(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光源から放射されたパルスレーザビームを有効に利用出来るレーザ加工装置および加工方法を提供する。【解決手段】レーザ光源１から出射されたパルスレーザビーム２の、時間軸上に配列した複数のパルスを、ＢＢＯ結晶を含んだ構成を用い、外部から与えられる制御信号に基づいて、各パルスが第１の光軸２０及び第２の光軸３０のいずれか一方の光軸に沿って伝搬するように振り分ける。第１の走査光学系１７が、第１の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物上５１に導くと共に、パルスレーザビームの照射位置を移動させる。第２の走査光学系１８が、第２の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物５３上に導くと共に、パルスレーザビームの照射位置を移動させる。一方の走査光学系を通して加工対象物上にパルスレーザビームが照射されている期間に、他方の走査光学系を駆動してビームの照射位置を移動させておく。【選択図】  図１
2004167545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光されたパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、時間軸上に配列した複数のパルスを、外部から与えられる制御信号に基づいて、各パルスが第１の光軸及び第２の光軸のいずれか一方の光軸に沿って伝搬するように振り分ける振り分け光学系と、
前記第１の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物上に導くと共に、外部から与えられる信号に基づいて駆動されることにより、加工対象物上のある領域内で、パルスレーザビームの照射位置を移動させる第１の走査光学系と、
前記第２の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物上に導くと共に、外部から与えられる信号に基づいて駆動されることにより、加工対象物上のある領域内で、パルスレーザビームの照射位置を移動させる第２の走査光学系と、
前記パルスレーザビームが、前記第１の走査光学系を通して加工対象物上に照射されている期間に、前記第２の走査光学系を駆動してビームの照射位置を移動させておき、前記パルスビームが、前記第２の走査光学系を通して加工対象物上に照射されている期間に、前記第１の走査光学系を駆動してビームの照射位置を移動させておく制御手段と
を有し、前記振り分け光学系は、パルスレーザビームが入射し、前記制御信号に基いて、第１の偏光方向のパルスレーザビームと、前記第１の偏光方向とは９０°偏光方向が異なる第２の偏光方向のパルスレーザビームとのいずれか一方を出射するＢＢＯ結晶を含んで構成され、前記第１の偏光方向のパルスレーザビームが前記第１の光軸に沿って伝搬し、前記第２の偏光方向のパルスレーザビームが前記第２の光軸に沿って伝搬するように振り分ける多軸レーザ加工装置。
【請求項２】
前記第１の走査光学系が、前記第１の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを複数のビームに分割し、分割されたパルスレーザビームの各々の照射位置を移動させ、
前記第２の走査光学系が、前記第２の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを複数のビームに分割し、分割されたパルスレーザビームの各々の照射位置を移動させる請求項１に記載の多軸レーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ光源から放射されたパルスレーザビームを、ＢＢＯ結晶を用いて、直線偏光で、第１の偏光状態のパルスレーザビームと、前記第１の偏光状態とは偏光方向が９０°異なる第２の偏光状態のパルスレーザビームとのうち、いずれか一方に偏光する工程と、
前記第１の偏光状態のパルスレーザビームを、第１の走査光学系に入射させ、該第１の走査光学系を通して加工対象物上に該パルスレーザビームを照射して加工する工程と、
前記第１の走査光学系を通してパルスレーザビームを加工対象物上に照射している期間に、第２の走査光学系を通るパルスレーザビームが照射される加工対象物上の位置が移動するように該第２の走査光学系を制御する工程と、
