(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザツールの操作により実際材料のターゲット領域から材料の高速除去を行う方法であって、
前記ターゲット領域はターゲット中心を通って延びるターゲット直径によって規定される円状のターゲット周囲を有し、
前記レーザツールはレーザビームが伝播するビーム軸を規定しており、
前記レーザビームは前記ターゲット領域に、前記ターゲット直径より小さい直径を有するレーザスポットを規定しており、
前記ターゲット領域からの材料除去のプロセスを可能にするために前記ターゲット領域内の選択位置へ前記ビーム軸を案内するために前記ビーム軸及び前記ターゲット領域間の相対運動を引き起こし、
前記ターゲット周囲の外側の開始位置から出発して前記ターゲット領域における入口位置で終了する入口軌跡に沿って前記ビーム軸を入口セグメント加速度で案内し、
前記レーザスポットを位置決めするために、そしてそれにより前記ターゲット周囲の円状セグメントに沿って材料を除去するために前記ターゲット領域内で円状周囲部加速度にて前記ビーム軸を移動させ、
前記入口セグメント加速度及び前記円状周囲部加速度を、前記入口セグメント加速度の値が前記円状周囲部加速度の２倍より小さい値となるような値に設定し、
前記入口位置は前記レーザビームが前記ターゲット領域で開始される位置に対応する、材料の高速除去方法。
【請求項２】
前記入口位置は、前記レーザスポットが前記ターゲット周囲の前記円状セグメントに配置されるようになっており、
前記ビーム軸は前記ターゲット周囲の前記円状セグメント上の位置から前記ターゲット領域を退出する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入口位置は、前記レーザスポットが、前記ターゲット中心及び、前記ターゲット中心から徐々に離れ前記ターゲット周囲の前記円状セグメントへ至る曲線経路に沿って材料を除去するように、前記ターゲット中心に近接して配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記入口位置は第１の入口位置を構成し、前記曲線経路は第１の曲線経路を構成し、さらに、
前記ビーム軸を前記ターゲット中心に近接する第２の入口位置へ案内し、且つ、
前記レーザスポットを、前記ターゲット中心及び、前記ターゲット中心から徐々に離れ前記ターゲット周囲へ至る第２の曲線経路に沿って材料を除去するように案内することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記円状セグメントはその全体として前記ターゲット周囲を含み、前記入口位置は前記レーザスポットが前記ターゲット周囲に配置されるようになっており、
前記レーザスポットは、前記ターゲット周囲の周りでの複数の回転において材料を除去し、その後、前記ターゲット中心の方向にスパイラル経路に沿って材料を除去する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記実際材料は堅固又は柔軟な印刷配線基板材料、銅覆又は露出印刷配線基板材料、ファイバー強化又は均質樹脂誘電体印刷配線基板材料、セラミック基板及びシリコン基板のうちのいずれかを含み、前記実際材料の前記ターゲット領域から材料を除去することは穴を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記入口位置は、前記レーザスポットが前記ターゲット周囲の前記円状セグメントに配置されるようにされており、
前記レーザスポットは前記ターゲット中心の方向に第１のスパイラル経路に沿って材料を除去し、前記ターゲット中心から離れる第２のスパイラル経路に沿って材料を除去し、そして前記ターゲット周囲の前記円状セグメントへ戻る、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記入口位置は第１の入口位置を含み、さらに、
前記ビーム軸を、前記ターゲット領域の第２の入口位置に案内し、
前記レーザスポットを、前記ターゲット中心の方向へ第３のスパイラル経路に沿って材料を除去し、前記ターゲット中心から離れて第４のスパイラル経路に沿って材料を除去し、そして前記ターゲット周囲へ戻るように案内し、
前記ビーム軸を、前記ターゲット領域を終了させるように案内し、
前記第１及び第２の入口位置は互いにずらされている、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記実際材料はエッチングされた回路基板材料を含み、前記実際材料の前記ターゲット領域から材料を除去することは前記エッチングされた回路基板材料に穴を設けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
レーザツールの操作により実際材料のターゲット領域から材料の高速除去を行う方法であって、
前記ターゲット領域はターゲット中心を通して延びるターゲット直径によって規定される円状のターゲット周囲を有し、
前記レーザツールはレーザビームが伝播するビーム軸を規定しており、
前記レーザビームは前記ターゲット領域に前記ターゲット直径より小さい直径を有するレーザスポットを規定しており、
前記ターゲット領域からの材料除去のプロセスを可能にするために前記ターゲット領域内の選択位置へ前記ビーム軸を案内するために前記ビーム軸及び前記ターゲット領域間の相対運動を引き起こし、
入口セグメント加速度で入口軌跡に沿って前記ビーム軸を前記ターゲット領域内の入口位置へ案内することであって、前記入口位置は前記レーザビームが前記ターゲット領域で開始される位置に対応し、
前記ターゲット領域内で前記ビーム軸を移動して、前記ターゲット周囲上に位置決めし、前記ターゲット周囲を複数回周回して材料を除去し、しかる後に前記レーザビームを停止することなく連続的に前記ターゲット中心へ連続的スパイラル経路に沿って材料を除去する、
材料の高速除去方法。
【請求項１１】
前記入口位置は前記レーザスポットが前記ターゲット周囲の前記円状セグメントに配置されるようになっており、
前記レーザスポットは前記ターゲット中心の方向に第１の連続的スパイラル経路に沿って材料を除去し、前記ターゲット中心から離れる第２の連続的スパイラル経路に沿って材料を除去し、そして前記ターゲット周囲の前記円状セグメントへ戻る、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記入口位置は第１の入口位置を含み、さらに、
前記ビーム軸を、前記ターゲット領域の第２の入口位置に案内し、
前記レーザスポットを、前記ターゲット中心の方向へ向かう第３の連続的スパイラル経路に沿って材料を除去し、前記ターゲット中心から離れる第４の連続的スパイラル経路に沿って材料を除去し、そして前記ターゲット周囲へ戻るように案内し、
前記ビーム軸を、前記ターゲット領域を終了させるように案内し、
前記第１及び第２の入口位置は互いにずらされている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記実際材料は堅固又は柔軟な印刷配線基板材料、銅覆又は露出印刷配線基板材料、ファイバー強化又は均質樹脂誘電体印刷配線基板材料、セラミック基板及びシリコン基板のうちのいずれかを含み、前記実際材料の前記ターゲット領域から材料を除去することは前記実際材料に穴を形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ビア穴は非貫通のビア穴を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
実際材料のターゲット領域から材料を除去するために一つのパルス反復レートでパルス化されたレーザ放射のビームを使用する方法であって、
前記ターゲット領域はターゲット直径によって規定される円状のターゲット周囲を有し、
前記ビームの各パルスによるレーザ放射は前記ターゲット領域にて前記ターゲット直径より小さい直径を有するレーザスポットを規定しており、
