JP3194248B2 - レーザドリル装置及びレーザ穴あけ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザドリル装置
に関し、特に、高速加工が可能なレーザドリル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＹＡＧレーザや、ＣＯ₂レー
ザ、あるいはエキシマレーザ等からのレーザ光を用い
て、プリント基板などの被加工物に穴を空けるレーザド
リル装置が知られている。

【０００３】この種のレーザドリル装置では、被加工物
をワークステージに保持させ、被加工物の位置を決定し
た後、レーザ光を照射して穴あけ加工が行われる。ここ
で、従来のレーザドリル装置では、加工速度を向上させ
るために、ガルバノスキャナを用いて被加工物表面上で
のレーザ光の走査を可能にしたり、多穴マスクを用いて
複数の穴を同時に形成したりするようにしている。

【０００４】このように、従来のレーザドリル装置は、
加工速度を向上させるために、ガルバノスキャナや、多
穴マスク等を用いているが、いずれの場合も、ワークス
テージによる被加工物の移動が終了した後に、被加工物
が停止した状態で、レーザ加工を行うものである。

【０００５】ここで、レーザのパルス発振は、１ｋＨ
ｚ，２ｋＨｚ、といった高い周波数の発振が可能なの
で、例えば、１ショット加工を１穴ずつ行う場合には、
１０００穴／秒、２０００穴／秒の加工が理論上可能で
ある。さらに、２穴同時加工を行う場合には、２０００
穴／秒、４０００穴／秒の加工が理論上可能である。

【０００６】しかしながら、ワークステージの１回の移
動、停止には、高速移動が可能なものでも０．２〜０．
３秒の時間を要する。つまり、現実には、ワークステー
ジによる被加工物の移動、停止に要する時間によって、
レーザドリル装置の加工速度は決まるといってよい。

【０００７】また、ワークステージを全く動かさない場
合であっても、従来のレーザドリル装置では、ガルバノ
スキャナによる応答周波数が５００Ｈｚ程度であるた
め、その加工速度は、５００穴／秒程度に制限される。

【０００８】このように、従来のレーザドリル装置で
は、ワークステージの移動、停止、及びガルバノスキャ
ナの応答に時間がかかり、加工速度が制限されるという
問題点がある。

【０００９】そこで、発明者は、被加工物を一定速度で
移動させながら、レーザを周期的に発振させることによ
り、連続的に穴あけ加工を行なえるようにしたレーザド
リル装置を提案した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被加工
物を移動させながら、レーザ光を照射するレーザドリル
装置では、形成された穴の形状が、マスクの穴とは異な
り、移動方向に伸びた形状になってしまうという問題点
がある。即ち、従来のマスクには円形のマスク穴が形成
されており、被加工物に形成された穴が長円形になって
しまうという問題点がある。

【００１１】本発明は、被加工物を移動させながら、レ
ーザ光を照射するレーザドリル装置において、所望の形
状の穴を形成できるレーザドリル装置を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光を発するレーザ発振器と、複数のマスク穴が形成され
たマスクと、前記複数のマスク穴に前記レーザ光を照射
するための光学系と、被加工物を保持移動させるための
ワークステージと、前記レーザ発振器の発振と、前記ワ
ークステージによる前記被加工物の移動をともに制御す
る制御手段を設け、前記ワークステージを制御して前記
被加工物を移動させながら、前記ワークステージの位置
に応じて前記レーザ発振器を発振させてレーザ穴あけ加
工を行なうレーザドリル装置において、前記マスク穴の
形状を、前記被加工物の移動方向に短く、該移動方向に
直交する方向に長い、略長方形にするとともに、前記被
加工物の移動速度を、当該被加工物に形成される穴の短
辺と長辺との比が７５％以上になるように定めたことを
特徴とするレーザドリル装置が得られる。

