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Dokumentenidentifikation DE69911963T2 19.05.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001090537
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BOHREN VON MIKROSACKLÖCHERN IN ELEKTRISCHEN SCHALTUNGSPACKUNGEN
Anmelder Exitech Limited, Long Hanborough, Oxford, GB;
Excellon Automation Co., Torrance, Calif., US
Erfinder GOWER, Charles, Malcolm, Long Hanborough, Oxford OX8 8LH, GB;
RUMSBY, Thomas, Philip, Long Hanborough, Oxford OX8 8LH, GB;
THOMAS, Wyn, Dafydd, Long Hanborough, Oxford OX8 8LH, GB
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69911963
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, FI, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.05.1999
EP-Aktenzeichen 999534142
WO-Anmeldetag 27.05.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/GB99/01698
WO-Veröffentlichungsnummer 0099062310
WO-Veröffentlichungsdatum 02.12.1999
EP-Offenlegungsdatum 11.04.2001
EP date of grant 08.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.2004
IPC-Hauptklasse H05K 3/00
IPC-Nebenklasse B23K 26/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in elektrischen Schaltungsbausteinen und insbesondere den Einsatz von Impulslaser-Strahlungsquellen mit Wellenlängen im mittleren Infrarotbe reich.

Für den Zweck der vorliegenden Erfindung gelten die folgenden Definitionen von Spektralwellenbereichen: Ultraviolettbereich: 190 bis 400 nm; sichtbarer Bereich: 400 nm bis 700 nm; naher Infrarotbereich: 700 nm bis 1,5 &mgr;m; mittlerer Infrarotbereich: 1,5 &mgr;m bis 8 &mgr;m; ferner Infrarotbereich: 8 bis 100 &mgr;m.

Seit 1981 wird der Einsatz von Impulslasern für den Zweck des Bohrens von kleinen Verbindungslöchern (Mikrosacklöchern) in Schaltungs-Verbindungsbausteinen, wie zum Beispiel in Leiterplatten oder in Verdrahtungsplatten, in Multichip-Bausteinen, in Ball-Grid-Arrays (BGAs), in TAB-Verbindungen etc. untersucht. Eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von plattierten und unplattierten Löchern und Durchkontaktierungen, Blindlöchern und Mikrosacklöchern in einer Vierniveauplatine wird in 1 gezeigt. CO2-Impulslaser im fernen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 9 &mgr;m und 11 &mgr;m werden nun verwendet, um Blindkontaktlöcher in dem elektrisch isolierenden dielektrischen Material des Mehrschicht-Schichtelementes, das diese Bausteine enthält, zu bohren. Analog dazu werden Nd-Festkörperlaser im nahen Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 1,06 &mgr;m mit einem gewissen Erfolg verwendet, um Kontaktlöcher in der oberen leitenden Kupferschicht des Bausteines sowie in der dielektrischen Schicht zu bohren. In ähnlicher Weise wird frequenzverdreifachte und frequenzvervierfachte Strahlung bei Wellenlängen von 355 nm und 266 nm von diesen Lasern ebenfalls für diese Anwendung verwendet. Obwohl Ultraviolett-Excimer-Laser bei Wellenlängen von 248 nm und 308 nm seit 1987 für die Herstellung von Kontaktlöchern in hochwertigen Verbindungsbausteinen mit Multichip-Bausteinen und BGAs verwendet werden, lassen ihre relativ geringe Bohrgeschwindigkeit und ihre hohen Anschaffungs- und Betriebskosten diese Laser für das Bohren von Kontaktlöchern in Geräten im unteren Preissegment, wie zum Beispiel bei Leiterplatten und bei Verdrahtungsplatten, ungeeignet erscheinen.

Jeder Impulslaser hat seine eigenen Vorteile und Nachteile beim Bohren von Mikrosacklöchern. Aufgrund der verfügbaren geringen Leistung (< 4 W), der hohen Betriebskosten(> 2 Dollar/Stunde – vorwiegend für die Auswechslung des harmonischen Dialogkristalls) und wegen der niedrigen Ablationsrate (< 1 &mgr;m/Impuls) erweist sich das Bohren von Mikrosacklöchern mit oberwellenerzeugter Ultraviolettstrahlung von Nd-Lasern bei einer Wellenlänge von 1,06 &mgr;m als ein relativ langsames und kostspieliges Verfahren. Andererseits ergeben Impulslaserquellen wegen der relativ hohen Transparenz der meisten als dielektrisches Material eingesetzten organischen Stoffe im nahen Infrarotbereich in diesem Spektralbereich eine schlechte Lochqualität beim Bohren der dielektrischen Schicht und der oberen Kupferschicht, und die darunter liegenden dielektrischen Materialien werden mitunter beschädigt. Laser im nahen Infrarotbereich können metallisches Kupfer wegen der Plasmaabschirmungswirkung von Strahlung höherer Wellenlänge nicht effektiv bohren, und die in dem dielektrischen Material gebohrten Löcher sind oft von einer solchen Form und Qualität, dass die darauffolgende Plattierung erschwert wird, wenn keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Oxidieren des Metalls, durchgeführt werden, um den Kopplungswirkungsgrad zu erhöhen.

