光学素子に入力されたレーザビーム７は、回折する０次光Ｌ０、１次回折光Ｌ１、２次回折光Ｌ２等に分光される。分光される回折光の強度は、石英３２（媒体）中の超音波パワーに依存する。すなわち、分光される回折光の強度は、シャッター制御部２２から圧電素子３０へ供給される電気信号の電圧に依存する。

シャッター制御部２２から圧電素子３０への印加電圧が０Ｖのときには、レーザビーム７の回折効率は０％（回折現象が発生しない）となり、音響光学素子へ入射するエネルギー強度と音響光学素子を通過した後の０次光Ｌ０のエネルギー強度は同じになる。

シャッター制御部２２から圧電素子３０への印加電圧が増加するにしたがって、回折効率が高くなり回折するレーザビーム７（１次回折光Ｌ１、２次回折光Ｌ２等）のエネルギー強度が増加していくため、０次光Ｌ０のビーム強度が減少していく。このように、音響光学素子へ供給する電圧の大きさを変化させるよう制御することによって、０次光Ｌ０（加工に作用するレーザビーム７）の強度を制御することが可能となる。

図５は、ビームシャッターへの指令電圧と回折効率の関係を示す図である。シャッター１２は、シャッター１２への指令電圧が０Ｖのとき音響光学素子の回折効率が０％となる。このため、シャッター１２への指令電圧が０Ｖのとき、シャッター１２へ入射するレーザビーム７のエネルギーと出射されるエネルギー（０次光Ｌ０の成分のエネルギー）は等しくなる。

シャッター１２への指令電圧が０Ｖから上昇するに従って、音響光学素子の回折効率は０％から上昇する。そして、シャッター１２への指令電圧が所定値に到達すると、音響光学素子の回折効率が最大となる。さらに指令電圧が上昇すると、指令電圧の上昇にしたがって、音響光学素子の回折効率は最大値から下降する。

ここでは、シャッター１２への指令電圧が約５Ｖに達すると回折効率が最大となる場合を示している。すなわち、ここではシャッター１２への指令電圧が約５Ｖに達すると、０次光成分のエネルギーは最小値となる。ここでは、回折効率は最大で約９０％までに到るが、その時点でも約１０％のエネルギーが０次光成分（０次光Ｌ０の光成分）に残ってしまう。なお、このような場合であっても、通常は絶縁層材料及び導体層材料の加工閾値以下のビームエネルギーとなるため、加工品質への影響は無視できる。

レーザビーム７の１０％のエネルギーであっても、加工品質に問題がある場合は、シャッター１２を２段以上備える構成としてもよい。この場合、１段目のシャッター１２で１０％のレーザビーム７が０次光成分に残るが、２段目のシャッター１２では、１段目のシャッター１２の０次光成分に対して１０％の０次光成分しか残らないこととなる。すなわち、シャッター１２を例えば２段備える場合、最初のレーザビーム７に対し１％の０次光Ｌ０しか残らないこととなる。

これにより、０次光Ｌ０のエネルギーを大幅に抑制可能となる。なお、０次光Ｌ０が最初のレーザビーム７に対し１％での場合であっても加工品質に問題があれば、更に多段（３段以上）のシャッター１２を設ければよい。

この後、０次光Ｌ０、１次回折光Ｌ１、２次回折光Ｌ２等は、レーザ加工装置１０１の光路内を同時に伝搬されていくが、１次回折光Ｌ１、２次回折光Ｌ２等の回折光は、マスク１４によって遮断される。そして、０次光Ｌ０のみがマスク１４のマスクホール部（図示せず）で整形され、ガルバノスキャンミラー１５、ｆθレンズ１６を介して加工ワーク１１の加工点に照射される。

図６は、シャッターに入力される電圧指令と加工ワークに照射されるレーザビームの１パルスエネルギー変化の関係を示す図である。同図において、横軸は加工ワーク１１の加工時間を示し、縦軸はシャッター制御部２２からシャッター１２に入力される指令電圧、加工ワーク１１に照射されるレーザビーム７の１パルスエネルギーを示している。

本実施の形態１においては、加工ワーク１１の加工開始時に、シャッター１２への指令電圧を例えば０Ｖに設定し、加工ワーク１１の絶縁層材料の加工閾値Ｅｉ及び導体層材料の加工閾値Ｅｃを越えるエッチングレートの高い１パルスエネルギー（以下、高エネルギーＥ１（第１のビームエネルギー）という）で加工する。