【００１３】また、本発明によれば、被加工物を移動さ
せつつ、レーザ発振器からのレーザ光をマスク穴を通し
て周期的に前記被加工物に照射して、前記被加工物に連
続的に穴をあけることを特徴とするレーザ穴あけ加工方
法において、前記マスク穴として、前記被加工物の移動
方向に短く、該移動方向に直交する方向に長い、略長方
形のマスク穴を用い、前記被加工物に形成される穴の形
状が、短辺と長辺との比が７５％以上になる速度で前記
被加工物を移動させながら前記レーザ光を前記被加工物
に照射するようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加
工方法が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１５】図１に本発明の一実施の形態によるレーザ
ドリル装置を示す。このレーザドリル装置は、レーザ光
を発するレーザ発振器１１、レーザ発振器１１からのレ
ーザ光を２分岐するスプリッタ１２、スプリッタ１２で
分岐された一方のレーザ光を反射するミラー１３、スプ
リッタ１２で分岐された他方のレーザ光が入射するコリ
メーターレンズ１４、コリメータレンズ１４を通過した
レーザ光のエネルギー分布を均一にするカライドスコー
プ１５、複数の小径光ファイバーを束ねたバンドルファ
イバー１６、大径光ファイバー１７、バンドルファイバ
ー１６及び大径光ファイバー１７の先端に近接配置マス
ク１８、マスクの穴を通過するレーザ光を遮るための遮
蔽板１９、マスクを通過したレーザ光を集光するイメー
ジングレンズ２０、被加工物を載置するためのワークス
テージ（リニアステージ）２１、及びワークステージを
制御するとともにレーザ発振器を制御する制御部２２を
備えている。

【００１６】レーザ発振器１１としては、パルス発振す
るレーザ、例えばＹＡＧレーザが使用できる。

【００１７】スプリッタ１２は、レーザ発振器１１から
のレーザ光を、通常の穴あけ加工に使用されるレーザ光
と、アライメント用穴を形成するためのレーザ光とに分
岐する。

【００１８】ミラー１３は、スプリッタ１２で分岐され
た、アライメント用穴を形成するためのレーザ光を、大
径光ファイバー１７に導く。

【００１９】コリメーターレンズ１４は、スプリッタ１
２を通過した通常の穴空け加工用のレーザ光を集光す
る。

【００２０】カライドスコープ１５は、コリメータレン
ズ１４からのレーザ光であるガウシアンビームを、均一
な強度分布のビームに変換する。

【００２１】バンドルファイバー１６は、複数の小径光
ファイバーを束ねたものであり、カライドスコープ１５
からのレーザ光を複数の小径レーザ光に変換し、マスク
１８にその出射光を照射する。ここで、小径とはアライ
メント用穴を形成するためのレーザ光を導く大径光ファ
イバー１７及びその出射光に比べて径が小さいという意
味である。これらの小径光ファイバーの出射光は、カラ
イドスコープ１５の働きにより、全て均一の強度を持つ
とみなせる。

【００２２】大径光ファイバー１７は、ミラー１３で反
射されたレーザ光をマスク１８に導く。この大径光ファ
イバー１７は、矢印Ａで示すように、ミラー１３で反射
されたレーザ光の光路上から外せるようにしてある。

【００２３】マスク１８は、所定の間隔で、所定の形状
のマスク穴が複数形成されている。マスクの形状につい
ては後述する。なお、、従来のマスクにおけるマスク穴
の間隔及び径は、それぞれ、被加工物に形成される穴の
間隔及び穴の径の１０倍程度に設定されており、このい
る。バンドルファイバー１６の小径光ファイバー及び大
径光ファイバーの出射側先端は、これらマスク１８に形
成されたマスク穴に対向するように配置される。なお、
マスク穴のサイズは、これら光ファイバーから出射する
レーザ光の径よりも小さいものでなければならない。

【００２４】遮蔽板１９は、マスク１８のマスク穴を通
過するレーザ光を遮断するために使用されるもので、ア
ライメント用穴のみを形成する場合や、形成する穴の数
を調整する場合などに使用される。

【００２５】イメージングレンズ２０は、マスク像を所
定の倍率で縮小して、リニアステージ２１上に載置され
た被加工物の表面に結像させる。このイメージングレン
ズは、図の上下方向のずれに強い両テレセントリックレ
ンズが使用される。このようなレンズを用いることによ
り、マスク穴を通過したレーザ光を、被加工物にほぼ垂
直に入射させることができる。

【００２６】リニアステージ２１は、被加工物を保持固
定するための保持部を有している。保持部は、例えば被
加工物の隣り合う２辺に当接する突条部と、他の２辺を
抑えるマグネットを備える。そして、このリニアステー
ジ２１は、保持した被加工物をｘ方向及びｙ方向に移動
させることができる。しかも、少なくとも一方向には、
一定速度で、被加工物を移動させることができる。

