JP3341114B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工装置に関
し、特に穴あけ加工を主目的とし、その加工速度を向上
させることができるように改良されたレーザ加工装置及
び加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子装置、例えば携帯電話機、ディジタ
ルビデオカメラ、パーソナルコンピュータのような装置
には、高密度多層配線基板が用いられている。このよう
な高密度多層配線基板の製造に際しては、内層と外層の
基板との間で信号線の導通をとるためにビアホールと呼
ばれる導通用の穴を各層の基板毎に設ける必要がある。
特に、配線の高密度化を達成するためには、ビアホール
の穴の径を極力小さくすることが要求される。

【０００３】また、上記の高密度多層配線基板の製造に
際しては、１枚のワーク（母板）から所定サイズの高密
度多層配線基板用の複数の基板を、いわゆる多面取りす
るために、前記所定サイズの加工領域をマトリクス状に
設定したワークが用いられる。そして、前記所定サイズ
の加工領域毎にあらかじめ定められた複数位置に穴あけ
加工を行うようにされる。

【０００４】このような微小径の穴あけ加工を行う装置
として、最近、レーザ加工装置が多く用いられている。
そして、このような穴あけ加工を主目的としたレーザ加
工装置は、ワークを搭載するステージをＸ軸方向、Ｙ軸
方向に水平移動可能な、いわゆるＸ−Ｙステージを備え
たものが一般的である。このレーザ加工装置は、Ｘ−Ｙ
ステージによりワークを移動させることでパルス状のレ
ーザビームによる加工位置を変える。このため、Ｘ−Ｙ
ステージによるポジショニングに時間がかかり、加工速
度に制限がある。便宜上、このレーザ加工装置を第１の
方式と呼ぶ。

【０００５】これに対し、図８に示すように、ガルバノ
スキャナを用いてレーザビームをＸ軸方向、Ｙ軸方向に
振らせることで加工速度の向上を図ったレーザ加工装置
が提供されている。簡単に説明すると、レーザ発振器４
１から出力されたレーザビームを、エキスパンダ４３、
ミラー４４を経由させてマスク４５に導く。マスク４５
を通過したパルス状のレーザ光はミラー４７により下方
に反射される。ミラー４７で反射されたレーザ光は、第
１のガルバノミラー４８、第２のガルバノミラー４９に
よりＸ方向、Ｙ方向に振られる。この種のガルバノミラ
ーは２００〜４００（Ｈｚ）の駆動周波数で応答可能で
あり、レーザ光はｆθレンズ５０を通してワーク５１上
に設定された加工領域５２を照射するように振られる。

【０００６】なお、ワーク５１はＸ−Ｙステージ５３上
に載置されているが、ここではＸ−Ｙステージ５３の駆
動系についての図示、説明は省略する。また、ミラー４
７の上方には、レンズ５４、ＣＣＤカメラ５５によりワ
ーク５１の位置決めを行うアライメント系が設けられて
いるが、これも説明は省略する。便宜上、このレーザ加
工装置を第２の方式と呼ぶ。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この第２の方式では、
ワーク５１上の加工領域５２に対してレーザ光を振らせ
ることで加工を行った後、Ｘ−Ｙステージ５３により次
の加工領域が直下にくるようにワーク５１を移動させ
る。このような第２の方式によれば、第１、第２のガル
バノミラー４８，４９とＸ−Ｙステージ５３との組み合
わせにより、第１の方式に比べて加工速度の向上を図る
ことができる。

【０００８】ところで、ワークの大きさは一辺が３００
〜６００（ｍｍ）程度の四角形であり、このようなワー
クに、多面取りのために通常、１０個以上の加工領域が
マトリクス状にあらかじめ設定される。一方、ガルバノ
ミラーによる走査可能な領域は、通常、一辺が５０（ｍ
ｍ）程度の四角形の範囲であり、１つのワークのすべて
の加工領域を加工するには上記の第２の方式でも相応の
時間を必要とする。

【０００９】そこで、本発明は上記の第２の方式の利点
を生かして加工速度を更に向上させることのできるレー
ザ加工装置及び加工方法を提供しようとするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光を、ｆθレンズを通してワーク面上におけるＸ軸方向
及びＹ軸方向に振らせ、照射するためのガルバノスキャ
ン系を複数備え、前記複数のガルバノスキャン系のうち
互いに隣接する２つのガルバノスキャン系を左右対称の
関係で配置し、前記２つのガルバノスキャン系による走
査順序が、互いに逆になるように前記２つのガルバノス
キャン系を制御する制御装置を備え、前記ワークの加工
領域を同時加工することを特徴とするレーザ加工装置が
提供される。