前記第２の偏光状態のパルスレーザビームを、前記第２の走査光学系に入射させ、前記加工対象物上に該パルスレーザビームを照射して加工する工程と、
前記第２の走査光学系を通してパルスレーザビームを加工対象物上に照射している期間に、前記第１の走査光学系を通るパルスレーザビームが照射する加工対象物上の位置が移動するように該第１の走査光学系を制御する工程と
を含むレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多軸レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に加工対象物上のある範囲内でレーザ照射位置を移動させて加工する多軸レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数軸のレーザビームの各々の光軸をガルバノスキャナで振り、プリント配線基板の所望の位置に穴開けを行うレーザ加工装置が知られている（たとえば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、レーザ発振器から出射したパルスレーザビームが、相互に直交するように配置された２枚の反射鏡により２本のビームに分割される。分割されたビームの各々の光軸がガルバノスキャナで振られ、ｆθレンズで加工対象物上に集光される。ガルバノスキャナとｆθレンズで、ビームを所望の位置に集光させることにより、所望の位置に穴を開けることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−５８１７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ加工に用いるパルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数が２０ｋＨｚ、出力が２．５Ｗである場合、約４０パルスで、樹脂基板に深さ４０μｍの穴を開けることができる。このとき、１つの穴開けに要する時間は２ｍｓである。１つの穴を開けた後、ガルバノスキャナを動作させ、次の穴の位置までレーザビームの照射位置を移動させるのに必要とされる時間は、例えば約１ｍｓである。ガルバノスキャナが作動している時間中に放射されたレーザパルスは、穴開けに利用されない。
【０００５】
本発明の目的は、レーザ光源から放射されたパルスレーザビームを有効に利用することが可能なレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、直線偏光されたパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、時間軸上に配列した複数のパルスを、外部から与えられる制御信号に基づいて、各パルスが第１の光軸及び第２の光軸のいずれか一方の光軸に沿って伝搬するように振り分ける振り分け光学系と、前記第１の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物上に導くと共に、外部から与えられる信号に基づいて駆動されることにより、加工対象物上のある領域内で、パルスレーザビームの照射位置を移動させる第１の走査光学系と、前記第２の光軸に沿って伝搬するパルスレーザビームを、加工対象物上に導くと共に、外部から与えられる信号に基づいて駆動されることにより、加工対象物上のある領域内で、パルスレーザビームの照射位置を移動させる第２の走査光学系と、前記パルスレーザビームが、前記第１の走査光学系を通して加工対象物上に照射されている期間に、前記第２の走査光学系を駆動してビームの照射位置を移動させておき、前記パルスビームが、前記第２の走査光学系を通して加工対象物上に照射されている期間に、前記第１の走査光学系を駆動してビームの照射位置を移動させておく制御手段とを有し、前記振り分け光学系は、パルスレーザビームが入射し、前記制御信号に基いて、第１の偏光方向のパルスレーザビームと、前記第１の偏光方向とは９０°偏光方向が異なる第２の偏光方向のパルスレーザビームとのいずれか一方を出射するＢＢＯ結晶を含んで構成され、前記第１の偏光方向のパルスレーザビームが前記第１の光軸に沿って伝搬し、前記第２の偏光方向のパルスレーザビームが前記第２の光軸に沿って伝搬するように振り分ける多軸レーザ加工装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によるとレーザ光源から放射されたパルスレーザビームを、ＢＢＯ結晶を用いて、直線偏光で、第１の偏光状態のパルスレーザビームと、前記第１の偏