Beschreibung
Laserbearbeitungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren zum schnellen Bohren von Löchern in dielektrische Substrate.
Die Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen hat durch die rasante Entwicklung der Lasertechnologie in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere auf dem Gebiet der Elektronikfertigung ist durch die zunehmende Miniaturisierung der Bauelemente eine Laserbearbeitung von Leiterplatten bzw. Substraten zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, um die aufgrund der Miniaturisierung der Bauelemente erforderliche Mikrostrukturierung von Bauelementen und/oder Substraten zu ermöglichen. So können beispielsweise Löcher in Substrate gebohrt werden, welche einen Durchmesser aufweisen, der im Vergleich zu den Lochdurchmessern von mit herkömmlichen Bohrern gebohrten Löchern wesentlich kleiner ist. Unter der Voraussetzung, dass die Laserleistung des auf das Substrat treffenden Laserstrahls genau bekannt ist, können außer Durchgangslöchern auch sogenannte Sacklöcher gebohrt werden, die insbesondere für mehrschichtige Leiterplatten wichtig sind, da durch eine nachfolgende Metallisierung eines Sackloches verschiedene metallische Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte elektrisch leitend miteinander verbunden werden können und somit die Integrationsdichte auf einem Substrat deutlich erhöht werden kann.
Aus der US 5,593,606 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, mittels der Löcher mit einem Durchmesser zwischen 50 und 200 μ in mehrschichtige Substrate gebohrt werden können. Als Laserlichtquelle wird ein kontinuierlich gepumpter, gütegeschalteter Nd:YAG-Laser verwendet, welcher nach einer Frequenzkonvertierung Lichtpulse im ultravioletten Spektralbereich erzeugt. Die einzelnen Lichtpulse haben eine
mittlere Pulsleistung von ungefähr 250 mW und eine Pulslänge in der Größenordnung von 100 ns . Damit ergibt sich eine verhältnismäßig geringe Energie der einzelnen Lichtpulse von ungefähr 25 nJ, so dass zum Bohren eines einzigen Lochs eine Vielzahl von Laserpulsen verwendet werden muss. Da ferner die Puls-Repetitionsfrequenz auf wenige kHz begrenzt ist, ist der Durchsatz, d.h. die Anzahl an Löchern, die pro Zeiteinheit gebohrt werden können, entsprechend gering, so dass mit dieser Laserbearbeitungsvorrichtung abhängig von dem Material und der Dicke der zu durchbohrenden Schichten pro Zeiteinheit nur eine relativ geringe Anzahl von Löchern gebohrt werden kann.
Ferner ist bekannt, dass zur Materialbearbeitung und insbesondere auch zum Bohren von Löchern in Substrate gepulste C02-Laser mit einer Wellenlänge von 9,2-10,6 μm oder gepulste Festkörperlaser, wie zum Beispiel Nd:YAG-Laser oder Nd: YV04-Laser mit einer Grundwellenlänge von 1064 n verwendet werden können. Die Verwendung derartiger im infraroten Spektralbereich emittierenden herkömmlichen C02- Laserlichtquellen hat den Nachteil, dass die erzeugten Laserpulse mit einer Pulslänge in der Größenordnung von μs relativ lang sind. Damit ist das zu bearbeitende Substrat einer hoher thermischen Belastung ausgesetzt, so dass die Geometrie der gebohrten Löcher durch einen Bohrgrat oder durch Niederschläge am Rand des Loches erheblich von der optimalen (zylindrischen bzw. kegelförmigen) Form abweicht und somit die Qualität der gebohrten Löcher reduziert ist. Die Niederschläge entstehen beispielsweise durch verfestigten Dampf, welcher zuvor durch Sublimation aus dem Substratmaterial infolge der Erhitzung durch den Laserstrahl erzeugt wurde. Der Niederschlag kann aber auch aus kleinen Körnern des festen Substratmaterials bestehen, welche aufgrund einer starken inhomogenen Erhitzung der Substrates an den Rand des Loches geschleudert werden.