【００１１】本発明によればまた、レーザ光を、ｆθレ
ンズを通してワーク面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向
に振らせ、照射するためのガルバノスキャン系を複数使
用して前記ワークの加工領域を加工するに際し、前記複
数のガルバノスキャン系のうち互いに隣接する２つのガ
ルバノスキャン系を左右対称の関係で配置し、前記２つ
のガルバノスキャン系による走査順序を互いに逆にする
ことにより、前記ワークの加工領域を同時加工すること
を特徴とするレーザ加工方法が提供される。

【００１２】本発明によれば更に、レーザ光をｆθレン
ズを通してワーク面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に
振らせるためのガルバノスキャン系を複数備え、該複数
のガルバノスキャン系により前記ワークの加工領域を同
時加工するレーザ加工装置において、前記複数のガルバ
ノスキャン系のうちの少なくとも１つを水平移動させる
ことにより、少なくとも２つのガルバノスキャン系の間
の距離を可変とする駆動機構を備えたことを特徴とする
レーザ加工装置、及びレーザ光を、ｆθレンズを通して
ワーク面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせるた
めのガルバノスキャン系を複数備え、該複数のガルバノ
スキャン系により前記ワークの加工領域を同時加工する
レーザ加工装置において、前記複数のガルバノスキャン
系を個別に、前記ワークに対して垂直方向に駆動する駆
動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置が提供
される。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明によるレ
ーザ加工装置の基本構成について説明する。図１におい
て、レーザ発振器１０からのパルス状のレーザ光をミラ
ー１１、１２を経由し、所定のビームサイズを得るため
のマスク（図示せず）を通してビームスプリッタ１３に
より２分岐する。レーザ光の分岐手段としては、ビーム
スプリッタの他に、例えばプリズム、ハーフミラー等の
光学素子を用いることができる。分岐した一方のレーザ
光は第１のガルバノスキャナ１４に導入し、他方のレー
ザ光はミラー１５により第２のガルバノスキャナ１６に
導入する。ガルバノスキャナの構造は、周知のように、
レーザ光をＸ軸方向に振らせるための第１のガルバノミ
ラーとこの第１のガルバノミラーからのレーザ光を更に
Ｙ軸方向に振らせるための第２のガルバノミラーとを備
えている。このようにして、第１、第２のガルバノスキ
ャナから出たレーザ光はそれぞれ、ｆθレンズ１７、１
８を通してワーク２０上に照射される。ワーク２０は、
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に水平移動可能なＸ−Ｙステージ２
１に搭載されている。上記の各構成要素は、図示しない
制御装置により制御される。この制御装置は、加工に必
要な条件を数値データで入力するためのデータ入力部を
備えている。

【００１４】なお、レーザ発振器１０としては、炭酸ガ
スレーザ発振器、ＹＡＧ高調波レーザ発振器、エキシマ
レーザ発振器等を使用することができ、この種のレーザ
発振器によれば数十〜数百ワットの出力パワーを得るこ
とができる。これに対し、穴あけ加工に必要なパワー
は、一般に十ワット以下であり、レーザ発振器１０から
のレーザ光を２分岐しても何ら問題は無い。

【００１５】図２は、多面取りのためにワーク２０上に
あらかじめ設定される加工領域を示し、ここでは４×４
＝１６個の加工領域２０−１がマトリクス状に設定され
る。図示されている加工領域２０−１は、最終製品とし
て提供される基板サイズと同じ大きさであり、これは実
装される電子装置の大きさにより決まる。いずれにして
も、図２のようなワーク２０に対して穴あけのレーザ加
工を行う場合、半分の領域Ａを第１のガルバノスキャナ
１４とｆθレンズ１７とで行い、残りの半分の領域Ｂを
第２のガルバノスキャナ１６とｆθレンズ１８とで行
う。例えば、第１のガルバノスキャナ１４とｆθレンズ
１７とが加工領域２０−１ａの図中左隅から加工を開始
する場合、第２のガルバノスキャナ１６とｆθレンズ１
８も加工領域２０−１ｂの図中左隅から加工を開始し、
その結果、加工終了時には同じ加工パターンが得られ
る。そして、Ｘ−Ｙステージ２１をＸ軸及びＹ軸方向に
移動させることにより、見かけ上、ガルバノスキャナと
ｆθレンズとの組み合わせによる同じ加工パターンのレ
ーザ加工が図２中に実線で示す矢印方向の順序で行われ
る。その際、ｆθレンズ１７、１８の中心点間の距離Ｌ
が維持される。

