JP5591422B1 - 加工テーブル用治具、加工テーブル用治具の製造方法およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

低コストで容易に治具機能を維持すべく、レーザ穴あけ加工の際に加工テーブル上（３）に載置される加工テーブル用治具（１Ａ）であって、上面側に被加工物（２）を載置し、前記被加工物（２）の底面側に配置され、前記被加工物（２）に照射されるレーザビーム（２０）を反射する反射層を備え、前記反射層が反射層毎に剥離可能なよう接着層（３３）によって板状に積層された積層部（１５）を有する。

Description

本発明は、レーザ加工装置が備える加工テーブルと被加工物との間に載置される加工テーブル用治具に関する。

レーザ加工装置が備える加工テーブル上にプリント配線板を直接置いて、レーザ穴あけ加工を行うと、加工テーブルにレーザビームが照射され、加工テーブルが損傷する。また、レーザ加工時に発生した加工屑が加工テーブル上に堆積してしまう。

そのため、レーザ穴あけ加工を行う際には、加工テーブルを保護する治具が用いられている。治具としては、高エネルギーのレーザビームに対応するために、銅などのレーザビームに対して耐久性の高い（反射率および熱伝導率の高い）材料が用いられる。従来、単層銅箔または銅板などが治具に用いられていた。

このような治具を用いた場合であっても、治具の損傷または加工屑の堆積を完全に防止することはできない。このため、治具の損傷または加工屑の堆積が発生した場合、治具の交換が必要となる。単層銅箔の治具は、銅板の治具に比べて耐久性が低く、治具の損傷が発生しやすくなる。この結果、単層銅箔の治具を用いると治具の交換頻度が高くなり、プリント配線板の生産時間にロスが発生する。

一方、銅板の治具を用いる場合、治具用に銅板を用意しなければならない。また、銅板への吸着用の穴あけ加工を外部委託する必要があるので、治具の製造コストが高くなるとともに、製造納期が長くなる。

加工テーブルの損傷防止対策の別の例として、特許文献１に記載の方法がある。この方法では、グリーンシート（ワーク）の表面に保護シートとしてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を接着することで、レーザビームがテーブルに直接照射されることを防止し、これにより、テーブルの損傷を防止している。

特開２００３−２１１２７７号公報

しかしながら、ＰＥＴはレーザビームを反射することなく吸収するので、高エネルギーを用いるレーザ穴あけ加工（貫通穴あけ加工）に対しては、加工テーブルの保護シートとしての役割を果たすことができない（グリーンシートは低エネルギーで加工が可能）。また、レーザビームに対して反射率の高い銅箔などを保護シートに採用した場合、ＰＥＴに比べて材料費が高くなるので、全ての被加工物に保護シートを接着すると、製造コストが増大する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コストで容易に治具機能を維持することができる加工テーブル用治具、加工テーブル用治具の製造方法およびレーザ加工方法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、本発明の加工テーブル用治具は、レーザ穴あけ加工の際に加工テーブル上に載置されるとともに、上面側に被加工物が載置されることによって前記被加工物の底面側に配置され、前記被加工物に照射されるレーザビームを反射する反射層を備え、前記反射層が反射層毎に剥離可能なよう接着層によって板状に積層された積層部を有することを特徴とする。

本発明によれば、低コストで容易に治具機能を維持することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態に係る加工テーブル用治具の構成を示す図である。 図３は、治具を用いた被加工物へのレーザ加工を説明するための図である。 図４−１は、治具の穴以外の部分の断面図である。 図４−２は、治具の穴部分の断面図である。 図５は、治具を形成している銅箔層の剥離処理を説明するための図である。 図６は、複数層の銅箔層を剥離する処理を説明するための図である。 図７は、銅箔層よりも厚い銅板上に複数の銅箔層を積層した場合の治具の構成を示す図である。 図８は、プリント配線板用材料を積層した場合の治具の構成を示す図である。 図９は、プリント配線板用材料の上層側に複数の銅箔層を積層した場合の治具の構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る加工テーブル用治具、加工テーブル用治具の製造方法およびレーザ加工方法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
図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザビーム（パルスレーザ光）２０を照射することによって被処理基板である被加工物（ワーク）２にレーザ穴あけ加工を行う装置である。本実施の形態では、剥離可能なよう積層された多層銅箔の治具（jig）１Ａを用いてレーザ加工が行われる。

レーザ加工装置１００は、レーザビーム２０を発振するレーザ発振器２１と、被加工物２のレーザ加工を行うレーザ加工部３０と、レーザ加工制御装置２２と、を備えている。レーザ加工制御装置２２は、レーザ発振器２１およびレーザ加工部３０に接続（図１では図示せず）されており、レーザ発振器２１およびレーザ加工部３０を制御する。

