(57)【要約】【課題】セラミック基板に上下の孔径差をより小さく且つ、安定したテーパを穿孔出きる方法を提供する。【解決手段】ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用いるとともに、レーザー発振条件を、パワー密度１５〜６０Ｗ、パルス周期１０００μｓｅｃ〜４０００μｓｅｃ、パルスＤＵＴＹ５％〜２０％としてセラミック基板にレーザー光を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板にレーザー加工を用いて穿孔するための方法であって、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用いるとともに、レーザー発振条件を、パワー密度１５Ｗ〜６０Ｗ、パルス周期１０００μｓｅｃ〜４０００μｓｅｃ、パルスＤＵＴＹ５％〜２０％としてレーザー光を照射することを特徴とするセラミック基板の穿孔方法。
【請求項２】
上記レーザー光を照射して形成した孔に、０．１ｍｍ〜３ｍｍの間でデフォーカスしたレーザー光を再度照射することを特徴とする請求項１記載のセラミック基板の穿孔方法。
【請求項３】
上記レーザー光を照射して形成した孔のレーザー光の入射側に、幅１０〜２００μｍ、断面角度θが５〜４０度、入射面から厚みの３５％の位置の径と出射側の径との差が３％以内であるテーパ部を形成することを特徴とする請求項１または２記載のセラミック基板への穿孔方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加工によるセラミック基板への穿孔方法とこの穿孔方法を用いて形成したに電子部品用セラミック基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品用基板には電気絶縁性に優れるセラミックスが多用され、近年の高密度実装化の進展に伴い、基板の両面パターン化と高精細化が図られている。特に混成集積回路基板においては、両面パターン化のためにスルーホール（表裏導通用の孔）が形成されているのが一般的となっている。
【０００３】
このようなセラミック基板への穿孔方法としては、加工精度や加工効率の点でレーザー加工が一般的に用いられている。
【０００４】
ところで、この種のレーザー加工において、レーザーの種類としてはＣＯ２レーザー又はＹＡＧレーザーが用いられ、また、孔を形成するために、ワークとしてのセラミック基板をテーブル上に載せ、テーブルを円弧状に動かすＸ−Ｙテーブル法、テーブルの位置を固定し、レーザー光の焦点レンズを円弧状に動かす偏芯ボーリングヘッド法、あるいはＸ−Ｙテーブルも集光レンズも動かさずにレーザー光を集光して得られたスポットのままで加工する方法等が用いられていた。
【０００５】
ここでのＸ−Ｙテーブル法とは、図２に示すように、セラミック基板１を加工機のＸ−Ｙテーブル９上の固定テーブル８の所定位置に載せ、その上方に配置するレーザー発振器４より出射したＣＯ２レーザー光５をミラー６で反射させてセラミック基板１に対して略垂直に入射するようにし、集光レンズ７でレーザー光５を集光させてセラミック基板１に照射するのであるが、この際、Ｘ−Ｙテーブル９を駆動させてセラミック基板１側を、穿孔する孔２の外周径に沿って円弧状に移動させることにより所定の大きさの孔２を穿孔する方法である。
【０００６】
また、偏芯ボーリングヘッド法とは、図８に示すように、セラミック基板１は固定台２３上に載せ、その上方に配置するレーザー発振器４より出射したＣＯ２レーザー光５をミラー６で反射させ、セラミック基板１に対して略垂直に入射するようにし、集光レンズ７でレーザー光５を集光させてセラミック基板１に照射するのであるが、この際、集光レンズ７を穿孔する孔２の外周径に沿って円弧状２４に移動させることにより所定の大きさの孔２を穿孔する方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この孔は両面パターン化の為の表裏導通孔であり、その為セラミック基板の一方の主面から他方の主面を導通させる為に孔壁に導体形成を印刷法やディスペンサー法、吸引法、メッキ法等で行うのが一般的である。
