JPH1197821A - レーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
性良く行うことができるようにすること。 【解決手段】 エポキシ樹脂やガラスクロスが混在した
ガラスエポキシ樹脂などの複合材料をレーザ加工する場
合は、高品質な加工結果を得るには相互作用時間を短く
し、パルスビームとパルスビームの照射間隔にある程度
の待ち時間を設け、材料を冷却させることが必要となる
が、生産性を高める上では、この冷却時間を短くする必
要がある。本発明では、エリア内の全穴に所定の発振周
波数からなるレーザビームを任意の数のパルスに分割し
て照射し、所望の数のパルスに達するまで、この工程を
繰り返すことにより、相互作用時間が分割数に応じて決
定され、冷却時間を得ることができるとともに、1分割
当たりのパルスの数を複数パルスとしたため、エッチン
グレートが高くなり、全穴に1パルスづつ照射する場合
よりも、加工に必要なパルス数が少なくて済む。
Description
係り、さらに詳しくは、プリント基板に対して複数パル
スのレーザビームを用いて複数の穴を加工するレーザ加
工方法であって、例えば、プリント基板のバイアホール
やスルーホールの加工を行うレーザ加工方法に関する。
どにおいて、レーザビームが非常に広く使用されつつあ
る。このレーザビームは、振幅と波長が一致したコヒー
レントな特殊な光であって、自然光のように振幅と波長
が混在しているインコヒーレントな光と区別される。
パルスのレーザビームを用いて複数の穴を加工する場合
は、各穴に対して予め設定された発振周波数に従い、予
め設定された数のパルスを照射する方法がある。以下、
本明細書中では、この方式を「モードA」と称する。
て、ガルバノスキャンミラーを使用する場合は、スキャ
ンエリア内におけるすべての穴に1ショットづつレーザ
ビームのパルスを投入し、エリア内の全穴に1ショット
づつ照射した後に再び最初の穴から再度1ショットづつ
照射して、設定数までこれを繰り返し行う方法がある。
以下、本明細書中では、この方式を「モードB」と称す
る。
てレーザビームを用いてバイアホールを加工した断面図
が示され、(a)はプリント基板50の絶縁層が樹脂単
体で構成された図であり、(b)はプリント基板62の
絶縁層が無機質の基材に樹脂を含浸させたもので構成さ
れた図である。
は、コア回路基板52上に接続用ランド54が配置さ
れ、その上に絶縁層となるエポキシ樹脂56やガラスク
ロス66が混在したガラスエポキシ樹脂64が形成され
た後、レーザビームによりレーザ加工されたバイアホー
ル58が形成され、全面にはパターンメッキ60が施さ
れている。
れるプリント基板50,62に形成されたバイアホール
58は、上述した「モードA」や「モードB」のレーザ
加工方法を用いることにより形成することができる。特
に、図15(a)のように絶縁層が樹脂単体で構成され
ている場合は、加工品質の上では「モードA」でも「モ
ードB」でも差が無い。
面から「モードA」を使って、発振周波数を高くして加
工することが一般的に行われている。ここで、発振周波
数を高くする(高周波数)とは、発振周波数を複数の穴
の位置決めに要する時間の逆数から求まる周波数以上に
設定するということである。これよりも低い周波数では
「モードA」の方が「モードB」よりも生産性が低下す
ることになる。
ルバノミラーを例にとって説明する。図16には、「モ
ードA」と「モードB」の各発振周波数に対してパルス
数と加工時間との関係を示した線図が示されている。こ
こでは、発振周波数と加工時間の関係を2.5m秒で位
置決め可能なガルバノスキャンについて示したものであ
る。このガルバノスキャンは2.5m秒で位置決め可能
であるから、その逆数をとると400Hzとなる。
00Hzとすると、丁度ガルバノスキャンの周波数(繰
り返しサイクル)と一致することになるため、「モード
A」も「モードB」も加工時間は同じになる。発振周波
数が400Hzよりも低くなる場合(図16で200H
zの場合)は、「モードA」の方が「モードB」よりも
加工時間が長くなる。また、逆に発振周波数が400H