Aus der DE 100 20 559 ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen im sichtbaren oder im nah-infraroten Spektralbereich bekannt. Dabei werden mittels einer Laserlichtquelle Laserpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 300 ps und mit einer Repetitionsrate zwischen 100 kHz und 1 GHz erzeugt. Von den insgesamt erzeugten Laserpulsen wird die Intensität einzelner Laserpulse in einem optischen Verstärker verstärkt. Die verstärkten Laserpulse, welche eine Pulsdauer von weniger als 300 ps und eine Repetitionsrate zwischen 1 Hz und 1 MHz aufweisen, werden für eine Materialbearbeitung verwendet. Die nicht verstärkten Pulse, welche ebenfalls auf das zu bearbeitende Material gerichtet werden, werden für eine Untersuchung des zu bearbeitenden Materials verwendet. Als Untersuchungsmethode eignet sich beispielweise die sog. optische Kohärenztomographie .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bohren von Löchern in dielektrische Substrate zu schaffen, wobei innerhalb einer kurzen Zeitdauer eine Vielzahl von qualitativ hochwertigen Löchern gebohrt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei geeigneten Parametern, d.h. die Wellenlänge, die Pulslängen, die Repetitionsrate und die Pulsenergie des bearbeiteten Laserstrahls sowohl der Durchsatz, d.h. die Anzahl der gebohrten Löcher pro Zeiteinheit erhöht als auch die resultierende Lochqualität verbessert werden kann. Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls ein gütegeschalteter C02-Laser verwendet. Die Güteschaltung des C02-Lasers kann mittels eines sogenannten akustooptischen Schalters realisiert werden. Dafür eignet sich beispielsweise ein CdTe-Kristall, welcher mit einer Frequenz im MHz Bereich zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Die Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls gemäß Anspruch 4 auf einen Durchmesser von 50 bis 200 μm kann insbesondere dann realisiert werden, wenn der von der Laserlichtquelle emittierte Laserstrahl vor der eigentlichen Fokussieroptik mittels einer Strahlaufweitung verbreitert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Strahlaufweitung eine geringere Tiefenschärfe des zu bearbeitenden Laserstrahls zur Folge hat, so dass der Abstand zwischen der Fokussieroptik und der zu bearbeitenden Objektoberfläche mit einer möglichst hohen Genauigkeit eingehalten werden muss. Auf diese Weise können unerwünschte Verbreiterungen oder konischen Geometrien der gebohrten Löcher vermieden werden.
Das Bohren von sogenannten Sacklöchern gemäß Anspruch 5 wird insbesondere bei der Bearbeitung von Mehrschichtsubstraten verwendet .
Gemäß Anspruch 6 wird abhängig von dem Substratmaterial und der Dicke bzw. der Tiefe des zu bohrenden Loches das Loch entweder mittels eines einzigen Laserpulses oder mittels einer Abfolge von nacheinander auf das zu bearbeitende Objekt gerichteten Laserpulse gebohrt. Bei der Verwendung einer Abfolge von mehreren Laserpulsen ist darauf zu achten, dass zur Vermeidung einer schlechten Lochqualität die einzelnen Laserpulse möglichst an der gleichen Stelle des Objekts auftreffen. Bei durchgeführten Experimenten hat sich herausgestellt, dass dafür eine räumliche Überlappung der resultierenden Fokusflächen von mindestens 66% eingehalten werden sollte.
Gemäß Anspruch 7 werden für die Bearbeitung von Substraten aus dem Substratmaterial LCP (Liquid Cristalline Polymer) , welches hervorragende elektrische Eigenschaften bis hin zu Frequenzen von 40 GHz aufweist und welches nahezu undurchdringbar sowohl für Feuchtigkeit, Sauerstoff als auch
für andere Gase und Flüssigkeiten ist, bevorzugt Pulse mit einer Länge von maximal 150 ns verwendet.
Zur Bearbeitung des mit einem Glasfasermaterial mechanisch verstärkten dielektrischen Substrats FR4 (Flame Retard 4), wie beispielsweise das Material C-1080 der Firma ISOLA, eignet sich gemäß Anspruch 8 eine Puls-Wiederholfrequenz von mindestens 50 kHz und bevorzugt eine Puls-Wiederholfrequenz zwischen 60 kHz und 100 kHz.
Gemäß Anspruch 9 erfordert die Bearbeitung eines Epoxy Materials, wie beispielsweise das als Standardsubstrat in der Elektronikfertigung häufig verwendete Material RCC (Resin Coated Copper) , eine Puls-Wiederholfrequenz von mindestens 80 kHz und bevorzugt eine Puls-Wiederholfrequenz von annähernd 100 kHz.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
In der Zeichnung zeigen
Figur 1 das Bohren von Löchern durch ein Substrat in einer schematischen Darstellung und Figur 2 eine graphische Darstellung des maximal erreichbaren Durchsatzes von gebohrten Löchern in Abhängigkeit der Dicke des verwendeten LCP-Substrates .
Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bohren mittels einer Laserbearbeitungsvorrichtung dadurch, dass ein von einem nicht dargestellten C02-Laser emittierter Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 9,2 ± 0,2 μm mittels eines Strahlaufweiters 1 derart aufgeweitet wird, dass der Durchmesser des Laserstrahls im Vergleich zu dem Durchmesser des Laserstrahls am Auskoppelspiegel des Lasers um einen Faktor 1,5 bis 2 vergrößert wird. Der aufgeweitete
Laserstrahl wird mittels einer Ablenkeinheit 2, welche zumindest zwei nicht dargestellte bewegliche Spiegel enthält, um 90° abgelenkt. Der abgelenkte Laserstrahl wird dann mittels einer telezentrischen Fokussieroptik 3 derart fokussiert, dass ein Laserstrahl 4 mit einem wirksamen Fokusdurchmesser von 100 μm bis 200 μm auf das zu bearbeitende Objekt gerichtet wird, welches gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein einschichtiges Substrat 6 ist. Die beiden Spiegel der Ablenkeinheit 2 sind derart gelagert, dass der Laserstrahl 4 innerhalb einer kurzen Zeit auf beliebige Stellen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches auf der Oberfläche des Substrates 6 gerichtet werden kann.