【０００８】
いずれの方法もペースト状の導電性材料をセラミック基板の一方の面から孔壁へ流し込む、もしくは付け込む方法であるが、この場合セラミック面と孔壁への継続点となる部分がレーザー加工の場合鋭利であり導電性材料の肉厚が極端に薄くなり、電流を流した際に、継続点で断線する等、信頼性が低いと言う課題があった。
【０００９】
その為、レーザー加工の穿孔後に円筒研磨法やサンドブラスト法、バレル法等を用いて、二次的にテーパをつける方法を用いて解消していた。
【００１０】
しかし、いずれの方法もテーパサイズが不安定、又は継続点でカケ等の欠陥が発生する、リードタームが長くなる等の課題があった。
【００１１】
そこで、レーザー加工時にテーパを付ける方法として、特開平３−２７７５５４号公報にはＤＣ方式のレーザーを用い、レーザーエネルギー密度を変える又は集光レンズの位置もしくは加工材料を近付ける事でデフォーカスする方法が開示されているが、エネルギー密度を変える方法としては、レンズの透過差をつける若しくはレーザー光道にマスキングを行う等が考えられるが、この場合一般的な分割溝と孔を同時加工する場合に切り替え等のロスが生じる。
【００１２】
又、ＤＣ放電方式でデフォーカスにすると元来の出力波形から中央部のみしか加工への貢献が無い為、加工に時間を要し、照射時間の長い部分ではクラック等の欠陥が発生する。しかも、形状は入射側の溶融が大きくなり、断面形状が臼状で入射側と出側の孔径差大きくなる。よって、出側が鋭角となる。
【００１３】
ＤＣ放電方式のＣＯ２レーザー発振器４は、図９（ａ）に示すように、ＣＯ２ガス２８をファン２６によって放電管２５へ送り、放電管２５から回収したＣＯ２ガスを熱交換機２７で冷却するように循環させた構造で、放電管２５の一方端側には陰極３０を備えるとともに、放電管２４の他方端側には陽極２９を備え、ＤＣ（直流）電圧を印加することにより、放電管２５の他方端側よりレーザー光５を発振するようになっていた。
【００１４】
そして、ＤＣ放電方式のレーザー発振器４により発振されたレーザー光５の出力波形は、図９ｂに示すように、山形をなし、立ち上がりが遅いため、セラミック基板に穿孔するのに必要なエネルギー密度を得る部分（斜線部分）が少なく、レーザー光５によってセラミックスを十分に蒸発させることができず、その結果、孔の入口側が長時間熱に曝されることになるため、図４（ａ）に示すように、孔２の入口側２ｂが広くなった曲面状に形成され、入射側径２ｂから出側径２ｃまでほぼ同じ径を有する微小孔２を形成できなかった。
【００１５】
しかも、ＤＣ放電方式のＣＯ２レーザー発振器４を用いた場合、溶融によって溶けたセラミックが微粒子化して孔の内壁面に再凝固する際、セラミックス溶融層２（ａ）の厚みＡが厚くなるとともに、厚みが傾斜的に形成され、精度の良い孔２を穿孔することができないといった課題もあった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、セラミック基板にレーザー加工にて穿孔するにあたり、レーザー発振方式として、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用いるとともに、レーザー発振条件を、パワー密度１５Ｗ〜６０Ｗ、パルス周期１０００μｓｅｃ〜４０００μｓｅｃ、パルスＤＵＴＹ５％〜２０％としてセラミック基板にレーザー光を照射するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
また、その際に、例えばＺ軸にＬＭガイドを設置し、ボールネジをダイレクトモーターで稼動させることによって、１度形成した孔に０．１ｍｍ〜３ｍｍの間でデフォーカスしたレーザ光を再度照射することを特徴とする。
【００１８】
さらに、これによって、孔の入射側に幅１０〜２００μｍ、断面角度θ５〜４０度、入射面から厚みの３５％の位置の径と出射側の径との差が３％以内となるテーパ部を形成する事を特徴とするセラミック基板への穿孔方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明のセラミック基板に分割用凹部と孔を有するセラミック基板の一例を示す斜視図である。
