(57)【要約】【課題】  高速で動作が可能なビームスキャナを提供する。【解決手段】  気密可能な容器と、容器の壁に形成された開口を気密に塞ぎ、レーザビームを透過させる導入窓と、容器の内部に配置され、導入窓から容器の内部に導入されたレーザビームを偏向する偏向器と、偏向器で偏向されたレーザビームを、容器の外部に出射する出射口と、容器の内部にヘリウムガスまたはネオンガスを充填することのできる充填装置とを有するビームスキャナを提供する。【選択図】          図１
2008015003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密可能な容器と、
前記容器の壁に形成された開口を気密に塞ぎ、レーザビームを透過させる導入窓と、
前記容器の内部に配置され、前記導入窓から前記容器の内部に導入されたレーザビームを偏向する偏向器と、
前記偏向器で偏向されたレーザビームを、前記容器の外部に出射する出射口と、
前記容器の内部にヘリウムガスまたはネオンガスを充填することのできる充填装置と
を有するビームスキャナ。
【請求項２】
前記充填装置が、前記容器の内部にヘリウムガスまたはネオンガスを、１１００〜１３００ｈＰａの圧力で充填することのできる請求項１に記載のビームスキャナ。
【請求項３】
軸の周囲を揺動可能な反射鏡の揺動に必要な範囲を、ヘリウムまたはネオン雰囲気にする工程と、
前記反射鏡を揺動させ、前記反射鏡でレーザビームを偏向して、照射対象物に照射する工程と
を有するビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射したビームを反射して走査することのできるミラーを備えるビームスキャナ、及び、ビーム照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層プリント基板は、内部が複層化されたプリント基板であり、大規模の電子回路を小面積で実装する際等に用いられる。
【０００３】
図２は、多層プリント基板の概略的な断面図である。多層プリント基板は、導電層２１と絶縁層２２とが、交互に積層された構造を有する。導電層２１は、たとえば銅で形成され、絶縁層２２は、たとえばエポキシ樹脂、またはポリイミド樹脂で形成される。
【０００４】
各導電層２１は、絶縁層２２により互いに絶縁され、各層で独立に電子回路が形成されている。異なる層の電子回路間を電気的に接続する必要がある場合、絶縁層２２を貫通するビアホール２３を設け、その内壁にめっきを施すこと等で電気的な接続を行う方法が用いられる。ビアホール２３は、１枚のプリント基板に数百から数万個も形成される場合がある。
【０００５】
ビアホール２３の形成は、従来、金属ドリルを用いて行われてきたが、近年、基板実装密度の向上に伴い、より小径のビアホール２３を形成できる、レーザ加工が用いられるようになった（たとえば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工を行う加工装置は、レーザドリル装置と呼ばれる。
【０００６】
図３は、レーザドリル装置を示す概略図である。
【０００７】
レーザ光源３０、たとえば炭酸ガスレーザが、たとえば周波数２ｋＨｚ、パルス幅６０μｓｅｃで、パルスレーザビーム３１を出射する。レーザビーム３１は、レンズ３３、及び、ビームの断面形状を整形する、透過領域を備えるマスク３４を含んで構成される光学系３２を経て、ガルバノスキャナ３５に入射する。ガルバノスキャナ３５は、たとえば一対の揺動可能なミラーを含んで構成され、入射したレーザビーム３１を走査する。なお、ガルバノスキャナ３５については、次図を参照して詳説する。
【０００８】
ＸＹステージ３７上は保持面を備え、保持面上に、加工対象物であるプリント基板２０が載置されている。ＸＹステージ３７は、真空チャック機能（吸着作用）を備えており、排気ポンプ４１による排気を通じて、プリント基板２０を、ＸＹステージ３７上に密着させることができる。ＸＹステージ３７は、保持面の面内方向（ＸＹ方向）に、プリント基板２０を移動させることができる。
【０００９】
ガルバノスキャナ３５を出射したレーザビーム３１は、ｆθレンズ３６の作用によりプリント基板２０に垂直に入射する。
【００１０】
ｆθレンズ３６は、マスク３４の透過領域の位置のレーザビームの断面形状を、加工対象物上に結像させることができる。プリント基板２０は、その表面上にマスク３４の透過領域の位置のレーザビームの断面形状の像が結像されるように、ＸＹステージ３７上に載置される。
【００１１】