J. Frauchinger et al. beschreiben in „Interaction of 3 &mgr;m Radiation with Matter" (Wechselwirkung von Strahlung einer Wellenlänge von 3 &mgr;m mit Materie – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.), Optical and Quantum Electronics, Bd. 19, Nr. 4, April 1987, S. 231–236, Chapman and Hall, London, Großbritannien, das Bohren kleiner Löcher in Medien, die O-H- bzw. C-H-Bindungen enthalten, mit einem YALO3-Er-Laser bei 2,92 &mgr;m.

Das Dokument EP0884128 stellt den Stand der Technik gemäß Artikel 54(3), 54(4) EPC für die Vertragsstaaten DE, FI, GB dar. Das Dokument legt die Herstellung von Kontaktlöchern auf dem Zwischenschicht-Isolationsharz auf einem Trägermaterial mit einem frequenzverdoppelten CO2-Impulslaser offen.

Dieses Dokument hat zu den separaten Ansprüchen 1 bis 35 für die Vertragsstaaten DE, FI und GB geführt, die von den Ansprüchen 1 bis 43 für die anderen genannten Vertragsstaaten in Bezug auf den beanspruchten Wellenlängenbereich abweichen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Bohren von Mikrosacklöchern in Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten oder anderen elektrischen Schaltungs-Verbindungsbausteinen unter Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle bereit gestellt, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen in dem mittleren Infrarotbereich emittiert.

Das Verfahren kann die Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Holmium-Laser umfassen, die Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,1 &mgr;m erzeugt. Das Verfahren kann die Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Erbium-Laser umfassen, die Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m erzeugt.

Das Verfahren kann die Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Kohlenmonoxid(CO)-Gaslaser umfassen, die Strahlung mit Wellenlängen in dem Bereich zwischen 5 und 6 &mgr;m erzeugt.

Das Verfahren kann die Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Laser und einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) oder einem optischen parametrischen Verstärker (OPV) umfassen, die jeweils zwischen 1,5 und 4,8 &mgr;m abgestimmt werden können.

Diese Laser-Strahlungsquellen sind für die vorliegende Erfindung und für die Umsetzung in einem Herstellungsverfahren geeignet, da sie sehr zuverlässig und wartungsfreundlich sind und geringe Anschaffungs- und Betriebskosten verursachen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren eine Impulslaser-Strahlungsquelle, die eine durchschnittliche Laserstrahlungsenergie von mehr als 2 W erzeugen kann und deren Betriebskosten vorzugsweise unter 1 Dollar/Stunde liegen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren Bohren von Mikrodurchkontaktierungen bei Geschwindigkeiten, die 200 Löcher pro Sekunde übersteigen. Die Bohrgeschwindigkeit ist von der Beschaffenheit des verwendeten Werkzeuges, der Art und Dicke des Materials und der Löcherdichte abhängig.

Die Verwendung von Lasern im mittleren Infrarotbereich für dieses Verfahren löst zahlreiche der bei dem Einsatz von Impulslaser-Strahlungsquellen bei anderen Wellenlängen auftretenden Probleme. Laser im mittleren Infrarotbereich bieten Laser-Strahlungsquellen, die in der Lage sind, Mikro-Durchkontaktierungen in hoher Qualität bei hohen Bohrgeschwindigkeiten und mit relativ niedrigen Betriebskosten und mit hoher Zuverlässigkeit zu bohren.

Die bei dem Laserbohren von Mikro-Durchkontaktierungen in mehrschichtigen Schichtelement-Materialien, wie zum Beispiel in Leiterplatten, auftretenden Probleme lassen sich in mehrere Teilprobleme aufteilen. Die vorliegende Erfindung betrifft das Lösen dieser Teilprobleme durch entsprechenden Einsatz einer oder mehrerer auf geeignete Weise ausgewählter Impulslaser-Strahlungsquelle(n), die Strahlung in dem mittleren Infrarot-Spektralbereich emittiert oder emittieren.