この後、加工ワーク１１の加工深さが、導体層付近に到達した時点（加工開始からτ１後）から、シャッター制御部２２は印加電圧傾き調整パラメータＳに従った電圧指令をシャッター１２に入力する。ここでの印加電圧傾き調整パラメータＳは１次関数でもよいし、２次以上の高次な関数でもよい。また、印加電圧傾き調整パラメータＳは指数関数等でもよい。

シャッター制御部２２によるシャッター１２への電圧指令の入力変化に伴い、加工ワーク１１に照射されるレーザビーム７の１パルスエネルギーのパルスピークが徐々に（段階的に）下がりながら加工ワーク１１の加工が進行する。そして、加工ワーク１１の加工深さが導体層に到達した時点では、導体層への加工閾値Ｅｃ以下の１パルスエネルギー（以下、低エネルギーＥ２（第２のビームエネルギー）という）になるよう、シャッター制御部２２はシャッター１２への指令電圧を調整する。

シャッター制御部２２からシャッター１２への指令電圧の波形は、加工ワーク１１のトータルの加工時間τｔ、電圧スロープ指令開始時間τ１（加工開始からτ１後）、最終電圧指令値Ｖｅ、印加電圧傾き調整パラメータＳなどに基づいて設定される。なお、印加電圧傾き調整パラメータＳは、絶縁層材料のビーム吸収率や厚さ、加工に使用するレーザビーム７のエネルギー密度、ピーク強度、パルスビームのＯＮ時間などを考慮に入れて設定する。

例えば、絶縁層（樹脂層）の厚さが厚くなるに従って加工時間τｔや電圧スロープ指令開始時間τ１は長くなり、絶縁層のエッチングレートが高くなるに従って加工時間τｔや電圧スロープ指令開始時間τ１は短くなる。なお、絶縁層のエッチングレートは、絶縁層のビーム吸収率、レーザビーム７のエネルギー密度、ピーク強度、パルスビームのＯＮ時間等によって変化する。

また、シャッター制御部２２によるシャッター１２への最終電圧指令値Ｖｅは、導体層の厚さによって変化させる。また、導体層がランドの場合、ランドの面積に基づいてシャッター制御部２２によるシャッター１２への最終電圧指令値Ｖｅを変化させる。すなわち、導体層の厚さが厚い場合やランドの面積が広い場合は、導体層の熱容量が大きくなるので、導体層の厚さが薄いものやランドの面積の狭いものに比べて高エネルギーレーザを照射しても導体層の温度の上昇率が低く、導体層の損傷が押さえられる。このため、導体層の厚さが厚い場合やランドの面積が広い場合は、シャッター制御部２２によるシャッター１２への最終電圧指令値Ｖｅを比較的低めに設定することが可能となる。

印加電圧傾き調整パラメータＳは、絶縁層のエッチングレートが高い場合（例えば、
高エネルギーＥ１が高い場合や、絶縁層のビーム吸収率が高い場合等）には緩やかな変化となるように設定され、絶縁層のエッチングレートが低い場合（例えば、低エネルギーＥ２が低い場合や、絶縁層のビーム吸収率が低い場合等）には急峻な変化となるように設定される。

絶縁層のエッチングレートが高い場合には、絶縁層の下層側に配置されている導体層を損傷しないよう、絶縁層の加工（高エネルギーＥ１での加工）を所定の余裕膜厚（少なくとも１パルスでエッチングされる厚さ以上の絶縁層膜厚）だけ残して完了する必要がある。このため、絶縁層のエッチングレートが高い場合には、絶縁層のエッチングレートが低い場合と比べて、高エネルギーＥ１による絶縁層の加工残りが多くなる。

絶縁層のエッチングレートが高い場合に、この後の加工を低エネルギーＥ２のレーザビーム７で実施すると、絶縁層の樹脂残りが多いため加工に長時間を要することとなる。このため、高エネルギーＥ１で加工ワーク１１を加工した後は、高エネルギーＥ１と低エネルギーＥ２の間のエネルギーのレーザビーム７で加工をすることによって、加工ワーク１１の加工時間を短縮することが可能となる。したがって、本実施の形態１においては、加工ワーク１１の加工の一例として、例えば高エネルギーＥ１から低エネルギーＥ２への変化を緩やかにする。

