专利名称：激光加工系统及激光加工方法
技术领域：
本发明涉及对被加工物进行通孔、盲孔等开孔或沟加工、外形切割等的激光加工系统及激光加工方法，特别涉及加工品质的提高和生产率的提高方面。
背景技术：
印刷电路基板是将多片设置导体层的绝缘基材作多层层叠贴合而成的。
而且，设置于各绝缘基体上的导体层在其上下方向的任意导体层之间经由称之为通孔、盲孔的导通孔作电连接。
图14为说明这种已有的多层印刷电路基板用的剖面图，图中，1为印刷电路基板，11a、11b为绝缘基材，12a～12c为导体层，13为金属电镀层，14a为导通绝缘基板11a的导体层12a与导体层12b之间的导通孔，14b为导通绝缘基材11a的导电层12a与通过绝缘基材11b层叠贴的导体层12c之间的导通孔。
导通孔14a一般称为盲孔(Blind Via Hole)，导通孔14b一般称为通孔(Through Hole)。
具有如图14所示的导通孔14a、14b的印刷电路基板，随着电子设备的高性能化，要求印刷电路基板多层化、小型化(高密度化)，为满足这种要求，提出利用激光束加工图14所示的导通孔14a、14b的方法而且有了进步。
图15为说明用激光束对印刷电路基板进行通孔和盲孔的开孔的激光加工系统用的示意图。
图中，1是作为加工对象物的印刷电路基板，2为激光振荡器，3为光学系统，4为加工台，5为控制系统整体的控制装置，各部份设备间用电缆相连。6、7为激光束，9为激光照射图形之一例，激光照射图形9上的Pi为激光束的峰值功率，Wi为脉冲宽度(光束照射时间)，Ti为光束照射休止时间。
以下说明实际加工动作。
利用光学系统3使激光振荡器2输出的激光束6形成光束，传送并照射加工对象物即印刷电路基板1。
这时，激光束以如图15所示的9那样的脉冲激光照射图形，对各孔照射多个激光脉冲。照射的激光光束利用热量熔化印刷电路基板1并将其除去，结果在印刷线路板上形成孔。
图16示出如此加工成的印刷电路基板的剖面图的一个例子。
图16中，15a为加工上部孔径，15b为加工中部孔径，15c为加工下部孔径，16为加工深度，17为加工树脂残留物，18为内表面铜箔损伤，其余与图14相同的部分标注相同的符号，并省略其说明。
在用激光束加工时，为确保加工品质，通常必须注意图16中的加工孔径15a～15c、加工深度16、加工缺陷7、18等，控制光束直径、光束能量(峰值功率×脉冲宽度)以及光束照射休止时间，特别是光束能量，由于对材质和材料构成的损伤和变形、等离子体发生等有影响，因此是重要控制参数。
假设第i发的激光光束能量为Ei，激光振荡器出口的峰值功率为Pi，光学系统控制的激光振荡器出口的峰值功率的传输率为αi(以下称作光束传输率)，光束脉冲宽度为Wi，对1个孔照射的发(shot)数为S，那末对每1个孔照射的光束能量Et通常以式1表示Et=Σi=1nEi=Σi=1n[(αi×Pi)×Wi]]]>…式1通过控制光束传输率αi、峰值功率Pi、Wi，可控制光束能量Et。
这里，光束传输率αi由已有的激光加工系统中在光学系统3在形成光束模式时发生的损耗和光学部件等的吸收引起的损耗决定。
作为使该αi变化的方法，有例如图17所示那样的将由掩模31、准直透镜32构成的对象物加进到光学系统3的方法。
图17中，以光束直径Di传播的光由准直透镜32聚光，由掩模31实施光束模式的成形(作成加工点需要的光束模式)。
这时的输入光束模式体积与输出光束模式体积之差是在使所述光束模式成形时发生的损耗。
该损耗由掩模31的直径D、准直透镜32的焦距f，以及掩模直径D与准直透镜32离开掩模31的距离L决定。
例如掩模直径D大、焦距f与距离L大致相等时，几乎无损耗，输出光束模式体积与输入光束模式体积大致相等，光束传输率αi增大。
反之，掩模直径D小、焦距f长、距离L短时，大部分为损耗，相对于输入模式体积，输出光束模式体积变得非常小，光束传输率αi变小。
已有的加工系统中，D、f、L三个参数中掩模直径D为加工点所要求的光束直径，即由加工孔径所决定，焦距f是固定的，距离L是可机械地移动的，因此为使αi变化就须移动距离L。
但是，改变距离L由伺服电动机进行，故为了改变而需要几百ms以上的时间。
此外，峰值功率Pi是固定或者假定可变也是相对于额定值±20％程度，且为使其改变必须要有几百ms以上的时间。
以下用图18的二氧化碳激光振荡器的示意图加以说明。图中，21为壳体，22为加入了激光介质即CO2的混合气，23为部分反射镜，27为全反射镜，28为规定激光振荡模式的孔径，29为激光束光轴，6为输出的激光束。
