JP3605722B2 - レーザ穴あけ加工方法及び加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器からのレーザ光をプリント配線基板やセラミック基板等の被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板には高密度化が要求されている。例えば、ＬＳＩチップを実装してパッケージ化するためのプリント配線基板としてインターポーザと呼ばれるものが知られている。このようなＬＳＩチップとインターポーザとの接続は、これまでワイヤボンディング法が主流であったが、フリップチップ実装と呼ばれる方法が増加する傾向にあり、パッケージの多ピン化も進んでいる。
【０００３】
このような傾向に伴い、インターポーザには、多数のビアホールと呼ばれる穴あけを小径かつ微小ピッチで行うことが必要となる。
【０００４】
このような穴あけ加工は、機械的な微細ドリルを用いる機械加工や露光（フォトビア）方式が主流であったが、最近ではレーザ光が利用されはじめている。レーザ光を利用した穴あけ加工装置は、微細ドリルを用いる機械加工に比べて加工速度や、穴の径の微細化に対応できる点で優れている。レーザ光としては、レーザ発振器の価格、ランニングコストが低いという点からＣＯ２ レーザや高調波固体レーザが一般に利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでのレーザ穴あけ加工装置では、レーザ発振器からのレーザビームを反射ミラー等を含む光学経路を経由させてＸ−Ｙスキャナあるいはガルバノスキャナと呼ばれる２軸のガルバノミラーを備えたスキャン光学系に導き、このスキャン光学系によりレーザビームを振らせて加工レンズを通してプリント配線基板に照射することにより穴あけを行っている（例えば、特開平１０−５８１７８号公報参照）。すなわち、プリント配線基板にあけられるべき穴の位置はあらかじめ決まっているので、これらの穴の位置情報に基づいてスキャン光学系を制御することで穴あけが１個ずつ行われている。
【０００６】
しかしながら、Ｘ−Ｙスキャナあるいはガルバノスキャナによるスキャン光学系を使用した１個ずつの穴あけ加工では、プリント配線基板における穴の数の増加に比例して加工時間が長くなる。因みに、ガルバノスキャナの応答性は５００ｐｐｓ程度であるため、毎秒５００穴以上の穴あけは困難である。また、例えば、一辺が１０ｍｍの正方形のパッケージ基板に、５０μｍ径の穴が０．２ｍｍのピッチで配列されるとすると、２５００個の穴が存在する。この場合、毎秒５００穴の穴あけを行ったとしても、２５００／５００＝５ｓｅｃの加工時間を必要とする。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、これまでのレーザ穴あけ加工方法に比べて短い時間で多数の穴あけ加工を行うことのできるレーザ穴あけ加工方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の課題は、被加工部材に対する加工パターンを任意に選定することのできるレーザ穴あけ加工方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の課題は、上記の加工方法に適したレーザ穴あけ加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工方法において、前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換し、前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置することにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われ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提供される。
【００１２】
本レーザ穴あけ加工方法においてはまた、前記マスク又は前記被加工部材の移動量を検出し、検出された移動量に応じて前記レーザ発振器の発振動作を制御するようにしても良い。
【００１６】
本発明によれば更に、レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工装置において、前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換する光学系と、前記マスクと前記被加工部材とを同期して移動させる駆動機構とを備え、前記光学系からの前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置して該イメージングレンズにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、前記駆動機構は、前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われるようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置が提供される。
【００１７】
本レーザ穴あけ加工装置においては、更に、前記被加工部材の移動量を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えるようにしても良い。
【００１８】
本レーザ穴あけ加工装置においては、前記被加工部材の移動量を検出する位置検出器に代えて前記マスクの移動量を検出する位置検出器を設け、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えても良い。
【００２１】
なお、前記光学系はホモジナイザで実現できる。
【００２２】
前記光学系はまた、前記レーザ発振器からのレーザ光の断面に関するエネルギー密度を均一にする均一光学系と、該均一光学系からのレーザ光の断面形状を線状に変換するシリンドリカルレンズとを含むものでも良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明によるレーザ穴あけ加工装置の第１の実施の形態について説明する。ここでは、レーザ発振器１０からのパルス状のレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスク１１を通してプリント配線基板（被加工部材）１２に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工装置について説明する。
【００２５】
レーザ発振器１０からのレーザ光は、均一光学系１３によりその断面に関するエネルギー密度が均一にされる。ここで、断面に関するエネルギー密度というのは、次の通りである。レーザ発振器１０からのレーザ光は、通常、円形の断面形状を有する。この場合、断面に関するエネルギー密度の分布は中心ほどエネルギー密度の高い、ガウシャン分布に近いものとなる。均一光学系１３は、このようなエネルギー密度分布を持つレーザ光を、断面のどの部分でも同じ値のエネルギー密度となるようにするためのものである。
【００２６】
均一光学系１３の簡単な例をあげれば、レーザ発振器１０からのレーザ光の断面形状を光学レンズで拡大したうえでマスクを通すことにより、エネルギー密度が高く、しかもエネルギー密度の平坦な部分のみを取り出すものが知られている。別の例は、多数の光ファイバの組合わせ体から成るバンドルファイバである。レーザ発振器１０からのレーザ光の断面形状を光学レンズで拡大したうえでバンドルファイバに入射させる。そうすると、バンドルファイバは、均一なエネルギー密度分布を持つレーザ光を出射する。更に別の例は、カライドスコープと呼ばれる、いわゆる万華鏡の原理を利用したものが知られている。
【００２７】
いずれにしても、均一光学系１３により均一なエネルギー密度分布を持つように変換されたレーザ光は、反射ミラー１４を介してシリンドリカルレンズ１５に入射する。シリンドリカルレンズ１５は、均一光学系１３からのレーザ光の断面形状を、線状の断面形状に変換するためのものである。
【００２８】
図２を参照して、均一光学系１３からのレーザ光は断面円形状であり、図２（ａ）に示すようなビームプロファイルを持つ。ビームプロファイルというのは、レーザ光をその断面形状に関して観察した場合に、一定のエネルギー値が持続する波形のことである。ここでは、ビームプロファイルは台形状である。シリンドリカルレンズ１５を用いることにより、台形状のビームプロファイルを持つ断面円形状のレーザ光を、図２（ｂ）に示すような線状の断面形状を持つレーザ光に整形することができる。シリンドリカルレンズ１５は、断面線状のレーザ光の幅を規定する幅用シリンドリカルレンズ１５−１と、断面線状のレーザ光の長さを規定する長さ用シリンドリカルレンズ１５−２とから成る。このようなシリンドリカルレンズ１５によれば、幅１／１０（ｍｍ）〜数（ｍｍ）、長さ数（ｃｍ）のサイズを持つ断面線状のレーザ光を得ることができる。