パルス化されたレーザ放射の前記ビームにより、ツールパターンの複数回の反復において材料を除去するために、前記円状ターゲット周囲の周りでツール速度で、パルスレーザ放射のビーム及びターゲット領域を互いに対して複数回移動し、
各レーザスポットは、前記ツールパターンの複数回の反復のそれぞれにおいて前記ターゲット領域の位置に入射され、
連続する２つのレーザスポット間の間隔であるバイトサイズを前記ツールパターンの複数回の反復にわたって一定にしつつ、前記レーザスポットが、前回反復で入射した位置に一致しないように、前記ツールパターンの１回の反復に対して前記レーザスポットの前記位置を位置決めすることによって、前記円状ターゲット周囲の周りでレーザ放射エネルギーを一様に広げるように、前記ツール速度及び前記パルス反復レートを制御する、
ビーム使用方法。
【請求項１６】
前記制御は、前記ツール速度、前記パルス反復レート、前記レーザスポット直径、及び前記ターゲット直径のうちの少なくとも１つを調節することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は、式Δｒｅｐ＝ν／（ＰＲＦ）（Ｃｙｃｌｅｓ）から距離Δｒｅｐを決定することを含み、前記レーザスポットの前記位置は前記距離Δｒｅｐだけ移動し、ここに、
ν＝前記ツール速度、
ＰＲＦ＝前記パルス反復レート、
Ｃｙｃｌｅｓ＝前記ツールパターンの前記反復数
である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は式ν＝π（Ｄeff）（ＰＲＦ）／ｘから前記ツール速度νを決定することを含み、ここに、
Ｄeff＝前記ターゲット直径、
ＰＲＦ＝前記パルス反復レート、
ｘ＝１−１／Ｃｙｃｌｅｓの分数の剰余を有する任意の正の数、
Ｃｙｃｌｅｓ＝前記ツールパターンの反復数
である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は式ＰＲＦ＝νｘ／（Ｄeff）πから前記パルス反復レートＰＲＦを決定することを含み、ここに、
Ｄeff＝前記ターゲット直径、
ν＝前記ツール速度、
ｘ＝１−１／Ｃｙｃｌｅｓの分数の剰余を有する任意の正の数、
Ｃｙｃｌｅｓ＝前記ツールパターンの反復数
である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は式Ｄeff＝νｘ／π（ＰＲＦ）から前記ターゲット直径Ｄeffを決定することを含み、ここに、
Ｄeff＝前記ターゲット直径、
ν＝前記ツール速度、
ＰＲＦ＝前記パルス反復レート、
ｘ＝１−１／Ｃｙｃｌｅｓの分数の剰余を有する任意の正の数、
Ｃｙｃｌｅｓ＝前記ツールパターンの反復数
である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は前記レーザスポットの前記位置が位置決めされるための移動距離を決定することを含み、前記距離は２０％以下の許容度を持つ、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記レーザスポットの前記位置の前記位置決め操作は前記レーザスポットの前記位置が位置決めされるための移動距離を決定することを含み、前記距離は少なくとも約１．０マイクロメートルである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザスポットのバイトサイズは、ν／ＰＲＦに等しく、ν＝前記ツール速度、ＰＲＦ＝前記パルス反復レートである、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この技術分野はレーザに関連し、より詳細には、種々の実際材料において迅速に複数の穴を形成するためにレーザビームを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路は複雑さを増し続ける一方、同時にそのサイズ及びコストは縮小している。結果的に生ずる回路密度の増大は、高密度集積回路及びハイブリッド回路及びＥＣＢの生産能力に対して多大な要求をする。
【０００３】
従来の作業者は、ＥＣＢに穴を開けるためにひと揃いの機械的ドリル及びパンチを用いた。しかしながらそれらの穴の直径は、新しい穴直径要求が指示するものよりも大きい。さらに機械的穿孔方法（穴開け方法）は速度が遅く、ツール破壊が起こりやすく、かつ、いわゆるスルーホール（透孔）の穴開けに限定される。
【０００４】
最近、レーザによる穴開け方法が発展してきている。この方法は、ＥＣＢ内の導体層上でしばしば終わるところの数百もの非常に小さい穴（マイクロビアあるいはビアと呼ばれる）を1秒間に加工することを可能とする。
【０００５】
幾つかの穴開け加工への応用については、材料加工のためにガウス分布レーザビームが使用される。このビームは、穴開け加工される穴の直径よりもはるかに小さい直径を有する。従ってレーザビームは、穴を開けるかあるいはその全領域をアブレーションにより除去するために移動されなければならない。その移動のタイプ及び移動の制約が、穴を開けるのに要する時間に直接的に影響を与え、従ってまたレーザ装置の処理能力に影響を与える。
【０００６】
従来の作業者は、トレパン及びスパイラル移動パターンと呼ばれる穴群をレーザ加工した。この移動パターンは一般にツール（工具）と呼ばれる。トレパン加工は穴の中心から出発し、急速に穴の周辺に移動し、前記周辺の周りでプログラムされた繰り返し回数だけビームをスピンさせ、そして前記中心に急速に戻る。スパイラル加工は、穴の中心から出発し、高速度で内径へ移動し、プログラムされた回転数だけビーム位置決め装置をスピンさせ、穴の周囲に達するまで前記直径を増大させる。レーザビームの移動は、広い範囲にわたる種々のレーザビーム位置決め装置により行われる。それらは例えばモデル５３ＸＸシリーズのワークピース加工装置であり、これはこの特許出願の譲受人であるオレゴン州ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインスツルメント会社によって製造される。
【０００７】
従来のトレパン及びスパイラルレーザ穴加工方法は少なくとも9個の以下のような問題を有する。
【０００８】
１．従来のツールパターンは位置決め装置に対して過大な加速制限をもたらす。従来のトレパン加工は、加工されている穴の境界の周りで円形運動でレーザビームを移動させなければならない。当業者は円形運動での半径方向加速度はＶ2／Ｒであることを知っている。ここにＶはツールの速度であり、Ｒは円形運動の半径である。トレパン加工では、ツールを穴の中心に位置決めした後、初期移動セグメントが先行する。これは、穴の中心と円形運動の開始との間の滑らかな移行を可能とし、ツール加速及びジャーク（加速の変動の割合）を抑制する。
従来技術のトレパン加工によれば、前記初期移動セグメントで要求される加速度は、２Ｖ2／Ｒであり、これは円形運動で要求される加速度の２倍である。さらに２倍の加速が要求される運動軸は、１／２の継続時間加速パルスを実行する軸と同じである。結果として円形運動が要求するものに比べて４倍のジャーク波形となる。よってレーザビーム位置決め装置の加速度が制限される。なぜなら２倍のモータ電流が、２倍のサーボ周波数で要求されるからである。
【０００９】
２．従来のスパイラルツールパターンは、外向きスパイラルに限られており、このことは加工する材料のタイプを制限することとなっていた。
【００１０】
３．従来のトレパン及びスパイラル加工は、スパイラル及び繰り返し周辺運動でもって、穴開け加工を行うために時間を浪費する多数の工程を要求していた。この多数のステップを実行することは、ビーム位置決め装置が一般的な移動アルゴリズムを実行することを要求し、その移動アルゴリズムは、各ステップの間にツールが穴の中心に戻るための少なくとも２つの加速パルスを要求する。
【００１１】
