JP4682872B2 - レーザ加工における飛散物の除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を被加工物（以下、ワークという。）表面に照射して穴あけなどの加工をする際に発生する溶融飛散物や煙などの副次物を、加工領域から除去する装置に関する。

近年、従来に比べて簡単な方法により高多層化できる多層プリント基板として、ＰＡＬＡＰ（登録商標）が注目されている。この工法は、パターン加工した基板を積層して一度にプレス成形するものであり、その製造工程中に、片面に銅箔が張り合わされた基材と基材を被覆する保護シートからなる基板に有底ビアを形成し、該ビア内にプリント基板の層間接続材料としての金属ペーストを充填した後、基板を積層する工程がある。

上記の有底ビア加工は、基材と保護シートからなる組成の異なる２層の樹脂層にレーザ光を照射して樹脂を燃焼除去するものであるが、レーザ光が表層の保護シートを貫通する際に爆発的な沸騰によリ発生した多量の溶融樹脂の飛散物や煤などが、基板の保護シート表面に堆積し、次工程の金属ペースト充填時に、固化したパーティクルとなって有底ビアに入り込み、該ペースト内に混入することで接続信頼性を落とすなど、品質不良が発生することがある。

それを防止するため、金属ペーストを充填する前にワーク表面を洗浄して清浄化することが必要となるが、レーザ加工工程が基材と保護シートからなる２種類の組成の異なる樹脂を加工することから、飛散物は微細な溶融樹脂であり、保護シート表面に付着して固化すると洗浄では容易に除去できないといった問題があった。
また、１枚の基板でビアが数十万個もあるため、パーティクルが有底ビア内に落下する危険性も高く、落下した場合、ビア内部の回路部に付着し洗浄等では取り除く事が困難で、そのままビア内に残留すると導通抵抗が高いため回路接続不良につながる恐れもあった。
このように、上記基板の有底ビアのレーザ加工においてはパーティクルの除去が重要な問題であった。

また、レーザ加工は、上記の基板の加工に限らず他のワークの加工でも、加工に伴って、スパッタやパーティクルなどの溶融飛散物、ヒュームといわれる蒸気、煤、煙、燃焼ガスなどが発生する（なお、以上のようなレーザ加工に伴って発生する副次物を、以下、飛散物という。）。このため、これら加工にともなう飛散物を、加工区域やレーザ加工ヘッド周辺から除去する必要があった。

従来のレーザ加工機のこれらの飛散物に対する対応策として、例えば、特許文献１に示されているような、図４、５に示すものが知られている。
図４に示されたものは、レーザ加工領域近傍に流体ノズル２２と排気ダクト２３を設け、レーザ加工領域への流体の噴出とその吸引とを同時に行うことで、レーザ加工に伴って発生する粉塵がワーク２４の表面に付着するのを防止するものあるが、その効果は、流体が噴出される狭い領域に限られ、広く飛散する粉塵に対しては、十分な効果が期待できないものであった。

また図５に示されるものは図４に示されたものを改良したもので、流体ノズルと排気ダクトとを防塵カバー２５で覆うことにより、防塵カバー内の限定された空間において流体の噴出とその吸引が行われ、レーザ加工に伴う粉塵がワーク表面に付着するのをより効果的に防止できるものである。

しかしながら、特に上記した基板の有底ビア加工のように、１つの加工領域中で短時間に多数の箇所のレーザ加工をする場合、多くの飛散物を広い範囲にわたって短時間に除去しなければならず、そのような場合などでは図５に示された装置でもその効果は十分ではなく、かつ、ブローノズルから噴出される流体の向きや広がりを変更しても、防塵カバー内の全ての領域から効果的に飛散物を除去することはできず、防塵カバーの大きさも制限されるものであった。

その他、レーザ加工ノズルの周囲に旋回流を生成させ、レーザ加工時にワークより発生する溶融物などをより効果的に除去するものが、特許文献２、３などで知られている。
しかし、それらのものは、前記ノズルと一体に、ガスフードを設け、集光レンズが前記溶融物などにより汚染されるのを防止するものであり、ワーク表面への溶融物などの付着防止に対しては、効果がなく、かつ、レーザ加工ノズルが大型化し、レーザ光による微細加工には適合しないものであった。
特開平１０−９９９７８号公報 特開２０００−１７６６７２号公報 特公昭５９−４５４７５号公報