Im Vergleich zu organischen Materialien sind das Reflexionsvermögen und das Absorptionsvermögen der meisten Metalle relativ unempfindlich gegenüber der Wellenlänge (&lgr;) vom sichtbaren Bereich bis hin zu dem fernen Infrarot-Spektralbereich. Wie zum Beispiel in 2 für Kupfer, dem bei der Herstellung von Leiterplatten am häufigsten eingesetzten metallischen Leitermaterial, gezeigt, beträgt das Reflexionsvermögen R bei einer Wellenlänge &lgr; in dem Bereich von 0,6 bis 10 &mgr;m mehr als 90%, während die Photonenabsorptionstiefe (&agr;–1) bei einer Wellenlänge &lgr; zwischen 0,25 und 10 &mgr;m zwischen 12 und 16 nm beträgt. CO2-Impulslaser, die Strahlung mit Wellenlängen zwischen 12 und 16 nm im fernen Infrarotbereich emittieren, können Kupfer jedoch nur bei unpraktizierbar hohen Einfalls-Einzelimpulslaserfluenzen von > > 100 J/cm2 bohren, außer wenn das Kupfer zuerst mit einer Absorptionsbeschichtung versehen wird. Diese Unwirksamkeit wird wahrscheinlich durch das Plasma oberhalb der Ablationsstelle verursacht, das in einem früheren Stadium gebildet wird, wenn der Laserimpuls die später in dem Impuls auf die Fläche einfallende Laserstrahlung abschirmt. Elektronen in dem Plasma können Laserlicht in einem ‚umgekehrte Bremsstrahlungsabsorption' genannten Prozess mit einer Stärke gleich dem Reziprokwert der Wellenlänge im Quadrat absorbieren. Bei Wellenlängen von weniger als ~ 3 &mgr;m wird diese Absorption vernachlässigbar, d. h. der größte Teil der Energie erreicht die Oberfläche des Trägermaterials und wird für die effektive ablative Entfernung von Material verwendet.

Für sauberes Bohren von leitenden Metallschichten, wie zum Beispiel Kupfer, in elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen, muss die ausgewählte Laser-Strahlungsquelle zwei wichtige Kriterien erfüllen, um für das zu ablatierende Material geeignet zu sein:

  • (i) Die Laserstrahlungs-Wellenlänge (&lgr;) muss hinreichend kurz sein, um Plasmaabschirmungseffekte zu vermeiden. Üblicherweise soll &lgr; kleiner als 3 &mgr;m sein.
  • (ii) Die Dauer &tgr; des Laserstrahlungsimpulses muss hinreichend kurz sein, um die ‚Wärmeeinflusszone' (WEZ) in dem wärmeleitenden Metall zu minimieren. Die Größe der theoretisch vorhergesagten WEZ beträgt 2 √x&tgr;, wobei x die Temperaturleitfähigkeit des Materials ist. Bei Metallen mit größeren Werten für x muss normalerweise &tgr; kleiner 1 Mikrosekunde gewählt werden.

Bei der Herstellung von Leiterplatten wurden ausschließlich der Nd-Laser und seine grundlegenden und harmonischen Wellenlängen von 1,06 &mgr;m, 533 nm, 355 nm und 266 nm erfolgreich für das Laserbohren von Mikro-Durchkontaktierungen durch die obere metallische Leiterschicht eingesetzt.

Die im Durchschnitt höhere Leistung und die niedrigeren Betriebskosten von Lasern im mittleren Infrarotbereich in Kombination mit höheren Material-Ablationsraten (> 1 &mgr;m/Impuls) lassen diese gut geeignet für das Bohren der oberen Metallschicht von Leiterplatten erscheinen. Von einigen Lasern im mittleren Infrarotbereich erzeugte Wellenlängen bleiben unzureichend kurz, um Plasrnaabschirmungseffekte zu vermeiden, die nicht auftreten dürfen, wenn Metalle, wie zum Beispiel Kupfer, mit Strahlung längerer Wellenlänge im fernen Infrarotbereich gebohrt werden sollen.

Das Verfahren kann Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in einer Kupferschicht einer Leiterplatte umfassen, wobei eine Impulslaser-Strahlungsquelle verwendet wird, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen zwischen 1,5 und 5 &mgr;m emittiert.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen Ho-Laser oder einen Er-Laser oder einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator oder einen optischen parametrischen Verstärker umfassen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle hat vorzugsweise eine Bestrahlungsfluenz von mehr als 10 J/cm2. Bei solchen Fluenzen kann die Strahlung dieser Wellenlängen wirksam für das Bohren metallischen Kupfers sein, ohne dass die schädliche Wirkung von Plasmaabschirmung auftritt, die das Bohren von Metallen, wie zum Beispiel Kupfer, bei längeren Wellenlängen unwirksam macht.

Das Material, das die dielektrische Isolationsschicht von elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen umfasst, besteht normalerweise aus einem Material auf der Grundlage von Polymer, wie zum Beispiel Harze, Epoxykunstharze, Phenole, Polyimide oder Polytetrafluorethylen (PTFE), die mitunter eingebettete Fasern von Aramid, Glas, Siliziumdioxid oder Kohlenstoff enthalten, die zusätzliche verstärkende Festigkeit verleihen. Es ist allgemein bekannt, dass Impulslaser-Ablation von organischen Materialien auf der Grundlage von Polymer Mikromerkmale in dem Größenbereich von 1 bis 100 &mgr;m mit fast vernachlässigbarer thermischer Schädigung (Verkohlung, Schmelzen, Verbrennung etc.) in dem umgebenden Material erzeugen kann. Wenn eine solche saubere Entfernung ohne Folgeschäden bei diesem Verfahren der ‚Kaltablation' erreicht werden soll, muss die ausgewählte Laser-Strahlungsquelle zwei wichtige Kriterien erfüllen, um für das zu ablatierende Material geeignet zu sein:

  • (i) Die Laserstrahlung muss an der Oberfläche des Materials stark absorbiert werden. Die Wellenlänge (&lgr;) der Laserstrahlung muss so gewählt werden, dass die Photoneneindringtiefe (&agr;–1) in dem dielektrischen Material normalerweise unter 10 &mgr;m beträgt.
  • (ii) Die Dauer des Laserstrahlungsimpulses muss kurz sein, um die WEZ in dem wärmeleitenden dielektrischen Material zu minimieren. Bei Wärmedämmstoffen mit kleinen Werten für x muss &tgr; normalerweise kleiner 100 Mikrosekunden gewählt werden.

Für das Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in der dielektrischen Schicht von Leiterplatten ist das Kriterium (i) bislang erfüllt worden, indem entweder CO2-Laser mit kürzerem Impuls, die auf ein Schwingungsdämpfungsband in dem dielektrischen Medium – üblicherweise auf eine Wellenlänge von etwa 9,3 &mgr;m – oder auf ultraviolette frequenzumgewandelte Nd-Laser der dritten oder vierten Harmonischen bei Wellenlängen von 355 nm oder von 266 nm abgestimmt waren. Bei Wellenlängen im fernen Infrarotbereich von etwa 10 &mgr;m bewirkt die Schwingungserregung von auf Kohlenstoff basierenden Molekülbindungen, dass entsprechend auf die Wellenlänge abgestimmte CO2-Impulslaser das Kriterium (i) für Kaltablation erfüllen. Das Kriterium (i) wird weiterhin bei ultravioletten Wellenlängen gut erfüllt, da die meisten Polymermaterialien Licht in diesem Spektralbereich stark absorbieren. Bei Wellenlängen von unter ~ 350 nm werden in den meisten Materialien aufgrund starker Erregung von Elektronenübergängen und von Dissoziationsprozessen von Verbundmolekülen Werte für &agr;–1 von < < 1 &mgr;m erreicht. Bei Atmosphärendruck quererregte oder HF-erregte Arten von CO2-Lasern oder von Q-geschalteten Nd-Lasern werden verwendet, um die Forderung des Kriteriums (ii) nach kurzer Impulsdauer zu erfüllen. In dem sichtbaren Spektralbereich und dem nahen Infrarotbereich zwischen 400 nm und 1,5 &mgr;m sind zahlreiche Polymermaterialien durchlässig und haben im allgemeinen eine ausreichende Absorption, um einen wirksamen Kaltablationsprozess auszulösen. Andererseits weisen die meisten Polymermaterialien ein reiches Schwingungsabsorptionsspektrum in dem mittleren Infrarot-Spektralbereich auf.

Bei der Herstellung von Leiterplatten sind ausschließlich die CO2-Laser und die Nd-Laser mit ihren harmonischen Wellenlängen von 355 nm und 266 nm erfolgreich für das Laserbohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen durch die dielektrische Isolationsschicht eingesetzt worden.

Das Verfahren kann Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in einer dielektrischen Schicht einer Leiterplatte umfassen, wobei eine Impulslaser-Strahlungsquelle verwendet wird, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen zwischen 1,5 und 8 &mgr;m emittiert.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen Ho-Laser oder einen Er-Laser oder einen CO-Laser oder einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator (OPO) oder einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) umfassen.

Die dielektrische Schicht kann ein Material auf der Grundlage von Polymer, wie zum Beispiel ein Harz, ein Epoxykunstharz, ein Phenol, ein Polyimid oder Polytetrafluorethylen (PTFE) umfassen, und die Wellenlänge oder die Wellenlängen der Impulslaser-Strahlung von der Quelle wird oder werden normalerweise so ausgewählt, dass sie für eine starke Absorption in dem Material geeignet ist oder sind. Beispielsweise emittieren CO-Laser Strahlung mit Wellenlängen, die für starke Absorption in zahlreichen Polymermaterialien entsprechend Bindungserregungen C-O, C-H und C-N geeignet sind. Er-Laser emittieren Strahlung, die eine Wellenlänge hat, die für starke Absorption in einem Harzmaterial geeignet ist, das häufig als dielektrische Schicht in Leiterplatten eingesetzt wird.