４．大きな加速度或いは、前の穴からの高速移動からの回復のためにビーム位置決め装置の制止時間が要求される場合には、次の穴の目的位置までの一定ツール速度移動により前記制止は行われる。これは利用可能なビーム位置決め装置の運動範囲を制限する。この運動範囲はガルバノメータに基づいたビーム位置決め装置を利用する場合には顕著である。
【００１２】
５．また、上記制止時間テクニックは、ビーム位置決め装置を定常穴加工周波数に落ち着かせることができない。これは振動円形運動が始まるとき過渡的な反動をもたらす。
【００１３】
６．従来のツールパターンは、種々の進入角度から穴への接近を行うためにスパイラルツールパターンの多数の繰り返しが要求されるときその速度は著しく遅い。従来のビーム位置決め方法は、上記した一般的移動アルゴリズムを使用し、それは繰り返しの間に穴の中心に戻るための少なくとも２つの加速パルスを要求する。
【００１４】
７．従来のトレパンツールパターンは、ムラのある材料の除去をもたらした。これは、ビームが穴の中心から周辺へそして周辺から穴の中心へ移動するとき、レーザビームエネルギーが穴の１／４象限に集中するからである。
【００１５】
８．従来のスパイラルあるいはトレパンツールパターンは、レーザトリガー信号のタイミングをビーム位置決め運動と同期させていない。これは最初の穴加工パルスの欠如をもたらす。それは典型的なＱスイッチレーザは、第1のパルスをコマンド通りに生成しないからである。
【００１６】
９．周辺において多数の繰り返しを行うことで穴加工するために使用される従来のトレパンツールパターンは、穴境界の周囲でレーザパルスを相当に重複させ、これにより材料の非一様な除去が行われていた。
【００１７】
従って必要とされることは、低コストで高い生産能力を有するワークピース加工機械であり、それは種々のワークピース材料に小さく品質の高い複数の穴を開けることができるツールパターンを有する。前記ワークピース材料は、任意の印刷配線基板材料のごときものであり、それは硬い物でも柔軟な物でも、銅張りであっても銅露出された物であっても、ファイバーで強化された誘電体あるいは均質樹脂誘電体であっても良い。ワークピース材料は、また半導体装置で使用されるところのセラミック基板あるいはシリコン基板をも含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、目的は特定可能なビーム位置決め装置加速により、円状穴開け運動を開始し終了する方法を提供することである。
他の目的は、種々の新しいツールパターンを生成するための方法を提供することである。さらに他の目的は、穴材料の一様な除去を達成するためのツールパターンパラメータを調整するための方法を提供することである。さらに他の目的は、ワークピース加工を実行するためのレーザ発射パターン及びタイミングを制御するための方法を提供することである。さらに他の目的は、ワークピース上の任意のツール位置とレーザ発射とを同期させるための方法を提供することである。
【００１９】
以下の実施形態は、レーザビーム位置決め装置を操作するためのツールパターン移動コマンド及び付随するレーザ発射コマンドのタイミングのためのツールパターン移動コマンドを生成する。以下の特徴は、背景技術情報として上記した対応する問題を同定するための番号に一致した番号により同定される。
【００２０】
１．望ましいツールパターンは、穴の中心の外側から、穴位置へ接近することによりビーム位置決め装置の加速度を抑制し、ジャーク（急加速）問題を低減する。接近運動の間、ｄｔ／２セグメントと呼ばれる運動セグメントは、円状セグメント継続時間の半分の継続時間を有し、加速度０を有する。この接近移動は、より小さなサーボ誤差をもたらす。ツール速度は、使用可能な加速度の平方根で制限されるため、このような穴への接近方法は、他の因子により制限を受けない限り、ツール速度を４１％増加することを可能とする。
ｄｔ／２セグメントからの大きな加速度の除去は又、穴加工品質を保持しながら、円状振動周波数の最大値を増大することを可能とする。穴開けが行われているときの円加速度に対するｄｔ／２セグメントの加速度の比率をαとする。αが増大すると、初期穴位置は穴の中心へ向かって移動し、α＝２は、先行技術の開始位置を表す。α＝０では、前記ｄｔ／２セグメントは、望ましい０の相対加速度を有する。
【００２１】
２．前記ツールパターンは、外方向へのスパイラル（らせん運動）、内方向へのスパイラル、外方向と内方向への結合スパイラルもサポートし、それらは全て、運動セグメントの間でレーザパルスをオフにすることなく実行される。内方向へのスパイラルは、ガラスで強化された材料を加工するのに適している。それらの材料は、例えば非均質なガラス強化エッチング回路基板材料である。
【００２２】
３．ツールパターンはレーザパルスを停止することなく、単一のステップにおいて、スパイラル状及び反復周囲処理を実施できる。
【００２３】
４．位置決め器の整定時間は、ユーザによるプログラム可能であり、処理されるべき最初の穴の直径の円形経路を辿るビーム位置決め器によって費やされ、その辿ることはビーム位置決め器の領域を制限しない。
【００２４】
５．また、ビーム位置決め器が振動している間に、上記整定時間の改良によって、整定は生じ、その結果、旋回から振動的運動への経過は処理することより整定することに費やす。
【００２５】
６．ツールパターンは、ツールの多数の反復を扱うための、改善された方法を使用する。次の反復を始める総括的な動きで、円運動を終了するのではなく、この方法は位置決め器軸の間の９０度の位相差で接点を維持する。これは、次のツール反復の入口状態に到達されるまで、運動セグメント持続期間が調整される間に、円運動を続行させる。先行技術の方法は包括的運動時間及び次の反復の回転時間の１／４を最初の反復の回転時間の１／４に加える時間に等しい反復間のレーザオフ時間を要求した。この方法は最小穿孔時間（穿孔―Ｔｍｉｎ）及び次のツール反復の１／４回転時間を最初の反復の回転時間の１／４に加える時間を多くても要求する。最小穿孔―Ｔｍｉｎは小さい運動が使用されるので包括的運動より小さい。さらに、次の反復の入口角度は最初の反復の出口角度から１８０度補正されるとき、所要レーザオフ時間は次の反復の回転時間の１／４を最初の反復の回転時間の１／４に加える時間だけである。
【００２６】
７．ツールパターンが周囲のみの円モードに使用されるときに、レーザパルスは内部に置かれず、不均等に分配されるレーザエネルギーの先行問題を除去する。
【００２７】
８．ビーム位置決め器及びレーザ同期方法は、ビーム位置決め器がターゲット穴位置に到達する前に第１のレーザパルスを放射するためのレーザ放射信号を予定し、その結果現実に放射される第１のパルスである第２のパルスは望ましいところに加わり、その後、命令された全てのパルスは工作物に配送される。この方法はさらに、加速セグメントの中央でレーザを作動させるために設定される半正弦プロファイラパラメータに追加される「部分的なレーザ遅延」パラメータを含む。
【００２８】
９. ツールパターンは、どれだけ多くのツール回転（反復）が周囲で行われるかを説明する穴周囲へのパルスの「増分バイトサイズ」分配を支持する。これは穴周囲の周りに等しくかつ正確にレーザパルスの分配を最適化する。増加バイトパルスはツールの第１及び第２の回転（反復）において配送される第１のパルス間に周囲に沿う距離として定義される。増分バイトサイズ方法は、ツール回転（反復）数で割り算されるレーザバイトサイズに等しくさせるために増分バイトサイズを設定するためにツール速度を自動的に調整することを提供する。
【００２９】
この発明の追加の特徴及び利点は、添付図面に関して進行する、好ましい実施例の次の詳細な記載から明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】ツールパターンに沿ってレーザビームを案内するためにビーム位置決め器のＸ軸及びＹ軸位置対時間の最初のセットを示すグラフである。
【図１Ｂ】図１ＡのＸ軸及びＹ軸ビーム位置の第１のセットから生じる入口、円形、出口セグメントを示すＸＹプロットである。
