JPS5927791A - 複合材料穴あけ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の対象 本発明は、レーザ、　′Ｒｆ、子ビーノビ−１１等放射
エネルギービーム複合材料の穴あけ方法に関する。

従来技術 複合材料、たとえば銅層と樹脂層とが交互に析層したプ
リント基板等は、従来ドリルによって機械的に穴あけを
行っていた。最近のプリント基板は、高密度実装化の傾
向によって穴径も小さくなり、レーザ等放射エネルギー
ビームによる穴あけも実施されているが、以下に示す問
題がある。

第１図は、銅層１．樹脂層２および銅層３０５Ｍから成
る複合材料の断面図を示す。これを通常のレーザ加工装
置により穴あけを行うと、第２図の同材料断面図に示す
ように均一径の穴、があけられず、銅層１の穴径に比べ
て樹脂１１２０八径が大きくなりかつ不均一となる。こ
のような穴が形成される理由は、第１Ｋ銅層１．５と樹
脂層２を穴あけするに必要なエネルギー量が異なってお
り、同一のエネルギー量で穴あけを行うと、樹脂層２に
対して過剰エネルギーとなるためであり、その結果、そ
の穴径が鋼層１゜３の穴径より大きくなる。第２に銅層
１の穴あけ加工中に熱伝導により樹脂層２が熱エネルギ
ーを受けるためであり、その結果、樹脂層２の穴径は不
均一になる。

発明の目的 本発明の目的は、放射エネルギービームに」゛る複合材
料の八あけ加工にふ・いて、該複合月別に均一径の穴な
あけるために、該材料各１１１４に最適なエネルギーＭ
をもつ′〔ビームを照射１−る方法を提供することであ
る。

本発明は、放射エネルギ・−ビームにより複数種類の層
がｆｌ￥層された複合月別に穴あけを−ｒる方法圧おい
て、各層とと圧放射エネルギービームの最適出力エネル
ギー量を設定し、放射エネルギービームによる穴あけが
異なる層に到達−４−ることを検出し、これに応じ”Ｃ
放射エネルギ−ビームの最適出力エネルギー１１ｉ、′
ｆａ：前記設定された値になるように制御する方法’ａ
：　’ｌ’４ｊ　＜改と′ｆろ。

この方法によって、複合材料の各層にｙ（つ−こ均一な
径の穴あけを行うことができる。

本発明の方法には、次のような冥ｈｌｕ　？、１様があ
る。

（α）放射エネルギービームの複合材料の穴底からの反
射光の変化を検出することＫ」、す、該放射エネルギー
ビームによる人あけが異なる層に到達したことを検出す
る方法。

（１！１１　　放射エネルギービームとは別に設けられ
た検出用レーザビームを照射し、該レーザヒ−トの複合
材料穴底からの反射光の変化を検出することにより、該
放射エネルギービームによる穴あけが異なる層に到達し
たことを検出する方法。

（Ｃ）　　複合材料の各層ととに放射エネルギービーム
の照射時間を測定し、該照射時間の経過によって該放射
エネルギービームによる穴あけが外なる層に到達したこ
とを検出する方法。

発明の実施例 以下本発明の一実施例を第３図〜第９図により説明する
。

第３図は、本発明の一実施例として使用する複合材料穴
あけ装置の構成を示すブロック図である。第６図におい
て矢印をもった細線はビームおよびその進行方向を示し
、矢印をもった太線は制御の流れを示ず。加工用ビーム
発生装置５は、複合材料４の穴あけを行うための加工用
ビーム７を発生する装置である。加工用ビーノ・７は、
加工用ビーム発生装置５から出力される加工用のレーザ
ビームまたは１ｔｔ子ビームである。