レーザ発振器２１は、レーザビーム２０を発振して、レーザ加工部３０に送出する。レーザ加工部３０は、ガルバノミラー２５Ｘ，２５Ｙ、ガルバノスキャナ２６Ｘ，２６Ｙ、ｆθレンズ（集光レンズ）２４、加工テーブル（ＸＹテーブル）３を備えている。

ガルバノスキャナ２６Ｘ，２６Ｙは、レーザビーム２０の軌道を変化させて被加工物２への照射位置を移動させる機能を有しており、レーザビーム２０を被加工物２に設定された各加工エリア（ガルバノエリア）内で２次元的に走査する。ガルバノスキャナ２６Ｘ，２６Ｙは、レーザビーム２０をＸ−Ｙ方向に走査するために、ガルバノミラー２５Ｘ，２５Ｙを所定の角度に回転させる。

ガルバノミラー２５Ｘ，２５Ｙは、レーザビーム２０を反射して所定の角度に偏向させる。ガルバノミラー２５Ｘは、レーザビーム２０をＸ方向に偏向させ、ガルバノミラー２５Ｙは、レーザビーム２０をＹ方向に偏向させる。

ｆθレンズ２４は、テレセントリック性を有したレンズである。ｆθレンズ２４は、レーザビーム２０を被加工物２の主面に対して垂直な方向に偏向させるとともに、レーザビーム２０を被加工物２の加工位置（穴位置２３）に集光（照射）させる。

被加工物２は、プリント配線板などの加工対象物であり、複数個所に穴あけ加工が行なわれる。被加工物２は、例えば、銅箔（導体層）、樹脂（絶縁層）、銅箔（導体層）の３層構造をなしている。

加工テーブル３は、治具（加工テーブル用治具）１Ａおよび被加工物２を載置するとともに、図示しないモータの駆動によってＸＹ平面内を移動する。これにより、加工テーブル３は、治具１Ａおよび被加工物２をＸＹ平面の面内方向に移動させる。加工テーブル３上には治具１Ａが載置され、治具１Ａ上には被加工物２が載置される。治具１Ａは、レーザビーム２０から加工テーブル３を保護するものであり、加工テーブル３の損傷を防止する。

加工テーブル３を移動させることなくガルバノ機構（ガルバノスキャナ２６Ｘ，２６Ｙ、ガルバノミラー２５Ｘ，２５Ｙ）の動作によってレーザ加工が可能な範囲（走査可能領域）がガルバノエリア（スキャンエリア）である。

レーザ加工装置１００では、加工テーブル３をＸＹ平面内で移動させた後、ガルバノスキャナ２６Ｘ，２６Ｙによってレーザビーム２０を２次元走査する。加工テーブル３は、各ガルバノエリアの中心がｆθレンズ２４の中心直下（ガルバノ原点）となるよう順番に移動していく。ガルバノ機構は、ガルバノエリア内に設定されている各穴位置２３が順番にレーザビーム２０の照射位置となるよう動作する。加工テーブル３によるガルバノエリア間の移動とガルバノ機構によるガルバノエリア内でのレーザビーム２０の２次元走査とが、被加工物２面内で順番に行なわれていく。これにより、被加工物２の全ての穴位置２３がレーザ加工される。

図２は、実施の形態に係る加工テーブル用治具の構成を示す図である。治具１Ａは、概略平板状をなしている。被加工物２への穴あけ加工を行なう際には、治具１Ａが、加工テーブル３上に載置される。そして、治具１Ａ上に被加工物２が載置される。

加工テーブル３には、治具１Ａを真空吸着するための穴３１が複数設けられている。また、治具１Ａには、被加工物２を真空吸着するための穴１６が複数設けられている。治具１Ａの穴１６の配置位置（配置間隔）は、加工テーブル３上の穴３１の配置位置（配置間隔）と同じか、あるいは一部の穴を間引いた配置位置（配置間隔）でもよい。

なお、穴１６と穴３１とは、異なる穴径であってもよい。また、治具１Ａの主面の大きさは、加工テーブル３の主面の大きさ以下で且つ被加工物２の主面の大きさ以上であれば、何れの大きさであってもよい。換言すると、治具１Ａの主面の大きさは、治具１Ａが加工テーブル３からはみ出すことなく、且つ被加工物２が治具１Ａからはみ出すことのない大きさであれば、何れの大きさであってもよい。