【図２Ａ】ツールパターンに沿ってレーザビームを案内するためにビーム位置決め器のＸ軸及びＹ軸位置対時間の別のセットを示すグラフである。
【図２Ｂ】図２ＡのＸ軸及びＹ軸ビームの第２のセットから生じる入口、円形、出口セグメントを示すＸＹプロットである。
【図３】レーザビーム位置決め方法によって発生される円形ツールパターンを示すＸＹプロットである。
【図４】レーザビーム位置決め方法によって発生される外方スパイラル状ツールパターンを示すＸＹプロットである。
【図５】レーザビーム位置決め方法によって発生される内方スパイラル状ツールパターンを示すＸＹプロットである。
【図６】レーザビーム位置決め方法によって発生される内方及び外方スパイラル状ツールパターンを示すＸＹプロットである。
【図７】レーザビーム位置決め方法によって発生される外方スパイラル状ツールパターンの２つの反復を示すＸＹプロットである。
【図８】非常に小さい増分バイトサイズを使用する先行技術の穿孔器ツールパターンの多数の反復で処理される許容できない、エッチング回路基板のビアの写真である。
【図９】パルスによるレーザ放射方法にしたがって選択される増分バイトサイズをし使用する円形ツールパターンの多数反復で処理される高品質のエッチングされた回路基板の写真である。
【図１０】先行技術のツール速度を使用する先行技術の穿孔器の５回の反復によって処理されるビアの写真である。
【図１１】計算されたツール速度を使用する円形ツールパターンの５回の反復によって処理されるビアを示すＸＹプロットである。
【図１２】先行技術の穿孔器のツールパターンの２回の反復によって穴の周囲周りに不均等に分配されるレーザパルスを示すＸＹプロットである。
【図１３】「等化周囲パルスオーバラップ」方法を使用する円形ツールパターンの２回の反復によって穴の周囲周りに不均等に分配されるレーザパルスを示すＸＹプロットである。
【図１４】上記方法を制御しかつ支持するレジスタ構造を示す簡易電気ブロックダイアグラムである。
【図１５Ａ】上記方法を支持するレーザパルスを放射するための通常及び特殊事例のタイミング関係を示す電気波形タイミングダイアグラムである。
【図１５Ｂ】上記方法を支持するレーザパルスを放射するための通常及び特殊事例のタイミング関係を示す電気波形タイミングダイアグラムである。
【図１６】レーザビーム位置決めコマンド、種々のシステム遅延及びレーザビームパルス間のタイミング関係を示す電気波形値タイミングダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
背景情報の部分で触れたように、レーザビームの高速で精密な位置決めをするためには、位置決め装置はジャーク（急加速運動）を制御しなければならない。ジャークは加速度の変動の割合である。多くの従来の位置決め装置は、円状運動を、短い相互に結合された線形運動の列として実行してきた。しかしながら、相互接続点における急激な角度変化がスピードと位置決め精度を制限するところの受容できない大きな急加速運動を生成した。
【００３２】
円状運動は穴開け加工の応用において原理的なものであり、正弦波位置決め駆動の波形を採用することが好ましい。特に好ましい位置決め駆動波形は、半正弦波形状の加速セグメントを有し、このセグメントは０加速度の点で開始し終了する。各々の加速セグメントは、Ｔminの時間を有し、この時間は、位置決め装置の加速能力範囲内で最も短い０でない加速度を有する半正弦波セグメントであり、位置決め装置の共振問題を回避することができる。
【００３３】
図１Ａ及び２Ａに示されるように、円状運動は、９０度位相がずらされた正弦波波形の対を有する位置決め装置の直交軸を駆動することにより達成される。例えば９０度の進入角からスタートする完全円を形成するために、Ｘ軸は、２つの半正弦波加速セグメントで駆動され、Ｙ軸は、３つの、９０度位相シフトされた半正弦セグメントで駆動される。Ｘ軸は、穴位置間の運動から、穴加工を分離するための、入口（進入）及び出口（退出）セグメントと称される「穴埋め」セグメントを有する。
【００３４】
従ってこの発明の第１の特徴は、前記ｄｔ／２セグメントについての特定可能なビーム位置決め装置加速度をもって円状ツールパターンを開始し且つ終了する方法である。円状運動を生成することは、ビーム位置決め装置のＸ及びＹ軸を駆動するために、９０度位相シフトされた正弦運動波形の対を生成することを含む。９０度位相シフトを生成することは、複数の軸の１つに半正弦波セグメントを挿入することを含む（どちらの軸かはツールパターンの進入角度に依存する）。ここでｄｔは、円状運動セグメントのｄｔの半分に等しい。従って位相シフトされたセグメントは、ｄｔ／２セグメントと呼ばれる。ユーザは、初期ビーム位置と要求加速度との間でトレードオフするために、前記ｄｔ／２セグメントの加速度を、円加速度の０から２倍に特定することができる。
【００３５】
係数αは円状周囲部加速度に対するｄｔ／２セグメント加速度の比率として定義される。αが増加するにつれ、初期ビーム位置は、円状運動の周囲部の外側から加工される穴の中心へ向かって移動し、一方結果的な加速度は増加する。α＝２に対しては、先行技術の開始運動と加速度が生成される。α＝０に対しては、ｄｔ／２セグメントは前記円状運動に対して望ましい０加速度を有する。
【００３６】
図１及び２は、異なったαの値に対してのビーム位置決め装置の運動を示す。αの値は、開始及び終了ｄｔ／２セグメントについて異なった値に特定される。
【００３７】
図１Ａ及び１Ｂは、ツールパターンビーム経路１４に沿ってレーザビーム軸を向けるための、ビーム位置決め装置（図示せず）の、時間に対するＸ軸位置１０とＹ軸位置１２の組を示す。ビーム経路１４は、開始位置１６（ドットで表示）から出発し、進入セグメント（入口セグメント）１８と、３６０度の円状セグメント２０（点線で表示）と退出セグメント（出口セグメント）２２と、終了位置２４（点で表示）を含む。終了位置２４は、円状セグメント２０の中心２５でもある。円状セグメント２０は、直径Ｄを有し、加工されるべき穴の周囲に対応し、３６０度以上の広がりを持つことができる。この例で、入口セグメント１８は、０に設定されたαを有し、出口セグメント２２は、２に設定されたαを有する。従って入口セグメント１８の加速度は０であり（すなわち一定速度）、これは好ましい。しかし出口セグメント２２の加速度は円セグメント２０の加速度の２倍である。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂは、ツールパターンビーム経路３４に沿ってレーザビーム軸を案内するためにビーム位置決め器のＸ軸位置３０及びＹ軸位置３２対時間の第２のセットを示す。開始位置３６(１ドットとして示される)でのビームパス３４は開始位置３６（点で図示）を開始し、入口セグメント３８、３６０度の円形セグメント４０(点線で図示)、出口セグメント４２及び終了位置４４(点で図示)を含む。この例では、入口セグメント３８は、１に設定されたαを有し、出口セグメント４２は０．５に設定されたαを有する。したがって、入口セグメント３８の加速度は円形セグメント２０の加速度と同じであり、出口セグメント２２の加速度は円形セグメント２０の加速度の半分である。
【００３９】
ツールパターンは入口セグメント、例えば入口セグメント１８，３８を使用し、出口セグメント、例えば出口セグメント４２を使用する。一連の穴は前の穴の終了位置及び次の穴の開始位置をリンクする通路に沿ってレーザビーム軸を案内することによって加工物内に処理される。入口及び出口セグメント方法により、ツール運動速度が先行の方法で達成できるそれより４１％増加することができる。
【００４０】
この発明の第２の特徴は、種々のツールパターンを実行するための半正弦パラメータ、例えば図１Ａ及び図１ＢのＸ軸及びＹ軸位置１０，１２，３０，３２を発生させる方法を提供する。 そのパラメータ及び方法は本発明のＭａｔｌａｂコード表示及びツールパターンの特徴を図示するいくつかの関連図に関して記載される。Ｍａｔｌａｂはマサチューセッツ州ナトリックのＭａｔｈＷｏｒｋｓから入手可能なモデルベースデザインシュミレーションプログラムである。運動セグメントを発生させるＭａｔｌａｂコードは付録Ａに述べられる。
