JP2008238184A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、真円度の高い加工穴を得ることが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振された加工用レーザ光を偏向させる主偏向ガルバノミラーに円偏光ミラーの特性を持つコーティングを形成させるようにする。主偏向ガルバノミラーは、分光された２つの加工用レーザ光を、加工ワーク上に照射する。コーティングは、例えば、ＺｎＳとＴｈＦ_４からなる誘電体多層膜またはＧｅとＺｎＳからなる誘電体多層膜で構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリント基板や半導体チップなどの加工ワークにおける例えば樹脂材またはセラミックス材等の材料に、穴あけ、切断、またはマーキングなどの加工を行なうレーザ加工装置に関するものである。

下記特許文献１には、加工速度を高めるために、レーザ発振器から発振された直線偏光の加工用レーザ光を、分光手段を用いて、２つの第１、第２の加工用レーザ光に分光し，これらの２つの加工用レーザ光によるビームで同時に加工を行なうレーザ加工装置が開示されている。

特開２００４−２３０４６６号公報、とくに図４とその説明

特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、分光されたＰ偏光の第１の加工用レーザ光が、位相板を用いて偏光方向を９０度回転させてＳ偏光とされ、また、もう一方のＰ偏光の第２の加工用レーザ光を副偏向ガルバノミラーにより小角度偏向させた後、Ｓ偏光の第１の加工用レーザ光を反射し、Ｐ偏光の第２の加工用レーザ光を透過させる偏向ビームスプリッタを用いて、第１、第２の加工用レーザ光を主偏向ガルバノミラーへ導き、この主偏向ガルバノミラーにより、第１、第２の加工用レーザ光を大角度偏向させるとともに、加工ワーク上の加工位置を決定し、さらに、Ｆθレンズにより集光させ、ワークの加工を行なっている。

このような装置構成とすることで、加工ワーク上の２点に同時にレーザ光を照射することができるため、加工速度が高まると共に、Ｆθレンズが1つで済むため、コストアップと、加工装置の大型化を防ぐことができる。

このようなレーザ加工装置にあっては、加工用レーザ光を分光手段を用いて直線偏光の第１、第２のレーザ光に分光し、偏向ビームスプリッタを用いて反射、透過させた第１、第２の加工用レーザ光を主偏向ガルバノミラーにて加工ワーク上に位置決めさせているため、加工ワークに入射するレーザ光は直線偏光になっている。しかし、直線偏光は偏光方向に偏りがあるため、プリント基板の銅箔貫通加工に代表されるような金属材料を含む材料の穴加工において、例えば真円として加工したい加工穴が楕円径になってしまうという問題があった。

この発明は、このような問題を改善することのできるレーザ加工装置を提案するものである。

この発明によるレーザ加工装置は、直線偏光の加工用レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記加工用レーザ光を偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された前記加工用レーザ光を加工ワーク上で集光する集光レンズを備え、前記偏向ミラーには、前記直線偏光された前記加工用レーザ光が入射され、この直線偏光された加工用レーザ光を円偏光に変換するコーティングが形成されたことを特徴とする。

この発明によれば、偏向ミラーには、直線偏光された加工用レーザ光を円偏光に変換するコーティングが形成されているので、加工ワークに入射するレーザ光を円偏光とさせることが可能となり、従来のレーザ加工装置からの直線偏光のレーザ光では真円度が悪かった、プリント基板の銅箔貫通加工に代表されるような穴加工について、真円度が高い加工穴を得ることできるという効果が得られる。また、特別な光学系を追加することなく、直線偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換することができるので、装置の大型化、コストアップを防ぐことが可能となる。

以下、この発明によるレーザ加工装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は，この発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示す全体構成図である。この実施の形態１のレーザ加工装置は、加工部１０と、加工用レーザ光生成部２０と、加工用レーザ光分光部３０と、加工用レーザ光統合部４０を含む。このレーザ加工装置は、加工用レーザ光Ｌを、第１、第２の２つの加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂに分光し、これらの加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂをそれぞれ加工ワークに照射して、加工を行なう。

加工部１０は、ＸＹステージ１１を有し、このＸＹステージ１１上には、加工ワーク１２が固定される。ＸＹステージ１１は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向に可動に構成される。