【００２９】
レーザ発振器１０、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５は固定状態におかれる。すなわち、シリンドリカルレンズ１５からの断面線状のレーザ光の照射位置は固定である。
【００３０】
図３（ａ）は線状に整形されたレーザ光の断面形状を示す。レーザ光の断面の長手方向のサイズは、図３（ｂ）に示すマスク１１の幅方向のサイズよりやや大きくなるようにされる。マスク１１は、プリント配線基板１２への加工パターンを規定する多数の穴からなるマスクパターンを持つ。このマスクパターンは、多数の穴１１ａがＮ個×Ｎ個のマトリクス状に形成されているものに限らず、図３（ｂ）のように多数の穴１１ａがランダムに形成されているものでも良い。これは、本形態による穴あけ加工の加工パターンは、様々に選定できることを意味している。
【００３１】
イメージングレンズ１６は、プリント配線基板１２に対するマスクパターンの投影比（縮小比）を設定するためのものである。図１では投影比が１対１の場合を示している。一方、プリント配線基板１２は、Ｘ軸及びＹ軸に関して可動のワークステージ１７に搭載されている。特に、本形態では、マスクを搭載して移動可能とするマスクステージ（図示せず）とワークステージ１７とを同期して駆動可能にした点に特徴を有する。ワークステージ１７は、ワークステージ駆動機構２５により同一水平面内のＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。マスクステージは、本形態ではマスクステージ駆動機構２６によりＸ軸方向に移動可能である。
【００３２】
穴あけ加工に際しては、マスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５は制御装置（図示せず）により同期制御される。具体的には、マスクステージ駆動機構２６によるマスク１１の移動とワークステージ駆動機構２５によるプリント配線基板１２の移動が逆方向で同期して移動するように制御される。特に、マスク１１がシリンドリカルレンズ１５からのレーザ光の照射位置を通過し、しかもマスク１１の移動方向が断面線状のレーザ光の延在方向に直角な方向となるようにされる。これは、見掛け上、断面線状のレーザ光がマスク１１の全面をスキャンすることを意味する。このようなスキャンによってマスク１１のマスクパターンの各穴を通過したレーザ光はイメージングレンズ１６を通してプリント配線基板１２に照射される。そして、マスク１１の移動とプリント配線基板１２の移動は逆方向で同期しているので、プリント配線基板１２には、マスク１１のマスクパターンで規定される多数の穴が連続して形成されることになる。
【００３３】
なお、イメージングレンズ１６による投影比が１対１の場合には、マスク１１の移動に際してプリント配線基板１２に照射されるレーザ光の照射パターンの移動速度はマスク１１の移動速度と同じとなる。言い換えれば、レーザ光の照射パターンの移動速度はマスク１１に対するレーザ光のスキャン速度と同じとなる。しかし、例えば３対１の縮小比でマスクパターンが縮小されてプリント配線基板１２に投影される場合には、マスク１１に対するスキャン速度に対してプリント配線基板１２に照射されるレーザ光の照射パターンの移動速度は３倍となる。制御装置は、このような移動速度の違いを考慮してマスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５を同期制御する。
【００３４】
ここで、プリント配線基板１２はその樹脂層の厚さにより、１回のパルス状レーザ光の照射では所定の穴あけが完了しない場合がある。この場合、例えばパルス状レーザ光を３ショット照射する場合には、図２（ａ）に示したようなピーク領域が一部オーバラップするようにして照射を行う。これは、ステージによる移動速度を遅くして断面線状のパルス状レーザ光が１つの穴に複数ショット当たるようにすれば良い。この場合、マスクパターンを形成している複数の列から成る穴１１ａは各列のピッチが等しいことが好ましく、必要に応じてマスキングが実行される。マスキングについては後述する。
【００３５】
また、上記の動作によってプリント配線基板１２に形成される多数の穴あけ加工の範囲は、イメージングレンズ１６の投影比にもよるが、制限がある場合がある。このような場合、この範囲は一辺が数ｃｍ程度の正方形のエリアである。これに対し、本形態による穴あけ加工は、通常、図４に示すように、複数の加工領域１２−１が区画されている多面取り用のプリント配線基板１２に対して加工領域毎に行われる。１つの加工領域１２−１に対しては上記の動作により穴あけ加工が行われるが、プリント配線基板１２を移動させないと、次の加工領域に対する加工を行うことができない。このため、プリント配線基板１２は、ワークステージ１７により駆動されて次の加工領域への移動が行われる。すなわち、ワークステージ１７は、プリント配線基板１２の１つの加工領域１２−１に対する穴あけ加工が終了すると、次の加工領域をイメージングレンズ１６の直下に移動させる。勿論、この場合のワークステージ１７の駆動はマスク１１の駆動とは独立して行われる。
【００３６】
ところで、上記のような加工領域の移動にはある時間を必要とする。これに対し、レーザ発振器１０が連続状のレーザ光あるいはパルス状のレーザ光のいずれを発生するものであっても、上記の移動の間はレーザ光がマスク１１に入射しないようにする必要がある。これは、上記の移動の間は、レーザ発振器１０の発振を停止させるようにすれば良い。別の方法として、シリンドリカルレンズ１５よりも上流側の光経路に、レーザ光をバイパスさせる手段を設けても良い。このようなバイパス手段は、反射ミラー１４を回動可能にすることで実現できる。すなわち、上記の移動の間は、反射ミラー１４を回動させてレーザ光をシリンドリカルレンズ１５から外れた別の位置に照射する。この場合、反射ミラーを回動させた時のレーザ光の照射位置にターゲット部材を配置することが好ましい。ターゲット部材は、レーザ光のエネルギーを吸収するためのものである。いずれにしてもこの動作はマスキングと呼ばれ、前に述べたマスキングにも同様に適用される。
【００３７】
なお、上述したレーザ光の照射パターンの移動速度に関する説明以降の説明は、次に述べる第２の実施の形態にも適用される。
【００３８】
図５を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に示された第１の実施の形態における均一光学系１３及びシリンドリカルレンズ１５に代えて、ホモジナイザ２０をレーザ発振器１０と反射ミラー１４との間に配置したものである。その他の構成要素は図１の実施の形態とまったく同じである。ホモジナイザ２０は、第１の実施の形態で説明した均一光学系１３とシリンドリカルレンズ１５の両方の機能を合わせ持つものであり、これも周知であるが、図６〜図８を参照して簡単に説明する。
【００３９】
ホモジナイザ２０は、例えば２組のアレイレンズセット２１、２２と、４枚のフォーカシングレンズから成るレンズ系２３とから成る。アレイレンズセット２１は、図６に示されるように、複数のシリンドリカルレンズを多数、互いに平行に延在するように組合わせたアレイレンズ２１Ａ、２１Ｂを、その凸面側が対向するように間隔をおいて配置して成る。同様に、アレイレンズセット２２は、図７に示されるように、複数のシリンドリカルレンズを多数、互いに平行に延在するように組合わせたアレイレンズ２２Ａ、２２Ｂを、その凸面側が対向するように間隔をおいて配置して成る。なお、図７は、図６に示したものを軸方向に関して９０度回転させた状態で示している。したがって、アレイレンズセット２１のシリンドリカルレンズの延在方向と、アレイレンズセット２２のシリンドリカルレンズの延在方向とは直角に交差する形態で組み合わされていることになる。
【００４０】
いずれにしても、上記のような構成の２組のアレイレンズセット２１、２２と、４枚のフォーカシングレンズから成るレンズ系２３とにより、ホモジナイザ２０は、断面に関するエネルギー密度分布の均一化の機能と、断面円形状のレーザ光を断面線状のレーザ光に変換する機能とを合わせ持つことができる。
【００４１】
穴あけ加工に関する動作は、第１の実施の形態とまったく同じであるので、説明は省略する。
【００４２】