【００２７】制御部２２は、リニアステージ２１の駆動
制御を行なうとともに、レーザ発振器１１の発振制御を
行なう。

【００２８】以下、このレーザ加工装置の動作について
説明する。

【００２９】まず、セラミックグリーンシート等の被加
工物２２をリニアステージ２１上に載置し、リニアステ
ージ２１に被加工物２２を保持固定させる。

【００３０】次に、制御部２２は、リニアステージ２１
を図のｙ方向に一定速度で移動させる。同時に、レーザ
発振器１１を周期的に、リニアステージの位置に応じて
発振させる。つまり、制御部２２は、リニアステージを
ｙ方向に一定速度で移動させつつ、リニアステージが所
定の移動距離を移動する毎にレーザ発振器１１を発振さ
せる。

【００３１】このとき、アライメント用穴を形成する場
合は、大径光ファイバー１７が、ミラー１３で反射され
るレーザ光の光路上に配置される。逆にアライメント用
穴を形成しない場合には、大径光ファイバー１７は、ミ
ラー１３で反射されるレーザ光の光路上から外される。

【００３２】また、形成しようとする穴の数に応じて、
遮蔽板１９がマスクからのレーザ光を遮断するように配
置される。

【００３３】レーザ発振器１１から出射したレーザ光
は、スプリッタ１２で分岐され、一方はミラー１３で反
射される。また、スプリッタ１２で分岐された他方のレ
ーザ光は、コリメーターレンズ１４で集光され、拡散し
ながらカライドスコープに入射する。カライドスコープ
は、ガウシアンビームであるレーザ光を、均一な光強度
を持つレーザ光に変換し、バンドルファイバー１６の各
小径光ファイバーに入射させる。バンドルファイバー１
６に入射したレーザ光は、マスク１８のマスク穴に向け
て照射される。

【００３４】一方、ミラー１３で反射されたレーザ光
は、光路上に大径光ファイバー１７が置かれている場合
に、この大径光ファイバー１７に入射する。大径光ファ
イバーに入射したレーザ光は、マスク１８上のアライメ
ント穴用マスク穴に照射される。

【００３５】マスク１８に照射されたレーザ光は、その
一部が、マスク穴を通過し、イメージングレンズにより
集光されて被加工物に照射される。

【００３６】レーザ光が照射された被加工物では、レー
ザアブレーションが生じ、瞬時にして穴が形成される。

【００３７】ここで、マスクの形状は、図２（ａ）また
は（ｂ）のように、ｘ方向に長く、ｙ方向に短い長方形
または、長円形である。本実施の形態では、被加工物が
ｙ方向に一定速度で移動しているため、被加工物に形成
される穴の形状は、図３に示すような形状となる。な
お、形成される形状は、レーザ光のパルス幅と被加工物
の移動速度によって決まるため、加工穴の長辺と短辺と
の比が７５％以上になるように、制御部２２によりリニ
アステージの移動速度が調整される。

【００３８】こうして、本実施の形態では、上記の動作
を、リニアステージ２１を移動させながら、その位置に
応じて繰り返し、被加工物に所定の間隔で連続的に穴を
形成することができ、その穴の形状を所定の形状（ほぼ
正方形）とすることができる。

【００３９】

【実施例】レーザ発振器１１としてＹＡＧレーザを用い
る。その特性は、出力：４００Ｗ，エネルギー：１．５
Ｊ／パルス、パルス発振周波数：約２５０Ｈｚ、出射
光：ガウシアンビーム、である。

【００４０】バンドルファイバー１６として、出射光径
が１．２mmの小径光ファイバーを１６本束ねたものを用
いる。

【００４１】マスク１８には、長辺が０．２５〜１．０
mmの範囲、短辺がその１／３程度で、任意のサイズのマ
スク穴が、１６穴、８mmの間隔で直線状に配列されてい
る。なお、アライメント用のマスク穴は、これよりサイ
ズが大きいとする。

【００４２】イメージングレンズ２０は、マスクに形成
された穴が１６穴で、その間隔が８mmであって、１６×
８＝１２８、であるので、これより大きな径、例えば径
１５０mmのレンズとする。なお、イメージングレンズ２
０は、マスク像を１／１０にして被加工物に投影するも
のとする。