加工用ビーム発生装置ｉｔ５として、７ことえばＣ″ａ
２ａ２レーザＧレーザ、ガラスレーザまたは電子ビーム
発生装置など複合材料４に適したものを選択すればよい
。加工用ビーム制御ｌｌ型【ルー６は、加工用ビーム発
生装置５に対する１１７．源装置である。集光レンズ９
は、加工用ヒート７がレーザヒートである場合に、該ビ
ーム集元用１／ンズである。集光レンズ９はまた、後述
−「るように、検出用ビーム１２の集光にも用いられる
。加工用ビーム７が電子ビームの場合に（コー、図示し
ていないが、集光レンズ９の他に電子ビームの集束機構
が必要である。このとき集光レンズ９の中心部は、該電
子ビームが通過するに足りるだけの部分が取り除かれて
いる。検１］−冒１］ビーム発生装置１１は、検出用ビ
ームを発生するレーザ装置ｒＩ′であり、検出用ビーム
１２け１、該検出用ヒーＪ−発生装置１１から出力され
る検出用のレーリ゛ヒートである。たとえば１ｉｅ−Ｎ
ｅレーザなどを選択すればよい。検出ビーム注入鏡８は
、加工用ビーム７に検出用ビーム１２を重ねるためのも
ので、たとえば第４図に示すようなものである。第４図
は、検出ビーム注入鏡８の断面を示すもので、その中心
部に加工用ビーム７が通過するに足りるだけの部分が取
り除かれており、その周辺部によって検出用ビーム１２
が反射され、加工用ビーム７と同じ方向に向けて注入さ
れるようになっている。検出ビーム注入鏡８は、加工用
ビーム７によっては上記例の代りにハーフミラ−を用い
てもよい。検出ビーム反射鏡１ｏは、加工用ビーム７を
通過させ、複合材料４から反射される検出用ビーム１２
を集めるためのもので、たとえば第５図に示すようなも
のである。第５図は、検出ビーム反射鏡１０とその周辺
の集光レンズ９゜複合材料４および集光レンズ１４との
位置関係を示す断面図である。この例では、検出ビーム
反射鏡１０は凹面鏡になっており、その中心部忙加工用
ビーム７および注入される検出用ビーム１２が通過する
に足りるだけの部分が取り除かれＣいる。またその周辺
部によって初会（７３料４から反射される検出用ビーノ
・１２が反射されるようになっている。検出ビーム反射
鏡１　［１＆：ｔ、加工用ビーｌ、７０種類によっては
−に記例の代りにハーフミラ−を用いてもよい。集光１
７ンズ１４は、検出ビーム反射鏡１０によって反射され
４）検１１．１１［ｊビーム１２を集光するためのもの
である。検出器＋　５　ｔ、ｒ−集光レンズ１４で集光
さ７する検出用ビーｌ、１２の）１；強度を検出する器
具で、ある。

ここで加工用ビーム７および検出用ビーム１２の進行状
況をたどる。加工用ビーム発生装＠５から出力される加
工用ビーム７は、検出ビート注入鏡８を通過し、集光レ
ンズ９で集光され・ｒたは単に通過し、検出ビーム反射
鏡１０を通過ｔ２て、複合材料４０表面に焦点を結ぶ。

検出用ビーム発生装置１１かも出力される検出用ビー１
．１２は、検出ビーム注入鏡８によって加工用ビーム・
７と同じ下向きに重ねられ、４ト光レンズ９で４（シ光
され、検出ビーム反射鏡１０を通３ｂｌロー、て摺合４
（料４の表面近くで焦点ケ結ぶ。複合材料Δで反射した
検出用ビーム１２の一部は、検出ビーム反射鏡１０で反
射された後、集光レンズ１４によって集光され、検出器
１５に人力される。なお複合材料４に投入さＪまた加工
用ビーム７もその一部は該複合材料４上で反射され、検
出ビーム反射鏡１［］で反射された後、集光レンズ＋４
［よって集光され、検出器＋３１／ｆｉ入力される。

ここで検出ビーム反射Ｆ　１ｏとぞの周辺の集光レンズ
９．複合材料４および集光レンズ１４との位置関係につ
いて、第５図により補足説明する。

第５図は、各構成要素を断面°Ｃ示すものである。

検出ビーム反射鏡１ｏの凹面鏡の中心な０とし、断面の
両端をＭ、Ｎとし、長さＡｆ　ＱをＳとする。

また集光レンズ９がら複合材料４までの距離、す１工わ
ち集光レンズ９の焦点１？ｆｉ　ｌ’ｉｆ、をｆとし、
盾Ｏと複合材Ｊ’）　４との距離をＡとする。複合材料
４における加工穴の深さ、すなわち第５図の１）　Ｅ間
の距離なＸとする。また検出ビーム反射鏡１０の傾き、
すなわち点０と該凹面鏡の中心Ｃ゛とを結ぶ直線の垂直
な直線Ｕ　ｌ）に対する角度、をαとする。また集光レ
ンズ９に入射される加工用ビーム７または検出用ビート
１２のうち犬ぎい方のビーム径をｄｏとし、点ＯＶｃお
けるビート径をｄｌとする。また加工穴の径をｄｌどす
る。

