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Dokumentenidentifikation DE102004040068A1 13.04.2006
Titel Verfahren zum Laserbohren eines mehrschichtig aufgebauten Werkstücks
Anmelder Hitachi Via Mechanics,Ltd., Ebina, Kanagawa, JP
Erfinder Metka, Uwe, Dr., 76646 Bruchsal, DE;
Prill, Thomas, 69231 Rauenberg, DE
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 18.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004040068
Offenlegungstag 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H05K 3/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Laserbohren eines Loches (153, 253) in ein mehrschichtiges Werkstück (150, 250), wobei mittels einer ersten Laserausgabe (111) innerhalb eines Teilbereiches (390) der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches (153, 253) eine erste Schicht (152, 252) abgetragen wird, so dass innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht (152, 252) verbleibt. Mittels einer zweiten Laserausgabe wird innerhalb der gesamten Querschnittsfläche (395) des zu bohrenden Loches (153, 253) eine zweite Schicht (151, 251) abgetragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht (151, 251) gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht (152, 252) mit abgetragen wird. Ein sauberer Materialabtrag der ersten Schicht (152, 252) entlang einer definierten Grenzlinie (370) wird durch einen teilweisen Materialabtrag entlang des Lochrandes erreicht. Bevorzugt wird zum Abtragen einer metallischen ersten Schicht (152, 252) ein UV-Laserstrahl (111) und zum Abtragen einer dielektrischen zweiten Schicht (151, 251) ein IR-Laserstrahl verwendet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren eines Lochs mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche in ein mehrschichtig aufgebautes Werkstück, insbesondere in ein mehrschichtig aufgebautes Schaltungssubstrat mit einer ersten und mindestens einer zweiten Metallschicht und mit jeweils einer zwischen zwei Metallschichten angeordneten Dielektrikumsschicht.

Die Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen hat durch die rasante Entwicklung der Lasertechnologie in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Auf dem Gebiet der Elektronikfertigung ist durch die zunehmende Miniaturisierung der Bauelemente eine Laserbearbeitung von Leiterplatten bzw. Substraten sowie von elektronischen Bauteilen zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, um elektronische Baugruppen möglichst kompakt aufzubauen. Dabei werden mittels Laserstrahlung Löcher in mehrschichtige Substrate gebohrt, wobei die Löcher einen Durchmesser aufweisen, der im Vergleich zu den Lochdurchmessern von mit herkömmlichen mechanischen Bohrverfahren gebohrten Löchern wesentlich kleiner ist. Unter der Voraussetzung, dass die Laserleistung des auf das Substrat treffenden Laserstrahls genau bekannt ist, können nicht nur Durchgangslöcher sondern auch Sacklöcher gebohrt werden. So können beispielsweise Sacklöcher in mehrschichtige Leiterplatten gebohrt werden, bei denen mehrere metallische Schichten durch dielektrische Zwischenschichten elektrisch nicht leitend voneinander getrennt sind. Durch eine nachfolgende Metallisierung eines Sackloches können bestimmte metallische Schichten miteinander kontaktiert werden. Auf diese Weise können elektronische Schaltungen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet werden und somit die Integrationsdichte von elektronischen Baugruppen im Vergleich zu Substraten mit lediglich einer Metallschicht oder mit zwei Metallschichten deutlich erhöht werden.

Ein Problem beim Bohren von Löchern in mehrschichtige Leiterplatten besteht darin, dass das Abtragungsverhalten von metallischen und dielektrischen Schichten stark unterschiedlich ist, so dass ein effektiver Bohrvorgang nicht mit lediglich einem einzigen Laserstrahl mit bestimmten Laserparametern durchgeführt werden kann.

Aus der EP 1 169 893 B1 ist ein Verfahren zum Einbringen von Durchkontaktierungslöchern in ein beidseitig mit Metallschichten versehenes elektrisch isolierendes Basismaterial bekannt. Dabei wird im Bereich der zu bohrenden Löchern die metallische Außenschicht, welche üblicherweise aus Kupfer besteht, mittels eines chemischen Ätzprozesses abgetragen. Nachfolgend wird mittels eines im infraroten Spektralbereich emittierenden CO2-Lasers das Loch in das dielektrische Basismaterial gebohrt.

