JP2006116570A - レーザ集光ユニット及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビームスポットを一方向で任意の長さに可変出来るレーザ集光ユニット及びそれを備えたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 集光ユニット１２において、上方のシリンドリカルレンズ２０は固定レンズ保持部２７に保持され、下方のシリンドリカルレンズ２２は本体２４の空洞部２５内で鉛直方向（光軸方向）に移動可能な可動レンズ保持部３４に保持される。可動レンズ保持部３４は、それよりも径が一回り大きい回転リング４２の上に支持されている。回転リング４２を回すと、回転リング４２が回転方向に応じて垂直上方もしくは垂直下方へ移動し、それによって可動レンズ保持部３４および可動シリンドリカルレンズ２２も垂直上方もしくは垂直下方へ移動する。可動シリンドリカルレンズ２２の光軸上の位置を変えることでレーザ光の線状ビームスポットの長さを可変することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ光のビームスポット形状を可変できるレーザ光学技術に係わり、より詳しくはビームスポットを一方向で任意の長さに可変できるレーザ集光ユニットおよびレーザ加工装置に関する。

近年、高出力レーザは、被加工物の表面処理、溶接あるいは切断等の加工分野で広く利用されている。この種のレーザ加工は、被加工物ないし加工箇所の複雑化、微細化および多様化に対応できる適応性ないし汎用性の向上と、作業性の効率アップが必要とされてきている。たとえば、半導体パッケージのリード端子あるいは電子部品のコネクタ端子における表面の金（Ａｕ）メッキ層の選択的な剥離等に見られるように、高出力レーザにより特殊な被加工領域を選択的にしかも効率的に加工することが強く望まれている。

レーザ加工用の高出力レーザには、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザや炭酸ガスレーザが主に使用されている。従来より、このような高出力レーザを用いて、たとえばメッキを線状のパターンに剥離するには、円形のビームスポットをＸ−Ｙステージあるいはガルバノメータ・スキャナによって被加工物上で連続的に移動させる方法が行われている。

しかしながら、上記のように円形のビームスポットを被加工物上で連続的に移動させる方法は、レーザエネルギーの入熱量を各レーザ照射位置（加工位置）で一定値以上確保するうえでビームスポットの移動速度に制限があり、加工効率が低いという問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、レーザ光を一方向に可変の長さを有する線状ないし帯状のビームスポットに集光できるレーザ集光ユニットを提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、被加工物にレーザ光を線状ないし帯状のビームスポットで集光照射して瞬時に線状ないし帯状パターンのレーザ加工を行えるレーザ加工装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ集光ユニットは、所定のレーザ照射位置にレーザ光を集光するためのレーザ集光ユニットであって、前記レーザ照射位置と一定の距離を置いて前記レーザ光の光軸上に配置される第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズと直交し、前記レーザ照射位置と可変の距離を置いて前記レーザ光軸上に配置される第２のシリンドリカルレンズと、前記レーザ光のビームスポットサイズを所定の一方向で可変調整するために前記レーザ光軸上で前記第２のシリンドリカルレンズを移動させるレンズ移動手段とを有する。

上記の構成においては、第１のシリンドリカルレンズを固定したまま、レンズ移動手段により第２のシリンドリカルレンズをレーザ光軸上で移動させることにより、第２のシリンドリカルレンズの焦点をレーザ照射位置から任意にずらし、レーザ照射位置に形成されるビームスポットのサイズを所定の方向つまり第２のシリンドリカルレンズの円柱面の母線と直交する方向で任意に可変することができる。

本発明の好適な一態様によれば、第１および第２のシリンドリカルレンズが共に平坦面をレーザ照射位置側に向けた平凸シリンドリカルレンズで構成される。あるいは、第１および第２のシリンドリカルレンズが共に湾曲面をレーザ照射位置側に向けた平凸シリンドリカルレンズで構成されてもよい。

また、本発明では、レーザ照射位置が、第１のシリンドリカルレンズの焦点位置の近傍に設定されるのが好ましい。

また、好適な一態様によれば、第１および第２のシリンドリカルレンズがそれぞれ水平に配置され、レーザ光が両シリンドリカルレンズを鉛直下方に通ってレーザ照射位置に集光される。

また、好適な一態様によれば、レンズ移動手段が、光軸の周りに回転可能な回転部材と、この回転部材の回転運動を第２のシリンドリカルレンズのレーザ光軸上の並進運動に変換する送りねじ機構とを有する。かかる構成においては、回転部材を回す操作により、第２のシリンドリカルレンズの位置、ひいてはビームスポットの長さを可変することができる。この場合、レンズ移動手段が回転部材を手動で回すための操作摘みを備えることで、手動調整を行うことができる。また、レンズ移動手段が、電気モータと、この電気モータの回転駆動力を回転部材に伝達する伝動手段とを備えることで、自動調整を行うこともできる。

自動式において、好ましくは、伝動手段が、電気モータの回転軸に結合された原動プーリと、回転部材に結合された従動プーリと、原動プーリと従動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトとを有してよい。この場合、原動プーリおよび従動プーリがそれぞれねじ歯車からなり、ベルトがねじ歯車と螺合するねじ歯を有し、電気モータの回転駆動によって従動プーリがレーザ光軸上で移動するようにしてよい。