まず凹面鏡の幅ＭＮは、点０におけイ）ビート径ｄ１よ
り大きくなげればならないから、２Ｓ＞ｄｌ　　　ここ
に、ｄ＋　−−ｄｏ　　−・＝−（イ）ｆ である。次に集光レンズ９と複合拐料４との間に検出ビ
ーム反射鏡１ｏが挿入されるためには、ｆ　＞　２５　
＠ｓｉｎα　・・・・・・・・山・・旧・・・・・（ｒ
−＋１である。最後に加工穴の底Ｅで反射する検出用ビ
ームが点０の地点でビーム径ｒｔ１より広がっていなけ
ればならないから、 でなげればならない。ただし３：Ｔｎ（Ｉｒ＆ｔ、　、
Ｔの最大値であり、通常の場合、複合拐料４の板Ｊワに
相当する。上記信１　、　（ｕｌ　、（ハ）を満足する
」、うに、集光レンズ９．検出ビーム反射鏡１ｏおよび
ビーｌ、径ｄＯを選択することは可能である。

次に第５図のブロック図の説明に戻ると、検出器１５は
、検出用ビーム１２を分離するためのフィルター、反射
光の強さを電流の大きさに変換する変換器を含むもので
ある。出力制御部１５は、入力インタフェース、マイク
ロコンビａ　−夕等の計３１゜機および出力インタフェ
ースで構成される。入力インタフー−スは、検出器１５
の出力電圧を１−Ｄ（アナログ−ディジクル）変換する
機構を含む。マイクロコンピュータ等の計算機は、後述
するように、複合材料４の各層について最適のエネルギ
ーｍ′または最適のエネルギー量と所要時間のデータを
記憶しており、このデータに基づいて加工用ビーム制御
電源６を制御する。出力インタフー−スは、加工用ビー
ム制御電源６の供給電圧または電流を変えるものである
。たとえばレーザ加工の場合には、ノくルス・レーザの
パルス幅および／または尖頭出力電圧を変更するために
、放電回路の放電電圧または放電電流を変化させる。外
部信号１６は、穴あけ加工を開始させるために外部から
出力制御部１５に与える信号である。焦点側ｆｆ１１部
１／は、複合材料４の加工穴深さに応じて加Ｔ用ビーム
７σ〕熱点の位置を移動していく場合に使用ずろもので
あり、出力制御部１５によりビーノ・出力制御に合わせ
て、機械的に集光レンズ９を移動させるもので・ちる。

次に本発明の一実施例として使用する複合拐料穴あけ装
置の動作を説明する。まず検出用ビー　１．発生装置１
１から検出用ビーム１２を連続発振させている状態で、
出力制御部１５は複合Ｉ料４からの該検出用ビーム１２
の反射光も・検出器１５を経由１２てとらえろ。外部信
号１６から穴あけ加］二開始のヌク−ｌ−信号を受けた
とき、出力制御１１シ１５は、たとえば第１図に示すプ
リント基板であれば、銅層１に対する最適エネルギーｈ
１のデータを使って加工用ビーム発生装置５の出力を調
整し、加工用ビーム７を照射する。このとき必要あれば
、焦点制御部１７を経由して集光レンズ９の位置を移動
し、加工用ビーム７の焦点の位置を移動させてもよい。

検出器１５を経由して検出する検出用ビーム１２０強度
が急激に減少したときは加工用ビーム７が次の層に到達
したことを意味し、次の層である樹脂層２に対する最適
エネルギー量のデータを使つ【加工用ビーム発生装＠、
５の出力を調整し、加工用ビーム７を照射する。以下同
様に最後の層の穴あけが完了するまで上記の穴あげ加工
を進めていく。穴あけ加工が終了すると、次釦外部信号
１６からスタート信号を受けるまで出力制御部１５は待
機する。