【００４３】リニアステージ２１は、０．１μｍの分解
能のスケールを有し、最大速度１００mm／秒で走行す
る。

【００４４】以上のような構成において、１３５mm（ｘ
方向）×１３５mm（ｙ方向）のエリアの加工を行なう場
合について説明する。

【００４５】ｘ方向に０．８mm、ｙ方向に０．４mmの間
隔の穴を形成する場合、ｘ方向については、１３５mm÷
（０．８mm×１６）≒１０．５、であるから、１１回の
スキャンが必要になる。また、ｙ方向については、１３
５mm÷０．４mm＝３３７．５、であるから、３３８回の
スキャンが必要になるが、本実施例では、ｙ方向のスキ
ャンは一定速度で行なう。

【００４６】ｙ方向に関して、０．４mmピッチの穴を２
５０Ｈｚの周波数で形成するものとすると、０．４mm×
２５０＝１００mm／秒、の移動速度が必要になる。換言
すると、リニアステージ２１を１００mm／秒で移動させ
ながら、パルス発振周波数２５０Ｈｚのレーザ発振器か
らのレーザ光で加工を行なうと、０．４mmピッチの穴を
形成することができる。このとき、ｙ方向の１回のスキ
ャンに要する時間は、１３５mm÷１００mm／秒＝１．３
５秒である。

【００４７】ｘ方向に関しては、１２．８mmの移動が必
要で、それに要する時間を１秒と仮定する。

【００４８】以上のことから、本実施の形態による、レ
ーザドリル装置を用いて、１３５mm×１３５mmのエリア
の加工を行なうには、１．３５秒×１１スキャン＋１秒
×１１回≒２６秒、の時間を要する。そして、このとき
形成される穴の数は、ｘ方向が、１３５÷０．８＝１６
８．７５、であるから、１６９穴。ｙ方向が、１３５÷
０．４＝３３７．５であるから、３３８穴である。従っ
て、このエリアに形成される穴の数は、１６９×３３８
＝５７１２２穴、である。従って、このレーザドリル装
置の平均加工速度は、５７１２２÷２６＝２１９７穴／
秒である。

【００４９】本実施例によって被加工物に形成された穴
の形状は、長辺と短辺との比が７５％以上あり、ほぼ正
方形であった。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、被加工物を移動させな
がら、レーザ発振器からのレーザ光を照射させるレーザ
ドリル装置のマスク穴を、被加工物の移動方向に短く、
移動方向と直交する方向に長い長方形としたことで、被
加工物に形成される穴の形状を正方形に近づけることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す概略図である。

【図２】図１のマスクのマスク穴の形状を説明するため
の図である。

【図３】被加工物に形成される穴の形状を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１１ レーザ発振器 １２ スプリッタ １３ ミラー １４ コリメーターレンズ １５ カライドスコープ １６ バンドルファイバー １７ 大径光ファイバー １８ マスク １９ 遮蔽板 ２０ イメージングレンズ ２１ ワークステージ（リニアステージ） ２２ 制御部 ２３ 被加工物

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発するレーザ発振器と、複数
   のマスク穴が形成されたマスクと、前記複数のマスク穴
   に前記レーザ光を照射するための光学系と、被加工物を
   保持移動させるためのワークステージと、前記レーザ発
   振器の発振と、前記ワークステージによる前記被加工物
   の移動をともに制御する制御手段を設け、前記ワークス
   テージを制御して前記被加工物を所定方向に移動させな
   がら、前記ワークステージの位置に応じて前記レーザ発
   振器を発振させてレーザ穴あけ加工を行なうレーザドリ
   ル装置において、前記マスク穴の形状を、前記被加工物
   の移動方向に短く、該移動方向に直交する方向に長い、
   略長方形にするとともに、前記被加工物の移動速度を、
   当該被加工物に形成される穴の短辺と長辺との比が７５
   ％以上になるように定めたことを特徴とするレーザドリ
   ル装置。
2. 【請求項２】 被加工物を所定方向に移動させつつ、レ
   ーザ発振器からのレーザ光をマスク穴を通して周期的に
   前記被加工物に照射して、前記被加工物に連続的に穴を
   あけることを特徴とするレーザ穴あけ加工方法におい
   て、前記マスク穴として、前記被加工物の移動方向に短
   く、該移動方向に直交する方向に長い、略長方形のマス
   ク穴を用い、前記被加工物に形成される穴の形状が、短
   辺と長辺との比が７５％以上になる速度で前記被加工物
   を移動させながら前記レーザ光を前記被加工物に照射す
   るようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加工方法。