光状態とは偏光方向が９０°異なる第２の偏光状態のパルスレーザビームとのうち、いずれか一方に偏光する工程と、前記第１の偏光状態のパルスレーザビームを、第１の走査光学系に入射させ、該第１の走査光学系を通して加工対象物上に該パルスレーザビームを照射して加工する工程と、前記第１の走査光学系を通してパルスレーザビームを加工対象物上に照射している期間に、第２の走査光学系を通るパルスレーザビームが照射される加工対象物上の位置が移動するように該第２の走査光学系を制御する工程と、前記第２の偏光状態のパルスレーザビームを、前記第２の走査光学系に入射させ、前記加工対象物上に該パルスレーザビームを照射して加工する工程と、前記第２の走査光学系を通してパルスレーザビームを加工対象物上に照射している期間に、前記第１の走査光学系を通るパルスレーザビームが照射する加工対象物上の位置が移動するように該第１の走査光学系を制御する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
【０００８】
一方の走査光学系を制御している期間中に、他方の走査光学系を通してパルスレーザビームが加工対象物上に照射される。このため、レーザ光源から出射したパルスレーザビームを有効に利用することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、直線偏光されたパルスレーザビーム２を放射する。レーザ光源１は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器と非線形光学素子とを含んで構成される。パルスレーザビーム２は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）である。
【００１０】
パルスレーザビーム２が、振り分け光学系１０に入射する。振り分け光学系１０は、半波長板１１、ポッケルス効果を示す電気光学素子１２、偏光板１３を含んで構成される。半波長板１１は、レーザ光源１から放射されたパルスレーザビーム２を、偏光板１３に対してＰ波となるような直線偏光にする。このＰ波が電気光学素子１２に入射する。
【００１１】
電気光学素子１２は、制御装置４０から送出される制御信号ｓｉｇ０に基づいて、パルスレーザビームの偏光軸を旋回させる。電気光学素子１２が電圧無印加状態にされている時、入射したＰ波がそのまま出射される。電気光学素子１２が電圧印加状態にされている時、電気光学素子１２は、Ｐ波の偏光面を９０度旋回させる。これにより、電気光学素子１２から出射するパルスレーザビームは、偏光板１３に対してＳ波となる。
【００１２】
偏光板１３は、Ｐ波をそのまま透過させ、Ｓ波を反射する。偏光板１３を透過したＰ波は、光軸２０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ１となる。偏光板１３で反射したＳ波は、他の光軸３０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ２となる。光軸２０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ１は、第１の走査光学系１７に入射し、他の光軸３０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ２は、第２の走査光学系１８に入射する。
【００１３】
第１の走査光学系１７に入射したパルスレーザビームｐｌ１は、折り返しミラー２１及び２２で反射し、ハーフミラー２３に入射する。ハーフミラー２３は、入射したパルスレーザビームを、相互に等しいエネルギを有する２本のレーザビームに分割する。ハーフミラー２３で反射したパルスレーザビームは、ガルバノスキャナ２５に入射する。ハーフミラー２３を透過したパルスレーザビームは、折り返しミラー２４で反射し、他のガルバノスキャナ２６に入射する。ガルバノスキャナ２５及び２６は、それぞれ制御装置４０から送信される駆動信号ｓｉｇ１１及びｓｉｇ１２により駆動される。
【００１４】
ガルバノスキャナ２５及び２６を通過したレーザビームは、それぞれｆθレンズ２７及び２８により樹脂基板５１の表面上に集光される。樹脂基板５１は、基板載置台５０の上に固定されている。樹脂基板５１の、パルスレーザビームが集光された位置に穴が形成される。
【００１５】