コントローラ３８は、ガルバノスキャナ３５及びＸＹステージ３７の動作を制御する。コントローラ３８からガルバノスキャナ３５及びＸＹステージ３７に伝えられる制御信号は、操作装置３９からコントローラ３８に予め与えられたビアホール形成位置のデータ等に基づいて作成される。
【００１２】
図４は、ガルバノスキャナ３５を示す概略的な斜視図である。
【００１３】
ガルバノスキャナ３５は、第１ガルバノスキャナ５１、及び、第２ガルバノスキャナ５２を含む。第１ガルバノスキャナ５１、及び、第２ガルバノスキャナ５２は、それぞれガルバノモータ５１ａ、５２ａ、シャフト５１ｂ、５２ｂ、及び、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃを含んで構成される。
【００１４】
ガルバノモータ５１ａ、５２ａは、コントローラ３８から伝えられる制御信号に基づいて、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃを回転（揺動）させる回転トルクを発生する。回転トルクは、シャフト５１ｂ、５２ｂを介してガルバノミラー５１ｃ、５２ｃに伝えられ、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃは、シャフト５１ｂ、５２ｂを軸にその周囲を回転（揺動）する。
【００１５】
図示するように、ＸＹＺ直交座標系を画定するとき、たとえば第１ガルバノスキャナ５１のガルバノミラー５１ｃは、Ｚ軸に平行に配置されたシャフト５１ｂの周囲を回転（揺動）し、第２ガルバノスキャナ５２のガルバノミラー５２ｃは、Ｙ軸に平行に配置されたシャフト５２ｂの周囲を回転（揺動）する。
【００１６】
たとえば、レーザビーム３１が、Ｙ軸に平行な方向から第１ガルバノスキャナ５１に入射する。レーザビーム３１は、ガルバノミラー５１ｃで反射され、ＸＹ平面に平行な平面内を進行し、第２ガルバノスキャナ５２のガルバノミラー５２ｃに入射する。その後、ガルバノミラー５２ｃで反射され、ｆθレンズ３６を経て加工対象物に入射する。
【００１７】
図５は、プリント基板上の被加工領域（ビアホール形成領域）を示す概略的な平面図である。本図を参照して、レーザドリル装置によるビアホール形成方法について説明する。
【００１８】
ガルバノスキャナとｆθレンズとにより、ビアホールの精密な位置決めができる範囲（走査範囲）には制限があり、それはたとえば一辺が数十ｍｍ程度の四角形領域である。このため、より広い被加工領域に対してビアホールを形成する場合には、ガルバノスキャナによるビーム走査と、ＸＹステージの送り動作とを併用するのが通常である。
【００１９】
図５に示すように、プリント基板上の被加工領域（ビアホール形成領域）は、たとえば一辺が５００ｍｍの正方形の領域である。この領域中に、たとえば１０万個のビアホールを形成する。
【００２０】
ガルバノスキャナの動作だけでビーム走査が可能な範囲は、たとえば一辺が５０ｍｍの正方形領域（区画）である。したがって、被加工領域（ビアホール形成領域）を、一辺が５０ｍｍの正方形領域に分割し、分割した各領域ごとに加工を行う。本図においては、被加工領域（ビアホール形成領域）を分割した、一辺が５０ｍｍの正方形領域をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、・・と符号を付して示した。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、・・の各領域には、それぞれたとえば１０００個のビアホールが形成される。
【００２１】
ガルバノスキャナによるビーム走査で、領域Ｓ１にビアホールを形成する。たとえばパルスレーザビームを４ショット照射して１つのビアホールを形成する。１つのビアホールの形成が終了したら、ガルバノミラーを位置決めし、領域Ｓ１の別の場所に、別のビアホールを形成する。ガルバノミラーの位置決め期間には、レーザの発振は停止しておく。これを反復し、領域Ｓ１のビアホール形成加工を完了させる。
【００２２】
続いて、プリント基板の次の区画（領域Ｓ２）がガルバノスキャナの走査範囲にくるように、ＸＹステージでプリント基板を移動させる。その後、ガルバノスキャナによるビーム走査で、領域Ｓ２に１０００個のビアホールを形成する。次に、プリント基板の次の区画（領域Ｓ３）がガルバノスキャナの走査範囲にくるように、ＸＹステージでプリント基板を移動させ、ガルバノスキャナによるビーム走査で、領域Ｓ３にビアホールを形成する。この繰り返しにより、プリント基板のすべての区画に対して、ビアホール形成加工を行う。
【００２３】
