DE10209617C1 - Laserbeschriftungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Bearbeiten von dielektrischen Substraten 6 mittels Laserstrahlen. Dafür wird ein gepulster Laserstrahl 4 mit einer Puls-Wiederholfrequenz größer als ungefähr 50 kHz und mit Pulslängen kürzer als ungefähr 200 ns verwendet. Bei geeigneter Wahl der den bearbeitenden Laserstrahl charakterisierenden Parameter kann sowohl ein hoher Durchsatz an gebohrten Löchern 5 als auch eine hohe Lochqualität gewährleistet werden. Bei der Verwendung eines gütegeschalteten CO¶2¶-Lasers wird eine Wellenlänge von ungefähr 9,2 mum und eine Pulsenergie von ungefähr 0,7 mJ verwendet. Damit können beispielsweise in ein 0,4 mm dickes LCP-Substrat 500 Löcher pro Sekunde gebohrt werden. Der hohe Durchsatz und die gleichzeitig hohe Lochqualität sind eine Folge der gewählten Wellenlänge, der kurzen Pulslängen, der hohen Repetitionsrate und der ebenfalls im Vergleich zu herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtungen im Bereich der Elektronikfertigung hohen Pulsenergie.

Description

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 Jah­ ren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere auf dem Ge­ biet der Elektronikfertigung ist durch die zunehmende Minia­ turisierung der Bauelemente eine Laserbearbeitung von Leiter­ platten bzw. Substraten zu einem unverzichtbaren Werkzeug ge­ worden, 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 herkömmli­ chen Bohrern gebohrten Löchern wesentlich kleiner ist. Unter der Voraussetzung, dass die Laserleistung des auf das Sub­ strat 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 Sacklo­ ches 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 µm in mehrschichtige Substrate gebohrt werden können. Als Laserlichtquelle wird ein kontinuierlich gepumpter, güte­ geschalteter Nd:YAG-Laser verwendet, welcher nach einer Fre­ quenzkonvertierung Lichtpulse im ultravioletten Spektralbe­ reich 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 verhältnis­ mäßig 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 die­ ser 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 insbe­ sondere auch zum Bohren von Löchern in Substrate gepulste CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 9,2-10,6 µm oder gepulste Festkörperlaser, wie zum Beispiel Nd:YAG-Laser oder Nd:YVO₄- Laser mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm verwendet werden können. Die Verwendung derartiger im infraroten Spektralbe­ reich emittierenden herkömmlichen CO₂-Laserlichtquellen hat den Nachteil, dass die erzeugten Laserpulse mit einer Puls­ länge in der Größenordnung von µs relativ lang sind. Damit ist das zu bearbeitende Substrat einer hoher thermischen Be­ lastung ausgesetzt, so dass die Geometrie der gebohrten Lö­ cher durch einen Bohrgrat oder durch Niederschläge am Rand des Loches erheblich von der optimalen (zylindrischen bzw. kegelförmigen) Form abweicht und somit die Qualität der ge­ bohrten 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 we­ niger als 300 ps und mit einer Repetitionsrate zwischen 100 kHz und 1 GHz erzeugt. Von den insgesamt erzeugten Laser­ pulsen wird die Intensität einzelner Laserpulse in einem op­ tischen Verstärker verstärkt. Die verstärkten Laserpulse, welche eine Pulsdauer von weniger als 300 ps und eine Repeti­ tionsrate 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 Ma­ terials verwendet. Als Untersuchungsmethode eignet sich bei­ spielweise 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 qua­ litativ hochwertigen Löchern gebohrt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma­ len des unabhängigen Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei geeig­ neten Parametern, d. h. die Wellenlänge, die Pulslängen, die Repetitionsrate und die Pulsenergie des bearbeiteten Laser­ strahls 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 CO₂-Laser verwendet. Die Güteschaltung des CO₂-Lasers kann mittels eines sogenannten akustooptischen Schalters reali­ siert werden. Dafür eignet sich beispielsweise ein CdTe- Kristall, welcher mit einer Frequenz im MHz Bereich zu mecha­ nischen Schwingungen angeregt wird.

