DE60006127T2

DE60006127T2 - Schaltungsvereinzelungssystem und verfahren

Info

Publication number: DE60006127T2
Application number: DE60006127T
Authority: DE
Inventors: Peter Ballsbridge CONLON; James Mahon; Adrian Monasterevin BOYLE; Mark Owen
Original assignee: Xsil Technology Ltd
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: JP2003506216A; DE60006127D1; US20040020901A1; AU6178200A; US6781093B2; EP1201108A1; EP1201108B1; JP2014007375A; ATE252816T1; IE20000618A1; WO2001010177A1

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden von Leiterplatten bzw. gedruckten Schaltungen oder integrierten Schaltungspaketen.
Gebiet der Erfindung
In den letzten Jahren gab es in der Mikroelektronikindustrie einen zunehmenden Trend zu leichten, flachen bzw. kleinen Heimelektronikprodukten wie etwa Laptopcomputern und Mobiltelefonen. Diese Heimelektronikprodukte setzen die Montage kostengünstiger, kleiner und leichter integrierter Schaltungspakete in großen Mengen voraus. Integrierte Schaltungen werden in mehreren Einheiten verpackt, um den erforderlichen Durchsatz zu realisieren und um die Anforderungen hinsichtlich der Handhabung bzw. der Bearbeitung zu verringern. Am Ende dieses Prozesses ist es dann erforderlich, die verpackten Vorrichtungen wieder zu trennen.
Durch eine Verkleinerung der Fläche eines integrierten Schaltungspakets ist es ferner möglich, die Fläche der gedruckten Schaltungen zu verringern, auf denen diese Vorrichtungen ihre Funktion erfüllen. Zu diesem Zweck werden Leiterplatten immer leichter und kleiner.
Zu den Materialien, aus denen integrierte Schaltungspakete oder Leiterplatten bzw. gedruckte Schaltungen hergestellt werden, zählen unter anderem zum Beispiel Kupferschichten, Glasfaserschichten oder -gewebe, FR4, BT-Glas/Epoxidharz, Klebstoffe, Einbettstoffe bzw. Einbettharze, Lötmasken oder Halbleiter. Eine weitere Art von Leiterplatte ist eine flexible Schaltung auf Polymerbasis. Die vorliegende Erfindung kann ferner zum Schneiden dünner Schichten, wie etwa Flüssigkristalllagen oder elektrachrome, dielektrische, dünne Filme verwendet werden, wie sie in Displays zum Einsatz kommen.
Die Abbildungen der 1A(a) bis 1A(d) zeigen Beispiele für Streifen, an denen BGA-Vorrichtungen angebracht sind. In der Abbildung aus 1A(a) schützt das Einbettmaterial 1 das Plättchen 2 und die elektrischen Verbindungen zwischen dem Plättchen und dem Substrat 2. Der Montageprozess kann das Vorhandensein von Bearbeitungslöchern und Ausschnittsbereichen 4 zur Erleichterung des Stanzvorgangs voraussetzen. Der Streifen aus der Abbildung aus 1A(c) entspricht dem aus der Abbildung aus 1A(a), mit der Ausnahme, dass die ausgeschnittenen Streifen fehlen, und dass sich in dem Streifen aus 1A(c) keine Bearbeitungslöcher befinden. In dem Streifen aus der Abbildung aus 1A(d) bedeckt das Einbettmaterial eine Mehrzahl von Plättchen. In diesem Fall erfordert es die BGA-Singulierung, dass auch das Einbettmaterial geschnitten wird. Die gestrichelten Linien 5 in den Zeichnungen zeigen die Schnittlinien zum Trennen der einzelnen Pakete.
Die Abbildung aus 1B zeigt ein weiteres Beispiel für einen Zusammenbau aus mehreren Einheiten eines Pakets für die Chipfabrikation. In diesem Beispiel sind die Plättchen auf einem Substrat in zwei Abmessungen angebracht, so dass eine Einheit aus N × N BGA-Paketen 6 gebildet wird. Die Abbildung aus 1B zeigt die Unterseite der Einheit bzw. des Zusammenbaus. Lötkugeln 7 sind an der korrekten Position auf der Leiterplatte angeordnet und werden danach aufgeschmolzen. Die aufgeschmolzenen Lötkugeln bilden danach den elektrischen Kontakt zwischen der Leiterplatte und dem Paket. Die elektrische Verbindung mit dem Plättchen wird über das Paketsubstrat vorgesehen. Bei den Substratschichten kann es sich um Kupferschichten, Glasfaserschichten oder -gewebe, FR4, BT-Glas/Epoxidharz, Klebstoffe, Einbettstoffe bzw. Einbettharze, Lötmasken oder Halbleiter handeln. In Bezug auf die Endansicht aus der Abbildung aus 1B umfasst das Substrat häufig mehrere Schichten, die etwa eine Lötmaske 8, Kupfer 9, Dielektrikum 10, Glas 10 und Epoxidharz 12 aufweisen können. Gold oder ein anderer Leiter können in der Schicht 9 anstatt Kupfer verwendet werden.
Die Abbildung aus 1C zeigt ein Beispiel für eine gedruckte Schaltungsplatte mit mehreren Leiterplatten 21. Bei derartigen Platten kann es sich um Platten handeln, die für "Smart Cards" oder Mobiltelefonschaltungen verwendet werden. Das Leiterplattenmaterial kann ein steifes oder ein flexibles Material darstellen, das aus laminierten Schichten aus Kupferschichten, Glasfaserschichten oder -gewebe, FR4, BT-Glas/Epoxidharz, Klebstoffe, Einbettstoffe bzw. Einbettharze, Lötmasken oder anderen Materialien hergestellt wird, die bei der Leiterplattenfertigung zum Einsatz kommen.
Die Leiterplatte kann aus einem flexiblen Material bestehen. Diese Art von Schaltung wird aus Schichten aus Kupfer, Klebstoff und Polymer wie etwa Kapton-Polyimid oder einem anderen Polymer mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt.
Die Elektronikbranche verwendet zudem Dünnfilmlagen aus Flüssigkristall oder elektrochrome Dünnfilmlagen in Flüssigkristallanzeigen oder Anzeigeeinheiten der Massenfertigung.
In Bezug auf vorliegende Verfahren zur Singulierung zeigt die Abbildung aus 1D die abschließenden Schritte des vorliegenden Verfahrens zur Fertigung von BGA/CSP-Vorrichtungen. Aufgrund der Beschaffenheit der betroffenen Vorrichtungen und Systeme müssen mehrere Handhabungs- und Reinigungsschritte hinzugefügt werden, um das Trennverfahren mit Wafer-Sägen zu unterstützen. Zu diesen Schritten zählen:
Elektrische Test- und Lasermarkierungen in Booten, Platten oder Fächern;
Entfernen aus dem Boot oder Fach und Anbringen an haftendem UV-Band;
UV-Härtung;
Platzieren auf Fächern;
Markierung und Inspektion.
Das Sägen und Stanzen von Chippaketen wird in WO9903128 (Singulation System for Chip Scale Packages) und in WO98/52212 (Pick and Place Cutting Head that Separates Chip Scale Packages from a Multi Layered Film Strip) beschrieben. Verschiedene Verbrauchsartikel wie etwa UV-Band, Wafer-Ringe, Sägeblätter und Reinigungslösungen müssen verwendet werden.
Die U.S. Patente US-A-5.928.526 und US-A-5.500.505 zeigen Verfahren zum Singulieren einer Schaltung durch Schneiden unter Verwendung eines Lasers.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum Schneiden durch die obengenannten Materialien mit einer Geschwindigkeit vorzusehen, die ausreicht, um die Geschwindigkeitsanforderungen in Bezug auf die Singulierung einer Fertigungsstraße zu erfüllen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, dass das Verfahren und die Vorrichtung eine höhere Ergiebigkeit vorsehen, indem das Ausmaß von abgeschiedenem Abfall ebenso reduziert wird wie die Anforderungen in Bezug auf die Handhabung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Singulieren einer elektronischen Schaltung durch Schneiden von laminiertem Material, das die Schaltungen verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Erzeugen eines Laserstrahls, der die folgenden Eigenschaften aufweist:
eine Wellenlänge von weniger als 400 nm und
eine Mindestenergiedichte von 100 J/cm² oder eine Mindestspitzenenergiedichte von 1 GW/cm²;
Ausrichten des Strahls im Verhältnis zu einem Merkmal oder einem Bezug des Materials; und
Anwenden des Strahls entlang des Materials, bis ein Schnitt vorgenommen worden ist.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Strahl so bewegt, dass eine räumliche Überdeckung aufeinander folgender Impulse gegeben ist, wobei die Überdeckung im Bereich von 5% bis 95% liegt.
