JP4186926B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般にエポキシ系・ポリイミド系樹脂などよりなる絶縁層と銅箔よりなる導体層とを有するプリント配線板と呼称される積層配線基板において、複数の導体層を電気的に接続するための貫通穴や止まり穴を形成する積層材料のレーザ加工方法に関するものである。

従来、プリント配線板において、絶縁層に電気的な接続をするための止まり穴を形成する際には、まず絶縁層に炭酸ガスレーザ光を照射して絶縁層の加工（除去）を行い、電気メッキなどにより導体層を析出し積層型の電気回路を形成している。
ここで、導体層を析出する際に、加工穴の底面に樹脂スミアが存在すると、メッキの密着性が悪くなり、はんだ付けなどの加熱や使用中の温度変化によって断線を引き起こすことがある。
そこで、従来は、樹脂スミア除去工程として、加工された穴を有する基板を有機溶液に浸す化学的な処理により残存する樹脂スミアを除去洗浄することが行われている。なお、化学処理には、濃硫酸・クロム酸・過マンガン酸カリウムなどが使用される。
これらプリント配線板の炭酸ガスレーザ加工方法に関しては、特開平１０−１２９９７号公報に開示されている。（特許文献１参照）
また、レーザ光などによる加工後に、加工穴より大きなレーザ光を照射することにより、スミア除去を行うレーザ加工方法が特開平１０−１７３３１８号公報に開示されている。（特許文献２参照）
特許文献１ ：特開平１０−１２９９７号公報
特許文献２ ：特開平１０−１７３３１８号公報
特許文献１に開示された従来の炭酸ガスレーザ加工方法においては、スミア除去工程などの液処理工程において、レーザ照射によりあけた加工穴のエッジ部分では流圧が大きくなり、加工穴エッジ部分が液体の流圧により「欠け」などの損傷が生じる場合があった。
その結果、表面と底面の導体層を接続する層間接続を目的とした加工穴の断面積にばらつきが生じ、電気特性が不安定となるという問題点があった。
（なお、抵抗値とは、加工穴の断面積に反比例する。）
また、特許文献２に開示された従来のレーザ加工方法においては、レーザ光によりスミア除去を行っているため液処理によるスミア除去工程は不必要となるが、スミア除去工程後のメッキ工程においては、液体による不純物除去工程やアルカリ性溶液による脱脂工程などの工程が必ず必要となり、特許文献１と同様に加工穴エッジ部分が液体の流圧により損傷が生じる場合があった。
なお、参考までに、波長０．２４９μｍのエキシマレーザを使用し、加工穴より大きなレーザ光を照射したとしても、熱影響がほとんど発生しないレーザアブレーション加工が行われるため、スミアが除去できるのみであり、該エネルギーのレーザ光は加工穴周辺の樹脂層に対しては硬化層を作成する事はできない。
レーザアブレーション加工とは、結合状態にある分子間に存在する電子をレーザ光の電界成分により直接振動させることにより分解するため、熱影響層が発生しないという特徴がある。
なお、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を照射した場合は、結合状態にある分子自身をレーザ光の電界成分により振動させることにより熱が発生し、その熱により分解するため、レーザ光の条件によっては除去せずに硬化層を作ることが出来る。

本発明は、上述の課題を解決すべくなされたものであり、レーザ光による加工後のスミア除去工程などの液処理工程において、加工穴の損傷を防止し、加工穴の断面積（抵抗値）の安定したプリント配線板の炭酸ガスレーザ加工方法を得ることを目的とする。
この目的を達成するために、第１の観点によれば、プリント配線板の絶縁層にレーザ光を照射して、止まり穴や溝や貫通穴を加工するプリント配線板のレーザ加工方法において、所定のエネルギー密度で上記絶縁層を加工する第１の工程と、この第１の工程にて加工した加工部周辺を、上記第１の工程におけるエネルギー密度より小さいエネルギー密度で照射を行い、上記絶縁層を硬化させる第２の工程と、残存するスミアを除去する第３の工程と、を備えたレーザ加工方法である。
また、第２の工程において、エネルギー密度を０．５Ｊ／ｃｍ^２以下とするものである。
また、第２の工程において、ポリイミド樹脂からなる絶縁層への照射は、エネルギー密度を．０．６Ｊ／ｃｍ^２以下とするものである。
また、第２の工程においてレーザ照射するエリアを、第１の工程において加工を行った領域の略２倍の大きさとするものである。
また、レーザ加工を波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザで行うものである。
また、第２の観点によれば、プリント配線板の絶縁層にレーザ光を照射して、止まり穴や溝や貫通穴を加工するプリント配線板のレーザ加工方法において、エネルギー密度１５Ｊ／ｃｍ^２で上記絶縁層を加工する第１の工程と、この第１の工程にて加工した加工部周辺を、エネルギー密度０．５Ｊ／ｃｍ^２以下で照射を行い、上記絶縁層を硬化させる第２の工程と、残存するスミアを除去する第３の工程と、を備えたレーザ加工方法である。
また、第２の工程において、レーザ照射を１０μｓのパルスビームオン時間で１パルス照射するものである。

