セラミック レーザー加工。 技術の森

ファイバーレーザー穴あけ|IPGフォトニクス

セラミック レーザー加工

ガラスおよびセラミック材料は、無機の非金属です。 これらの材料には、硬くて曲がらず、壊れやすいなどの共通する物理的性質が数多くあります。 この2種類の材料の主な違いは、ガラスは完全に非結晶性であるのに対し、セラミックは結晶性であることです。 最も一般的な種類のガラスはソーダ石灰ガラスです。 そのほとんどはシリカ(砂)で構成されており、炭酸ナトリウム(ソーダ)と酸化カルシウム(石灰)が添加されています。 ソーダや石灰を添加することで、食器や窓を形成するにあたってガラスが高温で変形しやすくなります。 高温互換性や高強度などの特定の性質を提供する各種添加物を含有した工業用ガラスもあります。 セラミックは結晶性酸化物、窒化物、または炭化物の粘度の高い液体混合物を生成することで形成されます。 混合物は目的の形状に形成された後、高温で焼成されて固体のセラミックスが生み出されます。 最古のセラミックスは粘土を焼成することで作られ、器やタイルが作られていました。 アルミナ(酸化アルミニウム)やタングステンカーバイドなどの現代のセラミックは、電気絶縁や耐摩耗性などの特性を提供するために、高度に設計されています。 ガラスおよびセラミック材料に対する最も一般的なレーザー加工方法は、マーキングと彫刻です。 ガラスおよびセラミックスのベンダーについては、「」をご覧ください。

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Photon Energyレーザー加工システムWorkstation L

セラミック レーザー加工

ガラスおよびセラミック材料は、無機の非金属です。 これらの材料には、硬くて曲がらず、壊れやすいなどの共通する物理的性質が数多くあります。 この2種類の材料の主な違いは、ガラスは完全に非結晶性であるのに対し、セラミックは結晶性であることです。 最も一般的な種類のガラスはソーダ石灰ガラスです。 そのほとんどはシリカ(砂)で構成されており、炭酸ナトリウム(ソーダ)と酸化カルシウム(石灰)が添加されています。 ソーダや石灰を添加することで、食器や窓を形成するにあたってガラスが高温で変形しやすくなります。 高温互換性や高強度などの特定の性質を提供する各種添加物を含有した工業用ガラスもあります。 セラミックは結晶性酸化物、窒化物、または炭化物の粘度の高い液体混合物を生成することで形成されます。 混合物は目的の形状に形成された後、高温で焼成されて固体のセラミックスが生み出されます。 最古のセラミックスは粘土を焼成することで作られ、器やタイルが作られていました。 アルミナ(酸化アルミニウム)やタングステンカーバイドなどの現代のセラミックは、電気絶縁や耐摩耗性などの特性を提供するために、高度に設計されています。 ガラスおよびセラミック材料に対する最も一般的なレーザー加工方法は、マーキングと彫刻です。 ガラスおよびセラミックスのベンダーについては、「」をご覧ください。

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レーザーでの精密微細加工とは?メリットやおすすめの工場もご紹介!