In einem Ausführungsbeispiel liegt die Überdeckung im Bereich von 30% bis 50%.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Strahl in einer Mehrzahl von Durchläufen bewegt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Strahl in mehr als fünf Durchläufen bewegt.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Strahl mit einer Impulsfolgefrequenz von über 1 kHz erzeugt.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Dicke der laminierten Strukturen bis zu der Dicke reichen, die durch die Fokustiefe des Laserstrahls definiert ist.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Schichtstoff zwei oder mehr Schichten, die aus BT-Epoxidharz, Glasfasern, Kupfer, Gold, Polyimid, Klebstoff, Überformstoffen, Unterfüllungen, Leitern, Dielektrika, Versteifungsmitteln, Stabilisatoren, Protektoren oder anderen Materialien ausgewählt werden, die in elektronischen Baueinheiten verwendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die einzelnen Schichten des Schichtstoffs unterschiedliche Ablations- und Ionisierungsschwellenwerte, unterschiedliche Ablations- und Ionisierungsraten und unterschiedliche nichtlineare Absorptions- und Nichtionisierungskoeffizienten auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Strahl aus einem Festkörperlaser mit einer kennzeichnenden durchschnittlichen Leistungsspitze auf einer spezifischen Folgefrequenz erzeugt.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Strahl so geregelt, dass die durchschnittliche Leistung sinkt, wenn die Folgefrequenz erhöht oder verringert wird, und obwohl die individuelle Impulsenergie mit einer anderen Folgefrequenz als der Folgefrequenz für die maximale Durchschnittsleistung erhöht werden kann, wird die maximale Schneiderate auf einer Folgefrequenz erreicht, die sich aufgrund des Beitrags anderer Schneideparameter von diesen Frequenzen unterscheiden.
In einem Ausführungsbeispiel ist die durchschnittliche Leistung des genannten Laserstrahls größer als 3 W, mit einer Impulsbreite von weniger als 100 Nanosekunden, einer räumlichen Überdeckung von 10–70% aufeinander folgender Impulse und einem Strahldurchmesser von weniger als 70 Mikron an dem 1/e² Punkt des räumlichen Intensitätsprofils.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl durch eine Diodenlaser-Pumpverstärkungsmediumvorrichtung mit einer Grundemission in einem Wellenlängenbereich von 900 bis 1600 nm erzeugt, und mit der Erzeugung zweiter, dritter, vierter oder fünfter Oberschwingungen mit 1/2, 1/3, 1/5, 1/5 dieser Wellenlänge, wobei dies durch Platzieren entsprechender Kristalle in dem Laserhohlraum oder außerhalb des Laserhohlraums erreicht wird.
In einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei der genannten Laservorrichtung um eine Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄ oder Kombinationen aus Unreinheit:Host Verstärkungsmedienlasierung in dem erforderlichen Bereich sowie mit der Erzeugung von Oberschwingungen auf eine Betriebswellenlänge von unter 400 nm handeln.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Strahl einer Oberfläche des zu schneidenden Materials unter Verwendung von einem oder mehreren Spiegeln zugeführt, die an einem oder mehreren Abtast-Galvanometern angebracht sind, und wobei eine erforderliche Punktgröße durch den Einsatz einer axialen Linsenpositionseinstellung auf einer Stufe vor dem Galvanometer-Spiegel erreicht wird oder auf einer Stufe nach dem Galvanometer-Spiegel durch eine Linse einer Planlinse oder durch den Einsatz einer Kombination aus diesen Linsen.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl unter Verwendung von einem oder mehreren Spiegeln zugeführt, die auf einer oder mehreren Translationsstufen angebracht sind, und wobei die Fokussierung durch den Einsatz eines Teleskops oder einer axialen Linse vor dem Bewegen von vor der Materialoberfläche angebrachten Spiegeln oder der Linse erreicht wird, sowie durch Bewegen mit dem Strahlzufuhrspiegel, so dass der fokussierte Strahl der Materialoberfläche zugeführt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Strahl ausgezogen und fokussiert, um die erforderliche Punktgröße an dem zu schneidenden Material mit einer Teleskop- oder Abtastlinse zu erreichen, die so ausgewählt wird, dass die Strahlverschwendung über den Zufuhrbereich des Strahls innerhalb eines festgelegten prozentualen Bereichs einer optimalen Punktgröße verbleibt, und wobei der Bereich größer ist als die Dicke des Teils.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Hilfsgas zur Unterstützung des Schneideprozesses verwendet, indem es verhindert wird, dass sich Rückstände auf der Materialoberfläche ablagern, und wobei das Hilfsgas Material entfernt, das während dem Schneideprozess erzeugt wird, so dass die Rückstände keine Absorption oder Streuung aufeinander folgender Laserlichtimpulse erzeugen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Hilfsgas eingesetzt, um eine inerte Atmosphäre zu erzeugen, um es zu verhindern, dass unerwünschte spezifische fotochemische oder fotophysikalische Reaktionen während dem Schneiden auftreten.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Vakuumsaugprozess zum Extrahieren von Dämpfen und an der Schneideoberfläche erzeugten festen Rückständen vorgesehen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Ausrichtung des Strahls im Verhältnis zu einem Merkmal oder einem Bezug des Materials durch den Einsatz eines Sensors und einer Einrichtung zur Bildverarbeitung erreicht, um Koordinaten vorzusehen, entlang denen das Schneiden erfolgt, und wobei ein Strahlpositionierungsmechanismus so gesteuert wird, dass der Laserstrahl sicher einem erforderlichen Schneideweg folgt.
Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Schaltungs-Singulierungssystem, das folgendes umfasst:
eine Einrichtung zum Stützen einer Anordnung elektronischer Schaltungen, die durch Material miteinander verbunden sind;
eine Laserstrahlquelle, die eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls umfasst, mit:
einer Wellenlänge von weniger als 400 nm und
einer Mindestenergiedichte von 100 J/cm² oder einer Mindestspitzenenergiedichte von 1 GW/cm²;
einen Strahlpositionierungsmechanismus, der eine Einrichtung umfasst, die dazu dient, den Strahl auf das Material zu richten sowie den Strahl entlang der Schnittlinien einzuarbeiten, um mindestens eine der Mehrzahl von elektronischen Schaltungen zu singulieren.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Strahlpositionierungssystem eine Reihe von Spiegeln, von denen mindestens einige beweglich sind, um den Laserstrahl zu richten, sowie eine Fokussierungslinse.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Spiegel linear beweglich.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Spiegel drehbar.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung besser verständlich, die als Beispiele in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vorgesehen sind. In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schneideverfahrens;
die 2 und 3 Diagramme der Steuerung eines Laserstrahls zum Schneiden;
die 4 und 5 Darstellungen der Schneideleistung; und
die 6 bis 9 fotografische Aufnahmen der Querschnitte von geschnittenem Material.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung basiert auf dem Einsatz eines Laserstrahls zur Singulierung gemäß der Abbildung aus 1. Das Verfahren verwendet einen Ultraviolettlaser zum "Sägen" der Baueinheit. Der Laser liefert Schnitte in ausgezeichneter Qualität, wobei lediglich Dampfrückstände erzeugt werden, keine Ressourcen verwendet werden und wobei in den Schnittkanten keine Splitter oder kleinen Risse verursacht werden.
Das Konzept der fotoablativen Zersetzung von Material unter Verwendung von UV-Laserimpulsen wurde von Srinivasan 1982 eingeführt (R. Srinivasan et al., Applied Physics Letters, 41, Seite 576, 1982). Der Grundmechanismus für die Materialentfernung unterscheidet sich von Prozessen mit längerer Wellenlänge dahingehend, dass die Energie der einzelnen Photonen bei UV-Wellenlängen der Energie der Bindungen ähnlich ist, welche das Material zusammenhalten. Beispiele für die kovalenten Bindungsstärken einer repräsentativer Bindungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Darüber hinaus reicht die Breite der Absorptionsbänder bei Raumtemperatur zumindest für organische kovalente Bindungen aus, dass die Impuls-UV-Strahlung in dem Wellenlängenbereich unter 400 nm (> 3 eV) die fotoablative Zersetzung bewirkt.
Tabelle 1: Kovalente Bindungsstärke in mehratomigen organischen Zusammensetzungen (Quelle: Handbook of Chemistry and Physics, Seite F239, Ausgabe 1978–1979, CRC Press). Die entsprechende Wellenlänge eines Photons bei dieser Energie ist ebenfalls dargestellt.
Aus unseren Untersuchungen der fotoablativen Zersetzung können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

