DE10149559B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung einer gedruckten Verdrahtungsplatte - Google Patents
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Abstract
Description
- TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
- Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bohren gedruckter Verdrahtungsplatten mit Laserlicht. Insbesondere betrifft sie das Bohren blinder Bohrungen zum Herstellen einer Verbindung zwischen oberen leitfähigen Schichten und unteren leitfähigen Schichten.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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17 zeigt ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum Bohren mit Laserlicht. Bei diesem Laserbohrsystem wird ein von einem Laserkopf1 emittierter Laserstrahl2 durch einen Kollimator gebündelt und vergrößert oder verkleinert und dann zum Bohren durch eine Öffnung4 auf einen geeigneten Durchmesser gebracht. Der geformte Laserstrahl2 wird durch einen Eckspiegel5 und einen Spiegel14 in einem Bearbeitungskopf Z und dann durch zwei Galvanometerspiegel15 a,15 b auf eine f-θ-Linse16 reflektiert. Der Laserstrahl2 wird durch die Galvanometerspiegel15 a,15 b positioniert und trifft durch die f-θ-Linse vertikal auf einer Bearbeitungsoberfläche auf. Die Bearbeitung wird an jedem durch die Größe der f-θ-Linse16 definierten Bearbeitungsbereich18 ausgeführt, und der Bereich wird durch eine (nicht dargestellte) X-Y-Tabelle nacheinander von18 1 nach18 N bewegt. -
18 zeigt die Wirkungen des Kollimators3 und der Öffnung4 . Die Diagramme im unteren Teil dieser Figur zeigen Verteilungsbeziehungen zwischen der Laserlichtleistung (Ordinate) und radialen Positionen im Laserstrahl (Abszisse). Da die räumliche Energieverteilung (d. h. Leistungsverteilung) am Ausgangsfenster des Laserkopfs1 im allgemeinen eine Gauss'sche Verteilung ist, ist die räumliche Energieverteilung des den Kollimator3 durchlaufenden Laserstrahls ebenfalls eine Gauss'sche Verteilung. Die Größe des Laserstrahls kann durch Vergrößerungen (Vergrößerungsverhältnisse oder Verkleinerungsverhältnisse) des Kollimators3 verändert werden. Dies bedeutet, daß der Durchmesser des Laserstrahls klein wird und die räumliche Energieverteilung ein hohes Energiedichteprofil (d. h. Leistungsdichteprofil) mit der in18a gezeigten ”Verteilung a'” (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die Vergrößerung gering ist, und daß der Durchmesser des Laserstrahls groß wird und die räumliche Energieverteilung ein niedriges Energiedichteprofil (d. h. Leistungsdichteprofil) mit der in18a gezeigten ”Verteilung b'” (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die Vergrößerung stark ist. - Insbesondere kann bei einem größeren Durchmesser der Öffnung
4 der Boden einer erzeugten Bohrung (d. h. die Oberfläche einer inneren leitfähigen Schicht) beschädigt werden, da die Energie in der Mitte konzentriert ist. Daher wird eine ”Verteilung A'” (durchgehende Linie) oder eine ”Verteilung B'” (durchgehende Linie) eingestellt, um Beschädigungen durch Herausschneiden eines mittleren Teils des Strahls, der ein verhältnismäßig homogener Teil der Energieverteilung ist, mittels der geeigneten Öffnung4 zu vermeiden. Im folgenden wird eine vollständige räumliche Energieverteilung, die durch Entfernen der Öffnung4 aus dem optischen Pfad erhalten wird, als ”Verteilung C'” bezeichnet. -
18b zeigt andererseits eine räumliche Energieverteilung bei der Verwendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung30 im optischen Pfad. Die räumliche Energieverteilung wird durch die Strahlenhomogenisiervorrichtung30 in Rechteckform gebracht, durch den Kollimator3 verkleinert oder vergrößert (”Verteilung a” (gestrichelte Linie) oder ”Verteilung b” (gestrichelte Linie) gemäß18b ), dann mit einer Öffnung4 herausgeschnitten und hochgradig homogenisiert (”Verteilung A” (durchgehende Linie) oder ”Verteilung B” (durchgehende Linie) gemäß18b ). Im folgenden werden diese rechteckigen Verteilungen als ”haubenförmige” Verteilungen bezeichnet, und eine durch Entfernen der Öffnung4 aus dem optischen Pfad mit der Strahlenhomogenisiervorrichtung30 erhaltene vollständige, räumliche Energieverteilung wird als ”Verteilung C” bezeichnet. Als Strahlenhomogenisiervorrichtung30 können verschiedene im Handel erhältliche Produkte, wie ein asphärisches Linsensystem oder ein diffraktives optisches System, verwendet werden. - Typische Konstruktionen von gedruckten Verdrahtungsplatten sind ein ”Glas enthaltendes Substrat” (ein FR-4-Substrat), das ein geschichtetes Substrat aus einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer Schicht oder Schichten aus einem Glasfasern enthaltenden Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und dessen Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, ein ”RCC-Substrat”, das ein geschichtetes Substrat aus einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer Schicht oder Schichten aus Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und dessen Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, und ein ”Direktharzsubstrat”, dessen leitfähige Schicht mit einer Harzschicht überzogen ist. Als Harz werden hauptsächlich Epoxid oder Polyimid verwendet. Statt Glasfasern werden gelegentlich Keramikmaterialien verwendet, um die Harzschicht zu verstärken.
- Die folgenden Bohrverfahren mit einem CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm sind allgemein bekannt. Ein ”CO2-Direktharzverfahren” bezeichnetes Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Direktharzsubstrats wurde in ”GENERATING SMALL HOLES FOR IBMs NEW LSI PACKAGE DESIGN” in ”IPC Technical Review”, Seiten 12–15, April 1982 offenbart und in der Praxis angewendet. Ein Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Glas enthaltenden Substrats mit einem CO2-Laser nach der vorherigen Erzeugung eines Fensters durch chemisches Ätzen oder Bohren wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr.
JP 58-64097 A1 US-Patent Nr. 5,010,232 offenbart. - Überdies wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr.
JP 01-266983 A1 - Es ist jedoch bekannt, daß nach dem CO2-Laserbohren eine (als ”Smear” bzw. ”Rückstand” bezeichnete) dünne Restharzschicht mit einer Dicke (tc) im Bereich von 0,2–3 μm auf dem Boden der Bohrung, anders ausgedruckt, unmittelbar auf der leitfähigen Schicht, verbleibt. Überdies haben wir herausgefunden, daß die Dicke tc selbst dann nicht verändert werden kann, wenn die Energiedichten oder die Anzahl der abgegebenen CO2-Laserpulse unterschiedlich verändert werden.