图18所示构成的二氧化碳激光振荡器中，通过加上交流电源23来的电压，在电极24之间形成激励放电25，CO2气体被激励到上位能级。这时的放电激起的粒子密度称为放电功率密度。在部分反射镜26与全反射镜27构成的谐振器内部，利用感应放射，该激起的CO2放大激光，以激光束轴29为中心输出激光束6。
这里，在二氧化碳激光器的气体激光器的情况下，谐振器损耗为一定时，激光束的峰值功率通常与放电功率密度大致成正比。该放电功率密度大致正比于交流电源23加到电极24的功率。因此，为改变放电功率密度，已有的激光振荡器控制电极间所加的电压。当电压过高时，对电源的负荷加大，会招致电源故障或电极的损坏。又若电压过低时，就不放电，结果就成为不能输出激光束的状态。因此改变电压的范围，一般限于相对于额定值±20％的程度，与之相应，激光束的峰值功率也只能改变±20％的程度。又，由于使电压改变的应答速度慢，为稳定放电，必须几百ms以上的时间，故对每个脉冲(在脉冲激光振荡器的最大振荡频率以下的范围，瞬时地)改变峰值功率的情况下，不可能得到稳定的光束能量。
此外，输出激光的激光脉冲时间宽度Wi(以下称作脉冲宽度)大致等于激励的放电的放电时间宽度(以下称放电宽度)减去激光振荡延迟得到的时间宽度。其理由是，激励放电开始时放电能量(放电功率密度×时间)低于激光器振荡阀值，不输出激光，因此激光振荡开始时间比激励放电开始时间迟。(当然这种延迟因谐振器构成、气体组成而不同。)另外，通过对放电宽度、具体地说，提供投入电力的时间宽度进行控制，能自由改变激光脉冲宽度，这是能够瞬时(在脉冲激光振荡器的最大振荡频率以下的范围)切换的控制参数。但是，投入功率存在决定于负荷的限制，脉冲宽度存在上限。
如上所述，在已有的激光加工系统中，由于峰值功率的变动困难，故光束能量利用基于光学系统的光束传输率αi与光束脉冲宽度Wi来控制，特别在瞬时地作条件切换时，光束脉冲宽度Wi是唯一的控制参数。
以下对激光照射图形加以说明。
激光照射图形可大致分为两类，即在将光束照射位置定位于图19所示那种开孔位置之后，仅以该孔形成所必须的发数S连续地照射激光脉冲的加工即脉冲群加工；以及如图20所示那样，孔数n、孔形成所必须的发数S时，将光束照射位置定位于开孔位置，重复进行n×s次照射1发激光脉冲的动作的加工即循环加工。
脉冲群加式，设从各孔中的第k发到第(k+1)发所需的激光振荡时间为Tok(脉冲群加工中相当于光束照射休止时间)，第s发的脉冲宽度为Ws，从第(j-1)到第j个孔的定位时间为Tgj时，则n个开孔所需要的加工时间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假设Tok的平均值记为To，Tgj的平均值记为Tg，则Tb的平均值Tba为Tban×{(s-1)×To+Tg}…式4因此，加工时间由激光器振荡时间To、发数s以及定位时间Ts所决定。
另一方面，循环加工中设对各孔的第i发的脉冲宽度为Wi，从第(j-1)到第j个孔的定位时间为Tgij时，则n个孔所需要的加工时间Tc如式5所示Tc=n×Σi=1sWi+Σi=1sΣj=1nTgij]]>…式5通常因Wj＜＜Tgij，故有 …式6
设Tgij的平均值为Tg，则Tc的平均值Tca为Tcan×s×Tg…式7因此，循环加工中加工时间由发数s与定位时间Tg所决定。
这里，说明循环加工与脉冲群加的不同点。循环加工中，各孔的光束照射休止时间Tqc可以取得长，对加工孔周边的热影响减低，可提高加工品质。
相反，脉冲群加工的情况下，各孔以激光器振荡时间To加工，光束照射休止时间Tqb短于Tqc(Tqc＞＞Tqb)，容易产生对加工孔周边的热影响。至于加工时间，如果考虑式4与式7中通常Tg＞To，则Tca-Tba＝n×(s-1)×(Tg-To)＞0…式8因此脉冲群加工与循环加工相比，加工时间短，生产率高。
在上述已有的激光加工系统中，利用掩模直径控制光束直径，利用放电功率密度与放电宽度以及上述的光学系统等控制光束能量，利用脉群加工与循环加工的选择或脉冲群加工时的激光振荡频率控制光束照射休止时间，从而确保加工品质与生产率。
另外，特开平4-41091号公报揭示了加工两种材质的激光加工，具有如图21所示的峰值功率的激光输出，贯通加工印刷电路基板1的表面铜箱14，再加工绝缘树脂15直至内表面铜箔16。
通常铜箔较难加工，故有必要加大照射的光束能量。另一方面，由于铜箔的光反射率高，故若长时间照射峰值功率高的激光束，就会发生等离子体，该等离子体招致激光能量的吸收。此外，铜箔具有热导率大、易热易冷的性质。因此，一般认为，为使铜箔贯通，适宜用短时间照射大光束能量的方法，即照射高峰值功率且短脉冲宽度的激光束(图21中S1)的方法。
另外，加工绝缘树脂比上述铜箔来得容易，故即使是小的能量也可加工，但通常由于印刷基板所用的绝缘树脂厚度比铜箔厚，故有必要加大加工全部树脂用的总能量。