– Unterhalb eines bestimmten Grenzwerts des Flusses oder der Intensität wird keine Ablation beobachtet. Die Fotodegradation kann jedoch auftreten und zu morphologischen Veränderungen auf der Materialoberfläche führen (P. E. Dyer et al., Journal of Applied Physics, 57, Seite 1420, 1985; J. H. Brannon et al., Journal of Applied Physics, 58, S. 2036, 1985; R. Srinivasan et al., Applied Physics, 61, S. 372, 1987)
– Die die Ablationsoberfläche verlassenden Fragmente bestehen aus kleinen Materialklumpen und gasförmigen Produkten. (R. C. Estler et al., Applied Physics Letters, 49, S. 1175, 1986; G. Koren et al., Applied Physics Letters, 44, S. 112, 1984; G. S. Hansen et al., Journal of Applied Physics, S. 1878, 1990.)
– Mit Ausnahme der 308 nm Ablation von Polyimid (D. L. Singleton et al., Chemical Physics, 144, S. 415, 1990), kann verzeichnet werden, dass die Laserimpulsdauer und dessen Form einen eindeutigen Effekt auf die Ablation haben. (R. Srinivasan et al., Applied Physics Letters, – 53, S. 1233, 1988.)
– Der Prozess der Fotoablation erfolgt allgemein sehr schnell und innerhalb eines kürzeren Zeitraums als die Laserimpulsbreite von 20 ns.
– Eine Stoßwelle wird nach dem Auftreffen und der Absorption des Impulses erzeugt. (R. Srinivasan et al., Journal of Applied Physics, 68, S. 1842, 1990.)
– Der Absorptionskoeffizient ist bei geringer Energiedichte (mW/cm²) definiert, und die Ätzrate stellt die Materialentfernung bei deutlich höheren Energiedichten (mW bis MW/cm²) dar. Da die Ablation mit der Absorption beginnt, besteht häufig eine Verknüpfung zwischen dem Absorptionskoeffizient Alpha und der Ätztiefe. Das heißt, ein stärkerer Absorbierer weist einen niedrigeren Ablationsgrenzwert (Energiedichte) auf als ein schwacher Absorbierer. Die Ätzrate für einen starken Absorbierer kann jedoch deutlich geringer sein, da der Großteil der Photonenenergie auf geringere Tiefen begrenzt ist. Dies entspricht einer gewöhnlichen Beobachtung und stellt keinesfalls einen allgemeinen Fall dar. Die Absorption ist lediglich ein erforderlicher Zustand. Sie ist nicht ausreichend. Ein hoher Absorbierer kann sich durch Strahlung oder thermische Einwirkung an dessen ursprünglichen Zustand entspannen. Die Fotoablation setzt einen Bindungsbruch voraus, d. h. eine Reaktion von dem Reaktionspartner auf Produkte bzw. Erzeugnisse über einen erregten Zustand (fotochemische Reaktion) oder einen geerdeten Zustand (fotothermische Reaktion). Zweitens kann aufgrund des unterschiedlichen Intensitätsbereichs zwischen der spektroskopischen Messung von Alpha und dem Ablationsbereich ein nichtlineares Phänomen, wie etwa eine Mehrphotonenabsorption, zu einem erheblichen Anstieg (und danach möglicherweise zu einer Sättigung) der Ätzrate mit Energiedichte führen. Auf diese Weise resultieren Materialien mit gleichen Alpha (d. h. niedrige Intensität) und völlig unterschiedlichen Ätzraten (bei hoher Dichte), da in einem Material eine Zweiphotonen- oder Mehrphotonenabsorption einsetzt. Zum Beispiel sind die aromatischen Ringe organischer Stoffe bei 355 nm noch nicht erregt (Absorptionsspitzen bei 240 –280 nm). Bei ausreichender Energiemenge kann jedoch ein Photonenbindungsbruch auftreten.
– Eine verbindliche Beschreibung des Prozesses ist aus folgenden Gründen schwierig (i) der Großteil der Querschnitte und Entspannungszeiten ist unbekannt und (ii) die Ablation erfolgt im festen Zustand, wo multimolekulare Ereignisse (d. h. die Art der Ausbreitung der Energie gebrochener Bindungen in die Matrix), mechanische Eigenschaften und Wärmeeigenschaften ebenfalls von Bedeutung sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet einen UV-Festkörperlaser zum Schneiden von Material, das Chip-Baueinheiten bildet, wie etwa Kugelrasteranordnungen, Material für gedruckte Schaltungen und andere "Dünnfilm"-Materialien, die aus den Plättchen derartiger laminierter Baueinheiten gebildet werden können.
Festkörperlaser vom Typ YAG/YLF und NV05 sowie andere Laser, die mit einer Grundlaseremission im sichtbaren Bereich oder Infrarotbereich betrieben werden, können durch Erzeugung zweite rund dritter Oberschwingungen, Summen- und Differenz- Frequenzmischung in nichtlinearen Kristallen der zweiten Ordnung in Ultraviolettlaser umgewandelt werden.
Als Beispiel haben wir unter Verwendung von Lasern, die im Bereich der "dritten Oberschwingung" arbeiten, bestimmt, dass wir bei einer durchschnittlichen Leistung von über 3 W die erforderliche Schneiderate für die meisten Durchsatzraten von BGA-Fertigungsstraßen zumindest erfüllen wenn nicht übertreffen können.
Die Vorrichtung besteht aus einem UV-Lasersystem gemäß der vorstehenden Beschreibung und einem Strahlenpositionierungsmechanismus. Der Strahlenpositionierungsmechanismus kann eine mehrachsige Stufe darstellen, wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt ist, oder ein Abtast-Galvanometer gemäß der Abbildung aus 3.
In Bezug auf die Abbildung aus 2 ist ein Strahlenpositionierungsmechanismus 30 dargestellt. Ein Rahmen 31 trägt ein zu singulierendes Ziel 32. Der optische Pfad ist wie folgt gegeben:

