【応用】レーザー表面硬化

材料(特に金属)の表面特性を変化させるために局所的な加熱を行うことがあります。その熱源としてレーザーを用いたものが、レーザー表面硬化法(Laser Transformation Hardening)です。

レーザーを材料表面に照射して融点以下まで加熱し、その後、冷却することで材料特性を変化させます。金属の熱による硬化は様々な方法がありますが、レーザーを用いる特徴としては、選択的に一部分のみの加工ができることや、加熱に対して自己冷却が進むため冷却が早いことが挙げられます。

実用的な数mm深さの表面硬化を行うには、出力kW級のレーザーが用いられます。従来は、CO2レーザーがメインでしたが発振波長が10.6μmであり金属への吸収率があまり良くないため、加工効率は良くありませんでした。場合により材料表面に吸収促進剤を塗布するなどの工夫を行っていました。一方、YAGレーザーが実用に近づいてくると光源の置き換えが検討されました。YAGレーザーの波長1.06μmは金属の吸収率が高く表面硬化に適していると考えられました。しかし、半導体レーザーの高出力化が進むと、扱いやすさやコストパフォーマンスの点で利用が進む可能性があります。

レーザー表面硬化は1970年代ごろには、すでに開発が進められていた技術のようです。1990年ごろには、歯車、ピストンリング溝、モーター軸、シリンダライナ、タービンブレードなど多くの工業製品に応用されるようになりました。

2000年に入ると、実用的なkW級の高出力半導体レーザーが入手できるようになりました。半導体レーザーは金属への吸収が良く、ランニングコストが安価でメンテナンスフリー、ファイバーによりレーザーのハンドリングが容易という特徴があり、レーザー表面硬化に有利なため、プロセスの研究開発がさらに進むことになりました。近年は、レーザー光源のさらなる発達により、また、市場のニーズにより利用範囲が広くなっているようです。

R. C. Reedらは、kW級のCWレーザーを用いてビーム形状によって硬化にどのような影響があるかを3種類の金属材料に対して調べています。

レーザー表面硬化は、局所的な表面処理が可能で、自己冷却で効率という点で、レーザーのメリットを活かした加工方法であるといえそうです。

【応用】リップル

レーザーで材料(特に金属)を加工するときに、微細なさざ波形状の模様(リップル: ripple)ができることがあります。周期としては、使用したレーザーの波長程度で、深さはレーザーの強度によりますがサブミクロン程度のほぼ規則的な凹凸で、いわゆるグレーティングに近いものです。この現象は、直線偏光のレーザーを使用したときに観察され、その偏光方向やレーザー走査方向によって形成される構造が変化します。

これは、レーザーによって被照射材料の表面粗さによって励起された表面電磁波と入射レーザーとの干渉によるものと考えられています。

グレーティングの空間周期\(\delta_s\)は、励起された表面電磁波の波数をks、入射レーザーの波数をk0として、レーザー入射角度をΘとすると、以下のように表されます。

$$ \delta_s = \frac{2 \pi}{k_s \pm k_0 \sin \theta} $$

レーザーを適切に制御することで、このようなリップルを形成でき、写真のように虹色に光る模様を作ることもできます。

より実用的には、この技術を使って量子ドットを作る研究もなされています。こちらは、より高精度に加工するために2ビーム干渉により材料表面をエッチングしています。

【応用】サビ落とし

レーザーアブレーションの応用としてサビ落としがあります。アブレーションの閾値の差を利用して、材料表面についたサビのみを除去する技術です。パラメータを最適に設定することで、下地には全く損傷を与えることなくレーザーによりクリーニングすることができます。

パルス幅9ns、フルエンス0.3~0.4J/cm2、もしくは、パルス幅200ns、フルエンス1~4.4J/cm2のNd:YAGレーザーを照射することで厚さ4μmの赤サビをきれいに除去できているようです。除去後の表面粗さは0.89μmだったとのことです*。

市販化されている装置は、ヘッドを手に持ち、レーザーを対象物に照射するタイプが多いようです。ヘッドにはガルバノスキャナが内蔵されているものもあり、より高効率なサビ除去ができることが期待できます。レーザー出力は、100W程度以上のパルス発振のファイバーレーザーが使い勝手も良く多用されているようです。