- Das Folgende sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache des Verbleibs. Das CO2-Laserbohren ist ein Verfahren, bei dem der thermische Zerfall der Harzschicht bei einer durch die Absorption des Infrarotlaserlichts gesteigerten Temperatur genutzt wird. Da die Wärmeleitfähigkeit der beispielsweise aus Kupfer bestehenden (inneren) leitfähigen Schicht 1000 Mal höher als die der Harzschicht ist, beginnt daher die Wärmeenergie in die innere leitfähige Schicht zu fließen, wenn die Harzschicht dünn wird. Daher kann die Temperatur der Harzschicht bei einer dünnen Restschicht nicht auf die Zerfallstemperatur ansteigen, und dementsprechend verbleibt die Restschicht mit einer Dicke von 0,2–3 μm.
- Wenn die Schicht verbleibt, ist ein chemischer Prozeß zur Entfernung des Rückstands zum Entfernen der Restschicht unverzichtbar, der Schritte zum Vorbehandeln, Spülen, Kochen, Kühlen, Spülen, Aufquellen, Spülen, Entfernen des Rückstands durch Oxidation, Spülen, Neutralisieren, Spülen, Trocknen, etc. umfaßt. Bei diesem chemischen Prozeß zur Entfernung des Rückstands ist die Benetzbarkeit in den Bohrungen bei Bohrungsdurchmessern von weniger als 100 μm gering, d. h. die Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands kann nur schwer tief in die Bohrungen gelangen, und dadurch wird die Zuverlässigkeit des Prozesses verringert. Überdies tritt das Problem auf, daß die Durchmesser der Bohrungen beim Bohren mit einem CO2-Laser normalerweise maximal 10 μm größer werden, da die Seiten der Bohrungen durch die Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands ebenfalls um 3–5 μm abgetragen werden, obwohl der Zweck des Prozesses zur Entfernung des Rückstands das Entfernen der Restschicht auf dem Boden ist.
- Andererseits wurde in ”Excimer Lasers: An Emerging Technology in the Electronics Industry” im ”IPC Technical Review”, Seiten 16–20, November 1987 ein als ”UV-Direktharzverfahren” bezeichnetes Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Direktharzsubstrats mit einem UV-Laser offenbart und in der Praxis eingesetzt. Ein Verfahren zur Erzeugung einer Bohrung in einem geschichteten Substrat aus leitfähigen Schichten und Harzschichten nur mit einem UV-Laser wurde im
US-Patent Nr. 5,593,606 offenbart. - Bei dem UV-Laser, der sich von dem CO2-Laserverfahren unterscheidet, existiert keine Restschicht auf den Böden von Bohrungen. Wird jedoch genug Energie zum Erhalt einer praktischen Bearbeitungsgeschwindigkeit verwendet, wird die Oberfläche der leitfähigen Schicht auch durch die überschüssige Energie geglättet, und die auf der Platte fest ausgebildete Oberflächenrauhigkeit wird geschmolzen und zu einer gleichförmigen Oberfläche zersetzt. Insbesondere bei der Verwendung eines UV-Lasers mit Wellenlängenumwandlung, dessen Wellenlänge durch ein nicht lineares optisches Element umgewandelt wird, und dergleichen, wird die Oberfläche der untersten leitfähigen Schicht leicht beschädigt, da es schwierig ist, die Pulsenergie bei der Verarbeitung zu verändern und die Variation der Dicke der Harzschichten im Vergleich zur Dicke der Harzschicht von 65 μm eine Größe von 20 μm aufweist. Da die Lichtenergie, die den Boden der Durchgangsbohrung erreicht, überdies gesteigert wird, wenn der Energieabsorptionskoeffizient der Harzschicht gering ist, wird die gespeicherte Lichtenergie unmittelbar über der leitfähigen Schicht gesteigert. Da das Harz auf dem Boden einer Durchgangsbohrung durch die gespeicherte Energie abgebaut und verdampft wird, wird daher die Harzschicht auf der Bodenkante durch die Dampfenergie abgeschält. Diese Schäden können durch Verringern der Lichtpulsenergie vermieden werden, doch die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird verringert, da die Anzahl der abgegebenen Pulse gesteigert werden muß.
- Bei der Verarbeitung eines Glas enthaltenden Substrats mit einem UV-Laser wird nicht nur die Oberfläche der leitfähigen Schicht durch die überschüssige Energie geglättet, sondern es wird auch die Seitenwand der Durchgangsbohrung in eine Faßform gebracht, und die Glasfasern stehen vor.
- Folgendes sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache der überschüssigen Energie. Die Energieabsorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 355 nm im UV-Lichtbereich sind wie folgt: Epoxid: 30–80%, Kupfer: über 70–75%, Glas: ca. 20%. Die Wärmeleitungskoeffizienten sind wie folgt: Epoxid:0,8–0,85 Wm–1K–1, Kupfer: 386 Wm–1K–1, Glas: 1,04–1,09 Wm–1K–1. Diese Daten zeigen die sehr großen Unterschiede zwischen den Materialien. Da ca. 80% der aufgebrachten Laserenergie in der Durchgangsbohrung gespeichert werden, indem sie reflektiert oder gestreut werden, wird daher insbesondere bei Pulsperioden von weniger als 3,3 ms (bei Pulswiederholungsraten von mehr als 3 kHz) die Harzseitenwand der Durchgangsbohrung wie ein Faß aufgewölbt, und die Glasfasern ragen vor, wodurch die Zuverlässigkeit des Prozesses verschlechtert wird.
- Da überdies die Laserverarbeitungsenergie beim Bohren in der leitfähigen Schicht selbst bei einem RCC-Substrat, dessen Harzschicht keine Glasfasern enthält, höher als 3 J/cm2 ist, erschweren die Unterschiede zwischen den Materialeigenschaften bei UV-Licht die Steuerung der Wärmebedingungen, und die Bodenfläche der leitfähigen Schicht wird beschädigt. Daher ist es schwierig, eine praxistaugliche Qualität der Bohrungen zu erzielen.
- Da die räumliche Energieverteilung des UV-Lasersstrahls, wie in
18a gezeigt, die Verteilung A' oder C' ist, wird zudem eine Rauhigkeit auf dem Boden erzeugt, und die zur Entfernung der Restschicht erforderliche Zeit wird länger oder die Bodenfläche der leitfähigen Schicht wird teilweise beschädigt. - Ein Verfahren zum Verhindern der Beschädigung der Bodenfläche der leitfähigen Schicht ist beispielsweise in ”Laser Ablation to sono-ouyoh”, Corona Publishing Co., Ltd., 1999, S. 146, 11.6–13 offenbart, die ein selektives Ätzverfahren für die Harzschicht durch Einstellen der Energiedichte des Laserlichts für die Bearbeitung auf einen höheren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht und einen niedrigeren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der leitfähigen Schicht aufzeigt.