33: Laserstrahlquelle,
34: Strahlenoptik (Erweiterer),
35: fester Spiegel,
36: fester Spiegel,
37: in die X-Richtung beweglicher Spiegel,
38: in die Y-Richtung beweglicher Spiegel,
39: Kamera zur Ausrichtung der Baueinheitsmerkmale und
40: eine Fokussierungslinse.

Die Vorteile des Ansatzes der translationalen Stufe sind wie folgt

– Über eine große Fläche sind kleine Punktgrößen möglich
– Durch die Regelung des Spiegels können Schwankungen in Bezug auf die Punktgröße wirksam verhindert werden
– In hohem Maße wiederholbare und präzise Positionierung

Der Schneidevorgang kann in Echtzeit überwacht werden, indem die von der Oberfläche des geschnittenen Materials reflektierte Lichtenergie beobachtet wird, die entlang dem Pfad des einfallenden Strahls und auf einen fotoelektrischen Detektor zurückgestrahlt wird. Wenn das Material vollständig geschnitten worden ist, ist keine reflektierende Oberfläche vorhanden und das Signal an dem Detektor sinkt auf den Hintergrundwert, der im Idealfall gleich Null ist. Bei dem reflektierten Licht kann es sich um UV-Laserlicht handelt, wobei in diesem Fall ein Strahlenteiler für die Laserwellenlänge verwendet wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein für UV-Strahlung (z. B. 355 nm) transparenter Spiegel verwendet, um eine zweite Wellenlänge zu reflektieren, wie etwa die Wellenlänge (z. B. 532 nm) der zweiten Oberschwingung. In diesem Fall geht bei der Ultraviolett-Wellenlänge keine Eingangsleistung verloren.
Eine weiterer Möglichkeit ist es, dass der Rückführungsmechanismus der Emission des während dem Schneidevorgang erzeugten künstlichen Echos aus dem sichtbaren in den Infrarotbereich entspricht. In Abwesenheit des Echos wird nicht geschnitten und die Probe wurde bereits durchgeschnitten. Das Vorhandensein des künstlichen Echos kann als Nachweis dafür dienen, dass gerade geschnitten wird. Ferner liefert der Spektralinhalt des künstlichen Echos Informationen über das zu schneidende Material.
Eine Echtzeitsteuerung des Schneidens von mehrlagigem Material ist möglich durch die Überwachung der Spektralleistung an jeder Position des Impulses an dem geschnittenen Abtastobjekt. In Bezug auf die Steuerung ist es sobald das Signal zugeführt und vor dem Auftreten der nächsten Messung verarbeitet werden kann möglich, die Laserausgangsparameter Impuls für Impuls zu steuern. Dies ist vorteilhaft, wenn Verbundstoffe, wie etwa mehrlagige Baueinheiten, über die Schnittoberfläche eine unterschiedliche Materialverteilung aufweisen. Da eine Schicht bereits vollständig durchgeschnitten worden ist, können die Laserparameter ferner sofort verändert werden, so dass der Schneidevorgang für die nächste Schicht optimiert wird.
Eine zweite Option für die Strahlenzufuhr und die Positionssteuerung ist der Einsatz eines Abtast-Galvanometers. Die Abbildung aus 3 zeigt die wesentliche Geometrie, Zwei Spiegel sind an strombetriebenen Galvanometerspulen angebracht, welche die Achsen drehen, an denen der Spiegel angebracht ist. Das Abtasten von Position A zu Position D kann durch das Abtast-Galvanometer Galv.1 in einem Winkel G1 erreicht werden, wobei das Galvanometer Galv.2 so ausgerichtet ist, dass dessen Spiegel entlang dieser Linie reflektiert. Das Abtasten von Position A zu Position B kann durch Drehen des Galvanometers Galv.2 in einem Winkel G2 erreicht werden, wobei das Galvanometer Galv.1 für die Position A auf der AD-Linie fixiert ist. Demgemäß kann jede Position in zwei Dimensionen aus einer Kombination der Bewegungen der beiden Spiegel herausgehoben werden. Der Ansatz mit Galvanometer ermöglicht hohe Beschleunigungs- und Bremszeiten, was zu einem minimalen Zeitraum zwischen Bewegungen führt und die Verarbeitungszeit nur minimal beeinflusst.
Um der Arbeitsoberfläche einen fokussierten Laserstrahl zuzuführen, ist es erforderlich eine Planlinse oder eine Z-Achsen-Fokuseinstellung zu verwenden. Sowohl Galvanometer- als auch Rampensysteme sind für die UV-Laserentfernung von Materialien für gedruckte Schaltungen und Chip-Baueinheiten geeignet. Die Entscheidung ist dabei von den genauen Anforderungen des Schneidevorgangs abhängig.
In einer Situation, in der eine schnelle Beschleunigung eines Galvanometer-Ansatzes mit hoher Präzision erforderlich ist, kann dies durch eine Kombination aus einem Galvanometer und einer XY-Stufe oder einem Rampenansatz vorgesehen werden. Zum Beispiel kann eine Probe an einer XY-Stufe unterhalb einer Galvanometeranordnung angebracht werden. Eine hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung sind durch den galvanischen Vorgang über eine kleine Fläche mit hoher Genauigkeit möglich, und langsamere Bewegungen mit hoher Präzision sind in Verbindung mit der XY-Stufe möglich. Wenn die Anzahl der langsameren Bewegungen gering ist, ist der Effekt insgesamt auf die Verarbeitungszeit zu vernachlässigen. Diese Galvo-/XY-Stufenkombination ermöglicht die Nutzung der Präzision und der Geschwindigkeit.
Die Laserart, die Laserleistungsangaben, das Strahlenzufuhrverfahren und das zu schneidende Material, all diese Faktoren beeinflussen die Rate, mit der das Material geschnitten wird sowie die Qualität des resultierenden Schnitts.
Die vorstehend beschriebene optische Konfiguration sieht einen Laserstrahl auf die zu schneidende Oberfläche vor. Unter Verwendung einer Linse wird der Strahl auf einen kleinen Durchmesser fokussiert, einen Punkt mit hoher Intensität. Der Laser gibt im Pulse in einer Folge mit Raten von über 1 kHz ab. Das Schneiden wird durch Abtasten des Strahls über das Abtastobjekt (oder Abtasten des Abtastobjekts durch den Strahl) mit einer Geschwindigkeit erreicht, so dass eine ausreichende Überlagerung zwischen den Impulsen gegeben ist, um ein Schneiden zu ermöglichen. Wir haben festgestellt, dass es zur Optimierung der Schneidegeschwindigkeit und der Qualität erforderlich ist, einen korrekten Überlappungsfaktor sicherzustellen und mehrere Durchläufe über den gleichen Pfad zum Schneiden durch das Material vorzunehmen. Aus unteren Untersuchungen des Schneideprozesses sind wir zu folgenden Ergebnissen gelangt:

– Die Laser-, Material- und Abtastparameter bilden eine Reihe von Parametern, die für eine optimale Schneidegeschwindigkeit und Qualität optimiert werden muss.
– Unter Verwendung Beziehungen zwischen einer durchschnittlichen Leistung, einer Wiederholungsfrequenz und einer Abtastrate ist es möglich unter Verwendung mehrerer Durchläufe eine lineare Skalierung der Schneiderate bei durchschnittlicher Leistung sicherzustellen.
– Die Schneidequalität wird auch durch die Überlappung beeinflusst.
– Die Brennpunktgröße kann verringert oder vergrößert werden, und der entsprechende Überlappungsparameter kann angepasste werden (durch Anpassung der Wiederholungsfrequenz oder der Abtastrate), wenn eine höhere Spitzenenergiedichte erforderlich ist.
– Die Skalierungsregeln für hohe Energiedichte (> 100 MW/cm²) für die Ätzrate oder die Schneiderate unterscheiden sich von denen für eine geringe Energie bzw. Leistung (1 KW bis 100 MW/cm²).

Parameterraum
(a) Laserparameter
Wellenlänge des Laserstrahls.
Impulsenergie: Die Impulsenergie ist die Energie in einem Einzelimpuls des Impulszugs, und die Energiedichte ist der Wert pro cm².
Die Wiederholungsfrequenz definiert die Anzahl der Impulse in der Sekunde.
Abtastgeschwindigkeit: Die Abtastgeschwindigkeit des Lasers im Verhältnis zu dem Abtastobjekt ist durch die erforderliche räumliche Überlappung für eine bestimmte Punktgröße bei fester Wiederholungsfrequenz definiert.
Überlappung: Die Überlappung ist als der prozentuale Anteil des Strahlendurchmessers definiert, der räumlich andere Impulse in der Folge überlappt.
Punktgröße: Die Punktgröße oder der Strahldurchmesser bestimmt die Spitzenenergiedichte (W/cm²) und den Fluss (J/cm²) an der Schneideoberfläche. Zusätzlich bestimmt die Punktgröße, mit welcher Geschwindigkeit der Laser im Verhältnis zu dem Abtastobjekt abtasten soll, um die erforderliche Überlappung zu erreichen.
Die durchschnittliche Leistung bzw. Energie ist die Impulsenergie, die durch alle Impulse in einer Sekunde geliefert wird. Energie × Wiederholungsfrequenz.
Impulsbreite: Die Impulsbreite bestimmt die Spitzenleistung und die Spitzenenergiedichte.
Die Spitzenenergiedichte ist die je Flächeneinheit (cm²) zugeführte Spitzenleistung.
(b) Materialparameter
Absorptionskoeffizient
Der lineare Absorptionskoeffizient α bestimmt die Penetrationstiefe des Impulses. Das Beer-Lambertsche Gesetz besagt: I = I0e – αL
Demgemäß ist die Tiefe, bei der sich die einfallende Intensität I₀ um 50% reduziert (I = I₀/2) wie folgt gegeben:
Die Zweiphotonenabsorption kann als Gesamtabsorption als die Summe eines linearen und intensitätsabhängigen Absorptionskoeffizienten verstanden werden, gegeben durch: α(I) = α0 + α2I Awobei α₀ den linearen Absorptionskoeffizienten in m^–1 darstellt, wobei α₂ den Zweiphotonen-Absorptionskoeffizienten in m/W und I die Intensität in W/m² darstellt.
Für eine Welle mit fester Intensität und eine Wellenlänge, bei der eine Zweiphotonenabsorption auftritt, kann die resultierende Abnahme der Wellenintensität mathematisch wie folgt dargestellt werden:
wobei z in Metern die Strecke angibt, um welche sich die Welle ausgebreitet hat. Die Integration dieses Ausdrucks ergibt die Intensität der Welle als eine Funktion der ausgebreiteten Strecke;
wobei I₀ die ursprüngliche Intensität der Welle darstellt. Wenn eine zu vernachlässigende Zweiphotonenabsorption gegeben ist, ist α₂ gleich Null und der Ausdruck reduziert sich auf das Beer-Lambertsche Gesetz für eine lineare Absorption. In Gegenwart einer Zweiphotonenabsorption tritt ein Intensitätsbegrenzungseffekt ein.
In Anbetracht dieser Ausdrücke können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

– Energie kann absorbiert werden, auch wenn der Absorptionskoeffizient für schwache Energie gleich Null ist (A)
– Mit zunehmender Intensität nimmt auch die insgesamt absorbierte Energie zu (A)
– Bei zunehmender Intensität in Gegenwart der Zweiphotonenabsorption nimmt auch die Tiefe zu, bei der die Intensität sich oberhalb des Grenzwertes I_th befindet.

Mehrphotonenabsorption:
Ähnlich wie bei der Zweiphotonenabsorption kann die Absorption von drei oder mehreren Photonen unter Verwendung der vorstehenden Prozeduren definiert werden.
Nichtlineare Absorption:
Weitere Verfahren der nichtlinearen Absorption umfassen die Absorptionssättigung, die inverse sättigungsfähige Absorption und die Fotoionisation.
Unter Verwendung eines Hilfsgases kann sichergestellt werden, dass keine Rückstände auf die Abtastoberfläche abgeschieden werden. Ferner können einige Gase die Fotoentfernung von Material verbessern, während andere unerwünschte unsaubere chemische Prozesse unterdrücken können.
Schneideraten-Skalierungsparameter
Auf der Grundlage des beschriebenen Parameterraums ist es möglich, die folgenden Aussagen zu treffen:

– Die Wellenlänge sollte unter 400 nm liegen.
– Die Mindestenergiedichte sollte 100 J/cm² betragen oder die Mindestspitzenleistungsdichte sollte 1,0 GW/cm² betragen.
– Bei einer gegebenen Laserimpulsenergie definieren die Abtastrate und die Wiederholfrequenz die Überlappung. Durch Erhöhen der Abtastrate und der Wiederholfrequenz kann die Überlappung aufrechterhalten werden, wobei die Anzahl der Abtastvorgänge konstant bleibt, während die zum Schneiden erforderliche Zeit linear gemäß dem Anstieg der Abtastrate zurückgeht, d.h. die Schneiderate verringert sich linear.
– Bei gegebener Impulswiederholfrequenz, Abtastgeschwindigkeit und Überlappung (5%–95%) erhöht sich die erforderliche Anzahl der Durchläufe zum Schneiden durch ein Abtastobjekt mit zunehmender Energie des Impulses. Bei UV-Festkörperlasern mit einer durchschnittlichen Leistung von bis zu 4 W, die mit optimaler Schneiderate arbeiten und wobei die Parameter, um dies zu erreichen eingestellt sind, folgt der Anstieg allgemein einer linearen Tendenz. Wie die normale Fotoablation treten nichtlineare Absorptions- und Ionisationseffekte in dem höheren Leistungsdichtebereich (oberhalb von 100 MW/cm²) auf.
– Demgemäß nimmt die Schneiderate mit einer linearen oder besser als linearen Abhängigkeit von der Impulsenergie zu. Für die vorstehend beschriebenen UV-Laser ist es möglich, die Anzahl der zum Schneiden erforderlichen Abtastvorgänge zu reduzieren, indem:
– die Schneiderate bei geringer Leistung von 3 W optimiert wird; und
– durch Aufwärtsskalierung der durchschnittlichen Leistungsausgabe, so dass sich als Parameter nur die Impulsenergie ändert (zum Beispiel ergibt sich eine Durchschnittsleistung von 15 W).