【００４１】
図３は、この方法により生成される円状ツールパターン５０を示す。円状ツールパターン５０は、加工されるべき穴の周囲５１に沿って切断することにより材料の中に穴を形成するために使用される。このツールパターンを使用するとき、ＸＹ座標軸の周りの回転角度を参照して各穴は加工される。ここで＋Ｘ，＋Ｙ，−Ｘ，−Ｙはそれぞれ０，９０，１８０，２７０度をそれぞれ向いている。
【００４２】
円状ツールパターン５０は、２７０度における開始位置５４とレーザパルス５８が開始するところの０度における入口位置５６を有する入口セグメント５２を含む。この例においては、加工される穴は、１２５ミクロンの直径を有し、レーザパルス５８は、２０ミクロンの実効スポットサイズを有する。１０．２５ミクロンのレーザバイトサイズは、３６０度の繰り返しツールパターン５０の間において周辺５１の中に、３３個のレーザパルス５８を分配する。ツールパターン５０は、入口位置５６で開始し且つ終了する。レーザパルス５８はオフされ、ツールパターン５０は出口セグメント６０に沿って進み９０度における終了位置６２へ進む。
【００４３】
当業者は、入口及び出口セグメント５２、６０の角度の位置が処理される先後の穴の相対的位置に依存するＸ軸及びＹ軸に関して相殺できる相対的な角度の１つの模範的なセットを単に示すことを認識する。例えば、入口セグメント５２は０度及び９０度にて開始及び終了し、したがって、出口セグメント６０は９０度及び１８０度にて開始及び終了する。
【００４４】
典型的な位置決め器、レーザ、及びツールパターン５０に関連した穴パラメータは、７１７ｍｍ／秒、７０ｋＨｚのレーザパルス反復周波数(「ＰＲＦ」))、１０００Ｇの位置決め器の最大加速度、０．４７ミリ秒のビア穿孔時間、及び０．７ミリ秒のビア最小限運動時間を含み、結果として８５５ビア／秒の最大ビア処理速度を生じる。
【００４５】
図４は、この方法により生成される外向きスパイラルツールパターン７０を示す。外向きスパイラルツールパターン７０は、加工される各穴の中心２５から周辺５１に向かって徐々に遠ざかる曲線的経路に沿って中心２５から材料を除去することにより素材に複数の穴を形成するために使用される。外向きスパイラルツールパターン７０は、２７０度における開始位置７４とレーザパルス７８が開始される０度における入口位置とを有する入口セグメント７２を有する。この例において加工される穴は１２５ミクロンの直径を有し、レーザパルス７８は、２０ミクロンの実効的スポットサイズを有し、４．４７ミクロンのレーザバイトサイズを有する。１つの繰り返しツールパターン７０の間に８９個のレーザパルス７８が分配される。前記ツールパターン７０は、入口位置７６で開始し、３６０度回転して外側へスパイラルし、周辺部５１を０度から約２１６度まで加工し、前記２１６度の位置でレーザパルス７８はターンオフされ、前に加工された位置とオーバーラップすることが防止される。ツールパターン７０は、２７０度における開始位置８２から０度における終了位置８４に至る出口セグメント８０に沿って移動する。
【００４６】
当業者は、入口及び出口セグメント７２、８０の角度の位置が処理されるべき先後の穴の相対的位置に依存するＸ軸及びＹ軸に関して相殺できる相対的な角度の典型的な１セットを単に表わすことを再び認識する。例えば、入口セグメント７２は０度及び９０度から開始し、また終了することができ、したがって、出口セグメント８０は０度及び９０度から開始し、また終了することができる。
【００４７】
典型的な位置決め器、レーザ、及びツールに関連した穴パラメータ７０は、３１３ｍｍ／秒のツール速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、位置決め器の最大の加速１０００G秒、１.２７ミリ秒のビア穿孔時間、そして４４２ ビア／秒の最大ビア処理速度を含む。
【００４８】
図５は、本方法によって発生された内方スパイラル状ツールパターン９０を示す。内方スパイラル状ツールパターン９０は、曲線からなるパスに沿って周囲５１から材料を次第に、処理されている各穴の周囲５１の中心２５へ周囲５１から内方へ除去することにより、材料に穿孔するのに使用される。内方スパイラル状ツールパターン９０は、レーザパルス９８が開始される、９０度に開始位置９４及び１８０度に入口位置９６を有する入口セグメント９２を含む。この例において、処理されている穴は１２５μｍの直径を持ち、レーザパルス９８は２０μmの有効スポットサイズ及び４．４７μｍのレーザバイトサイズを持つ。入口位置９６から開始し、１８０度で開始しかつ０度で終了する周囲５１内で２．５回転（９００度）の処理を行い、０度で開始しかつ０度で終了する２回の３６０度回転ために内方へスパイラル状運動するツールパターン９０の単一の反復の間に分配される２７３個のレーザパルス９８があり、その位置で、ポイントレーザパルス９８は停止される。ツールパターン９０は９０度の終了位置１０４への０度の開始位置１０２を持つ出口セグメント１００に続く。
【００４９】
当業者は、入口及び出口セグメント９２、１００の角度の位置が処理される先後の穴の相対的位置に依存するＸ軸及びＹ軸に関して相殺できる相対的な角度の１つの模範的なセットを単に示すことを再び認識する。例えば、入口セグメント９２は２７０度及び０度から開始しかつ終了することができる。したがって、出口セグメント１００は９０及び１８０度から開始しかつ終了することができる。
【００５０】
典型的な位置決め器、レーザ、及びツールパターン９０に関連された穴パラメータは、３１３ｍｍ／秒のツール速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、１０００Ｇの位置決め器の最大加速度、３．９ミリ秒のビア穿孔時間、及び０．８５ミリ秒のビア最小限運動時間を含み、結果として２１１ビア／秒の最大ビア処理速度を生じる。
【００５１】
内外方スパイラル状ツールパターン１１０は、周囲５１から内方に向かって処理されている各穴の中心へ、そして外方に向かって周囲５１へ戻って材料を除去することにより、材料を穿孔するために使用される。内外方スパイラル状ツールパターン１１０は１８０度に開始位置１１４及び２７０度に入口位置１１６を持つ入口セグメント１１２を含み、そこで、レーザパルス１１８が開始される。この例において、処理されている穴は１２５μmの直径を持ち、また、レーザパルス１１８は２０μmの有効スポットサイズ及び４.４７μmのレーザバイトサイズを持つ。入口位置１１６で開始し、２７０度で開始しかつ０度で終了する周囲５１内で４分の１回転の処理を行い、１８０度で開始及び終了する３６０度１回転の間に外方へスパイラル状運動し、そして周囲５１内で１８０度から２７０度の４分の１回転の処理を行い、そこで、ポイントレーザパルス１１８が停止される、ツールパターン１１０の単一の反復の間に分配される１３２個のレーザパルスがある。ツールパターン１１０は２７０度の開始位置１２２から０度の終了位置１２４を有する出口セグメント１２０に続く。
【００５２】
当業者は、入口及び出口セグメント１１２、１２０の角度位置が、処理されるべき先後の穴の相対的位置に依存してＸ軸及びＹ軸に関して相殺できる相対的な角度の典型的な１セットを単に示すことを再び認識する。
【００５３】
典型的な位置決め器、レーザ、及びツールパターンに関連した穴パラメータ１１０は、３１３ｍｍ／秒のツール速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、１０００Ｇの位置決め器最大加速度、１.８８ミリ秒のビア穿孔時間、そして１.０３ミリ秒のビア最小運動時間を含み、結果として４３４ビア／秒の最大ビア処理速度になる。
【００５４】