- Hierbei ist der Schwellenwert der Zerfallsenergie die Energiedichte des aufgebrachten Laserlichts, die zum Einleiten eines Ablationsprozesses erforderlich ist, der ein Zerfalls-, Schmelz- oder Verdampfungsprozeß durch Laserlicht ist. Die Energiedichte des aufgebrachten Laserlichts ist ein Produkt der aufgebrachten Leistungsdichte und der (als Fluenz bezeichneten) Pulsbreite.
- Andererseits wurde in dem
japanischen Patent Nr. 2983481 - Die
JP 08323488A - Die
EP 0544398A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Kompositstrukturen. Unterschiedliche Materialien werden mit unterschiedlichen Laserstrahlen bearbeitet. - Die
US6037103 beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines Lochs in einer Leiterplatte. Unterschiedliche Laser wie Co2-Laser, YAG-Laser oder KrF-Excimer-Laser können verwendet werden. - Die
US 4789770 beschreibt ein Laserbohrsystem mit Tiefensteuerung, das CO2-Laser verwendet. Das Bohren mit kurzen Wellenlängen wird bevorzugt. - Die
JP 11254171 - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein zum Bohren von Bohrungen und zum Entfernen der Restschichten durch Verändern der Energiedichten von Laser und der Wellenlängen geeignetes System zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst.
- Es werden mindestens zwei Laserpfade erzeugt, die räumlichen Energieverteilungen werden durch die Homogenisiereinheiten in den Pfaden haubenförmig eingestellt, und die Durchmesser und die Energiedichten werden unabhängig eingestellt. Wenn die Pfade beispielsweise durch eine akusto-optische Ablenkeinrichtung von einem Laserkopf umgeschaltet werden, ist dies zur Einsparung von Raum gut. Sind überdies die Pfade an einer gemeinsamen Achse in der Nähe der Oberfläche eines Substrats ausgerichtet, wird die Verarbeitungszeit verkürzt, da die Tabelle für das Substrat zum Zeitpunkts des Umschaltens des Pfads nicht notwendigerweise bewegt wird.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems; -
2a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat zeigt; -
2b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß2a ; -
3a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat zeigt; -
3b ist ein Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß3(a) ; -
4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems; -
5a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige Bearbeitung bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt; -
5b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bearbeitung mit wiederholten Pulsen bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt; -
5c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und einen Prozeß zur Entfernung einer Restschicht in einem Glas enthaltenden Substrat zeigt; -
6a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß5a ; -
6b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2-Laserpulse für den Prozeß gemäß5b ; -
6c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß5c ; -
7a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige Bearbeitung bei einem RCC-Substrat zeigt; -
7b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bearbeitung durch wiederholte Pulse bei einem RCC-Substrat zeigt; -
7c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem RCC-Substrat zeigt; -
8a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß7a ; -
8b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2-Laserpulse für den Prozeß gemäß7b ; -
8c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß7c ; -
9a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Glas enthaltenden Direktharzsubstrats zeigt; -
9b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2-Laserpulse für den Prozeß gemäß9a ; -
9c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Glas enthaltenden Direktharzsubstrat zeigt; -
9d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß9c ; -
10a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats zeigt; -
10b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2-Laserpulse für den Prozeß gemäß10a ; -
10c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einen Direktharzsubstrat zeigt; -
10d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß10c ; -
11a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats zeigt; -
11b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß11a ; -
11c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Direktharzsubstrat zeigt; -
11d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß11c ; -
12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems; -
13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem RCC-Substrat zeigt; -
13b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß13a ; -
14a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat zeigt; -
14b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß14a ; -
15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems; -
16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems; -
17 ist ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum Bohren mit Laserlicht; -
18a ist ein schematisches Diagramm, das die Wirkung des Kollimators3 und der Öffnung4 zeigt; und -
18b ist ein schematisches Diagramm, das eine räumliche Energieverteilung bei der Verwendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung30 entlang des optischen Pfads zeigt. - GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- (Ausführungsform 1 der Vorrichtung)
-
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems. Ein polarisierender, Q-geschalteter YVO4-Laserkopf, dessen Wellenlänge von einem nicht linearen optischen Element LBO (LiB3O5) in die dritten Harmonien (355 nm) umgewandelt wurde und dessen Wiederholungsfrequenzbereich 10–100 kHz betrug, wurde als UV-Laserkopf1 verwendet. Der Laserkopf ist so plaziert, daß der Vektor des elektrischen Felds des Laserstrahls2 parallel zu einem Zeichnungsblatt eingestellt ist (”P-Polarisierung”). Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung6 ist entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls2 angeordnet. Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung weist im allgemeinen ein mit einem piezoelektrischen Element verbundenes akusto-optisches Element auf und wird verwendet, um einen auftreffenden Lichtstrahl mit den durch Anlegen einer RF-Spannung an das piezoelektrische Element erzeugten Ultraschallwellenfronten durch eine Bragg-Diffraktion abzulenken. Die Richtung des Laserstrahls2 wird durch die akusto-optische Ablenkvorrichtung6 aus der geraden Richtung2 k in die abgelenkte Richtung2 i verändert. Der abgelenkte Laserstrahl2 i wird durch eine Strahlenhomogenisiereinheit30 i homogenisiert, so daß es eine haubenförmige räumliche Energieverteilung aufweist, durch einen Kollimator3 i gebündelt und vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung4 i auf einen geeigneten Durchmesser für eine Bearbeitung gebracht. Dann wird der Laserstrahl2 i durch einen Eckspiegel5 i reflektiert, und die Polarisation wird durch eine Halbwellenplatte11 so gedreht, daß der Vektor des elektrischen Felds des Laserstrahls2 i senkrecht zu dem Zeichnungsblatt eingestellt wird (”S-Polarisierung”). Als nächstes wird der Laserstrahl2 i durch eine polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung10 reflektiert, die ein invers betätigter, polarisierender Strahlenteiler10 ist und P-polarisiertes Licht überträgt und S-polarisiertes Licht reflektiert. Dann wird der Laserstrahl2 i durch einen Eckspiegel5 k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z, der zwei Galvanometerspiegel und eine f-θ-Linse enthält, wie in17 gezeigt. Schließlich wird der Laserstrahl2 i durch die Galvanometerspiegel positioniert und durch die f-θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrats auf. - Andererseits wird der übertragene Laserstrahl
