JP5637526B2

JP5637526B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5637526B2
Application number: JP2010102904A
Authority: JP
Inventors: 水村　通伸; 通伸水村
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: CN102869474B; JP2011230159A; WO2011136056A1; TW201213034A; CN102869474A; TWI505896B; US9283640B2; US20130284708A1; KR20130058011A; KR101851024B1

Description

本発明は、被加工物にレーザ光を照射して該被加工物上に予め定められた複数位置に夫々穴を加工するレーザ加工装置に関し、詳しくは、複数の穴開け加工の位置精度を向上すると共に穴開け加工のタクトを短縮しようとするレーザ加工装置に係るものである。

従来のレーザ加工装置は、ガルバノスキャナによってレーザ光を被加工物上の照射位置へ導き、加工穴となるレーザ光の照射位置にパルス型のレーザ光を照射してバーストショット加工するもので、直交二軸の下に揺動する二つのガルバノスキャナを夫々高速揺動させてレーザ光の照射位置を移動させ、被加工物上の目標位置に位置付けて停止させた後、該目標位置にパルス型のレーザ光を照射してバーストショット加工するようになっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１５４１９８号公報

しかし、このような従来のレーザ加工装置において、ガルバノスキャナによるレーザ光の照射位置の位置決め精度は、±１５μｍ程度であり、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）等の半導体チップの電極端子に対応してプリント配線基板に形成された複数の電極パッド上のインポーザに例えば径が３０μｍ〜５０μｍの穴を夫々形成しようとした場合、上記電極パッドは、上記ガルバノスキャナの位置決め精度に起因して生ずる位置ずれを吸収するために１００μｍ角程度の大きさに形成する必要があった。この場合、上記半導体チップの電極端子の配列ピッチは、通常３００μｍ程度であるため、プリント配線基板の上記電極パッド間に１００μｍ〜１５０μｍの配線を形成しようとしたとき、配線の余裕スペースは２５μｍ〜５０μｍ程度となり、配線ショート等の不良が発生するおそれがあった。

また、従来のレーザ加工装置においては、上記穴開け加工の位置精度の問題から、プリント配線基板の電極パッドの大きさを１００μｍよりも小さくすることが困難であるため、半導体チップの電極端子の配列ピッチが３００μｍよりも小さくなった場合には、対応することが困難であった。

さらに、ガルバノスキャナによりレーザ光Ｌの照射位置の移動・停止を繰り返しながら複数の穴をレーザ加工するようになっていたので、複数の穴開け加工のタクトが長いという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、複数の穴開け加工の位置精度を向上すると共に穴開け加工のタクトを短縮しようとするレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射して該被加工物上に予め定められた複数位置に夫々穴を加工するレーザ加工装置であって、レーザ光の光路上にて、その上流側から前記レーザ光の光軸を中心にして回転可能に設けられ、前記レーザ光の強度分布を均一化する光均一化手段と、前記光均一化手段を射出したレーザ光を平行光にする集光素子と、前記被加工物に対向して配置され、該被加工物上の前記複数位置に対応して複数のマイクロレンズを形成したマイクロレンズアレイと、を備えたものである。

このような構成により、レーザ光の光軸を中心にして回転可能に設けられた光均一化手段でレーザ光の強度分布を均一化し、集光素子で光均一化手段を射出したレーザ光を平行光にし、被加工物に対向して配置され、該被加工物上に予め定められた複数位置に対応して複数のマイクロレンズを形成したマイクロレンズアレイでレーザ光を被加工物上の上記複数位置に照射して夫々穴開け加工する。

また、前記光均一化手段は、複数のレンズを縦横に並べて配置したフライアイレンズである。これにより、フライアイレンズでレーザ光の強度分布を均一化してマイクロレンズアレイに照射する。

