JP5074026B2 - 担体から被覆層または塗装部をレーザにて除去する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、担体の被覆層または塗装部を該担体から除去する方法と装置とに関するもので、特に限定はしないが、たとえばスポット溶接、半田付け、圧着処理等の電気的接続を実行する前に事前に行う処理で、電気的担体である導線から絶縁塗装部すなわちエナメルメッキ等をレーザで除去することに関するものである。

レーザによるワイヤ・ストリッパを利用して、担体から被覆層または塗装部を除去する従来の方法は、外側から内側に向けて絶縁物を蒸発させることで実行していた。

本発明は、表面に物質からなる被覆層または塗装部を有する担体を取り扱い、少なくとも被覆層または塗装部を担体から局部的に除去する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様において、上記除去する方法は、
上記被覆層または塗装部と上記担体との間の界面または該界面の隣接部において、これらの間に相互作用を生じさせるように、レーザ放射のパルス状のビームを上記担体に向けるステップと、
前記被覆層または塗装部を局部的に担体から分離するように導くステップとを具備している。
前述のように、レーザによるワイヤ・ストリッパの従来の方法は、担体から被覆層または塗装部を除去するために、外側から内側に向けて絶縁物を蒸発させることで実行していた。これに対して、本発明の好ましい実施例においては、蒸発の技術に頼るよりはむしろ、局部的な分離を生じさせるような衝撃波等を発生させて上記担体と被覆層または塗装部との間にある界面での相互作用の効果を生じさせることによって、除去処理が実行される。

好ましくは、被覆層または塗装部は、上記レーザ放射の波長において、放射が実質的に透過することである。レーザ放射の典型的な波長は、おおよそ２００ｎｍから１２μｍの間で、好ましくはＮｄＹＡＧレーザによって生成することが可能である。使用するレーザは、好ましくは１ナノセカンドから３００ナノセカンドまでの典型的なパルス幅の短いパルスを発生できることが可能なＱスイッチレーザである。レーザによるパルス繰り返し周波数は、典型的には１ｋＨｚから３０ｋＨｚであり、またそれ以上の周波数も発生できる。

特定の実施例では、被覆層または塗装部は、ポリイミドまたはプラスチック材質のような誘電体が含まれる。担体は、典型的な例では銅または銅を含む材質からなる導電性であってよい。

好ましくは、上記レーザ放射のパルス状のビームは、界面で隣接している担体の表面をエッチングするかまたは清浄する効果がある。このことは、表面を被覆の無い状態にしておくことで特に次のプロセス処理にとって好適であり、たとえば金属酸化物を除去するのに有効である。

好ましくは、処理中のレーザ放射のパルス状のビームは、担体に対して一定方向のスキャンで移動して（逆方向時も同様にして）、かつ上記被覆層または塗装部の移動した範囲を除去するために、以下に示す少なくとも１つのパラメータを制御することになる。以下に示すパラメータには、
スキャンレートと、
レーザのピークパワーと、
レーザのパルス繰り返し周波数と、
スポットサイズと、が含まれる。

好ましくは、上記レーザ放射のパルス状のビームは、上記被覆層または塗装部の除去を最初に遂行するために、第１のスキャン段階に選択した上記担体の領域をスキャンし、そして、残った破片を清浄することを遂行するために、第２のスキャン段階に上記担体の同一領域をスキャンする。

もう一つの態様において、本発明は、表面に物質からなる被覆層または塗装部を有する担体を取り扱い、少なくとも被覆層または塗装部を担体から局部的に除去する装置を提供することである。上記装置は、
上記被覆層または塗装部と上記担体との間の界面または該界面の隣接部で、これらの間に相互作用を生じさせるように、レーザ放射のパルス状のビームを前記担体に向ける手段と、
前記被覆層または塗装部を局部的に担体から分離するように導く手段とを具備する。

本発明を上記に記載したが、上記で説明した特徴を組み合わせること、または以下で説明する特徴とも組み合わせることで、さらに発明の拡張が図れる。

本発明は種々の方法で実行することができるが、より良く理解してもらうために、ここからは、本発明の具体的でかつ限定されない例を、添付図面を参照して説明していくことにする。

