平成5年虔 研究報告 大分県工業試験場

3．試作・少量用プリント回路基板の作成技術に関する研究
電子部 佐 藤 哲 哉
要 旨エレクトロニクスの進展に伴い、プリソト回路基板の製作期間短縮、試作の効率化等のために少量のプリント回路基板を簡易に作成する装置への関心が高まっている。しかし、近年の回路パターンは、益々微細化傾向にあり、従来の回路パターソを直接機械加工する方式では対応できなくなってきている。このため、教細加工が可能な高出力レーザによるプリント回路パターンの形成に関する研究を行った。この結果、銅箔厚が18〃mであれば、本システムでの微細パターン加工が可能である。しかし、レーザのプリント基板の絶縁基材であるガラスエポキシに対する加工性の問題によりスルホール用の貫通穴の加工はできない。絶縁材の材質、レーザ光の波長の検討等が必要である。

1．緒 言

反射ミラーにより麒徴鏡側面部に入射し、更に、麒傲鏡

各種IC、LSI等を中心とする電子部品の進展に伴内の干渉フィルターにてレーザ光のみが反射して対物レい、自動化、省力化棟器の機能・性能は日々高度化し、ンズにより試料（プリント基板の原板）に集光・照射さかつ、軽薄、短小化してきている。これを支えている基れる。試料台は、ⅩYZステージにより構成され、レー本的要素の一つが、電子部品の配置、各部品間の配線をザ光のON／OFFを行うメカニカルシャッターと共に、効率的に実現しているプリント基板である。

パソコソ（PC98NOTE）のGPIBにより制御さ現在、プリソト基板も多層化の傾向にあり4層プリンれる。また、加工による飛散物が対物レソズに付着する

ト基板は、常識化しており6層等多層化の傾向が益々原のを防ぐため、ノズルよりA亘 rを試料に流す。加工状著になってきている。これら多層イヒ基板は、表裏2面を態はCCDカメラにより撮影し、モニターにて観察する。

除いてはプリントパターンの修正は困難である。このた

なお、使用したレーザは、YAGレーザの第2高調波め、電子回路設計に基づく機能・性能確認のための試作（波長：532nm）、繰り返し周波数：50Hz、パ段階においては、その使用に難があり、試作効率が低下

ルス幅：6n s e c、出力ネルギー：ma x90mJする。

（Spectra−Physics社GCRM150）である。

本来、専門メーカに依蘇するプリント基板は、同じものを多量につくる場合等に適しており、試作段階のようここで、対物レンズは、超長作動距離対物レソズ（CFMPla n：ELWD40×：こコソ製）で作動に、最低1枚あれば充分であり、かつ、状況によってほ、距離が10mm、焦点距離が5．1mmのものを使用し配線の削除、追加等の変更が発生するような場合、あるている。

0．1〜0．2mm、ランド径は、1mm以下とパター芦を自作する場合、従来のエッチソグ技術またはミーリソグカッターによる機械的なパターソ形成手法では、設備、ノウハウ、精度等の面で多くの問題がある。
このような状況を踏まえ、レーザを利用した試作・少量用プリント基板の作成技術に関する研究を実施する。

C C Dカメラ軒

また、現状のプリソト配線の導体幅、導体間隔ほ、ンの微細化が進んでいる。これら微細化されたパターン㌢︼／ 射 一いは、少量生産の場合には、経費、時間のロスが大きい。

LJ
対這髭妄咋−
ノズル

図1 実験構成図
このような一般の対物レンズを使用しているため、レーザのピークパワ山一が大きいとレソズ張り合わせ部等にて場合によってはレンズの割れ等が発生する恐れがある。