次に、図９を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。本形態は、以下の点で第１の実施の形態と異なる。第１の実施の形態では、レーザ発振器１０の発振動作は連続である。これに対し、第３の実施の形態では、プリント配線基板１２の移動量、すなわち位置に応じてレーザ発振器１０の発振動作を制御するようにしている。具体的には、プリント配線基板１２を一定速度で移動させる。コントローラ３０は、位置検出器３１の検出信号に基づいてプリント配線基板１２が所定の位置に到達した時にレーザ発振器１０に対して発振トリガ信号を出力する。レーザ発振器１０は、発振トリガ信号を受けると起動してレーザ光を発生する。これは、レーザ発振器１０を、プリント配線基板１２（ワークステージ１７）の移動に同期して発振させることを意味する。
【００４３】
このために、本形態ではプリント配線基板１２の移動量、すなわち位置を検出する手段として、ワークステージ１７の移動量を検出する位置検出器３１と、この位置検出器３１で検出された移動量に基づいてレーザ発振器１０の発振動作を制御するコントローラ３０を備えている。これら以外の構成、作用は第１の実施の形態と同じである。
【００４４】
位置検出器３１は、例えばワークステージ１７の動きを直接検出するリニアエンコーダとの組み合わせで実現できる。これは、この種のワークステージ駆動機構２５は、リニアモータの原理を利用したリニア駆動機構で実現されることが多く、この場合、位置制御のためにリニアエンコーダが設置されることが多いからである。リニアエンコーダは、ワークステージ１７が微小な単位距離（例えば１μｍ）移動する毎にパルスを出力する。位置検出器３１はこのパルスをカウントし、カウント値をコントローラ３０に出力する。
【００４５】
一方、ワークステージ駆動機構２５はサーボモータの回転運動を直線運動に変換する機構で実現される場合がある。この場合、位置検出器３１はサーボモータの回転量を検出するロータリーエンコーダで実現される。ロータリーエンコーダもサーボモータが微小な単位角度回動する毎にパルスを出力する。位置検出器３１はこのパルスをカウントし、カウント値をコントローラ３０に出力する。
【００４６】
上記のような位置検出器３１は一例であり、リニアエンコーダやロータリーエンコーダとの組み合わせによらない、別の周知の位置検出器を用いても良いことは言うまでもない。
【００４７】
コントローラ３０は、位置検出器３１からのカウント値からワークステージ１７の移動量、すなわちワークステージ１７の現在位置を判別する。なお、本形態では、コントローラ３０は、前に述べたマスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５を同期制御するための制御装置とは別の制御部として示しているが、これらは１つの制御装置で実現することができることは言うまでもない。
【００４８】
本形態でも第１の実施の形態と同様、マスクイメージング法を採用しているので、前に述べたように、投影比（縮小比）が１：１の場合はマスクステージとワークステージ１７は同じ距離だけ進む。また、例えば、マスク寸法とワーク（プリント配線基板１２）寸法の比が２：１の場合であれば、マスクステージはワークステージの２倍の移動距離を進むことになる。
【００４９】
マスク１１は、プリント配線基板１２の移動と同期して逆向きに動く。これは、前に述べたように、イメージングレンズ１６でマスク１１のマスクパターンはプリント配線基板１２上では反転しているからである。
【００５０】
ワークステージ１７が動き出すと、リニアエンコーダあるいはロータリーエンコーダから一定距離毎に（例えば１μｍ毎に）パルスが出力され、位置検出器３１によりカウントアップされていく。
【００５１】
例えば、プリント配線基板１２に１ｍｍのピッチで穴をあける場合、カウント値が１０００個（１０００μｍ）に達したとき、コントローラ３０はレーザ発振器１０に対して発振トリガー信号を出力する。なお、穴のピッチは加工前に、加工パラメータとしてパラメータ設定部３２からあらかじめ入力されている。
【００５２】
ワークステージ１７はステップ動作、つまり一定距離（ピッチ分の距離）移動して止まるという動作を繰り返すのではなく、一定速度で移動している。そして、プリント配線基板１２の穴をあけられるべき部分が所定位置に到達したとき、レーザ光が照射される。
【００５３】
レーザ穴あけ加工装置としての動作は、第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５４】
次に、図１０を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本形態は、以下の点で第３の実施の形態と異なる。本形態では、マスク１１の移動量、すなわち位置に応じてレーザ発振器１０の発振動作を制御するようにしている。具体的には、マスク１１をプリント配線基板１２の移動に同期させて一定速度で移動させる。コントローラ３０は、位置検出器３５の検出信号に基づいてマスク１１が所定の位置に到達した時にレーザ発振器１０に対して発振トリガ信号を出力する。レーザ発振器１０は、発振トリガ信号を受けると起動してレーザ光を発生する。これは、レーザ発振器１０を、マスク１１（マスクステージ）の移動に同期して発振させることを意味する。
【００５５】
このために、本形態ではマスク１１の移動量、すなわち位置を検出する手段として、マスクステージの移動量を検出する位置検出器３５と、この位置検出器３５で検出された移動量に基づいてレーザ発振器１０の発振動作を制御するコントローラ３０を備えている。位置検出器３５以外の構成、作用は第３の実施の形態と同じであるが、位置検出器３５は位置検出器３１と同じものを使用することができる。
【００５６】
すなわち、第３の実施の形態と第４の実施の形態の違いは、レーザ発振器１０の発振を同期させる対象がワークステージ１７かマスクステージかということだけである。前に述べたように、投影比（縮小比）が１：１の場合はマスクステージとワークステージ１７は同じ距離だけ進む。また、例えば、マスク寸法と加工領域１２−１の寸法の比が２：１の場合であれば、マスクステージはワークステージの２倍の移動距離を進むことになる。従って、本形態におけるコントローラ３０は、レーザ発振器１０への発振トリガー信号の出力を、上記の投影比を考慮して行う。
【００５７】
レーザ穴あけ加工装置としての動作は、第３の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５８】
第３、第４の実施の形態のいずれにおいても、レーザ発振器１０は、発振トリガー信号を受信して発振し、レーザ光を発生するが、発振トリガー信号を受信してから発振するまでの時間遅れが存在する。この時間遅れを、例えば１μｓｅｃとする。レーザ発振器１０の発振周波数を１５０Ｈｚとし、ワークステージ１７が１５０ｍｍ／ｓｅｃの定速で移動しているとする。この場合、上記の１μｓｅｃの時間遅れは、レーザ光の照射位置に０．１５μｍの位置ずれを生じさせる。しかし、この程度の値は微小なので問題になることはない。位置ずれが問題になる場合は、パラメータ設定部３２で設定する加工パラメータにオフセットを与えておくことで、上記の位置ずれを補正することができる。
【００５９】
なお、パラメータ設定部３２で設定する加工パラメータは、加工する穴のピッチに限らず、穴の位置、すなわちＸ軸、Ｙ軸による２次元平面上での座標位置を入力するようにしてもよい。
【００６０】
穴のピッチは一定値が好ましい。これは、穴のピッチが一定であれば、レーザ発振器１０の発振周波数が一定となり、レーザ出力の強度バラツキが小さくなるからである。しかし、穴のピッチが一定でなくても、本発明は十分にその効果を発揮する。
【００６１】
プリント配線基板１２の材質によっては、レーザ光の照射を複数回行わなければならない場合がある。この場合は、マスク１１、プリント配線基板１２の移動によるスキャンを複数ショット分、繰り返せばよい。
【００６２】
第３、第４の実施の形態のいずれにおいても、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５に代えて、第２の実施の形態で説明したホモジナイザ２０を用いるようにしても良い。
【００６３】
なお、プリント配線基板１２の加工領域１２−１の寸法に対してマスク１１の寸法が小さい場合は、図１１のようにする。図１１において、スキャン方向に関するマスク１１の寸法Ｌ１は加工領域１２−１のスキャン方向の寸法Ｌ２と同じであるとする。また、スキャン方向に直角なマスク１１の寸法Ｌ３が加工領域１２−１のスキャン方向に直角な方向の寸法Ｌ４の１／２であるとする。この場合、加工領域１２−１の半分の穴あけ加工が終了したら、加工領域１２−１をスキャン方向と直角な方向に所定距離だけシフトさせて穴あけ加工を行う。この場合、図１１（ｄ）における加工時のスキャン方向は、図１１（ｃ）における加工時のスキャン方向と逆になる。勿論、加工された複数の穴のパターンは同じである。
【００６４】