【００１６】なお、最終製品の基板サイズによりワーク
２０の大きさも異なり、ワーク２０の一辺のサイズは３
００〜６００（ｍｍ）である。このサイズにより、ｆθ
レンズ１７、１８の中心点間の距離Ｌも１５０＜Ｌ＜３
００の範囲で変化させる必要がある。このために、第１
のガルバノスキャナ１４とｆθレンズ１７との組み合わ
せ及び第２のガルバノスキャナ１６とｆθレンズ１８と
の組み合わせの少なくとも一方を他方に対して水平方向
に可動とする必要があるが、これについては後述する。

【００１７】また、ワーク２０は、Ｘ−Ｙステージ２１
上のプレート（真空引きにてワークを保持する手段であ
るが、図示は省略している）に手動、あるいは自動ワー
ク交換装置にてセットされる。更に、図８でも説明した
ように、図１に示したビームスプリッタ１３、ミラー１
５の上方に画像処理装置（図示せず）によるアライメン
ト系が搭載され、ワーク２０上にあらかじめ付されてい
る基準位置マーク（通常、アライメントマークと呼ばれ
る）を認識して、ワーク２０のセット位置を１０（μ
ｍ）以下の精度で検出し、加工領域２０−１を設定す
る。その際、加工領域２０−１の大きさ及び間隔等はあ
らかじめデータ入力部を通してオペレータにより入力さ
れており、制御装置はこの入力データに基づいて最適な
距離Ｌを決定してこの距離Ｌの間隔で第１のガルバノス
キャナ１４とｆθレンズ１７との組み合わせ及び第２の
ガルバノスキャナ１６とｆθレンズ１８との組み合わせ
を配置すると共に、加工領域２０−１の設定を行う。

【００１８】次に、図３を参照して本発明の好ましい実
施の形態について説明する。図３において、本装置は、
第１のガルバノスキャナ１４とｆθレンズ１７とを一体
的にして搭載した第１のスキャン系３１と、第２のガル
バノスキャナ１６とｆθレンズ１８とを一体的にして搭
載した第２のスキャン系３２とを有している。第１のガ
ルバノスキャナ１４は、第１、第２のガルバノミラー１
４−１、１４−２を有し、第２のガルバノスキャナ１６
は、第１、第２のガルバノミラー１６−１、１６−２を
有する。第１のスキャン系３１は、これをＺ軸方向（ワ
ーク２０に対して垂直方向）に駆動可能な第１のＺ軸ス
テージ３３に搭載されている。第１のＺ軸ステージ３３
は、これをワーク２０の面に平行なＬ軸方向に駆動可能
なＬ軸ステージ３４に搭載され、Ｌ軸ステージ３４は基
台フレーム３５に取り付けられている。一方、第２のス
キャン系３２は、これをＺ軸方向に駆動可能な第２のＺ
軸ステージ３６に搭載され、第２のＺ軸ステージ３６は
基台フレーム３５に取り付けられている。このことによ
り、第１のスキャン系３１はＺ軸及びＬ軸方向に移動可
能であり、第２のスキャン系３２はＺ軸方向にのみ移動
可能である。

【００１９】本実施の形態が図１の基本構成と異なる点
は、第１、第２のガルバノスキャナ１４、１６の関係が
左右対称となるように、第１、第２のスキャン系３１、
３２を配置している点にある。これは、第１、第２のｆ
θレンズ１７、１８の中心点間の距離Ｌａをできるだけ
小さくするためである。逆に言えば、図３（ｂ）におい
て例えば、第２のガルバノスキャナ１６における第１、
第２のガルバノミラー１６−１、１６−２が第１のガル
バノスキャナ１４における第１、第２のガルバノミラー
１４−１、１４−２と同じ向きになっていると、第１、
第２のガルバノミラー１６−１、１６−２の光軸は図３
（ｂ）中、右側にずれることになり、その分だけ距離Ｌ
ａを大きくせざるを得ないからである。

