特開 2024-110313 レーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110313

(43)【公開日】2024-08-15

(54)【発明の名称】レーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/382 20140101AFI20240807BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

B23K26/382

B23K26/073

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014837

(22)【出願日】2023-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】前田 和夫

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 靖

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD11

4E168CB04

4E168DA02

4E168DA23

4E168DA32

4E168DA43

4E168EA15

4E168EA24

4E168JA03

4E168JA12

4E168JA14

4E168JA15

4E168JA17

4E168JB01

(57)【要約】

【課題】レーザを用いて基板にテーパが比較的少ない貫通孔を形成できる技術を提供する。
【解決手段】基板１の第１面１ａでの孔径が目標孔径である貫通孔２をレーザにより形成するレーザ加工方法が、基板１の第１面１ａとは反対側の第２面１ｂにレーザを照射し、基板１の第２面１ｂにおける孔径が目標孔径よりも小さい第１孔部３を、基板１の第１面１ａに達する深さで形成する第１工程と、第１孔部３が形成された基板１の第１面１ａにレーザを照射し、基板１の第１面１ａにおける孔径が目標孔径となるように第１孔部３を拡大させて貫通孔２を形成する第２工程と、を備える、ようにする。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の第１面での孔径が目標孔径である貫通孔をレーザにより形成するレーザ加工方法であって、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に前記レーザを照射し、前記基板の前記第２面における孔径が前記目標孔径よりも小さい第１孔部を、前記基板の前記第１面に達する深さで形成する第１工程と、
前記第１孔部が形成された前記基板の前記第１面に前記レーザを照射し、前記基板の前記第１面における孔径が前記目標孔径となるように前記第１孔部を拡大させて前記貫通孔を形成する第２工程と、を備える、
レーザ加工方法。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記第２工程では、前記レーザのスポット径を、前記第１工程での前記レーザのスポット径よりも大きくする、
レーザ加工方法。

【請求項3】

請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザが、炭酸ガスレーザである、
レーザ加工方法。

【請求項4】

請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記基板が、セラミック基板である、
レーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザを用いて基板に貫通孔を形成するレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基板に貫通孔を形成する加工方法の一つとして、レーザを用いて基板に貫通孔を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ガラス基板に炭酸ガスレーザを照射して未貫通穴を形成した後、ガラス基板のレーザ非照射側の面をエッチング処理することによりガラス基板に貫通穴を形成する方法が記載されている。

【0003】

特許文献１に記載のように、レーザを用いて基板に貫通孔を形成した場合、貫通孔は、基板のレーザ照射側の面から離れるに連れて孔径が徐々に小さくなる形状、いわゆるテーパ形状になり易い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１８８３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

基板に形成される貫通孔は、テーパ形状であることが好ましい場合もあるが、基板の板厚方向におおける孔径の差が比較的小さい、いわゆるストレート形状が好ましい場合もある。このため、レーザを用いて基板に貫通孔を形成する方法の一つとして、基板の板厚方向において孔径の差が比較的少ない貫通孔、すなわちテーパが比較的少ない貫通孔を形成する方法の開発が望まれている。

【0006】

本発明の目的は、レーザを用いて基板にテーパが比較的少ない貫通孔を形成できる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、基板の第１面での孔径が目標孔径である貫通孔をレーザにより形成するレーザ加工方法であって、前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に前記レーザを照射し、前記基板の前記第２面における孔径が前記目標孔径よりも小さい第１孔部を、前記基板の前記第１面に達する深さで形成する第１工程と、前記第１孔部が形成された前記基板の前記第１面に前記レーザを照射し、前記基板の前記第１面における孔径が前記目標孔径となるように前記第１孔部を拡大させて前記貫通孔を形成する第２工程と、を備える、ものである。

【発明の効果】

【0008】

一態様のレーザ加工方法によれば、レーザを用いて基板にテーパが比較的少ない貫通孔を形成し易くなる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】基板に形成される貫通孔の一例を説明する図である。