ファイバーレーザーを使うことができれば、ロボット等によるレーザーのハンドリングが可能になるため、様々な表面形状に対して柔軟にサビとりを行うことができます。さらに、CAD/CAMと連携できれば自動で作業を実施できる可能性もあります。

また、アブレーション閾値の差を利用するため、サビだけではなく、成形型に付着した樹脂や金属についたセメント、金属に付着した油脂等の除去にもレーザークリーニングが使われます。

レーザーによるクリーニングは、従来はサンドペーパーや薬品に頼っていた作業を手軽に安全に環境にやさしい作業へと変えてくれました。今後も利用領域は拡大していくものと思われます。

*出典:レーザー応用工学、コロナ社、小原他

【応用】美術品の修復

絵画や彫刻品の修復にもレーザーが活躍しています。汚れた空気や経年劣化から美術品の表面がくすむ等の劣化が見られる場合があります。レーザーアブレーションの技術を使い、表面をほんの僅かだけ削り、元の表面を露出させ修復します。


PhotonicsMediaの記事にあるように、フィレンツェの研究所にて絵画を修復しています。様々なテストを行い、レーザーアブレーションで問題となる加工後の黄味がかった色を加工パラメータの最適化で克服しています。
ギリシャのFotakis教授のグループはKrFエキシマレーザーを用いて17世紀のイコンを修復したとしています。修復前後で見比べると、レーザーを用いた修復の効果がはっきり分かります。


また、近年の超短パルスレーザーの発展により、より高品質な修復ができる可能性も出てきました。”The potential of UV femtosecond laser ablation for varnish removal in the restoration of painted works of art”の記事にあるように、Paraskevi Pouli氏らのチームは、パルス幅500fsのTiサファイアレーザーを用いてナノ秒レーザーより高いエッチング分解能を実現しています。

イタリアのQuanta System社は、美術品のレーザー修復専用装置を販売しています。

このように、アートの世界でもレーザーが活躍しています。

レーザー微細加工をご利用の際のヒント

レーザー加工と言っても、実は、そのレーザーにも色々な種類があるのです。

 前半では、レーザーの使用用途によって、色々な種類があること。それを身近な例を引きながら、ご説明します。
 後半で、微細加工で使用されるレーザー加工の得意な点、不得意な点についてご紹介します。

●レーザーにも色々な種類があることを説明する為、所謂、「クルマ」を例にご説明します。

 日頃から、街中でもよく見かけるクルマにもレーザー同様に色々な種類があり、それぞれの得意分野があります。それでは具体的に、見ていきましょう。

 消防車は火を消すための専用車。トラックなら大量の荷物を運ぶことが得意。ミニバンなら多人数乗車と大きめの荷物を積むのに都合が良い。SUVなら、荒れた道でも安心して走れる。

 F1カーなどのレーシングカーは荒れた道は大の苦手。しかし、専用サーキットコースであれば、クルマ界では、最も速く走れるクルマです。

 一言に、クルマといっても、色々な種類があるというイメージを持っていただけたと思います。

 要するに、「レーザー」という“名前”は、色々な種類のレーザーをひっくるめた呼び名。それは、「クルマ」という“名前”のなかに、多様なクルマが含まれているのと同様です。

 従いまして、レーザーも、その種類によって、得意・不得意があります。

 例えば、会議などで使用するレーザーポインター。脱毛治療などに使用するレーザー。眼科治療に使用するレーザー。厚い金属板を火花を散らしながら切断するレーザー、など。

 世の中では、多様なレーザーが、それぞれの特徴を生かして、様々な現場で活躍しています。各分野のレーザーの仕事は、他の仕事が得意なレーザーでの置き換えはできません。つまり、金属板を切断するレーザーで、脱毛治療はできないという意味です。

●さて、ここからが後半です。当社でレーザー微細加工に使用しているレーザーにも、実は、得意・不得意があります。一応、念のために、補足しますが、後述する“不得意なこと”でも、条件によっては不得意でなくなる場合があります。
 このページで、敢えて、不得意なことをホームページに載せるのは、比較によって“得意なこと”の理解を助ける為ですので、ご承知おきください。