また、好適な一態様によれば、第２のシリンドリカルレンズをレーザ光軸上の所望の位置で固定するための固定手段が設けられる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ加工用のレーザ光を発振出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からの前記レーザ光を被加工物上に設定された前記レーザ照射位置に集光する本発明のレーザ集光ユニットとを有する。

上記の構成によれば、レーザ集光ユニットにおいて、レーザ光を一方向に可変の長さを有する線状ないし帯状のビームスポットに集光し、１回のレーザ照射で帯状パターンのレーザ加工を行うことができる。被加工部材が複雑化／多様化しても、あるいはレーザ加工領域が種々に変化しても、迅速かつ柔軟に対応できる。

本発明の好適な一態様によれば、レーザ光のビーム径を拡大するためにレーザ発振器とレーザ集光ユニットとの間のレーザ光軸上にビームエキスパンダが配置される。また、レーザ発振器より出力されたレーザ光を光ファイバを介してレーザ集光ユニットまで伝送することも可能である。

本発明の好適な一態様によれば、レーザ発振器としてＹＡＧレーザ発振器が用いられる。この場合、好適な一態様として、ＹＡＧレーザ発振器がＱスイッチパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を出力し、レーザ集光ユニットが前記Ｑスイッチパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を被加工物表面の金属膜上に集光して、金属膜を高調波のレーザエネルギーで剥離する。たとえば、被加工物はリードフレームあるいは電子部品のコネクタ端子であり、金属膜がＡｕメッキ層である。

別の好適な一態様によれば、レーザ発振器が、ロングパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を出力し、レーザ集光ユニットがロングパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を被加工物の溶接部に集光して、該溶接部を高調波のレーザエネルギーで溶融接合する。この場合、被加工物がＡｕ系、Ｃｕ系あるいはＡｌ系金属であるのが好ましい。

本発明のレーザ集光ユニットによれば、上記のような構成と作用により、レーザ光を一方向に可変の長さを有する線状ないし帯状のビームスポットに集光することができる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、上記のような構成と作用により、被加工物にレーザ光を線状ないし帯状のビームスポットで集光照射して瞬時に線状ないし帯状パターンのレーザ加工を行うことができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明のレーザ集光ユニットを含むレーザ加工装置の基本構成を示す。このレーザ加工装置は、加工用のレーザ光ＬＢを発生するレーザ光源１０と、レーザ光ＬＢを被加工物１２に集光照射する本発明のレーザ集光ユニット（以下、単に「集光ユニット」という。）１２と、この集光ユニット１２にレーザ光源１０を光学的に結ぶレーザ光学系１４とを有している。

レーザ光源１０は、たとえばＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ等からなり、シングルモードつまり断面円形のレーザ光ＬＢを発振出力する。レーザ光学系１４は、ビームエキスパンダ１６とベントミラー１８とを有している。ビームエキスパンダ１５は、複数の光学レンズからなり、レーザ光源１０からのレーザ光ＬＢのビーム径を一定の倍率で拡大する。ベントミラー１６は、ビームエキスパンダ１６を通ってきたレーザ光ＬＢの光路をそれまでの水平方向から鉛直下方に曲げて集光ユニット１２に送る。

集光ユニット１２は、ベントミラー１６からの実質的に平行光で断面形状がほぼ円形のレーザ光ＬＢを内蔵の光学レンズにより集光して、被加工物Ｗ上にビームスポットＳＰを形成する。本発明によれば、集光ユニット１２において、被加工物Ｗとの距離間隔またはワークディスタンスを一定に保ったまま、ユニット１２内の簡単な調整機構を用いて、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように被加工物Ｗ上のビームスポットＳＰの形状ないしサイズを一方向（図の例では横方向）で任意に可変でき、たとえば縦横比を約１：１〜約１：１００の範囲内で任意に変えることができる。

図３〜図６に、本発明の一実施形態における集光ユニット１２の構成を示す。図３はユニット内部構造図（縦断面図）、図４はユニット正面図（底面図）、図５はユニット背面図（上面図）、図６は図３のＡ−Ａ矢視図である。

図３〜図６に示すように、この集光ユニット１２は、たとえばアルミニウムからなる略直方体形状の本体２４を有し、この本体２４の中心部を鉛直方向（光軸方向）に貫通する孔または空洞部２５内に２つのシリンドリカルレンズ２０，２２を上下に可変の距離間隔を空けて配置している。両シリンドリカルレンズ２０，２２は、たとえば合成石英あるいはＢＫ７材質からなる平凸シリンドリカルレンズであり、それぞれの平坦面を下（被加工物Ｗ側）に向けて、それぞれの円柱面の母線を互いに直交させて水平に配置される。

上方のシリンドリカルレンズ２０は、本体２４の上面から内奥に筒状に延在する固定レンズ保持部２７のフランジ部に載置され、対向する左右両端部にて上からレンズ押え部材２８を介してボルト３０により挟着保持される。レンズ押え部材２８は、このシリンドリカルレンズ２０の表面にキズなどの損傷を与えないテフロン（商標名）のような樹脂材で構成されてよい。