Zum Laserbohren von mehrschichtigen Substraten sind auch reine Laserbohrverfahren bekannt, welche bei Vermeidung eines nasschemischen Ätzprozesses ein definiertes Bohren von Mikrolöchern in elektronische Schaltungssubstrate ermöglichen. Es ist bekannt, dass metallische Schichten für infrarote (IR) Strahlung eine hohe Reflektivität aufweisen, so dass mittels eines CO2-Lasers mehrschichtige Leiterplatten nur bei einer äußerst hohen thermischen Belastung gebohrt werden können. Aus diesem Grund erfolgt das reine Laserbohren von mehrschichtigen Substraten mittels zweier unterschiedlicher Prozessschritte. In einem Prozessschritt werden die metallischen Schichten mittels eines Laserstrahls im ultravioletten (UV) Spektralbereich lokal abgetragen. In dem anderen Prozessschritt wird die dielektrische Zwischenschicht mittels eines IR-Laserstrahls abgetragen, welcher üblicherweise von einem CO2-Laser erzeugt wird. Aus diesem Grund werden zum Bohren von mehrschichtigen Substraten häufig so genannte Kombinationslaserbearbeitungsmaschinen verwendet, welche zwei unterschiedliche Laserlichtquellen, eine UV-Laserlichtquelle, beispielsweise einen frequenzvervielfachter Nd:YAG-Laser und eine IR-Laserlichtquelle, insbesondere einen CO2-Laser aufweisen.

Aus der US 5,126,532 ist eine derartige Kombinationslaserbearbeitungsmaschine bekannt, welche sowohl einen UV-Laser als auch einen IR-Laser aufweist. Die beiden von den Laserlichtquellen erzeugten Laserstrahlen werden mittels eines schwenkbar gelagerten Spiegels abwechselnd an die Stelle des zu bohrenden Lochs gelenkt, so dass zunächst die metallische Schicht mit dem UV-Laserstrahl und danach die dielektrische Schicht mit dem IR-Laserstrahl abgetragen werden kann.

Da die Ausgangsleistung von im ultravioletten Spektralbereich emittierenden Laserlichtquellen üblicherweise nicht ausreicht, um die metallische Schicht innerhalb des gesamten Lochquerschnitts mit einem oder einer Mehrzahl von Laserpulsen abzutragen, erfolgt das Abtragen einer metallischen Schicht häufig mittels des so genannten Trepanierens. Dabei wird der Laserstrahl auf der Metallschicht auf einen Durchmesser fokussiert, welcher wesentlich kleiner ist als der Durchmesser des zu bohrenden Loches. Der Laserstrahl wird dann mittels einer aus zwei beweglich gelagerten Spiegeln bestehenden Ablenkeinheit auf einer Kreisbahn entlang des Randes des zu bohrenden Loches geführt, so dass die metallische Schicht entlang dieser Kreislinie abgetragen wird. In der Regel springt zumindest nach einer Mehrzahl von vollständigen Kreisdurchgängen der aus der Metallschicht erzeugte Deckel von selbst heraus. Alternativ kann der Trepaniervorgang auch mit verschiedenen Radien durchgeführt oder der Laserstrahl kann auf einer Spiralbahn innerhalb der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches geführt werden. Die Problematik des reinen Laserbohrens von mehrschichtigen elektronischen Schaltungssubstraten besteht darin, dass die Laserleistung von üblichen UV-Laserlichtquellen deutlich geringer ist als die von CO2-Laserlichtquellen. Dies hat zu Folge, dass der Prozessschritt des Abtragens der Metallschicht deutlich langsamer ist als der nachfolgende Prozessschritt des Bohrens der dielektrischen Schicht. Somit bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die metallischen Schichten gebohrt werden, die Geschwindigkeit des gesamten Bohrprozesses und damit auch den Durchsatz, d.h. die maximale Anzahl an Löchern, die pro Zeiteinheit gebohrt werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Laserbohren eines Loches in ein mehrschichtig aufgebautes Werkstück anzugeben, welches ein schnelles Bohren von metallischen Schichten ermöglicht und somit insgesamt eine hohe Bohrgeschwindigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Erfindungsgemäß wird mittels einer ersten Laserausgabe lediglich innerhalb eines Teilbereichs der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches eine erste Schicht entfernt, so dass im Lochbereich ein Teil der ersten Schicht verbleibt. Mittels einer zweiten Laserausgabe wird innerhalb der gesamten Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches eine zweite Schicht abgetragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht mit entfernt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auch bei einem nicht vollständigen Entfernen der ersten Schicht der verbliebene Teil bei dem Abtragen der zweiten Schicht automatisch mit entfernt wird. Da mittels der ersten Laserausgabe die erste Schicht lediglich teilweise entfernt wird, ist dieser erste Schritt im Vergleich zu einem vollflächigen Entfernen der ersten Schicht im gesamten Lochbereich deutlich schneller. Somit führt das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserbohren insbesondere dann zu einer deutlich höheren Bohrgeschwindigkeit, wenn aufgrund des unterschiedlichen Abtragungsverhaltens der Materialien der beiden Schichten ein vollständiges Entfernen der ersten Schicht länger dauert als ein Abtrag der zweiten Schicht. Die Erfindung eignet sich sowohl zum Bohren von Sack- bzw. Blindlöchern als auch zum Bohren von Durchgangslöchern und ist somit im Bereich des Laserbohrens von mehrschichtig aufgebauten Schaltungssubstraten universell einsetzbar. Es wird darauf hingewiesen, dass beim Bohren von Durchgangslöchern die aus Sicht des bearbeitenden Laserstrahls unterste Metallschicht nach dem herkömmlichen Bohrverfahren abgetragen werden muss, da sich unterhalb dieser Schicht keine weitere dielektrische Schicht mehr befindet.

