專利名稱：激光加工系統(tǒng)及激光加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對被加工物進(jìn)行通孔、盲孔等開孔或溝加工、外形切割等的激光加工系統(tǒng)及激光加工方法，特別涉及加工品質(zhì)的提高和生產(chǎn)率的提高方面。
背景技術(shù)：
印刷電路基板是將多片設(shè)置導(dǎo)體層的絕緣基材作多層層疊貼合而成的。
而且，設(shè)置于各絕緣基體上的導(dǎo)體層在其上下方向的任意導(dǎo)體層之間經(jīng)由稱之為通孔、盲孔的導(dǎo)通孔作電連接。
圖14為說明這種已有的多層印刷電路基板用的剖面圖，圖中，1為印刷電路基板，11a、11b為絕緣基材，12a～12c為導(dǎo)體層，13為金屬電鍍層，14a為導(dǎo)通絕緣基板11a的導(dǎo)體層12a與導(dǎo)體層12b之間的導(dǎo)通孔，14b為導(dǎo)通絕緣基材11a的導(dǎo)電層12a與通過絕緣基材11b層疊貼的導(dǎo)體層12c之間的導(dǎo)通孔。
導(dǎo)通孔14a一般稱為盲孔(Blind Via Hole)，導(dǎo)通孔14b一般稱為通孔(Through Hole)。
具有如圖14所示的導(dǎo)通孔14a、14b的印刷電路基板，隨著電子設(shè)備的高性能化，要求印刷電路基板多層化、小型化(高密度化)，為滿足這種要求，提出利用激光束加工圖14所示的導(dǎo)通孔14a、14b的方法而且有了進(jìn)步。
圖15為說明用激光束對印刷電路基板進(jìn)行通孔和盲孔的開孔的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖中，1是作為加工對象物的印刷電路基板，2為激光振蕩器，3為光學(xué)系統(tǒng)，4為加工臺，5為控制系統(tǒng)整體的控制裝置，各部份設(shè)備間用電纜相連。6、7為激光束，9為激光照射圖形之一例，激光照射圖形9上的Pi為激光束的峰值功率，Wi為脈沖寬度(光束照射時間)，Ti為光束照射休止時間。
以下說明實際加工動作。
利用光學(xué)系統(tǒng)3使激光振蕩器2輸出的激光束6形成光束，傳送并照射加工對象物即印刷電路基板1。
這時，激光束以如圖15所示的9那樣的脈沖激光照射圖形，對各孔照射多個激光脈沖。照射的激光光束利用熱量熔化印刷電路基板1并將其除去，結(jié)果在印刷線路板上形成孔。
圖16示出如此加工成的印刷電路基板的剖面圖的一個例子。
圖16中，15a為加工上部孔徑，15b為加工中部孔徑，15c為加工下部孔徑，16為加工深度，17為加工樹脂殘留物，18為內(nèi)表面銅箔損傷，其余與圖14相同的部分標(biāo)注相同的符號，并省略其說明。
在用激光束加工時，為確保加工品質(zhì)，通常必須注意圖16中的加工孔徑15a～15c、加工深度16、加工缺陷7、18等，控制光束直徑、光束能量(峰值功率×脈沖寬度)以及光束照射休止時間，特別是光束能量，由于對材質(zhì)和材料構(gòu)成的損傷和變形、等離子體發(fā)生等有影響，因此是重要控制參數(shù)。
假設(shè)第i發(fā)的激光光束能量為Ei，激光振蕩器出口的峰值功率為Pi，光學(xué)系統(tǒng)控制的激光振蕩器出口的峰值功率的傳輸率為αi(以下稱作光束傳輸率)，光束脈沖寬度為Wi，對1個孔照射的發(fā)(shot)數(shù)為S，那末對每1個孔照射的光束能量Et通常以式1表示Et=Σi=1nEi=Σi=1n[(αi×Pi)×Wi]]]>…式1通過控制光束傳輸率αi、峰值功率Pi、Wi，可控制光束能量Et。
這里，光束傳輸率αi由已有的激光加工系統(tǒng)中在光學(xué)系統(tǒng)3在形成光束模式時發(fā)生的損耗和光學(xué)部件等的吸收引起的損耗決定。
作為使該αi變化的方法，有例如圖17所示那樣的將由掩模31、準(zhǔn)直透鏡32構(gòu)成的對象物加進(jìn)到光學(xué)系統(tǒng)3的方法。
圖17中，以光束直徑Di傳播的光由準(zhǔn)直透鏡32聚光，由掩模31實施光束模式的成形(作成加工點需要的光束模式)。
這時的輸入光束模式體積與輸出光束模式體積之差是在使所述光束模式成形時發(fā)生的損耗。
該損耗由掩模31的直徑D、準(zhǔn)直透鏡32的焦距f，以及掩模直徑D與準(zhǔn)直透鏡32離開掩模31的距離L決定。
例如掩模直徑D大、焦距f與距離L大致相等時，幾乎無損耗，輸出光束模式體積與輸入光束模式體積大致相等，光束傳輸率αi增大。
反之，掩模直徑D小、焦距f長、距離L短時，大部分為損耗，相對于輸入模式體積，輸出光束模式體積變得非常小，光束傳輸率αi變小。
已有的加工系統(tǒng)中，D、f、L三個參數(shù)中掩模直徑D為加工點所要求的光束直徑，即由加工孔徑所決定，焦距f是固定的，距離L是可機械地移動的，因此為使αi變化就須移動距離L。
但是，改變距離L由伺服電動機進(jìn)行，故為了改變而需要幾百ms以上的時間。
此外，峰值功率Pi是固定或者假定可變也是相對于額定值±20％程度，且為使其改變必須要有幾百ms以上的時間。
以下用圖18的二氧化碳激光振蕩器的示意圖加以說明。圖中，21為殼體，22為加入了激光介質(zhì)即CO2的混合氣，23為部分反射鏡，27為全反射鏡，28為規(guī)定激光振蕩模式的孔徑，29為激光束光軸，6為輸出的激光束。
圖18所示構(gòu)成的二氧化碳激光振蕩器中，通過加上交流電源23來的電壓，在電極24之間形成激勵放電25，CO2氣體被激勵到上位能級。這時的放電激起的粒子密度稱為放電功率密度。在部分反射鏡26與全反射鏡27構(gòu)成的諧振器內(nèi)部，利用感應(yīng)放射，該激起的CO2放大激光，以激光束軸29為中心輸出激光束6。