加工用レーザ光生成部２０は、レーザ発振器２１と、コリメートレンズ２２と、絞り手段２３を含む。レーザ発振器２１は、光軸Ａに沿って加工用レーザ光Ｌを発生する。この加工用レーザ光Ｌは、直線偏光されたＰ偏光のレーザ光である。コリメートレンズ２２は、加工用レーザ光Ｌを通過させるように、光軸Ａ上に配置され、加工用レーザ光Ｌの発散角を調整する。絞り手段２３は、同じく光軸Ａ上に配置され、コリメートレンズ２２を通過した加工用レーザ光Ｌに任意のビームスポット径を設定する。この加工用レーザ光Ｌのスポット径は、加工ワーク１２上に照射される加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂのスポット径に対応して設定される。

加工用レーザ光分光部３０は、分光手段３１と、位相板３２と、ベントミラー３３と、副偏向手段３４を含む。分光手段３１は、光軸Ａ上に配置され、絞り手段２３を通過した加工用レーザ光Ｌを、第１の加工用レーザ光Ｌａと、第２の加工用レーザ光Ｌｂとに分光する。加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂの強度比は１：１とされ、互いに等しくされる。加工用レーザ光Ｌａは、光軸Ａと一致する光軸Ａ１に沿って出射される。加工用レーザ光Ｌｂは、光軸Ａ、Ａ１に直交する光軸Ａ３に沿って出射される。

位相板３２は、光軸Ａ１上に配置され、分光手段３１で分光された第１の加工用レーザ光Ｌａ、すなわち直線偏光されたＰ偏光の第１の加工用レーザ光Ｌａの偏光方向を９０度回転し、この加工用レーザ光Ｌａを、直線偏光されたＳ偏光のレーザ光に変換する。ベントミラー３３は、光軸Ａ１に対して４５度の角度で傾斜する面に配置され、Ｓ偏光に変換された第１の加工用レーザ光Ｌａを、光軸Ａ１と直交する光軸Ａ２に沿った方向に反射する。

副偏向手段３４は、一対の副偏向ガルバノミラー３５、３６と、これらに対する一対の副偏向ガルバノスキャナ３７、３８を含む。一対の副偏向ガルバノミラー３５、３６は、その反射面で第２の加工用レーザ光Ｌｂを反射し、副偏向ガルバノスキャナ３７、３８により、小角度で偏向するもので、加工用レーザ光Ｌｂを加工ワーク１２上において、小角度、例えば、±１度の範囲で偏向する。第２の加工用レーザＬｂのこの小角度の偏向は、加工ワーク１２上では、例えば数ミリメータの間隔に相当する。副偏向ガルバノミラー３５は、加工用レーザ光Ｌｂを加工ワーク１１のＸ軸方向に偏向し、また副偏向ガルバノミラー３６は、加工用レーザ光Ｌｂを加工ワーク１１のＹ軸方向に偏向する。

加工用レーザ光Ｌｂは、分光手段３１から先ず副偏向ガルバノミラー３５の反射面にほぼ４５度の入射角で入射され、その後、副偏向ガルバノミラー３６の反射面にほぼ４５度の入射角で入射される。副偏向ガルバノスキャナ３７は、副偏向ガルバノミラー３５を駆動し、加工用レーザ光Ｌｂを小角度の範囲で、加工ワーク１２のＸ軸方向に偏向する。副偏向ガルバノスキャナ３８は、副偏向ガルバノミラー３６を駆動し、加工用レーザ光Ｌｂを小角度の範囲で、加工ワーク１２のＹ軸方向に偏向する。加工用レーザ光Ｌｂは、一対の副偏向ガルバノミラー３５、３６で小角度の偏向を受けた後、副偏向ガルバノミラー３６から光路Ａ４に沿って出射される。光路Ａ４は、光軸Ａ２にほぼ直交するが、加工用レーザ光Ｌｂは、各副偏向ガルバノミラー３５、３６の偏向を受けて、その光軸が小角度の範囲で変化する。

