JPWO2002081141A1 - 積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

絶縁層（１）とこの絶縁層（１）を介して積層される第一の導体層（４）と第二の導体層（５）とを有する積層材料の被加工部に炭酸ガスレーザ光（６，７）を照射して、前記被加工部の前記第一の導体層（４）と前記絶縁層（１）とを除去して前記第二の導体層（５）に達する止まり穴や溝加工を行う積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法において、レーザ光（６，７）を、エネルギ密度を２５Ｊ／ｃｍ２以上とし、且つ１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビームオン時間でパルス的に被加工部に照射する。

Description

技術分野
この発明は、プリント基板と呼称される積層配線基板において、複数の導体層を電気的に接続するための貫通穴や止まり穴を形成する積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法に関するものである。
背景技術
一般にプリント基板とは、第９図に示すように、樹脂２をガラスクロス３に含浸させ硬化させて形成した絶縁層１の両面に、銅箔による導体層４，５を有する基板のことであり、第１０図に示すような多層に積層された基板形状のものもある。
従来、このようなプリント基板において、絶縁層１の両面にある導体層４，５を電気的に接続するための止まり穴を形成する方法には、以下に示す２通りがある。
１つ目の方法は、炭酸ガスレーザ光を用いる方法であり、炭酸ガスレーザ光は絶縁層１によく吸収されるが導体層にはほとんど反射されることを利用して、レーザ光入射側の導体層４をエッチングやドリル等の炭酸ガスレーザ光以外の方法により除去後、絶縁層のみをレーザ光の照射により加工する。
２つ目の方法は、固体（ＹＡＧなど）レーザ光を用いる方法であり、炭酸ガスレーザ光とは異なり、絶縁層と導体層の両方によく吸収されることを利用して、レーザ光のみにより止まり穴を形成する。
しかし、１つ目の方法においてドリルにより導体層を除去する場合、深さ方向の微調整が困難で、底面の導体層５にダメージが生じないように導体層を安定して除去することはできない。また、エッチングにより導体層を除去する場合では、エッチング工程が複雑であるためにコストが高くなる、といった問題点があった。
さらに、２つ目の方法において固体（ＹＡＧなど）レーザ光により導体層４と絶縁層１を除去する場合、固体レーザのランニングコストが高いため生産コストが高くなる、といった問題点があった。
これら問題を考慮の上、現在は炭酸ガスレーザ光のみにより導体層４と絶縁層１の両方を加工し止まり穴を形成している。
具体的には、炭酸ガスレーザ光に基づく導体層の加工の際に、レーザ光入射側の導体層における炭酸ガスレーザ光の反射が著しく大きいため、安定して導体層を加工すべく照射する炭酸ガスレーザ光のエネルギーを絶縁層のみを加工する場合に比べてかなり大きくすることにより加工を行っている。
第１１図（ａ）に示すようなプリント基板に対して導体層４を確実に除去するために、上述のようにかなり大きなエネルギーの炭酸ガスレーザ光を照射し加工を行うと、加工は１パルスのレーザ光を照射中に第１１図（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）の順に進行し、（ｅ）に示すように、レーザ光入射側の導体層４が穴内に突き出したり、穴形状が中膨れ形状になったり、内層導体層５にダメージが生じるという課題があった。これは、導体層４を加工するために炭酸ガスレーザ光のエネルギーを大きくしているため、絶縁層１に対しては過大な入熱となっているためである。
また、加工を行なうレーザ光入射側、すなわち表面側の導体層４は炭酸ガスレーザ光の反射が著しく大きく、入熱量や入熱後の熱拡散方向が安定しないために、加工穴の真円度が悪くなりやすく、加工穴の真円度をいかにして上げるかという課題があった。
発明の開示
