(57)【要約】【課題】被加工物の不均一性に拘らず、常に最適な加工を実現する。【解決手段】加工中の穴１３の画像を撮影し、画像計測結果により得た加工穴の形状に基づいて、加工状態の制御、加工終了判定、加工装置の状態チェックを行なう。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光によりプリント基板に穴を開けるためのレーザ加工方法において、
加工中の穴の画像を撮影し、
画像計測結果により得た加工穴の形状に基づいて、加工状態の制御、加工終了判定、加工装置の状態チェックの少なくともいずれか一つを行なうことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記画像から、加工穴の底の形状や上端開口の形状を計測することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記加工状態の制御が、過少ショット数による１次加工後の追加ショットによる再加工状態を制御するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記加工状態の制御を、レーザ発振パラメータを切り換えることにより行なうことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
レーザ光によりプリント基板に穴を開けるためのレーザ加工装置において、
加工中の穴の画像を撮影する撮像手段と、
撮影した画像から、加工穴の形状を計測する画像計測手段と、
画像計測結果により、加工状態の制御、加工終了判定、加工装置の状態チェックの少なくともいずれか一つを行なう制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工穴を照明する光源が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記撮像手段が、加工穴の底や上端開口の画像を撮影するようにされていることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記加工穴の底の画像を撮影する第１の撮像手段と、前記上端開口の画像を撮像する第２の撮像手段とが独立して設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記第１の撮像手段が、加工穴の底を直上から直視できるよう、加工用レーザ光の光路上で分岐したところに配設され、
前記第２の撮像手段が、加工穴の斜め上方に配設されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザによりプリント基板に穴を開けるためのレーザ加工方法及び装置に係り、特に、絶縁層と導体層を積層した積層基板への穴加工を確実に行なうことが可能なレーザ加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザを用いてプリント基板に穴を開ける穴あけ加工機が知られている。図１に示す如く、この穴あけ加工機において、パルスレーザ発振器２０より出射された加工用レーザ光２２は、例えば折り返しミラーを含む光学系２４、レーザ光を走査するための、例えばガルバノミラーである走査ミラー２８、該走査ミラー２８によって走査された光を平行光線化して被加工物１２に照射するための、例えばｆθレンズである集光レンズ３２を経て、ステージ（図示省略）上の被加工物１２へと導かれる。
【０００３】
このような加工機における従来の制御方法として、図２（流れ図）及び図３（タイムチャート）に示す如く、ある決まったパルス数ＮＰを、例えば実験的に求めて予め設定値として保存し、全ての穴加工について、これを一律に適用する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このパルス数を固定する方法では、図４（Ａ）（Ｂ）に示すような、例えば銅層１４、１８である導体層と、例えば樹脂層１６である絶縁層を積層した積層基板の、基板ロットや場所の絶縁層の樹脂密度等の偏りにより、過加工や加工不足が発生することがある。図４（Ａ）に示した樹脂層加工時の穴加工深度と加工穴の様子を図５に示す。図５において、１７は、樹脂層１６に形成された加工穴、１９は、銅層１８に形成された加工穴である。
【０００５】