第２の走査光学系１８に入射したパルスレーザビームｐｌ２は、折り返しミラー３１で反射し、ハーフミラー３２に入射する。ハーフミラー３２は、入射したパルスレーザビームを、相互に等しいエネルギを有する２本のレーザビームに分割する。ハーフミラー３２で反射したパルスレーザビームは、ガルバノスキャナ３４に入射する。ハーフミラー３２を透過したパルスレーザビームは、折り返しミラー３３で反射し、他のガルバノスキャナ３５に入射する。ガルバノスキャナ３６及び３７は、それぞれ制御装置４０から送信される駆動信号ｓｉｇ２１及びｓｉｇ２２により駆動される。
【００１６】
ガルバノスキャナ３４及び３５を通過したレーザビームは、それぞれｆθレンズ３６及び３７により樹脂基板５３の表面上に集光される。樹脂基板５３は、基板載置台５２の上に固定されている。パルスレーザビームが集光された位置に穴が形成される。
【００１７】
次に、図２を参照して、振り分け光学系１０及びガルバノスキャナ３４、３５、２５、及び２４の制御方法について説明する。
【００１８】
図２は、制御信号ｓｉｇ０、駆動信号ｓｉｇ１１、ｓｉｇ１２、ｓｉｇ２１、ｓｉｇ２２、及びパルスレーザビームｐｌ１、ｐｌ２のタイミングチャートを示す。制御信号ｓｉｇ０に基づき、電気光学素子１２が電圧無印加状態になっている第１の期間Ｔ１は、図１（Ｂ）に示した電気光学素子１２を通過したパルスレーザビームがＰ波であるため、光軸２０に沿ったパルスレーザビームｐｌ１が出力され、光軸３０に沿ったパルスレーザビームｐｌ２は出力されない。このため、第１の走査光学系１７のガルバノスキャナ２５及び２６を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。
【００１９】
第１の期間Ｔ１中に、制御装置４０は、第２の走査光学系１８のガルバノスキャナ３４及び３５に対して、それぞれ駆動信号ｓｉｇ２１及びｓｉｇ２２を送信する。これにより、ガルバノスキャナ３４及び３５は、パルスレーザビームを樹脂基板５１上の所望の位置に集光するように制御される。
【００２０】
第１の期間Ｔ１の後の第２の期間Ｔ２では、制御信号ｓｉｇ０により、電気光学素子１２が電圧印加状態になる。このため、第２の期間Ｔ２中は、パルスレーザビームｐｌ１が出力されず、パルスレーザビームｐｌ２が出力される。この前の第１の期間Ｔ１中に、ガルバノスキャナ３４及び３５が駆動され、パルスレーザビームを集光すべき点が調整されているため、第２の期間Ｔ２中に、所望の位置に穴開けを行うことができる。
【００２１】
さらに、第２の期間Ｔ２中に、制御装置４０は、第１の走査光学系１７のガルバノスキャナ２７及び２８に対して、それぞれ駆動信号ｓｉｇ１１及びｓｉｇ１２を送信する。これにより、ガルバノスキャナ２７及び２８は、パルスレーザビームを樹脂基板５１上の所望の位置に集光するように制御される。
【００２２】
第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２とを交互に繰り返すことにより、樹脂基板５１の所望の複数の位置に穴開けを行うことができる。
【００２３】
上記実施例では、第１の走査光学系１７のガルバノスキャナ２５及び２６を駆動している第２の期間Ｔ２中に、第２の走査光学系１８を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。また、第２の走査光学系１８のガルバノスキャナ３４及び３５を駆動している第１の期間Ｔ１中に、第１の走査光学系１７を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。このため、レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームのすべてのパルスが、穴開け加工に有効に利用される。
【００２４】
パルスの繰り返し周波数が２０ｋＨｚ、パワーが２．５Ｗのパルスレーザビームで、樹脂基板に深さ４０μｍの穴を開ける場合を考える。樹脂基板上の一箇所に４０パルスを照射することにより、深さ４０μｍの穴を開けることができる。すなわち、１つの穴の加工時間は２ｍｓである。ガルバノスキャナを駆動して、パルスレーザビームの照射点を移動させるために、約１ｍｓが必要とされる。このため、一つの走査光学系のみを用いて複数の穴を開ける場合には、一つの穴を開けるために必要とされる時間が、ガルバノスキャナの駆動時間を含めて３ｍｓになる。
【００２５】
上記実施例において、第１の期間Ｔ１及び第２の期間Ｔ２を２ｍｓに設定する。このとき、第１の期間Ｔ１に１個の穴を開け、第２の期間Ｔ２にも１個の穴を開けることができる。すなわち、４ｍｓで２個の穴を開けることができる。１個あたりに必要とされる加工時間は２ｍｓであり、ガルバノスキャナの駆動時間を無視できることがわかる。