【得意なこと。特徴など。】

・少しずつ加工する。
 深さでいうと数μm~数十μmずつなどエッチングするような加工など。

・加工される部分以外への熱影響はほぼ無し。
 だから、樹脂材料でも焦げなく加工できるものが多い。

・薄く壊れやすい材料への微細加工(数十μm程度)
 例えば、切断加工、穴あけ加工など。
 加工時の振動、接触、摩擦、熱などがほとんど無く、材料へのダメージなどは、ほとんどありません。機械(刃物)加工の場合、一般的に、刃物と材料の接触で曲がってしまうなどの問題がありますが、超短パルスレーザーでの加工の場合、物理的な接触が無い為、そのような心配はありません。

・微細な形状を形成する。
 金属表面に段差50μmの階段を3段作る。

・数十μm程度の厚さの材料に、Φ10μm程度の穴を狭いピッチ(数十μm程度)で、Φ1mmのエリア内などに多数あけること。

・数mm×数mm程度のサイズに切り出す加工。或いは、数十μm×数十μmなどの切り出し加工も可能。薄い材料の方が得意。

・数十μm□~数十mm□程度の表層部分(数μm~数十μm)のみを除去すること。ただし、除去した表面には、レーザースポットの関係で、多少の凹凸は残ります。

【不得意なこと(できないわけではないけれど…)】

・深さ(厚み)数mm程度の加工。加工はできますが、時間がかかるという意味で不得意領域。

・大面積への加工。
 レーザーのスポットが十数μm程度なので大面積への加工は時間がかかる。

・通常、穴をあけると、穴の一方(レーザー出射側の方)の直径が小さくなる。 所謂、テーパー穴となります。
 但し、加工方法によっては穴の入口、出口の径がほぼ同じにすることも可能。

以上、微細加工の御検討の際に、参考なれば幸いです。

【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】レーザートリミング

レーザーは、微小な領域へエネルギーを集めることができ、除去量も精密に制御できるというメリットがあります。このように、微小な量だけ材料を除去する応用例の一つとしてレーザートリミングがあります。

ここでいうトリミングとは、抵抗やコンデンサなどの電子部品を少しだけ削り、その性能を調整することです。このような電子部品は最終製品の小型化・高性能化によって、どんどん小さく精度が高くなってきています。そのため、品質のばらつきが無視できなくなってきました。そこで、例えば抵抗であれば、抵抗そのものを少しだけ削り抵抗値を調整する作業が行われるようになりました。これにより、精度向上、歩留まり向上、製造工程での自動化、データ化ができるというメリットがあります。このような作業は、ファンクショントリミングと呼ばれ、そのための装置はファンクショントリマと呼ばれています。

ファンクショントリマは、レーザー、ガルバノミラーを含む光学系の他に、サンプルを移動させるステージや観察・アライメント系、性能を測る測定系などから構成されています。対象サンプルは、電子部品として個別になったものもあれば、ウエハを直接扱えるものもあります。装置形状は、多くを手動で行う卓上タイプからウエハを連続的に自動加工できる大型の装置まであります。

使用されるレーザーは、サンプルによって様々です。ナノ秒レーザーが使われる場合もあれば、より高精度の非熱加工を求め超短パルスレーザーが使用される場合もあるようです。波長もIRからGreen、UVまで幅広く使われているようです。レーザー出力も数Wの小出力タイプから、数十Wの高出力タイプまで用途に合わせて選択します。多くのメーカーでは、お客様の用途に合わせたカスタマイズを行っており、サンプルに最適な装置構成となっています。

かつては、微小粉体を高速・高圧で噴射して材料を除去するサンドブラストによるトリミングも行われていたようです。マイクロクラックが発生せず高速に低コストで導入できるというメリットがあったものの、微小量の制御が困難であり、削りすぎ(オーバーシュート)も起き、表面が荒れる(電子部品のノイズや安定性の原因)という課題がありました。

世界で最初にレーザートリミングを実用化したのは、米モトローラと言われています。1971年にネオジウムYAGとCOレーザーを組み合わせたレーザートリミングの開発に着手し、翌72年に米テレダインが最初の装置を市場に投入したようです。

このような、レーザーを用いたファンクショントリミンマを製造・販売しているメーカーは、国内外を問わず多く存在しているようです。また、その需要の増加、多様化によって、レーザトリマを専門に行う受託加工業者もあるようです。