Das Substrat 6 ist aus dem Material LCP hergestellt. Dieses Material wird beispielsweise unter der Bezeichnung Vectra H840 von der Firma Ticona oder unter der Bezeichnung Zenite 7738 von der Firma Dupont de Nemours angeboten. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass für das Substrat auch andere dielektrische Materialien, wie beispielsweise FR4 oder das Epoxy Material RCC, verwendet werden können.
Der von der nicht dargestellten gütegeschalteten C02- Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 4 emittiert mit einer Repititionsfrequenz von mindestens 50 kHz Laserlichtpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 150 ns und mit einer Pulsenergie von mindestens 0,7 mJ. Der Durchmesser des auf das zu bearbeitende Substrat 6 auftreffenden Laserstrahls 4 beträgt 100 μm bis 200 μm. Auf diese Weise werden Löcher 5 mit einem Durchmesser von 120 μm bis 250 μm gebohrt, wobei die resultierende Lochqualität im Vergleich zu Löchern, die mit herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtungen gebohrt wurden, erheblich verbessert ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Erreichung eines hohen Durchsatzes an gebohrten Löchern die Abbildungseinheit 2 derart ausgebildet sein muss, dass der auf das zu bearbeitende Substrat 6 gelenkte Laserstrahl 4 zügig von
einer möglichst genau definierten Position auf der Substratoberfläche zu einer anderen, ebenfalls möglichst genau definierten Position der Substratoberfläche gelenkt werden kann. Bei Verwendung einer derart schnellen Ablenkeinheit 2 kann somit aufgrund der relativ großen Pulsenergien, aufgrund der kurzen Pulslängen und der verwendeten Wellenlänge des Laserstrahls 4 sowohl ein hoher Durchsatz an gebohrten Löchern erreicht als auch die thermische Belastung des Substratmaterials minimiert und somit ein Bohrgrat oder Ablagerungen rund um das gebohrte Loch vermieden werden.
Figur 2 zeigt das Ergebnis einer experimentellen Untersuchung, bei der die maximale Anzahl an Löchern, welche mit einer hohen Lochqualität gebohrt werden können, in Abhängigkeit von der Dicke des Substrates grafisch dargestellt wird. Dabei ist auf der Abszisse die Dicke d in der Einheit mm aufgetragen. Die Ordinate gibt den Durchsatz N/t der gebohrten Löcher pro Sekunde an. Das verwendete Substrat ist wiederum aus dem Material LCP hergestellt. Je dünner das zu durchbohrende LCP-Substrat ist, desto höher ist der Durchsatz an gebohrten Löchern. Bei einer Dicke von 0,5 mm können 300 Löcher pro Sekunde gebohrt werden. Bei einer Dicke von 0,4 mm erhöht sich die Anzahl der Löcher, die mit einer gleichbleibenden Qualität gebohrt werden können, auf 500 pro Sekunde. Bei einer Dicke von 0,15 mm erhöht sich der Durchsatz an gebohrten Löchern weiter bis auf 1250 Löcher pro Sekunde.
Es wird darauf hingewiesen, dass LCP-Substrate mit einer Dicke von 0,4 mm häufig als sogenannte Spritzgusssubstrate in der Elektronikfertigung eingesetzt werden, so dass der Durchsatz an gebohrten Löchern von 500 pro Sekunde gegenüber dem Durchsatz, welcher mit herkömmlichen Laserbearbeitungsmaschinen erreicht werden kann, erheblich erhöht ist.
Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Laserbearbeitungsverfahren zum schnellen Bohren von Löchern in dielektrische Substrate (6) . Als Laserlichtquelle wird ein gütegeschalteter C02-Laser verwendet, welcher einen gepulsten Laserstrahl (4) mit einer Puls-Wiederholfrequenz größer als 50 kHz, mit Pulslängen kürzer als 200 ns und mit einer Energie pro Laserpuls von mindestens 10"4 Joule erzeugt. Mittels einer Ablenkeinheit wird der Laserstrahl (4) auf das zu bearbeitende Substrat (6) gelenkt. Mit den genannten den Laserstrahl (4) charakterisierenden Parametern kann sowohl ein hoher Durchsatz an gebohrten Löchern (5) als auch eine hohe Lochqualität gewährleistet werden. So können beispielweise in ein 0,4 mm dickes LCP-Substrat 500 Löcher pro Sekunde gebohrt werden, wobei die Geometrie der gebohrten Löcher annähernd zylindrisch bzw. annähernd kegelförmig ist. Der hohe Durchsatz und die gleichzeitig hohe Lochqualität sind eine Folge der gewählten Wellenlänge, der kurzen Pulslänge, der hohen Repetitionsrate und der ebenfalls im Vergleich zu herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtungen im Bereich der Elektronikfertigung hohen Pulsenergie.