第１図は、この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。
第２図は、エポキシ樹脂に対して、エネルギー密度に対する加工穴深さの関係を示した図である。
第３図は、ポリイミド樹脂に対して、エネルギー密度に対する加工穴深さの関係を示した図である。
第４図は、この発明の第二の実施の形態によるレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。
第５図は、従来のレーザ加工方法による加工の推移について示した図である。

実施の形態１．
この発明の第一の実施の形態による積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を、第１図を用いて説明する。
本実施の形態においては、エポキシ樹脂よりなる絶縁層１の裏面に、銅箔よりなる導体層２を設けた構成のプリント配線板に対し、絶縁層１に導体層２にて止まる止まり穴を形成する場合について説明する。
なお、プリント配線板は、絶縁層にガラスクロスを含浸させたものや、多層に積層された基板形状のものもある。
ここで、積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を用いて加工が行われるプリント配線板は、第１図（ａ）に示すように、厚さ６０μｍのエポキシで構成された絶縁層１、厚さ１８μｍの銅箔で構成された導体層２からなる。
また、狙いとする止まり穴の穴径はφ８０μｍである。
まず、第１のレーザ照射として、絶縁層１にパルスビームＯＮ時間が１０μｓ、エネルギー密度が１５Ｊ／ｃｍ^２である炭酸ガスレーザ光４を面積φ８０μｍの範囲に２パルス照射し、絶縁層１に穴加工を行う。（第１図（ｂ）参照）
次に第２のレーザ照射として、パルスビームＯＮ時間が１０μｓ、エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ^２である炭酸ガスレーザ光９を面積φ１５０μｍの範囲に１パルス照射し、加工穴周辺の絶縁層１の表面を硬化させ、樹脂硬化層１０を形成する。（第１図（ｃ）参照）
その後、穴加工後に導体層２の表面に残存するスミア５を除去するため、過マンガン酸カリウム６によるスミア除去工程を実施する。（第１図（ｄ）参照）
最後に、不純物除去工程や脱脂工程などの液処理工程を有するメッキ工程によりメッキ７を行い、プリント配線板のビアホール加工が完了する。（第１図（ｅ）参照）
下表には、第１のレーザ照射条件をパルスビームＯＮ時間１０μｓ・エネルギー密度が１５Ｊ／ｃｍ^２・パルス数２・照射面積φ８０μｍに、第２のレーザ照射条件をパルスビームＯＮ時間１０μｓ・パルス数１・照射面積φ１５０μｍに固定し、第２のレーザ照射を行わない従来の加工方法により加工した場合と、第２のレーザ照射条件におけるエネルギー密度を０．１〜０．６Ｊ／ｃｍ^２まで変化させた場合の、スミア除去工程後の加工穴エッジ部分の損傷率について示している。
ここで損傷率とは、損傷の程度に関係なく、２００穴中に損傷を有する加工穴が何穴あるかにより計算した。（※顕微鏡による上面からの観察により１００穴に損傷が見られた場合、１００÷２００＝５０％となる。）
下表に示されるように、従来の方法と比較して、損傷率が激減している事が分かり、硬化層が加工穴エッジ部分の損傷を防止していることが分かる。