然而，若如上述铜箔那样短时间照射大光束能量(增大峰值功率)，则热导率小的绝缘树脂不能在深度方向上传导热能，而在横方向上能量被传开，得不到目的要求的加工深度，结果发生如图24那样树脂残留17和内部膨胀19。因此一般认为，为贯通绝缘树脂，照射几发(图21中S2～S6)低峰值功率的激光束是合适的。
通过选定如上所述照射激光脉冲的各种条件，能够不使加工品质劣化，实施表层铜箔12a的贯通加工与直至绝缘树脂11的内表面铜箔12b的贯通加工，这已广为人知。
但是，实际加工中如果使用已有的激光加工系统时，会受到如下所述的限制。
第一，已有的激光加工系统中，缺乏如上所述那样大幅度改变峰值功率的方法，特别是不能瞬时的(在激光振荡器的最大振荡频率以下的范围)改变。
第二，已有的脉冲激光振荡器中，由于电源容量等的关系，输出高峰值功率激光束的振荡器不能输出长脉冲宽度的激光束，反之，输出长脉冲宽度的激光束的振荡器不能输出高峰值功率的激光束。
因此，已有的激光加工系统由于用图22、23那样的激光照射图形进行加工，故确保加工品质与生产率两者是困难的，要牺牲其中一个。
图22示出在图15的激光振荡器2使用输出高峰值功率且短脉冲宽度(1～15μs)的激光束的已有的激光振荡器时的激光照射图形和加工状态。
如图22中的S11所示，以高峰值功率且短脉冲宽度的激光束作为第1发照射，使表面铜箔12a贯通。
为加工绝缘树脂11a，降低峰值功率，照射4发激光束S12～S15。此外，以除去残留树脂的目的发射稍加增加降值功率的激光束作为第6发。
通过基于图22的加工，可得到某种程度的加工品质。然而，要想如上述那样大幅度降低第2发以后的峰值功率，利用上述的光学系统，由于不能瞬时地改变，故不能实现脉冲群加工。因此必须作生产率低的循环加工且增加发数地进行加工，较大地降低了生产率。例如在孔数n＝10000个、考虑条件转换所需要的时间的平均定位时间Tg＝0.001秒(1kHz)、发数s＝6发时，加工时间为60秒，与假设用相同发数进行脉冲群加工(设To＝0.0005秒(2kHz))时的加工时间30秒相比，生产率为1/2。
图23示出图15的激光振荡器2使用以已有的振荡器输出低峰值功率(图22的振荡器的1/4以下)且长脉冲宽度(如16～150μs)的激光束的振荡器时的激光照射图形和加工状态。
如图23中的S21所示，通过对第1发加长照射的激光束的脉冲宽度，加大光束能量，以求贯通表面铜箔12a，但与图22的第1发相比，由于峰值功率为1/4以下，根据上述理由，未投入图22所示的第1发的能量以上的光束能量时，贯通较难。然而，当为提高光束能量而加长脉冲宽度到需要以上的程度时，就会发生等离子体引起的吸收，能量不能到达铜箔。因此，要想贯通表面铜箔12a，就有必要照射多发能量大的激光束(本例中假设用2发能够使表面铜箔12a贯通)。第3发照射低峰值功率且长脉冲宽度的激光脉冲S23，使绝缘树脂贯通到内表面铜箔12b。第4发利用高于第3发的峰值率且较短脉冲宽度的激光脉冲S24除去树脂残留。
根据上面上述，虽能贯通加工表面铜箔12a及绝缘树脂11a，但对铜箔而言由于能量过多，与图22的例相比，使加工品质劣化。此外，与图22中说明时相同，由于不能瞬时变更峰值功率，不能作脉冲群加工，只能作循环加工。
如上所述，在加工以材质完全不同的材料叠层制成的印刷电路基板时，用已有的激光加工系统难于兼顾加工品质与生产率两者。
此外，由于印刷电路基板的种类多种多样，各加工内容或为树脂加工，成为铜箔与树脂混合加工，各不相同，故用1台激光加工系统实施全部加工是困难的，设备投资需要很大的经费。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供对各种材质的印刷电路基板能不损害生产率地提高加工品质的激光加工系统以及使用该装置的激光加工方法。
为达到该目的，第1发明的激光加工系统，具备通过切换以规定频率构成的放电指令脉冲来改变投入电极间的放电功率，能够使激光束的特性改变的脉冲激光振荡器，以及将该激光振荡器输出的所述激光束导向被加工物的光学系统。
又，光学系统具有通过使激光振荡器输出的激光束透射，使所述激光束的峰值功率为可变的滤光构件、以及切换能够通过光束透射率不同的滤光构件的合适路径的开关手段。
又，具备在电极间引起激励放电，振荡输出激光束的激光振荡器，以及具有通过使所述激光振荡器输出的所述激光束，使所述激光束的峰值功率可变的滤光构件，和切换能够通过光束透射率不同的滤光构件的合适路径的开关手段，将激光束导向被加工物的光学系统。
又利用开关手段的通断，切换能够通过滤光构件的路径，同时控制脉冲振荡的激光束的脉冲宽度。