3 zeigt das gemessene Absorptionsspektrum für dieses Material. Es ist zu erkennen, dass ähnliche Absorptionsgrade sowohl bei Wellenlängen von 2,9 &mgr;m bzw. von 370 nm sowohl im mittleren Infrarotbereich als auch im Ultraviolettbereich auftreten, und das obenstehende Kriterium (i) kann erfüllt werden, indem eine Impulslaser-Strahlungsquelle für das Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen ausgewählt wird, die Strahlung bei 2,9 &mgr;m erzeugt. Geeignete Quellen sind der Er-Laser oder ein auf eine entsprechende Wellenlänge abgestimmter optischer parametrischer Oszillator (OPO) oder optischer parametrischer Verstärker (OPV), der Strahlung bei 2,94 &mgr;m erzeugt.

Die dielektrische Schicht kann weiterhin Fasern oder zerstreute Teilchen von Materialien, wie zum Beispiel Aramid, Glas, Siliziumdioxid, Keramik oder Kohlenstoff enthalten, die eine zusätzliche verstärkende Wirkung ergeben, und die Wellenlänge bzw. die Wellenlängen der Impulslaser-Strahlung von der Quelle wird bzw. werden vorzugsweise so gewählt, dass sie sich für eine starke Absorption in den genannten Materialien eignet bzw. eignen.

Die genannten verstärkenden Materialien sind stark absorbierend gegenüber Strahlung im mittleren Infrarotbereich – siehe beispielsweise 4 zum Absorptionsspektrum von Glas und Siliziumdioxidmaterialien. Laserstrahlungsquellen, die Strahlung mit Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich emittieren, können für das saubere Schneiden beliebiger Fasern oder zerstreuter Teilchen, die zur Verstärkung des dielektrischen Materials verwendet werden, eingesetzt werden.

Die dielektrische Schicht kann weiterhin einen Wasseranteil in dem dielektrischen Material mit Hydroxyl-O-H-Bindungen umfassen, und die Impulslaser-Strahlungsquelle ist vorzugsweise ein Er-Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m emittiert, die die starke Erregung der O-H-Bindungen überlagert. Die Absorption in organischen dielektrischen Materialien kann bei dieser Wellenlänge ebenso hoch sein wie bei ultravioletten Wellenlängen.

Die unter Verwendung von Strahlungsquellen im mittleren Infrarotbereich in der dielektrischen Schicht gebohrten Mikro-Durchkontaktierungen sind hochqualitative, saubere Mikro-Durchkontaktierungen und können mit hohen Geschwindigkeiten gebohrt werden.

Da die Verbindungsbausteine wie zum Beispiel der in 1 gezeigte eine Schichtung aus mehreren Schichten eines Metallleiter-Polymer-Isolators umfassen, muss bei dem Bohren einer Schicht entsprechend sorgfältig verfahren werden, um die elektromechanischen Eigenschaften der übrigen Schichten nicht negativ zu beeinflussen. So ist beispielsweise bekannt, dass beim Bohren der oberen Kupferschicht bei Wellenlängen, die von dem darunter liegenden Dielektrikum übertragen werden, mit einem Impulslaser katastrophale spannungsinduzierte Risse und Schichtablösung in einigen Werkstoffkombinationen ausgelöst werden können. Solche Spannungen entstehen mit Wahrscheinlichkeit durch Laserlicht, das durch das dielektrische Material hindurch geht und von dem darunter liegenden Kupfer reflektiert wird. Nach der Montage können solche Fehler zu Kurzschlüssen führen. Das Problem kann umgangen werden, indem für das Bohren der Kupferschicht eine Wellenlänge verwendet wird, die auch von dem darunter liegenden dielektrischen Material stark absorbiert wird. Dies schränkt die Wellenlängen, die für das Bohren der Kupferschicht verwendet werden können, weiter ein. Bei einigen Werkstoffkombinationen wurde die erfolgreiche Herstellung von Leiterplatten, die mit Laser gebohrte Mikro-Durchkontaktierungen in Kupferschichten ohne durch die darunter liegende dielektrische Schicht induzierte Beschädigungen enthalten, nur mit Lasern erreicht, die ultraviolette Strahlung erzeugen.

Die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Strahlung der Impulslaserstrahlung von der Strahlungsquelle wird vorzugsweise so ausgewählt, dass die Strahlung Mikro-Durchkontaktierungen in einer oberen Kupferschicht einer Leiterplatte bohrt, ohne dass Folgeschäden an dem umgebenden darunter liegenden dielektrischen Isolationsstoff induziert werden. Beispielsweise kann die Impulslaser-Strahlungsquelle ein Er-Laser sein, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m emittiert. Dieser kann verwendet werden, um die Kupferschicht von Leiterplatten zu bohren, ohne die darunter liegende dielektrische Schicht zu beschädigen.