図１２を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。本形態は、第３の実施の形態の変形例であり、マスク１１´を固定としたものである。従って、マスクステージ駆動機構は不要である。このため、マスク１１´は、前に述べた実施の形態におけるマスク１１と異なり、図１３に示すように、一列分の加工穴パターンを持つ。そして、プリント配線基板１２（ワークステージ１７）の移動に同期して、レーザ発振器１０を発振させるようにしている。位置検出器３１、コントローラ３０、パラメータ設定部３２の機能は第３の実施の形態で説明したものと同じであるので、説明は省略する。
【００６５】
ワークステージ１７が動き出すと、リニアエンコーダあるいはロータリーエンコーダから一定距離毎に（例えば１μｍ毎に）パルスが出力され、位置検出器３１によりカウントアップされていく。
【００６６】
例えば、プリント配線基板１２に１ｍｍのピッチで穴をあける場合、カウント値が１０００個（１０００μｍ）に達したとき、コントローラ３０はレーザ発振器１０に対して発振トリガー信号を出力する。なお、穴のピッチは加工前に、加工パラメータとしてパラメータ設定部３２からあらかじめ入力されている。
【００６７】
ワークステージ１７はステップ動作、つまり一定距離移動して止まるという動作を繰り返すのではなく、一定速度で移動している。そして、プリント配線基板１２の穴をあけられるべき部分が所定位置に到達したとき、レーザ光が照射される。
【００６８】
プリント配線基板１２の加工領域１２−１の幅寸法に対してマスク１１´の幅寸法が小さい場合は、図１３のようにする。図１３において、マスク１１´の幅寸法Ｌ１０が加工領域１２−１の幅寸法Ｌ２０と同じであるとする。この場合、加工領域１２−１の半分の穴あけ加工が終了したら、加工領域１２−１をスキャン方向と直角な方向に所定距離だけシフトさせて穴あけ加工を行う。この場合、図１３（ｄ）における加工時のスキャン方向は、図１３（ｃ）における加工時のスキャン方向と逆になる。勿論、加工された複数の穴のパターンは同じである。
【００６９】
本形態においても、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５に代えて、第２の実施の形態で説明したホモジナイザ２０を用いるようにしても良い。
【００７０】
ところで、マスク１１´を固定することの弊害は、加工された穴がスキャン方向に長軸を持つ楕円になることである。しかし、パルス幅の短いパルスレーザ発振器を採用すると、この問題は無視できるようになる。例えば、ワークステージ１７の移動速度を１５０ｍｍ／ｓｅｃとし、パルス幅０．２μｓｅｃのレーザ発振器を採用すると、発振している時間内にワークステージ１７は、０．０３μｍしか移動しない。この場合、穴の径を５０μｍとすると０．０３μｍは無視でき、穴の形状は真円とみなされる。
【００７１】
いずれの実施の形態においても、レーザ発振器１０としては、ＣＯ２ レーザ発振器、ＹＡＧ及びＹＬＦレーザ発振器、その第２高調波（２ω）、第３高調波（３ω）、第４高調波（４ω）を用いたり、更にはエキシマレーザ発振器を用いることができる。また、被加工部材はプリント配線基板のような樹脂層に限らず、電気部品、例えばコンデンサや圧電素子に絶縁材料として用いられるセラミック薄板のような材料にも穴あけ加工を行うことができる。更に、本発明は、所定のマスクパターンを持つマスクをプリント配線基板のような被加工部材に接触させた状態、いわゆるコンタクトマスク方式で穴あけ加工を行う場合にも適用可能である。この場合、イメージングレンズは省略される。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、これまでのガルバノスキャナを用いたレーザ穴あけ加工装置に比べて短い時間で多数の穴あけ加工を行うことができる。しかも、本発明において用いられる移動可能なマスクのマスクパターンは、複数の穴の配列を任意に設定できるので、フレキシブルな穴あけ加工を実現することができる。
【００７３】
また、第３〜第５の実施の形態による穴あけ加工装置によれば、加工したい位置に正確に穴あけ加工を行うことができ、ワークステージがステップ移動式ではなく連続して移動しているので、生産性が高いシステムである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１（ａ）は全体の構成を、図１（ｂ）は図１（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図２】図１に示された均一光学系及びシリンドリカルレンズによりレーザ光の断面形状を線状に変換する作用を説明するための図であり、図２（ａ）はレーザ光の断面に関するエネルギー密度分布を示し、図２（ｂ）は線状に変換されたレーザ光の断面形状を示した図である。
【図３】線状に変換されたレーザ光の断面形状（図３ａ）と図１に示されたマスクの一例（図３ｂ）を示した図である。
【図４】本発明による加工装置の加工対象となる多面取り用のプリント配線基板の一例を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図５（ａ）は全体の構成を、図５（ｂ）は図５（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図６】図５に示されたホモジナイザの構成を説明するための図であり、図６（ａ）はホモジナイザの構成を、図６（ｂ）は図６（ａ）に示された一方のアレイレンズセットの構成を示した図である。
【図７】図６に示されたホモジナイザの構成を、その中心軸に関して９０度回転させた状態で示した図であり、図７（ａ）はホモジナイザの構成を、図７（ｂ）は図７（ａ）に示された他方のアレイレンズセットの構成を示した図である。
【図８】図５に示されたホモジナイザの構成を立体的に示した斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図９（ａ）は全体の構成を、図９（ｂ）は図９（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１０（ａ）は全体の構成を、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１１】第３の実施の形態におけるレーザ光の断面形状と、マスクと、加工パターンとの関係を示した図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１２（ａ）は全体の構成を、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１３】第５の実施の形態におけるレーザ光の断面形状（図１３ａ）と、マスク（図１３ｂ）と、加工パターン（図１３ｃ、ｄ）との関係を示した図である。
【符号の説明】
１１、１１´ マスク
１２ プリント配線基板
１３ 均一光学系
１４ 反射ミラー
１５ シリンドリカルレンズ
１６ イメージングレンズ
１７ ワークステージ
２０ ホモジナイザ
２５ ワークステージ駆動機構
２６ マスクステージ駆動機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器からのレーザ光をプリント配線基板やセラミック基板等の被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板には高密度化が要求されている。例えば、ＬＳＩチップを実装してパッケージ化するためのプリント配線基板としてインターポーザと呼ばれるものが知られている。このようなＬＳＩチップとインターポーザとの接続は、これまでワイヤボンディング法が主流であったが、フリップチップ実装と呼ばれる方法が増加する傾向にあり、パッケージの多ピン化も進んでいる。
【０００３】
このような傾向に伴い、インターポーザには、多数のビアホールと呼ばれる穴あけを小径かつ微小ピッチで行うことが必要となる。
【０００４】
このような穴あけ加工は、機械的な微細ドリルを用いる機械加工や露光（フォトビア）方式が主流であったが、最近ではレーザ光が利用されはじめている。レーザ光を利用した穴あけ加工装置は、微細ドリルを用いる機械加工に比べて加工速度や、穴の径の微細化に対応できる点で優れている。レーザ光としては、レーザ発振器の価格、ランニングコストが低いという点からＣＯ２ レーザや高調波固体レーザが一般に利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでのレーザ穴あけ加工装置では、レーザ発振器からのレーザビームを反射ミラー等を含む光学経路を経由させてＸ−Ｙスキャナあるいはガルバノスキャナと呼ばれる２軸のガルバノミラーを備えたスキャン光学系に導き、このスキャン光学系によりレーザビームを振らせて加工レンズを通してプリント配線基板に照射することにより穴あけを行っている（例えば、特開平１０−５８１７８号公報参照）。すなわち、プリント配線基板にあけられるべき穴の位置はあらかじめ決まっているので、これらの穴の位置情報に基づいてスキャン光学系を制御することで穴あけが１個ずつ行われている。