セラミック レーザー加工

【発明の詳細な説明】 【技術分野】 【0001】 本発明は、レーザー加工を用いたセラミックグリーンシートの孔加工の方法に関するものであり、特にレーザー光により、セラミックグリーンシートにビアホールとして機能させるための微小な貫通孔を形成する際のセラミックグリーンシートの孔加工方法に関するものである。 【背景技術】 【0002】 近年、電子機器の小型化に伴い、この電子機器に用いられる積層セラミック配線基板のようなセラミック電子部品においても小型化および高性能化が望まれている。 例えば、積層セラミック配線基板においては小型化および配線導体の高密度化のために、より薄い絶縁層とし、配線導体層の幅、間隔およびスルーホールの径もより微細にすることが求められている。 【0003】 このようなセラミック電子部品の製造方法として、セラミックグリーンシートにレーザーを用いたスルーホールの形成を行なうことにより、ビアの直径より厚みのある、微細な孔径および間隔のスルーホールを加工することが示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。 パルス数が増えるとレーザービームを照射することにより発生する熱がセラミックグリーンシートに溜まり、ビアの壁面にガラス成分や有機成分などの溶融が発生して、焼成時にビアが不均一に焼結され、ビアの接続信頼性を悪化させる。 【0008】 また、テーパ率が60%以下であっても導体ペーストの粘度を低くしたり、導体ペーストの流動性を上げることにより充填は可能となるが、ビア導体の焼結性が変化し信頼性の劣化などが問題として浮上する。 即ち、ビアを充填する導体ペーストの特性を変えずに導体の充填を達成するには、ビアのテーパ率を改善する必要がある。 【発明を実施するための最良の形態】 【0020】 本発明のレーザー加工の実施の形態の一例を添付図面に基づいて以下に詳細に説明する。 【0023】 図2に示すビア3を加工するには、図3に示すレーザーパルス4を2a乃至2dの軌道で加工する方法がある。 図3(b)に示すレーザーパルス4を円弧状に軌道を描くように掃引させる加工方法や図3(c)、図3(d)に示すレーザーパルス4を螺旋状に軌道を描くように掃引させてビア3を加工する方法がある。 図3に示すレーザーパルス3の軌道の組合せによる加工方法は、図2に示すビア3のテーパ率Taを改善することができるが、図3(a)に示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法に比べ、ビア3を貫通させるのに所要するパルス数が多くなり、図2に示すセラミックグリーンシート1は熱による影響を受けて、ビア3の壁面にガラス成分や有機成分の溶融が発生する。 【0024】 また、図3(a)に示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法において、過度な量のレーザーパルス4を照射すると、図2に示すセラミックグリーンシート1にビア3を貫通させるのに所要するパルス数が多くなり、熱による影響を受けてビア3の壁面にガラス成分や有機成分の溶融が発生し、セラミックグリーンシート1とビア3の焼結性に差が生じるため、接続信頼性において問題が発生する。 【0026】 前記設定の下で算出したパルス数を用いて、図3aに示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法を施すと、図2に示すセラミックグリーンシート1にビア3を貫通させることにより、ビア3の壁面にガラス成分や有機成分の溶融が発生するのを防ぐことができる。 【0028】 図3(b)、図3(c)、図3(d)に示すレーザーパルス4の軌道を用いて貫通ビアの加工を行なうと、加工速度はガルバノ速度に大きく依存する。 それに対し、図3(a)に示すレーザーパルス4の移動に所要する時間は、加工速度が図3(a)に示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法を用いると加工速度はレーザーパルス発振器の周波数に依存する。 ガルバノ周波数は現行の装置レベルにおいて2000Hz前後に対しパルス周波数は10〜70kHzと、周波数のオーダーが異なるため、円弧状や螺旋状の軌道にレーザービームを移動しながら加工する方式に関しては、ガルバノ周波数が障害となりビアの加工速度を左右する。 結果、図3(a)に示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法は生産性の向上にも多いに役立つ。 その結果、図2aに示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法において、テーパ率が改善され、後工程における導体の充填を十分に施すことができ、信頼性の高いセラミック電子部品が得られる。 【0030】 このときに加工に使用するレーザービームが光学フィルターを介し、トップハット形状(円柱)に変換する事により、さらにテーパ率Taと真円度が改善される。 【0031】 加工に使用するレーザービームをトップハット形状とすると、さらに図4に示すレーザーパルスのエネルギー分布5のエネルギー密度が90%以上の面積7のレーザーパルスの照射ビーム径8に対する面積比が大きくなり、エネルギー密度の低いレーザーパルスビームの外周面積が小さくなるため、さらにビアのテーパ率が改善される。 