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、レーザ光入射側の導体層を除去する際に、炭酸ガスレーザ光を最適化することによりレーザ光入射側の導体層を安定して除去し、且つ穴形状が中膨れ形状とならない積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を得ることを目的とする。
この目的を達成するために、第１の観点によれば、絶縁層とこの絶縁層を介して積層される第一の導体層と第二の導体層とを有する積層材料の被加工部に炭酸ガスレーザ光を照射して、前記被加工部の前記第一の導体層と前記絶縁層とを除去して前記第二の導体層に達する止まり穴や溝加工を行なう積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法において、前記レーザ光を、エネルギー密度を２５Ｊ／ｃｍ^２以上とし、且つ１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビームＯＮ時間でパルス的に前記被加工部に照射するものである。
また、被加工部の第一の導体層を複数パルスによって除去するときに、先に照射したパルスの照射ビーム径より後に照射したパルスの照射ビーム径を大きくするものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
この発明の第一の実施の形態による積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を、第１図〜第５図を用いて説明する。
この実施の形態は、ガラスクロス３に樹脂２を含浸させ硬化させてできた絶縁層１の表・裏面に導体層４，５を設けた構成の配線基板に対し、レーザ光入射側の導体層４と反対側の導体層５とを電気的に接続するための止まり穴を形成するものである。
なお、ガラスクロス３は基板の電気的信頼性や基板強度を向上させるために存在し、ガラスクロス３に代わる他の材料でもよく、また、必ずしも存在しなくてもよい。
ここで、この実施の形態による積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を用いて加工が行われるプリント基板は、第１図（ａ）に示すように、導体層４は厚さ１２μｍの銅箔であり、導体層５は１８μｍの銅箔であり、基板１は８０μｍのエポキシである。また、狙いとする止まり穴の穴径はφ１００μｍである。
先ず、第１図（ｂ）に示すように、プリント基板の導体層４に、１パルス目として、パルスのビームＯＮ（ビーム照射）時間が３μｓ，エネルギー密度が１５０Ｊ／ｃｍ^２である炭酸ガスレーザ光６を除去を必要とされる導体層４の面積φ１００μｍの範囲に照射し、導体層４と若干の絶縁層１との除去を行なう。
この除去においては、ビームＯＮ時間が１μｓ以上１０μｓ以下であり、エネルギー密度が２５Ｊ／ｃｍ^２以上のレーザ光を用いているため、ビームＯＮ時間が１μｓより短い炭酸ガスレーザ光や１０μｓより長い炭酸ガスレーザ光を、同じ面積に同じエネルギー密度で照射した場合と比較して、炭酸ガスレーザ光のエネルギーが導体層４の除去に効率良く吸収そして消費され、且つ、余分となった炭酸ガスレーザ光が絶縁層１を不必要に大きく加工しないため、１パルスにより導体層４が穴内に突き出したり穴形状が中膨れ形状になることを防止することが可能となる。
ここで、炭酸ガスレーザ光のエネルギーが導体層４の除去に効率良く吸収そして消費され、且つ、余分となったレーザ光が絶縁層１を不必要に大きく加工しない理由について説明する。
第２図には、１パルスのビームＯＮ時間とエネルギー密度とを変化させ、厚さ１２μｍの導体層に照射面積φ１００μｍでレーザ光を照射した場合の、導体層除去の可否を示しており、○は除去可能、×は除去不可能を示している。
また、第２図における○と×の傾向は、導体層の厚さが３〜１２μｍの場合において、ほぼ同様となる。
これは、炭酸ガスレーザ光の吸収率が、導体層の厚さではなく導体層表面におけるレーザ光に対する反射率に大きく起因するためである。
第２図より、ビームＯＮ時間が１μｓ以上においてエネルギー密度を一定とした場合、ビームＯＮ時間が短いほど導体層除去能力が向上し、銅箔の除去が可能となることが分かる。