【０００６】
しかしながら、Ｘ−Ｙスキャナあるいはガルバノスキャナによるスキャン光学系を使用した１個ずつの穴あけ加工では、プリント配線基板における穴の数の増加に比例して加工時間が長くなる。因みに、ガルバノスキャナの応答性は５００ｐｐｓ程度であるため、毎秒５００穴以上の穴あけは困難である。また、例えば、一辺が１０ｍｍの正方形のパッケージ基板に、５０μｍ径の穴が０．２ｍｍのピッチで配列されるとすると、２５００個の穴が存在する。この場合、毎秒５００穴の穴あけを行ったとしても、２５００／５００＝５ｓｅｃの加工時間を必要とする。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、これまでのレーザ穴あけ加工方法に比べて短い時間で多数の穴あけ加工を行うことのできるレーザ穴あけ加工方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の課題は、被加工部材に対する加工パターンを任意に選定することのできるレーザ穴あけ加工方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の課題は、上記の加工方法に適したレーザ穴あけ加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工方法において、前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換し、前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置することにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われ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提供される。
【００１２】
本レーザ穴あけ加工方法においてはまた、前記マスク又は前記被加工部材の移動量を検出し、検出された移動量に応じて前記レーザ発振器の発振動作を制御するようにしても良い。
【００１６】
本発明によれば更に、レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工装置において、前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換する光学系と、前記マスクと前記被加工部材とを同期して移動させる駆動機構とを備え、前記光学系からの前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置して該イメージングレンズにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、前記駆動機構は、前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われるようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置が提供される。
【００１７】
本レーザ穴あけ加工装置においては、更に、前記被加工部材の移動量を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えるようにしても良い。
【００１８】
本レーザ穴あけ加工装置においては、前記被加工部材の移動量を検出する位置検出器に代えて前記マスクの移動量を検出する位置検出器を設け、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えても良い。
【００２１】
なお、前記光学系はホモジナイザで実現できる。
【００２２】
前記光学系はまた、前記レーザ発振器からのレーザ光の断面に関するエネルギー密度を均一にする均一光学系と、該均一光学系からのレーザ光の断面形状を線状に変換するシリンドリカルレンズとを含むものでも良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明によるレーザ穴あけ加工装置の第１の実施の形態について説明する。ここでは、レーザ発振器１０からのパルス状のレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスク１１を通してプリント配線基板（被加工部材）１２に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工装置について説明する。
【００２５】
レーザ発振器１０からのレーザ光は、均一光学系１３によりその断面に関するエネルギー密度が均一にされる。ここで、断面に関するエネルギー密度というのは、次の通りである。レーザ発振器１０からのレーザ光は、通常、円形の断面形状を有する。この場合、断面に関するエネルギー密度の分布は中心ほどエネルギー密度の高い、ガウシャン分布に近いものとなる。均一光学系１３は、このようなエネルギー密度分布を持つレーザ光を、断面のどの部分でも同じ値のエネルギー密度となるようにするためのものである。
【００２６】
均一光学系１３の簡単な例をあげれば、レーザ発振器１０からのレーザ光の断面形状を光学レンズで拡大したうえでマスクを通すことにより、エネルギー密度が高く、しかもエネルギー密度の平坦な部分のみを取り出すものが知られている。別の例は、多数の光ファイバの組合わせ体から成るバンドルファイバである。レーザ発振器１０からのレーザ光の断面形状を光学レンズで拡大したうえでバンドルファイバに入射させる。そうすると、バンドルファイバは、均一なエネルギー密度分布を持つレーザ光を出射する。更に別の例は、カライドスコープと呼ばれる、いわゆる万華鏡の原理を利用したものが知られている。
【００２７】
いずれにしても、均一光学系１３により均一なエネルギー密度分布を持つように変換されたレーザ光は、反射ミラー１４を介してシリンドリカルレンズ１５に入射する。シリンドリカルレンズ１５は、均一光学系１３からのレーザ光の断面形状を、線状の断面形状に変換するためのものである。
【００２８】
図２を参照して、均一光学系１３からのレーザ光は断面円形状であり、図２（ａ）に示すようなビームプロファイルを持つ。ビームプロファイルというのは、レーザ光をその断面形状に関して観察した場合に、一定のエネルギー値が持続する波形のことである。ここでは、ビームプロファイルは台形状である。シリンドリカルレンズ１５を用いることにより、台形状のビームプロファイルを持つ断面円形状のレーザ光を、図２（ｂ）に示すような線状の断面形状を持つレーザ光に整形することができる。シリンドリカルレンズ１５は、断面線状のレーザ光の幅を規定する幅用シリンドリカルレンズ１５−１と、断面線状のレーザ光の長さを規定する長さ用シリンドリカルレンズ１５−２とから成る。このようなシリンドリカルレンズ１５によれば、幅１／１０（ｍｍ）〜数（ｍｍ）、長さ数（ｃｍ）のサイズを持つ断面線状のレーザ光を得ることができる。
【００２９】
レーザ発振器１０、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５は固定状態におかれる。すなわち、シリンドリカルレンズ１５からの断面線状のレーザ光の照射位置は固定である。
【００３０】
図３（ａ）は線状に整形されたレーザ光の断面形状を示す。レーザ光の断面の長手方向のサイズは、図３（ｂ）に示すマスク１１の幅方向のサイズよりやや大きくなるようにされる。マスク１１は、プリント配線基板１２への加工パターンを規定する多数の穴からなるマスクパターンを持つ。このマスクパターンは、多数の穴１１ａがＮ個×Ｎ個のマトリクス状に形成されているものに限らず、図３（ｂ）のように多数の穴１１ａがランダムに形成されているものでも良い。これは、本形態による穴あけ加工の加工パターンは、様々に選定できることを意味している。
【００３１】
イメージングレンズ１６は、プリント配線基板１２に対するマスクパターンの投影比（縮小比）を設定するためのものである。図１では投影比が１対１の場合を示している。一方、プリント配線基板１２は、Ｘ軸及びＹ軸に関して可動のワークステージ１７に搭載されている。特に、本形態では、マスクを搭載して移動可能とするマスクステージ（図示せず）とワークステージ１７とを同期して駆動可能にした点に特徴を有する。ワークステージ１７は、ワークステージ駆動機構２５により同一水平面内のＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。マスクステージは、本形態ではマスクステージ駆動機構２６によりＸ軸方向に移動可能である。
【００３２】