Abhängig von dem Material kann es möglich sein, die Anzahl der Abtastvorgänge um fünf (15 W/3 W, linear), mehr als fünf (superlinear) oder weniger als fünf (sättigend) zu reduzieren, um das vollständige Schneiden zu erreichen. Allgemein nimmt für Chipbaueinheiten, Leiterplatten und flexible Schaltungen die Schneiderate linear oder "superlinear" mit der Zunahme der Impulsenergie zu.
Ein Beispiel für die vorstehenden Skalierungsregeln wird eine mehrlagige Struktur mit einer Dicke von 1 mm angenommen. Wir erreichen eine Schneiderate von 4,2 mm/Sek. mit einer Durchschnittsleistung von 3 W. Erreicht wird dies mit einer Wiederholfrequenz von 5,5 KHz, einer Impulsbreite von 95 ns, einer Abtastgeschwindigkeit von 100 mm/Sek. und einer Punktgröße von 25 Mikron. Dies erfordert insgesamt 24 Durchläufe, um durch das Material zu schneiden und die gewünschte Qualität zu erreichen. Für dieses Beispiel können die entsprechende Energiedichte (oder Fluss) und die Spitzenleistungsdichte wie folgt berechnet werden:
Durch eine Erhöhung der Abtastrate auf 300 mm/Sek. und eine Erhöhung der Wiederholfrequenz auf 16,5 KHz und unter Verwendung der gleichen Impulsenergie ist es möglich, eine Schneiderate von mindestens 12,6 mm/Sek. zu erreichen. Dies setzt eine durchschnittliche Leistung von 9 W voraus. Dies liegt innerhalb der Kapazität von Diodenpumpen-UV-Festkörperlasern.
Eine weitere Erhöhung der Leistung bei dieser Wiederholfrequenz (zum Beispiel auf 18 W) und die Beibehanltung aller anderen Parameter kann dann zu einer Verdopplung der Rate auf 25,2 mm/Sek. führen.
Durch Reduzierung der Impulsbreite sind unter Beibehaltung aller vorstehend genannten Parameter weitere Verbesserungen möglich (Anstiege der Schneiderate). Die Reduzierung der Impulsbreite für eine feste Energie führt zu einem Anstieg der Spitzenleistung. Nichtlineare Prozesse sind in hohem Maße von der Spitzenleistung abhängig, und bei einer nichtlinearen Absorption, Ionisation oder einem Brechungsprozess, der zu der Rate der Materialentfernung beiträgt, erhöht die Reduzierung der Impulsbreite die Materialentfernungsrate, was zu einer höheren Schneiderate führt. Die Ablation ist ebenfalls stark von der Impulsbreite abhängig.
Ein weiterer Parameter, der die Strahlenergie/Leistungsdichte an dem Abtastobjekt betrifft, ist der Strahlendurchmesser. Die Fokussierung auf einen schmaleren Strahl an dem Abtastobjekt führt zu einem Anstieg der Spitzenleistungsdichte, der durchschnittlichen Leistungsdichte und der Energiedichte an dem Abtastobjekt. All dies führt zu einem Anstieg der Materialentfernung. Letztendlich behindert der "Unterschnnit" oder die Breite des Schneidebereichs jedoch physisch die Materialentfernung und es muss eine ausreichende Unterschnittbreite sichergestellt werden, um die Materialentfernungsrate aufrecht zu erhalten. Ein zweiter zu berücksichtigender Faktor ist die Feldtiefe. Eine zu enge Fokussierung reduziert die Feldtiefe. Schließlich wird die Reproduzierbarkeit des Positionierungssystems bei kleineren Strahlengrößen kritisch. In Anbetracht dieser Faktoren liegt der optimale Strahlendurchmesser im Bereich von 8 bis 70 Mikron.
Der Parameterraum ist dabei wie folgt definiert (ohne bestimmte Reihenfolge):
Impulsbreite: < 100 ns
Strahlenmitte: < 70 Mikron
Durchschnittsleistung: > 3 W
Wiederholfrequenz: > 1 KHz
Anzahl der Durchläufe: > 1
Wellenlänge: < 400 nm
Überlappung (abhängig von der Wiederholungsfrequenz und der Abtastrate): 5% bis 95% und vorzugsweise 30% bis 50%.
Mindestenergiedichte von 100 J/cm² oder Mindestspitzenleistungsdichte von 1,0 GW/cm².
BEISPIELE:
Beispiel 1: Flexible Schaltungsbaueinheiten und Flüssigkristalllage
Bei dem Laser handelte es sich um einen gütegeschalteten Nd:Yag-Laser mit Frequenzverdreifachung. Die Laserstabilität war besser als 7% über Durchschnitt und der Modusbetrieb entsprach Fundamental TEM₀₀. Die Betriebsdaten sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2: Laserparameter für Beispiel 1.
Die Schneideparameter für fünf repräsentative flexible Schaltungsmaterialien wurden verwendet. Die Proben bestanden aus Lötmaske, Polyimid und Klebstoff in verschiedenen Laminierungen.
Probe #1: Fünflagiges Material. 2 Polyimid, 2 Klebstoff, 1 Lötmaske.
Probe #1A: Identisch mit Probe #1, mit Ausnahme der Fortsetzung der Lötmaske über den Hitzebindungsbereich auf einer Seite.
Probe #2: Probe mit 3 Materiallagen. 1 Polyimid, 2 Lötmaske.
Probe #3: Probe mit 5 Lagen in den Bereichen ohne Kupferbeschickung. 3 Polyimid, 2 Klebstoff.
Probe #4: Probe mit 3 Materiallagen. 1 Flüssigkristallpolymer, 2 Lötmaske.
Die optimale Wiederholfrequenz wurde durch Anpassen der Wiederholfrequenz und der Abtastgeschwindigkeit ermittelt, wobei eine übereinstimmende Überlappung sichergestellt und die Anzahl der erforderlichen Durchläufe zum Durchschneiden gezählt wurde. Die Wiederholfrequenz könnte zwar auf bis zu 15 KHz eingestellt werden, wobei die optimale Bearbeitungsleistung jedoch dann erreicht wird, wenn sich die Durchschnittsleistung in der Nähe ihres Höchstwertes befindet. An diesem Punkt ist die individuelle Impulsenergie zwar unter Umständen nicht maximal, jedoch ist die insgesamt zugeführte Energie derart gegeben, dass das Schneiden innerhalb des schnellst möglichen Zeitraums erfolgt.
Folgende Schlussfolgerung kann aus den Graphen der Abbildungen der 4 und 5 gezogen werden:

Durch Anpassen lediglich der Impulsenergie steigt die Schneiderate oberhalb einer Leistungsdichte von 0,5 GW/cm² ohne Sättigung. Das Verhältnis variiert geringfügig abhängig von der Art des Abtastobjekts und der Dicke, wobei das Verhältnis als linear proportional oder besser definiert werden kann.