2．実験方法

実験構成図を図1。に示す。レーザからのビーム光は、【 36−

本システムでは、ピ仙クパワ剛：1MⅦ層腰が使用限界である。

平成5年度 研究報告 大分県工業試験場

尚、本システムでは、対物レンズで集光されたレーザ光の焦点位置と接眼レンズで見る焦点位置とは若干異な65′上m0．25W 0−2W ● ●0．08W

×××××××

る。以後、集光されたレーザ光が試料表面に照射される×× 巨 ×

位置を照射位置と称し、接眼レンスで見るベストフォー

××

カス位置（目視）を基準としてZ方向（＋，−）で表記する。
レーザ光を対物レンズで集光する場合、レーザのピー田

クパワーによっては、その焦点位置空間において、プラ田

2ズマの発生が見られる。プラズマの発生は、エネルギーの損失を伴うため、加工性の向上に寄与しないと言われ×ている。

×××

表2 35〝m銅箔貫通レーザShot数（ここで、×は5Shot以上を要する。）

実験で使用する鋼張積層基板は、信頼性に優れ、広く産業用に普及しているガラス。エポキシ銅張積層基板

によるモニタ上での観測されるベストフォーカス位置を（銅箔の厚さ：18〃m及び35〃m）とする。

基準としてプラスZ方向の値である。

表2より、照射位置105〃m±10′jm内で18〃m

ここでは、利晶工業（抹）製のCS−3230（銅箔の銅箔厚の1Sho t加工が可能であることが解る。一方、厚さ：18〝m及び35〃m）である。

表3より、35粧m銅箔厚の1Sho t加工は困難であ
3．実験結果及び考察

り、少なくとも2Sho t以上が必要である。この時の3。1．レーザによる鋼張積層基板の銅箔面加工特性最適な照射位置は、115〃m±10郎Inであり表2に3．1p lら 穴加工特性比べ、10がm程Zプラス方向に移動している。これは、

1S h o t冒で少なくとも18〃mの深さ加工が可能

穴加工特性は、銅張積層基板の銅箔面加工において、線及び面（パターソ）を加工する際のレーザパワーの（表1より）であるため、その分2Sho t目で等価的（平均値）適性値、加工に要する時間、集光されたレーに照射位置が最適化したものであると考えられる。

ザ光の照射位置の制約等の条件の基準となるものである。

（2）加工穴形状（i）穴加工に必要なレ【ザショット数

写真1及び2にレーザパワー0，25W一時の各々レーザ光の最適照射位置における左から1〜3Sho t照射

表1に18〃m銅箔厚に対するレーザ光照射位置、レ…
ザパワー、宅嗣箔の貫通穴加工が可能なレーザパルス数の時の表面形状SEM写真を示す。ピークパワーが大きい関係を示す。また、表2に35〆m銅箔厚に対する同関ため、周辺部に盛り上がりが見られる。Sho t数は、係を示す。ここで、レーザ光照射位置は、CCDカメラ穴形状には顕著に関係せず深さ方向への影響に関係して0．2W

0．＝§W
332E 2 H

2 2⊥ ロロ L l ∃ 1 岳 ロ

0．08W×いることが解る。また、レーザパワーの相違による穴形状の顧著な差異は認められなかった。

写真1及び2に各々1Sho t照射時の拡大SEM写
3真を示す。レーザ波長：532nmは、基本波：10642nmに比べて、熱的影響が少ないと考えられるが、加工部周辺部には、熱的影響部が観察される。18㌢m銅箔

1 5 ロ ロ 】1 H 川 ロ 12 5 2 r 2 山 ∃ 2 2 13 5 3 3 3 F 3 14 5 × × ∃ × ×厚の場合、基材（ガラスエポキシ部）への影響も小さく比較的良い銅箔の貫通穴加工がなされていることが解る。
一方、35〃m銅箔厚の場合、貫通穴は形成されていず、更に大きなエネルギーが必要である。しかし、本レーザ

表1 柑〝m銅箔貫通レーザSllOt数（ここで、×は4Shot以上を要する。）

では、パワ州を増加するとフォーカス近傍でプラズマの発生が顕著となり、実際の加工特性の向上には寄与しな
w37−平成5年度 研究報告 大分県工業試験場

い。このため、1Sh o tで貫通するためには、プラズマの発生を抑制するようレーザパルス幅が長く、ピークパワーが比較的大きなレーザシステムを使用する必要がある。

訣） 95 100 105 110 115 120
レーザフォーカス位置（〝m〉

図3 加工貫通穴径と表面穴径

写真118〝m銅箔厚

では、ピントが銅箔内部にあるため、プラズマの発生が薄い銅箔をまきこんで加工性に若干の寄与をしているものと考えられる。
また、35粧m銅箔の場合、銅箔が厚いため1Sho t目と2Sho七日の照射時のレーザ光のピント位置がどこにあるかによって、加工特性が18〃m銅箔の場合と若干異なっているものと考えられる。

写真2 35渾m銅箔厚

これら関係から、18ダm銅箔厚の場合、最小でも加（3）加工貫通穴径と表面穴径

工貫通穴径＝約20がm、表面穴径＝約50〃mが確保

ここで、貫通穴径は、銅箔部を貫通した穴径を、また、される。また、35〃m銅箔厚の場合、2Sho t必要

表面穴径は、盛り上がりを含めた表面部の穴径を表す。

であるが同様に各々約30〃m、約40〃mが確保され（図2参照）図3及び図4に各々1Sho t、2Sho tると言える。

照射時の銅箔貫通穴径と表面穴径を示す。0．16W以上で、レーザパワー、照射位置による加工貫通穴径、表面穴径の願書な変化は見られないが、且8郎m銅箔の場合、照射位置105卯mを中心として、＋10〃mでは仁〃m）
8070