この時のレーザーパルスのエネルギー分布5のエネルギー密度が90%以上の面積7がレーザーパルスの照射ビーム面積に対し20%以上のビームをトップハット形状のビームとする。 【0033】 前記の関係で整合がとれた条件化で、紫外線吸収率が90%以下のセラミックグリーンシートにビアを加工する際は、図1に示す支持体2の紫外線吸収率が90%以上であるか、図5cに示す導体層9が入ったセラミックグリーンシート1、若しくは紫外線吸収率が90%以上の支持体2と図5cに示す導体層9が入ったセラミックグリーンシート1の組合せを図5a、および図5cに示す様に、セラミックグリーンシート側からレーザーパルス4を照射する。 紫外線吸収率が90%以上のセラミックグリーンシートにビアを加工する際は、5a乃至5bに示す入射方向からレーザーパルス4を照射しセラミックグリーンシート1を加工する。 ビーム径を大きく広げることにより、狙いのビアの直径よりも大きく加工され、ビーム径を小さく絞ることにより、レーザーパルスの照射ビームが持つ絶対エネルギーが小さくなり過ぎることにより、被加工物に対する深さ方向への加工が少なくなるのと同時に、レーザーのエネルギーが被加工物の面方向に熱へと変換し広がることで、レーザーパルスの焦点付近が加工される。 【0035】 セラミックスラリーに用いられるセラミック粉末としては、例えばセラミック配線基板であれば、Al 2O 3,AlN,ガラスセラミック粉末(ガラス粉末とフィラー粉末との混合物)等が挙げられ、積層コンデンサであればBaTiO 3系,PbTiO 3系等の複合ペロブスカイト系セラミック粉末が挙げられ、セラミック電子部品に要求される特性に合わせて適宜選択される。 【0037】 また、ガラスセラミック粉末のフィラー粉末としては、例えばAl 2O 3,SiO 2,ZrO 2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物,TiO 2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物,Al 2O 3およびSiO 2から選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物(例えばスピネル,ムライト,コージェライト)等のセラミック粉末が挙げられる。 焼成工程での分解、揮発性を考慮すると、アクリル系バインダーがより好ましい。 【0039】 これは、セラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末が第三高調波のYAGレーザーにてビア加工途中のセラミックグリーンシートの内部から物理的に弾き出されるように排出される易くなり、図4に示すレーザーパルスのエネルギー分布5のエネルギー密度が90%以下の領域6においても、セラミックグリーンシート1の深さ方向への加工性が向上する。 その結果、図2aに示す同じ座標位置にレーザーパルス4を連続で照射する加工方法において、テーパ率が改善され、後工程における導体の充填を十分に施すことができ、信頼性の高いセラミック電子部品が得られる。 【0040】 前記で示すセラミックスラリーを図1に示す支持体2の上に塗布し、乾燥させて固めることにより、セラミックグリーンシート1を成形する。 支持体2と同時にビア3を打ち抜くため、従来より充填工程にて用いられたマスク製版などの役目を支持体2で行なうことができる。 充填時に支持体の上は、導体ペーストで汚れてしまうが、充填後に支持体を剥がすことにより、ビアのショートなく、充填を達成することができる。 【0041】 貫通穴加工を施す工程を、第三高調波のYAGレーザーの照射により行なうとともに、支持体に紫外線吸収材を含有させるようにした場合、セラミックグリーンシートに貫通穴が形成される過程として、まず、第三高調波のYAGレーザー光がセラミックグリーンシートに照射される。 そこで、紫外線吸収率90%以上のセラミックグリーンシート1を加工する場合、第三高調波のYAGレーザーによる貫通穴のセラミック粉末の揮発による穿設の効果は高く、入射面の表層から徐々に深さ方向へと加工が進む。 しかし、セラミックグリーンシートの紫外線吸収率が20〜30%程度と低い場合、第三高調波のYAGレーザーによる貫通穴のセラミック粉末の揮発による穿設の効果は不十分であり、セラミックグリーンシートの第三高調波のYAGレーザーが照射された部位(貫通穴となる部位)には、原料のセラミック粉末が残留していわゆるガラス残りの状態となり、所望の貫通ビアを得られない可能性がある。 【0042】 しかしながら、セラミックグリーンシートに吸収されなかったUV光はセラミックグリーンシートを透過して、支持体に照射される。 ここで、支持体にUV吸収材を含有させておくと、セラミックグリーンシートを透過したUV光によって支持体は揮発しガスを噴出する。 【0043】 その後、セラミックグリーンシート1の表面側の第三高調波のYAGレーザーが照射された貫通穴となる部位は、支持体2が揮発し噴出したガスによって、セラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末が、支持体側からセラミックグリーンシートの表面方向に物理的に弾き出されるように噴出、排出され、貫通穴が形成される。 【0046】 このときに使用するビーム径の一般的な定義を図6に示す。 