なお、絶縁層のエッチングレートが低い場合には、高エネルギーＥ１での加工完了後の樹脂残りは少ないので、高エネルギーＥ１から低エネルギーＥ２への変化を急峻に行っても加工時間への影響は小さい。このため、極端な場合、高エネルギーＥ１から低エネルギーＥ２への変化のスロープを設けず、高エネルギーＥ１から直ぐに低エネルギーＥ２にエネルギーを切り替えて加工を行ってもよい。

つぎに、従来のレーザ加工と本実施の形態１にかかるレーザ加工の効果の違いを明確にするため、ブラインドホール加工の実験結果の一例を説明する。図７は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置によるブラインドホール加工の実験結果の一例を説明するための図である。同図において、図面内左側のパルス（５０パルス）波形が従来のレーザ加工を示し、図面内右側のパルス（２５パルス）波形がレーザ加工装置１０１のレーザ加工を示している。

ここでは、導体層が９μｍ、絶縁層が４０μｍの加工ワーク１１に対して、１パルスエネルギーを一定にして加工した従来のブラインドホール加工と、レーザ加工装置１０１によって１パルスエネルギーを変化させながらブラインドホール加工を行った場合を示している。

発振器１０は、例えば波長３５５ｎｍの３倍高調波ＱスイッチパルスＵＶレーザ発振器を使用する。発振器１０から出力されたレーザビーム７はマスク１４で整形され、整形したレーザビーム７をｆθレンズ１６によって加工ワーク１１上に転写させ、ブラインドホール加工を実施する。

従来のブラインドホール加工は、絶縁層材料の加工閾値（約０．０１ｍＪ／パルス）以上であって導体層材料の加工閾値（約０．０５ｍＪ／パルス）以下の１パルスエネルギーである約０．０３ｍＪ／パルスを、加工ワーク１１の加工点で取り出せるようコリメーションユニット１３の位置を調整し、パルス周波数３０ｋＨｚ（一定）の状態で加工を実施した。その結果、従来のブラインドホール加工方法では、ブラインドホール形成に必要なパルス数は５０パルスを要した。

一方、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１０１によるブラインドホール加工は、まず約０．０８ｍＪ／パルスの１パルスエネルギーを加工点で取り出せるようコリメーションユニット１３の位置を調整した。そして、レーザビーム７の１パルスエネルギーが０．０８ｍＪで７パルス、０．０６ｍＪで１パルス、０．０５ｍＪで１パルス、０．０４ｍＪで１パルス、０．０３ｍＪで１５パルス取り出せるよう、シャッターへの指令電圧波形を設定し加工を実施した。その結果、合計２５パルスのパルス数で、従来の加工方法と同品質の加工品質が得られた。

なお、本実施の形態１においては、発振器１０に波長変換ユニット４を設けてＵＶレーザビーム７を出力する構成としたが、発振器１０から出力するレーザビーム７はＵＶレーザビームに限られない。すなわち、加工ワーク１１の加工穴の穴径や樹脂の材質に応じて、レーザ加工装置１０１が、波長変換ユニット４を用いない赤外レーザビームや可視レーザビームを出力する発振器１０を備える構成としてもよい。

また、本実施の形態１においては、レーザ加工装置１０１が加工ワーク１１にブラインドホールを加工する場合について説明したが、レーザ加工装置１０１による加工はブラインドホールに限られず、線状等の他の形状を加工してもよい。

また、本実施の形態１においては、レーザ加工装置１０１が絶縁層と導体層を含む加工ワーク１１を加工する場合について説明したが、レーザ加工装置１０１による加工は絶縁層と導体層を含む加工ワーク１１に限られない。すなわち、レーザ加工装置１０１は、エッチングレートの異なる複数層を含む加工ワーク１１であれば何れの加工ワーク１１も加工可能である。