なお出力制御部１５は、各穴あけ加工ごとに各層の所要
時間を統計データとして採取してもよい。

また出力制御部１５は、あらかじめ決められた制限時間
以内に反射光の急激な変化が得られないとき、穴あけ加
工を停市し、外部に警報する機能をもつことが可能であ
る。

本発明の複合材料穴あけ装置の他の実施例に関連して、
加工用ビーム発生装置５がレーザ発生装置等で加工用ビ
ーム７を利用して検出が可能な場合であれば、検出用ビ
ーム発生装置１１を特に設けず、加工用ビーム７０反射
光の変化によって加工用ビーム発生装置５の出力制御を
行ってもよい。この場合には、第３図における検出用ビ
ーム発生装置１１、検出用ビーム１２および検出ビーム
注入鏡８は不要であイ）。

次に複合材料４の各層における反射光の強ｊｕ−の変化
の状況を第６図を用いて説明ス゛る。第６図は、第１図
に示すように銅−オ６１脂−銅の３層より成るプリント
基板において、検出器１５が検出する反射光の強度−と
時刻ｔとの関係る・示−３工を開始する時点であり、最
大の反射光強度ｉ１こと圧よって、反射光強度は急激に
減少し”〔ｔ２となり、反射光強度の時ＩＶＩに対−す
る変化率が急激に変わる。時刻ｔ２からｔ３までは、４
１７（脂層２の穴あけを進めている時間で、加工への中
での反射光の吸収がふえるなどのために反射光強度は漸
減する。時刻ｔ３は、銅ＴＶＩ３にぶつかった時点であ
り、ここで反射光は急激にふえてＬ３となり反射光強度
の変化率が急激に変わる。以後反１″光強度は漸減し、
時刻ｔ４で八あけが完了するため反射光強度は急激に減
少する。なお加工用ビーム発生装置５としてレーザを用
い、かつ検出用ビーム発生装Ｗ１１を用いる場合には、
加工用ビーム７と検出用ビーム１２０波長の違いから集
光レンズ９を通過する両ビームの焦点距離が異なる。こ
の場合、加工用ビーム７について複合拐料４上に焦点を
合わせると、検出用ビーム１２の複合材料４上のビーム
径が広がるから、複合材料４上表面からの反射光が大き
くなる。これを防ぐためには、複合材料４上表面に検出
用ビーム１２の吸収層を設けるのがよい。

次に上記反射）を強度の変化圧対する加工用ビーム発生
装置５の出力制御の状況を第７図を用いて説明する。第
７図は、必要な出力エネルギー量Ｗと時刻ｔとの関係を
示す図であり、縦軸にエネルギー量Ｗをとり、横軸に時
刻ｔをとっている。第７図の時刻ｔ＋　、　ｔ２．　ｉ
ｓ　、　Ｉ！４はそれぞれ第６図に示す時刻と同じであ
る。図の実線は時刻ｔ１からｔ２まで一定のエネルギー
量ｗ＋を加え、ｔ２からｔ３まで一定のエネルギーｉｉ
、ｗ２を加え、ｔ５からｔ４まで一定のエネルギー量（
１ｒ５’ｌｙ加えることを示している。なおｔｌ−ｔ２
　、　ｔ２−１３およびｔ３−　ｔＡ各区間で出力エネ
ルギー量は一定にしでおき、焦点制御部１７を用いて集
光レンズ９の焦点を移動して行ってもよい。または焦点
制御部１７を用いずに集）ｔレンズ９の焦点は複合材料
４０表面に固定しておき、第７図の点線で示すように加
工用ビーム発生装置５の出力エネルギー量を？ｌｆｉ増
させてもよい。