さらに、前記光均一化手段は、ホモジナイザーである。これにより、ホモジナイザーでレーザ光の強度分布を均一化してマイクロレンズアレイに照射する。

そして、予め定められた深さの前記穴をレーザ光のｎ回ショット（ｎは２以上の整数）で形成するときに、前記光均一化手段は、前記レーザ光のｎ回ショット中に１回転以上するように回転が制御されている。これにより、レーザ光のｎ回ショット中に１回転以上するように光均一化手段の回転を制御し、真円の穴を予め定められた深さに加工する。

請求項１に係る発明によれば、フォトリソグラフィ技術により形成可能なマイクロレンズアレイを使用して被加工物上に予め定められた複数位置にレーザ光を照射することができ、上記複数の穴開け加工の位置精度を向上することができる。また、被加工物上の複数位置に同時にレーザ光を照射することができ、穴開け加工のタクトを短縮することができる。

また、請求項２又は３に係る発明によれば、レーザ光の強度分布を均一化することができ、深さの均一な穴開け加工をすることができる。

さらに、請求項４に係る発明によれば、真円の穴を加工することができる。したがって、レーザ光の照射による熱応力が局部的に集中して被加工物に亀裂が発生するのを防止することができる。

本発明によるレーザ加工装置の実施形態を示す正面図である。本発明に使用するプリント配線基板の一構成例を示す平面図である。上記プリント配線基板のチップ搭載領域を示す説明図である。上記レーザ加工装置のマイクロレンズアレイの一構成例を示す平面図である。上記レーザ加工装置を使用した穴開け加工を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザ加工装置の実施形態を示す正面図である。このレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射して該被加工物上に予め定められた複数位置に夫々穴を加工するもので、ＸＹステージ１と、レーザ光源２と、第１のフライアイレンズ３と、第１のコンデンサレンズ４と、拡散板５と、第２のフライアイレンズ６と、第２のコンデンサレンズ７と、マイクロレンズアレイ８とを備えて構成されている。

上記ＸＹステージ１は、被加工物である例えばプリント配線基板９を上面に位置決め載置してＸＹの二次元平面内を移動させるもので、図示省略のＸ軸及びＹ軸の位置センサーを備えている。また、ＸＹステージ１の中心を軸として所定角度だけ回転することができるようにもなっている。

ここで、上記プリント配線基板９は、図２に示すように、表面にＢＧＡやＣＳＰの半導体チップを搭載する矩形状の複数のチップ搭載領域１０が予め設定されており、該各チップ搭載領域１０にてその最上層であるインポーザの下側の層には、図３に示すように上記半導体チップの複数の電極端子に対応して複数の電極パッド１１が形成されている。なお、図３は、複数の電極パッド１１がチップ搭載領域１０の矩形状中央領域１２を取り囲む周辺領域１３に形成されている場合を例示している。また、図２に示すように、矩形状のチップ搭載領域１０の外側にてチップ搭載領域１０の少なくとも一つの対角線上には、チップ搭載領域１０の中心から互いに反対方向に予め定められた距離だけ離れて例えば一対の十字状の基板側アライメントマーク１４が設けられている。