【００２０】また、ここでは、分岐レーザ光を受けるた
めのミラー３７、３８を互いに反対向きにし、反対方向
から分岐レーザ光を受けるようにしている。ミラー３８
の反射光は、ミラー３９を通して第２のガルバノスキャ
ナ１６に導入され、第１のガルバノスキャナ１４におい
ても同様に、図示しないミラーを通してミラー３７から
のレーザ光が導入される。

【００２１】このような構造の場合、第１、第２のスキ
ャン系３１、３２による加工も左右対称のパターンとな
る。例えば、第１のスキャン系３１が図２の加工領域２
０−１ａの図中左隅から加工を開始する場合、第２のス
キャン系３２は加工領域２０−１ｂの図中右隅から加工
を開始するが、加工終了時には同じ加工パターンが得ら
れる。このような加工は、第２のガルバノスキャナ１６
による走査順序が第１のガルバノスキャナ１４による走
査順序と逆になっていれば良く、第２のガルバノスキャ
ナ１６に供給する走査駆動用の信号を第１のガルバノス
キャナ１４に供給する走査駆動用の信号と逆にすれば良
い。勿論、これは制御装置により行われる。なお、加工
領域の移動順序は、Ｘ−Ｙステージ２１の駆動制御によ
り、図２において説明した通りである。

【００２２】また、ワーク２０の大きさ及び加工領域の
サイズに応じて、ここでは第１のスキャン系３１がＬ軸
方向に移動されて第１、第２のｆθレンズ１７、１８の
中心点間の距離Ｌａが変更される。なお、第２のスキャ
ン系３２もＬ軸ステージ３４と同様なＬ軸ステージによ
り、第１のスキャン系３１の移動方向と反対方向に移動
させるようにしても良い。

【００２３】前述のように、第１、第２のガルバノスキ
ャナ１４，１６は、制御装置により駆動制御される。Ｘ
−Ｙステージ２１もまた、制御装置によりある加工領域
に対するレーザ加工の終了後に、次の加工領域に移るよ
うにワーク２０を移動させるために駆動され、Ｘ軸方
向、Ｙ軸方向に水平移動する。

【００２４】加工領域２０−１に対する加工位置は制御
装置から各ガルバノスキャナに与えられる回転角度の指
令値によって決まり、規則正しく配列される穴にとどま
らず、不規則な配列の穴加工も可能である。

【００２５】本発明装置によれば、図８で説明した第２
の方式による加工速度に比べて２倍の速度で加工を行う
ことができる。

【００２６】なお、図４に示すように、加工領域２０−
１の総数が２分割できない数のワーク２０´の場合に
は、同数の領域Ａ、Ｂに分割して、これらの領域を同時
に加工し、残りの領域Ｃについては、一方、例えば第１
のスキャン系３１のレーザ光の経路にビームシャッタを
設けて遮光し、第２のスキャン系３２でレーザ加工を行
うようにすれば良い。

【００２７】次に、図５〜図７を参照して、本発明の参
考例について説明する。本例では、レーザ光の分岐手段
として光学素子とは別の機械的な分岐手段、いわば光チ
ョッパを備えている。この光チョッパは、図６に示され
るように、回転軸６１の軸回りを等分割した領域にレー
ザ光の反射鏡６２と透過部６３とを交互に配置して成る
回転体６０と、この回転体６０を回転駆動するモータを
含む駆動機構６４と、レーザ発振器１０からのパルス状
のレーザ光が交互に反射と透過を繰り返すように駆動機
構６４を制御する同期制御部６５とを含む。回転体６０
は、ここでは４つの反射鏡６２をリング状のフレーム６
６に、レーザ光の入射方向に対して、例えば４５度の角
度で取り付けられている。

【００２８】同期制御部６５は、レーザ発振器１０に対
してパルス状のレーザの出力タイミングを規定するトリ
ガパルスを出力すると共に、この出力タイミングに同期
して駆動機構６４のモータの回転速度を制御して、連続
するパルス状のレーザが交互に反射と透過を繰り返すよ
うにする。その結果、図７に示すように、斜線を付した
パルス状のレーザは光チョッパを通過してミラー１５に
至り、斜線を付していないパルス状のレーザは光チョッ
パにおける反射鏡６２により反射されて第１のガルバノ
スキャナ１４に至る。