Die Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls gemäß An­ spruch 4 auf einen Durchmesser von 50 bis 200 µm kann insbe­ sondere dann realisiert werden, wenn der von der Laserlicht­ quelle emittierte Laserstrahl vor der eigentlichen Fokussier­ optik mittels einer Strahlaufweitung verbreitert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Strahlauf­ weitung eine geringere Tiefenschärfe des zu bearbeitenden La­ serstrahls 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 ko­ nischen 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 ei­ ner Abfolge von nacheinander auf das zu bearbeitende Objekt gerichteten Laserpulse gebohrt. Bei der Verwendung einer Ab­ folge von mehreren Laserpulsen ist darauf zu achten, dass zur Vermeidung einer schlechten Lochqualität die einzelnen Laser­ pulse möglichst an der gleichen Stelle des Objekts auftref­ fen. Bei durchgeführten Experimenten hat sich herausgestellt, dass dafür eine räumliche Überlappung der resultierenden Fo­ kusflächen 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 undurch­ dringbar sowohl für Feuchtigkeit, Sauerstoff als auch für an­ dere 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, eig­ net 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 Mate­ rials, wie beispielsweise das als Standardsubstrat in der E­ lektronikfertigung häufig verwendete Material RCC (Resin Coa­ ted Copper), eine Puls-Wiederholfrequenz von mindestens 80 kHz und bevorzugt eine Puls-Wiederholfrequenz von annä­ hernd 100 kHz.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er­ geben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung ei­ ner derzeit bevorzugten Ausführungsform.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 das Bohren von Löchern durch ein Substrat in einer schematischen Darstellung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des maximal erreichbaren Durchsatzes von gebohrten Löchern in Abhängigkeit der Dicke des verwendeten LCP-Substrates.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bohren mittels einer Laserbearbeitungs­ vorrichtung dadurch, dass ein von einem nicht dargestellten CO₂-Laser emittierter Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 9,2 ± 0,2 µm mittels eines Strahlaufweiters 1 derart aufge­ weitet wird, dass der Durchmesser des Laserstrahls im Ver­ gleich zu dem Durchmesser des Laserstrahls am Auskoppelspie­ gel 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 Fokus­ durchmesser von 100 µm bis 200 µm auf das zu bearbeitende Ob­ jekt 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 Ober­ fläche 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 al­ lerdings darauf hingewiesen, dass für das Substrat auch ande­ re dielektrische Materialien, wie beispielsweise FR4 oder das Epoxy Material RCC, verwendet werden können.

Der von der nicht dargestellten gütegeschalteten CO₂- Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 4 emittiert mit einer Repititionsfrequenz von mindestens 50 kHz Laserlichtpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 150 ns und mit einer Puls­ energie 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 resul­ tierende Lochqualität im Vergleich zu Löchern, die mit her­ kömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtungen gebohrt wurden, er­ heblich verbessert ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass zur Erreichung eines hohen Durchsatzes an gebohrten Löchern die Abbildungseinheit 2 der­ art 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 ei­ ner 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 Pulslän­ gen 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.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer experimentellen Untersu­ chung, bei der die maximale Anzahl an Löchern, welche mit ei­ ner 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 aufgetra­ gen. 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 Lö­ chern. Bei einer Dicke von 0,5 mm können 300 Löcher pro Se­ kunde gebohrt werden. Bei einer Dicke von 0,4 mm erhöht sich die Anzahl der Löcher, die mit einer gleichbleibenden Quali­ tät gebohrt werden können, auf 500 pro Sekunde. Bei einer Di­ cke von 0,15 mm erhöht sich der Durchsatz an gebohrten Lö­ chern weiter bis auf 1250 Löcher pro Sekunde.

Es wird darauf hingewiesen, dass LCP-Substrate mit einer Di­ cke von 0,4 mm häufig als sogenannte Spritzgusssubstrate in der Elektronikfertigung eingesetzt werden, so dass der Durch­ satz an gebohrten Löchern von 500 pro Sekunde gegenüber dem Durchsatz, welcher mit herkömmlichen Laserbearbeitungsmaschi­ nen erreicht werden kann, erheblich erhöht ist.

Claims (9)

1. Laserbearbeitungsverfahren zum schnellen Bohren von Lö­ chern in dielektrische Substrate, bei dem
als Laserlichtquelle ein gütegeschalteter CO₂-Laser verwen­ det wird, 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, und
der Laserstrahl (4) mittels einer Ablenkeinheit (2) auf das zu bearbeitende Substrat (6) gelenkt wird.

2. Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 1, bei dem ein Laserstrahl (4) mit einer Wellenlänge im Bereich von 9,2 ± 0,2 µm verwendet wird.

3. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem Laserpulse mit einer Energie von 0,7 mJoule ver­ wendet werden.

4. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Laserstrahl (4) auf das zu bearbeitende Sub­ strat (6) mit einem Durchmesser von 50 µm-200 µm fokussiert wird.

5. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Sacklöcher in das zu bearbeitende Substrat (6) ge­ bohrt werden.

6. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Loch (5) mittels eines einzigen Laserpulses oder mittels mehrerer Laserpulse gebohrt wird, welche nach­ einander auf das zu bearbeitende Substrat (6) gerichtet wer­ den.

7. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein LCP-Substrat bearbeitet wird, wobei Pulslängen kürzer als 150 ns verwendet werden.

8. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein mit einem Glasfasermaterial mechanisch ver­ stärktes dielektrisches Substrat bearbeitet wird, wobei eine Puls-Wiederholfrequenz von mindestens 50 kHz und insbesondere von 60 kHz bis 100 kHz verwendet wird.

9. Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Epoxy Material bearbeitet wird, wobei eine Puls-Wiederholfrequenz von mindestens 80 kHz und insbesondere von annähernd 100 kHz verwendet wird.