這里，在二氧化碳激光器的氣體激光器的情況下，諧振器損耗為一定時，激光束的峰值功率通常與放電功率密度大致成正比。該放電功率密度大致正比于交流電源23加到電極24的功率。因此，為改變放電功率密度，已有的激光振蕩器控制電極間所加的電壓。當(dāng)電壓過高時，對電源的負(fù)荷加大，會招致電源故障或電極的損壞。又若電壓過低時，就不放電，結(jié)果就成為不能輸出激光束的狀態(tài)。因此改變電壓的范圍，一般限于相對于額定值±20％的程度，與之相應(yīng)，激光束的峰值功率也只能改變±20％的程度。又，由于使電壓改變的應(yīng)答速度慢，為穩(wěn)定放電，必須幾百ms以上的時間，故對每個脈沖(在脈沖激光振蕩器的最大振蕩頻率以下的范圍，瞬時地)改變峰值功率的情況下，不可能得到穩(wěn)定的光束能量。
此外，輸出激光的激光脈沖時間寬度Wi(以下稱作脈沖寬度)大致等于激勵的放電的放電時間寬度(以下稱放電寬度)減去激光振蕩延遲得到的時間寬度。其理由是，激勵放電開始時放電能量(放電功率密度×?xí)r間)低于激光器振蕩閥值，不輸出激光，因此激光振蕩開始時間比激勵放電開始時間遲。(當(dāng)然這種延遲因諧振器構(gòu)成、氣體組成而不同。)另外，通過對放電寬度、具體地說，提供投入電力的時間寬度進(jìn)行控制，能自由改變激光脈沖寬度，這是能夠瞬時(在脈沖激光振蕩器的最大振蕩頻率以下的范圍)切換的控制參數(shù)。但是，投入功率存在決定于負(fù)荷的限制，脈沖寬度存在上限。
如上所述，在已有的激光加工系統(tǒng)中，由于峰值功率的變動困難，故光束能量利用基于光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率αi與光束脈沖寬度Wi來控制，特別在瞬時地作條件切換時，光束脈沖寬度Wi是唯一的控制參數(shù)。
以下對激光照射圖形加以說明。
激光照射圖形可大致分為兩類，即在將光束照射位置定位于圖19所示那種開孔位置之后，僅以該孔形成所必須的發(fā)數(shù)S連續(xù)地照射激光脈沖的加工即脈沖群加工；以及如圖20所示那樣，孔數(shù)n、孔形成所必須的發(fā)數(shù)S時，將光束照射位置定位于開孔位置，重復(fù)進(jìn)行n×s次照射1發(fā)激光脈沖的動作的加工即循環(huán)加工。
脈沖群加式，設(shè)從各孔中的第k發(fā)到第(k+1)發(fā)所需的激光振蕩時間為Tok(脈沖群加工中相當(dāng)于光束照射休止時間)，第s發(fā)的脈沖寬度為Ws，從第(j-1)到第j個孔的定位時間為Tgj時，則n個開孔所需要的加工時間Tb如式2所示Tb=n×(ΣK=1s-1Tok+Ws)+Σj=1nTgj]]>…式2通常因Ws＜＜∑Tok，故有 …式3假設(shè)Tok的平均值記為To，Tgj的平均值記為Tg，則Tb的平均值Tba為Tban×{(s-1)×To+Tg}…式4因此，加工時間由激光器振蕩時間To、發(fā)數(shù)s以及定位時間Ts所決定。
另一方面，循環(huán)加工中設(shè)對各孔的第i發(fā)的脈沖寬度為Wi，從第(j-1)到第j個孔的定位時間為Tgij時，則n個孔所需要的加工時間Tc如式5所示Tc=n×Σi=1sWi+Σi=1sΣj=1nTgij]]>…式5通常因Wj＜＜Tgij，故有 …式6
設(shè)Tgij的平均值為Tg，則Tc的平均值Tca為Tcan×s×Tg…式7因此，循環(huán)加工中加工時間由發(fā)數(shù)s與定位時間Tg所決定。
這里，說明循環(huán)加工與脈沖群加的不同點。循環(huán)加工中，各孔的光束照射休止時間Tqc可以取得長，對加工孔周邊的熱影響減低，可提高加工品質(zhì)。
相反，脈沖群加工的情況下，各孔以激光器振蕩時間To加工，光束照射休止時間Tqb短于Tqc(Tqc＞＞Tqb)，容易產(chǎn)生對加工孔周邊的熱影響。至于加工時間，如果考慮式4與式7中通常Tg＞To，則Tca-Tba＝n×(s-1)×(Tg-To)＞0…式8因此脈沖群加工與循環(huán)加工相比，加工時間短，生產(chǎn)率高。
在上述已有的激光加工系統(tǒng)中，利用掩模直徑控制光束直徑，利用放電功率密度與放電寬度以及上述的光學(xué)系統(tǒng)等控制光束能量，利用脈群加工與循環(huán)加工的選擇或脈沖群加工時的激光振蕩頻率控制光束照射休止時間，從而確保加工品質(zhì)與生產(chǎn)率。
另外，特開平4-41091號公報揭示了加工兩種材質(zhì)的激光加工，具有如圖21所示的峰值功率的激光輸出，貫通加工印刷電路基板1的表面銅箱14，再加工絕緣樹脂15直至內(nèi)表面銅箔16。
通常銅箔較難加工，故有必要加大照射的光束能量。另一方面，由于銅箔的光反射率高，故若長時間照射峰值功率高的激光束，就會發(fā)生等離子體，該等離子體招致激光能量的吸收。此外，銅箔具有熱導(dǎo)率大、易熱易冷的性質(zhì)。因此，一般認(rèn)為，為使銅箔貫通，適宜用短時間照射大光束能量的方法，即照射高峰值功率且短脈沖寬度的激光束(圖21中S1)的方法。
另外，加工絕緣樹脂比上述銅箔來得容易，故即使是小的能量也可加工，但通常由于印刷基板所用的絕緣樹脂厚度比銅箔厚，故有必要加大加工全部樹脂用的總能量。
然而，若如上述銅箔那樣短時間照射大光束能量(增大峰值功率)，則熱導(dǎo)率小的絕緣樹脂不能在深度方向上傳導(dǎo)熱能，而在橫方向上能量被傳開，得不到目的要求的加工深度，結(jié)果發(fā)生如圖24那樣樹脂殘留17和內(nèi)部膨脹19。因此一般認(rèn)為，為貫通絕緣樹脂，照射幾發(fā)(圖21中S2～S6)低峰值功率的激光束是合適的。