【００２１】
図１に示すセラミック基板１は、その一方の主面に列設した複数の分割用凹部３と一方の主面から他方の主面に貫通された複数の孔２ｂを有するものである。
【００２２】
本発明のセラミック基板への穿孔方法は、図２に示す様にワークとしてのセラミック基板１をレーザー加工機のＸ−Ｙテーブル９上の固定テーブル８の所定位置に載せ、その上方に配置するレーザー発振器４より出射したＣＯ２レーザー光５をミラー６で反射させてセラミック基板１に対して略垂直に入射するようにし、集光レンズ７でレーザー光５を集光させてセラミック基板１に照射することで孔２を穿孔する。
【００２３】
このとき、レーザーの種類として、０．６ｍｍ以上の板厚を有するセラミック基板１にも孔２を穿孔することが可能な高出力のＣＯ２レーザーを用いるとともに、その発振方式をＲＦ励起方式としたことを特徴とする。
【００２４】
即ち、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザー発振器は、図３（ａ）に示すように、ファン１２よりＣＯ２ガス１６をレーザー発振器部１０に供給し、レーザー発振器部１０より回収したＣＯ２ガス１６を熱交換器１３で冷却する点は、ＤＣ放電方式と同様の構造をしたものであるが、レーザー発振部１０は、間隔を狭めた二枚の電極１４、１５間に高周波の電圧を印加し、レーザー発振部１０よりレーザー光５を発振するようになっている。
【００２５】
そして、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザー発振器により発振されるレーザー光５の出力波形は、図３（ｂ）に示すように、台形をなし、立ち上がりが速いため、セラミック基板１に孔２を穿孔するのに十分に大きなエネルギー密度（斜線部分）を得ることができ、レーザー光５が照射された領域の大部分のセラミックスを効率良く蒸発させることができるため、図４（ｂ）に示すように、孔２の入射側２ｂが広くなるようなことがなく、０．６３５ｍｍ以上の板厚ｔを有するセラミック基板１に対しても入射側２ｂから出側２ｃまで同じ孔径を有する孔２を穿孔することができる。
【００２６】
又、この時の入射側径とは入射面ｔ１から板厚ｔの３５％の位置の径ｔ２とし、孔径差は径ｔ２と出射側２ｃ径の差とする。また入射側のテーパ部の断面角度θは、孔出側から孔入射側への延長線と溶融境界への直線の成す角度θで表す。
【００２７】
更に図５に示す様に、Ｚ軸を上下動可能とする為に、集光レンズ７を保持するＺ軸１７をバックボード１８で固定し、ボールネジ１９、ダイレクトモーター２０でＬＭガイド２１上をスライドさせる機構を備える。
【００２８】
図６（ａ）の様に第１穿孔を焦点位置ｔ３で行った後、図６（ｂ）の様に第２穿孔としてＺ軸１７を０．１〜３ｍｍの範囲でｔ４まで降下させるとＲＦ励起方式の場合、集光されたレーザー光がデフォーカスされ、その端部で加工が施されることで、入射側に幅１０〜２００μｍ、断面角度θが５〜４０度、入射面から厚みの３５％の位置の径ｔ２と出射側径の差が３％以内のテーパ部２２を形成する事が出来る。
【００２９】
また、レーザー光５を発振させる条件としては、パワー密度を１５〜６０Ｗ、パルス周期を１０００μｓｅｃ〜４０００μｓｅｃとし、且つ図７に示すパルス周期（Ｔ２）に対するパルス幅（Ｔ１）の割合で示されるパルスＤＵＴＹを５％〜２０％にする。
【００３０】
即ち、パワー密度が１５Ｗ未満では、加工に時間を要し、長時間孔２の入口側２ｂが熱の影響を受けることになるためにクラックが発生するからであり、逆に６０Ｗを超えると、孔２の周辺が急激に熱せられてヒートショック現象が発生し、セラミック基板１が割れたり、あるいは孔２の間隔が狭いものにおいては孔間にクラックが発生するからである。
【００３１】