Das Bohren der Zwischenschicht aus nicht dielektrischen Materialien mit CO2-Laserstrahlung ermöglicht das Bohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen ohne die Gefahr der Beschädigung der unteren Kupferschicht. Das Bohren wird an der darunter liegenden Kupferschicht automatisch (selbstbegrenzend) abgebrochen. Im Gegensatz dazu, und um eine solche Beschädigung der darunter liegenden Kupferschicht zu vermeiden, wenn das dielektrische Material mit UV-Lasern oder Lasern im nahen Infrarotbereich gebohrt wird, müssen die Strahlungsfluenz und die Strahlungsdosis (Anzahl der Impulse) der in die Bohrung hineingehenden Strahlung genau kontrolliert werden. Eine solche präzise Steuerung, die notwendig ist, um das Risiko einer Beschädigung auf fast Null zu reduzieren, ist schwer zu erreichen und verlangsamt die größtmögliche Bohrgeschwindigkeit, die ansonsten mit Bohrmaschinen, die mit UV-Strahlung oder mit Strahlung im nahen Infrarotbereich arbeiten, erreicht werden kann.

Das Verfahren kann weiterhin Bohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen in einer dielektrischen Schicht einer Leiterplatte unter Verwendung einer Laser-Strahlungsquelle beinhalten, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen im mittleren Infrarot-Spektralbereich emittiert, wobei das Bohren an der Kupferschicht unter der dielektrischen Schicht automatisch begrenzt wird.

Dies wird vorzugsweise mit lediglich einer geringfügigen Anpassung an die Bohrfluenz erreicht.

Die Anpassung an die Bohrfluenz reduziert die größtmögliche Bohrgeschwindigkeit vorzugsweise nicht wesentlich.

Die Laser-Strahlungsquelle wird vorzugsweise so ausgewählt, dass ihre Wellenlänge oder Wellenlängen für die absorbierenden Eigenschaften des Werkstoffes der dielektrischen Schicht geeignet ist bzw. sind.

Beim Bohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen mittels CO2-Laser im fernen Infrarotbereich weist das Loch in dem dielektrischen Material oft einen Unterschnitt mit einer negativen, nichtlinearen Abschrägung in der Form einer Teetasse oder Glocke auf. Solche Formen können mitunter Schwierigkeiten bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten des Elektroplattierens verursachen und sind in solchen Fällen unerwünscht. ‚Glockenbildung' scheint durch Strahlung verursacht zu werden, die durch das dielektrische Material hindurch geht und von dem unteren Kupfermaterial reflektiert wird. Die zurückgeworfene Strahlung induziert sodann ablatives Entfernen von Material in den Unterschnittbereichen. Im Vergleich zu dem Wellenlängenbereich 9 bis 11 &mgr;m macht das höhere Absorptionsvermögen von Polymermaterialien bei Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich, wie zum Beispiel bei 2,9 &mgr;m und 5 bis 6 &mgr;m, das Auftreten von Unterschnittlöchern weniger wahrscheinlich, wenn das dielektrische Material mit Impulslaser-Strahlungsquellen in diesem Wellenlängenbereich gebohrt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren des Bohrens von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten oder anderen elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen unter Verwendung eines Laser-Bohrwerkzeuges bereitgestellt, das eine Impulslaser-Strahlungsquelle beinhaltet, die Strahlung in dem mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich emittiert.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Laser-Bohrwerkzeug für Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten bereitgestellt, das eine Impulslaser-Strahlungsquelle beinhaltet, die Strahlung in dem mittleren Infrarot-Längenwellenbereich von 1,5 bis 8 &mgr;m emittiert. Das Laser-Bohrwerkzeug dient dem Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen bei hohen Bohrgeschwindigkeiten und geringen Einheitskosten.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen Ho-Laser umfassen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen CW-gepumpten (mittels Stroboskoplampe oder Diodenlaser) Q-geschalteten Er-Laser umfassen, der Strahlungsimpulse bei einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m von einer Dauer unter 200 Nanosekunden mit einer Wiederholungsfrequenz von über 2 kHz erzeugt.