【図2】基板に形成される貫通孔の一例を説明する図である。

【図3】レーザ加工装置の一例を示す構成図である。

【図4】一実施形態のレーザ加工方法を説明する図である。

【図5】一実施形態のレーザ加工方法の変形例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態のレーザ加工方法について、図面を参照して詳細に説明する。

【0011】

図１および図２は、一実施形態のレーザ加工方法により基板に形成される貫通孔の一例を説明する図である。図１は加工対象である基板の平面図であり、図２は図１のＡ－Ａ´断面図である。図３は、一実施形態のレーザ加工方法の実施に用いるレーザ加工装置の一例を示す構成図である。図４は、一実施形態のレーザ加工方法を説明する図であり、基板の断面図である。図５は、一実施形態のレーザ加工方法の変形例を説明する図であり、基板の断面図である。なお、図２、図４および図５中においては、基板の板厚方向をＹ方向とし、Ｙ方向とは直交する方向をＸ方向とする。

【0012】

＜一実施形態のレーザ加工方法の概要＞
一実施形態のレーザ加工方法は、図１および図２に示すように、加工対象である基板１に貫通孔２を形成するための方法である。貫通孔２は、略円形の開口形状を有し、基板１の表面である第１面１ａから基板１の裏面である第２面１ｂまで、Ｙ方向において基板１を貫通する。

【0013】

詳しくは後述するが、この貫通孔２は、基板１の第１面１ａおよび第１面１ａとは反対側の第２面１ｂのそれぞれに対してレーザを照射することによって形成される。その際、最初の工程である第１工程では、基板１の裏面である第２面１ｂに対してレーザが照射され、次の工程である第２工程では、基板１の表面である第１面１ａに対してレーザが照射される。

【0014】

これにより、貫通孔２は、基板１の第１面１ａにおけるＸ方向の孔径Ｄ１が、予め設定された目標孔径となるように形成される。また、貫通孔２は、基板１の裏面である第２面１ｂにおけるＸ方向の孔径Ｄ２が、第１面１ａにおける孔径（目標孔径）Ｄ１よりも小さくなるように形成される。すなわち、貫通孔２は、基板１の第１面１ａから離れるに連れて孔径が徐々に小さくなる形状、いわゆるテーパ形状に形成される。

【0015】

ただし、一実施形態のレーザ加工方法によれば、基板１の第１面１ａにおける貫通孔２の孔径Ｄ１と、基板１の第２面１ｂにおける貫通孔２の孔径Ｄ２との差（Ｄ１－Ｄ２）は、比較的小さく抑えられる。言い換えれば、貫通孔２の内面２ａのＹ方向に対する角度（以下、テーパ角という）θ１が比較的小さく抑えられる。つまり、基板１には、テーパの比較的少ない貫通孔２が形成される。

【0016】

貫通孔２が形成される基板１としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなるセラミック基板が挙げられる。ただし、加工対象である基板１は、セラミック基板に限定されるものではなく、例えば、ガラス基板、樹脂基板等であってもよい。

【0017】

＜レーザ加工装置の説明＞
図３を参照し、基板１に貫通孔２を形成するためのレーザ加工装置の一例について説明する。図３に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器２０と、音響光学変調器（以下、ＡＯＭと略す）３０と、ダンパ３５と、ガルバノスキャナ４０と、集光レンズ５０と、テーブル６０と、を備える。

【0018】

レーザ発振器２０は、例えば、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器であり、パルス状のレーザ（以下、パルスレーザという）Ｌ１を出射する。なおレーザ発振器２０は、炭酸ガスレーザ発振器に限定されず、例えば、赤外線（ＩＲ）個体レーザ発振器等であってもよい。

【0019】

ＡＯＭ３０は、レーザ発振器２０から出射されたパルスレーザＬ１を偏向させる光学素子である。ＡＯＭ３０は、レーザ発振器２０から出射されたパルスレーザＬ１を加工方向と非加工方向の二通りに偏向させる。加工方向に偏向されたパルスレーザＬ２は、ガルバノスキャナ４０に向かう。一方、非加工方向に偏向されたパルスレーザＬ３はダンパ３５に向かう。ダンパ３５は、ＡＯＭ３０から出力されるパルスレーザＬ３を吸収する。