ポリイミド材による被覆層１６を有する銅線１４に対して、レーザ放射のパルス状のビーム１２を向けているレーザ１０を図に示す。レーザは、衝撃波の効果によって被覆層を粉砕して飛散させるように、被覆層１６と電線１４との間の界面で界面効果が生じるように作用する。

ポリエステル（イミド）付きのエナメルめっきの銅線で、ポリアミドイミドが最上部の被覆層として有るものまたは無いもの、または、接着剤の保護膜が有るものまたは無いものは、エナメルめっきを除去するために以下に記載するように処理される。波長が１０６４ｎｍのＮｄＹＡＧレーザは、定常的に平均パワー６０Ｗを出力し、ピーク出力８５Ｗでスポットサイズ約２０μｍの状態で使用される。このスポットサイズで、直径が約２００μｍの除去エリアを形成することができる。使用レーザは、Ｑスイッチレーザで、パルス幅が約１００ナノセカンドから２００ナノセカンドの間にあるパルス状のビームを生成することができ、剥離すべき箇所をスキャンすることができる。この実施例でのパルスの繰り返し周波数は３ｋＨｚで、スキャンレートは約１５００ｍｍ/ｓｅｃである。また、ピークパワーは、スポットサイズ２０μｍのときで８５Ｗの等級である。レーザの典型的なパルス幅は、１００ナノセカンドから２００ナノセカンドの間である。

この波長で、エナメルは、実質的にレーザ放射が透過し、金属は高い反射率（９７％）を示し、それにも拘わらず、レーザ放射のいくらかは吸収される。しかし、パルスによる放射が、エナメルとエナメルの下にある金属との間の界面に隣接した箇所で、衝撃波と同様なある種の効果を生成し、この結果、外から内に除去するとは反対方向に、電線側から局部的にエナメルを分離させることが判明した。パルスの繰り返し周波数、スポットサイズおよびスキャンレートを適切に制御することにより、金属表面を被覆の無い状態にするのに充分な多量のエナメルを除去することができた。これに加えて、レーザ処理工程は、金属酸化物を除去することで金属の表面にエッチングに関して有益な効果を有しており、半田付け等に適した状態にしてくれることは注目すべきことである。

この実施例で使用した特定装置の単一のスキャンは、充分なパルスの重なりを与えてくれるようなスキャンレートが１５００ｍｍ/ｓｅｃのときで、パルスの繰り返し周波数の最小限界は１〜２ｋＨｚの範囲内であった。一定のパワーで約５ｋＨｚが上位の限界であり、なぜなら高い周波数になるとパワーのピークが低下することが判明した。もちろん、レーザのパワーのピークが要求される５０〜１００ｋＷの間で維持されれば、パルスの繰り返し周波数を増加させることができる。別の実施例では、レーザはピークパワー１ＭＷのピークパワーで、パルス繰り返し周波数は１０ｋＨｚで、およびスキャンレート２５００ｍｍ/ｓｅｃで動作させた。

また、第１のスキャン段階が充分な成果を達成できなくても、第２のスキャン段階によって、許容できる成果を達成することができた。例えば、第２のスキャン段階では、パルスの繰り返し周波数を１０〜３０ｋＨｚの範囲で、パワーのピークを１〜２５ｋＷの程度に低減することが可能である。しかしレーザのスキャンレートは低下させる必要があり、約１００ｍｍ/ｓｅｃまで低下させてスキャンを繰り返すべきである。

レーザは、以下のパラメータで動作するように設定された。
パルスの繰り返し周波数：３．５ｋＨｚ
スキャンレート：４００ｍｍ/ｓｅｃ
スポットサイズ：〜５０μｍ
波長：１０６４ｎｍ
パルス当りのエネルギー：１５ｍＪ
パルス幅：〜２５０ｎｓ最大
ピークパワー：〜２００ｋＷ