これは、導体層４を加工するには所定のパワー密度（＝エネルギー密度÷ビームＯＮ時間）を必要とするためである。（パワー密度は、一般的な３〜１２μｍの銅箔の除去において、１０^７Ｗ／ｃｍ^２以上が必要とされる。）
もし、ビームＯＮ時間が長くパワー密度が低いレーザ光を照射した場合、導体層４、すなわち銅箔の熱伝導率が高いため、銅箔に吸収された熱が周辺に逃げてしまい、銅箔を効率良く除去できない。
また、第２図より、ビームＯＮ時間が１μｓ未満になると１μｓ以上の場合と比較して、導体層を除去するにはより大きなエネルギー密度を必要としていることが分かる。
導体層４を加工するにはパワー密度を必要とするが、ビームＯＮ時間が短くパワー密度が大き過ぎるレーザ光を照射したため、銅箔に吸収された熱が周辺に拡散することが困難となり、レーザ照射部（銅箔）のみが過剰に加熱される。
レーザ光はレーザ照射部（銅箔）の温度を過剰に上昇させることに消費されるため、１パルス当たりの除去体積が極端に小さくなるためである。
さらにここで、第３図には、１パルスのエネルギー密度を１０，２０，３０Ｊ／ｃｍ^２とし、厚さ５００μｍのエポキシのみの基板に対し、照射面積φ１００μｍのレーザ光を照射した場合の、ビームＯＮ時間に対する絶縁層１の穴深さとの関係を示している。
第３図より、ビームＯＮ時間が長く且つエネルギー密度が大きいほど絶縁層１を深く除去していることが分かる。
絶縁層１を除去し導体層５にて止まる止まり穴を形成する場合、絶縁層１の厚さには限りがあるため、除去深さが絶縁層１の厚さに到達した後は、絶縁層の除去は入射レーザ光の進行方向に対して垂直方向に進行するため、止まり穴は中膨れ形状となる。
同じエネルギー密度の場合、ビームＯＮ時間が短いほど、パワー密度が高いため、熱がレーザ光照射部周辺に拡散する前にレーザ光照射部（樹脂）のみが過剰に加熱され、レーザ光照射部の温度が高くなり、そのため、１パルス当たりの除去体積が小さくなり、穴深さが浅くなる。
逆に、ビームＯＮ時間が長いほど、パワー密度が低いため、熱がレーザ光照射部周辺（深さ方向）に拡散するため、１パルス当たりの除去体積が大きくなり、穴深さが深くなる。
この実施の形態のものでは、ビームＯＮ時間を１μｓ以上１０μｓ以下の範囲としているため、上記理由により穴深さが浅くなり、表面の導体層を除去した後に絶縁層が必要以上に深く除去されたり、止まり穴が中膨れ形状となったりすることを防止することが可能である。
さらにここで、第４図には、１パルスのエネルギー密度を１００，１５０，２００，２５０Ｊ／ｃｍ^２一定とした場合の、ビームＯＮ時間に対する穴形状の中膨れ率の関係を示しており、穴形状の中膨れ率とは、
（中膨れ率）＝１００×｛（絶縁層の穴径）−（レーザ光入射側の導体層の穴径）｝／（レーザ光入射側の導体層の穴径）
により計算されており、導体層が穴内に突き出したり穴形状が中膨れ形状となっていない場合は０（％）となっている。
第４図より、ビームＯＮ時間が長いほど、中膨れ率が上昇していることが分かる。
つまりこれは、パルス幅が長い場合、パワー密度が低くなるために絶縁層が深く除去されるためである。
さらにエネルギー密度が大きいほど、中膨れ率が上昇していることが分かる。
つまりこれは、エネルギー密度が大きい場合、絶縁層が深く除去されるためである。
第２図と第４図の結果を統合した第５図より、ビームＯＮ時間が１〜１０μｓ以下の場合、表面銅箔を除去可能で、かつ中膨れ率が１０％以下となり、この範囲のビームＯＮ時間が適切なビームＯＮ時間であることが分かる。
但し、この適切なビームＯＮ時間は、表面の導体層及び絶縁層の厚さにより若干変化すると思われる。
特開平９−１０７１６８号公報に、ビームＯＮ時間が１０μｓ〜２００μｓであり、エネルギー密度が２０Ｊ／ｃｍ^２以上であるレーザ光を用いたレーザ加工方法が提案されている。
しかし、特開平９−１０７１６８号公報に挙げられた条件に相当する第５図のａの領域は、樹脂のみを効率良く除去する点においては適しているが、この明細書で対象としている、銅箔の効率良い除去と中膨れ形状の防止とを両立させる必要があるような加工においては適していないことを示している。