【００２９】このような光チョッパを使用すると、光学
素子による分岐と異なり、パルス状のレーザ１個当たり
の加工面でのエネルギー密度が低下しない。言い換えれ
ば、図１の例では、例えば５０％透過型のビームスプリ
ッタを用いた場合には、パルス状のレーザ１個当たりの
加工面でのエネルギー密度も半分になる。したがって、
この形態によれば、パルスエネルギーが低いタイプのレ
ーザ発振器にも適用可能となる。例えば、前述した配線
基板へのビアホールの加工の場合には、基板の材質にも
よるが、加工面でのレーザのエネルギー密度は２０Ｊ／
ｃｍ² 以上が好ましい。しかるに、パルスエネルギーが
低いタイプのレーザ発振器の場合には、光学素子による
分岐ではエネルギー密度の低下により配線基板へのビア
ホールの加工が困難となるが、本形態による光チョッパ
を使用することで、所望のエネルギー密度でのビアホー
ル加工が可能となる。

【００３０】以上、本発明を２つの例について説明した
が、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではな
く、様々な変形が考えられる。例えば、ガルバノスキャ
ナ及びｆθレンズを２組としているが、ガルバノスキャ
ナ及びｆθレンズは３組以上でも良い。また、加工の対
象もプリント基板だけでなく、他の材料への穴あけ加工
にも適用できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば１つのワークの別の加工領域に対して複数組のガルバ
ノスキャナで同時に同じ加工を行うことができるように
したことにより、加工速度を大幅に向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の形態によるレーザ加工装置の基
本構成を示した図である。

【図２】本発明装置により加工されるワークの加工領域
を説明するための図である。

【図３】本発明の実施の形態によるレーザ加工装置を示
した図であり、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は正面図、
図（ｃ）は側面図である。

【図４】本発明装置により加工されるワークの他の例に
ついて加工領域を説明するための図である。

【図５】本発明の参考例によるレーザ加工装置の基本構
成を示した図である。

【図６】図５に示された光チョッパにおける回転体の構
成を示した図であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）
は図６（ａ）線Ａ−Ａ´による断面図である。

【図７】図５に示された光チョッパによるパルス状のレ
ーザの分岐を説明するための図である。

【図８】従来のガルバノスキャナによるレーザ加工装置
の概略構成を示した図である。

【符号の説明】

１１、１２、１５、３７、３８、３９ ミラー １７、１８ ｆθレンズ １４ 第１のガルバノスキャナ １６ 第２のガルバノスキャナ ２０ ワーク ２１ Ｘ−Ｙステージ ３１ 第１のスキャン系 ３２ 第２のスキャン系 ３３、３６ 第１、第２のＺ軸ステージ ３４ Ｌ軸ステージ ３５ 基台フレーム ６０ 回転体 ６１ 回転軸 ６２ 反射鏡 ６３ 透過部 ６４ 駆動機構 ６５ 同期制御部 ６６ フレーム

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を、ｆθレンズを通してワーク
   面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせ、照射する
   ためのガルバノスキャン系を複数備え、前記複数のガル
   バノスキャン系のうち互いに隣接する２つのガルバノス
   キャン系を左右対称の関係で配置し、前記２つのガルバ
   ノスキャン系による走査順序が、互いに逆になるように
   前記２つのガルバノスキャン系を制御する制御装置を備
   え、前記ワークの加工領域を同時加工することを特徴と
   するレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 レーザ光を、ｆθレンズを通してワーク
   面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせ、照射する
   ためのガルバノスキャン系を複数使用して前記ワークの
   加工領域を加工するに際し、前記複数のガルバノスキャ
   ン系のうち互いに隣接する２つのガルバノスキャン系を
   左右対称の関係で配置し、前記２つのガルバノスキャン
   系による走査順序を互いに逆にすることにより、前記ワ
   ークの加工領域を同時加工することを特徴とするレーザ
   加工方法。
3. 【請求項３】 レーザ光をｆθレンズを通してワーク面
   上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせるためのガル
   バノスキャン系を複数備え、該複数のガルバノスキャン
   系により前記ワークの加工領域を同時加工するレーザ加
   工装置において、前記複数のガルバノスキャン系のうち
   の少なくとも１つを水平移動させることにより、少なく
   とも２つのガルバノスキャン系の間の距離を可変とする
   駆動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 レーザ光を、ｆθレンズを通してワーク
   面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせるためのガ
   ルバノスキャン系を複数備え、該複数のガルバノスキャ
   ン系により前記ワークの加工領域を同時加工するレーザ
   加工装置において、前記複数のガルバノスキャン系を個
   別に、前記ワークに対して垂直方向に駆動する駆動機構
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。