次に最適エネルギー量と加工用ビーム７の照射時間との
関係について、第８図を用いて説明−「る。第８図は、
縦軸に出力エネルギー１７１ヲＶをとり、横軸に加工用
ビーム７の照射時間ｔをとっている。第８図は、複合材
料４の各層ごとに以外の領域は、エネルギー不足かまた
はエネルギー過剰であって穴あけには適さ１．ｃい領域
である。網目の領域Ｂは、ある層から他の層への熱伝導
の影響をも考慮した最適のエネルギー量を与える領域で
ある。領域ｌは、領域Ｂを包含している。ここで領域Ａ
および領域Ｂの求め方について述べる。領域Ａは、複合
材料４の各層一枚について出力エネルギー量ｗと照射時
間ｔを変えてみて求めればよい。領域Ｂは、このような
領域Ａの中の点から、熱伝導の影響を考慮して実際の複
合材料４を使って最適のエネルギー量を与える領域であ
る。たとえば第９図に示すような方法によっ′Ｃ求める
。第９図は、第１図に示す複合材料の断面図であって、
（（Ｚｌは穴あけの行われていプよいもの、（ｂ）は銅
層１にあらかじめ穴あけを行ったもの、（Ｃ）は銅層３
１と樹脂層２にあらかじめ穴あけを行ったものである。

銅層１の穴あけについては、該銅Ｍ１の領域Ａについて
のデータから出力エネルギー量と時間を選び、（ａｌの
複合材料を使って銅Ｉｖ１１の穴あけを行い、仕上がり
の状態のよい出力エネルギー量と時間を最適エネルギー
量として選択し、銅層１についての領域Ｂのデータを作
り上げ７；）。

樹脂層２については、該樹脂層２の領域ｌと（／Ｉ）の
複合拐料な使って、同様に例＋ｊｑｔｎ２についＣの領
域Ｂのデータを作り上げる二また銅ルク３についても、
該銅層６の領域Ａと（Ｃ）の複合拐料を使って、同様に
銅層３につい”Ｃの領域Ｂのデータを作り上げる。ここ
で得られた領域１３のデータは、出力エネルギー館、ま
たは出力エネルギー量と照射時間、とし゛Ｃ出力制御部
１５のマーｆりＵコンピュータ等の計Ｗ、機に貯えられ
、加工用ビーム７の出力制御のために使用されイ）。

以上本発明の方法に使用される装置の例ふ・よび各層の
最適出力エネルギー量ケ測定−（゛る方法圧ついて述べ
てきたが、ここで本発明のＮ合月料穴あけ方法の５つの
実１１［ｉ例について砦約する。

第１の笑施例は、まず上記した方法に」、す、複合拐料
の各層にづいて領域Ｂのデ・−タを作成する。次にこの
ようにしＣｍられたデータのうちから各層の出力エネル
ギーｊＡ−のデータのみを選択し、第６図の出力制御部
１５の−ｒ−（クロコンピユータ等の記憶装置に貯える
。この方法に使用する複合材料穴あけ装置は、検出用ビ
ームを使用せず、前記した加工用ビーム発生装置５がレ
ーザ発生装置であり、検出用ビーム発生装置１１のない
装置である。また焦点制御部１７は必要に応じ使用して
もよい。以下該・レーザビームの複合拐料穴底からの反
射光の変化を検出し、出力制御部１５に記憶している各
層の出力エネルギー　ｌｉのデータを使って、加工用ビ
ーム発生装置５の加工用ビーム制御電源６を制御し、最
適の投入エネルギー条件によって穴あげ加工を行うこと
ができる。

第２の実施例は、まず上記した方法によし、複合材料の
各層について領域Ｂのデータを作成する。次にこのよう
にして得られたデータのうちから各層の出力エネルギー
油のデータのみン選択し、第５図の出力制御部１５０マ
イクロコンビ＝−夕等の記憶装置に貯える。この方法に
使用する複合材料穴あげ装置は、検出用ビームを使用し
、第５図の構成をもった装置である。ただし焦点制御部
１７は必要に応じ使用してもよい。

以下検出用レーザビームの複合拐刺穴底からの反射光の
変化を検出し、出；’Ｊ　ｆｌｉＵ　ｍ１１部１５に記
憶している各層の出力エネルギー量のデータな使って、
加工用ビーム発生装置５の加工用ビート制御電源６を制
御し、最適の投入エネルギー条件によって穴あけ加工を
行うことができる。