また、特開平１０−３２３７７７号公報に、ビームＯＮ時間が３μｓ〜４μｓであり、エネルギー密度が２２Ｊ／ｃｍ^２以下であるレーザ光を用いたレーザ加工方法が提案されている。
しかし、第５図のｂに示した領域は、特開平１０−３２３７７７号公報に挙げられた条件に相当する領域であるが、この領域はエネルギー密度が２２Ｊ／ｃｍ２以下と低く、導体層を安定して除去するためのエネルギー密度２５Ｊ／ｃｍ２を確保できないため、この明細書で対象としているような、導体層（銅箔など）を効率良く除去する必要がある加工に対しては適していないことを示している。
次に、レーザ光６を照射後に残る１図（ｂ）に示すような絶縁層１を加工するために、１パルス目としてのレーザ光６を照射後に、２パルス目以降として、１図（ｃ）に示すようなレーザ光７を照射することにより、残った絶縁層１の加工を行なうことにより止まり穴の形成を完成させる。
ここで、レーザ光７は、導体層ではなく絶縁層のみを加工すればよく、本特許に示すようなエネルギー密度やパルス幅を必要としないため、絶縁層の除去加工に適した、例えば特開平９−１０７１６８号公報等に提案してあるようなビームＯＮ時間が１０μｓ〜２００μｓであり、エネルギー密度が２０Ｊ／ｃｍ^２以上であるレーザ光を用いることが望ましい。さらに、穴形状が中膨れ形状となることを防止するには、エネルギー密度を小さくすることが望ましい。
エネルギー密度が高すぎる場合、第９図（ｅ）のように過剰となったレーザ光が導体層５により反射され、壁面の絶縁層を除去するため穴形状が中膨れ形状となる。
この実施の形態では、１５μｓ，５０Ｊ／ｃｍ^２とすることにより表面銅箔の突き出しや穴形状が中膨れ形状とならずに、かつ絶縁層の加工残りのない良好な止まり穴が形成することができる。
実施の形態２．
次に、この発明の第二の実施の形態による積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を、第６図〜第８図を用いて説明する。第６図（ａ）に示すような配線基板に対して、先ず、第６図（ｂ）に示すように、配線基板の導体層４に、ビームＯＮ時間が３μｓ，エネルギー密度が１５０Ｊ／ｃｍ^２であるレーザ光８を、最終的に除去を必要とされる導体層４の面積φ１００μｍより小さい面積φ５０μｍに照射し、導体層４と若干の絶縁層１の除去を行なう。この除去において、ビームＯＮ時間が１μｓ以上１０μｓ以下であり、且つエネルギー密度が２５Ｊ／ｃｍ^２以上であるレーザ光を用いているため、レーザ光のエネルギーが効率良く導体層４を除去し、かつ、余分となったレーザ光が絶縁層１を不必要に大きく加工しないため、１パルスにより導体層４が穴内に突き出したり穴形状が中膨れ形状になることを防止することが可能となる。
次に、第６図（ｃ）に示すように、除去を必要とされる導体層４の面積φ１００μｍに、ビームＯＮ時間が３μｓであり、エネルギー密度が１５０Ｊ／ｃｍ^２であるレーザ光６を、レーザ光８を照射後の導体層４の加工穴の位置に、重ねて照射することにより、大面積の導体層４の除去を行なう。
ここで第７図は、１２μｍの厚さの銅箔に対して照射面積の異なるレーザ光を２パルス照射した場合の、加工穴の真円度（＝１００×短径／長径）をＹ軸に示しており、Ｘ軸は１パルス目のレーザ光照射面積を示している。２パルス目のレーザ光照射面積はφ１００μｍに固定している。この図より、１パルス目の照射面積がφ６０μｍ以下の場合に、真円度が向上していることが分かる。ここで、加工穴の真円度は、一般的に９０％以上を必要とされている。
１パルスのみで導体層を除去する場合、導体表面に汚れや傷がありレーザ光吸収率の高い部分があるとこの部分から温度上昇が生じる。この場合、吸収率の高い部分がレーザ光照射中心に無いと第８図（ｂ）に示すように温度分布は真円とならず楕円となり易い。このため１パルス照射の場合は加工穴の真円度が低下しやすい。
しかし、ビーム径の異なる２パルスにより導体層を除去する場合、第８図に２パルス以上のレーザ光を照射した場合の加工部の温度分布を示すが、１パルス目で小径穴を加工し、ついで大きなレーザ光を照射することにより、２パルス目のレーザ光照射中の温度上昇が１パルス目で形成した穴を中心として放射状に生じるため、温度分布は第８図（ａ）に示すように１パルス目で形成された穴を中心とした円形になる。除去現象はこの温度分布に従って生じるため、真円度の高い加工穴が得られる。