上記ＸＹステージ１の上方には、レーザ光源２が設けられている。このレーザ光源２は、レーザ光Ｌをパルス発振するＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザ等であり、本実施形態においては、波長が３５５ｎｍのＣＯ_２レーザを使用した場合について述べる。これにより、約３０μｍ径の穴開け加工が可能となる。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記レーザ光源２の下流側には、第１のフライアイレンズ３が設けられている。この第１のフライアイレンズ３は、レーザ光Ｌの強度分布を均一化すると共に光束径を拡張するビームエキスパンダの機能を果たすものであり、レーザ光Ｌの光束径内に複数の集光レンズを縦横に配置して備えている。そして、レーザ光源２から放射されたレーザ光Ｌを受けてこれを各集光レンズの後焦点位置に一旦集光した後、放射状に発散させてレーザ光Ｌの光束径を拡張するようになっている。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記第１のフライアイレンズ３の下流側には、第１のコンデンサレンズ４が設けられている。この第１のコンデンサレンズ４は、第１のフライアイレンズ３を射出したレーザ光Ｌを平行光にするためのものであり、その前焦点位置を第１のフライアイレンズ３の後焦点位置（各集光レンズの後焦点位置を含む面とレーザ光Ｌの光軸ＯＡとの交点位置）に略合致させて配置されている。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記第１のコンデンサレンズ４の下流側には、拡散板５が設けられている。この拡散板５は、上記第１のフライアイレンズ３の各集光レンズを射出した複数のレーザビームが後述の第２のフライアイレンズ６の入射側面上で干渉するのを防止するためのものであり、表面に微細な凹凸パターンをランダムに形成したスリガラス状の板である。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記拡散板５の下流側には、第２のフライアイレンズ６が設けられている。この第２のフライアイレンズ６は、入射するレーザ光Ｌの強度分布を均一化するためのもので光均一化手段となるものであり、レーザ光Ｌの拡張されたビーム径内に複数の集光レンズを縦横に配置して備えた二つのレンズアレイ１５ａ，１５ｂを互いに対応する集光レンズの中心軸が合致するように対向配置した構成を有している。そして、上記第２のフライアイレンズ６は、図示省略の回転駆動機構により、レーザ光Ｌの光軸ＯＡ（光路の中心軸）を中心にして回転するようになっている。この場合、第２のフライアイレンズ６は、予め定められた所定深さの穴（ビアホール）をレーザ光Ｌのｎ回ショット（ｎは２以上の整数）で形成するときに、レーザ光Ｌのｎ回ショット中に１回転以上するように回転が制御されている。本実施形態においては、レーザ光Ｌの４０回ショットで所定深さの穴として約４０μｍの穴開け加工が可能である。したがって、第２のフライアイレンズ６は、レーザ光Ｌの４０回ショット中に１回転以上するように回転が制御される。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記第２のフライアイレンズ６の下流側には、第２のコンデンサレンズ７が設けられている。この第２のコンデンサレンズ７は、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光Ｌを平行光にするものであり集光素子となるもので、その前焦点位置を上記第２のフライアイレンズ６の後焦点位置（一対のレンズアレイ１５ａ，１５ｂのうち下流側のレンズアレイ１５ｂの各集光レンズの後焦点位置を含む面とレーザ光Ｌの光軸ＯＡとの交点位置）に略合致させて配置されている。なお、図１において、符号２３は、光路を直角に折り曲げる全反射ミラーである。

上記レーザ光Ｌの光路上にて上記第２のコンデンサレンズ７の下流側には、プリント配線基板９に対向してマイクロレンズアレイ８が配置されている。このマイクロレンズアレイ８は、プリント配線基板９上に予め形成された複数の電極パッド１１の位置に対応して複数のマイクロレンズ１９を形成したものである。具体的には、例えば図４に示すように、矩形状の透明基材１６の矩形状中央領域１７を取り囲む周辺領域１８に複数のマイクロレンズ１９が形成されている。この場合、縦横に配置された複数のマイクロレンズ１９の中心線間隔ｗは、プリント配線基板９の電極パッド１１の配列ピッチｗ（図３参照）に等しい。また、矩形状の透明基材１６の少なくとも一つの対角線上には、プリント配線基板９の基板側アライメントマーク１４に対応して例えば一対の枠状のレンズ側アライメントマーク２０が形成されている。このような、マイクロレンズアレイ８は、例えばフォトリソグラフィの技術を利用して製造することができ、各マイクロレンズ１９の配列ピッチをサブミクロンから数ミクロンの精度で形成することができる。

そして、上記マイクロレンズアレイ８の上方に配設された図示省略のアライメント用カメラにより、上記レンズ側アライメントマーク２０とその下に位置する基板側アライメントマーク１４とを同一視野内に捕らえて例えば各アライメントマーク２０，１４の中心位置のずれ量を計測し、該ずれ量がゼロとなるようにＸＹステージ１を移動してマイクロレンズアレイ８とプリント配線基板９のチップ搭載領域１０との位置合わせをするようになっている。