また、パルス周期（Ｔ２）が１０００μｓｅｃ未満となると、次の周期までの時間が短いためにセラミック基板１に加工熱が蓄積され、ヒートショク現象でセラミック基板１に割れが発生したり、あるいは孔２の間隔が狭いものにおいては孔間にクラックが発生するからであり、逆にパルス周期（Ｔ２）が４０００μｓｅｃを越えると、一般的に加工熱を十分に冷却するだけの時間を確保できるものの、加工に時間を要するため、パルス幅（Ｔ１）を長くして必要な加工エネルギーを得ようとすると、連続して孔２の部分が熱せられるために、セラミック基板１に加工熱が蓄積されてヒートショク現象による割れが発生するからである。
【００３２】
さらに、パルスＤＵＴＹが５％未満となると、レーザー照射時間に対する冷却時間が長くなるために穿孔のための時間が長くなり、板厚ｔが１ｍｍ以上のセラミック基板１において孔２を形成することが実質的に困難となり、逆にパルスＤＵＴＹが２０％を超えると、レーザー照射時間が長くなり、加工時の熱蓄積が大きくなるためにヒートショック現象によるクラックが発生するからである。
【００３３】
又、Ｚ軸３ｍｍ以上浸入させると、孔径比が３％を超え、クラックが入りやすくなり、孔信頼性が低下する。
【００３４】
以上の条件にてレーザー加工を行えば、セラミック基板１にクラックや割れを発生させることなく、入射側に幅１０〜２００μｍ、断面角度θ５〜４０度、入射面から厚みの３５％の位置の径ｔ２と出射側径の差３％以内のテーパを形成する事が出来る。
【００３５】
尚、本発明において、孔２を穿孔するセラミック基板１の材質については特に限定するものではなく、例えばアルミナやジルコニア等を主成分とするセラミックスを用いることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更できることは言う迄もない。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
ここで、図２に示す様な、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用い、セラミック基板に、孔径が４００μｍの孔を形成し、クラックや割れを生じることなく、入射側と出側孔径差をより小さくしてテーパを形成出きるかの実験を行った。
【００３８】
まず、アルミナ９６重量％に対してシリカ、カルシア、マグネシア等の焼結助剤を４重量％配合したセラミック原料に有機物バインダーを加えグリーンシートを成形した。その後、最高温度１６００℃で焼成し、厚み１．０００ｍｍｔのアルミナ基板を得た。
【００３９】
そして、これらのアルミナ基板をＲＦ励起発振方式によるＣＯ２レーザーにて孔径４００μｍの孔加工を施した。
【００４０】
そして、穿孔加工を施したアルミナ基板のテーパ部に発生するクラックの有無を以下の方法で確認した。
【００４１】
穿孔加工後のアルミナ基板を、マークテック（株）製、探傷液ＰＬＫに１０分間浸積した後、水で洗浄して乾燥させ、倍率５０倍の金属顕微鏡にてクラック発生の有無を確認した。クラックが発生しているものはクラック部にＰＬＫ液が浸透し着色することにより確認した。
【００４２】
そして、１００個の孔の孔間にクラックが１箇所以上発生しているものをクラック有りとし、クラックの発生が一箇所もないものをクラック無しとした。
【００４３】
入射側と出側の形及は、倍率５０倍の金属顕微鏡にて測定を行い、入射側径と出側径の比を径差割合で算出した。
【００４４】
テーパ角度はＳＥＭ写真にて倍率７５倍で撮影し、断面角度を測定した。
【００４５】
又、テーパ量は入射側表面にカーボン紙を擦り付け、平面とテーパの境界を明確にし、倍率５０倍の金属顕微鏡を用い測定を行った。
【００４６】
表１に板厚が１．０ｍのアルミナ基板における実験結果を示す。
【００４７】
【表１】
2004058118.tif 000003
【００４８】
表１より判るように、板厚が１．０ｍｍのアルミナ基板に対し、ＲＦ励起方式のレーザー装置を用い、Ｚ軸０．１〜３ｍｍの間で降下させて加工を施した。
【００４９】
結果、テーパ部にクラックに関しては、降下３．４ｍｍ迄は発生が無かったがそれ以降で微少なクラックが確認された。又、入射面から厚みの３５％の位置の径ｔ２と出射側径の差３％以内で殆ど差が無い。テーパ量１０〜２００μｍ、断面角度がθ５〜４０度を得る事が出来た。
【００５０】
一方のＤＣ放電方式ではＺ軸を降下させるとパワー密度分布の影響から、入射側径を大きく広げてしまう為、出側とのギャップが大きくなっている事が分った。