上述の一連の作業は、操作装置から予め入力されたビアホール形成位置のデータに基づき、コントローラから制御信号が出されることで実行される。一対のガルバノミラーの位置決め、レーザ照射、ある領域Ｓｎの加工完了後のＸＹステージの位置決め、が繰り返される。
【００２４】
上述のビアホール形成加工においては、４ショットのレーザビーム照射による１つのビアホール形成加工が完了して後、次の目標位置ヘ合わせるためにガルバノミラーの回転が開始される。そして、レーザビームの照射は、一対のガルバノミラーが目標位置で停止した後に開始される。すなわち、ガルバノスキャナ（ガルバノミラー）の位置決め期間においては、レーザ発振は停止される。なお、プリント基板のＸＹステージによる位置決めの間も、レーザ発振は停止されることが多い。
【００２５】
レーザドリル装置によるビアホール形成加工の高スループット化は、たとえばレーザのパルスレートを高くすること、一対のガルバノミラーの位置決め時間やＸＹステージの位置決め時間を短縮すること等で実現することができる。なお、ここでいう位置決め時間とは、移動を開始してから所定の目標位置に位置合わせされるまでの時間である。
【００２６】
高スループット化のための上記３つの方法は、いずれもレーザドリル装置の機械的及び電気的特性により制限を受けるため、従来のレーザドリル装置では高スループット化には限界があった。また、前述のｆθレンズの効果で、レーザビーム照射位置の移動距離は、ガルバノミラーの振れ角に比例することになるため、移動距離が伸びるにつれて位置決め時間も長くなる。
【００２７】
したがって、複数個のビアホールを連続して形成する場合、総加工時間を短縮するために、ビアホールの位置データを並べ直し、より短い経路で結びなおす方法も、しばしば採用されてきた。
【００２８】
なお、レーザドリル装置によるビアホール形成加工の加工時間に関わる３要素、レーザ発振器の発振周波数、一対のガルバノミラーの位置決め時間、及び、ＸＹステージの位置決め時間のうち、加工時間短縮のために最も効果があるのは、一対のガルバノミラーの位置決め時間である。
【００２９】
ＸＹステージによるプリント基板の１回の移動に要する時間は、たとえば０．５秒以下である。しかしＸＹステージの駆動回数は、レーザビームの照射回数やガルバノミラーの駆動回数に比べて極めて少ないことから、ＸＹステージの位置決め時間の短縮は、加工の高速化に大きくは寄与しない。
【００３０】
また、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂を加工する際に好適に用いられる炭酸ガスレーザ発振器の発振周波数は、ＲＦ励起方法でたとえば最高１００ｋＨｚである。これに比して、ガルバノスキャナにおけるガルバノミラーの駆動周波数は、たとえば２ｋＨｚであり、また、最大駆動周波数は、たとえば３ｋＨｚである。これらはレーザ発振器の発振周波数よりもかなり小さい。
【００３１】
したがって、レーザドリル装置においては、ガルバノミラーの駆動速度向上が、高スループット化のために重要である。
【００３２】
昨今の携帯電話機の小型化等に見られるように、プリント配線基板上のビアホールの小径化、高密度化が望まれている。ビアホールを小径化するためには、ガルバノミラーに入射するレーザビームのビーム径を大きくする、または、ｆθレンズの焦点距離を短くする方法が採用される。
【００３３】
しかし、ｆθレンズの焦点距離を短くすると、プリント基板から発生する加工複製物等がレンズに付着してレンズ損傷の原因となる。
【００３４】
一方、ガルバノミラーに入射するレーザビームのビーム径を大きくするためには、ガルバノミラーのサイズを大きくする必要があるが、この場合、ガルバノミラーの駆動速度が低下する。
【００３５】
材質や構造を工夫してガルバノミラーを軽量化したり、ガルバノミラーの制御方法をアナログからデジタルに変更したりして、駆動速度の向上を図っているがまだ十分な効果を得るには至っていない。
【００３６】
【特許文献１】特開２００２−３５９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明の目的は、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することである。
【００３８】
更に、高速でビームを走査することのできるビーム照射方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