通過選定如上所述照射激光脈沖的各種條件，能夠不使加工品質(zhì)劣化，實施表層銅箔12a的貫通加工與直至絕緣樹脂11的內(nèi)表面銅箔12b的貫通加工，這已廣為人知。
但是，實際加工中如果使用已有的激光加工系統(tǒng)時，會受到如下所述的限制。
第一，已有的激光加工系統(tǒng)中，缺乏如上所述那樣大幅度改變峰值功率的方法，特別是不能瞬時的(在激光振蕩器的最大振蕩頻率以下的范圍)改變。
第二，已有的脈沖激光振蕩器中，由于電源容量等的關(guān)系，輸出高峰值功率激光束的振蕩器不能輸出長脈沖寬度的激光束，反之，輸出長脈沖寬度的激光束的振蕩器不能輸出高峰值功率的激光束。
因此，已有的激光加工系統(tǒng)由于用圖22、23那樣的激光照射圖形進(jìn)行加工，故確保加工品質(zhì)與生產(chǎn)率兩者是困難的，要犧牲其中一個。
圖22示出在圖15的激光振蕩器2使用輸出高峰值功率且短脈沖寬度(1～15μs)的激光束的已有的激光振蕩器時的激光照射圖形和加工狀態(tài)。
如圖22中的S11所示，以高峰值功率且短脈沖寬度的激光束作為第1發(fā)照射，使表面銅箔12a貫通。
為加工絕緣樹脂11a，降低峰值功率，照射4發(fā)激光束S12～S15。此外，以除去殘留樹脂的目的發(fā)射稍加增加降值功率的激光束作為第6發(fā)。
通過基于圖22的加工，可得到某種程度的加工品質(zhì)。然而，要想如上述那樣大幅度降低第2發(fā)以后的峰值功率，利用上述的光學(xué)系統(tǒng)，由于不能瞬時地改變，故不能實現(xiàn)脈沖群加工。因此必須作生產(chǎn)率低的循環(huán)加工且增加發(fā)數(shù)地進(jìn)行加工，較大地降低了生產(chǎn)率。例如在孔數(shù)n＝10000個、考慮條件轉(zhuǎn)換所需要的時間的平均定位時間Tg＝0.001秒(1kHz)、發(fā)數(shù)s＝6發(fā)時，加工時間為60秒，與假設(shè)用相同發(fā)數(shù)進(jìn)行脈沖群加工(設(shè)To＝0.0005秒(2kHz))時的加工時間30秒相比，生產(chǎn)率為1/2。
圖23示出圖15的激光振蕩器2使用以已有的振蕩器輸出低峰值功率(圖22的振蕩器的1/4以下)且長脈沖寬度(如16～150μs)的激光束的振蕩器時的激光照射圖形和加工狀態(tài)。
如圖23中的S21所示，通過對第1發(fā)加長照射的激光束的脈沖寬度，加大光束能量，以求貫通表面銅箔12a，但與圖22的第1發(fā)相比，由于峰值功率為1/4以下，根據(jù)上述理由，未投入圖22所示的第1發(fā)的能量以上的光束能量時，貫通較難。然而，當(dāng)為提高光束能量而加長脈沖寬度到需要以上的程度時，就會發(fā)生等離子體引起的吸收，能量不能到達(dá)銅箔。因此，要想貫通表面銅箔12a，就有必要照射多發(fā)能量大的激光束(本例中假設(shè)用2發(fā)能夠使表面銅箔12a貫通)。第3發(fā)照射低峰值功率且長脈沖寬度的激光脈沖S23，使絕緣樹脂貫通到內(nèi)表面銅箔12b。第4發(fā)利用高于第3發(fā)的峰值率且較短脈沖寬度的激光脈沖S24除去樹脂殘留。
根據(jù)上面上述，雖能貫通加工表面銅箔12a及絕緣樹脂11a，但對銅箔而言由于能量過多，與圖22的例相比，使加工品質(zhì)劣化。此外，與圖22中說明時相同，由于不能瞬時變更峰值功率，不能作脈沖群加工，只能作循環(huán)加工。
如上所述，在加工以材質(zhì)完全不同的材料疊層制成的印刷電路基板時，用已有的激光加工系統(tǒng)難于兼顧加工品質(zhì)與生產(chǎn)率兩者。
此外，由于印刷電路基板的種類多種多樣，各加工內(nèi)容或為樹脂加工，成為銅箔與樹脂混合加工，各不相同，故用1臺激光加工系統(tǒng)實施全部加工是困難的，設(shè)備投資需要很大的經(jīng)費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供對各種材質(zhì)的印刷電路基板能不損害生產(chǎn)率地提高加工品質(zhì)的激光加工系統(tǒng)以及使用該裝置的激光加工方法。
為達(dá)到該目的，第1發(fā)明的激光加工系統(tǒng)，具備通過切換以規(guī)定頻率構(gòu)成的放電指令脈沖來改變投入電極間的放電功率，能夠使激光束的特性改變的脈沖激光振蕩器，以及將該激光振蕩器輸出的所述激光束導(dǎo)向被加工物的光學(xué)系統(tǒng)。
又，光學(xué)系統(tǒng)具有通過使激光振蕩器輸出的激光束透射，使所述激光束的峰值功率為可變的濾光構(gòu)件、以及切換能夠通過光束透射率不同的濾光構(gòu)件的合適路徑的開關(guān)手段。
又，具備在電極間引起激勵放電，振蕩輸出激光束的激光振蕩器，以及具有通過使所述激光振蕩器輸出的所述激光束，使所述激光束的峰值功率可變的濾光構(gòu)件，和切換能夠通過光束透射率不同的濾光構(gòu)件的合適路徑的開關(guān)手段，將激光束導(dǎo)向被加工物的光學(xué)系統(tǒng)。
又利用開關(guān)手段的通斷，切換能夠通過濾光構(gòu)件的路徑，同時控制脈沖振蕩的激光束的脈沖寬度。
又，本發(fā)明的激光加工方法，用通過切換以規(guī)定頻率構(gòu)成的放電指令脈沖來改變投入電極間的放電功率，使激光束的特性可變的脈沖激光振蕩器輸出的激光束進(jìn)行加工，其中，在激光振蕩器的最大振蕩頻率以下的范圍，根據(jù)被加工物的材質(zhì)、加工厚度等，對每個脈沖瞬時切換照射的多個激光脈沖的峰值功率和脈沖寬度以及光束照射休止時間這三個條件。
又，對于導(dǎo)體層的除去，用接近于激光振蕩器的最大峰值功率的輸出而且是1～15μs的短寬度的第1脈沖進(jìn)行加工；對于絕緣層的除去，用上述第1脈沖的約1/2～1/10峰值功率的輸出且是16～200μs的大寬度的第2脈沖進(jìn)行加工。