2 k durch eine Strahlenhomogenisiereinheit30 k so homogenisiert, daß er eine haubenförmige räumliche Energieverteilung aufweist, durch einen Kollimator3 k gebündelt und vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung4 k auf einen für eine Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht. Dann wird der Laserstrahl2 k durch die polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung10 übertragen, da der Laserstrahl2 k P-polarisiert ist (Pk), und der Laserstrahl2 k wird durch einen Eckspiegel5 k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z. Schließlich wird der Laserstrahl2 k durch die Galvanometerspiegel polarisiert und durch die f-θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrats auf. Bei diesem Beispiel bewegen sich die Laserstrahlen (2 i und2 k) nach dem Passieren der polarisierenden Strahlenkombiniervorrichtung10 längs einem gemeinsamen optischen Pfad. - Für eine Bearbeitung geeignete, räumliche Energieverteilungen Ai und Bk können durch Einstellen von Vergrößerungen Mi und Mk der Kollimatoren
3 i und3 k erhalten werden, wobei die Durchmesser der Öffnungen konstant gehalten werden (siehe18b ). Überdies kann durch Entfernen der Öffnung4 i aus dem optischen Pfand der vollständige Ausgang mit der Verteilung Ci erhalten werden. - Dies ist eine sehr stark vereinfachte Ausführung einer Vorrichtung mit zwei optischen. Pfaden für die Bearbeitung, deren jeweilige Energieverteilungseinstellungen im wesentlichen unabhängig sind. Daher wird die Vorrichtung kompakt. Zudem wird bei einem herkömmlichen System durch eine Ablenkvorrichtung, wie eine akusto-optische, übertragenes Licht in einen Strahlen-Dumper geleitet und als Wärme abgeleitet, bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform jedoch effizient genutzt. Da sich die Laserstrahlen auf den beiden Pfaden nach Erreichen des Eckspiegels
5 k den gleichen optischen Pfad entlang bewegen, ist überdies bei der aufeinanderfolgenden Bearbeitung mit Laserstrahlen keine Gestellbewegung oder dergleichen erforderlich. Dadurch kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden. - Wird bei dieser Ausführungsform eine akusto-optische Ablenkeinrichtung, durch die die Polarisation des auftreffenden Lichts um 90° gedreht wird, als akusto-optische Ablenkeinrichtung
6 verwendet, wird die Halbwellenplatte11 überflüssig, da keine Drehung der Polarisation erforderlich ist. - (Ausführungsform 1 der Bearbeitung)
-
2a zeigt Energieverteilungen von W-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat mit bei der Ausführungsform 1 der Vorrichtung, und2b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß2a . - Hierbei sind die Bezeichnungen für die physikalischen Quantitäten der Laserstrahlen
2 i und2 k wie folgt definiert: - EPa:
- Pulsenergie (= EP0a·(dAa/d0a/Ma)2)
- EP0a:
- Pulsenergieausgang des Laserkopfs
- dAa:
- Durchmesser der Öffnung
- d0a:
- Durchmesser des Laserstrahls
2a vor dem Eintritt in30a - Ma:
- Vergrößerung des Kollimators
- TPa:
- Pulsbreite
- WPa:
- Spitzenausgangsleistung (= EPa/TPa)
- EdSa:
- Energiedichte (= EPa/{π(dSa/2)2})
- dSa:
- Durchmesser des Bearbeitungspunkts (= dAa·{(La/fa) – 1})
- La:
- Abstand zwischen der f-θ-Linse und dem Werkstück (Substrat)
- fa:
- Brennweite der f-θ-Linse
- TPPa:
- Periode eines Pulses
- TGC:
- Periode der Positionierung der Galvanometerspiegel
- Esa:
- Schwellenwert der Zerfallsenergie
- Na:
- Anzahl der Pulsstöße
- Va:
- Menge des entfernten Materials
- In
2a bezeichnet das Bezugszeichen21 eine äußere, leitfähige (metallische) Schicht aus Kupfer (mit einer Dicke von 9 μm), das Bezugszeichen22 bezeichnet eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 μm), das Bezugszeichen24 bezeichnet eine innere leitende (metallische) Schicht aus Kupfer, und das Bezugszeichen t bezeichnet die Restdicke der Isolierschicht nach der Bearbeitung mit einem ersten Laserstrahl2 i. Zunächst wird der erste Laserstrahl2 i durch die Ablenkung durch Anlegen einer RF-Spannung durch die akusto-optische Ablenkvorrichtung6 erhalten. In diesem Schritt sollte der Schwellenwert ESi bei der Verwendung des ersten Laserstrahls2 i 0,8–1,0 J/cm2 betragen, was dem Schwellenwert der Zerfallsenergie der äußeren leitfähigen Schicht21 (0,8–1,0 J/cm2) entspricht, der höher als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht22 (0,3–0,5 J/cm2) ist. - Da die zur effizienten Entfernung der leitenden Schichterforderliche Energiedichte des Laserstrahls
2 i gemäß unserem Experiment 3,0 J/cm2 oder mehr betrug, war ein stark kondensiertes Licht erforderlich. Daher wurde für den Erhalt eines starken und breiten Strahls die Energieverteilung Ci für den Laserstrahl2 i verwendet. Wenn die Pulsbreite TPi 25 ns, die Pulsperiode TPPi 0,03 ms (eine Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang WPi 2,4–4,0 kW, die Pulsenergie EPi 0,06–0,10 mJ und der Durchmesser dSi des Bearbeitungspunkts 40 μm betrugen, erhielten wir eine Pulsenergiedichte EdSi von 4,8–8,0 J/cm2. Wir konnten mit dem Laserstrahl fast die gesamte Dichte der leitenden Schicht21 und der Harzschicht entfernen. Zudem war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser von 100 μm in der leitenden Schicht mit einer Dicke von 9 μm eine Bearbeitung mit mehreren Pulsen bei einer kreisförmigen Anordnung des Strahlenpunkts (einer ”kreisförmigen Bearbeitung” oder einem ”Hohlbohren”, wie in2a durch einen Pfeil dargestellt) erforderlich, da der Bearbeitungsstrahlenpunkt kleiner als das Fenster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl Ni an Pulsstößen insgesamt 100. Hierbei betrug die bevorzugte Restdicke (t) der Harzschicht 5–10 μm. Da die räumliche Energieverteilung des ersten Laserstahls2 i haubenförmig war, war die Restdicke im wesentlichen gleichmäßig. - Die Restdicke (t) der Harzschicht
22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl2 k entfernt, der durch Abschalten der RF-Spannung der akusto-optischen Ablenkvorrichtung6 erhalten wurde. Die zum Entfernen der Restdicke der Harzschicht auf dem Boden der Bohrung erforderliche Energiedichte des UV-Laserstrahls2 k war größer als 0,3–0,5 J/cm2 (genauer betrug sie 0,5 J/cm2 oder mehr). Zur gleichmäßigen Entfernung der Restharzschicht und zur Entfernung einer auf der Oberfläche der inneren, leitfähigen Schicht ausgebildeten, oxidierten Schicht zur Verbesserung der Abschälbeständigkeit der Harzschicht und im wesentlichen zur Vermeidung einer Beschädigung der inneren leitfähigen Schicht wurde eine haubenförmige Verteilung Bk verwendet. Überdies wird die innere, leitfähige Schicht24 nicht beschädigt, wenn die Pulsenergie EPk des zweiten Laserstrahls2 k höher als der Schwellenwert ESk der Zerfallsenergie ist, der dem Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht entspricht und geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der inneren leitenden Schicht24 ist. Daher wurden eine Pulsbreite TPk von 25 ns, eine Pulsperiode TPPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz), einem Spitzenausgang WPk von 2,3–3,6 kW und einer Pulsenergie EPk von 0,06–0,09 mJ sowie ein Bearbeitungspunktdurchmesser dSk von 120 μm verwendet, was größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm ist. Dadurch erhielten wir eine Pulsenergiedichte EdSk von 0,5–0,8 J/cm2. Unter dieser Bedingung konnte die Restdicke der Harzschicht entfernt werden, da die Energiedichte höher als der praktisch erforderliche Schwellenwert der Zerfallsenergie von 0,5–0,8 J/cm2 für die Harzschicht aus Epoxid war, und die innere, leitende Schicht konnte nicht beschädigt werden, da die Energiedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie von 0,8–1,0 J/cm2 für Kupfer war, dem Material der inneren, leitenden Schicht. Die Entfernungsgeschwindigkeit für die Harzschicht betrug bei dieser Ausführungsform ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl Nk der Pulse betrug 30. -