Beispiel 2:
Überformte Kugelrasteranordnungseinheit: Der Effekt der Überlappung. Unter Verwendung der gleichen Laserbetriebsparameter wie in Beispiel 1 wurde die Schneiderate für eine 1 mm dicke überformte BGA-Baueinheit bei einer Durchschnittsleistung von 3 W mit 4,2 mm/Sek. gemessen. Dies wurde bei 24 Durchläufen mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/Sek. (ungefähr 50% Überlappung am FWHM-Intensitätspunkt) erreicht. 20X und 100X SEM-Bilder der erhaltenen Kanten sind entsprechend in den Abbildungen der 6 und 7 dargestellt. Das Abtastobjekt besteht aus Lötmaske, Glasfasermatrix, Epoxidharz und Klebstoff sowie Kupfer- und Einbettmaterialbereichen. Es ist eindeutig, dass die Kantenqualität fehlerfrei ist. Der erscheinende offene Raum geht wahrscheinlich auf das freie Volumen des Einbettmaterials zurück.
Das Experiment wurde mit zwei Durchläufen und einer Abtastgeschwindigkeit von 8,3 mm/Sek. wiederholt. Dies entspricht einer Überlappung von 93% für einen Punkt von 25 Mikron. Die 20X und 100X SEM-Bilder der Kante sind entsprechend in den Abbildungen der 8 und 9 dargestellt. Es ist besonders eindeutig, dass die Schneidequalität nicht so gut ist wie bei der Überlappung von 50%, und dass dies ein wichtiger Faktor zum Erreichen der erforderlichen Schneidequalität ist.
Das folgende Beispiel zeigt die Leistungsanforderungen für den Laserstrahl. 1 mm dicke, mehrlagige, überformte BGA-Baueinheit (siehe Beispiel 2).
Verwendete Durchschnittsleistung = 3 W
Wiederholfrequenz = 5,5 KHz
Punktgröße = 25 Mikron (1/e²)
Abtastgeschwindigkeit = 100 mm/Sek.
Erforderliche Durchläufe zum Durchschneiden = 24
Effektive Schneiderate = 4,2 mm/Sekunde
Fokustiefe:
Wobei ω(z) die Strahlenmitte bzw. Strahlentaille bei einer Entfernung z von der minimalen Strahlentaille bei wo darstellt, und wobei λ die Wellenlänge bezeichnet. Zulässig ist eine Punktgrößenschwankung um 5%, d. h. ω(z) = 1,05 ω₀.
Bei ω₀ = 25 Mikron und einer Wellenlänge von 355 nm wird für z = Δz aufgelöst
Δz = ±1,7 mm
Aus diesen Daten können wir schlussfolgern, dass die Energiedichte, die Spitzenleistungsdichte und der Durchschnittsleistungsdichtebereich einzigartig ist und ferner, dass die Fokustiefe, über welche der Bereich bestehen kann, eine vollständig neue Gruppe von Parametern für die Laserbearbeitung mit UV-Licht ergibt.
Der Einsatz eines derartigen Lasers mit einer Durchschnittsleistung von über 3 W ergibt einen völlig neuen Bereich der Leistungsdichten, die angewandt werden können, um eine effiziente Bearbeitung von Verbundstoffen und mehrlagigen Stoffen zu erreichen, wie diese etwa in der Elektronikfertigung zum Einsatz kommen.
Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik die folgenden Vorteile erreicht:
1. Verbesserte Geschwindigkeit

– Teile werden direkt von dem vorherigen Prozess in Platten, Streifen oder Booten übertragen:
– Für die Singulierung einer Baueinheit mit einer Dicke von 1 mm wird mit einem Laser mit 5 W eine Geschwindigkeit von mehr als 1000 Einheiten/Stunde erreicht. Diese kann bei höherer Leistung noch gesteigert werden.
– Eine Reinigung ist nicht erforderlich.

2. Kosteneinsparungen gegenüber existierenden Sägen
Im Gegensatz zu einer Diamantensäge fallen bei dem Laserschneideverfahren keine Kosten in Bezug auf die Wafer-Säge, für entionisiertes UV-Band-Wasser, Trocknen sowie für Sägeverbrauchsmaterial an.
3. Platz bzw. Raum
Die Lasererregung nimmt in einem Reinraum der Klasse 1000 weniger Platz in Anspruch. Die Lasererregung und die Inspektion erfordern lediglich etwa 2 Quadratmeter im Gegensatz zu ungefähr 5 Quadratmetern für dem Stand der Technik entsprechende Einrichtungen zum Sägen, Handhabung und Inspektion.
4. Schneidequalität
Das erfindungsgemäße Erregungsverfahren führt zu deutlich kleinerem "Unterschnitt". Bei dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren weisen Sägen für gewöhnlich eine Verschnittfläche von 250 μm auf und verwenden Schnitte von 175 μm. Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Verschnittfläche bei 25 μm oder darunter. Somit erreicht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Leistungsfähigkeit für Bauteile, im Besonderen für kleine Bauteile. Die vorliegende Erfindung erreicht ferner Kanten mit geringerer Belastung und ohne mikrofeine Risse.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind Änderungen in Bezug auf die Konstruktion und die Details gemäß dem Umfang der Ansprüche möglich.