zよりも高くなる場合(図16で800Hzの場合)
は、「モードA」の方が「モードB」よりも加工時間が
短くなる。
うな従来のレーザ加工方法にあっては、図15(b)に
示されるように、プリント基板の絶縁層の基材としてガ
ラスクロスやセラミクス等の無機質を使用しそれを樹脂
に含浸させている場合、「モードA」と「モードB」と
では加工品質に大きな差が生じることがわかっている。
板に穴あけ加工する際に一般的に用いられるガルバノス
キャン方式では、ガルバノミラーによるレーザビームの
移動および位置決め時間が短く、最速で400Hz相当
となる。このため、前述したように「モードA」では、
400Hzよりも高い周波数に設定しなければ生産性の
面でメリットが生じない。しかし、図15(b)のガラ
スエポキシ樹脂64などは、エポキシの分解温度が約6
00K(327℃)であるのに対し、ガラス転移温度は
約1100K(827℃)である。
場合は、レーザビームの発振周波数を高くすると、レー
ザと材料の相互作用時間が長くなって、エポキシ部分が
選択的により多く分解除去される。そのため、加工した
穴の壁面にガラス繊維が突出した状況となるので、その
表面にパターンメッキ60をうまく形成することができ
ず、加工品質が劣化するという不都合があった。
ーザ加工方法をガルバノスキャン方式と組み合わせた場
合は、ガルバノエリア内の穴数が多いほど、同一の穴に
繰り返し照射される間隔が長くなる。換言すると、それ
だけ加工材料が冷却されることになるため、相互作用時
間が短くなってエポキシ樹脂が選択的に分解除去される
現象が起き難くなり、良好な加工品質を得ることができ
る。ただし、「モードB」で加工する場合に、1穴当た
り複数パルスを投入するケースでは、1穴/1パルスで
加工可能な状況以外は加工時間が長くなってしまうた
め、生産性は「モードA」に比べ著しく劣化するという
不都合があった。
に鑑みてなされたもので、プリント基板の穴開け加工を
高品質かつ生産性良く行うことができるレーザ加工方法
を得ることを目的とする。
めに、この発明にかかるレーザ加工方法にあっては、プ
リント基板に対して複数パルスのレーザビームを用いて
複数の穴を加工するレーザ加工方法において、前記穴の
加工に要するレーザビームのパルス数をn分割(nは2
以上の整数)し、その分割された1番目からn番目まで
の各分割パルス数のレーザビームを工程別に使用し、各
工程では所定の発振周波数により当該工程におけるパル
ス数のレーザビームを各穴に順次照射して全部の穴の加
工を行い、工程数分だけ穴の加工を繰り返し行うもので
ある。
る際に必要なレーザビームのパルス数がn分割され、そ
の分割された各パルス数のレーザビームが各工程で使用
され、各工程では所定の発振周波数により当該工程のパ
ルス数のレーザビームを各穴に順次照射して全部の穴の
加工を行い、工程数分だけ穴の加工が繰り返される。こ
のように、「モードA」と同様に、1つの穴に複数パル
スのレーザビームが投入されるが、穴を加工する際に必
要なレーザビームのパルス数が投入されるのではなく、
それらを分割した任意のパルス数のレーザビームを投入
して1つの工程が終了する。
れて、最終的に各加工穴に必要なレーザビームのパルス
数が投入され、最終加工深さまで加工される。各工程に
分割されたレーザビームの任意のパルス数は、加工対象
の材質、板厚、および要求品質等に決定される。
は、前記穴を加工する複数の工程の途中で、前記レーザ
ビームのパルス幅またはピーク出力、あるいはパルス幅
およびピーク出力を変更するようにしたものである。
る複数工程の途中で、レーザビームのパルス幅とピーク
出力の何れか一方、あるいは両方を変化させることよ
り、レーザビームと加工対象の材料との相互作用時間と
エッチングレートとが適正に制御することができるよう
になったため、加工品質が安定するとともに、生産性を
向上させることができる。
方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
は、上述したレーザ加工方法である「モードA」や「モ
ードB」を用いて、種々の条件下で穴加工を行った場合