又，通過切換放電指令脈沖，在1個脈沖的激光輸出期間使峰值功率可變，用該脈沖輸出的激光束進(jìn)行加工。
又，用具有激光振蕩器的大致最大的峰值功率且1～15μs的短時間的第1區(qū)域、上述第1區(qū)域的大約1/2～1/10峰值功率且16～200μs的長時間的第2區(qū)域的1個脈沖的激光輸出進(jìn)行加工。


圖1為說明實施形態(tài)1的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖2示出實施形態(tài)1的激光加工系統(tǒng)中控制激光照射圖形的手段的狀態(tài)圖。
圖3示出利用實施形態(tài)1的激光加工系統(tǒng)的激光加工方法中所用的激光照射圖形示意圖。
圖4為說明利用圖3的激光照射圖形的激光加工狀態(tài)用的示意圖。
圖5為說明實施形態(tài)2的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖6示出由對象物引起的光束傳輸率變化的狀態(tài)圖。
圖7示出對象物的構(gòu)成的構(gòu)成圖。
圖8示出由對象物引起的光束傳輸率及脈沖寬度的變化的狀態(tài)圖。
圖9為說明實施形態(tài)2的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖10為說明實施形態(tài)3的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖11為說明實施形態(tài)4的激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖12為說明實施形態(tài)4的激光加工系統(tǒng)中控制激光照射圖形的手段用的示意圖。
圖13示出將實施形態(tài)4的激光加工系統(tǒng)用于脈沖群加工時的激光束的照射圖形示意圖。
圖14為說明一般印刷電路基板的開孔加工用的示意圖。
圖15為說明已有的印刷電路基板的開孔用激光加工系統(tǒng)用的示意圖。
圖16為說明激光開孔加工的加工質(zhì)量用的印刷電路基板的剖面圖。
圖17示出由掩模、準(zhǔn)直透鏡組成的目的物的構(gòu)成的構(gòu)成圖。
圖18為說明CO2激光振蕩器用的構(gòu)成圖。
圖19為說明作為已有的印刷電路基板的開孔激光加工方法的脈沖群加工用的激光照射圖形。
圖20為說明作為已有的印刷電路基板的開孔激光加工方法的循環(huán)加工用的激光照射圖形。
圖21是已有的激光照射圖形的示意圖與印刷電路基板的剖面圖。
圖22是已有的激光照射圖形的示意圖與印刷電路基板的剖面圖。
圖23是已有的激光照射圖形的示意圖與印刷電路基板的剖面圖。
圖24是表示以往的加工質(zhì)量的印刷電路基板的剖面圖。
具體實施例方式
實施形態(tài)1圖1、2涉及實施形態(tài)1，圖1為說明本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)用的示意圖，圖2為說明控制本發(fā)明的激光照射圖形的手段用的示意圖。
圖1中，6a、8a表示激光振蕩器2A輸出的激光束與激光照射圖形，7a、9a表示用光學(xué)系統(tǒng)3成形后的激光束與激光器射圖形，其余與圖15相同部分標(biāo)注相同符號并省略說明。
圖2中，41a、41b為放電指令脈沖群，42a、42b為放電功率脈沖群，43a。43b為放電能量，44a、44b為輸出的激光束能量。
又，fh、fl表示交流電源頻率，Iu、Id表示有效放電功率密度，Nu、Nd表示平均放電功率密度，Ds、Dl表示放電寬度，Pu、Pd表示峰值功率，Ws、Wl表示脈沖寬度，Ls、Ll表示激光振蕩延遲。
如在已有技術(shù)中所述，在CO2激光振蕩器那樣的氣體激光振蕩器中，為改變振蕩器輸出的激光束的峰值功率與脈沖寬度，在諧振器損耗為一定時，控制放電功率密度與放電寬度。由于放電功率密度與投入功率成正比，故在已有技術(shù)中通過改變對電極間的施加的電壓來改變放電功率密度。
本實施形態(tài)涉及的激光振蕩器，著眼于投入功率分為瞬時的實行功率與時間平均的平均功率，而且激光束的峰值功率由時間平均的平均功率支配，在電壓為一定(實行放電功率密度一定)的基礎(chǔ)上，通過控制每單位時間的放電功率脈沖數(shù)來控制平均放電功率密度，使激光束的峰值功率改變。換言之，根據(jù)印刷電路基板的被加工部分的材質(zhì)、材料構(gòu)成、加工厚度等，對每個脈沖瞬時改變照射的多個激光脈沖的峰值功率、脈沖寬度、以及光束照射休止時間這3個條件。
這里，在已有技術(shù)中由于放電功率脈沖數(shù)是一定的，故有效放電功率密度與平均放電功率密度是一對比例關(guān)系，利用電壓變化使有效放電功率密度改變，控制平均放電功率密度。
以下用圖2對動作進(jìn)行說明。
首先，當(dāng)以時間間隔1/fp提供放電指令脈沖時，與其同步地從交流電源向電極間投入放電功率脈沖(步驟fp)。該放電功率脈沖的高度為瞬間的有效放電功率密度I，作時間平均后為平均放電功率密度N。
如果加到電極間的電壓一定，則有效放電功率密度為一定，每單位時間投入的放電功率脈沖數(shù)m越多，平均放電功率密度越高，激光束的峰值功率越高。
例如，當(dāng)以短時間間隔(1/fh)提供放電指令脈沖時，與其同步，交流電源以高頻率fh投入放電功率脈沖(每單位時間投入的放電功率脈沖數(shù)增多)，平均放電功率密度Nu增高，輸出高峰值功率Pn的激光束。
反之，在以長時間間隔(1/fl)提供放電指令脈沖時，與其同步，交流電源以低頻fl投入放電功率脈沖(每單位時間投入的放電功率脈沖數(shù)減少)，平均放電功率密度Nd減低，輸出低峰值功率Pd的激光束。