図７はこの方法により生成される外側へ向かうスパイラルツールパターン７０の２つの繰り返しを示す（２つの繰り返しは７０′と称される）。（ツールパターン７０′は、入口及び出口セグメント軌跡をより明瞭に示すために、半分の大きさのレーザスポットで示される。）外向きスパイラルツールパターン７０′は、加工される穴の中心から外向きに周辺部５１まで材料を繰り返し除去することにより材料に穴を開けるために使用される。外向きスパイラルツールパターン７０′は、２７０度にある開始位置と、レーザパルス７８′が開始されるところの０度における入口位置７６′とを有する入口セグメント７２′を含む。この例において、加工される穴は２００ミクロンの直径を有し、レーザパルス７８は、１０ミクロンの実効スポットサイズを有し、４．４７ミクロンのレーザバイトサイズを有する。２つのツールパターン７０′の繰り返しの間に２１６個のレーザパルスが分配される。第１の繰り返しは第１の入口位置７６′で始まり３６０度回って０度まで外向きにスパイラルし、周辺部５１の内部を０度から９０度まで加工する。ここでレーザパルス７８′はオフされ、ツールパターン７０′は遷移セグメント８０′に従う。当該セグメント８０′は、９０度にある開始位置８２′を有し、１８０度にある遷移終了位置８４′まで概略内側に向かってスパイラルする。第２のツールパターン７０′の繰り返しは、遷移終了位置８４′でスタートし、１８０度まで３６０度回転するように外側に向かってスパイラルし、次に周辺部５１の内部を１８０度から２７０度まで加工する。２７０度の位置でレーザパルス７８′は再びオフされ、ツールパターン７０′は出口セグメント８０″に従う。この出口セグメント８０″は、２７０度における開始位置８２″と０度にある終了位置８４″を有する。
【００５５】
当業者は、入口及び出口セグメント７２、８０の角度位置が処理される先後の穴の相対的位置に依存してＸ軸及びＹ軸に関して相殺できる相対的な角度の１つの典型的なセットを単に示すことを再び認識する。
【００５６】
典型的な位置決め器、レーザ、及びツールパターンに関連した穴パラメータ７０'は、３１３ｍｍ／秒のツール速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、１０００Ｇの位置決め器最大加速度、３.０８ミリ秒のビア穿孔時間、そして１.６９ミリ秒の最小運動時間を含み、結果として２０９ビア／秒の最大ビア処理速度を生じる。
【００５７】
この発明の第３の特徴は、穴を処理する間に均一のレーザエネルギー分配を達成するためにレーザビーム移動速度を調節する方法を提供する。例えば、円形ツールパターン５０(図３)の多数の反復を使用してビアを処理するときに、よい品質の穴を処理することは個々の後の反復のレーザスポットをわずかにオーバラップさせることに依存する。反復から反復までのオーバラップの程度は、「増分バイトサイズ」と称されるパラメータによって決定される。増分バイトサイズは、レーザパルス位置が円形ツールパターンの反復間で移動する距離として定義される。
【００５８】
レーザビーム速度における小さい変化は反復対反復のパルスのオーバラップ、すなわち増分バイトサイズを大きく変更することができる。良好なビア処理は円形ツールパターンの反復ごとにレーザパルスの位置をわずかに移動させることに依存し、その結果レーザパルスは後の反復の間に同じスポットに衝突せず、レーザエネルギーはより一様にビア周囲のまわりに広げられる。
【００５９】
例えば、ビア処理適用が５つの円形反復を使用するならば、レーザパルスは反復ごとに移動し、その結果仮想的な６番目の反復が１番目の反復パルスに正確にオーバラップパルスを持つ(増分バイトサイズは、円形反復の数で割られたバイトサイズとほぼ等しい)ことが望ましい。各反復からのパルスが同じ位置に衝突するときに、結果として貧弱なビア処理になる。これは、実際のバイトサイズに対して非常に小さい又はほぼ等しい増分バイトサイズを不注意にも使用することによって典型的に引き起こされる。
【００６０】
図８及び図９は、先行技術のバイトサイズ及び好ましく計算された増分バイトサイズをそれぞれ使用する穿孔器及び円形ツールパターンの多数の反復による、エッチングされた回路基板の材料中で処理された許容できないビア及び高品質のビアをそれぞれ示す。
【００６１】
図１０及び図１１は、増分バイトサイズがレーザビーム速度における小さい変化によってどのように影響されるかを示す。図１０は、レーザＰＲＦが３０ｋＨｚであり、ビア直径が１２５μｍであり、有効レーザビームスポットサイズが１３μｍであり、そしてレーザビーム速度が３７７．５ｍｍ／秒である、穿孔器ツールパターンの５つの反復を使用することによって生じる先行技術バイトサイズを示す。図１０は、５つの穿孔器反復の各々からのレーザパルスがほとんど正確にオーバラップし、結果として低い品質のビア及び／又は低い穿孔器処理の構造安定性を生じることを示す。対照的に、図１１はレーザビーム速度がわずかに３７９.５ｍｍ／秒まで変更されるという点を除いて、同じプロセスを示す。２ｍｍ／秒の小さな速度変更は、ビア周囲の周りのレーザパルスの一様な分布を引き起こし、結果として高い品質のビア及び／又は改良したプロセスの構造安定性を生じる。図１１の円形プロセスは２．３μｍの増分バイトサイズを使用し、それは仮想的な第６の反復からのレーザパルスが第１の反復からのレーザパルスにオーバラップするようにさせる。
【００６２】
特別の円形ツールパターンに関連した増分バイトサイズを適切に設定するために必要とされるレーザビーム速度は、使用される反復の数、ビア直径、レーザＰＲＦ及び有効なレーザビームスポットサイズに依存する。レーザビーム速度は、１番目及び仮想的な最後プラス１ツールパターンの反復が実質的にオーバラップするように好ましくは選択される。
【００６３】
以下に示すのは、円形ツール反復数(サイクル(Cycles))の関数として、１番目及び仮想的な最後プラス１のツールパターン反復のレーザパルス位置をオーバラップさせるのに要求される増分バイトサイズ（Δｒｅｐ）を計算するため使用される式である。
【数１】
0006014465.tif 000002
【数２】
0006014465.tif 000003
したがって、
【数３】
0006014465.tif 000004
ここで、バイト（Ｂｉｔｅ）=バイトサイズμm(増分バイトサイズではない)、
v=ツール速度ｍｍ／秒、
ＰＲＦ=レーザパルス反復レートｋＨｚ、
Ｎｒｅｐ=１つの円形反復におけるパルス数、
Ｄ=ビア直径μｍ、
Ｅｆｆ＝有効スポットサイズμｍ、
Δｒｅｐ＝増分バイトサイズμｍ、および
サイクル（Ｃｙｃｌｅｓ）＝使用円形反復数である。
【００６４】
付録Ｂは、円形ツールパターンの多数反復を使用する場合に、等化パルス間隔を達成するために増分バイトサイズを調節するための、式１から式３に基づく、Ｍａｔｌａｂコード化方法を記載する。その方法は、ユーザが「等化周囲パルスオーバラップ」ボタン又は他のアクチュエータを作動させるときに、実行される。この方法はツール速度を調節し、したがって、バイトサイズをレーザパルスエネルギー密度を大きく変更することなく所望の増分バイトサイズを達成するために少量下方に調節する。
【００６５】
もちろん、増分バイトサイズは、ツール速度ＰＲＦ及び有効なスポットサイズの任意の組み合わせを変更することによって調節することができ、このことは穴直径の変更に相当する。したがって、増分バイトサイズのより正確な数学的な記載は、以下に述べられる。
【００６６】
有効な穴直径は、
【数４】
0006014465.tif 000005
によって定義される。
【００６７】
増分バイトサイズの一般式は、
【数５】
0006014465.tif 000006
であり、関数ceil(w)はｗ以上である最小の整数を返送し、分数を丸めるプロセスを示す。
【００６８】
等しく分割された増分バイトサイズを達成するための条件は、
【数６】
0006014465.tif 000007
である。
【００６９】
式４〜式６は式７を生成するために結合できる。
【００７０】
【数７】
0006014465.tif 000008
量「ｘ」は式８によって定義される。
【００７１】
【数８】
0006014465.tif 000009
式（７）を解くことは、式（９）を解くことと同じである。