穴あけ加工に際しては、マスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５は制御装置（図示せず）により同期制御される。具体的には、マスクステージ駆動機構２６によるマスク１１の移動とワークステージ駆動機構２５によるプリント配線基板１２の移動が逆方向で同期して移動するように制御される。特に、マスク１１がシリンドリカルレンズ１５からのレーザ光の照射位置を通過し、しかもマスク１１の移動方向が断面線状のレーザ光の延在方向に直角な方向となるようにされる。これは、見掛け上、断面線状のレーザ光がマスク１１の全面をスキャンすることを意味する。このようなスキャンによってマスク１１のマスクパターンの各穴を通過したレーザ光はイメージングレンズ１６を通してプリント配線基板１２に照射される。そして、マスク１１の移動とプリント配線基板１２の移動は逆方向で同期しているので、プリント配線基板１２には、マスク１１のマスクパターンで規定される多数の穴が連続して形成されることになる。
【００３３】
なお、イメージングレンズ１６による投影比が１対１の場合には、マスク１１の移動に際してプリント配線基板１２に照射されるレーザ光の照射パターンの移動速度はマスク１１の移動速度と同じとなる。言い換えれば、レーザ光の照射パターンの移動速度はマスク１１に対するレーザ光のスキャン速度と同じとなる。しかし、例えば３対１の縮小比でマスクパターンが縮小されてプリント配線基板１２に投影される場合には、マスク１１に対するスキャン速度に対してプリント配線基板１２に照射されるレーザ光の照射パターンの移動速度は３倍となる。制御装置は、このような移動速度の違いを考慮してマスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５を同期制御する。
【００３４】
ここで、プリント配線基板１２はその樹脂層の厚さにより、１回のパルス状レーザ光の照射では所定の穴あけが完了しない場合がある。この場合、例えばパルス状レーザ光を３ショット照射する場合には、図２（ａ）に示したようなピーク領域が一部オーバラップするようにして照射を行う。これは、ステージによる移動速度を遅くして断面線状のパルス状レーザ光が１つの穴に複数ショット当たるようにすれば良い。この場合、マスクパターンを形成している複数の列から成る穴１１ａは各列のピッチが等しいことが好ましく、必要に応じてマスキングが実行される。マスキングについては後述する。
【００３５】
また、上記の動作によってプリント配線基板１２に形成される多数の穴あけ加工の範囲は、イメージングレンズ１６の投影比にもよるが、制限がある場合がある。このような場合、この範囲は一辺が数ｃｍ程度の正方形のエリアである。これに対し、本形態による穴あけ加工は、通常、図４に示すように、複数の加工領域１２−１が区画されている多面取り用のプリント配線基板１２に対して加工領域毎に行われる。１つの加工領域１２−１に対しては上記の動作により穴あけ加工が行われるが、プリント配線基板１２を移動させないと、次の加工領域に対する加工を行うことができない。このため、プリント配線基板１２は、ワークステージ１７により駆動されて次の加工領域への移動が行われる。すなわち、ワークステージ１７は、プリント配線基板１２の１つの加工領域１２−１に対する穴あけ加工が終了すると、次の加工領域をイメージングレンズ１６の直下に移動させる。勿論、この場合のワークステージ１７の駆動はマスク１１の駆動とは独立して行われる。
【００３６】
ところで、上記のような加工領域の移動にはある時間を必要とする。これに対し、レーザ発振器１０が連続状のレーザ光あるいはパルス状のレーザ光のいずれを発生するものであっても、上記の移動の間はレーザ光がマスク１１に入射しないようにする必要がある。これは、上記の移動の間は、レーザ発振器１０の発振を停止させるようにすれば良い。別の方法として、シリンドリカルレンズ１５よりも上流側の光経路に、レーザ光をバイパスさせる手段を設けても良い。このようなバイパス手段は、反射ミラー１４を回動可能にすることで実現できる。すなわち、上記の移動の間は、反射ミラー１４を回動させてレーザ光をシリンドリカルレンズ１５から外れた別の位置に照射する。この場合、反射ミラーを回動させた時のレーザ光の照射位置にターゲット部材を配置することが好ましい。ターゲット部材は、レーザ光のエネルギーを吸収するためのものである。いずれにしてもこの動作はマスキングと呼ばれ、前に述べたマスキングにも同様に適用される。
【００３７】
なお、上述したレーザ光の照射パターンの移動速度に関する説明以降の説明は、次に述べる第２の実施の形態にも適用される。
【００３８】
図５を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に示された第１の実施の形態における均一光学系１３及びシリンドリカルレンズ１５に代えて、ホモジナイザ２０をレーザ発振器１０と反射ミラー１４との間に配置したものである。その他の構成要素は図１の実施の形態とまったく同じである。ホモジナイザ２０は、第１の実施の形態で説明した均一光学系１３とシリンドリカルレンズ１５の両方の機能を合わせ持つものであり、これも周知であるが、図６〜図８を参照して簡単に説明する。
【００３９】
ホモジナイザ２０は、例えば２組のアレイレンズセット２１、２２と、４枚のフォーカシングレンズから成るレンズ系２３とから成る。アレイレンズセット２１は、図６に示されるように、複数のシリンドリカルレンズを多数、互いに平行に延在するように組合わせたアレイレンズ２１Ａ、２１Ｂを、その凸面側が対向するように間隔をおいて配置して成る。同様に、アレイレンズセット２２は、図７に示されるように、複数のシリンドリカルレンズを多数、互いに平行に延在するように組合わせたアレイレンズ２２Ａ、２２Ｂを、その凸面側が対向するように間隔をおいて配置して成る。なお、図７は、図６に示したものを軸方向に関して９０度回転させた状態で示している。したがって、アレイレンズセット２１のシリンドリカルレンズの延在方向と、アレイレンズセット２２のシリンドリカルレンズの延在方向とは直角に交差する形態で組み合わされていることになる。
【００４０】
いずれにしても、上記のような構成の２組のアレイレンズセット２１、２２と、４枚のフォーカシングレンズから成るレンズ系２３とにより、ホモジナイザ２０は、断面に関するエネルギー密度分布の均一化の機能と、断面円形状のレーザ光を断面線状のレーザ光に変換する機能とを合わせ持つことができる。
【００４１】
穴あけ加工に関する動作は、第１の実施の形態とまったく同じであるので、説明は省略する。
【００４２】
次に、図９を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。本形態は、以下の点で第１の実施の形態と異なる。第１の実施の形態では、レーザ発振器１０の発振動作は連続である。これに対し、第３の実施の形態では、プリント配線基板１２の移動量、すなわち位置に応じてレーザ発振器１０の発振動作を制御するようにしている。具体的には、プリント配線基板１２を一定速度で移動させる。コントローラ３０は、位置検出器３１の検出信号に基づいてプリント配線基板１２が所定の位置に到達した時にレーザ発振器１０に対して発振トリガ信号を出力する。レーザ発振器１０は、発振トリガ信号を受けると起動してレーザ光を発生する。これは、レーザ発振器１０を、プリント配線基板１２（ワークステージ１７）の移動に同期して発振させることを意味する。
【００４３】
このために、本形態ではプリント配線基板１２の移動量、すなわち位置を検出する手段として、ワークステージ１７の移動量を検出する位置検出器３１と、この位置検出器３１で検出された移動量に基づいてレーザ発振器１０の発振動作を制御するコントローラ３０を備えている。これら以外の構成、作用は第１の実施の形態と同じである。
【００４４】
位置検出器３１は、例えばワークステージ１７の動きを直接検出するリニアエンコーダとの組み合わせで実現できる。これは、この種のワークステージ駆動機構２５は、リニアモータの原理を利用したリニア駆動機構で実現されることが多く、この場合、位置制御のためにリニアエンコーダが設置されることが多いからである。リニアエンコーダは、ワークステージ１７が微小な単位距離（例えば１μｍ）移動する毎にパルスを出力する。位置検出器３１はこのパルスをカウントし、カウント値をコントローラ３０に出力する。
【００４５】
一方、ワークステージ駆動機構２５はサーボモータの回転運動を直線運動に変換する機構で実現される場合がある。この場合、位置検出器３１はサーボモータの回転量を検出するロータリーエンコーダで実現される。ロータリーエンコーダもサーボモータが微小な単位角度回動する毎にパルスを出力する。位置検出器３１はこのパルスをカウントし、カウント値をコントローラ３０に出力する。
【００４６】
上記のような位置検出器３１は一例であり、リニアエンコーダやロータリーエンコーダとの組み合わせによらない、別の周知の位置検出器を用いても良いことは言うまでもない。
