(57)【要約】【課題】  黒化処理された金属表面の肉眼で認識することのできない程度の微細な品質のバラツキをも正確に認識できるようにすることにより、微細な穴あけ加工も正確に穿設することができる金属表面状態検出装置及び検出方法を提供できるようにする。【解決手段】  粗面化された金属表面からの赤外線放射を促進する赤外線放射促進手段と、赤外線放射促進手段で促進された被検査対象物である金属表面からの赤外線放射分布を検出して表示する表示手段とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗面化された金属表面からの赤外線放射を促進する赤外線放射促進手段と、赤外線放射促進手段で促進された被検査対象物である金属表面からの赤外線放射分布を検出して表示する表示手段とを備えたことを特徴とする粗面化金属の表面状態検出装置。
【請求項２】
金属表面からの赤外線放射分布情報を加工機に出力可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の粗面化金属の表面状態検出装置。
【請求項３】
金属表面から放散される赤外線の分布の表示手段がサーモグラフィによるパターン表示である請求項１に記載の粗面化金属の表面状態検出装置。
【請求項４】
被検査対象物である粗面化された金属表面から放散される赤外線の分布をサーモグラフィによる表示手段により、金属表面状態の粗面化状態の均一性を表示するようにしたことを特徴とする粗面化金属の表面状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面状態検出装置及び検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年情報機器、例えばパーソナルコンピュータや携帯電話等においては小型・高性能化が進み、これにともなって回路基板も高密度化され、集積回路を取り付けるための高精度な穴あけ作業も要求される。
この要請に応えるものとしてビルドアップ工法による回路の多層化技術が注目されている。
ビルドアップ工法とは、ベースとなる従来プリント基板上にさらに絶縁層(ビルドアップ層)と配線層を積み重ね、層間の電気接続用止まり穴(ブラインドバイアホール、以下ＢＶＨと称す)を加工する工程を繰り返すことによって、多層プリント基板を製造するものである。
【０００３】
多層基板の層間をつなぐＢＶＨの加工法としては炭酸ガスレーザによる加工が主流となっている。
しかし炭酸ガスレーザの波長領域(１０μｍ)では、レーザ光が銅箔表面で反射されてしまうため、直接銅箔を加工することは難しい。
このため、レーザ加工が採用された初期の段階では、穴あけを行う部分をあらかじめエッチングにより銅箔を除去したうえでレーザ加工を行うコンフォーマルマスク加工が適用されている。
【０００４】
現在では、コンフォーマルマスク加工の課題である高速加工を目的に開発されたラージウィンド加工(外層銅箔に穴径よりも約１００μｍ大きいエッチングにより設けたウィンド内に穴あけする)が主流となっている。
しかしながら、銅箔のエッチングによるウィンドの位置精度には限界があり、内層パッドが小さくなるにつれ小径穴との位置あわせが難しくなり、回路の高密度化の障害となっている。
【０００５】
上記問題の解決手段として,近年開発された極薄銅箔(銅箔厚さ９μｍ以下)表面にレーザ吸収性を高める処理を行えば炭酸ガスレーザによる銅箔のダイレクト加工が可能になっている。
炭酸ガスレーザによるＣｕダイレクト加工は、内層パターン基準で穴あけするので穴の位置ずれが少ない。
加えて、ウィンド形成プロセスが必要なくなり、めっきとパターン形成もコンフォーマルマスク加工やラージウィンド加工と同じプロセスが適用できるなどメリットが多い。
また極薄銅箔はダイレクト加工だけでなく、銅箔の厚みが薄いために回路の細線化にも有利である。
しかしながら、 加工しきい値の異なる銅と樹脂を同時に加工するため、銅箔が突き出る等の不良が発生する。
【０００６】
また、銅箔を貫通させるためにどうしても樹脂には過剰なレーザエネルギになり、ＢＶＨ底部に損傷を受けやすく、品質が劣化する問題があった。
上記問題に鑑み、レーザービームの高密度エネルギーを回路基板等のワークに無駄なく均一に吸収させるためにワークの銅箔の表面を酸化処理することにより、表面に微細な楔状の凹凸を形成して粗面化することにより無反射面にした所謂「黒化処理」が施される。
この黒化処理の状態は目視で検査されているが、全体が無反射の黒一色の為に黒化処理（粗面化処理）の状態を正確に把握することが難しい。