今後も電子部品の小型化・高機能化、低コスト化が進むと考えられ、レーザートリマの重要性はさらに高まりそうです。

【応用】光ファイバ融着加工

光ファイバ同士を接続したり、先端を球状にしたり、コアを広げたりと様々な加工がなされる場合があります。

多くの場合には、熱を加えることで光ファイバ先端を変化させることで実現しています。この熱源としてCO2レーザーが使用されることが多いです。理由としては、比較的簡単に微小領域へ熱を集中できること、CO2レーザーの波長が樹脂に吸収されやすく効率が良いこと、技術的に成熟しておりコストが安いことなどがあげられます。

光ファイバ用の加工機として販売されているものもあります。このような装置は、レーザー加工部に加えて、アライメント・観察機能や制御用ソフトウエアが組み込まれており、確実に容易に作業できるようになっています。また、レーザーを使用するため、その安全性を保つため、装置全体としてレーザー安全企画クラス1に適合しているものがほとんどです。

操作性、加工安定性を考慮して、デスクトップ型の加工機が多くみられます。加工も、自動で完結できる機種もあれば、細かな設定を手動で変更できる機種もあるようです。

光ファイバは、高速情報通信の重要なインフラとして整備されてきています。伝送容量を拡大させるために、時分割・波長分割多重伝送や、空間分割多重伝送(マルチファイバ)などの技術開発が進められてきました。特に、マルチファイバは容易に伝送容量を増やせるため、ファイバの心数は今後もさらに増えると予想されます。

ファイバの溶着は、ここにあげたCO2レーザーの他にアーク放電溶着でも行われてきました。しかし、アーク放電では距離に応じて溶着性能が異なってしまい、特にマルチファイバの加工での利用に適さないようです。今後は、さらにCO2レーザーへの期待が高まりそうです。

【基本】アシストガス

レーザーにて加工を行う際に、レーザー照射と同時にある特定の気体を被加工物へ噴射することがあります。これをアシストガスと呼んでいます。

アシストガスを用いる理由としては様々ありますが、除去加工を行う場合には、以下のことが挙げられます。
(1)レーザー加工で出た飛散物を取り除き、レーザーが十分に被加工物へ到達し加工効率の低下を防ぎ、精度の良い穴や溝加工を行います。
(2)酸素ガスを用いる場合、積極的な酸化を促しその熱的作用により加工速度を向上させます。反対に、窒素等の不活性ガスを用いる場合は、被加工物の酸化を防ぐ役割があります。
(3)ガス流によりレーザー加工中の被加工物を冷却し余分な熱影響を避けます。
(4)レーザー加工によって生ずる飛散物等が加工レンズに付着することを防ぎ、レンズを保護します。

アシストガスを使う場合には、ガスの種類や流速、圧力、温度などの条件設定が重要となります。この条件は、各社がノウハウとして持っています。

【応用】レーザークラッディング

金属材料へ異なる材料を置き、その材料を溶融させて表面に付着させることで複合材料化することを言います。これは、レーザー肉盛とも呼ばれています。

その方法としては、ワイヤや粉末を供給してレーザーで溶かしながら溶着させていきます。ニッケル、クロム、チタン、マンガン、ステライト、アルミなど金属や金属合金が用いられます。加工中は、加工の促進、加工の安定化のためにガスの噴射も同時に行われることがあります。

付加する材料は基板にはあまり浸透させず、付加する材料と基板の材料の性質はそのまま利用します。異部材のクラッディングも可能ですので、母材に別の機能を付加することが可能です。粉末レーザークラッディングでは、サブmm程度以上の厚み制御が可能です。このように、微細な肉厚の制御ができることが強みとなっています。

レーザーヘッドと被加工物を相対的に上手く移動させることができれば、平面のみならず、円筒や任意の3次元形状へもクラッディングできます。

レーザーを用いるため、微細なスポットでの溶接が可能であるという特徴があります。また、熱影響を小さくできることも利点です。さらに、レーザーのパラメータ等を数値で管理できるため再現性が良く安定した加工ができます。

この技術は、2000年代前半にドイツで始まったといわれています。レーザー先進国のドイツらしい技術です。