2b zeigt eine Zeitübersicht dieses Verfahrens. Es ist ersichtlich, daß der abgeschwächte zweite Laserstrahl2 k während der Bearbeitung mit dem ersten Laserstrahl2 i kombiniert wurde, da die Effizienz der Diffraktion der akusto-optischen Vorrichtung nicht 100% betrug. Da jedoch die Größe des abgeschwächten, zweiten Laserstrahls geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie des Harzes ist, trat keine Verschlechterung bei der Bearbeitung mit dem ersten Laserstrahl2 i auf. - Gemäß dieser Ausführungsform traten keine Ablösungen zwischen den leitenden Schichten und den Harzschichten entlang der Kanten der Böden der Durchgangsbohrungen auf. Zudem verblieben in einigen Fällen geringfügig Zerfallsrückstände auf dem Boden einer Bohrung auf einer leitenden Schicht. Dadurch wurde jedoch kein Problem verursacht, da die Rückstände zusammen mit oxidierten Schichten oder dergleichen auf der Oberfläche der inneren leitfähigen Schicht durch chemisches Lichtätzen entfernt werden können, das der erste Schritt des nach der Laserstrahlbearbeitung auszuführenden Galvanisierungsprozesses ist.
- (Ausführungsform 2 der Bearbeitung)
-
3a zeigt Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausdehnungsprozesses der Bohrung in einem Direktharzsubstrat, dessen Eingangsmaterial Epoxidharz ist, durch die Ausführungsform 1 der Vorrichtung, und3b ist eine Zeitübersicht von Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß3a . In3a bezeichnen das Bezugszeichen22 eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 μm), das Bezugszeichen24 eine innere, leitende (metallische) Schicht aus Kupfer und das Bezugszeichen t eine Restdicke der Isolierschicht nach der Bearbeitung mit einem ersten Laserstrahl2 i. Hierbei ist der Schwellenwert ESi bei der Verwendung des ersten Laserstrahls2 i der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht22 aus Epoxid, d. h. 0,3–0,5 J/cm2. - Bei dieser Ausführungsform waren die Bedingungen mit der Ausnahme der folgenden Unterschiede fast identisch wie bei der Ausführungsform 1 der Bearbeitung.
- Da die zur Entfernung der Harzschicht erforderliche Energiedichte des Laserstrahls
2 i geringer als die zur Entfernung der leitfähigen Schicht erforderliche war, war die Energieverteilung Ai. Wenn die Pulsbreite TPi 25 ns, die Pulsperiode TPPi 0,03 ms (eine Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang WPi 1,0–1,6 kW, die Pulsenergie EPi 0,025–0,040 mJ und der Bearbeitungspunktdurchmesser dSi 50 μm betrugen, erhielten wir eine Pulsenergiedichte EdSi von 1,3–2,0 J/cm2 zur Entfernung annähernd der gesamten Dicke der Harzschicht mit dem Laserstrahl. Die erforderliche Anzahl Ni betrug insgesamt 100. Die bevorzugte Restdicke (t) der Harzschicht betrug 5–10 μm. Da die räumliche Energieverteilung des ersten Laserstrahls2 i haubenförmig war, war die Restdicke im wesentlichen gleichmäßig. - Die Restdicke (t) der Harzschicht
22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl2 k mit einer haubenförmigen Verteilung Bk ertfernt. Es wurden eine Pulsbreite TPk von 25 ns, eine Pulsperiode TPPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz) und ein Spitzenausgang WPk von 0,4–0,6 kW verwendet. Bei dieser Ausführungsform wurde der Durchmesser dSk des Bearbeitungspunkts von 120 μm, was größer als der Durchmesser des Fensters ist, anders als bei der Ausführungsform 1 der Bearbeitung, auf 50 μm eingestellt, was dem Bohrungsdurchmesser des ersten Laserstrahls entspricht, um eine Beschädigung des weiteren Teils zu verhindern. Daher wurde die Pulsenergie auf 0,010–0,016 mJ verringert, und die Pulsenergiedichte EdSk wurde 0,5–0,8 J/cm2. Die Entfernungsgeschwindigkeit der Harzschicht betrug bei dieser Ausführungsform ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl Nk der Pulse betrug 15. - (Ausführungsform 2 der Vorrichtung)
-
4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als Ausführungsform 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Harzschicht nach dem Bohren eines Fensters mit einem UV-Laser mit einem CO2-Laser entfernt werden kann. Ein von einem UV-Laserkopf1 i emittierter UV-Laserstrahl2 i passiert eine Strahlenhomogenisiereinheit30 i, dann wird der Durchmesser des Strahls2 i durch einen Kollimator3 i vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung4 i auf einen für eine Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht, und der Laserstrahl2 i wird von einem Eckspiegel5 i reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Zi. Dann wird der Laserstrahl2 i positioniert, durch den Bearbeitungskopf Zi kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche des durch den Bearbeitungskopf Zi zu bearbeitenden Substrats auf. - Ein von einem CO2-Laserkopf
1 j emittierter CO2-Laserstrahl2 j gelangt durch eine Strahlenhomogenisiereinheit30 j, dann wird der Durchmesser des Strahls2 j durch einen Kollimator3 j vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung4 j auf einen geeigneten Durchmesser für die Bearbeitung gebracht, und der Laserstrahl2 j wird von einem Eckspiegel5 j reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Zj. Dann wird der Laserstrahl2 j positioniert und kondensiert und trifft senkrecht auf der Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf Zj zu bearbeitenden Substrats auf. - Ein von einem UV-Laserkopf
1 k emittierter W-Laserstrahl2 k passiert eine Strahlenhomogenisiereinheit30 k dann wird der Durchmesser des Strahls2 k durch einen Kollimator3 k vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung4 k auf einen für die Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht, und der Laserstrahl2 k wird von einem Eckspiegel5 k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Zk. Dann wird der Laserstrahl2 k positioniert, kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf Zk zu bearbeitenden Substrats auf. - Jede räumliche Energieverteilung der Laserstrahlen
2 i,2 j und2 k kann durch eine jeweilige Einstellung der Strahlenhomogenisiereinheiten30 i,30 j und30 k von einer Gauss'schen Verteilung zu einer haubenförmigen Verteilung homogenisiert werden. - Zudem können durch Verändern der Öffnungsdurchmesser dAi, dAj und dAk die Durchmesser dSi, dSj und dSk der Bearbeitungsstrahlen auf der Werkstückoberfläche entsprechend verändert werden, wobei ihre Energiedichten konstant gehalten werden.