本発明の一観点によれば、気密可能な容器と、前記容器の壁に形成された開口を気密に塞ぎ、レーザビームを透過させる導入窓と、前記容器の内部に配置され、前記導入窓から前記容器の内部に導入されたレーザビームを偏向する偏向器と、前記偏向器で偏向されたレーザビームを、前記容器の外部に出射する出射口と、前記容器の内部にヘリウムガスまたはネオンガスを充填することのできる充填装置とを有するビームスキャナが提供される。
【００４０】
このビームスキャナは、高速駆動が可能なビームスキャナである。
【００４１】
本発明の他の観点によれば、軸の周囲を揺動可能な反射鏡の揺動に必要な範囲を、ヘリウムまたはネオン雰囲気にする工程と、前記反射鏡を揺動させ、前記反射鏡でレーザビームを偏向して、照射対象物に照射する工程とを有するビーム照射方法が提供される。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。
【００４３】
更に、高速でビームを走査することのできるビーム照射方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、実施例によるビームスキャナ（ガルバノスキャナ）を示す概略的な斜視図である。実施例によるビームスキャナ（ガルバノスキャナ）は、たとえば図３に示すレーザドリル装置のガルバノスキャナ３５として用いられる。
【００４５】
実施例によるガルバノスキャナは、ウィンドウ５５を備えた筐体５７の内部に、第１ガルバノスキャナ５１、第２ガルバノスキャナ５２、折り返しミラー５６を含んで構成される。また、筐体５７に接続された給排気装置４２を含む。
第１ガルバノスキャナ５１、及び、第２ガルバノスキャナ５２は、それぞれガルバノモータ５１ａ、５２ａ、シャフト５１ｂ、５２ｂ、及び、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃを含む。
【００４６】
ガルバノモータ５１ａ、５２ａは、コントローラ３８から伝えられる制御信号に基づいて、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃを回転（揺動）させる回転トルクを発生する。回転トルクは、シャフト５１ｂ、５２ｂを介してガルバノミラー５１ｃ、５２ｃに伝えられ、ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃは、シャフト５１ｂ、５２ｂを軸にその周囲を回転（揺動）する。
【００４７】
図示するように、ＸＹＺ直交座標系を画定するとき、たとえば第１ガルバノスキャナ５１のガルバノミラー５１ｃは、Ｚ軸に平行に配置されたシャフト５１ｂの周囲を回転（揺動）し、第２ガルバノスキャナ５２のガルバノミラー５２ｃは、Ｘ軸に平行に配置されたシャフト５２ｂの周囲を回転（揺動）する。
第１及び第２ガルバノスキャナ５１、５２の一対の揺動可能なミラー（ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃ）によって、レーザビームが走査される。
【００４８】
ウィンドウ５５は、たとえば筐体５７の上面に設けられ、使用されるレーザビームに対して透明な材料で形成された、レーザビームの入射口である。筐体５７の壁に形成された開口を気密に塞ぐ。
【００４９】
折り返しミラー５６は、たとえば平面ミラーである。
【００５０】
筐体５７の下面には、ｆθレンズ３６が配置される。
筐体５７の内部は気密されている。
【００５１】
筐体５７の内部には、給排気装置４２により、たとえばヘリウムガスが充填されている。
【００５２】
たとえば、レーザビーム３１が、Ｚ軸に平行な方向からウィンドウ５５を透過して、筐体５７内部に入射する。筐体５７内部に入射したレーザビーム３１は、折り返しミラー５６で反射され、ＸＹ平面に平行な平面内を進行し、第１ガルバノスキャナ５１に入射する。レーザビーム３１は、ガルバノミラー５１ｃで反射され、ＸＹ平面に平行な平面内で進路を変更し、第２ガルバノスキャナ５２のガルバノミラー５２ｃに入射する。その後、ガルバノミラー５２ｃで反射され、ｆθレンズ３６を経て筐体５７の外部に出射される。
【００５３】
ガルバノミラーの駆動においては筐体内部の雰囲気の抵抗を受ける。気体抵抗Ｆｇａｓ（ｋｇ）は、以下の式（１）で表される。
Ｆｇａｓ＝ＣＤ＊Ａ＊ρｇａｓ＊Ｕ２／２・・・（１）
ここでＣＤは抵抗係数（ｋｇ＊ｓｅｃ２／ｍ４）、Ａはガルバノミラーの面積（投影面積）（ｍ２）、ρｇａｓは気体密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｕは速さ（ｍ／ｓｅｃ）である。
【００５４】
なお、気体密度ρｇａｓのうち空気密度ρａｉｒ（ｋｇ／ｍ３）は、簡易的に、以下の式（２）で表される。