第３の実施例は、まず上記した方法により、複合材料の
各層について領域Ｂのデータを作成する。次にこのよう
にして得られたデータを第６図の出力制御部１５のマイ
クロコンビーータ等の記憶装置に貯える。この方法に使
用する複合材料穴あけ装置においては、反射Ｘ　Ｏ）検
出を行わないので、第３図の検出ビート注入鏡８．検出
ビーム反射鏡１０．検出用ビーム発生装置１１゜検出用
ビーム１２．集光レンズ１４お」：び検出器１５は不要
である。焦点制御部１７は必要に応じ使用してもよい。

以下出力側ｉｌ１部１５に記１．（￥している各層につ
いての領域Ｂのデータを使って加工用ビーム発生製例５
の加工用ビーム制徊１′ｉ′１′τ、曽６を制御し、最
適の投入エネルギー条件によって穴あけ加工を行うこと
ができる。。

ｌｆｆお上記説明から明らかなように、本発明の方法に
よりば、多層Ｋ　７’：ｃっだ複合材料の最上層から順
に任意の層までの穴あけを行うことも容易に実行できる
。

発明の効果 本発明によれば、放射エネルギービームＩＣ４る複合材
料の穴あけ加工において、該複合拐料に均一径の穴をあ
けるために、該材料各層に最適ｙｘエネルギー量を照射
する方法を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合材料例の断面図、第２図は従来の方法によ
り穴あけされた複合材料例の断面図、第５図は本発明の
一実施例に使用する複合材料穴あけ装置の構成を示すブ
ロック図、第４図は検出ビーｌ、注入鏡８（−例）の断
面図、第５図は検出ビーム反射鏡１０（−例）およびそ
の周辺の構成ブロックの位置関係を示す断面図、第６図
は第１図に示す複合材料例について反射光の強度と時刻
との関係を示す図、第７図は第６図の特性をもった複合
拐料例につい゛（必ｖ、ｒ；　’１，１出カエネルギー
緻と時刻との関係を示−Ｊ゛図、８ｒ４’　８図は各層
について可能な投下エネルギー１ｒｉ（ＩＪＩ力エネル
ギーＸ時間）の領域を示す図、ｉｐ　９図は第８図の領
域Ｂを求めるため釦使用する複合月料例の断面図である
。 １・・・銅層、２・・・樹脂層、６・・・銅層、４・・
・複自拐料、５・・・加工用ビーム発生装置、６・・・
加工用ビーム制御電源、７・・・加工用ビート、８・・
・検出ビーム注入鏡、９・・・集光レンズ、１０・・・
検出ビーム反射鏡、１１・・・検出用ビーム発生装置、
１２・・・検出用ビーム、　［・・・検出器、１４・・
・集）“（］レンズ、１５・・・出力制７ｊ１１部 、゛）“　１　閃 第４−四 オ　５１２１ 第２口 、胃・？　図 ；＝？５　　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　放射エネルギービームにより複数種類の層が積層
   された複合羽料忙穴あけをする方法において、前記各層
   ととに放射エネルギービームの最適−１１Ｆカエネルギ
   ー量を設定し、前記放射エネルギービームによる穴あけ
   が異なる層に到達することを検出し、これに応じて前記
   放射エネルギービームの最適出力エネルギー景を前記設
   定された値になるよう圧制御し、各層に亘って均一な径
   の大あけを行うことを特徴とする複合材料穴あげ方法。 ２　前記放射エネルギービームの前記複合材料の大底か
   らの反射光の変化を検出することにより、該放射エネル
   ギービームによる穴あけが異１ぶる層に到達したことを
   検出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   複合材料穴あげ方法。 ５　前記放射エネルギービームとは別に設けられた検出
   用レーザビームを照射し、該レーザビームの前記複合材
   料穴底からの反射）℃の変化を検出すること九より、該
   放射エネルギーヒートによる穴あげが異なる層に到達し
   たことを検出することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の複合材料穴あけ方法０ ４、　前記複合材料の各層ごとに前記放射エネルギービ
   ームの照射時間を測定し、該照射時間の経過によって該
   ５放射エネルギービーｌ、による八あけが異なる層に到
   達したことを検出することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の複合材料穴あけ方法。