このように、実施の形態１によれば、多層構造（導体層に絶縁層を積層したプリント基板等）を有した被加工物をレーザビーム７によって絶縁層等のみを除去するブラインドホール加工において、レーザビーム７のパルス周波数を変化させること無くレーザビーム７の１パルスエネルギーを任意にコントロールし加工を行うので、発振器１０内における共振器内部の励起状態を一定に保つことができる。これにより、Ｑスイッチパルスレーザ発振器（発振器１０）のビーム出力が安定し、高品質なブラインドホール加工を実現することが可能となる。また、発振器１０に波長変換ユニット４を用いているので、波長変換ユニット４への熱負荷状態を一定に保つことができ、さらにビーム出力の安定化を実現することが可能となる。また、被加工物を加工する際の１パルスエネルギーを変化させながらブラインドホール加工を行うので、短時間で精度よく被加工物を加工することが可能となる。

実施の形態２．
つぎに、図８〜図１２を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２ではレーザビーム７の光路上に非球面レンズ（後述する非球面レンズ４０）を配置し、レーザビーム７のビームモード形状をトップハット形状に成型して加工ワーク１１を加工する。

図８は、実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す構成図である。図８の各構成要素のうち図１に示すレーザ加工装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

レーザ加工装置１０２は、シャッター１２とコリメーションユニット１３の間に非球面レンズ４０が配置されている。これにより、発振器１０からパルス発振されたレーザビーム７はシャッター１２、非球面レンズ４０を介してコリメーションユニット１３に入力される。なお、ここでは、シャッター１２とコリメーションユニット１３の間に非球面レンズ４０が配置されている場合について説明するが、非球面レンズ４０は発振器１０とシャッター１２の間に配置する構成としてもよい。

発振器１０から出力されるレーザビーム７のビームモード形状（ビーム形状）は一般的にガウス分布形状を有しているが、非球面レンズ４０は、このビームモード形状をトップハット形状にするものである。これにより、発振器１０からパルス発振されたレーザビーム７はシャッター１２を通過することによってエネルギーが変化し、非球面レンズ４０を通過することによってビームモード形状がトップハット形状になる。以下、実施の形態１と同様の光路上をレーザビーム７が通過し、加工ワーク１１に到達する。

以下に、非球面レンズ４０によってレーザビーム７のビームモード形状をトップハット形状にすることの利点を説明する。図９は、発振器の発振周波数とレーザビームの出力特性の関係を説明するための図である。発振器１０（ＱスイッチパルスＵＶレーザ発振器）の発振周波数に対する出力特性（平均出力）は、発振器１０の出力特性が高周波領域になるにしたがって１パルスあたりのエネルギー（平均出力／発振周波数）が低下する特徴がある。

従来までのＱスイッチレーザによるレーザ加工では、この特性を利用してパルスエネルギーのスロープ制御を行っている。そのため、レーザ加工で使用できる発振周波数領域には制限があった。しかしながら、加工速度の向上のためには発振周波数を高める必要がある。

このような問題点を解消するため、本実施の形態２においては、高周波周波数で低平均出力（低エネルギー）の領域においても、マスク１４によって切り出すエネルギーの利用率（マスク後の出力／マスク前の出力）を高くする。これにより、高周波周波数で低平均出力の領域においても加工可能なエネルギーを得る。

図１０は、エネルギーの利用率とマスクを透過するレーザビームの関係を説明するための図である。同図においては、図面内左側に示すレーザビーム７とマスク１４０Ａがエネルギーの利用率が低い場合のレーザビーム７の形状（マスク１４０Ａを透過した後のビーム形状７０Ａ）を示し、図面内右側に示すレーザビーム７とマスク１４０Ｂがエネルギーの利用率が高い場合のレーザビーム７の形状（マスク１４０Ｂを透過した後のビーム形状７０Ｂ）を示している。なお、ここでのマスク１４０Ａ，１４０Ｂが図１に示すマスク１４に対応する。また、マスク１４の開口径は加工穴の径によって変化させるので、実際はコリメーションユニット１３によってマスク１４に入射するビーム径を変化させている。

図１０の右側に示すビーム形状７０Ｂのビームエネルギーは、図１０の左側に示すビーム形状７０Ａのビームエネルギーよりも高くなっている。しかしながら、エネルギー利用率が高くなると発振器１０から照射される元のビームモード形状の影響が出やすくなる。すなわち、マスク径が同じであってもマスク前のビーム径を小さくしマスク後のエネルギー利用率を上げた場合、マスク通過後のモードではガウス分布の影響が出てしまう。例えば、マスク１４０Ａ、マスク１４０Ｂのようにマスク径が同じであっても、マスク前のレーザビーム７１Ａのビーム径よりも、マスク前のレーザビーム７１Ｂのビーム径の方が小さくマスク後のエネルギー利用率が高い。このため、レーザビーム７１Ｂの方がレーザビーム７１Ａよりも、マスク通過後のモードではガウス分布の影響が出てしまう。換言すると、エネルギー利用率が高くなるとガウス分布形状のレーザビーム７０Ｂに近くなり、エネルギー利用率が低くなると勾配が急峻なトップハット形状のレーザビーム７０Ａが得られる。