このような問題点を解決するべく、特許文献１に、加工部からのレーザ光の反射光強度やその変化を観測することにより、被加工物の加工状態を検出する方法が提案されているが、これらはあくまで代用特性であり、外乱の影響を受け易く、精度の信頼性も低いという問題点を有していた。
【０００６】
又、特許文献２には、画像計測を行なうことが記載されているが、穴あけ中ではなく、穴あけ終了後に穴位置と数をチェックするだけであり、個々の穴形状はチェックしていなかった。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３０１１１８３号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１７５７６号公報
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、被加工物の不均一性に関わらず、最適な加工を実現できるようにすることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光によりプリント基板に穴を開けるためのレーザ加工方法において、加工中の穴の画像を撮影し、画像計測結果により得た加工穴の形状に基づいて、加工状態の制御、加工終了判定、加工装置の状態チェックの少なくともいずれか一つを行なうようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記画像から、加工穴の底の形状や上端開口の形状を計測するようにしたものである。
【００１１】
又、前記加工状態の制御が、過少ショット数による１次加工後の追加ショットによる再加工状態を制御するものとしたものである。
【００１２】
又、前記加工状態の制御を、レーザ発振パラメータを切り換えることにより行なうようにしたものである。
【００１３】
本発明は、又、レーザ光によりプリント基板に穴を開けるためのレーザ加工装置において、加工中の穴の画像を撮影する撮像手段と、撮影した画像から、加工穴の形状を計測する画像計測手段と、画像計測結果により、加工状態の制御、加工終了判定、加工装置の状態チェックの少なくともいずれか一つを行なう制御手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
又、前記加工穴を照明する光源を設けたものである。
【００１５】
又、前記撮像手段が、加工穴の底や上端開口の画像を撮影するようにしたものである。
【００１６】
又、前記加工穴の底の画像を撮影する第１の撮像手段と、前記上端開口の画像を撮像する第２の撮像手段とを独立して設けたものである。
【００１７】
又、前記第１の撮像手段を、加工穴の底を直上から直視できるよう、加工用レーザ光の光路上で分岐したところに配設し、前記第２の撮像手段を、加工穴の斜め上方に配設したものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明の第１実施形態は、パルスレーザ発振器２０、折り返しミラーを含む光学系２４、ガルバノミラーでなる走査ミラー２８、ｆθレンズでなる集光レンズ３２を備えた、図１に示したと同様のレーザ穴あけ加工機において、図６に示す如く、ステージ１０上に配置された被加工物１２の加工部を照明するための投光装置４０と、加工用レーザ光２２のみを透過するための干渉フィルタ４２と、前記投光装置４０によって照らされ、加工用レーザ光２２と同じ光路を逆行し、干渉フィルタ４２で反射された光を撮影するための、結像光学系を含む高速２次元撮像装置４４と、該撮像装置４４で撮影された画像に基づいて、加工が終了したと判断された場合には加工完了信号、加工が終了していないと判断された場合には撮像タイミング信号を穴あけ制御装置５０に送る加工終了判定装置４６と、該加工終了判定装置４６から入力された信号に応じて、パルスレーザ発振器２０、走査ミラー２８、ステージ１０を制御する穴あけ制御装置５０とを備えたものである。
【００２０】
前記投光装置４０は、加工穴の撮影をより良好に行なうため、加工穴を照らすように設けられているが、撮像装置４４、被加工物１２、加工する環境等によっては、必ずしも必要ではない。
【００２１】
前記干渉フィルタ４２は、ある特定の波長の光のみを透過させるフィルタであり、この場合、加工用レーザ光２２の波長に近い光（例えば３５５ｎｍ前後等）のみを透過し、撮像装置４４で撮影する予定の波長の光を反射するハーフミラーが理想的である。
【００２２】