被加工物２への穴あけ加工を行なう際には、穴１６が穴３１に重なるよう治具１Ａが加工テーブル３上に載置され、その後、治具１Ａ上に被加工物２が載置される。そして、加工テーブル３の底面側から真空引きされることによって、加工テーブル３上に治具１Ａと被加工物２とが固定される。この後、被加工物２へのレーザ加工が行なわれる。

図３は、治具を用いた被加工物へのレーザ加工を説明するための図である。図３では、被加工物２、治具１Ａおよび加工テーブル３の断面図を示している。被加工物２は、例えば、銅箔層２１Ａ、樹脂層２２、銅箔層２１Ｂの３層構造をなしている。具体的には、最下層が銅箔層２１Ｂであり、最上層が銅箔層２１Ａである。そして、銅箔層２１Ａ，２１Ｂの中間層が樹脂層２２である。

レーザ加工が行われる際には、最下層である銅箔層２１Ｂが治具１Ａの上面と接するよう被加工物２が治具１Ａ上に載置される。この状態で被加工物２にレーザビーム２０が照射されると、被加工物２の銅箔層２１Ａ、樹脂層２２、銅箔層２１Ｂの順番で穴が開く。これにより、被加工物２に貫通穴が形成される。被加工物２に貫通穴が形成された後、レーザビーム２０が停止され、次の加工位置でレーザ穴あけ加工が行われる。

この場合において、被加工物２に貫通穴が形成された後、レーザビーム２０が停止されるまでの間は、レーザビーム２０が被加工物２の下方に照射されることとなる。被加工物２の下方には治具１Ａが配置されているので、レーザビーム２０は治具１Ａで反射され、加工テーブル３に到達することはない。これにより、加工テーブル３の損傷を防止することができる。

図４−１は、治具の穴以外の部分の断面図であり、図４−２は、治具の穴部分の断面図である。図４−１では、穴１６以外の箇所で穴１６の深さ方向に平行な方向に治具１Ａを切断した場合の治具１Ａの断面形状を示している。また、図４−２では、穴１６の箇所で穴１６の深さ方向に平行な方向に治具１Ａを切断した場合の治具１Ａの断面形状を示している。

治具１Ａは、レーザビーム２０に対して高い反射率（例えば、反射率９０％以上が望ましい）および高い熱伝導率（例えば、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が望ましい）を有する複数の銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）（Ｎは２以上の自然数）を用いて構成されている。各銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）は、レーザビーム２０を反射する反射層である。なお、各銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）間の接着には、プリント配線板用接着シートであるプリプレグからなる接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）（Ｎは２以上の自然数）が用いられる。

銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）は、それぞれ隣接する別の銅箔層との間に接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）が配置されることで板状に積層されている。換言すると、積層部としての銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）は、銅箔層毎に剥離可能なよう板状に積層されている。例えば、銅箔層１１（２）は、銅箔層１１（３）から剥離可能なよう銅箔層１１（３）との間で接着層３３（２）を挟んで銅箔層１１（３）上に積層され、銅箔層１１（１）は、銅箔層１１（２）から剥離可能なよう銅箔層１１（２）との間で接着層（１）を挟んで銅箔層１１（２）上に積層されている。なお、以下の説明では、銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）を銅箔層１１（Ｘ）、接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）を接着層３３（Ｘ）という場合がある。

このように、本実施の形態では、銅箔などの薄くてもある程度レーザ光に対して耐久性を持つ材料と接着層とを交互に積層し、その材料に吸着穴を形成することによって治具１Ａを作製する。例えば、厚さ１２μｍの銅箔層１１（１）〜１１（１５）および厚さ６０μｍの接着層３３（１）〜３３（１４）を交互に積層することによって、厚さ１．０２ｍｍの治具１Ａが作製される。

治具１Ａを作製する際には、例えば、銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）を交互に積み重ねた後、プリント配線板の製造工程で用いられるプレス機などで銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）を厚さ方向（積み重ね方向）に加圧することで、銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）が銅箔層毎に剥離可能なよう板状に積層される。そして、積層された銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）に対して、穴１６が形成される。この穴１６は、例えばプリント配線板の製造工程で用いられるドリル機などを用いて形成される。

図５は、治具を形成している銅箔層の剥離処理を説明するための図である。複数の銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）が積層された治具１Ａを用いて被加工物２のレーザ加工が行なわれる。この場合において、被加工物２にレーザビーム２０の照射が繰り返されると、治具１Ａの最上層である銅箔層１１（１）に損傷部１５が発生する場合がある（Ｓ１）。