如上所述，通過改變向電極投入功率的時間，使激光束的脈沖寬度改變。
該功率的投入時間寬度D用下式表示D＝(1/fp)×m…式9因此，通過上述放電指令脈沖間隔1/fp與放電功率脈沖數(shù)m的控制，可得到任意的脈沖寬度。
如上所述，本實施形態(tài)中以調(diào)制交流電源頻率得到激光束的峰值功率，通過改變投入功率的時間并控制激光束的脈沖寬度得到任意激光脈沖。
具體地說，通過控制提供放電指令脈沖的時間間隔與放電指令脈沖數(shù)，得到任意的激光脈沖。
又，根據(jù)本發(fā)明，在高峰值功率時采用較短脈沖寬度，在長脈沖寬度時采用較低峰值功率，從而在一定電源負(fù)荷范圍內(nèi)具有擴展脈沖波形的選擇范圍的效果。
利用上述控制對每個激光脈沖任意改變峰值功率與脈沖寬度，得到任意的激光照射圖形8a，通過光學(xué)系統(tǒng)對所得到的激光照射圖形進(jìn)行光束成形，作為激光照射圖形9a傳送到加工對象物即印刷電路基板1進(jìn)行加工。
以下說明用上述激光加工系統(tǒng)的脈沖群加工方法。
作為例子，下面說明加工與圖21相同的印刷基板即由第1層表面銅箔12a、第2層絕緣樹脂11a、第3層內(nèi)表面銅箔12b構(gòu)成的印刷電路基板的情況。
圖3是表示激光束的照射圖形的示意圖，圖4為說明此時的加工狀況用的示意圖。
圖3中，S31～S33是各孔的第1～第3發(fā)的激光束，各面積表示光束能量。P為峰值功率，W為脈沖寬度，To為激光振蕩時間，Tg為定位時間。
圖4中，12a為表面銅箔，11a為絕緣樹脂，12b為內(nèi)表面銅箔，20a預(yù)定加工位置，14a為加工后的盲孔，S31～S33各為第1～3發(fā)激光脈沖波形，a1～a3各為由第1～3發(fā)照射激光束加工的被加工部。
本實施形態(tài)使用圖3所示的激光照射圖形，根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)和材料構(gòu)成、加工厚度等，通過對每個脈沖瞬時切換激光束的峰值功率、脈沖寬度以及光束照射休止時間這些條件，同時用脈沖群加工方法，測定加工時間的縮短。
下面以在已有技術(shù)中說明過的材料與激光束的關(guān)系為前提，用圖3、圖4說明本實施形態(tài)的激光加工方法。
首先，照射第1發(fā)的激光束S31，作為加工第1層銅箔12a用的激光脈沖，為穩(wěn)定地貫通能夠滿足銅箔去除條件的第1層銅箔，照射高峰值功率(1～3kW左右)且短脈沖寬度(1～15μs)的激光脈沖。
接著，照射第2發(fā)的激光束S32，作為加工第2層絕緣樹脂11a用的激光脈沖，為滿足絕緣樹脂去除條件且提高生產(chǎn)率，照射低峰值功率(0.05～0.5kW左右)且長脈沖寬度(80～200μs)的激光脈沖。
該激光脈沖與圖21不同，采用第1發(fā)激光脈沖的1/6以下的低峰值功率且為其5倍以上的長脈沖寬度的激光脈沖，因此在圖21中為貫通絕緣樹脂必須照射多發(fā)激光光束，但采用本發(fā)明只要照射1發(fā)就可。即，以極端降低峰值功率來抑制能量在徑向上的擴展，以加長脈沖寬度來在深度方向注入能量，從而能用1發(fā)貫通絕緣樹脂而使加工孔徑保持不變。結(jié)果，由于確保加工品質(zhì)不變地減少發(fā)數(shù)，省去不必要的光束照射休止時間，因此生產(chǎn)率得到提高。
接著，照射第3發(fā)的激光束S33，作為加工第2發(fā)激光束S32未除干凈的絕緣脂11a用的激光脈沖，若照射大能量會招致內(nèi)層銅箔損傷，故照射能量E3低些為好，又，為了抑制樹脂殘留，峰值功率應(yīng)比第2發(fā)高一些，因此照射比第2發(fā)稍高的峰值功率(0.1～1kW左右)且短脈沖寬度(1～30μs左右)的激光脈沖。
如上所述，本實施形態(tài)中，在上述印刷電路基板的情況下，利用3發(fā)的激光束照射能確保良好的加工品質(zhì)，同時可減低發(fā)數(shù)。
綜上所述，本實施形態(tài)中，根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)和材料構(gòu)成，對每個脈沖將激光束的峰值功率與脈沖寬度在脈沖激光振蕩器的振蕩頻率以下的范圍最佳化，瞬時改變峰值功率，以脈沖群加工實施例如圖3的激光照射圖形，以獲得加工品質(zhì)與生產(chǎn)率兩方面都提高的效果。
例如，孔數(shù)n＝10000個，考慮條件切換所必要的時間的平均定位時間To＝0.0005秒(2kHz)，發(fā)數(shù)s＝3發(fā)的情況下，加工時間為15秒，與用圖20的激光照射圖形的循環(huán)加工相比，縮短為45秒。這在想要對利用不同材質(zhì)疊層加工成的印刷電路基板進(jìn)行高密度開孔加工時，特別能發(fā)揮其效果。
又，上面對盲孔加工作了說明，但使用于通孔加工時也同樣，通過將激光束的峰值功率、脈沖寬度與來照射休止時間根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)、材料構(gòu)成在脈沖振蕩器的振蕩頻率以下的范圍對每個脈沖使其最佳化，從而具有提高加工品質(zhì)與生產(chǎn)率的效果。
又，上面雖就脈沖群加工作出說明，但當(dāng)然也可適用于循環(huán)加工，與脈沖群加工相比，生產(chǎn)效率在某種程度上偏低，但具有能夠更穩(wěn)定地得到良好的加工品質(zhì)的效果。
又可使用于一并使用脈沖群加工與循環(huán)加工的加工方法。即，不僅著眼于光束照射休止時間，根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)和材料構(gòu)成，使激光脈沖的峰值功率與脈沖寬度最佳化，而且作為大幅度改變來照射休止時間的手段，分開使用脈沖群加工與循環(huán)加工，從而具有不但能穩(wěn)定地獲得良好的加工品質(zhì)，而且能夠提高生產(chǎn)率的效果。