蘭

加工貫通穴径、表面穴径共寸法的に10〃m程度の減少
58が見られる。これは、105卯mが正に銅箔表面でレーザ光のピントが合った状態であり、115がmでは表面凌0

上部にピントがあり、プラズマの発生によるエネルギ…

3（1の損失に起因しているものと考えられる。一方、95郎m

望0

温色、・

− ＝‥‥ 、

鼠潜 温む5 息且￠ 鼠鼠5 鼠≦犯 鼠25 且3漁● ・・・・モー ‥・：、●・ ：、こ・∴ ．

・しかし、この内の35〆汀i銅箔厚の場合には、銅箔の貫通穴加工に2Sh o t必要であり、本レーザシステムの使用を前提とするならば、レーーザのSho tの繰り返
図2 加工貫通穴径と表面穴径ー38−

し周波数が50Hzであるため、多大の加工時問を要し、

平成5年虔 研究報告 大分県工業試験場

実用上問題がある。
以下、実用性を重視する意味で18〃m銅箔厚に対する検討に限定する。
ノヽ

′ヽ′ヽ

3．1．2 線加工特性（1）加工スピードによる加工特性

定速での線加工は、基本的にほ3。1．1項の穴あけ加工の延長である。使用するレーザ光は、50Hzのパルス光であるため、加工スピードによる制約を大きく受ける。18〃m銅箔厚の場合、1Sh o tで貫通する穴径は、照射位置＝105声m±10郎mの時、約20〃m〜40〃mである。このため、少なくとも、Sho t間
図6 綾加エ（2mm／sec）の距離は、20がm即ち、1mm／s e c以下の加工スピードが必要となる。（1mm／s e c÷50Hz＝20〃m）

また、一方、穴あけ加工時に観測されたもう一 つの表面穴がこのようなSh o t穴あけ加工の連続として考えられる線加工にどのように影響を及ぼすかが課題となる。貫通穴ほ、直接加工に反映するが、表面穴は周辺部を含めてその内部構造への影響が考えられ、近接サるSh o t加工時の相乗的影響を検討する必要がある。図5〜図7に、1mm／s e c〜3mm／s e cの加工スピードの時の線加工状態の模式図と写真を示す。（但し、レーザ照射位置＝105〃mである。）線加工としてほ、1mm／s e cが適当である。模式図に示すように隣接・図7 線加工（3mm／sec）

交差する表面穴の領域が相乗効果により、加工に寄与している。2mm／s e c〜3mm／s e cの場合、連続（2）レーザパワー、照射位置による加工特性的な線加工は困難である。

麦3に勺加工スピード1mm／s e cの時のレーザパ
ワーー、フォーカス位置による線加工状態を示す。3．1。

1項の蓑2と比較して、照射位置＝105〃mを基準と
顔工穴饉＝20郎血・∫ヽ′′ヽ

′＼、lノヽ、㌧＿一′＿、．．、一∴．■、裏面究饉＝50声Ⅷ

考えると、その（椚）方向の照射位置ニ85ダmでほ、
鼠S h oもでは銅箔の貫通はないが、線加工では隣接Sh o tによる影響で連続加工が可能となっている。一方、同様（＋）方向の照射位置＝ユ25声mでは、防疫Sh o tによる加工性の向上が見られない。
この結果からもぅ 集光されたレ血ザ光の焦点が銅箔の内部にある時は、加工性（主に深さ方向）に寄与していることが解る。
以上により、レーザパワー＝0．16Ⅶ以上ならば、照射位置＝100がm±15ダmで連続な線加工が可能

図5 線加ニ（1mm／sec）

であることが解る。
−39−平成5年虔 研究報告 大分県工業試験場

レ ー
0．25W
75〝m

△

レl

ザ パ

0．2W

ワ

②表面穴径と貫通穴径ー0．16W

0．08W×××○

○○×○

○

○

△ザ照
射位○○

○

○

○

○

△△

置△〉（××3．1．1項で検討した表面穴径と貫通穴径に相当する径との比較関係を囲10に示す。隣接Sho tによる相乗効果は、貫通穴径の加工性（深さ方向の加工への寄与）に寄与している。
穴径（〟m）
80