【0020】

ガルバノスキャナ４０は、ＡＯＭ３０によって偏向されたパルスレーザＬ２を走査するためのものである。集光レンズ５０は、ガルバノスキャナ４０で走査されるパルスレーザＬ２を集光するためのレンズである。ガルバノスキャナ４０で走査されたパルスレーザＬ２は、集光レンズ５０によって集光されて、基板１の各貫通孔２が形成される位置（以下、孔あけ位置という）に照射される。集光レンズ５０により集光されたパルスレーザＬ２は、所定のスポット径で基板１に照射される。

【0021】

テーブル６０は、基板１が載置される部材である。この例では、基板１は、吸引治具６１を介してテーブル６０上に載置され、テーブル６０上に吸着される。吸引治具６１は、複数の吸引孔６２を有する。これら吸引孔６２を介してテーブル６０（吸引治具６１）上に載置された基板１を吸引することで、基板１がテーブル６０上に吸着される。

【0022】

また、レーザ加工装置１０は、装置全体を制御するためのコントローラである全体制御部７０を備える。全体制御部７０は、例えば、レーザ発振器制御部７１と、ＡＯＭ制御部７２と、ガルバノ制御部７３と、を含んで構成される。レーザ発振器制御部７１は、個々のレーザパルスＬ１の発振を指示するレーザ発振指令信号をレーザ発振器２０に出力する。ＡＯＭ制御部７２は、ＡＯＭ３０の動作を制御するＡＯＭ駆動信号を出力する。ガルバノ制御部７３は、ガルバノスキャナ４０の動作を指示するガルバノ動作制御信号を出力する。

【0023】

ＡＯＭ駆動信号は、信号がオンの時間帯でのみＡＯＭ３０に入力されたパルスレーザＬ１を加工方向に偏向させてパルスレーザＬ２とし、それ以外の時間帯ではパルスレーザＬ１を非加工方向に偏向させてレーザパルスＬ３とする。ガルバノ動作制御信号は、オフの時間帯でガルバノスキャナ４０を静止させ、オンの時間帯でガルバノスキャナ４０を回転させる。ガルバノスキャナ４０が静止した状態で一つの孔あけ位置にパルスレーザＬ２が照射され、ガルバノスキャナ４０が回転することによってパルスレーザＬ２が次の孔あけ位置に移動する。

【0024】

＜貫通孔の形成手順の説明＞
次に、一実施形態のレーザ加工方法、すなわちレーザを用いて基板１に目標孔径を有する貫通孔２を形成する手順について説明する。

【0025】

まずは、図４（ａ）に示すように、基板１は、裏面である第２面１ｂが上方となるように、言い換えれば基板１の第２面１ｂがレーザ照射面となるように、テーブル６０（吸引治具６１）上に載置され、テーブル６０上に吸着される。この状態で、基板１に下孔である第１孔部３を形成する第１工程が実施される。図４（ｂ）に示すように、基板１の第２面１ｂにパルスレーザＬ２が照射され、基板１に第１孔部３が形成される。一例として、第１工程において、パルスレーザＬ２は、基板１の第２面１ｂに対して略垂直な方向、つまりＹ方向に照射され、基板１には略円形の開口形状を有する第１孔部３が形成される。このとき、パルスレーザＬ２は、基板１の第２面１ｂに焦点を合わせて集光させられる。

【0026】

第１工程において、第１孔部３は、基板１の第２面１ｂにおける孔径Ｄ３が貫通孔２の第１面１ａにおける孔径（目標孔径）Ｄ１（図１参照）よりも小さくなるように形成される。例えば、集光レンズ５０によって集光するパルスレーザＬ３のスポット径が適宜調整されることで、第１孔部３は、孔径Ｄ３が目標孔径Ｄ１よりも小さくなるように形成される。勿論、第１工程における第１孔部３の孔径Ｄ３の調整方法は、特に限定されず、例えば、レーザ発振器２０から出射されるパルスレーザＬ１の出力等の他の加工条件が適宜変更されてもよい。