ρａｉｒ＝１．２９３２＊Ｐ／（１＋０．００３６７ｔ）／７６０・・・（２）
ここでＰは気圧（ｍｍＨｇ）、ｔは温度（℃）を示す。ρａｉｒはたとえば１気圧、２０℃で、１．３８８ｋｇ／ｍ３である。
【００５５】
実施例によるガルバノスキャナにおいては、筐体５７の内部（（ガルバノミラー５１ｃ、５２ｃの周囲（回転に必要な範囲））は、給排気装置４２によってヘリウムが充填されている。ヘリウムの密度ρＨｅはたとえば１気圧で、０．１９２ｋｇ／ｍ３であり、空気密度ρａｉｒの約１／７である。
このため、式（１）を参照して理解されるように、実施例によるガルバノスキャナは、筐体内部に空気が充填されたガルバノスキャナに比べて、ガルバノミラーの気体抵抗Ｆｇａｓを小さくすることができる。したがって、ガルバノミラーの駆動速度を速くすることができ、高速でビーム走査を行うことができる。
また、ガルバノミラーの気体抵抗Ｆｇａｓが小さくて済むため、ガルバノミラーを駆動するトルクを低減することができ、その結果、ガルバノモータ、ひいてはガルバノスキャナを小型化することが可能である。ガルバノモータの心臓部であるＳＮ極の永久磁石と、ロータである枠型コイルのトルクも合わせて減少させることができるため、一層の小型化が可能である。
なお、トルクを軽減せず、ガルバノモータで一定の値のトルクを発生させる場合、ガルバノミラーの大型化を実現することができる。
更に、ヘリウムガスは冷却作用を有する。冷却作用はヘリウムガスの熱伝導率の高さに起因するもので、空気の熱伝導率が、０．００２３０（Ｗ／（ｍ＊Ｋ））であるのに対し、ヘリウムのそれは、０．１５２（Ｗ／（ｍ＊Ｋ））と大きいことから、単純に熱伝導率の値だけから判断すると、約６６倍の冷却作用があることになる。
ガルバノモータの熱がヘリウム原子に伝導し、運動エネルギを増したヘリウム原子が、筐体等に衝突することによって、熱が筐体の壁を通して外部に散逸され、ガルバノモータの、たとえばベアリング部の過熱を防止することができる。
【００５６】
なお、筐体内部の気圧は、大気圧より少し高い気圧、たとえば１１００〜１３００ｈＰａとすることが望ましい。これは、分子量の小さいヘリウムは、比較的容易に筐体の壁を通過できるため漏れを生じ、その結果、外部から空気の混入を許すことになるためである。
【００５７】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
たとえばヘリウムガスの代わりにネオンガスを充填することも可能である。ネオンガスの密度ρＮｅは、空気密度ρａｉｒの約２／３であるため、ガルバノミラーの駆動速度を速くすることができる。
【００５８】
特に、ヘリウムガスは、安価で不燃性で反応性にも乏しいことから、使用環境を選ばず、取り扱いが簡便であるという長所がある。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
レーザ加工及びレーザ加工装置一般に利用することができる。殊に、高速駆動が必要とされる、たとえばレーザ穴開け加工、及び、レーザ穴開け加工を行う装置に好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例によるビームスキャナ（ガルバノスキャナ）を示す概略的な斜視図である。
【図２】多層プリント基板の概略的な断面図である。
【図３】レーザドリル装置を示す概略図である。
【図４】ガルバノスキャナ３５を示す概略的な斜視図である。
【図５】プリント基板上の被加工領域（ビアホール形成領域）を示す概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００６１】
２０  プリント基板
２１  導電層
２２  絶縁層
２３  ビアホール
３０  レーザ光源
３１  レーザビーム
３２  光学系
３３  レンズ
３４  マスク
３５  ガルバノスキャナ
３６  ｆθレンズ
３７  ＸＹステージ
３８  コントローラ
３９  操作装置
４１  排気ポンプ
４２  給排気装置
５１  第１ガルバノスキャナ
５２  第２ガルバノスキャナ
５１ａ、５２ａ  ガルバノモータ
５１ｂ、５２ｂ  シャフト
５１ｃ、５２ｃ  ガルバノミラー
５３、５４  真空軸受け
５５  ウィンドウ
５６  折り返しミラー
５７  筐体
【図１】
2008015003.tif 000003
【図２】
2008015003.tif 000004
【図３】
2008015003.tif 000005
【図４】
2008015003.tif 000006
【図５】
2008015003.tif 000007