の加工時間および加工品質に関する具体的なデータを説
明した後、本実施の形態1に係るレーザ加工方法につい
て説明する。ここでは、プリント基板加工用の炭酸ガス
レーザを用いて、ガルバノスキャン方式によりレーザビ
ームをスキャンさせて、プリント基板の表面に複数のバ
イアホールを形成するようにしたものである。
する概念図が示され、図2には、「モードB」の加工方
法の概念図が示されている。図1および図2では、1つ
の加工穴に対して照射されるレーザビームの総パルス数
がNパルスの場合である。
(ここでは9ヶ所)のレーザ照射予定位置14に照射し
て穴加工を行うもので、レーザ照射予定位置14は破線
の楕円で示され、1パルス分のレーザビーム10が照射
された1パルス照射穴12が実線の楕円で示され、レー
ザ照射予定位置14に総パルス数であるNパルスのレー
ザビームが照射されたNパルスレーザ照射穴16を黒ベ
タの楕円で示してある。「モードA」によるレーザ加工
方法は、図1に示されるように、レーザ照射予定位置1
4の1つに対してレーザビーム10をまず1パルス分照
射した後、連続してNパルスを照射する(Nパルスレー
ザ照射穴16が1つできる)。
ームの照射位置を移動させ、Nパルスのレーザビームを
照射する(Nパルスレーザ照射穴16が2つできる)。
このように、全てのレーザ照射予定位置14に対して順
次Nパルスのレーザビームを照射することにより、全て
の照射位置がNパルスレーザ照射穴16となり、レーザ
加工が終了する。
複数(ここでは9ヶ所)のレーザ照射予定位置14に照
射して穴加工を行うものである。この「モードB」によ
るレーザ加工方法は、図2に示されるように、レーザ照
射予定位置14の1つに対してレーザビーム10をまず
1パルス分照射して1パルス照射穴12とし、つぎのレ
ーザ照射予定位置14にレーザビームの照射位置を移動
させて1パルス分照射して1パルス照射穴12とする。
対して順次1パルスのレーザビームを照射した後、再び
最初の1パルス照射穴12に戻り、2パルス目のレーザ
ビームを各加工穴に対して照射し、これをN回繰り返す
ことにより、全ての照射位置(加工穴)がNパルスレー
ザ照射穴16となり、レーザ加工が終了する。
で穴加工を行った場合の加工時間を計算する。ここで、
加工穴の総数をMとし、1つの穴当たりの加工に要する
パルス数をNとし、ガルバノの能力としてエリア内でP
穴/秒の位置決めが可能とした場合、「モードA」方式
で加工に要する時間(At)は、設定した発振周波数を
Bとすると、次式(1)で表される。
間(Bt)は、次式(2)で表される。
55、64参照)の材質がFR−4であり、厚みが0.
1mmのプリント基板に961穴(M=961)のバイ
アホールを形成する場合についての加工時間を計算する
ことにする。1つのバイアホールを形成するのに必要な
パルス総数を6(N=6)とし、ガルバノにより400
穴/秒(P=400)の位置決めが可能であって、発振
周波数が1000Hzとした場合、上記(1)式に代入
して計算した「モードA」の加工時間(At)は、 At=(1/400+(6−1)/1000)×961
=7.2秒 となる。
(2)式に代入すると、 Bt=961×6/400=14.4秒 となる。その結果、「モードB」は「モードA」に比べ
およそ2倍もの加工時間を要することが分かる。
工を行った際の加工品質について説明する。ここでは、
プリント基板の絶縁層の材質がFR−4であり、基板の
厚みが0.1mmであって、外層銅箔の厚みが12μm
の上に絶縁層を積層した基板にバイアホール(φ0.3
mm)を形成したものである。「モードA」方式で加工
した場合の加工穴の状態が図3および図4に示されてい
る。
示され、図4には、加工穴の穴表面の状態を示す図が示
され、図3および図4の(a)は5パルスの場合、
(b)は6パルスの場合、(c)は8パルスの場合であ
る。なお、図3および図4では、それぞれ1つの加工穴
のみが示されているが、実際には961個の穴が加工さ
れる(ガルバノの位置決めは400穴/秒)。その際の
加工条件としては、1パルス当たりのエネルギが15m
J、パルス幅が50μ秒、発振周波数は1000Hzで
ある。