Claims

Verfahren zum Singulieren einer Mehrzahl von elektronischen Schaltungen (2, 6, 21) durch Schneiden von die Schaltungen verbindendem Material, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Impulslaserstrahls, der die folgenden Eigenschaften aufweist: eine Wellenlänge von weniger als 400 nm und eine Mindestenergiedichte von 100 J/cm² oder eine Mindestspitzenenergiedichte von 1 GW/cm²; Ausrichten des Strahls im Verhältnis zu einem Merkmal oder einem Bezug des zu schneidenden Materials; und Anwenden des Strahls auf das Material, bis ein Schnitt vorgenommen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anwendens des Strahls das Bewegen des Strahls umfasst, so dass eine räumliche Überdeckung aufeinanderfolgender Impulse gegeben ist, wobei die Überdeckung im Bereich von 5% bis 95% liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überdeckung im Bereich von 30% bis 50% liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Anwendens des Strahls das Bewegen des Strahls in einer Mehrzahl von Durchläufen über das Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Strahl in mehr als fünf Durchläufen bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erzeugens eines Laserstrahls das Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Impulsfolgefrequenz von über 1 kHz umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erzeugens eines Laserstrahls das Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Fokustiefe umfasst, die mindestens einer Dicke des zu schneidenden Materials entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem genannten Material um einen Halbleiter handelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer Anordnung zum Singulieren einer elektronischen integrierten Schaltung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem genannten Material um einen Schichtstoff handelt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schichtstoff zwei oder mehr Schichten umfasst, die aus BT-Epoxidharz, Glasfasern, Kupfer, Gold, Polyimid, Klebstoff, Überformstoffen, Unterfüllungen, Leitern, Dielektrika, Versteifungsmitteln, Stabilisatoren, Protektoren oder anderen Materialien ausgewählt werden, die in elektronischen Baueinheiten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei einzelne Schichten des Schichtstoffs unterschiedliche Ablations- und Ionisierungsschwellenwerte, unterschiedliche Ablations- und Ionisierungsraten und unterschiedliche nichtlineare Absorptions- und Nichtionisierungsraten aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erzeugens des Laserstrahls den zusätzlichen Schritt des Erzielens einer optischen Rückkopplung von dem zu schneidenden Material umfasst sowie das Variieren der Parameter des Laserstrahls abhängig von der optischen Rückkopplung.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzielens der optischen Rückkopplung das Detektieren umfasst, ob Licht von einer Oberfläche des zu schneidenden Materials reflektiert wird, wenn das Material durchgeschnitten worden ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Schritt des Erzielens der optischen Rückkopplung das Detektieren optischer Emissionen von einem durch den Schneideprozess erzeugten künstlichen Echo umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Erzielens der optischen Rückkopplung das Bestimmen eines Spektralinhalts des künstlichen Echos umfasst, um Informationen über das zu schneidende Material vorzusehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Schritt des Variierens der Parameter des Laserstrahls das Variieren der Parameter zwischen aufeinanderfolgenden Durchläufen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Schritt des Variierens der Parameter des Laserstrahls das Variieren der Parameter zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen während einem Durchlauf umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strahl aus einem Festkörperlaser mit einer kennzeichnenden durchschnittlichen Leistungsspitze auf einer spezifischen Folgefrequenz erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strahl so geregelt wird, dass die durchschnittliche Leistung sinkt, wenn die Folgefrequenz erhöht oder verringert wird, und obwohl die individuelle Impulsenergie mit einer anderen Folgefrequenz als der Folgefrequenz für die maximale Durchschnittsleistung erhöht werden kann, wird die maximale Schneiderate auf einer Folgefrequenz erreicht, die sich aufgrund des Beitrags anderer Schneideparameter von diesen Frequenzen unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Leistung des genannten Laserstrahls größer ist als 3 W, mit einer Impulsbreite von weniger als 100 Nanosekunden, einer räumlichen Überdeckung von 10–70% aufeinanderfolgender Impulse und einem Strahldurchmesser von weniger als 70 Mikron an dem 1/e² Punkt des räumlichen Intensitätsprofils.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl durch eine Diodenlaser-Pumpverstärkungsmediumvorrichtung mit einer Grundemission in einem Wellenlängenbereich von 900 bis 1600 nm erzeugt wird, und mit der Erzeugung zweiter, dritter, vierter oder fünfter Oberschwingungen mit 1/2, 1/3, 1/5, 1/5 dieser Wellenlänge, wobei dies durch Platzieren entsprechender Kristalle in dem Laserhohlraum oder außerhalb des Laserhohlraums erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei es sich bei der genannten Laservorrichtung um eine Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄ oder Kombinationen aus Unreinheit:Host Verstärkungsmedienlasierung in dem erforderlichen Bereich sowie mit der Erzeugung von Oberschwingungen auf eine Betriebswellenlänge von unter 401) nm handelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strahl einer Oberfläche des zu schneidenden Materials unter Verwendung von einem oder mehreren Spiegeln zugeführt wird, die an einem oder mehreren Abtast-Galvanometern angebracht sind, und wobei eine erforderliche Punktgröße durch den Einsatz einer axialen Linsenpositionseinstellung auf einer Stufe vor dem Galvanometer-Spiegel erreicht wird oder auf einer Stufe nach dem Galvanometer-Spiegel durch eine Linse einer Planlinse oder durch den Einsatz einer Kombination aus diesen Linsen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Laserstrahl unter Verwendung von einem oder mehreren Spiegeln zugeführt wird, die auf einer. oder mehreren Translationsstufen angebracht sind, und wobei die Fokussierung durch den Einsatz eines Teleskops oder einer axialen Linse vor dem Bewegen von vor der Materialoberfläche angebrachten Spiegeln oder der Linse erreicht wird, sowie durch Bewegen mit dem Strahlzufuhrspiegel, so dass der fokussierte Strahl der Materialoberfläche zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Strahl ausgezogen und fokussiert wird, um die erforderliche Punktgröße an dem zu schneidenden Material mit einer Teleskop- oder Abtastlinse zu erreichen, die so ausgewählt wird, dabei die Strahlverschwendung über den Zufuhrbereich des Strahls innerhalb eines festgelegten prozentualen Bereichs einer optimalen Punktgröße verbleibt, und wobei der Bereich größer ist als die Dicke des zu schneidenden Materials.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Hilfsgas zur Unterstützung des Schneideprozesses verwendet wird, indem es verhindert wird, dass sich Rückstände auf der Materialoberfläche ablagern, und wobei das Hilfsgas Material entfernt, das während dem Schneideprozess erzeugt wird, so dass die Rückstände keine Absorption oder Streuung aufeinanderfolgender Laserlichtimpulse erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Hilfsgas eingesetzt wird, um eine inerte Atmosphäre zu erzeugen, um es zu verhindern, dass unerwünschte spezifische fotochemische oder fotophysikalische Reaktionen während dem Schneiden auftreten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Vakuumsaugprozess zum Extrahieren von Dämpfen und an der Schneideoberfläche erzeugten festen Rückständen vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Ausrichtens des Strahls im Verhältnis zu einem Merkmal oder einem Bezug des Materials den Einsatz eines Sensors und einer Einrichtung zur Bildverarbeitung umfasst, um Koordinaten vorzusehen, entlang denen das Schneiden erfolgt, und wobei ein Strahlpositionierungsmechanismus so gesteuert wird, dass der Laserstrahl sicher einem erforderlichen Schneideweg folgt.
Schaltungs-Singulierungssystem, das folgendes umfasst: eine Einrichtung (31) zum Stützen einer Mehrzahl elektronischer Schaltungen (2, 6, 21), die durch Material miteinander verbunden sind; eine Laserstrahlquelle (33), die eine Einrichtung (34) zum Erzeugen eines Laserstrahls umfasst, mit: einer Wellenlänge von weniger als 400 nm und einer Mindestenergiedichte von 100 J/cm² oder einer Mindestspitzenenergiediehte von 1 GW/cm²; einen Strahlpositionierungsmechanismus, der eine Einrichtung (35–38, 40) umfasst, die dazu dient, den Strahl auf das Material zu richten sowie den Strahl entlang der Schnittlinien einzuarbeiten, um mindestens eine der Mehrzahl von elektronischen Schaltungen zu singulieren.
Schaltungs-Singulierungssystem nach Anspruch 31, wobei der Strahlpositionierungsmechanismus eine Reihe von Spiegeln (35– 38) umfasst, von denen mindestens einige beweglich sind, um den Laserstrahl zu richten, sowie eine Fokussierungslinse (40).
Schaltungs-Singulierungssystem nach Anspruch 32, wobei die Spiegel linear beweglich sind.
Schaltungs-Singulierungssystem nach Anspruch 32, wobei die Spiegel drehbar sind.