なお、マイクロレンズアレイ８は、マイクロレンズ１９の外側領域に遮光膜が形成されていても形成されていなくてもよい。遮光膜が形成されていない場合にも、マイクロレンズ１９外を透過するレーザ光Ｌはプリント配線基板９上に集光されないので、プリント配線基板９上にレーザ光Ｌのエネルギーが集中せず、これらのレーザ光Ｌによりプリント配線基板９が加工されることはない。

次に、このように構成されたレーザ加工装置の動作について説明する。
先ず、ＸＹステージ１上にプリント配線基板９が位置決めして載置される。続いて、起動スイッチが投入されると、ＸＹステージ１がＸＹ平面内を移動してプリント配線基板９の最初のチップ搭載領域１０（例えば、図２において左上端部に位置するチップ搭載領域１０）をマイクロレンズアレイ８の真下の位置に位置付ける。

次に、図示省略のアライメント用カメラにより、マイクロレンズアレイ８のレンズ側アライメントマーク２０と基板側アライメントマーク１４とを同一視野内に捕らえて撮像し、該画像を図示省略の制御手段により画像処理して、例えばレンズ側アライメントマーク２０及び基板側アライメントマーク１４の中心間距離を計測する。そして、両者の中心間距離が予め定められた値、例えばゼロとなるようにＸＹステージ１を微動してマイクロレンズアレイ８とプリント配線基板９の最初のチップ搭載領域１０との間の位置合わせをする。また、必要に応じてＸＹステージ１をその中心を軸に回転して位置合わせをする。

上記位置合わせが終了すると、レーザ光源２が点灯して一定周波数で発振するパルスレーザ光Ｌを放射する。このレーザ光Ｌは、第１のフライアイレンズ３により強度分布が均一化されると共に光束径が拡大されて第１のコンデンサレンズ４に入射する。

第１のコンデンサレンズ４に入射したレーザ光Ｌは、該第１のコンデンサレンズ４により上記第１のフライアイレンズ３の各集光レンズを射出したレーザビームの主光線が光軸ＯＡに平行な平行光にされて拡散板５に入射する。

上記拡散板５において、レーザ光Ｌは一定の角度範囲内でランダムな方向に拡散される。これにより、第２のフライアイレンズ６の入射側面上では、上記第１のフライアイレンズ３の各集光レンズを射出したレーザビームが干渉せず、干渉縞が発生することがない。

拡散板５を射出したレーザ光Ｌは、第２のフライアイレンズ６により強度分布が均一化され、さらに第２のコンデンサレンズ７により、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズを射出したレーザビームの主光線が光軸ＯＡに平行な平行光にされてマイクロレンズアレイ８に入射する。

マイクロレンズアレイ８の各マイクロレンズ１９は、レーザ光Ｌをプリント配線基板９の各電極パッド１１に対応した位置に集光し、プリント配線基板９上に第２のフライアイレンズ６の射出側端面形状と相似形の例えば四角形のビームスポットを形成する。これにより、プリント配線基板９の電極パッド１１上のインポーザには、図５に示すように例えば四角形の穴２１が加工されることになる。

上記実施形態においては、一定深さ（例えば４０μｍ）の穴開け加工がレーザ光Ｌのｎ回ショット（ｎは２以上の整数であり、例えば４０回ショット）で形成される場合に、図示省略の回転駆動機構により第２のフライアイレンズ６が光軸ＯＡ（光路の中心軸）を中心にレーザ光Ｌのｎ回ショット（４０回ショット）中に１回転以上される。これにより、プリント配線基板９上に照射される上記四角形の複数のビームスポットは、複数の電極パッド１１上のインポーザに穴開け加工をしながら、図５の例えば矢印方向に回転される。したがって、各電極パッド１１上には、マイクロレンズアレイ８の各マイクロレンズ１９の中心軸を中心とする横断面円形状の複数の穴２２が同時に加工されることになる。この場合、各穴２２の配列ピッチは、マイクロレンズアレイ８の各マイクロレンズ１９の形成精度によって決まるため、その位置精度はサブミクロンから数ミクロン程度となる。