前記走査ミラー２８は、被加工物１２の加工面において走査方向が直交するようにされた一対のガルバノミラーとされ、これらの角度を位置決めすることにより、穴加工位置が決定される。
【００２３】
前記集光レンズ３２は、前記走査ミラー２８により反射されたレーザ光を被加工物１２の加工面に対しほぼ垂直に入射させるための光学系であり、例えば、等角速度で入射するレーザ光が被加工物１２上で等速度になるよう設計されたｆθレンズ等が用いられる。
【００２４】
前記高速２次元撮像装置４４は、通常のＮＴＳＣビデオレートである３０ｆｐｓでは捉え難い高速な事象を撮影可能な装置であり、１ｋ〜数十ｋＨｚでの撮像が可能なものである。この撮像装置４４は、図６に示したように、加工用レーザ光２２を伝搬する光学系の途中で、例えば干渉フィルタ４２により光路を分岐して設置される。
【００２５】
なお、加工穴の斜め上方に設置する方法も考えられるが、この場合は、図７に示すようにオクルージョン領域が生じ、穴底の一部が撮像できない状況が想定される。このような場合には、複数台のカメラを用い、図８に３台のカメラＡ、Ｂ、Ｃを用いる例を示すように、それぞれ異なる方向から加工穴１３を撮像し、撮影された画像を、図９に示すように加工穴直上からの画像に投影変換した後に合成することで、互いのオクルージョンを補い合うことにより問題を解決できる。
【００２６】
前記加工終了判定装置４６は、撮像装置４４により得られた穴加工部の画像に対し画像処理を行い、加工が終了したかどうかを判定し、加工終了及び加工不足の信号を出力する。
【００２７】
加工終了の判定は、図１０に示す如く、銅層（導体層）１８上の樹脂層（絶縁層）１６の加工時には、下層の銅層１８の露出径Ｄ１が規定の数値を超えたかどうかにより行なうことができる。あるいは、図１１に示す如く、樹脂層１６の上に設けられた銅層１４の加工時には、下層の樹脂層１６の露出径Ｄ２が規定の数値を超えたかどうかにより判定することができる。例えば、図１０に示した絶縁層（１６）加工時は、下層の導体層（１８）の露出径Ｄ１が４０〜６０μｍの範囲内となった場合、図１１に示した導体層（１４）加工時は、下層の絶縁層（１６）の露出径Ｄ２あるいは最下層の導体層（１８）の露出径Ｄ１がそれぞれ６０〜７０μｍの範囲内となった場合に、加工終了と判定することができる。
【００２８】
前記穴あけ制御装置５０は、被加工物１２の位置決めを行なうステージ１０、及び、穴あけの位置決めを行なう走査ミラー２８を、前記加工終了判定装置４６からの信号に基づき制御する。又、パルスレーザ発振器２０に信号を送るレーザ発振のタイミングを制御する。
【００２９】
本実施形態における穴あけ加工は、図１２に示す如く、過少のショット数ＮＰ１の照射の後、追加ショット数△ＮＰの照射、加工終了判定を繰り返すことにより進行する。
【００３０】
以下、図１３を参照して、具体的な加工の手順について説明する。
【００３１】
加工を開始すると、ステップ１００でステージ１０を移動する、具体的には、穴あけ制御装置５０よりステージ１０へ位置決め目標位置及び駆動開始命令が送信され、ステージ１０の駆動が開始される。
【００３２】
ステージ１０の位置決めが完了したと判定されたときには、ステップ１０２で、走査ミラー２８の位置決めを行う。具体的には、穴あけ制御装置５０より走査ミラー２８へ位置決め目標位置及び駆動開始命令が送信され、走査ミラー２８の駆動が開始される。
【００３３】
走査ミラー２８の位置決めが完了したと判定されたときは、ステップ１０６で、穴あけ制御装置５０よりパルスレーザ発振器２０へＮＰ１ショットのパルスレーザ発振命令を送信する。これによりパルスレーザ発振器２０からＮＰ１ショットのパルスレーザが発振される。
【００３４】
パルスレーザ発振が終了したときには、ステップ１０８で、必要に応じて投光装置４０を点灯する。
【００３５】
次いでステップ１１０に進み、画像計測を行なう。具体的には、穴あけ制御装置５０から加工終了判定装置４６に撮像タイミング信号を送信する。すると、撮像装置４４により被加工部が撮像される。そして、加工終了判定装置４６は、被加工部の像を画像処理することにより、加工終了及び加工不足を判定する。加工終了判定装置４６は、判定結果に応じて、穴あけ制御装置５０に加工終了信号若しくは加工不足の信号を送信する。
【００３６】
穴あけ制御装置５０へ加工終了の信号が送信された場合には、穴径、真円度、開口率等を測定し、穴毎のデータとして保存する。そして、次に加工すべき穴がある場合には、ステップ１０２に戻る。
【００３７】