又，本发明的激光加工方法，用通过切换以规定频率构成的放电指令脉冲来改变投入电极间的放电功率，使激光束的特性可变的脉冲激光振荡器输出的激光束进行加工，其中，在激光振荡器的最大振荡频率以下的范围，根据被加工物的材质、加工厚度等，对每个脉冲瞬时切换照射的多个激光脉冲的峰值功率和脉冲宽度以及光束照射休止时间这三个条件。
又，对于导体层的除去，用接近于激光振荡器的最大峰值功率的输出而且是1～15μs的短宽度的第1脉冲进行加工；对于绝缘层的除去，用上述第1脉冲的约1/2～1/10峰值功率的输出且是16～200μs的大宽度的第2脉冲进行加工。
又，通过切换放电指令脉冲，在1个脉冲的激光输出期间使峰值功率可变，用该脉冲输出的激光束进行加工。
又，用具有激光振荡器的大致最大的峰值功率且1～15μs的短时间的第1区域、上述第1区域的大约1/2～1/10峰值功率且16～200μs的长时间的第2区域的1个脉冲的激光输出进行加工。
图1为说明实施形态1的激光加工系统用的示意图。
图2示出实施形态1的激光加工系统中控制激光照射图形的手段的状态图。
图3示出利用实施形态1的激光加工系统的激光加工方法中所用的激光照射图形示意图。
图4为说明利用图3的激光照射图形的激光加工状态用的示意图。
图5为说明实施形态2的激光加工系统用的示意图。
图6示出由对象物引起的光束传输率变化的状态图。
图7示出对象物的构成的构成图。
图8示出由对象物引起的光束传输率及脉冲宽度的变化的状态图。
图9为说明实施形态2的激光加工系统用的示意图。
图10为说明实施形态3的激光加工系统用的示意图。
图11为说明实施形态4的激光加工系统用的示意图。
图12为说明实施形态4的激光加工系统中控制激光照射图形的手段用的示意图。
图13示出将实施形态4的激光加工系统用于脉冲群加工时的激光束的照射图形示意图。
图14为说明一般印刷电路基板的开孔加工用的示意图。
图15为说明已有的印刷电路基板的开孔用激光加工系统用的示意图。
图16为说明激光开孔加工的加工质量用的印刷电路基板的剖面图。
图17示出由掩模、准直透镜组成的目的物的构成的构成图。
图18为说明CO2激光振荡器用的构成图。
图19为说明作为已有的印刷电路基板的开孔激光加工方法的脉冲群加工用的激光照射图形。
图20为说明作为已有的印刷电路基板的开孔激光加工方法的循环加工用的激光照射图形。
图21是已有的激光照射图形的示意图与印刷电路基板的剖面图。
图22是已有的激光照射图形的示意图与印刷电路基板的剖面图。
图23是已有的激光照射图形的示意图与印刷电路基板的剖面图。
图24是表示以往的加工质量的印刷电路基板的剖面图。
具体实施例方式
实施形态1图1、2涉及实施形态1，图1为说明本发明的激光加工系统用的示意图，图2为说明控制本发明的激光照射图形的手段用的示意图。
图1中，6a、8a表示激光振荡器2A输出的激光束与激光照射图形，7a、9a表示用光学系统3成形后的激光束与激光器射图形，其余与图15相同部分标注相同符号并省略说明。
图2中，41a、41b为放电指令脉冲群，42a、42b为放电功率脉冲群，43a。43b为放电能量，44a、44b为输出的激光束能量。
又，fh、fl表示交流电源频率，Iu、Id表示有效放电功率密度，Nu、Nd表示平均放电功率密度，Ds、Dl表示放电宽度，Pu、Pd表示峰值功率，Ws、Wl表示脉冲宽度，Ls、Ll表示激光振荡延迟。
如在已有技术中所述，在CO2激光振荡器那样的气体激光振荡器中，为改变振荡器输出的激光束的峰值功率与脉冲宽度，在谐振器损耗为一定时，控制放电功率密度与放电宽度。由于放电功率密度与投入功率成正比，故在已有技术中通过改变对电极间的施加的电压来改变放电功率密度。
本实施形态涉及的激光振荡器，着眼于投入功率分为瞬时的实行功率与时间平均的平均功率，而且激光束的峰值功率由时间平均的平均功率支配，在电压为一定(实行放电功率密度一定)的基础上，通过控制每单位时间的放电功率脉冲数来控制平均放电功率密度，使激光束的峰值功率改变。换言之，根据印刷电路基板的被加工部分的材质、材料构成、加工厚度等，对每个脉冲瞬时改变照射的多个激光脉冲的峰值功率、脉冲宽度、以及光束照射休止时间这3个条件。
这里，在已有技术中由于放电功率脉冲数是一定的，故有效放电功率密度与平均放电功率密度是一对比例关系，利用电压变化使有效放电功率密度改变，控制平均放电功率密度。
以下用图2对动作进行说明。
首先，当以时间间隔1/fp提供放电指令脉冲时，与其同步地从交流电源向电极间投入放电功率脉冲(步骤fp)。该放电功率脉冲的高度为瞬间的有效放电功率密度I，作时间平均后为平均放电功率密度N。
如果加到电极间的电压一定，则有效放电功率密度为一定，每单位时间投入的放电功率脉冲数m越多，平均放电功率密度越高，激光束的峰值功率越高。