本発明は、上記のごとき状況に鑑み、レーザ加工時の飛散物の除去を速やかに行うことができるとともに、たとえ、飛散物がワーク表面に付着しても、次工程の洗浄によって容易に除去することできる、レーザ加工における飛散物の除去装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
請求項１のレーザ加工における飛散物の除去装置の発明は、被加工物（３）の加工面上に配置され、上面にレーザ光（４）の通過する窓（９）を有するとともに円筒状の側面を有する排気フード（６）と、該排気フード（６）内に形成され、排気フード内の上部空間を、中心部の拡散室（１２）と外周部の排気室（１３）に区画するリング状のリブ（１１）と、該拡散室（１２）内に円周上に配置され、拡散室内に旋回流を形成する複数の流体ノズル（１５）と、リブ（１１）下方の空間にレーザ加工領域を取り囲むよう配置された複数の流体ノズル（１７）と、前記排気フード（６）の側面に設けられ、前記排気室（１３）に連通する排気ダクト（１８）とよりなることを特徴とする。
この発明によれば、簡単な装置の構成により、被加工物の加工面上にレーザ加工領域に向かう高速な下部気流を形成すると同時に、その上部に高速な上部旋回流を形成し、下部気流によって、レーザ加工によって発生した飛散物を冷却固化して、レーザ加工領域の周辺部に除去するとともに、上部旋回流の減圧効果によって前記飛散物を上昇させてレーザ加工領域の周辺部に拡散させることにより、前記飛散物をレーザ加工領域から高速に除去することが可能となる。

また、高速な下部気流と上部旋回流の作用により、レーザ加工によって発生する溶融樹脂などの多くの飛散物を広い範囲にわたって短時間に除去することができるので、レーザ光によるプリント基板の有底ビア加工に本発明を適用した場合、飛散物の除去を確実に行うことができ、基板の品質を高めることが可能となる。また、その際に、加工領域から除去できず、ビア内に飛散物が落下した場合でも、下部気流の冷却効果によって飛散物は固化しており、基板に溶着することがないため、次工程の洗浄によって容易に除去することが可能となる。
さらに、従来の飛散物の除去装置では、ワーク表面で発生する燃焼煙を排気することが困難であり、このため、例えば深穴加工をする場合など、燃焼煙でレーザ出力が拡散し高速加工が困難であったが、本発明によれば、ワーク表面に燃焼煙が滞留することも防止できるため、レーザ出力を有効に利用でき、そのような場合でも高速加工が可能となる。

請求項２の飛散物の除去装置の発明は、該請求項に記載されているように、さらに、前記流体ノズル（１５）は、噴射方向が下向きに角度をつけて設定されているとともに、前記リブ（１１）は、下方に向かって拡散室が広がるように傾斜しているようにしたことを特徴とする。
この発明によれば、拡散室の中心部から排気室に向かう高速な気流の流れを形成することができ、請求項１の発明の効果をさらに高めることができる。

請求項３の飛散物の除去装置の発明は、該請求項に記載されているように、さらに、 前記排気フード（６）内に設けられた前記リブ（１１）の下方に、中央部にレーザ光を通過させる開口（１０）を有する中間プレート（８）を、前記排気フード（６）の側面と間隔（１９）を置いて設置し、前記リブ（１１）下方の空間に配置された流体ノズル（１７）は、該中間プレート（８）に支持されているようにしたことを特徴とする。
この発明によれば、上方に飛散した飛散物を拡散室から確実に排気室へ排出できるとともに、流体ノズル（１７）の取り付けを容易に行うことができる。

請求項４の飛散物の除去装置の発明は、該請求項に記載されているように、さらに、前記排気ダクト（１８）を、前記旋回流の進行方向に平行に前記排気フード（６）の接線方向に設けたことを特徴とする。
この発明によれば、排気フード内に排気室に向かう高速な気流の流れを形成することができ、飛散物の除去をより効果的に行うことが可能となる。
なお、装置の発明に係る請求項の上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施の形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明者らは、上記のように、ワークとして樹脂を被覆した基板をレーザ加工する場合、発生する飛散物が溶融状態で基板表面に落下することで基板に堅固に溶着することに着目し、まず、それを防止するための手段について検討した。
その結果、加工範囲内のワーク表層に高速気流を作り出し、発生した飛散物を強制冷却して固化させ、さらに、この高速気流によって、固化して球状になった粒子と同時に発生する加工煙とを合わせて排気することが有効であるとの知見を得た。

また、基材と保護シートの２層を張り合わせた基板は、基材と保護シートの界面に保護シートの粘着層が存在し、レーザ加工時に粘着層に含まれる溶剤が沸騰し、溶融した保護シートの樹脂が爆発的に飛散する。そのような飛散物に対して、高速で旋回する気流を形成し、その減圧効果によって飛散物を上昇拡散させ、拡散した飛散物を高速除去するようにすれば、ワーク表層の高速気流と合わせてさらに効果的に飛散物を除去できるのではないかと考え、本発明に到達した。