レーザーパルスの最高強度を1.0としたエネルギー分布5の、1/e 2のエネルギー強度11におけるパルス幅の長さをビーム径8とする。 【0047】 しかし、前記ビーム径8は、理論値とビームプロファイラーなどの測定機器を使用した実測値から多少の差があるため、セラミックグリーンシートの貫通ビア加工に関しては、各種レーザー発振器においての最適な周波数とパルスエネルギーを用いて、紫外線吸収率が90%以上の被加工物に、同じ座標位置へ5パルスのレーザーを連続で打ち込み、出来上がった穴径の測定を行ない、ビーム径と定義する。 また、第4高調波266nmではセラミックグリーンシートを貫通して穴加工するためのパワーが足りないため、レーザーのパルス数が著しく増加し生産性が極めて悪くなると同時に、導体付きグリーンシートが厚い場合には、導体付きグリーンシートの表裏の貫通孔径の差が極めて大きな穴加工となってしまう。 【0050】 このときの所望するビーム径とビア径の比が0.5乃至0.7である事が好ましい。 ビーム径を大きく広げることにより、狙いのビアの直径よりも大きく加工され、ビーム径を小さく絞ることにより、レーザーパルスの照射ビームが持つ絶対エネルギーが小さくなり過ぎることにより、被加工物に対する深さ方向への加工が少なくなるのと同時に、レーザーのエネルギーが被加工物の面方向に熱へと変換し広がることで、レーザーパルスの焦点付近が加工される。 【0052】 また、貫通孔を加工する際、グリーンシートは支持体上に保持したまま行なうと、導体付きグリーンシートの変形を防止できるのでより好ましい。 【0053】 さらに、支持体にはUV吸収材を含有させておくことが好ましい。 支持体がUV吸収材を含まなければ、導体付きグリーンシートに貫通孔を形成した際に同時に穴が空かず、貫通孔に導体ペーストを充填することが極めて困難になってしまうためである。 【0054】 支持体中のUV吸収材としては、Ti、Ce、Cなどが挙げられ、例えば5〜15% 含有させておくのが好ましい。 UV吸収材の含有量が5%未満であるとUV吸収の効果は 得られにくく、また15%を超えるとシートが硬くなり加工が困難となってしまうためで ある。 【0055】 また、支持体に含有させるUV吸収材は、無色の有機系UV吸収剤を用い、導体付きグリーンシートに形成された導体層を、支持体を透過して可視的に認識できることがより好ましい。 これは、導体付きグリーンシートを作成する過程において、支持体上に導体ペーストが塗布してあり導体層を形成し、導体層を形成した支持体上にセラミックスラリーを塗布してセラミックグリーンシート層を形成している場合、支持体に金属酸化物や有機系顔料のような有色のUV吸収剤を用いた場合は、導体層付きセラミックグリーンシートに貫通穴を穿設する際に、貫通穴を穿設すべき位置を認識できないためである。 【実施例1】 【0056】 本発明の実施について以下に詳細に説明する。 このときセラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末の個数積算粒度分布における90%粒径(D90)粒径は、請求項1の数式3に示すテーパ率とグリーンシートのD90粒径の関係式で表せる粒径となるようにビーズミルでの混合時間によって調整した。 なお、セラミック粉末の90%粒径はビーズミルの混合時間によって調整した。 【0064】 セラミックグリーンシートをレーザー光の照射側として、レーザービームが光学フィルターを介し、トップハット形状(円柱)に変換し、図4に示すレーザーパルスのエネルギー分布5のエネルギー密度が90%以上の面積7がレーザーパルスの照射ビーム面積に対し80%のトップハット形状のレーザーパルスを使用する。 【0066】 本発明の実施例である例A、および例Bにおいてはビーム径とビア径の割合が0.7以上、例H、および例Iのビーム径とビア径の割合が0.5以下の条件で加工されており、トップ径の広がり過ぎによるテーパ率の悪化や、パルス数が足りない影響により形状のバラツキや貫通性が不十分であった。 【実施例2】 【0067】 本発明の実施について以下に詳細に説明する。 結果、16.2パルスであることが判明したため、実施するパルス条件は、切り上げて17パルスを適応する。 このときに使用する17回のレーザーパルスの出力はパルス周波数が30kHzで最適化された10W発振器のパルス出力を適応する。 【0081】 ビア30個測定の結果、図8において本発明における数式3はビアのテーパ率が60%乃至90%までで確認ができ、90%以上になるとテーパの改善具合が飽和して、テーパ率100%未満のビアが加工できることを確認した。 【図面の簡単な説明】 【0082】 【図1】支持体の上に形成したセラミックグリーンシートの模式図である。 【図2】セラミックグリーンシートに加工したビアの断面図である。 【図3】代表的なレーザーパルスの軌道を用いた加工方法の模式図である。 【図4】トップハットビームの説明図である。 【図5】ビアの加工形体を示す模式図である。 【図6】パルスエネルギー分布の説明図である。 【図7】パルス数と加工深度を表すグラフである。 【図8】実施例2の結果を示すグラフである。 【請求項2】 前記セラミックグリーンシートが、紫外線吸収率が90%以上の支持体に載置されていることを特徴とする請求項1記載のセラミックグリーンシートのレーザー加工方法。

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