例如，当以短时间间隔(1/fh)提供放电指令脉冲时，与其同步，交流电源以高频率fh投入放电功率脉冲(每单位时间投入的放电功率脉冲数增多)，平均放电功率密度Nu增高，输出高峰值功率Pn的激光束。
反之，在以长时间间隔(1/fl)提供放电指令脉冲时，与其同步，交流电源以低频fl投入放电功率脉冲(每单位时间投入的放电功率脉冲数减少)，平均放电功率密度Nd减低，输出低峰值功率Pd的激光束。
如上所述，通过改变向电极投入功率的时间，使激光束的脉冲宽度改变。
该功率的投入时间宽度D用下式表示D＝(1/fp)×m…式9因此，通过上述放电指令脉冲间隔1/fp与放电功率脉冲数m的控制，可得到任意的脉冲宽度。
如上所述，本实施形态中以调制交流电源频率得到激光束的峰值功率，通过改变投入功率的时间并控制激光束的脉冲宽度得到任意激光脉冲。
具体地说，通过控制提供放电指令脉冲的时间间隔与放电指令脉冲数，得到任意的激光脉冲。
又，根据本发明，在高峰值功率时采用较短脉冲宽度，在长脉冲宽度时采用较低峰值功率，从而在一定电源负荷范围内具有扩展脉冲波形的选择范围的效果。
利用上述控制对每个激光脉冲任意改变峰值功率与脉冲宽度，得到任意的激光照射图形8a，通过光学系统对所得到的激光照射图形进行光束成形，作为激光照射图形9a传送到加工对象物即印刷电路基板1进行加工。
以下说明用上述激光加工系统的脉冲群加工方法。
作为例子，下面说明加工与图21相同的印刷基板即由第1层表面铜箔12a、第2层绝缘树脂11a、第3层内表面铜箔12b构成的印刷电路基板的情况。
图3是表示激光束的照射图形的示意图，图4为说明此时的加工状况用的示意图。
图3中，S31～S33是各孔的第1～第3发的激光束，各面积表示光束能量。P为峰值功率，W为脉冲宽度，To为激光振荡时间，Tg为定位时间。
图4中，12a为表面铜箔，11a为绝缘树脂，12b为内表面铜箔，20a预定加工位置，14a为加工后的盲孔，S31～S33各为第1～3发激光脉冲波形，a1～a3各为由第1～3发照射激光束加工的被加工部。
本实施形态使用图3所示的激光照射图形，根据印刷电路基板的材质和材料构成、加工厚度等，通过对每个脉冲瞬时切换激光束的峰值功率、脉冲宽度以及光束照射休止时间这些条件，同时用脉冲群加工方法，测定加工时间的缩短。
下面以在已有技术中说明过的材料与激光束的关系为前提，用图3、图4说明本实施形态的激光加工方法。
首先，照射第1发的激光束S31，作为加工第1层铜箔12a用的激光脉冲，为稳定地贯通能够满足铜箔去除条件的第1层铜箔，照射高峰值功率(1～3kW左右)且短脉冲宽度(1～15μs)的激光脉冲。
接着，照射第2发的激光束S32，作为加工第2层绝缘树脂11a用的激光脉冲，为满足绝缘树脂去除条件且提高生产率，照射低峰值功率(0.05～0.5kW左右)且长脉冲宽度(80～200μs)的激光脉冲。
该激光脉冲与图21不同，采用第1发激光脉冲的1/6以下的低峰值功率且为其5倍以上的长脉冲宽度的激光脉冲，因此在图21中为贯通绝缘树脂必须照射多发激光光束，但采用本发明只要照射1发就可。即，以极端降低峰值功率来抑制能量在径向上的扩展，以加长脉冲宽度来在深度方向注入能量，从而能用1发贯通绝缘树脂而使加工孔径保持不变。结果，由于确保加工品质不变地减少发数，省去不必要的光束照射休止时间，因此生产率得到提高。
接着，照射第3发的激光束S33，作为加工第2发激光束S32未除干净的绝缘脂11a用的激光脉冲，若照射大能量会招致内层铜箔损伤，故照射能量E3低些为好，又，为了抑制树脂残留，峰值功率应比第2发高一些，因此照射比第2发稍高的峰值功率(0.1～1kW左右)且短脉冲宽度(1～30μs左右)的激光脉冲。
如上所述，本实施形态中，在上述印刷电路基板的情况下，利用3发的激光束照射能确保良好的加工品质，同时可减低发数。
综上所述，本实施形态中，根据印刷电路基板的材质和材料构成，对每个脉冲将激光束的峰值功率与脉冲宽度在脉冲激光振荡器的振荡频率以下的范围最佳化，瞬时改变峰值功率，以脉冲群加工实施例如图3的激光照射图形，以获得加工品质与生产率两方面都提高的效果。
例如，孔数n＝10000个，考虑条件切换所必要的时间的平均定位时间To＝0.0005秒(2kHz)，发数s＝3发的情况下，加工时间为15秒，与用图20的激光照射图形的循环加工相比，缩短为45秒。这在想要对利用不同材质叠层加工成的印刷电路基板进行高密度开孔加工时，特别能发挥其效果。
又，上面对盲孔加工作了说明，但使用于通孔加工时也同样，通过将激光束的峰值功率、脉冲宽度与来照射休止时间根据印刷电路基板的材质、材料构成在脉冲振荡器的振荡频率以下的范围对每个脉冲使其最佳化，从而具有提高加工品质与生产率的效果。