又，通過使用本發(fā)明的印刷電路基板的激光加工系統(tǒng)，能用1臺激光加工系統(tǒng)實施多種印刷電路基板的加工。
實施形態(tài)2上述實施形態(tài)1對于通過改變平均放電功率與放電寬度來改變激光束的峰值功率與脈沖寬度的情況作出說明，但也可以改變光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率。因此，本實施形態(tài)著眼于光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率。
圖5、圖6、圖7、圖8都與實施形態(tài)2有關(guān)，圖5為說明本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)用的示意圖，圖6為說明控制激光照射圖形的手段用的示意圖，圖7示出作為控制激光照射圖形的手段使用的對象物之一例的示意圖，圖8為對象物的動作圖。
圖6中，45a、45b是由光學(xué)系統(tǒng)成形后的激光束能量。
圖7、圖8中，33為可隨時改變激光束傳輸率的控制單元即對象物，34是用來適當(dāng)變更入射到對象物33的激光束6b的路徑的光學(xué)高速開關(guān)元件，35為能改變?nèi)肷涞募す獾募す夥逯倒β实墓馐鴤鬏斅?光束透射率)各不相同的半反射鏡，36為用來吸收半反射鏡35反射的激光的阻尼器。又，為說明方便，用開關(guān)元件34a、34b變更路徑后的激光作為37a、37b、38c來說明。
以下說明從本實施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)輸出到加工點的激光束的峰值功率與脈沖寬度的變化。
首先用圖6說明改變使光束傳輸率變化時的激光峰值功率與脈沖寬度的動作。
光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率例如在100％(通常不到50％，但為簡化說明，假設(shè)為100％)一定時，從激光振蕩器輸出的激光束原封不動以相同峰值功率與脈沖寬度被傳輸?shù)郊庸c。
這里，在使其通過具有規(guī)定的光束傳輸率的對象物時，激光振蕩器輸出的激光束中，A％透射對象物，B％被對象物吸收，C％被對象物反射(A+B+C＝100％)。結(jié)果，通過對象物被輸出的為A％的激光束，輸出的峰值功率改變。例如圖6所示激光振蕩器輸出的激光束44a輸出期間，在降低光束傳輸率時，得到峰值功率從Pu變到Pm(＜Pu)，脈沖寬度仍為Ws的激光束45a。
又，在激光振蕩器輸出的激光束44b的光束傳送途中，使光束傳輸率瞬時地為0％時，便得到峰值功率保持Pd不變，脈沖寬度從W1變到Wm(＜W1)的激光束45b。
如上所述，在本實施形態(tài)中，通過控制光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率，從而得到任意的峰值功率與脈沖寬度。但是為了變換激光振蕩器輸出的激光束以獲得任意的激光脈沖，最大的峰值功率與最長的脈沖寬度由激光振蕩器輸出的激光束所決定，不能利用光學(xué)系統(tǒng)變換為大于它的峰值功率或脈沖寬度。
具體地說，作為使上述光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸率及脈沖寬度改變的手段的之一例，用圖8所示的能隨時改變激光束傳輸率的對象物33進(jìn)行說明。
對象物33由光學(xué)的高速開關(guān)元件34a～34d、透射率不同的半反射鏡35a～35b以及阻尼器36構(gòu)成。此外，輸入到對象物33的激光束的峰值功率與脈沖寬度假設(shè)為一定來進(jìn)行說明，又，假設(shè)高速開關(guān)元件的動作在導(dǎo)通時光偏轉(zhuǎn)。
首先，開關(guān)元件34a為導(dǎo)通(ON)時，激光束6b原封不動地保持為激光束37a傳送到開關(guān)元件34c。如果使這時開關(guān)元件34c為截止(OFF)，則激光束36a原封不動地被傳送到下一個開關(guān)元件34d。在開關(guān)元件34d，在光束傳送中瞬時從OFF切換到ON時，則OFF期間的激光束為7b，但ON期間激光束偏轉(zhuǎn)，照射到阻尼器36。當(dāng)OFF的時間短時，結(jié)果得到高峰值功率且短脈沖寬度的激光脈沖7b1。
其次，開關(guān)元件34a為OFF、開關(guān)元件34b為ON時，激光束6b通過開關(guān)元件34a，由開關(guān)元件34b所偏轉(zhuǎn)，傳送到半反射鏡35a。設(shè)半反射鏡35a的透射率為例如50％時，則激光束37b為其峰值功率是6b的一半，而脈沖寬度相同的激光束。激光束37b被傳送到開關(guān)元件34c，在34c導(dǎo)通(ON)時被偏轉(zhuǎn)，傳送到開關(guān)元件34d。在開關(guān)元件34d進(jìn)行與上述說明相同的動作，結(jié)果得到激光脈沖7b2。
接著，在開關(guān)元件34a、34b為OFF時，激光束6b通過開關(guān)元件34a、34b被傳送到半透鏡35b。假設(shè)半透鏡35b的透射率例如為25％，激光束37c成為其峰值功率為6b的1/4而脈沖寬度相同的激光束。然后，激光束37c被傳送到開關(guān)元件34d。在開關(guān)元件34d進(jìn)行與上述說明的動作相反的動作。即開關(guān)元件34d的ON期間激光束被偏轉(zhuǎn)，OFF期間的激光束通過，照射到阻尼器36。當(dāng)ON的時間長時，結(jié)果得到低峰值功率且長脈沖寬度的激光束7b3。