その結果、黒化処理に斑があると、レーザービームの加工斑が生じ、均一な処理が行なえないという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−１７３０９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みて提案されたもので、黒化処理された金属表面の肉眼で認識することのできない程度の微細な品質のバラツキをも正確に認識できるようにすることにより、微細な穴あけ加工も正確に穿設することができる金属表面状態検出装置及び検出方法を提供できるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明にかかる粗面化金属の表面状態検出装置は、粗面化された金属表面からの赤外線放射を促進する赤外線放射促進手段と、赤外線放射促進手段で促進された被検査対象物である金属表面からの赤外線放射分布を検出して表示する表示手段とを備えたことを最も主要な特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる粗面化金属の表面状態検出方法は、被検査対象物である粗面化された金属表面から放散される赤外線の分布をサーモグラフィによる表示手段により、金属表面状態の粗面化状態の均一性を表示するようにしたことを最も主要な特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、粗面化による黒化処理された金属表面からの赤外線放射をサーモグラフィによる表示手段で表示されたパターンをみることにより、肉眼ではわかりにくい黒化処理のバラツキを認識することができ、安定した高品質の加工を行なうことができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明にかかる粗面化金属の表面状態検出方法を実施する装置の望ましい実施の形態をについて説明する。
図１は粗面化金属の表面状態検出装置の概略構成であって、図中符号１は装置を全体的に示す。
この粗面化金属の表面状態検出装置１は、遮光された環境２にワーク（テストピース）３を支持するホットプレート４からなる赤外線放射促進手段５と、このワーク３をターゲットとし、ワーク３から放出される赤外線（熱線）の分布を検出するサーモグラフィ６とからなる。
粗面化されたワーク３の金属表面からの赤外線放射を赤外線放射促進手段５で促進し、この金属表面からの赤外線放射分布をパターンで表示するサーモグラフィの表示手段で表示することにより、表示手段、例えば図９で示すようなパターンで表示された金属表面からの赤外線放射分布情報により金属表面の均一性を検知するようになっている。
【００１２】
上記装置で粗面化金属の表面状態検出する場合、先ず、Ｃｕダイレクト加工によるＢＶＨを対象に、ラージウィンド加工との比較を行い、加工穴の品質を検証するとともに、外層銅箔のレーザ吸収率を調べるため、赤外線サーモグラフィを用いて外層銅箔の放射率の測定を行い、キルヒホッフの法則を適用してその値を吸収率と見なすことで、加工との相関関係を明らかにし、Ｃｕダイレクトレーザ加工時の外層銅箔とビルドアップ層の入熱を有限要素法によりモデル化し、熱履歴を考察する。
また対象とするビルドアップ層は、ＦＲＰの中でもレーザ加工性に優れるとされているアラミド繊維強化プラスチック(ＡＦＲＰ)としている。
【００１３】
「評価対象（ワーク）」
本例で対象とするビルドアップ工法による多層プリント基板の製造工程(例えば4層回路の場合)を図２に示す。
主な工程は、
（１）コア基板７の両面に銅箔８で回路パターン(内層回路)を形成する。
（２）その両面に絶縁層(ビルドアップ層)９となるＡＦＲＰと外層銅箔１０を積層(      ビルドアップする。
（３）レーザを用いて表面処理を施した外層銅箔１０とビルドアップ層９を同時に加工      し、回路銅箔上に電気接続用の止まり穴(ＢＶＨ)１１を加工する。
（４）ドリルを用いて貫通穴(スルーホール)を加工する。
（５）デスミア処理などの洗浄後銅メッキにより内層と外層回路の接続を行う。
（６）エッチングで外層の回路パターンを形成する。
【００１４】
こうして形成されたコア基板は、従来のプリント基板に多用されているＧＦＲＰ(Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ)(ガラス布基エポキシ樹脂積層板、板厚１．６ｍｍ、積層数８層ガラス含有率６０容積％)とし、基板上の外層錫箔厚さは３・９・１８μｍ、回路銅箔厚さは３５μｍｍとした。
また、ビルドアップで積層する絶縁層は、ＡＦＲＰ(アラミド繊維不織布エポキシ樹脂,繊維含有率５０容積％)とし,厚さは０．２ｍｍとした。
マトリックス樹脂にフィラー(ＳｉＯ２)を入れることで熱伝導率を２倍向上させた基板も用いた。
レーザの加工条件は,炭酸ガスレーザ(波長１０．６μｍ)を用いて出力１００Ｗ、焦点距離６３.５ｍｍ(２．５インチ)、試料の上面を焦点としてスポット径φ０．４ｍｍ（ビームはシングルモード）とした。
【００１５】
「Ｃｕダイレクトレーザ加工の実験条件」
炭酸ガスレーザの波長領域(１０．６μｍ)では、樹脂への吸収性が良い反面,金属に吸収され難く銅箔表面で約９８％反射されてしまう。
そこで、本例では前処理として銅箔表面を酸化処理する方法である黒化処理を施す加工を行った。
図３は各照射時間において２０穴加工し、ＢＶＨが形成される割合を外層銅箔厚さ別に示したものである。
図３(ａ)はＣｕダイレクト加工による場合、図３(ｂ)はラージウィンド法(外層銅箔０μｍ)による場合の比較である。
図３(ａ)より,外層銅箔厚さが厚くなると回路銅箔に達するまでに必要な照射時間が長く、またＢＶＨが形成される領域が広いことが分かる.