【0027】

また、第１工程において、この第１孔部３は、基板１の第１面１ａに達する深さで形成される。言い換えれば、第１孔部３は、基板１の板厚と同程度の深さで形成される。特に、第１孔部３は、例えば、図５に示すように、基板１を板厚方向（Ｙ方向）に貫通していることが好ましい。このとき、第１孔部３は、いわゆるテーパ形状に形成されるため、基板１の第１面１ａにおける第１孔部３の孔径Ｄ４は、第２面１ｂにおける孔径Ｄ３よりも小さくなる。なお、第１孔部３は、必ずしも基板１を貫通していなくてもよい。すなわち、第１孔部３は、基板１の板厚よりも若干浅く形成されていてもよい。

【0028】

基板１への第１孔部３の形成は、一例として、サイクル加工で行う。サイクル加工とは、基板１に複数の第１孔部３を形成する際、各孔あけ位置にパルスレーザＬ２を一回ずつ順次照射し、全ての孔あけ位置についてレーザ照射が完了した後、同じ動作を必要な回数だけ繰り返す方法である。なお、基板１への第１孔部３の形成は、バースト加工で行ってもよい。バースト加工とは、一つの孔あけ位置でパルスレーザＬ２を複数回連続して照射し、その孔あけ位置に第１孔部３が形成された後、パルスレーザＬ２を次の孔あけ位置に走査して同様の動作を繰り返す方法である。勿論、これらサイクル加工またはバースト加工において、第１孔部３の大きさによっては、同じ動作を複数回繰り返さなくてもよいことは言うまでもない。

【0029】

次に、図４（ｃ）に示すように、第１孔部３が形成された基板１は、第１面１ａが上方となるように、言い換えれば第１面１ａがレーザ照射面となるように反転され、テーブル６０（吸引治具６１）上に保持される。この状態で、第１孔部３が形成された基板１に貫通孔２を形成する第２工程が実施される。図４（ｄ）に示すように、第１孔部３が形成された基板１の第１面１ａに対してパルスレーザＬ２が照射されて第１孔部３が拡大することで、基板１に貫通孔２が形成される。

【0030】

より詳しくは、第２工程では、基板１の第１孔部３が形成された部分にパルスレーザＬ２が照射され、基板１の第１面１ａにおける孔径Ｄ５が目標孔径Ｄ１となるまで、第１孔部３が拡大させられる。これにより、基板１に貫通孔２が形成される。また基板１の第２面１ｂにおける貫通孔２の孔径Ｄ６は、第１孔部３の孔径Ｄ３よりも大きくなるように形成される。つまり貫通孔２は、第１孔部３を包含する大きさで形成される。一例として、パルスレーザＬ２は、基板１の第１面１ａに対して略垂直な方向、つまりＹ方向に照射され、基板１には略円形の開口形状を有する貫通孔２が形成される。

【0031】

第２工程では、例えば、集光レンズ５０によって集光するパルスレーザＬ２のスポット径が適宜調整される。すなわち、第２工程におけるパルスレーザＬ２のスポット径が、第１工程におけるパルスレーザＬ２のスポット径よりも大きくなるように調整される。これにより、貫通孔２は、基板１の第１面１ａでの孔径Ｄ１（＝Ｄ５）が目標孔径となるように形成される。勿論、第２工程における貫通孔２の孔径Ｄ１の調整方法は、特に限定されず、例えば、レーザ発振器２０から出射されるパルスレーザＬ１の出力等、他の加工条件を適宜変更するようにしてもよい。また、第２工程における貫通孔２の形成は、サイクル加工で行っても、バースト加工で行ってもよい。