加工用レーザ統合部４０は、偏向ビームスプリッタ４１と、主偏向手段４２と、集光レンズ４７を含み、第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを統合して、加工ワーク１２上に照射する。偏向ビームスプリッタ４１は、光軸Ａ２と光路Ａ４との交差部に設置される。この偏向ビームスプリッタ４１には、ベントミラー３３から第１の加工用レーザ光Ｌａが入射され、また副偏向ガルバノミラー３６から第２の加工用レーザ光Ｌｂが入射される。この偏向ビームスプリッタ４１は、第１の加工用レーザ光Ｌａを、光軸Ａ２と直交する光軸Ａ５の方向に反射するとともに、第２の加工用レーザ光Ｌｂを、光路Ａ４の延長方向に通過させ、結果として、これらの加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを、ともに主偏向手段４２へ向けて出射する。光路Ａ４は、光軸Ａ５とほぼ平行となる。

主偏向手段４２は、一対の主偏向ガルバノミラー４３、４４と、これらに対する一対の主ガルバノスキャナ４５、４６を含む。一対の主偏向ガルバノミラー４３、４４は、それぞれの反射面で、第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを反射し、それらをそれぞれ大角度で偏向するもので、第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを加工ワーク１２上において、大角度、例えば±１０度の角度範囲で偏向する。主偏向ガルバノミラー４３は、各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを、加工ワーク１１のＹ軸方向に大角度で偏向し、また主偏向ガルバノミラー４４は、各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを、加工ワーク１１のＸ軸方向に大角度で偏向する。

第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂは、偏向ビームスプリッタ４１から先ず主偏向ガルバノミラー４３の反射面にほぼ４５度の入射角で入射され、その後、主偏向ガルバノミラー４４の反射面にほぼ４５度の入射角で入射される。主偏向ガルバノスキャナ４５は、主偏向ガルバノミラー４３を駆動し、各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを大角度の範囲で、加工ワーク１２のＹ軸方向に偏向する。主偏向ガルバノスキャナ４６は、主偏向ガルバノミラー４４を駆動し、各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを大角度の範囲で、加工ワーク１２のＸ軸方向に偏向する。

第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂは、集光レンズ４７を通り、この集光レンズ４７から加工ワーク１２に照射される。加工用レーザ光Ｌａは、加工ワーク１２にほぼ垂直な光路Ａ６に沿って加工ワーク１２に照射される。加工用レーザ光Ｌｂは、光路Ａ６とほぼ平行な光路Ａ７から加工ワーク１２に照射される。光路Ａ６、Ａ７は、主偏向ガルバノミラー４３、４４の偏向によって、その光軸が変化する。集光レンズ４７は、ｆθレンズであり、各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂをともに屈折させ、加工ワーク１２上に集光させる。各加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂは、集光レンズ４７から加工ワーク１２に同時に照射され、加工ワーク１２に同時に加工を行なう。

第１の加工用レーザ光Ｌａは、副偏向手段３４による小角度の偏向を受けず、主偏向手段４２による大角度の偏向だけを受けて、加工ワーク１２上に照射される。第２の加工用レーザ光Ｌｂは、副偏向手段３４による小角度の偏向と、主偏向手段４２による大角度の偏向とを受けて、加工ワーク１２上に照射される。言い換えれば、第２の加工用レーザ光Ｌｂには、第１の加工用レーザ光Ｌａに比較し、副偏向手段３４による小角度の偏向が加わっており、この結果、第２の加工用レーザ光Ｌｂは、第１の加工用レーザ光Ｌａから小角度さらに偏向された位置において加工ワーク１２上に照射され、小角度に偏向に基づき、第１の加工用レーザ光Ｌａから、例えば数ミリメータだけ離れた位置に照射され、加工用レーザ光Ｌａと同時に、加工ワーク１２を加工する。第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、ｌｂは、例えば隣接する２つの加工穴を同時に加工する。

ここで、主偏向ガルバノミラー４４は、その反射面に、直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する、円偏光ミラーの特性を持つコーティング４４ａを有する。この主偏向ガルバノミラー４４には、Ｓ偏光に直線偏光された加工用レーザ光Ｌａと、Ｐ偏光に直線偏光された加工用レーザ光Ｌｂが、ともに入射され、その反射面で反射される。主偏向ガルバノミラー４４のコーティング４４ａは、これらの直線偏光の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを、ともに円偏光に変換する。