- Überdies können durch Verändern der jeweiligen Vergrößerung Mi, Mj und Mk der Kollimatoren
3 i,3 j und3 k verschiedene räumliche Energieverteilungen Ai, Bi, Aj, Bj, Ak und Bk erhalten werden, wobei die Durchmesser dAi, dAj und dAk der Öffnungen konstant gehalten werden. Zudem können durch Entfernen der Öffnungen aus den optischen Pfaden jeweils die räumlichen Energieverteilungen Ci, Cj und Ck der vollständigen Ausgänge erhalten werden. - Darüber hinaus kann jeder der Bearbeitungsköpfe Zi, Zj und Zk die Bearbeitung nacheinander ausführen, und jeder bearbeitbare Bereich reicht zur Bearbeitung des gesamten Bereichs einer gedruckten Verdrahtungsplatte aus. Dann werden die Bearbeitungsköpfe linear an der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung angeordnet, die Abstände Lij, Ljk zwischen den Bearbeitungsachsen der Köpfe werden jeweils minimiert, und jeder Kopf kann die gleiche gedruckte Verdrahtungsplatte auf dem Tisch bearbeiten.
- (Ausführungsform 3 der Bearbeitung)
- Die
5a ,5b und5c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von UV- und CO2-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem Glas enthaltenden Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die6a ,6b und6c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV- und CO2-Laserpulsen für den Prozeß gemäß den5a ,5b und5c . - Eine äußere leitfähige Schicht
21 (mit einer Dicke von 9 μm) wurde durch einen Laserstrahl2i mit einer Pulsenergie EPi entfernt, die höher als der Schwellenwert ESi der Zerfallsenergie war, wie in5a gezeigt. Hierbei wurden ein Laserstrahl2 i mit einer Verteilung Ci, einer Pulsbreite TPi von 30 ns, einer Pulsperiode TPPi von 0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz) einem Spitzenausgang WPi von 4 kW, einer Pulsenergie EPi von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser dSi von 60 μm und einer Pulsenergiedichte EdSi von 4 J/cm2 verwendet. Unter diesen Bedingungen erhielten wir die praktisch erforderliche Energiedichte von nicht weniger als 3 J/cm2, die empirisch erhalten wurde, zur Entfernung der leitfähigen Schicht. Ferner war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser von 100 μm eine kreisförmige Verarbeitung erforderlich, da der Bearbeitungsstrahlenpunkt kleiner als das Fenster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl Ni der Pulsstöße insgesamt 80. - Wie in
5b gezeigt, wurde annähernd die gesamte Dicke einer Glasfasern23 enthaltenden Harzschicht22 (mit einer Dicke von 50 μm) durch einen CO2-Laserstrahl2 j mit der Verteilung Cj, einer Pulsbreite TPj von 10 μm, einem Spitzenausgang WPj von 800 W, einer Pulsenergie EPj von 8 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser dSj von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, und einer Pulsenergiedichte EdSj von 45 J/cm2 entfernt. Die Anzahl der Pulse betrug 3. Unter diesen Bedingungen wurde fast die gesamte Dicke der Harzschicht entfernt, doch ein Rückstand der Harzschicht mit einer Dicke (tc) von 0,1–3 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung. - Wie in
5c gezeigt, wurde der Rückstand mit einem Laserstrahl2 k mit der Verteilung Bk, einer Pulsbreite TPk von 30 ns, einer Pulsperiode TPPk von 0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz), einem Spitzenausgang WPk von 4 kW, einer Pulsenergie EPk von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser dSk von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, und einer Pulsenergiedichte EdSk von 0,7 J/cm2 entfernt. Die Entfernungsgeschwindigkeit der Harzschicht betrug ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl an Pulsen betrug 10–15. - Unter Verwendung der Ausführungsform 3 der Bearbeitung konnten leitfähige Schichten und Glasfasern enthaltende Harzschichten sehr effizient bearbeitet werden. Zudem ist der Gesamtenergiebetrag des am Bohrungsboden ankommenden UV-Laserstrahls ca. 0,55 mJ (≈ 0,12 mJ·10 Stöße·(⌀100/⌀150)2), d. h. weniger als ca. 10% der zur Bearbeitung der gesamten Harzschicht nur mit dem zweiten Laserstrahl erforderlichen Gesamtenergie von 6 mJ (≈ 0,12·50 Stöße). Daher wird der Bohrungsboden nicht beschädigt, und es tritt selbst dann keine Ablösung zwischen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht an der Bodenkante auf, wenn das Material der Harzschicht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für den UV-Laser aufweist. Zudem veränderte sich die Restdicke (die Dicke des Rückstands) nach der Bearbeitung mit dem CO2-Laserstrahl
2 j selbst dann nicht, wenn sich die Dicke der Harzschicht veränderte. Daher wurde die Zuverlässigkeit der Bearbeitung bei dieser Ausführungsform der Bearbeitung verbessert. - (Ausführungsform 4 der Bearbeitung)
- Die
7a ,7b und7c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von UV- und CO2-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem RCC-Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die8a ,8b und8c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und von UV- und CO2-Laserpulsen für den Prozeß gemäß den7a ,7b und7c . - Eine äußere, leitfähige Schicht
21 wurde, wie in7a gezeigt, genau so bearbeitet, wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß5a . Wie in7b gezeigt, wurde fast die gesamte Dicke einer Harzschicht22 mit dem CO2-Laserstrahl2 j mit der Verteilung Bj, einer Pulsbreite TPj von 10 ms, einem Spitzenausgang WPj von 500 W und einer Pulsenergie EPj von 5 mJ entfernt, die geringer als der Wert bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung ist, da der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht geringer als bei der Glasfasern enthaltenden Harzschicht war. - Wir verwendeten einen Bearbeitungspunktdurchmesser dSj von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, wodurch eine Pulsenergiedichte EdSj von 30 J/cm2 erhalten wurde, die höher als die 10 J/cm2 war, die empirisch als Untergrenze der in der Praxis zur Entfernung der Harzschicht erforderlichen Energiedichte ermittelt wurden.