【００４７】
コントローラ３０は、位置検出器３１からのカウント値からワークステージ１７の移動量、すなわちワークステージ１７の現在位置を判別する。なお、本形態では、コントローラ３０は、前に述べたマスクステージ駆動機構２６及びワークステージ駆動機構２５を同期制御するための制御装置とは別の制御部として示しているが、これらは１つの制御装置で実現することができることは言うまでもない。
【００４８】
本形態でも第１の実施の形態と同様、マスクイメージング法を採用しているので、前に述べたように、投影比（縮小比）が１：１の場合はマスクステージとワークステージ１７は同じ距離だけ進む。また、例えば、マスク寸法とワーク（プリント配線基板１２）寸法の比が２：１の場合であれば、マスクステージはワークステージの２倍の移動距離を進むことになる。
【００４９】
マスク１１は、プリント配線基板１２の移動と同期して逆向きに動く。これは、前に述べたように、イメージングレンズ１６でマスク１１のマスクパターンはプリント配線基板１２上では反転しているからである。
【００５０】
ワークステージ１７が動き出すと、リニアエンコーダあるいはロータリーエンコーダから一定距離毎に（例えば１μｍ毎に）パルスが出力され、位置検出器３１によりカウントアップされていく。
【００５１】
例えば、プリント配線基板１２に１ｍｍのピッチで穴をあける場合、カウント値が１０００個（１０００μｍ）に達したとき、コントローラ３０はレーザ発振器１０に対して発振トリガー信号を出力する。なお、穴のピッチは加工前に、加工パラメータとしてパラメータ設定部３２からあらかじめ入力されている。
【００５２】
ワークステージ１７はステップ動作、つまり一定距離（ピッチ分の距離）移動して止まるという動作を繰り返すのではなく、一定速度で移動している。そして、プリント配線基板１２の穴をあけられるべき部分が所定位置に到達したとき、レーザ光が照射される。
【００５３】
レーザ穴あけ加工装置としての動作は、第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５４】
次に、図１０を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本形態は、以下の点で第３の実施の形態と異なる。本形態では、マスク１１の移動量、すなわち位置に応じてレーザ発振器１０の発振動作を制御するようにしている。具体的には、マスク１１をプリント配線基板１２の移動に同期させて一定速度で移動させる。コントローラ３０は、位置検出器３５の検出信号に基づいてマスク１１が所定の位置に到達した時にレーザ発振器１０に対して発振トリガ信号を出力する。レーザ発振器１０は、発振トリガ信号を受けると起動してレーザ光を発生する。これは、レーザ発振器１０を、マスク１１（マスクステージ）の移動に同期して発振させることを意味する。
【００５５】
このために、本形態ではマスク１１の移動量、すなわち位置を検出する手段として、マスクステージの移動量を検出する位置検出器３５と、この位置検出器３５で検出された移動量に基づいてレーザ発振器１０の発振動作を制御するコントローラ３０を備えている。位置検出器３５以外の構成、作用は第３の実施の形態と同じであるが、位置検出器３５は位置検出器３１と同じものを使用することができる。
【００５６】
すなわち、第３の実施の形態と第４の実施の形態の違いは、レーザ発振器１０の発振を同期させる対象がワークステージ１７かマスクステージかということだけである。前に述べたように、投影比（縮小比）が１：１の場合はマスクステージとワークステージ１７は同じ距離だけ進む。また、例えば、マスク寸法と加工領域１２−１の寸法の比が２：１の場合であれば、マスクステージはワークステージの２倍の移動距離を進むことになる。従って、本形態におけるコントローラ３０は、レーザ発振器１０への発振トリガー信号の出力を、上記の投影比を考慮して行う。
【００５７】
レーザ穴あけ加工装置としての動作は、第３の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５８】
第３、第４の実施の形態のいずれにおいても、レーザ発振器１０は、発振トリガー信号を受信して発振し、レーザ光を発生するが、発振トリガー信号を受信してから発振するまでの時間遅れが存在する。この時間遅れを、例えば１μｓｅｃとする。レーザ発振器１０の発振周波数を１５０Ｈｚとし、ワークステージ１７が１５０ｍｍ／ｓｅｃの定速で移動しているとする。この場合、上記の１μｓｅｃの時間遅れは、レーザ光の照射位置に０．１５μｍの位置ずれを生じさせる。しかし、この程度の値は微小なので問題になることはない。位置ずれが問題になる場合は、パラメータ設定部３２で設定する加工パラメータにオフセットを与えておくことで、上記の位置ずれを補正することができる。
【００５９】
なお、パラメータ設定部３２で設定する加工パラメータは、加工する穴のピッチに限らず、穴の位置、すなわちＸ軸、Ｙ軸による２次元平面上での座標位置を入力するようにしてもよい。
【００６０】
穴のピッチは一定値が好ましい。これは、穴のピッチが一定であれば、レーザ発振器１０の発振周波数が一定となり、レーザ出力の強度バラツキが小さくなるからである。しかし、穴のピッチが一定でなくても、本発明は十分にその効果を発揮する。
【００６１】
プリント配線基板１２の材質によっては、レーザ光の照射を複数回行わなければならない場合がある。この場合は、マスク１１、プリント配線基板１２の移動によるスキャンを複数ショット分、繰り返せばよい。
【００６２】
第３、第４の実施の形態のいずれにおいても、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５に代えて、第２の実施の形態で説明したホモジナイザ２０を用いるようにしても良い。
【００６３】
なお、プリント配線基板１２の加工領域１２−１の寸法に対してマスク１１の寸法が小さい場合は、図１１のようにする。図１１において、スキャン方向に関するマスク１１の寸法Ｌ１は加工領域１２−１のスキャン方向の寸法Ｌ２と同じであるとする。また、スキャン方向に直角なマスク１１の寸法Ｌ３が加工領域１２−１のスキャン方向に直角な方向の寸法Ｌ４の１／２であるとする。この場合、加工領域１２−１の半分の穴あけ加工が終了したら、加工領域１２−１をスキャン方向と直角な方向に所定距離だけシフトさせて穴あけ加工を行う。この場合、図１１（ｄ）における加工時のスキャン方向は、図１１（ｃ）における加工時のスキャン方向と逆になる。勿論、加工された複数の穴のパターンは同じである。
【００６４】
図１２を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。本形態は、第３の実施の形態の変形例であり、マスク１１´を固定としたものである。従って、マスクステージ駆動機構は不要である。このため、マスク１１´は、前に述べた実施の形態におけるマスク１１と異なり、図１３に示すように、一列分の加工穴パターンを持つ。そして、プリント配線基板１２（ワークステージ１７）の移動に同期して、レーザ発振器１０を発振させるようにしている。位置検出器３１、コントローラ３０、パラメータ設定部３２の機能は第３の実施の形態で説明したものと同じであるので、説明は省略する。
【００６５】
ワークステージ１７が動き出すと、リニアエンコーダあるいはロータリーエンコーダから一定距離毎に（例えば１μｍ毎に）パルスが出力され、位置検出器３１によりカウントアップされていく。
【００６６】
例えば、プリント配線基板１２に１ｍｍのピッチで穴をあける場合、カウント値が１０００個（１０００μｍ）に達したとき、コントローラ３０はレーザ発振器１０に対して発振トリガー信号を出力する。なお、穴のピッチは加工前に、加工パラメータとしてパラメータ設定部３２からあらかじめ入力されている。
【００６７】
ワークステージ１７はステップ動作、つまり一定距離移動して止まるという動作を繰り返すのではなく、一定速度で移動している。そして、プリント配線基板１２の穴をあけられるべき部分が所定位置に到達したとき、レーザ光が照射される。
【００６８】
プリント配線基板１２の加工領域１２−１の幅寸法に対してマスク１１´の幅寸法が小さい場合は、図１３のようにする。図１３において、マスク１１´の幅寸法Ｌ１０が加工領域１２−１の幅寸法Ｌ２０と同じであるとする。この場合、加工領域１２−１の半分の穴あけ加工が終了したら、加工領域１２−１をスキャン方向と直角な方向に所定距離だけシフトさせて穴あけ加工を行う。この場合、図１３（ｄ）における加工時のスキャン方向は、図１３（ｃ）における加工時のスキャン方向と逆になる。勿論、加工された複数の穴のパターンは同じである。
【００６９】
本形態においても、均一光学系１３、シリンドリカルレンズ１５に代えて、第２の実施の形態で説明したホモジナイザ２０を用いるようにしても良い。