以下に本発明の飛散物の除去方法とその方法を実施するための装置に関する一実施の形態を、図１〜３を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の飛散物の除去装置１を用いてレーザ加工テーブル２上のワーク３を加工中の状態を示す図であり、基材３−２の片面に回路を形成するための銅箔３−１が、他面に保護シート３−３がそれぞれ積層された多層プリント基板用の基板をワーク３として、基材と保護シートよりなる２層の樹脂層にレーザ光４により有底ビア５を形成する場合を図示している。また、図２は、図１の本発明の飛散物の除去装置１のＡ−Ａ面における矢視図であり、図３は同様にＢ−Ｂ面における矢視図である。

図において、６は、レーザ加工機７とワーク３の加工面の間に配置された排気フードであり、上面部と側面部よりなる高さの低い有底円筒状の外形をしており、例えばレーザ加工機のフレームにプラケットを介して取り付けられている。該排気フード６内部には、排気フード内の空間を上下に区画する中間プレート８が、排気フードとの間に隙間１９を設けて配設されている。この中間プレート８は、例えば排気フード６の上面部より支柱により吊り下げられるなどの手段によって排気フードに支持されている。
排気フード６の上部中央には、レーザ加工範囲に合わせた四角形の加工窓９があけられており、また、中間プレート８の中央にも同形状の開口１０が設けてあり、排気フード６は全体としてドーナツ形状に構成されている。

排気フード６の上面部下面には、リング状のリブ１１が下に向かって内側が広がるように傾斜して形成されており、排気フード６の上部側の空間は該リブ１１によって、拡散室１２と排気室１３とに分割されている。また、リブ１１の下端と中間プレート８との間には間隔１４が形成されており、拡散室１２からの気流が排気室１３に流入できるようになっている。

拡散室１２に面する排気フード６の上面には、リブ１１に近接する円周上に、図２に示されるように４本の上部側の流体ノズル１５が、噴射方向を内向きにして設置されており、それぞれのノズルには、図示していない高圧エアーの発生装置から配管１６を介して高圧エアーが供給されるようになっている。

各流体ノズル１５は、リブ１１の中心から角度を付けた方向で、下向きにも角度を付けた方向に高速エアー２０を噴出するように設定されており、各ノズル１５から噴射された下向きの高速エアー２０は、円形のリブ１１の内壁に当たって向きを変え、高速に旋回する気流を作り出す。
このとき、リブ１１が下方に向かって傾斜していると、旋回流はより一層高速な下向き旋回流となり、その減圧効果によってレーザ加工によって発生した飛散物を上昇させ、拡散室１２に捕捉された飛散物を速やかに間隔１４から、排気室１３に流入させることができるようになっている。

また、下向き旋回流は、排気フード外から加工窓９を通って拡散室１２に至る気流も形成するから、飛散物が加工窓９を通ってレーザ加工機７側に付着するのを防止することができる。
さらに、深穴加工をする場合など、燃焼煙がワーク表面や穴内に滞留し、レーザ出力が拡散して高速加工が困難な場合があったが、上記のような旋回流による減圧効果によって、燃焼煙を拡散室に吸引することができ、燃焼煙でレーザ出力が拡散するのを防止して、高速加工を可能にすることができる。

中間プレート８の下面にも、図３に示されるように４本の下部側の流体ノズル１７がレーザ加工領域を取り囲むように、内向きに、同様に噴出角度を設けて設置されており、各ノズル１７から噴射された高速エアー２１は、ワーク３の加工面上にレーザ加工領域に向かう高速な下部気流を形成する。これにより、レーザ加工によって発生した加工面上の溶融飛散物を冷却固化して、レーザ加工領域から除去して排気フード６と中間プレート８の間の間隔１９から排気室１３に流入できるようになっている。

また、このとき、流体ノズル１７から噴出するエアーの向きや強さを調節して、エアーが円形の排気フードの壁に当たって旋回流を形成するようにすることもできる。
なお、図では、流体ノズル１５および１７をいずれも４本用いる例を示したが、個数はそれに限定されるものではなく、加工に伴う飛散物の量や排気フードの大きさなどに応じて適当な数に選択できる。

排気室１３には、図２に示すように排気フードの偏心した位置に排気ダクト１８が設けてあり、図示していない排気装置によって排気室内が排気される。排気ダクト１８の向きは、旋回流の進行方向に沿うように排気フードの接線方向に設けられるのが好ましい。
これにより、上部側の流体ノズル１５から噴射されたエアーや、加工窓９および下部空間を通して拡散室１２に流入する気流が、リブ１１と中間プレート８の隙間１４を通って排気室１３に流入し、排気ダクト１８から排気装置によって排気されるとともに、下部側の流体ノズル１７から噴射されたエアーや排気フード外周から流入する気流が、排気フード６と中間プレート８の間に形成されている隙間１９から排気室１３に流入し、同様に排気されるようになっている。