図１１は、ビームモード形状と加工穴形状の関係を説明するための図である。ここでは、図１０に示したビーム形状７０Ａ，７０Ｂに対応する加工穴形状の一例を示している。
図１１の図面内右側に示すビーム形状７０Ｂのレーザビーム７による加工穴形状は、加工穴が導体層に達した時点で穴周辺に樹脂残りが多数存在している。一方、図１１の図面内左側に示すビーム形状７０Ａのレーザビーム７による加工穴形状は、加工穴が導体層に達した時点で穴周辺に樹脂残りはほとんど存在しない。

ビーム形状７０Ｂのレーザビーム７で加工した場合、加工穴形状は加工穴のテーパ率（トップ径に対するボトム径の比率）が低くなり、この状態で後のメッキ処理を施すと、穴底部分にメッキされにくくなり、メッキ信頼性の悪化につながってしまう。したがって、絶縁層加工後の加工穴底の面積を樹脂残りなく大きく開口する必要がある。このため、ブラインドホール加工を行う場合には、高エネルギーなトップハット形状のレーザビーム７（ビーム形状７０Ｂ）によって加工することが望ましい。

トップハット形状のレーザビーム７を得るには、マスク１４０Ａによってレーザビーム７の中央部分を切り出すことによって実現可能であるが、前述したようにレーザビーム７の利用率が低くなり、レーザビーム７のエネルギーロスとなる。

したがって、本実施の形態２においては、非球面レンズ４０によって、ビームモード形状を変換する。すなわち、非球面レンズ４０によってエネルギーロスが少なく、発振器１０から出力されたガウス分布形状のレーザビーム７と略同程度のエネルギーを有したトップハット形状のレーザビーム７を得る。

以下、同程度のエネルギーを有したガウス分布形状のレーザビーム７と、トップハット形状のレーザビーム７との加工処理を比較しながら説明する。ガウス分布形状のレーザビーム７（ビーム形状７０Ｂ等）で加工を行った場合、加工穴の中心部がいち早く除去され、高エネルギーＥ１でのパルス数が少ないにもかかわらず、加工穴が導体層に達してしまう。このときに加工穴の内部周辺には樹脂残りが多量に存在することとなる。そして、この後の加工は、加工穴が導体層に達しているので、樹脂残りが多量にあるにもかかわらず低エネルギーＥ２で加工を行わざるを得ず、多くのパルス数を要し結果的に加工時間が長くなる。

一方、トップハット形状のレーザビーム７（ビーム形状７０Ａ等）で加工を行った場合、加工穴の中心部と周辺部は略均等に除去されるので、高エネルギーＥ１での加工パルス数を多くすることができる。また、加工穴が導体層に達した際に、加工穴の内部周辺には樹脂残りが少ないので、低エネルギーＥ２での加工パルス数が少なくて済む。

ガウス分布形状のレーザビーム７とトップハット形状のレーザビーム７によって同じ加工を行う場合、加工に投入するエネルギーのトータル量はほぼ同じであるため、ガウス分布形状のレーザビーム７による加工に比べてトップハット形状のレーザビーム７の加工の場合は、高エネルギーＥ１のレーザビーム７のパルス数を増加できることとなる。したがって、ガウス分布形状のレーザビーム７による加工に比べてトップハット形状のレーザビーム７の加工の方がトータルのパルス数は少なくなり、加工時間が短くなる。

つぎに、従来のレーザ加工と本実施の形態２にかかるレーザ加工の効果の違いを明確にするため、実施の形態２にかかるブラインドホール加工の実験結果の一例を説明する。図１２は、実施の形態２にかかるレーザ加工装置によるブラインドホール加工の実験結果の一例を説明するための図である。ここでの、レーザ加工装置１０２によるブラインドホール加工は、実施の形態１で説明したレーザ加工装置１０１によるブラインドホール加工と同様の条件によって加工した結果の一例である。