は穴の底部の銅箔上に除去されていないガラスクロスが
存在していることが観察される。そこで、レーザビーム
のパルス数を増加して6パルスあるいは8パルスとする
と、そのガラスクロスが除去されるのが分かる。
は、穴の縁にガラスが球状化して付着しており、パルス
数を5→6→8と増加させると、表面のエポキシ層に熱
影響が生じているのが分かる。この場合の加工時間は、
約7.2秒(6パルス)であって、生産性は良好である
が、加工品質は良好で無いことがわかる。
の加工穴の状態が図5および図6に示されている。この
場合もプリント基板の絶縁層の材質がFR−4であり、
基板の厚みが0.1mmであって、外層銅箔の厚みが1
2μmの上に絶縁層を積層した基板にバイアホールを形
成したものである。
示され、図6には、加工穴の穴表面の状態を示す図が示
され、図5および図6の(a)は6パルスの場合、
(b)は10パルスの場合、(c)は12パルスの場合
である。なお、図5および図6の場合も、それぞれ1つ
の加工穴しか示していないが、実際には961個の穴が
加工される。そして、その際の加工条件は、1パルス当
たりのエネルギーが15mJ、パルス幅が50μ秒であ
る。但し、加工穴が961個あるため、1穴当たりのパ
ルスの繰り返し周波数は約0.4Hzである。
に、6、10パルスでは穴の底部銅箔上に除去されてい
ないガラスあるいは樹脂の固まりが存在していることが
観察される。そこで、同図(c)に示されるように、レ
ーザビームのパルス数を増加して12パルスとすること
により、これらを除去できることが分かる。
は、穴の縁に付着するガラスの球状化物は少なく、パル
ス数を増やしても表面のエポキシ層に熱影響は生じてい
ないことが分かる。しかし、この場合の加工時間は、9
61×12/400=約28.8秒となり、加工品質は
良好であるが、生産性(「モードA」の約4倍)が悪く
なる。
加工品質を向上させるため、レーザと材料の相互作用時
間を短くするという目的で発振周波数を低くして加工し
た場合の結果が図7に示されている。図7に示されるよ
うに、発振周波数を1000Hz、500Hz、200
Hz、20Hzとした各場合の加工品質(熱影響)を比
較したものである。また、この「モードA」と比較を行
うために、さらに「モードB」のデータが示されてい
る。
の穴縁からの熱影響層までの最大距離を示している。図
7から明らかなように、1000〜200Hzまで熱影
響層の大きさにはほとんど差が無く、20Hzあたりで
はじめて「モードB」の結果とほぼ同じになる。しか
し、発振周波数20Hzで加工した場合の加工時間は、
(1/400+(6−1)/20)×961=243秒
となるため、「モードB」よりも生産性が劣化すること
になる。
を向上させるため、パルスのエネルギーを高くした場合
の結果が図8に示されている。ここでは、レーザビーム
のパルスのエネルギーを15mJ、17.5mJ、20
mJの3段階で変えており、図の縦軸は、パルス数が示
され、横軸は1パルス当たりのエネルギーを示してい
る。図8中には3つの領域(I,II,III)が示さ
れており、領域Iはパルス数とエネルギーの両方が不足
しているため穴底部に樹脂が残っている領域であり、領
域IIはパルス数とエネルギーとも適正で良好な品質の
加工結果が得られる領域であり、領域IIIはパルス
数、エネルギーとも過多であって、外層銅箔にダメージ
が生じている領域である(領域IIIにおける銅箔への
ダメージの外観を示したのが図9である。)。
に、1パルス当たりのエネルギーを高くすることで銅箔
上の樹脂を除去するのに必要なパルス数は少なくて済む
が、銅箔に対するダメージが生じやすいことがわかる。
この場合において良好と判断される条件としては、1
7.5mJの10パルスであるが、この場合の加工時間
は、961×10/400=24秒となり、16mJの
場合に比べて生産性が若干向上している。しかし、それ
でも加工時間は、「モードA」と比べると約3.3倍と
なる。
た「モードA」や「モードB」を用いて、種々の条件下
で穴加工を行った場合の加工時間および加工品質に関す
る具体的なデータを検討した結果、「モードA」、「モ