下方のシリンドリカルレンズ２２は、本体２４の空洞部２５内で鉛直方向（光軸方向）に移動可能な角筒状の可動レンズ保持部３４に保持される。より詳細には、シリンドリカルレンズ２２は、可動レンズ保持部３４の下部に形成されたフランジ部に載置され、対向する左右両端部にて上からテフロン製のレンズ押え部材３６を介してボルト３８により挟着保持される。可動レンズ保持部３４の上部は、空洞部２５の断面矩形に形成された上部内壁２５ａに沿って鉛直方向に擦動可能なガイド部３４ａを構成している。本体２４の一側面に形成された孔２３の奥に空洞部２５に通じるネジ孔３９が複数個形成されており、それらのネジ孔３９からネジ４０の先端を可動レンズ保持部３４のガイド部３４ａに当接させることで、可動レンズ保持部３４およびシリンドリカルレンズ２２を光軸上の所望の位置で固定できるようになっている。

可動レンズ保持部３４は、それよりも径が一回り大きい回転リング４２の上に支持されている。空洞部２５の下部は、矩形の上部内壁２５ａよりも径が一回り大きい断面円形に形成され、その内壁２５ｂにはねじ山（雌ねじ）４４が形成されている。回転リング４２の外周面には、空洞部２５の下部内壁２５ｂのねじ山４４と螺合するねじ山（雄ねじ）が形成されている。回転リング４２の下面には回転操作用のつまみを構成するボルト４６が取り付けられており、この回転操作つまみ４６を人が指で?んで回すと、たとえば時計回りでは回転リング４２が垂直上方へ送られ、それによって可動レンズ保持部３４およびシリンドリカルレンズ２２も垂直上方へ移動し、反時計回りでは回転リング４２が垂直下方へ送られ、それによって可動レンズ保持部３４およびシリンドリカルレンズ２２も垂直下方へ移動するようになっている。

回転リング４２の開口部には、下部シリンドリカルレンズ２２を外部（特に被加工物Ｗ側）の粉塵から遮断するための保護ガラス板４８がデルリンリング５０を介してネジリング５２により外側から着脱可能に取り付けられる。なお、ネジリング５２の外周面にはねじ山（雄ねじ）５４が形成され、回転リング４２の開口部の内周面にネジリング５２のねじ山５４と螺合するねじ山（雌ねじ）が形成されている。

本体２４の角隅部には、この集光ユニット１２をユニット支持部（図示せず）に取り付けるためのボルト（図示せず）を通す孔５６が形成されている。

図７および図８に、本発明の別の実施形態における集光ユニット１２の構成を示す。上記した第１の実施形態（図３〜図６）は、上述したように手動の回転操作によって可動型のシリンドリカルレンズ２２を鉛直方向（光軸方向）に移動させるものであった。これに対して、この第２の実施形態は、シリンドリカルレンズ２２の移動を人手を要することなく自動で行うものである。以下に、自動式に関係する部分を説明する。他の部分つまり手動式と共通する部分には同一の符号を附している。

この第２の実施形態では、本体２４の一側面に電気モータ６０が下向きに取り付けられ、この電気モータ６０の回転軸に原動プーリ６２が結合されるとともに、回転リング４２に従動プーリ６４が結合され、原動プーリ６２と従動プーリ６４との間に無端状のタイミングベルト６６が掛け渡される。ここで、原動プーリ６２と従動プーリ６４はそれぞれねじ歯車からなり、それらの外周面にはねじ山が形成されている。また、タイミングベルト６６の内側面には、両プーリ６２，６４のねじ山と螺合するねじ山が形成されている。従動プーリ６４は、回転リング４２よりも一回り大きな径を有し、底面のフランジ部６４ａにて回転リング４２に結合され、上部の円筒部は本体２４の下面に形成されている環状のガイド孔６８に軸方向で案内されるようになっている。

電気モータ６０が作動して、原動プーリ６２をたとえば時計回りに回転駆動すると、その回転駆動力がタイミングベルト６６を介して従動プーリ６４に伝達され、従動プーリ６４が回転リング４２と一体的に時計回りに回転しながら鉛直上方に移動し、それによって可動レンズ保持部３４およびシリンドリカルレンズ２２も垂直上方へ移動する。また、電気モータ６０が原動プーリ６２を反時計回りに回転駆動すると、その回転駆動力がタイミングベルト６６を介して従動プーリ６４に伝達され、従動プーリ６４が回転リング４２と一体的に反時計回りに回転しながら鉛直下方に移動し、それによって可動レンズ保持部３４およびシリンドリカルレンズ２２も垂直下方へ移動するようになっている。

なお、電気モータ６０は、たとえばサーボモータからなり、制御部（図示せず）の制御の下でシリンドリカルレンズ２２を鉛直方向（光軸方向）の所望の位置に位置決めできるようになっている。

ここで、図９および図１０につき、本発明における集光ユニット１２の光学的な作用（特に集光作用）を説明する。図９および図１０において、固定シリンドリカルレンズ２０の母線をＸ軸とし、可動シリンドリカルレンズ２２の母線をＸ軸に直交したＹ軸とする。