【００１６】
「有限要素法モデル」
図４に有限要素法の解析に用いた要素分割モデル例を示す。
解析モデルとして外層銅箔には純銅、絶縁層部(ビルドアップ層)にはＡＦＲＰを想定した。
それぞれの物性は表１に示す。
【表１】
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過去の研究において、レーザ加工時の温度分布測定結果より、穴壁面(ＡＦＲＰ)の温度は融点である約１０７３Ｋ、また外層銅箔の壁面は銅の融点(１３５６Ｋ)になることが分かっている。
そこで、ＡＦＲＰ、外層銀箔の壁面にそれぞれ１０７３Ｋ、１３５６Ｋの温度を与えるとともに、軸対称問題として計算した。
モデルにおいて使用した計算コ一ドはＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ ｆｏｒ ｗｉｎｄｏｗｓである。
【００１７】
「放射率の測定」
Ｃｕダイレクトレーザ加工は銅箔の表面に黒化処理を施すことにより銅箔表面のレーザの吸収率を上げ、ＢＶＨの形成が可能となった。
そこで吸収率の測定を試みた。ここで、ある温度における物質の吸収率の値は放射率と同じであるというキルヒホッフの法則がある。
吸収率をα、放射率をε、物体の反射率をρ、透過率をτとすると、以下の式が成り立つ。
ε+ρ+τ＝１  (１)
物質が測定波長領域においてτ＝０のとき、式(１)は
ε+ρ＝１  (２)
ここで、ρ=１−αであるから透過率τ＝０の条件下では、以下のようになる。
ε＝α  (３)
【００１８】
したがって、物体の放射率を測定することにより、被測定物の吸収率を得ることができる。
ここで、  放射率の測定には赤外線サーモグラフィＴＶＳ-６２０(日本アビオニクス社製)を用いる。
このサーモグラフィの検出波長は８〜１４μｍであり,炭酸ガスレーザの波長１０．６μｍを含むため、レーザの吸収率の値に近い放射率を測定できると考えられる。
基板は、Ｓ／Ｎ比を向上させるため約１００℃まで加熱している接触式温度計で基板の温度を測定し、上記サーモグラフィにて撮影を行い、解析ソフトＰＥ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ(同社製)にて実測温度と同温度となる放射率を求めた。
【００１９】
Ｃｕダイレクトレーザ加工によるＢＶＨの形成
「加工穴断面」
図５に照射時間１ｍｓ、外層銅箔厚さが０・３・９・１８μｍｍの基板を加工したときの加工穴断面写真を示す。
外層銅箔があることで加工穴径は小さくなり、また、ビルドアップ層部(ＡＦＲＰ部)のテーパが小さくなることが観察された。
さらに、加工しきい値の異なる銅と樹脂を同時に加工するＣｕダイレクトレーザ加工によるＢＶＨでは銅箔が突き出る不良(オーバハング)が見られる。
このオーバハングが生じた穴では、銅メッキ付き回り不具合やソルダーレジスト穴埋め時にボイドが生じたりするなど不具合が発生するため好ましくない。
そこで、穴品質に影響を与える因子について検証する。
【００２０】
「加工穴径」
図６は、照射時間１ｍｓ、外層銅箔の厚さ０、３、９、１８μｍの基板を加工したときの加工穴径を示し、照射時間が一定の場合、外層銅箔厚さが薄いほど加工穴径が大きくなる。  一方、図３に示すように外層銅箔厚さが厚いものほど，ＢＶＨ領域が広くなる。
これは加工される穴径が外層銅箔の厚さが厚いものほど小さく、回路銅箔へ到達するエネルギーをよりマスキングする効果が大きいためであると考えられる。
また、外層銅箔があることにより加工穴径が不安定となっている。外層銅箔厚さ０μmでは約５％のばらつきがあり、外層銅箔の厚さ１８μｍでは約２６％のばらつきとなっている。
【００２１】
「オーバハング」
上記のように、照射時間、外層銅箔の厚さによりオーバハング量が増減する。そこで、照射時間とオーバハング量の関係を外層銅箔厚さ別に検証した結果を図７に示す．これより、照射時間が長くなるにつれオーバハング量は増加する傾向にある。