Ho-Laser und Er-Laser können optisch gepumpt werden. Impuls-Ho-Laser und Impuls-Er-Laser erzeugen Licht bei Wellenlängen von 2,1 &mgr;m bzw. 2,94 &mgr;m. Durch Verwendung von Verfahren, wie zum Beispiel Impulserregung, Q-Schaltung oder Modenkopplung, können diese Laser so konfiguriert werden, dass sie Strahlungsimpulse mit einer Dauer zwischen mehreren Millisekunden und Pikosekunden erzeugen. Die Strahlung bei einer Er-Laser-Wellenlänge von 2,94 &mgr;m überlagert die starke Erregung der Hydroxyl-O-H-Bindungen, die in einer Probe beispielsweise aufgrund von Wassergehalt in dem Material vorhanden sein kann. Ho- und Er-Laser können optische Erregung in Form von Stroboskoplampen-Diodenlaser-Pumpen verwenden. Diese Laser sind relativ kostengünstig und verursachen geringe Betriebskosten.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann weiterhin einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator (OPO) oder einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) umfassen. OPOs und OPVs sind Geräte, die eine Laserstrahlungs-Wellenlänge in andere, längere Wellenlängen umwandeln. Ein nichtlineares optisches Medium, üblicherweise ein Kristall, wandelt ein energiereiches Photon von einem Pumplaser in zwei weniger energiereiche Photonen (Signal- und Idler-Photon) um. Da die genaue Wellenlänge des Signal- und des Idler-Photons von dem Winkel des Kristalls zu dem Pumpstrahl abhängt, können die erzeugten Wellenlängen durch Drehen des Kristalls abgestimmt werden. Der Kristall kann in Form eines einfachen Verstärkers (OPV) verwendet werden oder aber in seinem eigenen optischen Resonanzhohlraum, der Rückkopplungsschwingungen der erzeugten Wellenlängen bereitstellt (OPO). Bei Verwendung von Q-geschalteten Nd-Laser-Pumpquellen bei einer Wellenlänge von 1,06 &mgr;m können OPOs und OPVs mit hoher Wirksamkeit abstimmbare Strahlung in dem Spektralbereich 1,5 bis 4,8 &mgr;m erzeugen. Durchschnittliche Leistungen von mehr als 5 W können bei einer Impulsdauer von unter 200 Nanosekunden erreicht werden.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen Kohlemonoxid(CO)-Laser umfassen. CO-Laser sind eine Klasse von Gaslasern, die durch elektrische Entladungen gepumpt werden. CO-Laser erzeugen Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 5 bis 6 &mgr;m. Durch die Verwendung von Verfahren, wie zum Beispiel Impulserregung, Q-Schaltung oder Modenkopplung, können diese Laser so konfiguriert werden, dass sie Impulsstrahlung einer Dauer von mehreren Millisekunden bis Pikosekunden erzeugen. Strahlung bei CO-Laser-Wellenlängen überlagert in den meisten Polymermaterialien starke C-O-, C-H- und C-N-Bindungserregung. CO-Laser können Entladungserregung in Form von Hochfrequenz (HF), Längsniederdruck oder Quererregung verwenden.

Das Laser-Bohrwerkzeug kann eine Systemarchitektur beinhalten, wie zum Beispiel computergesteuerte Galvanometerspiegel, die einen fokussierten Laserstrahlungs-Strahl von der Impulslaser-Strahlungsquelle auf der Oberfläche der Leiterplatte mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit positionieren.

Alternativ dazu kann die Leiterplatte auf motorischen Tischen unter einem fokussierten Laserstrahlungs-Strahl von der Impulslaser-Strahlungsquelle bewegt werden.

Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann verwendet werden, um Blindlöcher und Mikro-Durchkontaktierungen in dielektrischen Schichten von Leiterplatten zu bohren. Die dielektrischen Schichten können aus Materialien, wie zum Beispiel Epoxykunstharzen, Phenolen, Polyimiden, Polytetrafluorethylen (PTFE), FR-4, bestehen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann zusätzlich oder alternativ für das Bohren von Blindlöchern und Mikro-Durchkontaktierungen in den oberen leitenden Schichten von Leiterplatten verwendet werden.

Das Laser-Bohrwerkzeug kann zum Bohren von Löchern in einem Stoß-Modus verwendet werden, wobei die Größe des Brennfleckes den Durchmesser des zu bohrenden Loches bestimmt. Alternativ dazu kann das Laser-Bohrwerkzeug verwendet werden, um Löcher in einem Kernbohr-Modus zu bohren, wobei der Brennfleck kleiner gehalten wird als das zu bohrende Loch und danach in einer kreisförmigen, elliptischen oder spiralförmigen Bewegung bewegt wird, um den Lochdurchmesser zu definieren.

Das Laser-Bohrwerkzeug bohrt vorzugsweise Mikro-Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger als 100 &mgr;m mit Geschwindigkeiten von über 200 Löchern pro Sekunde. Dies ist abhängig von der Dicke der Materialien der Leiterplatte, der Lochgröße und der Löcherdichte.

Ein Ausführungsbeispiel des dritten Aspektes der Erfindung wird nunmehr beispielhaft beschrieben.