ここで、硬化について説明する。
硬化とは別名「架橋」とも呼ばれ、樹脂への入熱により高分子鎖間の結合形成が起こり、三次元網目構造をもつ高分子を形成することを指し、この現象は各種熱硬化性樹脂の硬化過程において生じている。
硬化現象は、樹脂の種類により若干変化するが、一般的に材料の沸点温度に到達する前段階において生じている。
レーザのエネルギー密度により硬化状態・硬化層の深さは変化するが、第２図の結果より０．５Ｊ／ｃｍ^２以下のエネルギー密度であるレーザ照射により、除去ではなく硬化が行われるため、加工穴エッジ部分の損傷を防止可能であることが分かる。
次に、加工穴周辺の樹脂硬化層１０を形成するためにレーザ照射条件の設定について説明する。
第２図は、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を使用し、エポキシに照射した際のエネルギー密度に対する除去深さの関係を示した図である。
前処理として、加工を行う樹脂に応じてエネルギー密度を変化させ、加工が行われない臨界となるエネルギー密度を図より求める。
例えば、エポキシに関しては、図に示されるように、エネルギー密度が０．６Ｊ／ｃｍ^２以上となるとエポキシは除去されはじめ、除去深さが深くなっていることが分かる。
また、ポリイミドに関しては、第３図に示されるように、エネルギー密度が０．７Ｊ／ｃｍ^２以上となるとポリイミドは除去されはじめ、除去深さが深くなっていることが分かる。
第２のレーザ照射条件としては、第２図、第３図により求まる臨界エネルギー密度より小さいエネルギー密度を設定することにより、加工穴周辺に硬化層が形成され、スミア除去工程などの液処理工程などによる加工穴の損傷を防止することが出来る。
本実施の形態では、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を使用し、第２のレーザ照射としてエネルギー密度が０．５Ｊ／ｃｍ^２以下と設定することにより、エポキシを除去することなく、硬化させることが可能である。
なお、加工穴底面に残存する樹脂スミアも硬化するが、樹脂厚さが１μｍ以下と薄く、かつ再付着の場合には導体層２との結合力が低下しているため、スミア除去工程による除去が可能となる。
なお、硬化層を作るレーザとしては炭酸ガスレーザ光が適しているが、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザにおいても材料によっては分子の振動による熱加工となるため、硬化層を作ることができる。
また、本加工方法を実現する加工機としては、エネルギー密度を可変とする可動レンズや、レーザ光の照射面積を可変とするアパーチャを有する特開平１０−３６２４２２号公報に開示してあるような装置が望ましい。
実施の形態２．
この発明の第二の実施の形態による積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を、第４図を用いて説明する。
本実施の形態においては、エポキシ樹脂よりなる絶縁層１の裏面に、銅箔よりなる導体層２を設けた構成のプリント配線板に対し、絶縁層１に導体層２にて止まる止まり穴を形成する場合について説明する。
ここで、積層材料の炭酸ガスレーザ加工方法を用いて加工が行われるプリント配線板は、第４図（ａ）に示すように、厚さ６０μｍのエポキシで構成された絶縁層１、厚さ１８μｍの銅箔で構成された導体層２からなる。
また、狙いとする止まり穴の穴径はφ８０μｍである。
第１のレーザ照射として、絶縁層１の穴加工を目的としたパルスビームＯＮ時間が１０μｓ、エネルギー密度が１５Ｊ／ｃｍ^２、照射面積がφ８０μｍのレーザ光４と、加工穴周辺の絶縁層１の表面を硬化させることを目的としたパルスビームＯＮ時間が１０μｓ、エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ^２、照射面積φ１５０μｍのレーザ光９を同時に導体層１に照射することにより、絶縁層１に穴加工を行うと同時に、樹脂硬化層１０を形成する。（第４図（ｂ）参照）
その後、穴加工後に導体層２の表面に残存するスミア５を除去するため、過マンガン酸カリウムによるスミア除去工程を実施する。（第４図（ｃ）参照）
最後に、不純物除去工程や脱脂工程などの液処理工程を有するメッキ工程によりメッキを行い、プリント配線板のビアホール加工が完了する。（第４図（ｄ）参照）
ここで、従来の技術との比較を第５図を用いて説明する。
従来はレーザ光４による樹脂層除去の後、スミア除去工程などの液処理工程を行っていたために、加工穴周辺に損傷８が発生（第５図（ｃ）参照）しており、その後のメッキ工程においてその損傷８はさらに大きくなった状態でメッキされていた。（第５図（ｄ）参照）
従来の如く作成されたプリント配線板は、スミア除去工程などの液処理工程において、レーザ照射によりあけた加工穴に損傷が生じていたため、加工穴の断面積にばらつきが生じ、プリント配線板の電気特性が不安定となるという問題点があったが、本実施の形態によれば、絶縁層１の加工穴周辺には樹脂硬化層１０が形成されたため、スミア除去工程において加工穴が損傷を受けることはなく、メッキ工程においても同様に加工穴が損傷を受けることはなかった。
そのため、プリント配線板の電気特性が安定するなどの効果がある。
参考までに、特開昭５４−８１４３号公報には、レーザ光による穴加工などにおいて、加工穴周辺のレーザ加工による損傷や付着物の低減などを目的に、工作物の加工表面をレーザ光照射などにより硬化処理をした後、レーザ光による穴加工などを行うレーザ加工方法が提案されているが、工作物の指定やレーザ光の条件に対する詳細な説明はなく、工作物により硬化させるためのレーザ光の条件が大きく変化することを考慮すると不十分である。
また、レーザ加工による損傷や付着物の低減などを目的としているため、レーザ加工の前段階において硬化用のレーザ光を照射する必要があり、硬化層によりレーザ加工が影響を受けてしまい、良好な加工が困難である。
この発明では、レーザ加工と同時もしくはレーザ加工後に硬化用のレーザ光を照射するため、レーザ加工に硬化層が影響を与えることはない。
以上に述べたように、この発明によるレーザ加工方法を用いると、レーザ光による加工後のスミア除去工程などの液処理工程において、加工穴が損傷を受けることを防止することができる、といった効果を奏する。