レーザ光源１０（図１）からのレーザ光ＬＢは、小さな拡がり角度θを有する断面円形の平行光であり、固定シリンドリカルレンズ２０を透過することにより、その母線方向であるＸ軸方向には屈折しないでＹ軸方向に屈折（収束）しながら、可動シリンドリカルレンズ２２に入射する。そして、レーザ光ＬＢは、可動シリンドリカルレンズ２２ではＹ軸方向に屈折せずにそのまま真直ぐ進み、図９の（ａ）および図１０の（ａ）に示すように固定シリンドリカルレンズ２０の焦点距離ｆ₂₀の位置にＹ軸方向の焦点を結ぶ。ここで、レーザ光ＬＢには拡がり角度θが存在するために、Ｙ軸方向には点状ではなく少し拡がりが生じる。この拡がりは、レーザ光源１０やレーザ光学系１４の特性によって決まり、通常１０μｍ〜４０μｍ程度にすることができる。この実施形態では、固定シリンドリカルレンズ２０の焦点付近に被加工物Ｗ上の加工ポイントが位置するようにワーキングディスタンスが設定される。

一方で、レーザ光ＬＢは、固定シリンドリカルレンズ２０を透過するときは上述したようにＸ軸方向には屈折しないで、拡がり角度θでもって可動シリンドリカルレンズ２２に入射し、可動シリンドリカルレンズ２２を透過することによりＸ軸方向に屈折（収束）して、焦点距離ｆ₂₂の位置にＸ軸方向の焦点を結ぶように進む。可動シリンドリカルレンズ２２が、その焦点距離ｆ₂₂を被加工物Ｗの加工ポイントとの距離間隔に一致させているとき、つまり基準位置Ｑに置かれているときは、図１０の（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢはＸ軸方向でもほぼオンフォーカスで被加工物Ｗの加工ポイントに集光する。しかし、被加工物Ｗの加工ポイントに対する可動シリンドリカルレンズ２２の距離間隔が可動シリンドリカルレンズ２２の焦点距離ｆ₂₂からオフセットしているときは、たとえば図９の（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向では焦点が合わずデフォーカスで被加工物Ｗの加工ポイントに集光する。この場合、被加工物Ｗの加工ポイントにおけるビームスポットＳＰは線状または帯状のパターンとなり、その長さ方向のサイズはオフセット量に比例する。

このように、この実施形態の集光ユニット１２は、ワークディスタンスの調整を要することなく、鉛直方向（光軸方向）における可動シリンドリカルレンズ２２の位置を可変調整するだけで、被加工物Ｗの加工ポイントに形成されるビームスポットＳＰの縦横比を任意に可変することができる。

もっとも、ワークディスタンスを可変調整することも可能である。つまり、被加工物Ｗの加工ポイントに対する固定シリンドリカルレンズ２０の距離間隔を焦点距離ｆ₂₀からオフセットさせることで、ビームスポットＳＰのサイズを縦方向で可変調整することも可能である。

なお、この実施形態では、可動レンズ保持部３４を回転不能で回転リング４２上に載せている。しかし、可動レンズ保持部３４を回転リング４２に固着し、回転リング４２と一体に回転移動するようにしてもよい。また、バネ部材（図示せず）によって可動レンズ保持部３４を回転リング４２側に付勢する構成も可能であり、その場合は集光ユニット１２を水平姿勢で使用することもできる。

次に、図１１を参照して、本発明の集光ユニットを用いたレーザ加工装置の具体例を説明する。このレーザ加工装置は、高出力である基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光から第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光を生成し、このＱスイッチＹＡＧレーザ光を被加工物Ｗに集光照射して、加工ポイントにメッキ層の選択的な剥離加工を施すものである。このＹＡＧ高調波のレーザ加工装置は、特に金（Ａｕ）系金属膜、銅（Ｃｕ）系金属膜、アルミニウム（Ａｌ）系金属膜等の剥離加工に有用である。

図１１において、レーザ発振器７０は、図１のレーザ光源１０に相当するものであり、ＹＡＧロッド７２と、このＹＡＧロッド７２に励起用の光を供給する電気光学励起部７４と、ＹＡＧロッド７２の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラー（全反射ミラー７６および出力ミラー７８）と、ＹＡＧロッド７２の光軸上に配置されたＱスイッチ８０および波長変換器８２とを有している。ＹＡＧロッド７２は、母材のＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）結晶に希土類活性イオン（Ｎｄ³⁺、Ｙｂ³⁺等）をドープしたものである。

ＹＡＧロッド７２は、電気光学励起部７４からの励起光の照射エネルギーによって励起される。この励起によりＹＡＧロッド７２の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラー７６と出力ミラー７８との間で閉じ込められて増幅され、基本波ＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）が生成される。

Ｑスイッチ８０はたとえば音響光学Ｑスイッチからなる。レーザ電源部８４内のＱスイッチ制御回路（図示せず）がＱスイッチドライバ８６を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ８０を駆動する。これにより、高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパルスのＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_Q（波長１０６４ｎｍ）が出力ミラー７８より出力される。このＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_Qの繰り返し周波数は、高周波電気信号を一時中断させるＱスイッチ周波数に相当する。

波長変換器８２は、異方性結晶または非線形結晶を有しており、その異方性結晶の非線型効果を利用することにより、出力ミラー７８からの基本波（波長１０６４ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_Qを第２高調波（波長５３２ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGに変換する。このＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGのビーム断面形状はほぼ円形である。

レーザ発振器７０より出力された第２高調波のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGは、光ファイバを介することなく空中を伝播してレーザ出射部８８のレーザ入射口８８ａまで伝送される。レーザ発振器７０のレーザ出射口からレーザ出射部８８のレーザ入射口８８ａまでのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー９０が設けられてよい。