又，上述說明中示出控制3種峰值功率的方法，但也可用同樣的方法控制2種或4種以上的峰值功率，得到任意的峰值功率與脈沖寬度的激光脈沖。
本實施形態(tài)中通過將上述對象物插入光學(xué)系統(tǒng)，高速切換光的ON/OFF，以此將激光振蕩器輸出的激光束變換成任意的峰值功率與脈沖寬度的激光脈沖。
如將上述光學(xué)系統(tǒng)裝到圖5所示的激光加工系統(tǒng)，則得到與實施形態(tài)1所示的效果相同的效果，即根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)和材料構(gòu)成，對每個脈沖使激光束的峰值功率、脈沖寬度與光束照射休止時間最佳化，以此得到提高加工品質(zhì)與生產(chǎn)率那樣的效果。
此外，也可構(gòu)成將上述光學(xué)系統(tǒng)與實施形態(tài)1中說明的激光振蕩器相組合的加工系統(tǒng)(圖9)。其效果是，可更細(xì)、更大幅度地改變激光束的峰值功率與脈沖寬度。
因此，如使用上述激光加工系統(tǒng)，則根據(jù)印刷電路基板的材質(zhì)和材料的構(gòu)成，更加擴大選擇范圍，對每個脈沖使激光束的峰值功率、脈沖寬度及光束能量最佳化，從而對更復(fù)雜的材料構(gòu)成也能得到提高加工品質(zhì)和生產(chǎn)率的那種效果。
實施形態(tài)3上述形態(tài)1、2中對用1臺激光振蕩器構(gòu)成的激光加工系統(tǒng)作了說明，但是本實施形態(tài)中提供用至少2臺以上的激光束的峰值功率和脈沖寬度不同的激光振蕩器構(gòu)成的激光加工系統(tǒng)。
圖10示出本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。圖中，2C、2D分別為激光振蕩輸出不同的激光振蕩器，3C、3D為光學(xué)系統(tǒng)，6c、8c、6d、8d分別為激光振蕩器2C、2D輸出的激光束與激光照射圖案，7d、7d為由光學(xué)系統(tǒng)3C、3D成形后的激光束。
接著說明圖10的動作。
激光振蕩器2C例如為貫通銅箔輸出最佳的高峰值功率且短脈沖寬度的激光脈沖6c，激光振蕩器2D為貫通例如絕緣樹脂輸出最佳的低峰值功率且長脈沖寬度的激光脈沖7d。激光脈沖8c與8d分別由光學(xué)系統(tǒng)3C、3D傳送到并照射于印刷電路基板1。這時，通過控制使激光束7c照射印刷電路基板1上的銅箔，激光束7d照射絕緣樹脂。即，通過控制，在圖21的印刷電路基板的情況下，使第1發(fā)照射激光束7c，第2發(fā)照射激光束7d，第3發(fā)使激光振蕩器2C輸出的激光束的峰值功率降低進(jìn)行照射，從而與實施形態(tài)1一樣得到提高加工品質(zhì)的效果。
實施形態(tài)4圖11、圖12涉及實施形態(tài)4，圖11為用來說明本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)的示意圖，圖12為用來說明控制本發(fā)明的激光脈沖波形的手段的示意圖。
圖11中，46a～e為放電指令脈沖群，47a～e為放電功率脈沖群，48a～e為投入的放電能量，49a～e為輸出的激光束能量。
本實施形態(tài)的基本考慮著眼于，圖11的激光振蕩器2E輸出的激光束6e如實施形態(tài)1所述，在諧振器損耗為一定的情況下，由平均放電功率密度與放電寬度所決定，但在激光振蕩的中途也能夠適用。也就是說，大致動作中通過實施如圖12所示的激光脈沖波形控制，得到任意的激光照射圖形8e。
以下對圖12的動作進(jìn)行說明。
圖12適用于上述實施形態(tài)1的基本考慮方法，即以諧振器損耗作為一定，分別利用平均放電功率密度控制峰值功率，由放電寬度控制脈沖寬度。又，與實施形態(tài)1相同，作為具體的控制方法，采用為改變平均放電功率密度調(diào)制交流電源頻率，為改變放電寬度而改變投入功率的時間的方法。
首先，當(dāng)以高的頻率提供放電指令脈沖46a時，每單位時間投入的放電功率脈數(shù)就增多，能得到高平均放電功率密度的48a。相對于該放電能量48a(N1×T1)，激光振蕩延遲L1后，輸出高峰值功率的光束能量49a(P1×W1)。
接著當(dāng)不預(yù)先設(shè)置時間差(光束照射休止時間)地連續(xù)提供頻率稍低的放電指令脈沖46b時，就投入放電功率脈沖47b，得到放電能量48b(N2×T2)，這次激光器振蕩無延遲，與前面的49a相連地輸出光束能量49b(P2×W2)。
以下同樣地，當(dāng)不預(yù)先設(shè)置時間差地連續(xù)提供放電指令脈沖46c、46d、46e時，對應(yīng)地得到放電能量47c(N3×T3)、47d(N4×T4)、47e(N5×T5)，與前面的49b相連地輸出光束能量49c(P3×W3)、49d(P4×W4)、49e(P5×W5)。結(jié)果得到混合5種任意峰值功率的激光脈沖波形。
此外，與實施形態(tài)2相同，利用光學(xué)系統(tǒng)3E對所得到的激光照射圖形8e進(jìn)行光束形成，也可適當(dāng)利用光學(xué)系統(tǒng)改變激光束波形使其成為激光照射圖形9e。即通過在激光振蕩途中控制對象物的開關(guān)動作以控制實施形態(tài)2中說明的激光束的波形，從而得到混合上述說明那樣的多個峰值功率的激光脈沖波形。
如上所述，在激光振蕩途中使用與實施形態(tài)1、2相同的考慮方法，得到混合多個峰值功率的激光脈沖波形。但與實施形態(tài)1、2相比，若不實施更高速且更穩(wěn)定的控制，則每個脈沖的偏差有可能增多。
下面對使用上述激光加工系統(tǒng)作為手段的加工方法加以說明。