【0032】

以上のように、一実施形態のレーザ加工方法は、基板１の第２面１ｂに対してパルスレーザＬ２を照射して第１孔部３を形成する第１工程と、第１孔部３が形成された基板１の第１面１ａに対してパルスレーザＬ２を照射して貫通孔２を形成する第２工程と、を備えている。言い換えれば、一実施形態のレーザ加工方法は、基板１に下孔である第１孔部３を形成した後、この第１孔部３の孔径を拡げることで基板１に貫通孔２を形成する。

【0033】

これにより、貫通孔２のテーパを比較的少なく抑えることができる。すなわち、貫通孔２を、いわゆるストレート孔に近い形状とすることができる。

【0034】

これは、以下のような理由による。例えば、セラミック材料からなる基板に、レーザにより孔あけ加工する場合、レーザにより基板が蒸発することはない。レーザにより基板が削られて凹部が形成され、この凹部の深さが徐々に深くなり、最終的に、基板を貫通する孔が形成される。このとき、基板の切粉が凹部内に溜まり、凹部内に溜まった切粉によって、レーザによる孔あけ加工の進行が阻害される結果、基板に形成される孔のテーパ角は比較的大きくなり易い。このため、例えば、第１工程において基板１に形成される第１孔部３は、テーパ角が比較的大きくなり易い。

【0035】

下孔である第１孔部３を有する基板１の第１面１ａにレーザを照射して貫通孔２を形成する第２工程においては、基板１の切粉は、第１孔部３を介して基板１の第２面１ｂ側（下側）に排出され易く、第１孔部３には溜まり難い。特に、この実施形態では、第１工程において、第１孔部３は、第２面１ｂ側ほどその孔径が広く形成されているため、第２工程において貫通孔２を形成する際、第１孔部３内に切粉が溜まり難い。このため、切粉による孔あけ加工の進行の阻害が抑制される。すなわち、基板１の加工性が向上する。したがって、第２工程で基板１に形成される貫通孔２のテーパ角θ１は比較的小さくなる。

【0036】

言い換えれば、基板１の第１面１ａにおける貫通孔２の孔径Ｄ１と、基板１の第２面１ｂにおける貫通孔２の孔径Ｄ２との差（Ｄ１－Ｄ２）が比較的小さく抑えられる。その結果、この例では、貫通孔２のテーパが、下孔である第１孔部３のテーパよりも小さくなる。具体的には、図４（ｄ）に示すように、貫通孔２の内面２ａのテーパ角θ１は、第１孔部３の内面３ａのテーパ角θ２（図４（ｂ）参照）よりも小さくなる。さらには、加工が完了した貫通孔２の内面２ａに切粉が残ることも抑制でき、貫通孔２の形成品質の向上を図ることもできる。

【0037】

なお、実施の形態１のレーザ加工方法は、別の言い方をすれば、次のような２工程により、基板１に貫通孔２を形成する方法であるとも言える。すなわち、一実施形態のレーザ加工方法は、基板１の第２面１ｂにレーザを照射し、所定のテーパ角θ２の第１孔部３を基板１の第１面１ａに達する深さで形成する工程と、第１孔部３が形成された基板１の第１面１ａにレーザを照射し、第１孔部３のテーパ角θ２よりも小さいテーパ角θ１の貫通孔２を形成する工程と、を備える、とも言える。

【0038】

以上、一実施形態のレーザ加工方法について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。すなわち本発明は、上述した実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0039】

１…基板、 ２…貫通孔、 ３，３Ａ…第１孔部、 ４，４Ａ…第２孔部、 ５…第３孔部、 １０…レーザ加工装置、 ２０…レーザ発振器、 ３０…音響光学変調器（ＡＯＭ）、 ４０…ガルバノスキャナ、 ５０…集光レンズ、 ６０…テーブル、 ６１…吸引治具、 ６２…吸引孔、 ７０…全体制御部（コントローラ）、 ７１…レーザ発振器制御部、 ７２…ＡＯＭ制御部、 ７３…ガルバノ制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】