銅箔層１１（１）が損傷した場合、治具１Ａから銅箔層１１（１）および接着層３３（１）が剥がされる（Ｓ２）。銅箔層１１（１）および接着層３３（１）が剥がされた治具は、治具１Ｂとして被加工物２へのレーザ加工に用いられる（Ｓ３）。この後、銅箔層１１（２）〜１１（Ｎ−１）が損傷した場合には、損傷した銅箔層および接着層が剥がされる。各銅箔層１１（２）〜１１（Ｎ−１）は、上層側から順番に損傷するので、治具は上層側から順番に剥離されていく。なお、場合によっては接着層３３（１）が治具１Ｂに残ることもあり得るが、加工品質上問題になるレベルでなければ治具１Ｂに残っていてもよい。

なお、治具１Ａの最上層の銅箔層１１（Ｘ）に加工屑が堆積した場合に、最上層の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を剥離してもよい。このように、治具１Ａを用いることによって、最上層の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を除去するだけで、治具１Ａの機能を再生することが可能となる。その結果、以下の利点が得られる。
（Ａ）１度の治具１Ａの設置で、複数回の最上層の除去が可能となり、治具１Ａの交換頻度が低下する。この結果、生産時間のロスを減少させることができる。
（Ｂ）治具１Ａの作製には、プリント配線板の作製工程を利用できるので、容易かつ短期間で治具１Ａを作製することが可能となる。また、被加工物２のそれぞれにシートなどの治具を接着する必要が無くなるので、製造コストを低減できる。
また、治具１Ａの作製に用いられる銅箔および接着層は、プリント配線板の製造工程で一般的に使用されているので、入手が容易であり、製造コストを低減できる。

治具１Ａに加工屑が堆積したままレーザ加工を継続すると、治具１Ａと被加工物２との間に加工屑が入り込むので、被加工物２が傾斜する。その結果、被加工物２にレーザビーム２０を照射した際に、レーザビーム２０の焦点ずれが発生し、所望の形状に穴あけ加工ができない。また、治具１Ａが損傷したままレーザ加工を継続すると、損傷の無い平坦な治具のときにレーザビーム２０の入射方向に平行な方向に反射していた反射光が、損傷により治具が平坦でなくなったため、レーザビーム２０の入射方向に平行な方向に反射しなくなり、散乱しながら反射する。この結果、レーザビーム２０の損傷箇所からの反射光によって所望の形状に穴あけ加工ができない。

本実施の形態では、銅箔層１１（Ｘ）が損傷した場合、治具１Ａから少なくとも最上層の銅箔層１１（Ｘ）が剥がされる。これにより、レーザビームの焦点ずれを防止できるとともにレーザビームの損傷箇所からの反射光を防止できる。したがって、所望形状の穴あけ加工を行うことが可能となる。

なお、治具１Ａに用いる積層材料は、銅箔層１１（Ｘ）に限らず他の材料であってもよい。治具１Ａには、レーザビーム２０の波長に応じた積層材料が用いられる。治具１Ａには、例えば、レーザビーム２０を９０％以上反射する積層材料が用いられる。

例えば、レーザビーム２０がＣＯ₂レーザである場合、治具１Ａの積層材料には、ＣＯ₂レーザに対して高反射性および高熱伝導率を有する、銅またはアルミニウムなどが用いられる。

なお、治具１Ａに用いる積層材料の板厚、積層数、積層方法、除去方法、剥離枚数などは何れに設定してもよい。例えば、銅箔層１１（Ｘ）が損傷した場合または銅箔層１１（Ｘ）に加工屑が堆積した場合に、複数層の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を剥離してもよい。

図６は、複数層の銅箔層および接着層を剥離する処理を説明するための図である。図６では、「銅箔層１１（１）＋接着層３３（１）」、「銅箔層１１（２）＋接着層３３（２）」がまとめて剥離される場合を示している。この場合において、銅箔層１１（２）は、損傷していてもよいし、損傷していなくてもよい。また、「銅箔層１１（１）＋接着層３３（１）」、「銅箔層１１（２）＋接着層３３（２）」は、まとめて剥離されてもよいし、１枚ずつ剥離されてもよい。また、場合によっては接着層３３（２）が治具１Ｂに残ることもあり得るが、加工品質上問題になるレベルでなければ治具１Ｂに残っていてもよい。

なお、本実施の形態では、銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を用いて治具１Ａを形成する場合について説明したが、銅箔層１１（Ｘ）よりも厚い銅板上に複数の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を積層することによって、治具を形成してもよい。