本實施形態(tài)的加工方法是在實施形態(tài)1的加工方法中更詳細(xì)地設(shè)定激光脈沖波形的條件的情況。
圖13示出將本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)使用于脈沖群加工時的激光束的照射圖形的示意圖。
圖13中，設(shè)存在于第1發(fā)的u種峰值功率中第v個峰值功率為Piv，以Piv保持的時間寬度為Wiv時，則照射第i發(fā)的激光束的光束能量Ei由下式給定Ei=Σi=1n(Piv×Wiv)]]>…式10這里，本發(fā)明中Piv、Wiv都是能瞬時(激光脈沖寬度的1/2以下的時間)切換的控制參數(shù)，根據(jù)加工內(nèi)容用上述方法切換。
圖13中，S41、S42分別是第1發(fā)中的P11×W11、P12×W12的照射激光束，S43是第2發(fā)的P21×W21的照射激光束。
以下對動作進(jìn)行說明。
照射光束S41～S43與實施形態(tài)1所示的S31～S33的各照射光束對應(yīng)地使用。即S41為高峰值功率且短的時間寬度，S42為低峰值功率且長時間寬度，S42為稍高于S42的峰值功率且短脈沖寬度的激光束。利用各自的激光束，得到與實施形態(tài)1中說明的加工方法大致相同的加工結(jié)果。即用S41貫通加工表面銅箔12a，用S42貫通加工絕緣樹脂11a，用S43對內(nèi)表面銅箔12b無損傷地去除樹脂殘留物。
又，由于S41與S42是同一個激光脈沖，故每孔所需要的發(fā)數(shù)從3發(fā)減到2發(fā)。因此具有減少光束照射休止時間的效果，比實施形態(tài)1更縮短n個開孔所需的加工時間。例如在實施形態(tài)1所示的例中，加工時間為10秒，與實施形態(tài)1的脈沖群加工相比，有望縮短5秒的加工時間，生產(chǎn)率提高1.5倍。
如上所述，通過使用控制激光脈沖波形的激光加工系統(tǒng)，提高加工品質(zhì)，又減少發(fā)數(shù)(減少光束照射休止時間)，因此也提高了生產(chǎn)率。
此外，具有獲得在已有的激光加工系統(tǒng)中不能達(dá)到的加工品質(zhì)與生產(chǎn)率兩方面的效果。
工業(yè)上的可利用性如上所述，本發(fā)明的激光加工裝置適用于對印刷基板等被加工物的開孔加工。
權(quán)利要求
1.一種激光加工系統(tǒng)，其特征在于，具備通過切換以規(guī)定頻率構(gòu)成的放電指令脈沖來改變投入電極間的放電功率，能夠使激光束的特性改變的脈沖激光振蕩器，以及將該激光振蕩器輸出的所述激光束導(dǎo)向被加工物的光學(xué)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)具有通過使激光振蕩器輸出的激光束透射，使所述激光束的峰值功率為可變的濾光構(gòu)件、以及切換能夠通過光束透射率不同的濾光構(gòu)件的合適路徑的開關(guān)手段。
3.一種激光加工系統(tǒng)，其特征在于，具備在電極間引起激勵放電，振蕩輸出激光束的激光振蕩器，以及具有通過使所述激光振蕩器輸出的所述激光束，使所述激光束的峰值功率可變的濾光構(gòu)件，和切換能夠通過光束透射率不同的濾光構(gòu)件的合適路徑的開關(guān)手段，將激光束導(dǎo)向被加工物的光學(xué)系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，利用開關(guān)手段的通斷，切換能夠通過濾光構(gòu)件的路徑，同時控制脈沖振蕩的激光束的脈沖寬度。
5.一種激光加工方法，用通過切換以規(guī)定頻率構(gòu)成的放電指令脈沖來改變投入電極間的放電功率，使激光束的特性可變的脈沖激光振蕩器輸出的激光束進(jìn)行加工，其特征在于，在激光振蕩器的最大振蕩頻率以下的范圍，根據(jù)被加工物的材質(zhì)、加工厚度等，對每個脈沖瞬時切換照射的多個激光脈沖的峰值功率和脈沖寬度以及光束照射休止時間這三個條件。
6.如權(quán)利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，對于導(dǎo)體層的除去，用接近于激光振蕩器的最大峰值功率的輸出而且是1～15μs的短寬度的第1脈沖進(jìn)行加工；對于絕緣層的除去，用上述第1脈沖的約1/2～1/10峰值功率的輸出且是16～200μs的大寬度的第2脈沖進(jìn)行加工。
7.如權(quán)利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，通過切換放電指令脈沖，在1個脈沖的激光輸出期間使峰值功率可變，用該脈沖輸出的激光束進(jìn)行加工。
8.如權(quán)利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，用具有激光振蕩器的大致最大的峰值功率且1～15μs的短時間的第1區(qū)域、上述第1區(qū)域的大約1/2～1/10峰值功率且16～200μs的長時間的第2區(qū)域的1個脈沖的激光輸出進(jìn)行加工。
全文摘要
一種激光加工系統(tǒng)，具備通過切換以規(guī)定頻率構(gòu)成的放電指令脈沖以改變投入電極(24)間的放電功率，能夠使激光束(6)的特性改變的脈沖激光振蕩器(2)，以及將該激光振蕩器(2)輸出的所述激光束(6)導(dǎo)向被加工物的光學(xué)系統(tǒng)(3)。
文檔編號H01S3/097GK1659750SQ0381269
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月2日
發(fā)明者京藤友博, 黑澤滿樹 申請人:三菱電機株式會社