(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を用い、内層銅箔を有するプリント基板にバイアホール加工を行うレーザ加工方法において、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する工程と、この検出情報に基づき、前記アパーチャを通過するレーザビームの全体の強度をＨ、最も強度の高い部分から低い部分までの差をｈとした場合、ｈ／Ｈを３０％以下になるように、前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節する工程と、前記調節されたレーザビームにより加工を行う工程とを備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する強度分布検出手段と、この強度分布検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するビーム径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４】
レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャ通過前のレーザパワーと前記アパーチャ通過後のレーザパワーとを検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャ通過前のレーザパワーを検出する第１のパワー検出手段と、前記アパーチャ通過後のレーザパワーを検出する第２のパワー検出手段と、前記２つのパワー検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御するビーム径制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するもので、特にプリント基板等の材料に、高品質なバイアホールやスルーホール加工を行うためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
像転写光学系の原理を図７に示す。図７において、１は加工（結像）レンズ、２はレーザビーム、３はアパーチャ、４はレーザ発振器である。また、ａは加工レンズ１とアパーチャ３との間の距離、ｂは加工レンズ１と転写位置との間の距離、ｆは加工レンズ１の焦点距離である。レーザ発振器４から発振されたレーザビーム２がアパーチャ３で制限され、アパーチャ３にて整形された形状のレーザビーム２が“ｂ”の位置に転写される。このアパーチャ径を変えることで、任意の穴径が得られるものである。
【０００３】
従来、このような光学系において、加工条件は加工点でのフルエンス（エネルギ密度）やエネルギ量により定義されていた。そのため、これらのパラメータを変更する方法として、レーザ発振器４から発振されるレーザビームの波形（パルス幅，ピーク出力）をレーザ発振器４への投入電力量等により変更する方法やアパーチャ３上でのレーザビーム径を変更する方法、及びこれらを併用した方法が用いられてきた。
【０００４】
このような定義により、図８（ａ），（ｂ）に示す２種類のモードのビームが同等であるとの結果となる。図９，図１０にこれら２種類のビームにで加工した場合の結果について示す。
図９にビーム強度分布の中心が高いビームで加工を行った場合とビーム強度分布が平坦なビームで貫通加工を行った結果を示す。被加工材はガラスエポキシで、厚み０．４ｍｍ、加工穴径はφ０．２ｍｍ、加工点でのエネルギは１５ｍＪである。それぞれについて、穴明け加工（貫通穴）した場合の加工穴の断面径の変化を示している。図９のグラフにおいて、横軸の数値が高い方が被加工材表面すなわちレーザ入射側に近い。図８（ａ）に示すようなビーム強度分布の中心が高いレーザビームで加工を行った穴加工の場合、ビーム入射側の径に対し深さ方向へ加工が進行するにつれ、極端に径が小さくなる。それに対し、図８（ｂ）に示すようなビーム強度分布が平坦なレーザビームで加工を行った穴加工の場合は、深さ方向による径の変化が小さい。
【０００５】
さらに、図１０にこのような２種類のビームで、プリント基板への止まり穴加工を行った場合の比較を示す。図１０に示すグラフの横軸は加工位置でのレーザパワー（ｍＪ）である。また、縦軸はプリント基板の内層部分の銅箔への損傷率を示している。この場合損傷率とは、銅箔面が溶融している穴の数を１０００穴加工した場合の比率で示している。アパーチャ上でのビーム径が小さくなるほど溶融頻度が高く、大きくなるほど低い。なお、銅箔の厚みは１８μｍである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように従来のレーザ加工方法及び装置では、像転写光学系での加工点でのレーザパワーと加工穴径等の関係に基づいた加工条件の考え方では高品質な加工の再現性が乏しかった。
【０００７】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、高品質な加工の再現性を高めることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を得るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するものである。
また、この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を用い、内層銅箔を有するプリント基板にバイアホール加工を行うレーザ加工方法において、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する工程と、この検出情報に基づき、前記アパーチャを通過するレーザビームの全体の強度をＨ、最も強度の高い部分から低い部分までの差をｈとした場合、ｈ／Ｈを３０％以下になるように、前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節する工程と、前記調節されたレーザビームにより加工を行う工程とを備えたものである。
【０００９】
また、この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャを通過する前記レーザビームの強度分布を検出する強度分布検出手段と、この強度分布検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するビーム径制御手段とを備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成する場合に、前記アパーチャ通過前のレーザパワーと前記アパーチャ通過後のレーザパワーとを検出し、この検出情報に基づき前記アパーチャでの前記レーザビーム径を調節し、前記アパーチャ径と前記アパーチャ上のレーザビーム径の比率を変更するものである。