- Unter diesen Bedingungen wurde annähernd die gesamte Dicke der Harzschicht durch 1–2 Stöße des Laserstrahls
2 k entfernt, obwohl ein Rückstand mit einer Dicke (tc) von 0,1–3 μm auf dem Boden der Bohrung verblieb. Der Rückstand wurde, wie in7c gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß5c entfernt. - (Ausführungsform 5 der Bearbeitung)
- Die
9a und9c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von CO2- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Glas enthaltenden Direktharzsubstrats (”FR-4-Substrats”) durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die9b und9d sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2- und UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den9a und9c . - Bei der Bearbeitung des FR-4-Substrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde eine Glasfasern
23 enthaltende, äußere Harzschicht22 , wie in9a gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß5b bearbeitet, mit der Ausnahme, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung durch die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls2 j und den Schwellenwert ESj der Zerfallsenergie der Harzschicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke des Rückstands) der Harzschicht22 am Boden der Bohrung wurde, wie in9c gezeigt, durch den Laserstrahl2 k auf die gleiche Weise bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung wie gemäß5c entfernt. - (Ausführungsform 6 der Bearbeitung)
- Die
10a und10c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von CO2- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die10b und10d sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2- und UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den10a und10c . - Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde die äußere Harzschicht, wie in
10a gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 4 der Bearbeitung gemäß7b bearbeitet, mit der Ausnahme, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung durch die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls2 j und den Schwellenwert ESj der Zerfallsenergie der Harzschicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke des Rückstands) der Harzschicht22 auf dem Boden der Bohrung wurde, wie in10c gezeigt, durch den Laserstrahl2 k auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 4 der Bearbeitung gemäß7c entfernt. - (Ausführungsform 7 der Bearbeitung)
- Die
11a und11c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von UV-Lasern und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats oder FR-4-Substrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die11b und11d sind Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den11a und11c . - Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde eine äußere Harzschicht
22 , wie in11a gezeigt, statt mit einem CO2-Laserstrahl2 j durch einen ersten UV-Laserstrahl mit einer Verteilung Bi bearbeitet. Die Pulsenergie EPi wurde unter Berücksichtigung des Materials und der Veränderung der Dicke der Harzschicht so eingestellt, daß eine Restdicke (t) von 5–10 μm verblieb. Die Restdicke auf dem Boden wurde durch den Laserstrahl2 k entfernt, wie in11c gezeigt. - (Ausführungsform 3 der Vorrichtung)
-
12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in4 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Das Bezugszeichen
10 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls2 i angeordnete, polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung, das Bezugszeichen11 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls2 k angeordnete Halbwellenplatte, und das Bezugszeichen12 bezeichnet einen Eckspiegel. Der Eckspiegel12 reflektiert den Laserstrahl2 k, so daß sich dieser auf dem gleichen Pfad wie der durch die polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung10 übertragene Laserstrahl2 i bewegt. Zudem sind die Polarisationsrichtungen und die ursprünglichen optischen Pfade der von den Laserköpfen1 i und1 k emittierten UV-Laserstrahlen parallel ausgerichtet. Daher werden entlang dem gemeinsamen optischen Pfad hinter der polarisierenden Strahlenkombiniervorrichtung10 gleichzeitig oder abwechselnd eine P-Polarisation Pi des Laserstrahls2 i mit der Verteilung Bi und eine S-Polarisation Sk des Laserstrahls2 k mit der Verteilung Bk erhalten. Dies bedeutet, daß Strahlen mit unterschiedlichen Energiedichten, Leistungsdichten und Punktdurchmessern durch den gemeinsamen Bearbeitungskopf Zi und über den gemeinsamen Pfad auf das zu bearbeitende Teil aufgebracht werden können. Überdies können der Laserstrahl2 i und der Laserstrahl2 k, wie bei der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß4 , durch Entfernen der Halbwellenplatte11 und des Eckspiegels12 aus dem optischen Pfad gleichzeitig und individuell eine Bearbeitung ausführen. - Werden andererseits die Laserköpfe
1 i und2 i so angeordnet, daß der elektrische Vektor des Laserstrahls2 i parallel zum Zeichnungsblatt ausgerichtet ist und der elektrische Vektor des Laserstrahls2 k senkrecht zum Zeichnungsblatt ausgerichtet ist, werden die Polarisationsrichtungen der Laserstrahlen2 i und2 k ohne die Halbwellenplatte11 jeweils eine P-Polarisierung und eine S-Polarisierung. Daher kann die Halbwellenplatte11 gemäß12 in diesem Fall weggelassen werden. - (Ausführungsform 8 der Bearbeitung)
-
13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat bei der Ausführungsform 3 der Vorrichtung zeigt.13b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der Laserpulse für den Prozeß gemäß13a . - Die leitfähige Schicht und fast die gesamte Harzschicht wurden mit dem kombinierten Laserstrahl aus dem Laserstrahl
2 i mit der Verteilung Ci und einer zum Entfernen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht ausreichenden Energiedichte und dem Laserstrahl2 k mit der Verteilung Bk und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen Schicht aber zu geringen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht von 10 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke sukzessive mit dem einzigen Laserstrahl2 k entfernt. Durch die Auswahl der Restdicke wurden die leitfähige Schicht und die Harzschicht ohne eine Beeinflussung durch eine Veränderung der Dicke der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädigung des Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die gesamte Qualität wurde verbessert. Überdies wurde die Gesamtpulsperiode von 0,012 Sekunden (25 kHz und 300 Stöße) nach der Positionierung der Galvanometerspiegel nicht aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung mit dem kombinierten Laserstrahl verändert. - (Ausführungsform 9 der Bearbeitung)
-
14a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen eines UV-Laserstrahls und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat (mit einer Harzdicke von 40 μm) durch die Ausführungsform 3 der Vorrichtung zeigt.14b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß14a . - Fast die gesamte Harzschicht wurde durch den kombinierten Laserstrahl aus dem Laserstrahl