制御部９２は、たとえばマイクロコンピュータおよび所要の周辺装置で構成されてよく、内蔵のメモリに格納されるプログラムやユーザにより設定入力される各種条件データ等に応じて、レーザ電源部８４を通じてレーザ発振動作を制御する。

レーザ出射部８８は、逆さＬ形の筒状筐体９４内にビームエキスパンダ１６、ベントミラー１８および集光ユニット１２を設けている。ビームエキスパンダ１６はレーザ入射口８８ａ付近に配置され、集光ユニット１２はレーザ出射口８８ｂ付近に配置される。レーザ出射口８８ｂの真下にはたとえばＸ−Ｙステージ９８が配置され、ステージ上に被加工部材Ｗが載置される。上述したように、レーザ出射口８８ｂと被加工部材Ｗの加工ポイントとの間の距離間隔またはワークディスタンスは、固定シリドリカルレンズ２０の焦点距離ｆ₂₀にほぼ一致するように設定されてよい。

このレーザ加工装置では、レーザ発振器７０で生成したビーム断面形状が円形の第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGをレーザ出射部８８に送り、レーザ出射部８８内で先ずビームエキスパンダ１６によりＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGのビーム径を拡大してから、集光ユニット１２によりＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGのビーム断面形状を線状あるいは帯状に整形してＸ−Ｙステージ９８上の被加工物Ｗ表面の加工ポイントに照射し、ＹＡＧ第２高調波のレーザエネルギーによってＡｕメッキ層等の剥離加工を行う。

ここで、図１２につき、上記レーザ加工装置の適用可能なメッキ層の選択的な剥離加工の一例を説明する。図１２の（ａ）は半導体チップを実装するＱＦＰ（Quad Flat Package）リードフレーム１００の平面図であり、図１２の（ｂ）は図１２の（ａ）の点線で囲んだ領域の拡大図である。

リードフレーム１００には半導体チップがマウントされるダイパッド１０２と多数のインナーリード１０４およびアウターリード１０６が形成されている。このリードフレーム１００の素材は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金、Ｃｕ−Ｆｅ−白金（Ｐｔ）合金等である。

このリードフレーム１００において、図１２の（ｂ）に拡大して示す金メッキされたアウターリード１０６の特定箇所の金メッキ層をこの実施例のレーザ加工装置（図１１）により選択的にレーザ剥離し、金メッキ層の剥離領域１０８を形成する。このレーザ剥離加工において、第２高調波のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGは、たとえばパワーが５ワット、パルス周波数が２０ｋＨｚ、パルス幅が１５ｎｓｅｃになるように設定される。この局所的な金メッキ層の剥離は、このリードフレーム１００を使用しモールド樹脂に封止して形成された半導体装置において、半導体装置の実装時に上記剥離領域においてハンダ付着が生じないようにし、モールド樹脂あるいはその内部に封止した半導体チップをハンダ損傷から保護するために必要とされるものである。

アウターリード１０６の線幅の寸法は１ｍｍ（典型的には０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）以下である。また、図１２の（ｂ）に示す剥離領域１０８の幅Ｋはユーザあるいは半導体装置の製品により異なり、たとえばＫ＝１ｍｍ〜１．５ｍｍと多様である。そこで、このレーザ加工装置において、集光ユニット１２により剥離領域１０８上に形成される線状ビームスポットＳＰの長さＫを適宜調整し、たとえばＬ＝１．３ｍｍ程度に合わせる。また、線状ビームスポットＳＰの幅（太さ）をたとえば１５μｍ程度にする。このビームスポット幅は、ビームエキスパンダ１６の倍率を調整することで、たとえば１０μｍ〜４０μｍ程度の範囲内で選定することができる。そして、Ｘ−Ｙステージ９８による水平移動走査を利用して、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGによる線状パターンの剥離加工を二次元方向に展開またはスキャニングして、所望の剥離領域１０８を形成することができる。

このレーザ加工装置で用いる第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGはＡｕやＣｕとの光学的結合が非常に高いという特徴がある。図１３に、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅのレーザ光波長吸収特性を示す。代表的なＹＡＧレーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（ω）は１０６４ｎｍである。このＹＡＧ基本波（ω）を、Ｆｅは比較的良好に吸収するが、ＡｕやＣｕは僅かしか吸収しない。したがって、上記の金メッキ層のレーザ剥離にＹＡＧ基本波（ω）のレーザ光を用いたならば、加工部Ｗへのエネルギー吸収が非常に難しく、無理にレーザパワーを上げるとリードフレームに損傷を与えてしまうこともあり、安定確実な選択的レーザ剥離は殆ど不可能である。ところが、ＡｕやＣｕは、ＹＡＧ基本波（ω）の高調波である第２高調波（２ω：５３２ｎｍ）、第３高調波（３ω：３５５ｎｍ）あるいは第４高調波（４ω：２６６ｎｍ）等では吸収率が急増する。そして、第２高調波（２ω：５３２ｎｍ）に対するＡｕの吸収率は５０％以上になる。ＹＡＧ基本波（ω）をよく吸収するといわれるＦｅの吸収率は、第２高調波（２ω：５３２ｎｍ）ではその増加は小さく４０％程度であり、逆にＡｕの吸収率よりも小さくなる。上記のようにＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｐｔ合金等を素材とするリードフレーム１００の吸収率は、Ｆｅのそれより更に小さく、その光学的結合はＡｕメッキ層よりも低い。