また、外層銅箔厚さ９μｍの基板が最もオーバハング量が顕著となる。
しかし、これは加工穴径が一定ではないと考えられるため、各外層銅箔厚さにおいて加工穴径を２００μｍ形成させる条件でのオーバハング量を調べた結果、図８に示すように、加工穴径一定の場合外層銅箔厚さが厚いものほど大きなオーバハングが生じ，穴品質が低下していることが判明した。
【００２２】
「表面銅箔の放射率」
以上のように、黒化処理を施すことによりＣｕダイレクトレーザ加工が可能であることから、黒化処理によりレーザ吸収率がどのように変化しているのかを検証した。
黒化処理前後の放射率の変化
図９は外層銅箔厚さ９μｍの基板を赤外線サーモグラフィで撮影した黒化処理前後の画像を示す。
これより、黒化処理前後で放射率が１０倍近くの変化が見られる。
また，黒化処理後は銅箔表面の放射率にばらつきがあることも分かる。
図１０は同様にして外層銅箔厚さ３、９、１８μｍの基板の放射率を測定した結果を示している。これによれば、黒化処理後は０．２程度の放射率のばらつきが生じている。
さらに、外層銅箔厚さ９、１８μｍでは黒化処理前後で放射率が１０倍近くの差があるのに対し、外層銅箔厚さ３μｍでは２．５倍程度の差しかない。
これは、銅箔厚さが５μｍ以下の基板では保護キャリアが積層されるための加工工程の違いに起因するものと考えられる。こうした放射率の増加によりＣｕダイレクト加工が可能となっている。
【００２３】
「放射率が穿孔加工に及ぼす影響」
上記のように、黒化処理を施すことにより銅箔表面の放射率が上昇しており、これによりＣｕダイレクトレーザ加工が可能となることが分かったので、放射率が加工に及ぼす影響について検証した。
図１１に照射時間１ｍｓの一定条件下での放射率と加工穴径の関係を外層銅箔厚さ別に示す。
これによれば、放射率が上がることで加工穴径は大きくなる傾向にあることから、Ｃｕダイレクトレーザ加工によるＢＶＨ形成は、照射時間が長くなるほど穴品質に低下が見られるため、加工穴径を確保しつつ、品質の向上を図るには、銅箔表面にレーザ吸収率を上げる処理をすることが重要となる。
【００２４】
因みに、上記の例ではレーザの照射時間を一定にした場合、黒化処理の斑に起因する吸収率の差により穿孔の品質のバラツキを見てきたが、換言すると、黒化処理に斑が生じることを前提にした場合、このバラツキの合わせてレーザの出力を変更させて均質な穿孔加工を行なうことができることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】粗面化金属の表面状態検出装置の概略構成図である。
【図２】多層プリント基板の製造工程図である。
【図３】照射時間とＢＶＨ形成率との関係を示すグラフである。
【図４】有限要素法の解析に用いた要素分割モデル例である。
【図５】照射時間を一定にし銅箔の厚みに対する穿孔された孔部分の断面図である。
【図６】照射時間を一定にし銅箔の厚みに対する穿孔された孔径のバラツキを示すグラフである。
【図７】照射時間とオーバハング長さとの関係を示すグラフである。
【図８】銅箔の厚さとオーバハング長さとの関係を示すグラフである。
【図９】黒化処理前後のサーモグラフィの画像の図である。
【図１０】黒化処理前後の銅箔の厚みと放射率との関係を示すグラフである。
【図１１】放射率と孔径との関係を銅箔の厚さごとに表したグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１・・・粗面化金属の表面状態検出装置
２・・・環境
３・・・ワーク（テストピース）
４・・・ホットプレート
５・・・赤外線放射促進手段
６・・・サーモグラフィ
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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【図９】
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