【００１１】
さらに、この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器からレンズまでの間のレーザビームの光路中にアパーチャを設けた光学系を形成するレーザ加工装置において、前記アパーチャでのレーザビーム径を変更する可変光学手段と、前記アパーチャ通過前のレーザパワーを検出する第1のパワー検出手段と、前記アパーチャ通過後のレーザパワーを検出する第２のパワー検出手段と、前記２つのパワー検出手段による検出情報に基づき前記可変光学手段を制御するビーム径制御手段とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の第1の実施の形態によるレーザ加工方法及び装置を、図１乃至図４を用いて説明する。アパーチャ３上でのレーザビーム径を変更する方法としては、図１に示すように、アパーチャ３とレーザ発振器４との間に可変光学手段としての可動レンズ５を設置し、この可動レンズ５（以下適宜、コリメートレンズと記す）の位置を変化させることでアパーチャ３上でのレーザビーム径を変化させる方法が考えられる。
【００１３】
図８に示したような２種類のモードのビームが発生する原因は、アパーチャ３上でのレーザビーム径にある。図２において、（ａ）に示すようにアパーチャ３上でのレーザビーム径が小さい場合はアパーチャ３で切り出されたレーザビームの形状の中心の強度が高く、これが加工点に転写される。一方、図２において（ｂ）に示すように、アパーチャ３上でのレーザビーム径が大きい場合はアパーチャ３で切り出されたレーザビームの形状が平坦であるため、加工点でも全体的に強度が均一な分布として転写される。
【００１４】
アパーチャ３上でのビーム強度分布の形状を図３に示す。図３においてレーザビームのうちアパーチャ３の穴を通過する部分の強度分布の全体の強度をＨ、最も強度の高い部分から低い部分までの差をｈとする。これは加工点での強度分布に反映される。コリメートレンズ５の位置を変え、アパーチャ３上でのビーム径を変化させるとこれら２つの数値の比率であるｈ／Ｈが変化する。
【００１５】
このｈ／Ｈと加工の関係について調べたのが図４である。図４ではアパーチャ径をφ４．０ｍｍとしてｈ／Ｈと加工した基板の内層銅箔の損傷率の関係について調べている。縦軸はプリント基板の内層部分の銅箔への損傷率を示している。横軸はｈ／Ｈである。この場合損傷率とは、銅箔面が溶融している穴の数を１０００穴加工した場合の比率で示している。使用した基板は、ガラスエポキシであり、厚み０．１ｍｍ、内層銅箔ｔ１８μｍである。図４の結果より、ｈ／Ｈは３０％以下に保つ必要があることが判る。
【００１６】
実施の形態２．
ｈ／Ｈは第1の実施の形態において述べたように、アパーチャ上でのビーム径により変わってくるため、レーザ発振器４の出口でのレーザパワーとアパーチャ通過後のレーザパワーとの関係に置き換えることが可能である。図５は図４の（ｈ／Ｈ×１００（％））を（アパーチャ通過後のレーザパワー／レーザ発振器出口のレーザパワー）（以下適宜、利用率と記す）に置き換えた結果である。ｈ／Ｈに対し、利用率は同じ値とはならないが、図５より、利用率を３５％以下に保てば良質加工が可能であることが判る。
【００１７】
ｈ／Ｈ（あるいはアパーチャ上でのビーム径、コリメートレンズ位置）を利用率に置き換えることで、レーザ発振器出口とアパーチャ通過後にパワーの測定器を設置し、2箇所のレーザパワーを測定すれば簡単に利用率が得られるため、管理が簡便である。また、図６に示すような装置構成を用いて、利用率をある設定値以下に常に保つことにより、加工の再現性が向上する。
図６に示す装置の機能を以下に述べる。
▲１▼アパーチャ３を設置し、アパーチャ３通過後（加工点）で必要なパワー分を入力する。
▲２▼レーザ発振器４に備えられた第1のパワー検出手段（図示せず）によって、現在のレーザ出力条件でのレーザ発振器４の出力の値と照合する。
▲３▼利用率が設定値となるように、パルス幅、ピーク等を変更する。
▲４▼アパーチャ３通過後（加工点）のレーザ出力を、例えば、第２のパワー検出手段としてのパワーセンサ８を用いる等により測定する。
▲５▼ビーム径制御手段としての制御装置９により、必要なパワーに対し測定結果が大きければ、アパーチャ３上でのビーム径を大きくさせる方向にコリメートレンズ５が移動するように指令を与え、測定結果が小さければ、アパーチャ３上でのビーム径を小さくさせる方向にコリメートレンズ５が移動するように指令を与える。コリメートレンズ５は、可変光学手段の一部を構成する、例えばボールねじ７及びモータ１０を用いた駆動手段によって移動させる。
【００１８】
【発明の効果】
以上に述べたようにこの発明によれば、像転写光学系におけるアパーチャ径とアパーチャ上でのビーム径の比率を、加工点でのビームプロファイルという観点から適正位置を見出すことにより、高品質な加工の再現性を高めることができる、という効果がある。
【００１９】
また、レーザビーム径とアパーチャ径との関係を、レーザ発振器出口でのレーザパワーとアパーチャ通過後のレーザパワーとの関係に置き換えることにより適正なビーム位置を得ることができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態によるレーザ加工方法のアパーチャ上でのレーザビーム径を可変にした光路系を示した図である。
【図２】  アパーチャ径とレーザビーム径によるビーム形状の違いを示した図である。
【図３】  アパーチャ上でのレーザビームプロファイルを示した図である。
【図４】  銅箔損傷率とｈ／Ｈとの関係を示した図である。
【図５】  銅箔損傷率と利用率との関係を示した図である。
【図６】  この発明の実施の形態によるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
【図７】  像転写光学系の原理を示した図である。
【図８】  加工点でのレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図９】  加工穴深さ（厚さ）と断面での穴径との関係を示した図である。
【図１０】  レーザパワーと銅箔損傷率との関係を示した図である。
【符号の説明】
１  加工レンズ
２  レーザビーム
３  アパーチャ
４  レーザ発振器
５  可動レンズ
６  全反射ミラー
７  ボールねじ
８  パワーセンサ
９  制御装置
１０  モータ
ａ  アパーチャ・加工レンズ間距離
ｂ  加工レンズ・転写位置間距離
ｆ  加工レンズ焦点距離
Ｅ１，Ｅ２  エネルギ
ｄ１，ｄ２  ビーム径
【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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