【００７０】
ところで、マスク１１´を固定することの弊害は、加工された穴がスキャン方向に長軸を持つ楕円になることである。しかし、パルス幅の短いパルスレーザ発振器を採用すると、この問題は無視できるようになる。例えば、ワークステージ１７の移動速度を１５０ｍｍ／ｓｅｃとし、パルス幅０．２μｓｅｃのレーザ発振器を採用すると、発振している時間内にワークステージ１７は、０．０３μｍしか移動しない。この場合、穴の径を５０μｍとすると０．０３μｍは無視でき、穴の形状は真円とみなされる。
【００７１】
いずれの実施の形態においても、レーザ発振器１０としては、ＣＯ２ レーザ発振器、ＹＡＧ及びＹＬＦレーザ発振器、その第２高調波（２ω）、第３高調波（３ω）、第４高調波（４ω）を用いたり、更にはエキシマレーザ発振器を用いることができる。また、被加工部材はプリント配線基板のような樹脂層に限らず、電気部品、例えばコンデンサや圧電素子に絶縁材料として用いられるセラミック薄板のような材料にも穴あけ加工を行うことができる。更に、本発明は、所定のマスクパターンを持つマスクをプリント配線基板のような被加工部材に接触させた状態、いわゆるコンタクトマスク方式で穴あけ加工を行う場合にも適用可能である。この場合、イメージングレンズは省略される。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、これまでのガルバノスキャナを用いたレーザ穴あけ加工装置に比べて短い時間で多数の穴あけ加工を行うことができる。しかも、本発明において用いられる移動可能なマスクのマスクパターンは、複数の穴の配列を任意に設定できるので、フレキシブルな穴あけ加工を実現することができる。
【００７３】
また、第３〜第５の実施の形態による穴あけ加工装置によれば、加工したい位置に正確に穴あけ加工を行うことができ、ワークステージがステップ移動式ではなく連続して移動しているので、生産性が高いシステムである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１（ａ）は全体の構成を、図１（ｂ）は図１（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図２】図１に示された均一光学系及びシリンドリカルレンズによりレーザ光の断面形状を線状に変換する作用を説明するための図であり、図２（ａ）はレーザ光の断面に関するエネルギー密度分布を示し、図２（ｂ）は線状に変換されたレーザ光の断面形状を示した図である。
【図３】線状に変換されたレーザ光の断面形状（図３ａ）と図１に示されたマスクの一例（図３ｂ）を示した図である。
【図４】本発明による加工装置の加工対象となる多面取り用のプリント配線基板の一例を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図５（ａ）は全体の構成を、図５（ｂ）は図５（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図６】図５に示されたホモジナイザの構成を説明するための図であり、図６（ａ）はホモジナイザの構成を、図６（ｂ）は図６（ａ）に示された一方のアレイレンズセットの構成を示した図である。
【図７】図６に示されたホモジナイザの構成を、その中心軸に関して９０度回転させた状態で示した図であり、図７（ａ）はホモジナイザの構成を、図７（ｂ）は図７（ａ）に示された他方のアレイレンズセットの構成を示した図である。
【図８】図５に示されたホモジナイザの構成を立体的に示した斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図９（ａ）は全体の構成を、図９（ｂ）は図９（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１０（ａ）は全体の構成を、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１１】第３の実施の形態におけるレーザ光の断面形状と、マスクと、加工パターンとの関係を示した図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態によるレーザ穴あけ加工装置の構成を示した図であり、図１２（ａ）は全体の構成を、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の主要部の構成を角度を変えて見た図である。
【図１３】第５の実施の形態におけるレーザ光の断面形状（図１３ａ）と、マスク（図１３ｂ）と、加工パターン（図１３ｃ、ｄ）との関係を示した図である。
【符号の説明】
１１、１１´ マスク
１２ プリント配線基板
１３ 均一光学系
１４ 反射ミラー
１５ シリンドリカルレンズ
１６ イメージングレンズ
１７ ワークステージ
２０ ホモジナイザ
２５ ワークステージ駆動機構
２６ マスクステージ駆動機構
Claims (7)
- レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工方法において、
前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換し、
前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、
前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置することにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、
前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われるようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加工方法。 - 請求項１記載のレーザ穴あけ加工方法において、前記マスク又は前記被加工部材の移動量を検出し、検出された移動量に応じて前記レーザ発振器の発振動作を制御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。
- レーザ発振器からのレーザ光を、所定のマスクパターンを持つマスクを通して被加工部材に照射して穴あけを行うレーザ穴あけ加工装置において、
前記レーザ光を線状の断面形状を持つレーザ光に変換する光学系と、
前記マスクと前記被加工部材とを同期して移動させる駆動機構とを備え、
前記光学系からの前記線状のレーザ光の照射位置は固定とし、
前記マスクと前記被加工部材との間にイメージングレンズを配置して該イメージングレンズにより前記被加工部材に対する前記マスクパターンの投影比を設定できるようにし、
前記駆動機構は、前記マスクが前記レーザ光の照射位置を通過するように前記マスクと前記被加工部材とを互いに逆方向に同期して移動させると共に、その移動方向を前記線状のレーザ光の延在方向に直角な方向とすることにより、前記マスクが前記線状のレーザ光でスキャンされるようにし、その結果、前記被加工部材に前記マスクパターンで規定された穴あけが行われるようにしたことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置。 - 請求項３記載のレーザ穴あけ加工装置において、前記光学系はホモジナイザであることを特徴とするレーザ穴あけ加工装置。
- 請求項３又は４記載のレーザ穴あけ加工装置において、前記光学系は、前記レーザ発振器からのレーザ光の断面に関するエネルギー密度を均一にする均一光学系と、該均一光学系からのレーザ光の断面形状を線状に変換するシリンドリカルレンズとを含むことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置。
- 請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ穴あけ加工装置において、更に、前記被加工部材の移動量を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えたことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置。
- 請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ穴あけ加工装置において、更に、前記マスクの移動量を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出された移動量に基づいて前記レーザ発振器の発振動作を制御するコントローラとを備えたことを特徴とするレーザ穴あけ加工装置。
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