穴工70●∫60××××50

表3 柑〃m銅箔の繚加エ（○：貫通加工、△：一部未穴、×：未穴）線 工

40J■l（3）加工断面形状30

云

断面形状図を図8に示す。

↑2010070 80 98 100 110 120 130
レーザ照射位t（〃m）

図柑 穴径の比較③その他
また、全体的に加工周辺部の4〜5針m得度の盛り上がり、基材への加工深さ10〃m程度が見られる。
図8 断面形状図①加工角3。1．3．面加工特性

レーザ光は、試料にある集光角をもって照射されるため、銅箔面を垂直状に加工することができず、テーパ状（1）加工条件
レーザでの加工の場合、広い範囲の面を一度に加工す加工となる。レーザ光が一種の衝撃エネルギーであるたることはできない。一次元加工である線加工を図11にめも その集光角（±23．3度）との対応は困難である

示すように2次元に連続的に拡張していく他ない。線加が、レーザ照射位置＝ユ05郎mを中心せして、加工角工の場合、裏面穴の相乗効果が一方向みであったが、面が除々に大きくなっている。この関係を図9に示す。

加工の場合は加工間隔によっては、多方向からの一層の加工角度（●）

相乗加工効果が期待される。一一方、加工間隔を狭めることば、加工時間の増大を招く。
−−−−−−−・−・−−−−−−−−一一−−−ニ
レーザスピード（■qノミ8C）こてヾ．‥＿‥‥●＿…‥‥．1
加工間闊

−−−一一−−−−■≦−−−−−・−−−−…．＿＿…y†……．‥＿＿

70 80 鋪 100 110 120 130
レーザ照射位置（〃m〉

図9 加工角度−40−

図‖ レーザの軌跡平成5年虔 研究報告 大分県工業試験場
一−￣、．ヽご ￣二ヽ∫￣￣二ヽご‥ニー√ ￣■′て一…1〟ご￣−■

0．16W

0．08W

レーザパワー

0．25W

Ⅴ（mm／sec）

ロ 田 田 ロ 田 田 ロ 田 田ヽIヽJ＼′ ト．．．∴．．∴、ご〜∴、．、ノ∴∴．、‥＿． ′ヽ′ヽ′ヽ
、30〃m
40〃m

○
○○

△○

○

○

△○

×○

○

×△

×△

ニ、ご￣■こ、√∴−ンごニ●ニヾニーンく￣ニソニー■t−×〉：）：｝：

×50〃m ○ △ × ○ × × ＼ 山 ！× ′ヽ
×60〃m △ × × ○ 弓× × × × ×＼′＼′．、一■．‥ご一㌧．＿．・一＿＿＿＿Jく●．＿八＿＿＿♪く

表4 加工間隔による面加工特性（○：加工良、△：一部付着（除去可能）、×：未加工）
これら問題を検討するため、レーザパワー、加工速度、加工間隔をパラメータとして、照射位置＝105〃mのときの3mmX3mmの面加工を実施した。表4に加工特性、図12にその加工に要する時間の関係図を示す。
図13 薗加工状態（加工速度＝1mm／sec）

表4での○印は、銅箔が完全に除去された状態であり、一一−−ヽ

△印は、銅箔と基材との剥離が完全ではなくその銅箔の、′■一−−−、■一−■−、ヽ一部が基材に付着している状態である。しかし、これは容易に除去可能である。

ーー▲■■′′ ヽ−−

400
350

へ′ヽ ヽ、一月■一300
加工25C
時間2∞秒且5010￠50
図14 面加工状態（カロエ速度＝2r耶m／s磨C）

020 25 30 35 40 45 5￠ 55 60 65 70−・一 −−

加工同調＝．um）

図12 加工間隔と加工時間（3mmx3mm）

レMザパワーが0ら16W以上では、加工速度ニ1〜2mm／s e c、加工間隔＝30〜40がmの間で良好な加工が得られている。加工時問は、加工速度＝2mm．／s e c㍉加工間隔＝40郎mの時、最短である。
面加工の場合、相乗効果を含めた直接的な加工のみならず、その加工間隔によってほ銅箔と基材（ガラスエポキシ部）との接着部を剥離することによって、間接的に加工に寄与すると考えられる。
このことにより、3．1．2項の線加工では、加工速度＝2mm／s e cの時は加工が困難であったが、面加工ではそれが可能となっている。図13〜15に、表4でのレーザパワ】−−＝ニ＝0，25W時の加工間隔60〃mでの加工状態を模式図と写真で示す。