以上のように、プリント配線板と呼称される積層配線基板において、複数の導体層を電気的に接続するための貫通穴や止まり穴を形成する加工方法であって、特に炭酸ガスレーザ装置に適している。

Claims (8)

1. プリント配線板の絶縁層にレーザ光を照射して、止まり穴や溝や貫通穴を加工するプリント配線板のレーザ加工方法において、
   所定のエネルギー密度で上記絶縁層を加工する第１の工程と、
   この第１の工程にて加工した加工部周辺を、上記第１の工程におけるエネルギー密度より小さいエネルギー密度で照射を行い、上記絶縁層を硬化させる第２の工程と、
   残存するスミアを除去する第３の工程と、
   を備えたレーザ加工方法。
2. 第２の工程において、エネルギー密度を０．５Ｊ／ｃｍ^２以下とすることを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工方法。
3. 第２の工程において、ポリイミド樹脂からなる絶縁層への照射は、エネルギー密度を０．６Ｊ／ｃｍ^２以下とすることを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工方法。
4. 第２の工程においてレーザ照射するエリアを、第１の工程において加工を行った領域の略２倍の大きさとすることを特徴とする請求の範囲１乃至３に記載のレーザ加工方法。
5. レーザ加工を波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザで行うことを特徴とする請求の範囲１乃至４に記載のレーザ加工方法。
6. プリント配線板の絶縁層にレーザ光を照射して、止まり穴や溝や貫通穴を加工するプリント配線板のレーザ加工方法において、
   エネルギー密度１５Ｊ／ｃｍ^２で上記絶縁層を加工する第１の工程と、
   この第１の工程にて加工した加工部周辺を、エネルギー密度０．５Ｊ／ｃｍ^２以下で照射を行い、上記絶縁層を硬化させる第２の工程と、
   残存するスミアを除去する第３の工程と、
   を備えたレーザ加工方法。
7. 第２の工程において、レーザ照射を１０μｓのパルスビームオン時間で１パルス照射することを特徴とする請求の範囲１乃至７に記載のレーザ加工方法。
8. 第１の工程のレーザ照射と第２の工程のレーザ照射を同時に行うことを特徴とする請求の範囲１乃至７に記載のレーザ加工方法。

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