【応用】レーザーVIAホール加工

電子部品が載ったプリント基板の層間を電気的に接続するための穴(スルーホール)は、基板の小型化とともに小さくなってきました。一方で、電流確保のためにその数を増やす必要がある場合があります。また、ランドとの確実な導通も必要とされるため、穴の品質も求められます。

このVIAホール加工にもレーザーが用いられてきました。1971年に米ウエスタン・エレクトリック社により最初にこの技術が紹介されたようです。1974年には、同社がCO2レーザーを用いた加工装置を実用化してVIAホール加工の量産を始めたようです。この後、固体レーザー、エキシマレーザーを用いたVIA加工も提唱され、電子産業の盛り上がりの波に乗り、レーザーの一大応用となりました。

レーザー光源としては、樹脂を加工するという観点からCOレーザーが多く用いられています。また、このレーザーは技術的にも成熟しており大出力の者でも安定的に稼働でき、導入・ランニングコストも安いというメリットがあります。一方で、より大出力・高安定性を求め、YAGレーザーやファイバーレーザーなどを利用する例もあります。また、波長が長いと近年の微細穴加工に対応することが厳しくなります。実際にビアホール径は、数百μmだったものが、最近では数十μmにまで小さくなってきています。この微細化に対応するため、より短い波長のレーザーを用いる動きもあるようです。

VIAホールを加工するレーザー加工機は、電子部品の需要増から、より早くより多くの加工が求められます。そのため、ビーム走査はガルバノスキャナーで高速に行われます。さらに、1台の装置に複数のレーザーを搭載し、複数のビームラインで一度に加工する技術もあります。最新の加工機によっては、1秒間に数万穴という非常に高速の穴加工ができる場合があります。また、レーザー・レーザー光学系の進歩のみならず、アライメント・検査のための画像認識技術や、基板搬送技術も日々進歩しています。

基板の種類の多様化が進んできました。最近の加工機では、BGA, FPC, CSP, HDIなど様々な基板に対応できるようになってきています。このように、任意の加工対象へ柔軟に対応できるのがオンデマンド加工ができるレーザーの強みです。

【応用】ガラス内部マーキング

適切なレーザーを用いると、ガラスなど透明材料の表面にはダメージを与えずに内部だけにマーキング、描画を行うことができます。まるで、ガラスの中に絵などが浮いたように見えます。

YAGレーザーの基本波は、ガラスなどに対して透明で、通常は透過します。しかし、内部に焦点を当ててピーク強度の高い短パルスにて加工すると、焦点位置で微小クラックが発生します。この微小クラックは局所的な屈折率変化があるため人の目には白く見えます。

特殊な光学系を用いると、焦点スポット径はマイクロメートルオーダーとなります。このレーザースポットで加工されるサイズも同様にマイクロメートルオーダー以下となります。したがって、非常に微小なドットをガラスなど透明材料に形成できるわけです。

このスポットを少しずつずらしながら移動させていくと、線を描くことができます。この原理を使うと一つの平面内でマーキングができます。これを平面スライスデータとして上下3次元的に描画することで、ガラス内部に立体的な描画を実現できます。

ドット1つを形成する時間は、使用する加工機によりますが、1/1000秒よりずっと短い時間も可能です。

用途としては、装飾品としての利用が多いようです。これは視認性をよくするため、また、安価にするためドット径は比較的大きいです。一方で、ドットをより小さくすることで工業用途に使用する動きもあります。例えば、ドットの有無をデータの1/0と見立てることで、デジタルデータとみなすこともできます。ガラス内のドットの集まりを3次元的なメモリーが実現できるわけです。

レーザーによる透明材料への内部マーキングは、他の加工方法ではできない特殊な加工事例です。