図15 面加工状態（加工速度＝3mm／sec）（2）パターソ加工（1）項の条件を加味し、パターン加工を実施した。
−41−

平成5年虔 研究朝告 大分県工業試験場

s e c、加工スタートレーザ照射位置＝105〃mであ加工条件は下記の通り。

る。図17にこれら加工に要する時間を示す。Z方向：＜加工条件＞①レーザパワー：0．25W

30甘mステップでの加工性が良い。しかし、1・6mm②レーザ照射位置：105〝m

厚の穴加工は困難である。

③加工速度：2mm／s e c④加工間隔：40〃m

写真5に、基材の穴加工断面図を示す。基材内部のガラス繊維による反射、散乱の影響で加工路が歪曲してい加工された表面のSEM写真を写真3〜4に示す。加る。また、加工表面も鋭角的な加工性を有しておらず精工目標に沿う良好な加工がなされている。ただし、写真度面からも問題がある。加工面仕上がり状況では、レー上、明確ではないが加工端では線加工と同様に4〜ザが同一線上を幾度も走査されるため、基材に対する勲5〃m程度の盛り上がりがある。

的影響が加工周辺部に観測され、ドリルによる加工面に比し著しく劣る。
加工課さ（〟m）
且6081−1α）

ま2（追1∝め弼

写真3 パターン加工例醐毯∝ぎ以め01015 20 2も 3心 3510i5 説）55 伽）Z方阿送り（．〟m）／回国16 加工特性謝

写真4 バターン加工例（拡大）3．ユB 4．レーザによる基材の穴あげ加工
レーザによるガラスエポキシ基板への高精度な穴あけ加工が可能であれば、従来のドリル加工で生じる粉塵の解消、覇張環層基板を移動することなしに、同一設置面㍊5急宅泌

空こ・ぎ、時間鼠50

阜ここ．｝さでパターソ加工と穴あげ加工が容易に実現できる。

このため、基板の加工性を検討した。サソプルは、1．6mm厚のガラスエポキシ基板（CS3 230）＜利晶（抹）製＞である。

因16に、1mmXlmmの穴加工時の各々の深さ方向の特性図を示す。ここで、レーザは、1m三n平方の周囲を1回走査し、次に国中Z方向送りに相当する分Zス

＆漉

γ55わ

プ0：5 20 25 3135 ヰ〇 45 訂 55 郎
Z方向送り（〆m）／ノ固

訂一丁 基材の加工時聞
これらより、基材に対する加工性には問題があると言テーⅣジを移動する。この繰り返し回数と加工深さとZ方える。高緯度穴あけ加工には適さない。レ『ザ波長が更向送りイテップとの関係を示している0この時、レーーザに短い、355nmまたは、266nm（YÅGレ刑ザザパワー＝0．25W、レ州ザ走査加工速度＝1mm／高調波）での検討が必要であろう。この際、紫外光であ−−42仙平成5年度 研究報告 大分県工業試験場るため、本システムの可視光学系では役を成さない。紫（7）本システムでは、レーザのON／OFFはメカニ外光用光学系を構成する必要がある。

カルシャッターを使用している。このため、動作遅れによる加工過多が生じる。レーザのON／OFFは電子制御で行うことが望まれる。

参考文献￠平成6年レーザ学会第14回年次大会予稿集

21aⅣ7及び21aⅣ8。レーザ学会研究報告 RTM−93鵬33
屯レーザハソドブック（朝倉書店）

写真5 ガラスエポキシ穴加工断面図（30声mステップ、30回）

3。1．5．結論（1）パターソ形成

銅張積層基板の銅箔加工によるパターソ形成について、下記条件で現状での教練パターソとされている導体幅、導体間：0．1〜0．2mmの加工が可能である。
①銅箔の厚さ ：18〃m②レーザパワー：0．16W以上③レ血ザ照射位置：100郎m±ユ5郎m④加工速度；1〜2mm／s e c⑤加工間隔：30〜40〃m（2）高精度穴加工

木システムのレーザ波長（532nm）での加工性には問題がある。パターン形成と同時に非接触で穴加工を実現することば困難である。このため、現状では、レーザによるパターソ形成とドリルによる穴加工を併用することが妥当である。

3。ユ．6。今後の課題（1）広範囲なパタ¶ソ加工をする際、鋼張積層基板の平行度を±15がm以内に保持する必要がある。
（2）加工端部の盛り上がりが電気的特性に与える影響についての検討（3）導体幅が狭い場合のレーーザが銅箔と基材の密着性に与える影響についての検討（銅箔の剥離強度）（4）レ㌧−ザ波長による比較検討（1064‡ュm、355nm、266nm）−パターン形成、基材の穴あけ−（5）レmザ波長による加工性の良い基材の材料検討（6）加工時問の短縮化−43−