又，上面虽就脉冲群加工作出说明，但当然也可适用于循环加工，与脉冲群加工相比，生产效率在某种程度上偏低，但具有能够更稳定地得到良好的加工品质的效果。
又可使用于一并使用脉冲群加工与循环加工的加工方法。即，不仅着眼于光束照射休止时间，根据印刷电路基板的材质和材料构成，使激光脉冲的峰值功率与脉冲宽度最佳化，而且作为大幅度改变来照射休止时间的手段，分开使用脉冲群加工与循环加工，从而具有不但能稳定地获得良好的加工品质，而且能够提高生产率的效果。
又，通过使用本发明的印刷电路基板的激光加工系统，能用1台激光加工系统实施多种印刷电路基板的加工。
实施形态2上述实施形态1对于通过改变平均放电功率与放电宽度来改变激光束的峰值功率与脉冲宽度的情况作出说明，但也可以改变光学系统的光束传输率。因此，本实施形态着眼于光学系统的光束传输率。
图5、图6、图7、图8都与实施形态2有关，图5为说明本发明的激光加工系统用的示意图，图6为说明控制激光照射图形的手段用的示意图，图7示出作为控制激光照射图形的手段使用的对象物之一例的示意图，图8为对象物的动作图。
图6中，45a、45b是由光学系统成形后的激光束能量。
图7、图8中，33为可随时改变激光束传输率的控制单元即对象物，34是用来适当变更入射到对象物33的激光束6b的路径的光学高速开关元件，35为能改变入射的激光的激光峰值功率的光束传输率(光束透射率)各不相同的半反射镜，36为用来吸收半反射镜35反射的激光的阻尼器。又，为说明方便，用开关元件34a、34b变更路径后的激光作为37a、37b、38c来说明。
以下说明从本实施形态的光学系统输出到加工点的激光束的峰值功率与脉冲宽度的变化。
首先用图6说明改变使光束传输率变化时的激光峰值功率与脉冲宽度的动作。
光学系统的光束传输率例如在100％(通常不到50％，但为简化说明，假设为100％)一定时，从激光振荡器输出的激光束原封不动以相同峰值功率与脉冲宽度被传输到加工点。
这里，在使其通过具有规定的光束传输率的对象物时，激光振荡器输出的激光束中，A％透射对象物，B％被对象物吸收，C％被对象物反射(A+B+C＝100％)。结果，通过对象物被输出的为A％的激光束，输出的峰值功率改变。例如图6所示激光振荡器输出的激光束44a输出期间，在降低光束传输率时，得到峰值功率从Pu变到Pm(＜Pu)，脉冲宽度仍为Ws的激光束45a。
又，在激光振荡器输出的激光束44b的光束传送途中，使光束传输率瞬时地为0％时，便得到峰值功率保持Pd不变，脉冲宽度从W1变到Wm(＜W1)的激光束45b。
如上所述，在本实施形态中，通过控制光学系统的光束传输率，从而得到任意的峰值功率与脉冲宽度。但是为了变换激光振荡器输出的激光束以获得任意的激光脉冲，最大的峰值功率与最长的脉冲宽度由激光振荡器输出的激光束所决定，不能利用光学系统变换为大于它的峰值功率或脉冲宽度。
具体地说，作为使上述光学系统的光束传输率及脉冲宽度改变的手段的之一例，用图8所示的能随时改变激光束传输率的对象物33进行说明。
对象物33由光学的高速开关元件34a～34d、透射率不同的半反射镜35a～35b以及阻尼器36构成。此外，输入到对象物33的激光束的峰值功率与脉冲宽度假设为一定来进行说明，又，假设高速开关元件的动作在导通时光偏转。
首先，开关元件34a为导通(ON)时，激光束6b原封不动地保持为激光束37a传送到开关元件34c。如果使这时开关元件34c为截止(OFF)，则激光束36a原封不动地被传送到下一个开关元件34d。在开关元件34d，在光束传送中瞬时从OFF切换到ON时，则OFF期间的激光束为7b，但ON期间激光束偏转，照射到阻尼器36。当OFF的时间短时，结果得到高峰值功率且短脉冲宽度的激光脉冲7b1。
其次，开关元件34a为OFF、开关元件34b为ON时，激光束6b通过开关元件34a，由开关元件34b所偏转，传送到半反射镜35a。设半反射镜35a的透射率为例如50％时，则激光束37b为其峰值功率是6b的一半，而脉冲宽度相同的激光束。激光束37b被传送到开关元件34c，在34c导通(ON)时被偏转，传送到开关元件34d。在开关元件34d进行与上述说明相同的动作，结果得到激光脉冲7b2。
接着，在开关元件34a、34b为OFF时，激光束6b通过开关元件34a、34b被传送到半透镜35b。假设半透镜35b的透射率例如为25％，激光束37c成为其峰值功率为6b的1/4而脉冲宽度相同的激光束。然后，激光束37c被传送到开关元件34d。在开关元件34d进行与上述说明的动作相反的动作。即开关元件34d的ON期间激光束被偏转，OFF期间的激光束通过，照射到阻尼器36。当ON的时间长时，结果得到低峰值功率且长脉冲宽度的激光束7b3。