一方、穴あけ制御装置５０へ加工終了の信号が送信された場合で、次に加工すべき穴が無いときは、穴あけ制御装置５０から走査ミラー２８及びステージ１０へ原点復帰の信号を送信し、走査ミラー及びステージは原点に復帰する。
【００３８】
一方、穴あけ制御装置５０へ加工不足の信号が送信された場合には、ステップ１１２に進み、穴あけ制御装置５０よりパルスレーザ発振器２０へΔＮＰショットのパルスレーザ発振信号を送信する。これによりパルスレーザ発振器２０からΔＮＰショットのパルスレーザが発振され、パルスレーザ発振終了の後、ステップ１１０へ戻る。
【００３９】
ここで、図１１に示した如く、表面層が銅層１４であった場合、その銅層１４を貫通した後、更にその下の樹脂層１６を加工することになるが、銅層と樹脂層では加工におけるレーザ発振パラメータが異なるため、表層銅面１４を貫通した時点で、レーザ発振パラメータ（例えばショット数）を切り換える。
【００４０】
例えば加工用レーザ光２２のビーム径を７０μｍ、レーザ波長を３５５ｎｍとすると、図１０に示したような、例えば厚さ７０μｍの樹脂層加工時には、発振周波数を２ｋＨｚ、エネルギーフルエンスを１（Ｊ／ｃｍ２）、固定ショット数ＮＰ１を６０ショット、追加ショット数ΔＮＰを５ショットとすることができる。一方、図１１に示したような、例えば厚さ５μｍの銅層１８の加工時には、発振周波数を２ｋＨｚ、エネルギーフルエンスを１０（Ｊ／ｃｍ２）、固定ショット数ＮＰ１を４０ショット、追加ショット数ΔＮＰを５ショットとすることができる。
【００４１】
なお、ステップ１１０における画像処理による加工終了判定においては、主に加工穴１３の穴底径が判定パラメータとなる。そこで、例えば画像処理により穴底の径ＬＣを計測し、目標値と比較することができる。又、カメラが複数台設置される場合等、加工穴の開口径と穴底径が共に計測可能である場合には、開口径ＬＡと穴底径ＬＣの比や、これらの真円度を計算することも可能であり、より高い品質の穴加工が可能となる。
【００４２】
なお、真円度は、加工穴の開口径や穴底径から計算する場合のみならず、穴画像から直接計測することも可能である。即ち、画像中のある領域の真円度をｅ、領域内部の画素数（面積）をＳ、領域の輪郭画素数（周囲長）をＬとして、
ｅ＝４πＳ／Ｌ２
が１．０に近い程、真円に近いと判定できる。
【００４３】
以下に、穴画像中より穴底の径を測定する画像処理の具体的な例をいくつか示す。
【００４４】
（１）カラー画像の場合
図１４に示すように、取得された画像中には、基板面、樹脂面、銅面の領域がそれぞれ特徴的な色彩情報をもって存在している。最終的には銅面領域の直径ＬＣを計測することが目的である。まず、探索領域を絞り込むため、樹脂面領域の色彩特徴を持つ領域を抽出する。その後、抽出された領域内部で銅面領域の色彩特徴を持つ領域を抽出し、直径ＬＣを算出する。こうすることで、効率的な探索が可能となり、処理時間短縮が可能である。
【００４５】
（２）グレースケール画像の場合
処理時間の短縮を考えるならば、カラー画像よりもグレースケール画像を扱う方が、情報量として断然有利である。そこで、色彩情報を用いず、輝度分布の情報のみで穴底直径ＬＣを計測する方法を説明する。
【００４６】
ｉ．動的輪郭モデル（Ｓｎａｋｅｓ）を用いる方法
図１５に示すように、ループ状に両端が接続された動的輪郭モデルを用い、銅面領域の輪郭上においてエネルギが最小化されるよう、内部及び外部エネルギを定義し、探索を行なう。探索終了時の制御点を最小２乗中央値（ＬＭｅｄＳ）推定等を用いて楕円形等にロバストを推定し、その結果を出力する。
【００４７】
なお、最終的に楕円形等を推定せず、制御点を全て有効と見ると、銅面領域の大まかな形状を得ることができ、穴あけ精度の評価等が可能となる。
【００４８】
ｉｉ．列毎の輝度値の総和を解析する方法
図１６に示すように、縦軸・横軸それぞれについて、列、行での輝度の総和を求め、その分布を例えば微分等により解析することにより、銅面領域を検出する。この手法は、ソフトウェアの設計が容易である。
【００４９】
ｉｉｉ．動的２値化及び領域分割による方法