コーティング４４ａは、例えばＺｎＳとＴｈＦ_４を用いた８層誘電体多層膜で構成される。具体的には、このＺｎＳとＴｈＦ_４からなる８層誘電体多層膜のコーティングは、空気と接する厚さ０．９５±０．１μｍのＺｎＳからなる第１層、厚さ１．５７±０．１μｍのＴｈＦ_４からなる第２層、厚さ１．１０±０．１μｍのＺｎＳからなる第３層、厚さ１．０４±０．１μｍのＴｈＦ_４からなる第４層、厚さ１．４３±０．１μｍのＺｎＳからなる第５層、厚さ１．８０±０．１μｍのＴｈＦ_４からなる第６層、厚さ１．８０±０．１μｍのＺｎＳからなる第７層，および厚さ１．５４±０．１μｍのＴｈＦ_４からなる第８層から構成され、これらの第１〜第８層からなるコーティング４４ａがミラー材料層の上に積層される。第８層は、ミラー材料層に接しており、その上に第７〜第１層が順次積層され、第１層は空気と接しており、この第１層の表面に、加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂがほぼ４５度の入射角で入射する。

コーティング４４ａは、また、ＺｎＳとＴｈＦ_４に代わって、ＧｅとＺｎＳを用いた８層誘電体多層膜で構成することもできる。このＧｅとＺｎＳからなる８層の誘電体多層膜は、具体的には、空気と接する厚さ０．４７±０．０５μｍのＧｅからなる第１層、厚さ０．８９±０．１μｍのＺｎＳからなる第２層、厚さ０．４８±０．０５μｍのＧｅからなる第３層、厚さ０．６５±０．１μｍのＺｎＳからなる第４層、厚さ０．６４±０．１μｍのＧｅからなる第５層、厚さ１．０７±０．１μｍのＺｎＳからなる第６層、厚さ０．６５±０．１μｍのＧｅからなる第７層、および厚さ１．１９±０．１μｍのＺｎＳからなる第８層で構成され、このコーティングが、ミラー材料層の上に積層される。第８層は、ミラー材料層上に接し、その上に第７〜第１層が順次積層され、第１層は空気と接しており、この第１層の表面に加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂがほぼ４５度の入射角で入射する。

次に、この実施の形態１のレーザ加工装置において、加工用レーザ光Ｌの動作について説明する。レーザ発振器２１から出射された直線偏光（Ｐ偏光）の加工用レーザ光Ｌは、コリメートレンズ２２により発散角を調整され、さらに、絞り手段２３により加工ワーク２０上での狙いビームスポット径に応じてビーム径が設定される。その後、分光手段３１により、強度比が１：１の第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂに分光され、第１の加工用レーザ光Ｌａは、位相板３２により偏光方向が９０度回転され、Ｓ偏光となる。Ｓ偏光となった第１の加工用レーザ光Ｌａは、偏向ビームスプリッタ４１、主偏向ガルバノミラー４３で反射され、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー４４により、Ｓ偏光(直線偏光)から円偏光のレーザ光に変換され、加工ワーク上２０に照射される。

一方、分光手段３１で分光された第２の加工用レーザ光Ｌｂは、Ｐ偏光のままで副偏向ガルバノミラー３５に入射し、偏向ビームスプリッタ４１を透過して、主偏向ガルバノミラー４３で反射され、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー４４により、Ｐ偏光（直線偏光）から円偏光のレーザ光に変換され、加工ワーク１２上に、加工用レーザ光Ｌａとは異なる位置に照射される。加工用レーザ光Ｌａの加工ワーク１２上への照射位置に対する加工用レーザ光Ｌｂの相対的な照射位置は、副偏向ガルバノスキャナ３７、３８により決定される。

ここで、円偏光ミラーの特性を持つ主偏向ガルバノミラー４４によって、直線偏光から円偏光に変換された第１、第２のレーザ光Ｌａ、Ｌｂは、完全な円偏光ではなく、その円偏光率が６０％程度の楕円偏光となっている。

一般的に直線偏光のレーザ光を正確な円偏光に変換する場合には、図２に示すように、円偏光ミラー１の反射面に対し、直線偏光のレーザ光を４５度の入射角で入射させ、この入射したレーザ光を９０度折り曲げて反射させるという手段が用いられ、入射する直線偏光の入射角が４５度からずれると完全な円偏光が得られず、厚鋼板のレーザ切断などの加工では、円偏光率が少なくとも９０％以上でないと加工溝が傾くなどの現象が生じ、高精度な加工ができなかった。