Das Laser-Bohrwerkzeug beinhaltet eine Hochleistungs-Laserstrahlungsquelle mit einem CW-gepumpten, Q-geschalteten Er-Laser. Dieser erzeugt einen fokussierten Laserstrahlungs-Strahl von Strahlungsimpulsen bei einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m mit einer Dauer von weniger als 200 Nanosekunden bei Wiederholungsfrequenzen von über 1 kHz. Der Laserstrahlungs-Strahl ist auf die Oberfläche der Leiterplatte fokussiert und bohrt Blindlöcher und Mikro-Durchkontaktierungen in der dielektrischen und/oder der oberen leitenden Schicht der Leiterplatte. Die Löcher werden unter Verwendung eines Stoß-Modus oder eines Kernbohr-Modus gebohrt. Das Werkzeug kann Mikro-Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger als 100 &mgr;m mit Geschwindigkeiten von über 200 Löchern pro Sekunde bohren.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten oder andere Stromkreis-Verbindungsbausteine, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich zwischen 1,5 und 5 &mgr;m emittiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die einen Holmium-Laser umfasst, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,1 &mgr;m erzeugt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die einen Erbium-Laser umfasst, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m erzeugt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator umfasst, der zwischen 1,5 und 4,8 &mgr;m abgestimmt werden kann.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die einen Laser und einen optischen parametrischen Verstärker umfasst, der zwischen 1,5 und 4,8 &mgr;m abgestimmt werden kann.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle eine durchschnittliche Laserstrahlungsenergie von mehr als 2 Watt erzeugt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen bei Geschwindigkeiten, die 200 Löcher pro Sekunde übersteigen.
  8. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Holmium-Laser umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Erbium-Laser umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Laser und einen optischen parametrischen Verstärker umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle eine Bestrahlungsfluenz von mehr als 10 J/cm2 hat.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ein Material auf Polymerbasis umfasst und die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Impulslaser-Strahlung von der Quelle so ausgewählt wird/werden, dass sie zu starker Absorption bzw. Absorptionen in dem Material passt/passen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Kohlenmonoxid-Laser umfasst, der Strahlung mit Wellenlängen emittiert, die zu starken Absorptionen in Polymermaterialien passen, die Kohlenstoff-Sauerstoff-, Kohlenstoff-Wasserstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungs-Anregungen entsprechen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Erbium-Laser umfasst, der Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, die zu einer starken Absorption in einem Harzmaterial passt, das als die dielektrische Schicht eingesetzt wird.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht Fasern oder dispergierte Teilchen verstärkender Materialien umfasst und die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Impulslaser-Strahlung von der Quelle so ausgewählt wird/werden, dass sie zu einer starken Absorption bzw. Absorptionen in dem verstärkenden Material passt/passen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ein dielektrisches Material mit einem Wassergehalt umfasst und die Impulslaser-Strahlungsquelle ein Erbium-Laser ist, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,9 &mgr;m emittiert, die die starke Anregung von Hydroxylbindungen in dem Wasser überlappt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Impulslaser-Strahlung von der Quelle so ausgewählt wird/werden, dass die Strahlung Mikro-Durchkontaktierungen in die obere Kupferschicht einer Leiterplatte bohrt, ohne gleichzeitig das umgebende darunterliegende dielektrische Isoliermaterial zu beschädigen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Erbium-Laser umfasst, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 &mgr;m emittiert.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Bohren von Sack-Mikro-Durchkontaktierungen in einer dielektrischen Schicht einer Leiterplatte unter Einsatz einer Impulslaser-Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder Wellenlängen im mittleren Infrarot-Spektralbereich emittiert, wobei das Bohren automatisch an einer Kupferschicht unterhalb der dielektrischen Schicht endet.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Strahlungsquelle so ausgewählt wird, dass ihre Wellenlänge bzw. Wellenlängen zu einer Absorptionseigenschaft des Materials der dielektrischen Schicht passt/passen.
  22. Verfahren zum Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten oder anderen Stromkreis-Verbindungsbausteinen, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Laser-Bohrwerkzeugs, das eine Impulslaser-Strahlungsquelle enthält, die Strahlung in den mittleren Infrarot-Wellenlängen zwischen 1,5 und 5 &mgr;m emittiert.
  23. Laser-Bohrwerkzeug zum Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Impulslaser-Strahlungsquelle enthält, die Strahlung im Infrarot-Wellenlängenbereich zwischen 1,5 und 8 &mgr;m emittiert.
  24. Laser-Bohrwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Holmiurn-Laser umfasst.
  25. Laser-Bohrwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Erbium-Laser umfasst.
  26. Laser-Bohrwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator umfasst.
  27. Laser-Bohrwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Laser und einen optischen parametrischen Verstärker umfasst.
  28. Laser-Bohrwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle einen Kohlenmonoxid-Laser umfasst.
  29. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug einen Systemaufbau enthält, der einen fokussierten Laserstrahlungsstrahl von der Laser-Strahlungsquelle auf der Oberfläche der Leiterplatte positioniert.
  30. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte auf motorisierten Tischen unterhalb eines fokussierten Laserstrahlungsstrahls von der Impulslaser-Strahlungsquelle bewegt wird.
  31. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23–30, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle Sack- und Durchgangs-Mikro-Durchkontaktierungen in dielektrischen Schichten der Leiterplatten bohrt.
  32. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23–31, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslaser-Strahlungsquelle Sack- und Durchgangs-Mikro-Durchkontaktierungen in oberen leitenden Schichten der Leiterplatten bohrt.
  33. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23–32, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug Löcher in einem Stoß-Modus bohrt.
  34. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23–32, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug Löcher in einem Kernbohr-Modus bohrt.
  35. Laser-Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 23–34, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug Mikro-Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger als 100 &mgr;m bei Geschwindigkeiten von über 200 Löchern pro Sekunde bohrt.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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