以上のような本発明の実施の形態によれば、下部側の流体ノズル１７が噴射する高速エアー２１によってワーク３の表面が冷却されるため、レーザ加工によって飛散した樹脂などの溶融物は急速に固化して球状化し、一部の樹脂は、ワーク表面に付着することなく排気フード６と中間プレート８の隙間１９から排気室１３に吸引され、排気ダクト１８より外部に排気される。また、拡散室１２では、上部側の流体ノズル１５が噴射する高速エアー２０によって上記のように下向きの高速旋回流が形成され、さらに、拡散室１２からリブ１１と中間プレート８の隙間１４を通って排気室１３に流れる気流と前記下向き旋回流とが重なることにより、ワーク面より高く飛散した溶融樹脂と燃焼煙は速やかに排気室１３に吸引されて、旋回方向と平行に排気ダクト１８より外部に排気される。

次に、上記の飛散物の除去装置を用いて、ワークに有底ビア加工を行った例を示す。
まず、６０ｍｍ四方の加工窓を有する本発明の排気フードを用意し、加工テーブル上のワーク上に３ｍｍの隙間を保って設置した。なお、ワークとしては、基材と保護シートの２層の樹脂層を有する基板を用いた。そして、排気装置によって排気フード内を排気状態にした後、各ノズルにエアーを０．２ＭＰａ加えてワーク表面と拡散室に旋回流を発生させた。

この状態でレーザ光をワーク上に照射し、ワークの５０ｍｍ四方の範囲に１万個の有底ビアの加工を行った。そして、加工テーブルを移動させて、ワークを次の加工エリアに移動し、全加工領域に対し順次レーザ加工を行った。
全加工領域に対するレーザ加工が終了した後、各ノズルへのエアー供給を停止し、排気装置を止め、ワークを加工テーブルから取り外した。
加工済みのワークを観察したところ、ワーク表面上には強固に付着した溶融飛散物は認められず、本発明の方法および装置の有効性が確認された。

以上の説明では、レーザ加工の対象となるワークとして、図１に示された基材と保護シートの２層の樹脂層を有する基板を例にとって説明したが、本発明の飛散物の除去方法および装置は、そのようなワークのレーザ加工に限定されるものではない。また、中間プレート８を用いる例を示したが、飛散物の量が多量でない場合などでは、必ずしも用いなくてもよい。その場合には、中間プレートの支持構造を用いて下部側の流体ノズル１７を支持させてもよい。
以上説明した実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

本発明の飛散物の除去装置を用いたレーザ加工を説明する図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 図１のＢ−Ｂ矢視図である。 従来例を説明する図である。 従来例を説明する図である。

符号の説明

１ 飛散物の除去装置
２ 加工テーブル
３ ワーク（被加工物）
４ レーザ光
５ 有底ビア
６ 排気フード
７ レーザ加工機
８ 中間プレート
９ 加工窓
１０ 中間プレートの開口
１１ リング状のリブ
１２ 拡散室
１３ 排気室
１４ 中間プレートとリブとの隙間
１５ 上部側の流体ノズル
１６ 高圧エアーの配管
１７ 下部側の流体ノズル
１８ 排気ダクト
１９ 排気フードと中間プレートとの隙間
２０、２１ ノズルから噴出された高速エアー

Claims (4)

1. 被加工物（３）の加工面上に配置され、上面にレーザ光（４）の通過する窓（９）を有するとともに円筒状の側面を有する排気フード（６）と、該排気フード（６）内に形成され、排気フード内の上部空間を、中心部の拡散室（１２）と外周部の排気室（１３）に区画するリング状のリブ（１１）と、該拡散室（１２）内に円周上に配置され、拡散室内に旋回流を形成する複数の流体ノズル（１５）と、リブ（１１）下方の空間にレーザ加工領域を取り囲むよう配置された複数の流体ノズル（１７）と、前記排気フード（６）の側面に設けられ、前記排気室（１３）に連通する排気ダクト（１８）とよりなることを特徴とするレーザ加工における飛散物の除去装置。
2. 前記拡散室（１２）に設けられた流体ノズル（１５）は、噴射方向が下向きに角度をつけて設定されているとともに、前記リブ（１１）は、下方に向かって拡散室（１２）が広がるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工における飛散物の除去装置。
3. 前記排気フード（６）内に設けられた前記リブ（１１）の下方に、中央部にレーザ光を通過させる開口（１０）を有する中間プレート（８）を、前記排気フード（６）の側面と間隔（１９）を置いて設置し、前記リブ（１１）下方の空間に配置された流体ノズル（１７）は、該中間プレート（８）に支持されてい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における飛散物の除去装置。
4. 前記排気ダクト（１８）を、前記旋回流の進行方向に平行に前記排気フード（６）の接線方向に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工における飛散物の除去装置。

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