ードB」ともに品質あるいは生産性のどちらかが欠けて
いることが判明した。
方法について詳細に説明する。図10には、実施の形態
1に係るレーザ加工方法の概念図が示されている。図1
0における第1工程では、上述した「モードA」と同様
に、n1パルスを所定の発振周波数に従って照射するよ
うにする(図中の斜め線の楕円で示したn1パルスレー
ザ照射穴18)。すなわち、エリア内の全穴に対してn
1パルスずつ発振周波数に従って順次照射する。
し、再度最初の穴から所定の発振周波数に従い、エリア
内の全穴に対してn2パルスずつ順次照射する(図中の
ハーフトーンの楕円で示した(n1+n2)パルスレー
ザ照射穴20)。このようにして、最後の工程まで繰り
返し照射が行われ、最後の工程では、nnパルスづつレ
ーザビームが照射される。この時の総パルス数は、n1
+n2+・・・・+nn=Nとなる。そして、nは、N(総
パルス数)の分割数を示している。このように、本実施
の形態1では、Nパルス数をn分割して、各工程ごとの
パルス数を「モードA」の形式で照射する工程が繰り返
し行われる。本明細書では、このレーザ加工方法を「モ
ードC」と称することにする。
「モードA」の集合体とも見做すことができるため、
「モードC」において、n1、n2、・・・・nnパルスづ
つ照射する工程をそれぞれ「モードAn1」、「モード
An2」、・・・・「モードAnn」と称することにする。
工時間(Ct)は、次式(3)で表すことができる。
は、FR−4であって、厚みが0.1mmのプリント基
板に対して961穴(M=961)のバイアホールを形
成する場合であり、バイアホール1穴を形成するのに必
要なパルス数が6(N=6)で、ガルバノで400穴/
秒(P=400)の位置決めが可能とする。
zであり、6パルスを2パルスづつに3分割してレーザ
加工を行う場合の「モードC」の加工時間(Ct)は、
上記(3)式に代入して計算すると、 Ct=(3/400+6/1000)×961=13秒 となり、その結果「モードA」の約1.8倍、「モード
B」の約0.9倍となる。
と同じ条件のプリント基板(絶縁層の材質がFR−4で
厚みが0.1mm、外層銅箔の厚みが12μmの上に絶
縁層が積層された基板)に対して、「モードC」方式で
レーザ加工を行った場合の加工穴の状態が示されてい
る。また、その場合の加工条件も、図3および図4の場
合と同様であって、1パルス当たりのエネルギが15m
J、パルス幅が50μ秒である。
ームが6パルスの場合、(b)は8パルスの場合、
(c)は10パルスの場合について示してある。そし
て、本実施の形態1における「モードC」の各工程で照
射されるパルスは、それぞれ2パルスづつで分割されて
いるため、6パルスの場合は3分割、8パルスの場合は
4分割、10パルスの場合は5分割となる。
よりレーザ加工を行った結果、図11に示されるよう
に、加工穴の穴底の状態を観察すると、同図(a)の6
パルスの場合、穴の底部の銅箔上に除去されていないガ
ラスクロスが残存しているが、(b)の8パルスや
(c)の10パルスの場合には除去することができる。
穴表面の状態を観察すると、何れのパルス数であっても
穴の縁に付着するガラスの粒状化物は、「モードA」の
場合(図4参照)よりも少なく、表面のエポキシ層の熱
影響層も少ないことがわかる。そして、図13は、図5
と同様に熱影響層の量について示したもので、「モード
B」には劣るが、「モードA」と比べると熱影響層が小
さくなっている。これは、「モードC」方式の加工品質
が「モードA」と「モードB」の中間状態といえる。
合は4分割となるため、Ct=(4/400+8/10
00)×961=17.3秒となり、生産性は「モード
A」の2.4倍、「モードB」の0.6倍(「モード
B」12パルス時)となる。これは、「モードC」方式
の加工時間が「モードA」と「モードB」の中間状態と
言える。
ると、「モードC」を用いてレーザ加工を行うことによ
り、生産性では「モードA」と「モードB」のほぼ中間
となり、加工品質的には「モードB」に近い良好な加工
結果を得ることができる。従来は「モードA」か「モー
ドB」でレーザ加工を行っていたため、加工品質か生産