ここでのレーザ加工装置１０２は、ビームモードがトップハット形状となるよう成型して加工を行っている。実施の形態１のレーザ加工装置１０１では、ブラインドホールの形成に２５パルスを要したが、レーザ加工装置１０２では１７パルスでレーザ加工装置１０１によるブラインドホールと略同品質の加工穴が得られた。

これは、ビームモードがトップハット形状になったことによって、実施の形態１のレーザ加工装置１０１に比べて、高エネルギーＥ１での加工パルス数が７パルスから９パルスに増加させることができたことと、低エネルギーＥ２での加工パルス数が１５パルスから５パルスへ減少させることができたことによるものである。

このように、実施の形態２によれば、非球面レンズ４０によってレーザビーム７のビームモード形状をトップハット形状にして加工ワーク１１を加工するので、実施の形態１のレーザ加工装置１０１による加工よりもさらに短時間で被加工物を加工することが可能となる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置は、多層基板の加工に適している。

実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成を示す構成図である。図１に示すレーザ加工装置のレーザ発振器の構成を示す構成図である。１パルスエネルギーとエッチングレートの関係の一例を示す図である。音響光学素子によるレーザビームの回折を説明するための図である。ビームシャッターへの指令電圧と回折効率の関係を示す図である。シャッターに入力される電圧指令と加工ワークに照射されるレーザビームの１パルスエネルギー変化の関係を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ加工装置によるブラインドホール加工の実験結果の一例を説明するための図である。実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す構成図である。発振器の発振周波数とレーザビームの出力特性の関係を説明するための図である。エネルギーの利用率とマスクを透過するレーザビームの関係を説明するための図である。ビームモード形状と加工穴形状の関係を説明するための図である。実施の形態２にかかるレーザ加工装置によるブラインドホール加工の実験結果の一例を説明するための図である。

符号の説明

１レーザ媒質
２レーザダイオード
３スイッチ
４波長変換ユニット
５部分反射鏡
６全反射鏡
７レーザビーム
１０発振器
１１加工ワーク
１２シャッター
１３コリメーションユニット
１４マスク
１５ガルバノスキャンミラー
１６ｆθレンズ
１７ＸＹテーブル
１８折り返しミラー
２０ガルバノスキャン制御部
２１発振器制御部
２２シャッター制御部
２３発振器制御部
３０圧電素子
３１超音波
３２石英
４０非球面レンズ
７０Ａ，７０Ｂビーム形状
１０１，１０２レーザ加工装置
１４０Ａ，１４０Ｂマスク
Ｌ００次光
Ｌ１１次回折光
Ｌ２２次回折光

Claims

第１の膜層および前記第１の膜層の積層方向の下層側に配置される第２の膜層を有する被加工物を、前記第１の膜層の積層方向の上層側からレーザ加工するレーザ加工装置において、
予め設定された固定の周波数でパルスレーザビームを出力するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から出力されるパルスレーザビームの光路上に配置されて、前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御するエネルギー制御部と、
を備え、
前記エネルギー制御部は、前記被加工物を加工する際、前記第１の膜層および前記第２の膜層の加工閾値より大きい加工閾値の第１のビームエネルギーで前記被加工物のレーザ加工を開始するよう前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御するとともに、前記第１の膜層を所定の深さ方向までレーザ加工した後、前記第１の膜層の加工閾値より大きい加工閾値であって、かつ前記第２の膜層の加工閾値より小さい加工閾値の第２のビームエネルギーで前記被加工物のレーザ加工を行うよう前記パルスレーザビームのビームエネルギーを制御し、
かつ前記第１の膜層を所定の深さ方向までレーザ加工した後には、前記第１のビームエネルギーから前記第２のビームエネルギーへの変化が急峻な変化または緩やかな変化となるよう、前記第１の膜層のエッチングレートに応じた変化率で前記第１のビームエネルギーを前記第２のビームエネルギーへ段階的に減少させることを特徴とするレーザ加工装置。
前記エネルギー制御部は、音響光学素子を備えたシャッターを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振部は、波長変換素子を備え、前記パルスレーザビームをＵＶレーザとして出力することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記パルスレーザビームは、トップハット形状からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
前記パルスレーザビームの光路中に配置される非球面レンズをさらに備え、
前記非球面レンズが前記パルスレーザビームをトップハット形状に形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。