続いて、ＸＹステージ１をチップ搭載領域１０の配列ピッチに等しい距離だけ例えば図２において左に移動して、２番目のチップ搭載領域１０をマイクロレンズアレイ８の真下に位置づける。その後、上述と同様にしてマイクロレンズアレイ８と２番目のチップ搭載領域１０との位置合わせをした後、第２のフライアイレンズ６を回転しながらレーザ光Ｌを照射して２番目のチップ搭載領域１０の複数の電極パッド１１に対応させて複数の穴２２を加工する。以降、これを繰り返し実行することにより、プリント配線基板９上の全てのチップ搭載領域１０に穴開け加工をする。

本発明によれば、プリント配線基板９の複数の電極パッド１１に対応して複数のマイクロレンズ１９を形成したマイクロレンズアレイ８により、上記複数の電極パッド１１上にレーザ光Ｌを夫々集光して穴開け加工をするようにしているので、従来のガルバノミラーによりレーザ光Ｌをステップ移動しながら穴開け加工する場合に比べて穴開け加工の位置精度が遥かに向上する。したがって、従来と同じ径の穴２２を同じ配列ピッチで形成する場合、電極パッド１１の大きさを従来よりも小さくすることができる。それ故、隣接する電極パッド１１間に配線を形成する場合にも、十分な余裕スペースを確保することができ、配線のショート等の不良の発生を低減することができる。

また、半導体チップの電極端子間隔が狭まった場合にも、それに応じて各マイクロレンズ１９の径を小さくすると共にその間隔を狭めたマイクロレンズアレイ８を準備することにより容易に対応することができる。

さらに、一つのチップ搭載領域１０の複数の電極パッド１１に対応して複数の穴開け加工を同時に行なうことができるので、穴開け加工のタクトを短縮することができる。

なお、上記実施形態においては、光均一化手段がフライアイレンズ（第２のフライアイレンズ６）の場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光均一化手段はホモジナイザーであってもよい。

また、上記実施形態においては、集光素子がコンデンサレンズである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、集光素子は凹面鏡であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、マイクロレンズアレイ８とプリント配線基板９との位置合わせをＸＹステージ１を微動させて行う場合について説明したが、本発明はこれに限られず、マイクロレンズ８側、又はマイクロレンズ８及びＸＹステージ１の両方を微動させてもよい。

そして、以上の説明においては、被加工物がプリント配線基板９である場合について述べたが、本発明はこれに限られず、被加工物は複数の穴２２をレーザ加工しようとする部材であれば如何なるものであってもよい。

６…第２のフライアイレンズ（均一化手段）
７…第２のコンデンサレンズ（集光素子）
８…マイクロレンズアレイ
９…プリント配線基板（被加工物）
１９…マイクロレンズ
２２…穴
Ｌ…レーザ光
ＯＡ…レーザ光の光軸

Claims

被加工物にレーザ光を照射して該被加工物上に予め定められた複数位置に夫々穴を加工するレーザ加工装置であって、
レーザ光の光路上にて、その上流側から
前記レーザ光の光軸を中心にして回転可能に設けられ、前記レーザ光の強度分布を均一化する光均一化手段と、
前記光均一化手段を射出したレーザ光を平行光にする集光素子と、
前記被加工物に対向して配置され、該被加工物上の前記複数位置に対応して複数のマイクロレンズを形成したマイクロレンズアレイと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
前記光均一化手段は、複数のレンズを縦横に並べて配置したフライアイレンズであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記光均一化手段は、ホモジナイザーであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
予め定められた深さの前記穴をレーザ光のｎ回ショット（ｎは２以上の整数）で形成するときに、前記光均一化手段は、前記レーザ光のｎ回ショット中に１回転以上するように回転が制御されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。