2 i mit der Verteilung Ai und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden Energiedichte und dem Laserstrahl2 k mit der Verteilung Bk und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen Schicht jedoch zu geringen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht von 10 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke durch den einzelnen Laserstrahl2 k sukzessive entfernt. Durch die Auswahl der Restdicke wurde die Harzschicht ohne eine Beeinträchtigung durch eine Veränderung der Dicken der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädigung des Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die Qualität der Bohrungen wurde verbessert. Überdies betrug die gesamte Pulsperiode nach der Positionierung der Galvanometerspiegel aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung mit dem kombinierten Laserstrahl 0,001 Sekunden (40 kHz und 40 Stöße). Die Pulsperiode mit dem einzelnen Laserstrahl2 k betrug insgesamt 0,002 Sekunden (40 kHz und 80 Stöße). - (Ausführungsform 4 der Vorrichtung)
-
15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in den4 und12 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Der Laserkopf
1 i wird so angeordnet, daß der elektrische Vektor des Laserstrahls2 parallel zu dem Zeichnungsblatt ausgerichtet ist, wodurch die Polarisation des Laserstrahls2 eine P-Polarisierung wird. Die Bezugszeichen6a und6b bezeichnen entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls2 angeordnete akusto-optische Ablenkvorrichtungen. Das Bezugszeichen8 bezeichnet einen Strahlen-Dumper zum Ableiten des Streulichts nullter Ordnung (des übertragenen Lichts). - Die Energiedichten der Laserstrahlen
2 i und2 k nehmen aufgrund des Energieverlusts in den akusto-optischen Ablenkvorrichtungen6a und6b im Vergleich zu den Laserstrahlen2i und2k der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß4 um ca. 15% ab. Da jedoch die charakteristischen Eigenschaften, wie die räumliche Energieverteilung, nicht verändert werden, kann durch Einstellen des Ausgangs des Laserkopfs im wesentlichen die gleiche Bearbeitungsfähigkeit wie bei der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß4 erzielt werden. - (Ausführungsform 10 der Bearbeitung)
- Bei der Bearbeitung eines Glas enthaltenden Substrats durch die Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform wurden die folgenden Schritte verwendet. Zunächst wurde durch den Laserstrahl
2 i mit der Verteilung Ci und einer zur Entfernung der leitfähigen Schicht ausreichenden Energiedichte die äußere, leitfähige Schicht entfernt, dann wurde durch den Laserstrahl2 j mit der Verteilung Aj die Harzschicht entfernt, und danach wurde durch den Laserstrahl2 k mit der Verteilung Bk die restliche Rückstandsschicht auf dem Boden der Bohrung entfernt, um eine blinde Durchgangsbohrung zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform betrug die längste Gesamtpulsperiode nach der Positionierung der Galvanometerspiegel bei der Entfernung der leitfähigen Schicht 0,0012 Sekunden. Die Gesamtpulsperiode zur Entfernung der Harzschicht betrug 0,003 Sekunden, und die Gesamtpulsperiode zur Entfernung der Rückstandsschicht betrug 0,0004 Sekunden. Daher wurde die Entfernung der Rückstandsschicht während der Bewegung der Galvanometerspiegel für die Entfernung der leitfähigen Schicht ausgeführt, so daß die Bearbeitungsdauer im wesentlichen im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß4 nicht gesteigert wurde. Dadurch arbeitet nur ein Laserkopf1 i als Laserköpfe1 i und1 k gemäß4 , wodurch die Kosten für die Vorrichtung verringert werden können. - (Ausführungsform 5 der Vorrichtung)
-
16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in den4 ,12 und15 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Zusätzlich zur vierten Ausführungsform der Vorrichtung sind eine Halbwellenplatte
11 , ein Eckspiegel12 und eine polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung10 vorgesehen, um die Laserstrahlen2i und2k koaxial auf den Bearbeitungsbereich zu leiten. - Durch das Entfernen der Halbwellenplatte
11 und des Eckspiegels12 aus dem optischen Pfad des Laserstrahls2 k werden die Laserstrahlen2 i und2 k (gestrichelte Linie) individuell verwendet, um eine Bearbeitung auszuführen, wie bei der vierten Ausführungsform der Vorrichtung. - (Ausführungsform 11 der Bearbeitung)
- Die Bearbeitung eines Direktharzsubstrats (die Dicke der Harzschicht betrug 40 μm) mit der Ausführungsform 5 der Vorrichtung erfolgte auf die gleiche Weise wie mit der Ausführungsform 3 der Vorrichtung. Dadurch wurde die Qualität der Bohrungen wie durch die Ausführungsform 3 der Vorrichtung verbessert. Überdies wurde die Gesamtpulsperiode durch eine Steigerung des Ausgangs des Laserkopfs trotz der Abgabe der Laserstrahlen
2 i und2 k in jeweiligen Perioden nach der Positionierung der Galvanometerspiegel auf 0,001 Sekunden (40 kHz und 40 Stößen) gehalten. - Die Funktionsweise der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung entspricht der der dritten Ausführungsform der Vorrichtung, wenn die Halbwellenplatte
11 und der Eckspiegel12 aus dem optischen Pfad entfernt werden. Dadurch können die Funktionen der dritten Ausführungsform der Vorrichtung mit einem einzigen Laserkopf erzielt werden. Dadurch können die Kosten für die Vorrichtung verringert werden.
Claims (2)
- Vorrichtung zur Laserbearbeitung einer gedruckten Verdrahtungsplatte, mit • einem Laserkopf (
1 ), • einer optischen Ablenkvorrichtung (6 ) zum Umschalten von optischen Pfaden des von dem Laserkopf (1 ) emittierten Laserstrahls (2 ), • entlang den optischen Pfaden angeordneten optischen Elementen (3i ,4i ,5i ,30i ,3k ,4k ,5k ,30k ) zum individuellen Einstellen der Energiedichten, der räumlichen Energieverteilungen und der Strahlendurchmesser der Laserstrahlen (2i ,2k ), gekennzeichnet durch eine Strahlenkombiniervorrichtung (10 ), um die mittels der optischen Elemente eingestellten Laserstrahlen (2i ,2k ) auf einem gemeinsamen optischen Pfad zur Weiterbewegung zu leiten. - Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, das umfaßt: • Erzeugung eines ersten UV-Laserstrahls (
2i ) durch Ablenken eines von dem UV-Laserkopf (1 ) emittierten Laserstrahls (2 ) mit der optischen Ablenkvorrichtung (6 ), • Einstellung des ersten UV-Laserstrahls (2i ) auf eine hohe Energiedichte durch Kondensation durch die optischen Elemente (3i ,4i ,5i ,30i ), • Erzeugung eines zweiten UV-Laserstrahls (2k ) durch Übertragen eines von dem UV-Laserkopf (1 ) emittierten Laserstrahls (2 ) durch die optische Ablenkvorrichtung (6 ), • Einstellung des zweiten UV-Laserstrahls auf eine niedrige Energiedichte durch Ausdehnung durch die optischen Elemente (3k ,4k ,30k ), • Vereinigung des eingestellten ersten W-Laserstrahls (2i ) und des eingestellten zweiten UV-Laserstrahls (2k ) durch die Strahlenkombiniervorrichtung (10 ), und • Leitung der eingestellten Laserstrahlen (2i ,2k ) auf dem gemeinsamen optischen Pfad.
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