このようにして、このレーザ加工装置によれば、ＹＡＧ基本波（ω）の高調波である第２高調波（２ω：５３２ｎｍ）を用いることにより、Ａｕに比べて光学的結合の低いリードフレーム素材に対して損傷を与えることなく、金メッキ層の選択的なレーザ剥離を行うことができる。

また、このレーザ加工装置において、線状ビームスポットＳＰの長さを調整するには回転リング４２を手動または自動で回すだけでよく、集光ユニット１２と被加工物Ｗとの相対距離またはワークディスタンスを調整する必要がない。このことにより、多品種に対応するために線状ビームスポットＳＰの長さを変化させても、Ｘ−Ｙステージ９８の上下方向の調整は全く不要であり、金メッキ層のレーザ剥離加工において、多品種製品への対応が極めて間便／迅速に行えるようになる。

また、可動シリンドリカルレンズ２２は、その下（外側）に設けられる保護ガラス板４８によって外部からの例えばレーザ剥離物のスプラッシュ等の粉塵から保護される。保護ガラス板４８は着脱自在に取り付けられているために、新品との交換が簡便に行える。

上記のようなメッキ層のレーザ剥離は、ダイパッド１０２上の半導体チップの電極とインナーリード１０４とをワイヤボンディングするためにインナーリード１０４表面に形成するＡｕメッキ層の不要部分を選択的に除去する場合にも、全く同様に適用できる。また、その他に、電子部品のコネクタ端子表面の金メッキ層を選択的に除去する場合にも同様に適用できる。

次に、図１５につき、本発明のレーザ加工装置の別の例を説明する。このレーザ加工装置は、高出力である基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光から第２高調波（５３２ｎｍ）のパルス幅が１００μｍ以上（典型的には２〜３ｍｓ）になるロングパルスのレーザ光を生成し、この第２高調波のロングパルスＹＡＧレーザ光を線状ビームスポットＳＰに集光して被加工物Ｗに照射するものであり、比較的大きなレーザ入熱量を必要とするレーザ加工に適している。特に、基本波長（１０６４ｎｍ）との光学的結合性の低いＡｕ系素材、Ｃｕ系素材、Ａｌ系素材の溶接加工に有用である。

このレーザ加工装置は、図１５に示すように、第２高調波ロングパルスＹＡＧレーザ光を発生するレーザ発振器１１０、光ファイバからなる光伝送部１１２、第２高調波ロングパルスＹＡＧレーザ光を被加工物Ｗに集光照射するレーザ出射部１１４から構成される。

レーザ発振器１１０は、支持台（図示せず）上に直線配列型で一対の終端ミラー１１６，１１８、固体レーザ活性媒質１２０、波長変換結晶１２２、偏光素子１２４および高調波分離出力ミラー１２６を配置している。

両終端ミラー１１６，１１８は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー１１６の反射面１１６ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー１１８の反射面１１８ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされるとともに、第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。

活性媒質１２０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー１１６寄りに配置され、電気光学励起部１２８によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部１２８は、活性媒質１２０に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプあるいはレーザダイオード）を有し、この励起光源をレーザ電源部１３０からの励起電流（パルス電流）でパルス点灯駆動することにより、活性媒質１２０を持続的または断続的にポンピングする。なお、レーザ電源部１３０は制御部１３２の制御の下で電気光学励起部１２８を駆動する。活性媒質１２０で生成される基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢcwは、終端ミラー１１６，１１８の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー（光共振器）１１６，１１８、活性媒質１２０および電気光学励起部１２８によって基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームまたはレーザ光ＬＢcwを生成するレーザ発振器が構成される。

偏光素子１２４は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質１２０からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質１２０からの基本波長の光ビームＬＢcwのうち、Ｐ偏光は偏光素子１２４をまっすぐ透過して波長変換結晶１２２に入射し、Ｓ偏光は偏光素子１２４で所定の方向に向けて反射するようになっている。ここで、Ｐ偏光およびＳ偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分（電界成分）である。たとえば、Ｐ偏向は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、Ｓ偏向は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長（１０６４ｎｍ）においてＰ偏光透過率は略１００％でＳ偏光反射率は略１００％であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。

波長変換結晶１２２は、たとえば非線形光学結晶であるＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶からなり、他方の終端ミラー１１８寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線形光学作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。

波長変換結晶１２２より終端ミラー１１８側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、終端ミラー１１８で戻されて、波長変換結晶１２２を通り抜ける。波長変換結晶１２２より終端ミラー１１８の反対側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５°）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー１２６に入射し、このミラー１２６で所定の方向に反射または分離出力されるようになっている。そして、高調波分離出力ミラー１２６より分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧは、ベントミラー１３４で光軸を曲げられて光伝送部１１２の入射ユニット１３６へ向けられる。

入射ユニット１３６は集光レンズ１３８を内蔵しており、ベントミラー１３４からの第２高調波の光ビームＳＨＧを集光レンズ１３８により集束して光ファイバ１４０の一端面（入射端面）に入射させる。光ファイバ１４０は、第２高調波の光ビームＳＨＧをレーザ出射部１１４まで伝送する。