又，上述说明中示出控制3种峰值功率的方法，但也可用同样的方法控制2种或4种以上的峰值功率，得到任意的峰值功率与脉冲宽度的激光脉冲。
本实施形态中通过将上述对象物插入光学系统，高速切换光的ON/OFF，以此将激光振荡器输出的激光束变换成任意的峰值功率与脉冲宽度的激光脉冲。
如将上述光学系统装到图5所示的激光加工系统，则得到与实施形态1所示的效果相同的效果，即根据印刷电路基板的材质和材料构成，对每个脉冲使激光束的峰值功率、脉冲宽度与光束照射休止时间最佳化，以此得到提高加工品质与生产率那样的效果。
此外，也可构成将上述光学系统与实施形态1中说明的激光振荡器相组合的加工系统(图9)。其效果是，可更细、更大幅度地改变激光束的峰值功率与脉冲宽度。
因此，如使用上述激光加工系统，则根据印刷电路基板的材质和材料的构成，更加扩大选择范围，对每个脉冲使激光束的峰值功率、脉冲宽度及光束能量最佳化，从而对更复杂的材料构成也能得到提高加工品质和生产率的那种效果。
实施形态3上述形态1、2中对用1台激光振荡器构成的激光加工系统作了说明，但是本实施形态中提供用至少2台以上的激光束的峰值功率和脉冲宽度不同的激光振荡器构成的激光加工系统。
图10示出本发明的激光加工系统的构成示意图。图中，2C、2D分别为激光振荡输出不同的激光振荡器，3C、3D为光学系统，6c、8c、6d、8d分别为激光振荡器2C、2D输出的激光束与激光照射图案，7d、7d为由光学系统3C、3D成形后的激光束。
接着说明图10的动作。
激光振荡器2C例如为贯通铜箔输出最佳的高峰值功率且短脉冲宽度的激光脉冲6c，激光振荡器2D为贯通例如绝缘树脂输出最佳的低峰值功率且长脉冲宽度的激光脉冲7d。激光脉冲8c与8d分别由光学系统3C、3D传送到并照射于印刷电路基板1。这时，通过控制使激光束7c照射印刷电路基板1上的铜箔，激光束7d照射绝缘树脂。即，通过控制，在图21的印刷电路基板的情况下，使第1发照射激光束7c，第2发照射激光束7d，第3发使激光振荡器2C输出的激光束的峰值功率降低进行照射，从而与实施形态1一样得到提高加工品质的效果。
实施形态4图11、图12涉及实施形态4，图11为用来说明本发明的激光加工系统的示意图，图12为用来说明控制本发明的激光脉冲波形的手段的示意图。
图11中，46a～e为放电指令脉冲群，47a～e为放电功率脉冲群，48a～e为投入的放电能量，49a～e为输出的激光束能量。
本实施形态的基本考虑着眼于，图11的激光振荡器2E输出的激光束6e如实施形态1所述，在谐振器损耗为一定的情况下，由平均放电功率密度与放电宽度所决定，但在激光振荡的中途也能够适用。也就是说，大致动作中通过实施如图12所示的激光脉冲波形控制，得到任意的激光照射图形8e。
以下对图12的动作进行说明。
图12适用于上述实施形态1的基本考虑方法，即以谐振器损耗作为一定，分别利用平均放电功率密度控制峰值功率，由放电宽度控制脉冲宽度。又，与实施形态1相同，作为具体的控制方法，采用为改变平均放电功率密度调制交流电源频率，为改变放电宽度而改变投入功率的时间的方法。
首先，当以高的频率提供放电指令脉冲46a时，每单位时间投入的放电功率脉数就增多，能得到高平均放电功率密度的48a。相对于该放电能量48a(N1×T1)，激光振荡延迟L1后，输出高峰值功率的光束能量49a(P1×W1)。
接着当不预先设置时间差(光束照射休止时间)地连续提供频率稍低的放电指令脉冲46b时，就投入放电功率脉冲47b，得到放电能量48b(N2×T2)，这次激光器振荡无延迟，与前面的49a相连地输出光束能量49b(P2×W2)。
以下同样地，当不预先设置时间差地连续提供放电指令脉冲46c、46d、46e时，对应地得到放电能量47c(N3×T3)、47d(N4×T4)、47e(N5×T5)，与前面的49b相连地输出光束能量49c(P3×W3)、49d(P4×W4)、49e(P5×W5)。结果得到混合5种任意峰值功率的激光脉冲波形。
此外，与实施形态2相同，利用光学系统3E对所得到的激光照射图形8e进行光束形成，也可适当利用光学系统改变激光束波形使其成为激光照射图形9e。即通过在激光振荡途中控制对象物的开关动作以控制实施形态2中说明的激光束的波形，从而得到混合上述说明那样的多个峰值功率的激光脉冲波形。
如上所述，在激光振荡途中使用与实施形态1、2相同的考虑方法，得到混合多个峰值功率的激光脉冲波形。但与实施形态1、2相比，若不实施更高速且更稳定的控制，则每个脉冲的偏差有可能增多。
下面对使用上述激光加工系统作为手段的加工方法加以说明。
本实施形态的加工方法是在实施形态1的加工方法中更详细地设定激光脉冲波形的条件的情况。