特開平９−２３９５７３号公報に、１パルス目にビームＯＮ時間が１０μｓ〜２０ｍｓのレーザ光により加工を行ない、２パルス目に照射面積が１パルス目よりも大きく、ビームＯＮ時間が２００ｎｓ以下のレーザ光により加工を行なうレーザ加工方法が提案されている。しかし、レーザ光の照射面積を１パルス目より２パルス目を大きくする目的は、絶縁層における熱変質層の除去や樹脂残留膜を除去するためであり、ビーム径を変化させる目的やビームＯＮ時間の領域（第５図のｃに示す範囲）もこの発明のレーザ加工方法とは異なるものである。
次に、第６図（ｃ）において、レーザ光８，６（２パルス）を照射後に残る絶縁層１を加工するために、レーザ光６を照射した後に、第１図（ｄ）に示したレーザ光７に相当する条件のレーザ光を照射し、残った絶縁層１の加工を行なうことにより、全３パルスにより止まり穴を形成する。この実施の形態では３パルス目のレーザ光を１μｓ，５０Ｊ／ｃｍ^２とすることにより、表面の真円度が高く、表面銅箔の突き出しや穴形状が中膨れ形状とならずに、且つ絶縁層の加工残りのない良好な止まり穴を形成することができた。
以上に述べたように、この発明によるレーザ加工方法を用いると、レーザ光を、エネルギー密度を２５Ｊ／ｃｍ^２以上とし、１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビーム照射時間でパルス的に被加工部に照射することにより、表面の導体層が穴内に突き出したり穴形状が中膨れ形状になることを防止することができる、といった効果を奏する。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる炭酸ガスレーザ加工方法は、複数の導体層を電気的に接続するための貫通穴や止まり穴を形成する積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。
第２図は、厚さ１２μｍ銅箔のレーザ光に対する除去特性を示す図である。
第３図は、エネルギー密度及びビームＯＮ時間に対する加工穴深さの関係を示す図である。
第４図は、ビームＯＮ時間に対する穴形状の中膨れ率を示す図である。
第５図は、比較例としてのレーザ加工方法による厚さ１２μｍ銅箔のレーザ光に対する除去特性を示す図である。
第６図は、この発明の第二の実施の形態によるレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。
第７図は、レーザ光照射面積に対する加工穴の真円度を示す図である。
第８図は、加工部の温度分布を示す図である。
第９図は、一般的なプリント基板の断面図である。
第１０図は、一般的な多層積層プリント基板の断面図である。
第１１図は、従来のレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。

Claims (2)

1. 絶縁層とこの絶縁層を介して積層される第一の導体層と第二の導体層とを有する積層材料の被加工部に炭酸ガスレーザ光を照射して、前記被加工部の前記第一の導体層と前記絶縁層とを除去して前記第二の導体層に達する止まり穴や溝加工を行なう積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法において、前記レーザ光を、エネルギー密度を２５Ｊ／ｃｍ^２以上とし、且つ１μｓ以上１０μｓ以下の範囲のビームＯＮ時間でパルス的に前記被加工部に照射することを特徴とする積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法。
2. 被加工部の第一の導体層を複数パルスによって除去するときに、先に照射したパルスの照射ビーム径より後に照射したパルスの照射ビーム径を大きくすることを特徴とする請求の範囲１に記載の積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法。

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