レーザ出射部１１４には、コリメートレンズ１４２と集光ユニット１２が設けられている。コリメートレンズ１４２は、光ファイバ１４０の他端面より放射状に出射された第２高調波の光ビームＳＨＧを平行光にする。集光ユニット１２は、コリメートレンズ１４２からの平行光の第２高調波の光ビームＳＨＧをビームスポットＳＰに集光して被加工物Ｗの加工ポイントに照射する。これにより、加工ポイントにビームスポットＳＰの形状に応じたパターンのスポット溶接部が形成される。

このレーザ加工装置でも、レーザ出射部１１４の集光ユニット１２において上記のような調整機構により線状（あるいは帯状）のビームスポットＳＰの形状、特に長さを調整することができる。

このレーザ加工装置のレーザ発振器１１０では、第２高調波の光ビームＳＨＧすなわちＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧについてパワーフィードバック制御を行うために、ベントミラー１３４の背後に漏れたＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの漏れ光Ｍ_SHG を受光する受光素子またはフォトセンサ１４４が配置されている。測定回路１４６は、フォトセンサ１４４の出力信号を基に第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力測定値を表す電気信号（レーザ出力測定値信号）を生成する。制御部１３２は、測定回路１４６からのレーザ出力測定値信号を基準値または基準波形と比較し、比較誤差に応じてたとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式の制御信号を生成する。レーザ電源部１３０は、制御部１３２からの制御信号に応じてスイッチング素子をスイッチング動作させ、電気光学励起部１２８に供給する励起電流のパルス幅および電流値を制御する。

ここで、図１４および図１５につき、このレーザ加工装置を用いる溶接加工の一例を説明する。

図１５に示すように、銅製部材１４８に肉厚１ｍｍ程度の銅板１５０を溶接するものとする。この溶接加工においては、図１５の（ａ）に示すように、初めに仮溶接のために複数の仮留め部位に略円形のビームスポットＳＰとなるように第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを照射し、各箇所に点状パターンの溶接部１５２を形成する。この点状溶接部１５２により、被溶接材の銅製部材１４８と銅板１５０とを所望の位置関係で仮留めすることができる。この点状溶接に際しては、集光ユニット１２において可動シリンドリカルレンズ２２の位置を基準位置Ｑ（図１０）付近に合わせてよい。

この仮溶接を行った後に、図１５の（ｂ）に示すように本溶接を行う。この本溶接では、帯状パターンの溶接部１５４を形成して、銅製部材１４８に銅板１５０を最終的に溶融接合させる。この帯状溶接に際しては、集光ユニット１２において可動シリンドリカルレンズ２２の位置を基準位置Ｑから適当にオフセットした位置（図９）に合わせてよい。

上記のように、自動式の集光ユニット１２（図７、図８）においては、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのビームスポットＳＰの形状を自動的に円形状から帯状に（あるいはその逆に）瞬時に切り替えられる。これにより、従来のシーム溶接と比較して溶接作業の効率が格段に向上する。

なお、帯状溶接部１５４と点状溶接部１５２との位置合わせの微調整を簡便に行うために、Ｘ−Ｙステージ９８やガルバノメータ等を用いてよい。

また、上記レーザ加工装置では、ロングパルスの第２高調波ＹＡＧレーザ光ＳＨＧのレーザパワーを任意に可変制御することができる。図１６に、レーザ出力波形制御の一例を示す。パワーフィードバック方式でレーザパワー、パルス幅、パルス波形等を任意に設定・制御することができる。

また、本発明では、レーザ光ＬＢに必ずしも高調波を用いる必要はない。たとえば、被加工部材ＷがＣｕ、Ａｕ、Ａｌ系以外の金属材料からなる場合は、通常のＹＡＧ基本波あるいは炭酸ガスレーザ光を用いるのが好ましい。

以上、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

たとえば、上記実施形態の集光ユニット１２において、上部シリンドリカルレンズ２０の方を鉛直方向（光軸方向）に移動できるように構成し、下部シリンドリカルレンズ２２の方を固定してもよい。また、両シリンドリカルレンズ２０，２２の湾曲面を共に被加工物側に向けてレーザ光軸上に配置することも可能である。

また、レーザ発振器７０，１１０より集光ユニット１２に与えるＹＡＧレーザの高調波としては、第２高調波の他に、第３高調波あるいは第４高調波等も可能である。

また、上記実施形態ではレーザ剥離およびレーザ溶接の場合について説明しているが、本発明のレーザ集光ユニットを用いたレーザ加工装置は被加工部材のトリミング、リペア、マーキング、ハンダ付け、穴あけのレーザ加工にも同様に適用できる。

本発明のレーザ集光ユニットを用いたレーザ加工装置の全体構成を模式的に示す図である。 本発明のレーザ集光ユニットで得られるビームスポットの断面形状である。 一実施形態によるレーザ集光ユニットの内部構造を示す縦断面図である。 上記レーザ集光ユニットの底面図である。 上記レーザ集光ユニットの上面図である。 図３のＸ−Ｘ矢視図である。 別の実施形態によるレーザ集光ユニットの内部構造を示す縦断面図である。 上記レーザ集光ユニットの底面図である。 本発明におけるレーザ集光ユニットの作用を説明するための図である。 本発明におけるレーザ集光ユニットの作用を説明するための図である。 一実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 実施形態におけるＡｕメッキ層のレーザ剥離を説明するためのリードフレームの平面図である。 Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅの波長吸収特性を示す図である。 別の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 実施形態におけるＣｕ系の被加工物に対するレーザ溶接加工を説明するための図である。 実施形態におけるＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力波形の一例を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
１２ レーザ集光ユニット
１４ レーザ光学系
１６ ビームエキスパンダ
２０ 固定シリンドリカルレンズ
２２ 可動シリンドリカルレンズ
２４ 本体
２５ 空洞部
２７ 固定レンズ保持部
３４ 可動レンズ保持部
４２ 回転リング
４６ 回転操作つまみ
４８ 保護ガラス板
６０ 電気モータ
６２ 原動プーリ
６４ 従動プーリ
６６ タイミングベルト
７０，１１０ レーザ発振器
８８，１１４ レーザ出射部
９８ Ｘ−Ｙステージ
１００ リードフレーム
１０６ アウターリード
１０８ 剥離領域
１１２ 光伝送部
１４０ 光ファイバ
１４２ コリメートレンズ
１４８ 銅製部材
１５０ 銅板