【００７２】
【数９】
0006014465.tif 000010
式（９）は無限の解法セットを持ち、１−１／Ｃｙｃｌｅｓという分数の剰余を持つ任意の正数が解を生成する。好ましい事例は回転方向によってさらに制約される、サイクルの最も小さな調節を生じる。調節を行う場合、量xは上方へ、又は下方へ調節することができる。達成可能な速度及びＰＲＦでの実際的な制約は調節のある方向を指示できるけれども、より小さい変更が望ましい。
【００７３】
式９を解くために、ｘ上方へ最小量を調節するための解法は、以下の式１０に示される。
【００７４】
【数１０】
0006014465.tif 000011
式９を解くために最小量をｘ下方に調節する解法は、以下の式１１に示される。
【００７５】
【数１１】
0006014465.tif 000012
一旦好ましい数学的な調節が決定されると、増分バイトサイズは、式８によれば、速度、ＰＲＦ、直径又は有効スポットサイズを変更することによって達成することができる。速度を調節することによって増分バイトサイズのための解法は、以下の式１２に示される。
【００７６】
【数１２】
0006014465.tif 000013
ＰＲＦを調節することによる増分バイトサイズの解法は、以下の式１３に示される。
【００７７】
【数１３】
0006014465.tif 000014
有効穴直径を調節することによる増加ビットサイズの解法は、以下の式１４に示される。
【００７８】
【数１４】
0006014465.tif 000015
もちろん、有効直径は、穴直径及び有効スポットサイズの組み合わせを変化させることによって変更することができる。しかしながら、有効直径を変更することはレーザビアサイズをわずかに修正し、ＰＲＦを変更させることは、レーザ設定及び制御オーバーヘッドにとって不適当な意味合いを持つので、増分バイトサイズは、ビーム位置決め器速度を調節するための式１２を使用することによって好ましく決定される。
【００７９】
増分バイトサイズを決定するときに、パルス間隔は適切なビア処理結果を達成するために正確である必要はない。例えば、Δｒｅｐは約２０パーセント以内増加させることができる。或いはΔｒｅｐは、２０％以下の許容度を有する。また、いくつかの標本処理適用では、Δｒｅｐは結果として５μｍ未満のパルス間隔を生じ得る。そのような適用では、レーザパルス間の間隔は約１.０μｍ以上であるべきである。
【００８０】
図１２及び図１３は、先行技術及び本発明にそれぞれしたがって形成された穿孔器及び円形ツールパターン間の比較による関係を示す。特に、図１２は、先行技術の穿孔器ツールパターン１３４の２つの反復によって穴の周囲１３２の回りに不等に分配されたレーザパルス１３０を示す。穿孔器ツールパターン１３４は、７１７ｍｍ／秒のレーザビーム速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、１２５μmの穴の直径、２０μｍの有効スポットサイズ、１０．２４μmのレーザバイトサイズ、及び８．１５μmのバイトサイズ１３６を使用する。
【００８１】
対照的に、図１３は、「周囲のパルスのオーバーラップを等化する」方法を使用する円形ツールパターン１３８の２つの反復によって穴の周囲１３２の周りで平等に分配されたレーザパルス１３０を示す。円形ツールパターン１３８は７１０.５ｍｍ／秒のレーザビーム速度、７０ｋＨｚのレーザＰＲＦ、１２５μmの穴直径、２０μmの有効スポットサイズ、１０.１５μmのレーザバイトサイズ及び５.０７μmの増加バイト１３９を使用する。「周囲のパルスのオーバーラップを等化する」方法は７１７ｍｍ／秒から７１０.５ｍｍ／秒までレーザビーム速度を変更する。
【００８２】
本発明の第４の特徴は、上述されたツールパターンによって使用されたレーザビームパルスを放射するＱスイッチで生じたレーザを制御する方法を提供する。その方法は、第１のレーザパルスの放射、及び、レーザビーム位置決め器を駆動する半正弦波プロフィーラーコマンドに対するすべての後のレーザパルスの放射を正確に予定する、フィールドプログラム可能なゲートアレイ(「ＦＰＧＡ」)を制御するためにレジスタを含むデジタル信号プロセッサ(「ＤＳＰ」)のマイクロプロセッサのような論理装置で実行する。模範的な分析コマンドは、上述されたツールパターンセグメントに沿ったレーザビームを位置決めするのに要求されるコマンドを含むことができる。
【００８３】
図１４は第１のＤＳＰレジスタを示し、それは、レーザインターパルス期間をプログラムするための１６個の読込み／書込み位置を含む「レーザ反復レートレジスタ」１４０である。レーザ反復レートレジスタ１４０は、約０.００４７Ｈｚという解像度で、３０５.１８Ｈｚ(レジスタ１４０の値OxFFFF)から２.０ＭＨｚ(レジスタ１４０の値０x０)に及ぶ周波数fnを有する信号を提供する反復レート発生器１４２を制御する。信号周波数fn=１／(レジスタ値*５０ナノ秒)。以下に記述されるＤＳＰ「パルスカウントレジスタ」１４４が０でない値を記憶するときに限り、反復レート発生器１４２が動作される。
【００８４】
第２のＤＳＰレジスタは、レーザパルスを放射することに関連した２つの時間遅延をプログラムするために２４個の読込み／書き込み位置を含む「レーザパルス制御タイマーレジスタ」１４６である。位置０〜１０はゲート遅延をプログラムし、また、位置１２〜２２は第１のパルス遅延をプログラムする。位置１２〜２２は、標準化された値を以下の「ｄｌｙ」式に適用する前にそこに記憶された値を標準化するために好ましくは移動される。各遅延は式ｄｌｙ＝（レジスタ１４６* ５０ナノ秒）及び０〜１０２．３μ秒からの範囲で決定される。
【００８５】
第３のＤＳＰレジスタは、パルスのバースト中に放射される多数のレーザパルスをプログラムするために１８個の読込み／書込み位置を含むパルスカウントレジスタ１４４である。有効レジスタ１４４の値は０x３FFFFから０まで変動する。値０x３FFFF及び０x０は特別の意味を持つ。有効な値(１〜０x３FFFE、２６２１４２D)は、バースト中に放射されたパルスの数に相当する。０の値がパルスカウントレジスタ１４４に書込まれるまで、特別の値０x３FFFFは、パルスの連続的なバーストを引き起こす。特別の値０x０は電流バーストを停止させる。
【００８６】
レーザパルスの放射を開始するための方法は、図１５Ａ，１５Ｂに関して以下に記載される。レーザパルスコマンドは、ＤＳＰが失敗するならば、レーザパルスの放射を停止する監視タイマーによって資格を与えられる。当業者は、このレーザ制御方法を実行するための論理装置を実施する方法を理解する。
【００８７】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、上記方法を支持するレーザパルスの放射のためにそれぞれの通常及び特殊事例のタイミング関係を示す。
【００８８】
図１５Ａに示される通常のタイミング関係は以下のように実行される。
【００８９】
図１４も参照して、レーザＰＲＦは、レーザ反復レートレジスタ１４０にインターパルス期間１５０を書き込むＤＳＰによって設定される。
【００９０】
パルスカウンタレジスタ１４４は０という値で初期化される。ＤＳＰはレーザパルスプロセスを「ＤＳＰ＿Write＿Strobe＿N」書き込み信号１５２で開始し、パルス数値（１〜２０００００）をレーザパルスカウンタレジスタ１４４へロードする。
【００９１】
「FPGA_Gate_N」レーザゲート信号１５６は、ゲート遅れ１５８の量(５０ナノ秒から１００のマイクロ秒)がレーザパルス制御タイマーレジスタ１４６のビット００〜１０によって決定された後に真になる。
【００９２】
第１のパルス遅延１６２の量（５０ナノ秒〜１００マイクロ秒）はレーザパルス制御タイマーレジスタ１４６のビット２〜２２によって決定された後に、第１の「FPGA_ＱSW_N」レーザＱスイッチ信号１６０は真になる。デフォルト第１パルス遅延１６２は０である。
【００９３】