まず画像の２値化を行なう。単純に決めた閾値の２値化は論外であるが、今回の入力画像のように濃淡領域が偏った画像であると、判別分析法等によって最適な閾値を算出し用いても、必ずしも良好な結果は得られない。そこで、１画素毎に閾値を変化させる動的２値化を行なう。こうすることで、銅面領域のエッジを２値化により失うことがなく、良好な２値化が行なわれる。こうして得られた２値画像を領域分割し、円形の高い領域を選択して出力する。この手法は、入力画像の条件変化にロバストである。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、撮像装置４４が１台とされていたが、図１７に示す第２実施形態の如く、被加工物の斜め上方に撮像装置５２をもう１台設けて、加工穴の穴底と開口径の両者を計測可能とすることも可能である。
【００５１】
この際には、開口径により、プロファイルのズレ等から加工装置の状態をチェックすることができる。
【００５２】
なお、撮像装置４４の焦点位置の変更やレンズの切換えを可能として、１台のカメラで穴底と開口径の両方の画像を得たり、又は、加工終了判定が必要でない場合には、撮像装置４４を省略して撮像装置５２のみを設けることもできる。
【００５３】
本実施形態においては、過少ショットの後、加工状況を判定しつつ追加ショットを行なっているので、被加工物の不均一性に拘らず、常に確実な加工を実現できる。なお、１ショット毎に画像を計測して加工状況をきめ細かく制御したり、あるいは、加工状況直後の穴の状況に応じて、次の穴の状況を制御することも可能である。
【００５４】
本実施形態においては、又、被加工物に応じて、樹脂層と銅層の切換え時点で、レーザ発振パラメータを自動で変更するようにしているため、常に最適な加工を実現できる。なお、被加工物が樹脂層又は導体層のいずれか一方のみである場合には、レーザ発振パラメータを固定することも可能である。
【００５５】
本発明の適用対象は、樹脂層と銅層を積層した基板に限定されず、他の絶縁層と導体層を積層した基板にも、同様に適用できる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、加工中に加工穴を直接観察することにより、被加工物の不均一性に拘らず、常に最適な加工を実現できる。従って、後の検査工程を省略することも可能であり、スループットを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ穴あけ装置の基本的な構成を示す斜視図
【図２】同じく処理手順を示す流れ図
【図３】同じくレーザの照射状態を示すタイムチャート
【図４】加工対象であるプリント基板の例の構成を示す断面図
【図５】従来のレーザ穴あけ装置における加工状態を示す平面図
【図６】本発明に係るレーザ穴あけ装置の第１実施形態の構成を示す斜視図
【図７】撮像装置を加工穴の斜め上方に設置した場合に生じるオクルージョン領域を示す斜視図
【図８】複数台のカメラを用いてオクルージョンを解消している状態を示す平面図
【図９】同じく複数台のカメラにより撮像された加工穴画像の合成方法を示す図
【図１０】樹脂層加工時の加工状況を示す断面図
【図１１】銅層−樹脂層加工時の加工状況を示す断面図
【図１２】第１実施形態における樹脂加工時の加工の進み方を示すタイムチャート
【図１３】同じく処理手順を示す流れ図
【図１４】同じく穴あけ加工部の例を示す平面図及び断面図
【図１５】同じく動的輪郭モデルを用いた銅面領域検出の様子を示す平面図
【図１６】同じく縦方向及び横方向での輝度値の総和の例を示す図
【図１７】本発明の第２実施形態の構成を示す斜視図
【符号の説明】
１０…ステージ
１２…被加工物
１３…加工穴
１４、１８…銅層（導体層）
１６…樹脂層（絶縁層）
２０…パルスレーザ発振器
２２…加工用レーザ光
２４…光学系
２８…走査ミラー
３２…集光レンズ
４０…投光装置
４２…干渉フィルタ
４４、５２…撮像装置
４６…加工終了判定装置
５０…穴あけ制御装置
【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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【図１０】
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【図１１】
2004223553.tif 000013
【図１２】
2004223553.tif 000014
【図１３】
2004223553.tif 000015
【図１４】
2004223553.tif 000016
【図１５】
2004223553.tif 000017
【図１６】
2004223553.tif 000018
【図１７】
2004223553.tif 000019