Claims (20)

1. 所定のレーザ照射位置にレーザ光を集光するためのレーザ集光ユニットであって、
   前記レーザ照射位置と一定の距離を置いて前記レーザ光の光軸上に配置される第１のシリンドリカルレンズと、
   前記第１のシリンドリカルレンズと直交し、前記レーザ照射位置と可変の距離を置いて前記レーザ光軸上に配置される第２のシリンドリカルレンズと、
   前記レーザ光のビームスポットサイズを所定の一方向で可変調整するために前記レーザ光軸上で前記第２のシリンドリカルレンズを移動させるレンズ移動手段と
   を有するレーザ集光ユニット。
2. 前記第１および第２のシリンドリカルレンズが共に平坦面を前記レーザ照射位置側に向けた平凸シリンドリカルレンズである請求項１に記載のレーザ集光ユニット。
3. 前記第１および第２のシリンドリカルレンズが共に湾曲面を前記レーザ照射位置側に向けた平凸シリンドリカルレンズである請求項１に記載のレーザ集光ユニット。
4. 前記レーザ照射位置が、前記第１のシリンドリカルレンズの焦点位置の近傍に設定される請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ集光ユニット。
5. 前記第１および第２のシリンドリカルレンズがそれぞれ水平に配置され、前記レーザ光が両シリンドリカルレンズを鉛直下方に通って前記レーザ照射位置に集光される請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ集光ユニット。
6. 前記レンズ移動手段が、前記光軸の周りに回転可能な回転部材と、前記回転部材の回転運動を前記第２のシリンドリカルレンズの前記レーザ光軸上の並進運動に変換する送りねじ機構とを有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ集光ユニット。
7. 前記レンズ移動手段が、前記回転部材を手動で回すための操作摘みを有する請求項６に記載のレーザ集光ユニット。
8. 前記レンズ移動手段が、電気モータと、この電気モータの回転駆動力を前記回転部材に伝達する伝動手段とを有する請求項６に記載のレーザ集光ユニット。
9. 前記伝動手段が、前記電気モータの回転軸に結合された原動プーリと、前記回転部材に結合された従動プーリと、前記原動プーリと前記従動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトとを有する請求項８に記載のレーザ集光ユニット。
10. 前記原動プーリおよび従動プーリがそれぞれねじ歯車からなり、前記ベルトが前記ねじ歯車と螺合するねじ歯を有し、前記電気モータの回転駆動によって前記従動プーリが前記レーザ光軸上で移動する請求項９に記載のレーザ集光ユニット。
11. 前記第２のシリンドリカルレンズを前記レーザ光軸上の所望の位置で固定するための固定手段を有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ集光ユニット。
12. レーザ加工用のレーザ光を発振出力するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器からの前記レーザ光を被加工物上に設定された前記レーザ照射位置に集光する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ集光ユニットと
    を有するレーザ加工装置。
13. 前記レーザ光のビーム径を拡大するために前記レーザ発振器と前記レーザ集光ユニットとの間のレーザ光軸上に配置されたビームエキスパンダを有する請求項１２に記載のレーザ加工装置。
14. 前記レーザ発振器より出力された前記レーザ光を前記レーザ集光ユニットまで伝送するための光ファイバを有する請求項１２または請求項１３に記載のレーザ加工装置。
15. 前記レーザ発振器が、ＹＡＧレーザ光を発振出力するＹＡＧレーザ発振器からなる請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
16. 前記ＹＡＧレーザ発振器がＱスイッチパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を出力し、前記レーザ集光ユニットが前記Ｑスイッチパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を前記被加工物表面の金属膜上に集光して、前記金属膜をＹＡＧ高調波のレーザエネルギーで剥離する請求項１５に記載のレーザ加工装置。
17. 前記金属膜がＡｕ系の金属からなる請求項１６に記載のレーザ加工装置。
18. 前記被加工物がリードフレームあるいは電子部品のコネクタ端子であり、前記金属膜がＡｕメッキ層である請求項１７に記載のレーザ加工装置。
19. 前記レーザ発振器が、ロングパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を出力し、前記レーザ集光ユニットが前記ロングパルスの高調波ＹＡＧレーザ光を前記被加工物の溶接部に集光して、前記溶接部をＹＡＧ高調波のレーザエネルギーで溶融接合する請求項１５に記載のレーザ加工装置。
20. 前記被加工物がＡｕ系、Ｃｕ系あるいはＡｌ系金属からなる請求項１９に記載のレーザ加工装置。
    
    
    
    

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