性かの何れかに偏っていたが、本実施の形態1では、加
工品質と生産性とを両立させることが可能となり、良好
なレーザ加工を行うことができる。
態2を図14に基づいて説明する。まず、上記実施の形
態1において、「モードB」の高エネルギー化で説明し
たように、1パルス当たりのエネルギーの最大値は、銅
箔へのダメージを考慮して決定される。この考慮すべき
ダメージとは、銅箔の厚みとランド径から求まる熱容量
と加工する面の銅箔の表面状態から求まるレーザ光の吸
収率によって決定される。
脂をレーザ加工する場合は、前述したように樹脂単体
(例えばエポキシ)を使用した絶縁層を加工する場合と
比べると、高エネルギーが必要となり、銅箔にダメージ
が発生しやすくなる。また、その際に、「モードA」を
用いてレーザ加工を行う場合は、連続的にパルスが照射
されるため、冷却効果が低く、さらに銅箔にダメージが
発生しやすくなる。
てパルス幅やピーク出力を変えたことによる効果が示さ
れている。図14では、4分割された「モードC」の各
分割モードの「モードAn1」〜「モードAn4」のう
ち、「モードAn2」〜「モードAn4」の1パルス当
たりのパルス幅、ピーク出力を「モードAn1」の場合
と変えたことにより(1パルス当たりのエネルギーは一
定とする)、図8と同様に3つの領域についての結果が
示されている。
残っている領域であり、領域IIは良好な品質の加工結
果が得られる領域である。なお、領域IIIは外層銅箔
にダメージが生じたものであるが、ここでは図中に表れ
ていない。図14に示されるように、「モードAn3」
を短パルス、高ピーク化することにより、少ない分割数
で高品質な加工が可能であることがわかる。ただし、短
パルス、高ピーク化するほど、加工点における温度が上
昇するため、銅箔のダメージが発生したり、プラズマが
発生して除去能力が低下するため、被加工物の種類や加
工品質状況に応じて適宜適正値を選択する必要がある。
ると、「モードC」を用いてレーザ加工する際に、複数
に分割した加工段階の途中で、1パルス当たりのパルス
幅やピーク出力を変更することで、レーザビームと被加
工物の材料との相互作用時間を適宜制御することが可能
なため、加工品質の安定と生産性の向上とを調節するこ
とで、良好なレーザ加工を施すことができる。
ーザ加工方法によれば、プリント基板の穴開け加工を高
品質かつ生産性良く行うことができる。
ば、レーザビームと加工対象の材料との相互作用時間と
エッチングレートとを適正に制御することが可能とな
り、加工品質の安定とともに、生産性を向上させること
ができる。
ある。
ある。
の状態を示す図である。
面の状態を示す図である。
の状態を示す図である。
面の状態を示す図である。
加工した場合の結果を示す図である。
高くした場合の結果を示す図である。
ダメージの外観を示した図である。
図である。
底の状態を示す図である。
表面の状態を示す図である。
C」における熱影響層の量について示した図である。
力を変えたことによる効果を示す図である。
てバイアホールを加工した断面図である。
数に対してパルス数と加工時間との関係を示した線図で
ある。
ーザ照射予定位置、16 Nパルスレーザ照射穴、18
n1パルスレーザ照射穴、20 (n1+n2)パル
スレーザ照射穴。
Claims (2)
- 【請求項1】 プリント基板に対して複数パルスのレー
ザビームを用いて複数の穴を加工するレーザ加工方法に
おいて、 前記穴の加工に要するレーザビームのパルス数をn分割
(nは2以上の整数)し、その分割された1番目からn
番目までの各分割パルス数のレーザビームを工程別に使
用し、各工程では所定の発振周波数により当該工程にお
けるパルス数のレーザビームを各穴に順次照射して全部
の穴の加工を行い、工程数分だけ穴の加工を繰り返し行
うことを特徴とするレーザ加工方法。 - 【請求項2】 前記穴を加工する複数の工程の途中で、
前記レーザビームのパルス幅またはピーク出力、あるい
はパルス幅およびピーク出力を変更することを特徴とす
る請求項1に記載のレーザ加工方法。
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