しかし、発明者は、実験により図3に示すように、例えばプリント基板などの銅箔、樹脂への穴あけ加工において、円偏光率が３０％以上であれば、真円度９０％以上の加工穴が得られることを確認した。図３は、実施の形態１において、プリント基板などの銅箔、樹脂への穴あけ加工を行う場合に、その円偏光率と加工穴真円度との関係を示す実験データである。図３の横軸は円偏光率（％）を、また、その縦軸は加工穴真円度（％）を示す。実施の形態１では、主偏向ガルバノミラー４４を円偏光ミラーとし、ビーム位置決めのためビーム入射角が４５度から±１０度程度ずれても、円偏光率は３０％以上を十分確保できるため、ビームスキャンしても真円度９０％以上の加工穴を得ることができた。

このように実施の形態１では、円偏光ミラーの特性を持つコーティング４４ａを反射面に形成した主偏向ガルバノミラー４４を有するレーザ加工装置とし、加工ワーク１２に入射する第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを円偏光とすることで、真円度の高い加工穴が得ることができる。例えば、従来の直線偏光の加工用レーザ光では約８３％の真円度しか得られなかった銅箔貫通加工の加工穴において、約９２％の真円度の加工穴を得ることが可能となった。また実施の形態１のレーザ加工装置では、特別な光学系を用いることなく、主偏向ガルバノミラー４４の反射面にコーティング４４ａを形成するだけで、直線偏光の第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂを円偏光のレーザ光に変換することができるので、装置の大型化を防止し、低価格で高性能のレーザ加工装置を提供できるという効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１では、主偏向ガルバノミラー４４の反射面に円偏光ミラーの特性を持つコーティング４４ａを形成したが、実施の形態２は、これに代わって、主偏向ガルバノミラー４３の反射面に円偏光ミラーの特性を持つコーティングを形成するものである。このコーティングは、実施の形態１のコーティング４４ａと同じ材料で構成される。実施の形態２は、その他は実施の形態１と同じに構成される。

この実施の形態２でも、第１、第２の加工用レーザ光Ｌａ、Ｌｂは、直線偏光から円偏光に変換されるため、実施の形態１と同様に、高い真円度の加工を行なうことができる。なお、実施の形態２において、主偏向ガルバノミラー４３に前記コーティングを形成するのに加え、さらに、主偏向ガルバノミラー４４に、実施の形態１と同じコーティング４４ａを形成してもよい。

この発明によるレーザ加工装置の実施の形態１を示す全体構成図である。 レーザ光を直線偏光から円偏光へ変換する一般的な構成の説明図である。 実施の形態１において、加工用レーザ光の円偏光率と加工穴の真円度の関係を示した実験データである。

符号の説明

Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７：光軸、Ｌ、Ｌａ、Ｌｂ：レーザ光、
１：円偏光ミラー、１０：加工部、１１：ＸＹステージ、１２：加工ワーク、
２０：レーザ光生成部、２１：レーザ発振器、２２：コリメートレンズ、
２３：絞り手段、３１：分光手段、３２：位相板、３３：ベントミラー、
３４：副偏向手段、３５、３６：副偏向ガルバノミラー、
３７、３８：副偏向ガルバノスキャナ、４０：レーザ統合部、
４１：偏向ビームスプリッタ、４２：主偏向手段、
４３．４４：主偏向ガルバノミラー、４４ａ：コーティング。

Claims (3)

1. 直線偏光の加工用レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記加工用レーザ光を偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された前記加工用レーザ光を加工ワーク上で集光する集光レンズを備え、前記偏向ミラーには、前記直線偏光された前記加工用レーザ光が入射され、この直線偏光された加工用レーザ光を円偏光に変換するコーティングが形成されたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、さらに、前記レーザ発振器から出力された前記加工用レーザ光を第１、第２の加工用レーザ光に分光する分光手段を備え、前記偏向ミラーには、前記第１、第２の加工用レーザ光がともに入射され、それらをともに偏向するように構成されたことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置であって、前記第１、第２の加工用レーザ光は、それらの偏光方向が互いに直交するものとされ、前記偏向ミラーに入射されることを特徴とするレーザ加工装置。

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