图13示出将本发明的激光加工系统使用于脉冲群加工时的激光束的照射图形的示意图。
图13中，设存在于第1发的u种峰值功率中第v个峰值功率为Piv，以Piv保持的时间宽度为Wiv时，则照射第i发的激光束的光束能量Ei由下式给定Ei=Σi=1n(Piv×Wiv)]]>…式10这里，本发明中Piv、Wiv都是能瞬时(激光脉冲宽度的1/2以下的时间)切换的控制参数，根据加工内容用上述方法切换。
图13中，S41、S42分别是第1发中的P11×W11、P12×W12的照射激光束，S43是第2发的P21×W21的照射激光束。
以下对动作进行说明。
照射光束S41～S43与实施形态1所示的S31～S33的各照射光束对应地使用。即S41为高峰值功率且短的时间宽度，S42为低峰值功率且长时间宽度，S42为稍高于S42的峰值功率且短脉冲宽度的激光束。利用各自的激光束，得到与实施形态1中说明的加工方法大致相同的加工结果。即用S41贯通加工表面铜箔12a，用S42贯通加工绝缘树脂11a，用S43对内表面铜箔12b无损伤地去除树脂残留物。
又，由于S41与S42是同一个激光脉冲，故每孔所需要的发数从3发减到2发。因此具有减少光束照射休止时间的效果，比实施形态1更缩短n个开孔所需的加工时间。例如在实施形态1所示的例中，加工时间为10秒，与实施形态1的脉冲群加工相比，有望缩短5秒的加工时间，生产率提高1.5倍。
如上所述，通过使用控制激光脉冲波形的激光加工系统，提高加工品质，又减少发数(减少光束照射休止时间)，因此也提高了生产率。
此外，具有获得在已有的激光加工系统中不能达到的加工品质与生产率两方面的效果。
工业上的可利用性如上所述，本发明的激光加工装置适用于对印刷基板等被加工物的开孔加工。
权利要求
1.一种激光加工系统，其特征在于，具备通过切换以规定频率构成的放电指令脉冲来改变投入电极间的放电功率，能够使激光束的特性改变的脉冲激光振荡器，以及将该激光振荡器输出的所述激光束导向被加工物的光学系统。
2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，光学系统具有通过使激光振荡器输出的激光束透射，使所述激光束的峰值功率为可变的滤光构件、以及切换能够通过光束透射率不同的滤光构件的合适路径的开关手段。
3.一种激光加工系统，其特征在于，具备在电极间引起激励放电，振荡输出激光束的激光振荡器，以及具有通过使所述激光振荡器输出的所述激光束，使所述激光束的峰值功率可变的滤光构件，和切换能够通过光束透射率不同的滤光构件的合适路径的开关手段，将激光束导向被加工物的光学系统。
4.如权利要求2或3所述的激光加工系统，其特征在于，利用开关手段的通断，切换能够通过滤光构件的路径，同时控制脉冲振荡的激光束的脉冲宽度。
5.一种激光加工方法，用通过切换以规定频率构成的放电指令脉冲来改变投入电极间的放电功率，使激光束的特性可变的脉冲激光振荡器输出的激光束进行加工，其特征在于，在激光振荡器的最大振荡频率以下的范围，根据被加工物的材质、加工厚度等，对每个脉冲瞬时切换照射的多个激光脉冲的峰值功率和脉冲宽度以及光束照射休止时间这三个条件。
6.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，对于导体层的除去，用接近于激光振荡器的最大峰值功率的输出而且是1～15μs的短宽度的第1脉冲进行加工；对于绝缘层的除去，用上述第1脉冲的约1/2～1/10峰值功率的输出且是16～200μs的大宽度的第2脉冲进行加工。
7.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，通过切换放电指令脉冲，在1个脉冲的激光输出期间使峰值功率可变，用该脉冲输出的激光束进行加工。
8.如权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，用具有激光振荡器的大致最大的峰值功率且1～15μs的短时间的第1区域、上述第1区域的大约1/2～1/10峰值功率且16～200μs的长时间的第2区域的1个脉冲的激光输出进行加工。
全文摘要
一种激光加工系统，具备通过切换以规定频率构成的放电指令脉冲以改变投入电极(24)间的放电功率，能够使激光束(6)的特性改变的脉冲激光振荡器(2)，以及将该激光振荡器(2)输出的所述激光束(6)导向被加工物的光学系统(3)。
文档编号H01S3/097GK1659750SQ0381269
公开日2005年8月24日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月2日
发明者京藤友博, 黑泽满树 申请人:三菱电机株式会社