スポットサイズは通常５０μｍであるが、周辺エリアにも影響を与えるので界面での効果の点で、実効的なスポットサイズはおおよそ１００μｍから２００μｍであった。このようなスポットサイズの調整で、レーザのビームは、電線を被覆の無い状態にするために、電線の水平方向に対して横断するようにスキャンするように準備がされた。このビームでの実施例は、電線の長手軸方向に対して垂直にスキャンすることを意味する。電線は、上記パラメータに従っている第１のスキャン段階用のレーザのビームによってスキャンされる。ただし、スキャンするときのピッチ、すなわち隣接するスキャンのライン間隔はおおよそ１００μｍである。

第１のスキャン段階は、電線から被覆のすべてが除去されるわけではなく、大部分の被覆が除去されることになるが、しかし、残がいが残る可能性がある。第２のスキャン段階においては、電線は、一層高いパルスの繰り返し周波数（〜８ｋＨｚ）で、一層高速のスキャンレート（〜１０００ｍｍ/ｓｅｃ）のパルス状のレーザビームでスキャンされるが、しかし他のパラメータは第１のスキャン段階の値と同一で実行される。

しかし、いくつかの応用例では、第２のスキャン段階は必要ないことに注目すべきである。なぜなら、塗装部の性質と界面効果は、残がいをほとんど残さずまたは残がいを全く残さず大きな破片が切り離されることを意味しているからである。

種々のパラメータは、表１のように設定されている。

本発明におけるレーザを用いたワイヤ・ストリッパの概略図である。

Claims (15)

1. 担体から、物質の被覆層または塗装部を少なくとも局部的に除去する方法において、
   前記被覆層または塗装部に対して実質的に透過するように選択された波長のレーザ放射のパルス状のビームを、前記担体に向けるステップであって、前記担体に到達するパルス状のビームによって、前記被覆層または塗装部と前記担体との間の界面または該界面の隣接部において衝撃波効果をもたらし、前記担体から前記被覆層または塗装部を局部的に分離させるステップを有する方法。
2. 前記レーザ放射が、２００ｎｍと１２μｍとの間の波長である請求項１の方法。
3. 前記レーザ放射が、ＮｄＹａｇレーザによって生成される請求項２の方法。
4. 前記レーザ放射が、ＣＯ₂レーザによって生成される請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記レーザ放射が、Ｑスイッチレーザによって生成される請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記パルス状のビームは、パルス幅が１ナノセカンドから３００ナノセカンドの間にあるパルスを有する請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記パルス状のビームのパルス繰り返し周波数が、１ｋＨｚから３０ｋＨｚの間にある請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記被覆層または塗装部が絶縁材を含む請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記担体が、銅または銅を含む材料からなる導体である請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記被覆層または塗装部が、少なくとも一つの金属酸化物を含む請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. レーザ放射の前記パルス状のビームが、前記界面に隣接した前記担体の表面をエッチングまたは清浄するのに有効である請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. レーザ放射の前記パルス状のビームが、スキャンの方向に沿って前記担体に対してスキャンを行い、スキャン移動した範囲を前記被覆層または塗装部から除去するために、以下の少なくとも一つのパラメータを制御する方法において、該パラメータには、
    スキャンレートと、
    レーザのピークパワー値と、
    レーザのパルス繰り返し周波数と、
    スポットサイズと、を含む請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. レーザ放射の前記パルス状のビームが、連続する相互に離隔したスキャンラインに沿って、前記担体をスキャンする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. レーザ放射の前記パルス状のビームが、前記被覆層または塗装部の除去を最初に遂行するために、第１のスキャン段階に選択した領域をスキャンし、
    そして残りの破片を清浄することを遂行するために、第２のスキャン段階に前記選択した領域をスキャンする請求項１２に記載の方法。
15. 担体（１４）から、物質の被覆層または塗装部（１６）を少なくとも局部的に除去する装置において、
    前記被覆層または塗装部（１６）に対して実質的に透過するように選択された波長のレーザ放射のパルス状のビーム（１２）を、前記担体（１４）に向ける手段（１０）であって、前記担体に到達するパルス状のビームによって、前記被覆層または塗装部（１６）と前記担体（１４）との間の界面または該界面の隣接部において衝撃波効果をもたらし、前記担体（１４）から前記被覆層または塗装部（１６）を局部的に分離させる手段（１０）を具備する装置。

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