レーザパルス１５４の数は図１５Ｂに関して以下に示される特別な事例を除いてパルスカウントレジスタ１４４内でプログラムされる。最後のレーザパルス放射を引き起こす最後のレーザパルス１６４が真になった後５０ナノ秒にレーザゲート信号１５６は偽になる。
【００９４】
図１５Ｂに示される特別な事例のタイミング関係は以下のように実行される。
図１４も参照して、ＤＳＰ書き込み信号１５２がパルスカウントレジスタ１４４に値０x３FFFFをロードするときに、特別のタイミングの事例が生じる。この動作により、パルスカウンタ１４８は、ＤＳＰ書き込み信号１５２'がパルスカウントレジスタ１４４に０の値をロードするまで、連続的に計数し、それにより、ゲート遅延１５８及び第１のパルス遅延１６２の残りに加えて競合条件を回避するために１つのパルスの不確実性遅延１６６の後に、レーザＱスイッチ信号１６０は停止する。
【００９５】
この発明の第５の特徴は、レーザパルスの放射及び所定のレーザビーム位置決めコマンドの位置へのそれらの入力を調整する方法を要する。穴を処理するために上述されたツールパターンを使用するときに、放射レーザパルスは所望数のツールパターン反復の間に、特に、ツールパターンの正確な位置で各反復の第１のレーザパルスを放射するために正確に位置決めされる。したがって、この方法は、上述されたツールパターンによって使用される、運動プロフィーラー及びレーザタイミングの調整、正確さ及び実行を改善する。
【００９６】
この方法は、所定のレーザビーム位置決め器加速度制限に対してより高いツール速度を提供することによって新しいツールパターンを支持する。例えば、典型的な検流計に基づいたビーム位置決め器は１０００Ｇの加速度制限を持つ。新しいツールパターンは、少なくとも２つの方法でレーザパルス放射タイミングに影響する。最初に、円形ツールパターンは運動セグメントの最中にレーザパルス放射を開始することができ、ツール反復の断片的な部分中にレーザパルスを許可する。したがって、調整動作制御モジュール(「CMCM」)と称するレーザビーム位置決め器システムの部分は、運動セグメントの所定の部分中にレーザパルス放射を引き起こすために、システム制御コンピューターで調和する。第２に、１．０ｍ／秒で接近するツール速度と結び付けられた新しい中央セグメントのレーザタイミングは、非常に高いレーザパルスタイミング精度を要求する。以前のレーザタイミングシステムは約±５０μ秒のパルスの第１のパルスタイミング解像度をもち、それは許容できない±５０μmの第１のパルス位置決めを意味する。
【００９７】
したがって、この方法は、ＤＳＰレジスタの内容及び関連タイミング制御を対応レジスタ１４０'、１４４'、１４６'へ転送することによってＤＳＰ制御からはるかにより速いＦＰＧＡへレーザパルスの正確なタイミングを転送する。また、新しい分割レーザ遅延パラメータは、CMCM運動コマンド及びレーザパルス放射タイミングを調整するための運動セグメントデータ構造に加えられる。分割レーザ遅延パラメータは、運動セグメントの開始と第１のレーザパルスと間の時間遅延をセグメント時間ΔTの合計セグメントの分数として定義する。分割レーザ遅延パラメータは０から２５５までの値に関して、８ビットの値を持つ。その値が０であるならば、レーザパルスタイミングは先行技術のように動作する。運動セグメントの開始から第１のレーザパルスへの遅延は、遅延＝ΔＴ＊分割レーザ遅延／２５６である。
【００９８】
図１６はレーザビームパルス及びビーム位置決め器(「ＢＰ」)のタイミング関係を示す。理想的には、ビーム位置決め器がツールパターン入り口セグメント、例えば入口セグメント５２（図３）を開始した後に、第１レーザパルス１７０の放射は分割レーザ遅延*ΔT時間１７２に生じる。しかしながら、多くのシステム遅延は、実際の第１レーザパルス１７４の放射のための調整タイミング方法を要求する。
【００９９】
調整タイミング方法は、輪郭を描くフィルタ群の遅延及び検流計遅延を含む調整モデルフィルタ遅延１７６を最初に説明する。輪郭を描くフィルタ群の遅延は、フィルタ周波数に依存して、５０〜８０ミリ秒の固定値を持つ。調整モードビーム位置決め及び関連するグループフィルタ遅延は、高速高精度多段ツール位置決めシステムに対する、本出願の譲受人に割り当てられる米国特許第５７５１５８５号に記載される。検流遅延（GalvoDelay）は、検流計をビーム偏向検流計に到達ためのビーム位置決め器コマンドに要求される時間である。検流遅延は約２００ミリ秒に固定される。
【０１００】
調整タイミング方法は、入口セグメント５２(図３)のような輪郭が描かれたドリルセグメントと、レーザ放射を開始することを命じられた時間との間の経過時間を含むレーザ事象バッファ遅延１７８をさらに説明する。レーザ事象バッファ遅延１７８は、５０ミリ秒の解像度に調節することができる。
【０１０１】
ゲート遅延１５８(さらに図１５Ａ及び１５Ｂを参照)はＦＰＧＡパルス制御タイマー１４６'の最初の部分に記憶され、またパルス計数書き込み信号１５２を受信すること及びレーザゲート信号１５６を付勢することの間のＦＰＧＡ遅延を決定する(さらに図１４Ａ及び１４Ｂを参照)。ゲート遅延１５８は５０ナノ秒の解像度を持つ。
【０１０２】
第１パルス遅延１６２(さらに図１４Ａ及び１４Ｂを参照)は、ＦＰＧＡパルス制御タイマーレジスタ１４６'の第２の部分に記憶され、最初の実際のレーザパルスの放射を要求するために、レーザゲート信号１５６及び第１のレーザＱスイッチ１６０の間の遅延を決定する。第１パルス遅延１６２は１／ＰＲＦ＋RuntDelayによって決定され、RuntDelayが異常に低いエネルギー(小型)レーザパルスを回避するのに要求される固定的な遅れである。
【０１０３】
ＤＳＰが新しい運動セグメントをロードするごとに、それはレーザ事象バッファ遅延１７８及びゲート遅延１５８の値を以下のように計算する。
【０１０４】
調整モードフィルタ遅延＋ガルボ遅延の値はＢＰ遅延という名のパラメータとして記憶される。
【０１０５】
遅延i=ＢＰ遅延＋ΔＴ*分割レーザ遅延−第１パルス遅延。これはレーザバッファ事象遅延１７８及びゲート遅延１５８間で要求される遅れである。
【０１０６】
ゲート遅延１５８＝（遅延ｉモジュラス５０ミリ秒）＋５０ミリ秒。この遅延はゲート遅延１５８がＦＰＧＡ境界状態を回避するのに十分長い。
【０１０７】
レーザ事象バッファ遅延１７８＝遅延ｉ―ゲート遅延１５８。これは５０ミリ秒の偶数倍である。
【０１０８】
値が計算された後に、ゲート遅延１５８はレーザ事象バッファのレーザオンパケットにフィールドとしてロードされ、そのパケットの時間タグはレーザ事象バッファ遅延を加える現在の時刻である。
【０１０９】
ビーム位置決め器サーボはレーザオンパケットを呼ぶときに、それはゲート遅延１５８の値をＦＰＧＡレーザパルス制御タイマーレジスタ１４６'にロードし、次いで、好ましいレーザパルス数を決定するためにＦＰＧＡパルスカウントレジスタ１４４'からデータを得る。
【０１１０】
当業者は、この発明の部分が好ましい実施例に対する上述の実施例とは異なって実施できることを認識する。例えば、加工物標本材料は、堅固又は柔軟、銅覆又は露出、ファイバー強化又は均質樹脂誘電体であろうと任意の配線基板材料を現実的に含むことができ、またセラミック基板及びシリコン基板、例えばマイクロ電子デバイス及び半導体デバイスにおいて使用されるそれらを含むこともできる。
【０１１１】
付録Ａ
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付録Ｂ
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多くの変更が発明の根本原理から外れずに、上記実施例の細部に行うことができることは当業者にとって自明である。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ決定されねばならない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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