（実施例２）
図２に示すように、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用い、アルミナ９６重量％に対してシリカ、カルシア、マグネシア等の焼結助剤を４重量％配合したセラミック基板に、４００μｍの孔を形成し、テーパを形成を付けて導電性材料として銀・白金のペーストをスクリーン印刷し、電流を流し、溶断レベル（差）の実験を行った。
【００５１】
その結果、表２に示すように、入射側にテーパを形成する事による溶断レベルは向上し信頼性を増す事が判る。
【００５２】
【表２】
2004058118.tif 000004
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミック基板に孔をレーザー加工にて穿孔するにあたり、レーザー発振方式として、ＲＦ励起方式のＣＯ２レーザーを用いるとともに、レーザー発振条件を、パワー密度１５〜６０Ｗ、パルス周期１０００μｓｅｃ〜４０００μｓｅｃ、パルスＤＵＴＹ５％〜２０％としてセラミック基板にレーザー光を照射したことによって、表裏の導通を目的とした導電性材料を印刷した場合、高信頼性のある孔を形成することが可能となった。
【００５４】
また、Ｚ軸に移動させて、１度形成した孔に０．１ｍｍ〜３ｍｍの間でデフォーカスしたレーザ光を再照射することで、入射側に幅１０〜２００μｍ、断面角度θ５〜４０度、入射面から厚みの３５％位置の径と出側径の差３％以内のテーパを形成することが出来る。
【００５５】
この結果、表裏の導通を目的とした導電性材料を印刷した場合、高信頼性のある孔にする事が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の方法により穿孔したセラミック基板を示す斜視図、（ｂ）はその孔部分の拡大図である。
【図２】本発明のセラミック基板の穿孔方法を示す側面図である。
【図３】（ａ）は本発明のセラミック基板の穿孔方法に用いるＲＦ励起方式のレーザ装置を示す模式図、（ｂ）はその出力波形を示す線図である。
【図４】（ａ）は従来の方法で穿孔された孔の断面図、（ｂ）は本発明の方法で穿孔された孔の断面図である。
【図５】本発明のセラミック基板の穿孔方法を示す側面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明のセラミック基板の穿孔方法を示す概略図である。
【図７】セラミック基板の穿孔方法におけるレーザー出力のパルスＯＮ−ＯＦＦの状態を示す線図である。
【図８】従来のセラミック基板の穿孔方法におけるレーザー加工の偏芯ボーリングヘッド法を説明する為の模式図である。
【図９】（ａ）は従来のセラミック基板の穿孔方法に用いるＤＣ放電方式のレーザー装置の模式図、（ｂ）はその出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：孔
２ａ：セラミック溶融層
２ｂ：孔の入口側
２ｃ：孔の出口側
３：分割用凹部
４：レーザー発振器
５：レーザー光
６：ミラー
７：集光レンズ
８：固定テーブル
９：Ｘ−Ｙテーブル
１０：ＲＦ励起方式レーザー発信機部
１１：本体
１２，２６：ファン
１３，２７：熱交換器
１４、１５：電極
１６，２８：ＣＯ２ガス
１７：Ｚ軸
１８：バックボード
１９：ボールネジ
２０：ダイレクトモーター
２１：ＬＭガイド
２２：テーパ
２３：固定台
２４：集光レンズ（円弧移動タイプ）
２５：放電管
ｔ：セラミック基板の板厚
ｔ１：入射面の孔径
ｔ２：厚みの３５％の位置の径
ｔ３、ｔ４：Ｚ軸降下位置
【図１】
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【図２】
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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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