【００２６】
上記実施例では、振り分け光学系１０が、時間軸上に配列した複数のパルスを２つの光軸に振り分ける。この振り分けによって、１パルス当たりのエネルギは変化しない。さらに、ハーフミラー２３及び３２が、１つのパルスを２つの光軸に分割する。この光軸分割によって、１パルス当たりのエネルギは約半分になる。
【００２７】
樹脂基板は、１パルス当たりのエネルギは低くても穴開けを行うことができる。このため、ハーフミラーでパルスレーザビームを分割しても、穴開けに必要なエネルギを確保することができる。また、銅箔等に穴開けを行う場合には、１パルス当たりのエネルギを高くしなければならない。ハーフミラーでレーザビームを分割することによって穴開けに必要なエネルギが確保できなくなる場合には、ハーフミラーによるビームの分割を行わないようにすればよい。
【００２８】
また、上記実施例では、レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、その第３高調波を加工に利用したが、加工対象物に穴開けできるその他のレーザ光源を用いてもよい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザの基本波やその高調波を用いてもよいし、炭酸ガスレーザを用いてもよい。
【００２９】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、電気光学素子１２としてＫＤＰを用いた場合の、樹脂基板５３及び５１に入射する直前のレーザビームの時間波形を表す概略的なグラフである。両図ともに、横軸は、時間を単位「ｍｓ」で示し、縦軸は、ビームのパワーを単位「Ｗ」で示した。パワーが連続的に強くなっている期間Ｔ１及びＴ２においては、パルスレーザビームが樹脂基板上の一箇所に照射され、穴が開けられている。
【００３０】
Ｔ１及びＴ２直後の期間Ｔ３において、漏れ光が生じている。漏れ光は、アコースティックリンギング効果による偏光状態の残存応答現象のために発生する。漏れ光が照射された樹脂基板上には、傷が形成される。漏れ光が発生するのは、電気光学素子１２として、ＫＤ＊Ｐを用いる場合も同様である。ＫＤＰ及びＫＤ＊Ｐは、高デューティーサイクルで用いると、寿命が短く、頻繁に交換を行う必要がある。
【００３１】
電気光学素子１２として、電歪係数の小さいＢＢＯ結晶を用いると、漏れ光の発生を防ぐことができた。レーザビームを時間的にきれいに分けることができ、加工品質を向上させることができた。また、電気光学素子１２として、ＢＢＯ結晶を使用すると、高デューティーサイクルで用いても、寿命が長く、交換の煩を避けることができる。したがって、電気光学素子１２としては、ＢＢＯ結晶を用いることが好ましい。
【００３２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、少なくとも２つの走査光学系を用い、一方の走査光学系によるレーザ照射位置を移動させている期間に、他方の走査光学系を通過したパルスレーザビームで加工を行う。このため、一方の走査光学系によるレーザ照射位置を移動させている期間に放射されたパルスレーザビームも有効に利用することができる。１つの走査光学系を用いて加工する場合には利用されていなかったパルスレーザビームを利用することができるため、スループットの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う際のパルスレーザビーム及び各種制御信号のタイミングチャートである。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、電気光学素子としてＫＤＰを用いた場合の、樹脂基板に入射する直前のレーザビームの時間波形を表す概略的なグラフである。
【符号の説明】
１  レーザ光源
２  パルスレーザビーム
１０  振り分け光学系
１１  半波長板
１２  電気光学素子
１３  偏光板
１７  第１の走査光学系
１８  第２の走査光学系
２０、３０  光軸
２１、２２、２４、３１、３３  折り返しミラー
２３、３２  ハーフミラー
２５、２６、３４、３５  ガルバノスキャナ
２７、２８、３６、３７  ｆθレンズ
４０  制御装置
５０、５２  基板保持台
５１、５３  樹脂基板
【図１】
2004167545.tif 000003
【図２】
2004167545.tif 000004
【図３】
2004167545.tif 000005