図７は、銅箔層よりも厚い銅板上に複数の銅箔層を積層した場合の治具の構成を示す図である。治具１Ｃは、銅箔層１１（Ｘ）よりも厚い銅板５０上に複数の銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）が積層されて形成されている。この構成により、剥離によって最後に残った銅箔層１１（Ｎ）を用いてレーザ加工を行う場合であっても、最後に残った銅箔層１１（Ｎ）の下層側に銅板があるので、万が一銅箔層１１（Ｎ）がレーザ加工中に貫通してしまっても、加工テーブル３を損傷させる心配がない。

また、一部または全ての銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）が剥離された後の銅板５０を治具１Ｃに再利用してもよい。具体的には、銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）が剥離された後の銅板上に新たな複数の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を積層することによって、新たな治具１Ｃが形成される。

また、本実施の形態では、治具１Ａが銅箔層１１（１）〜１１（Ｎ）および接着層３３（１）〜３３（Ｎ−１）を用いて形成されている場合について説明したが、プリント配線板の製造に使用されている他の材料を積層することによって、治具を形成してもよい。

図８は、プリント配線板用材料を積層した場合の治具の構成を示す図である。治具１Ｄは、複数のプリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）および接着層３３（１）〜３３（２）が積層されて形成されている。プリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）は、それぞれが、例えば銅箔層、樹脂層、銅箔層の３層構造を有している。なお、治具１Ｄを構成するプリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）は、３層に限らず２層であってもよいし、４層以上であってもよい。プリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）は、例えば、樹脂付き銅箔（Resin Coated Copper foil：ＲＣＣ）または耐熱性ガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板（ＦＲ−４）などである。

なお、治具１ＤにＲＣＣまたはＦＲ−４を用いる場合、ＲＣＣまたはＦＲ−４の下層側に銅板を配置しておいてもよい。また、銅箔層１１（Ｘ）、ＲＣＣおよびＦＲ−４の少なくとも２つを組み合わせてもよい。例えば、ＲＣＣまたはＦＲ−４などのプリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）および接着層３３（１）〜３３（２）の上層側に複数の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を積層することによって、治具を形成してもよい。

図９は、プリント配線板の上層側に複数の銅箔層を積層した場合の治具の構成を示す図である。治具１Ｅは、プリント配線板用材料１２（１）〜１２（３）および接着層３３（１）〜３３（２）の上層側に複数の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）が積層されて形成されている。

このように実施の形態によれば、複数の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を積層することによって治具１Ａを形成しているので、銅箔層１１（Ｘ）が損傷した場合または銅箔層１１（Ｘ）に加工屑が堆積した場合に、最上層の銅箔層１１（Ｘ）および接着層３３（Ｘ）を剥離できる。これにより、加工テーブル３の損傷を防止しつつ、容易に治具機能を回復することが可能となる。また、既存のプリント配線板の製造工程と材料を用いることで、治具１Ａを短時間かつ低コストで作製することができる。したがって、加工テーブル用治具である治具１Ａの治具機能を低コストで容易に維持することが可能になる。

以上のように、本発明に係る加工テーブル用治具、加工テーブル用治具の製造方法およびレーザ加工方法は、レーザ穴あけ加工に適している。

１Ａ〜１Ｅ 治具、２ 被加工物、３ 加工テーブル、１１（１）〜１１（Ｎ） 銅箔層、１２（１）〜１２（３） プリント配線板用材料、１５ 損傷部、１６，３１ 穴、２０ レーザビーム、３３（１）〜３３（Ｎ−１） 接着層、１００ レーザ加工装置。

Claims (3)

1. レーザ穴あけ加工の際に加工テーブル上に載置されるとともに、上面側に被加工物が載置されることによって前記被加工物の底面側に配置され、
   前記被加工物に照射されるレーザビームを反射する反射層を備え、
   前記反射層が反射層毎に剥離可能なよう接着層によって板状に積層された積層部を有することを特徴とする加工テーブル用治具。
2. 被加工物に照射されるレーザビームを反射する反射層を反射層毎に剥離可能なよう接着層によって板状に積層する積層ステップを含むことを特徴とする加工テーブル用治具の製造方法。
3. 被加工物に照射されるレーザビームを反射する反射層を反射層毎に剥離可能なよう接着層によって板状に積層された加工テーブル用治具を、加工テーブル上に載置する第１の載置ステップと、
   前記加工テーブル用治具の上面側に被加工物を載置する第２の載置ステップと、
   前記被加工物にレーザビームを照射して前記被加工物に穴あけ加工を行なうレーザ加工ステップと、
   前記加工テーブル用治具が損傷した場合または前記加工テーブル用治具上に加工屑が堆積した場合に、前記加工テーブル用治具の最上層にある反射層および接着層を剥離する剥離ステップと、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。