Gemäß Anspruch 2 wird mittels der ersten Laserausgabe zusätzlich entlang des Randes der Querschnittsfläche Material der ersten Schicht abgetragen. Insbesondere kann in der ersten Schicht entlang des Randes des zu bohrenden Loches eine Schneise bzw. eine Nut ausgebildet werden, welche sich bevorzugt bis hin zur zweiten Schicht oder auch lediglich innerhalb eines oberflächennahen Bereichs der ersten Schicht erstreckt. Durch eine derartige Struktur, welche die Wirkung einer Perforation aufweist, wird beim vollständigen Entfernen der ersten Schicht durch die zweite Laserausgabe ein sauber definierter Lochrand gewährleistet, so dass Löcher mit einer hohen Qualität erzeugt werden können.

Gemäß Anspruch 3 umfasst die erste Laserausgabe einen Laserstrahl im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbereich. Da kurzwellige Laserstrahlung an metallischen Schichten im Vergleich zu infraroter Laserstrahlung verhältnismäßig schwach reflektiert wird, eignet sich W-Strahlung insbesondere zum Abtragen von metallischen Materialien. Dabei ist die thermische Belastung des Werkstücks im Vergleich zu der thermischen Belastung durch IR-Strahlung deutlich reduziert, da mittels W-Strahlung die atomaren Bindungen bzw. die metallische Bindungen zwischen den einzelnen Atomen bzw. Molekülen in der Metallschicht direkt aufgebrochen werden können.

Gemäß Anspruch 4 wird die erste Laserausgabe von einem Festkörperlaser, insbesondere von einem frequenzvervielfachten Laser erzeugt. Das aktive Lasermedium ist beispielsweise Nd:YAG, Nd: YVO4 oder Nd:YLF, welche Laserstrahlung mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm erzeugen können. Das Pumpen der Festkörperlaser erfolgt bevorzugt unter Verwendung von Halbleiterdioden. Diese können um das aktive Lasermedium herum angeordnet werden, so dass ein entsprechender Festkörperlaser in einer kompakten Bauform realisiert werden kann, ohne dass eine externe Pumplichtquelle erforderlich ist. Zur Erzeugung von W-Laserstrahlung weist die Laserlichtquelle zusätzlich ein optisch nicht lineares Medium zur Frequenzvervielfachung auf. Derartige optisch nicht lineare Medien, welche in der Lasertechnik allgemein bekannt sind, können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Resonators positioniert werden. Bei den oben genannten Lasertypen mit einer Grundwelle von 1064 nm erreicht man frequenzvervielfachte Strahlung mit Wellenlängen von 532 nm, 355 nm und 266 nm. Eine derartige Frequenzvervielfachung, bei der die Grundwellenlänge halbiert, gedrittelt oder geviertelt wird, ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Eine Frequenzvervielfachung um einen Faktor 5, 6 oder mehr ist insbesondere mit modernen und extrem leistungsstarken Lasersystemen ebenso denkbar. Die Frequenzvervielfachung hat den Vorteil, dass man auf einfache Weise Laserstrahlung im sichtbaren oder im ultravioletten Spektralbereich erzeugen kann, welche sich besonders gut zum Abtragen von metallischen Schichten wie beispielsweise Kupfer eignet.

Gemäß Anspruch 5 wird die zweite Laserausgabe im IR-Spektralbereich erzeugt. Die entsprechende Laserstrahlung wird bevorzugt mit einem CO2-Laser erzeugt und ermöglicht aufgrund der hohen verfügbaren Laserleistung ein schnelles Abtragen einer dielektrischen zweiten Schicht.

Die Verwendung von gepulster Laserstrahlung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, dass der Materialabtrag in Folge einer zwischen den Laserpulsen vorhandenen Abkühlzeit eine vergleichsweise geringe thermische Belastung des zu bohrenden Werkstücks verursacht.

Gemäß Anspruch 7 wird der Teilbereich der ersten Schicht durch Trepanieren entfernt, wobei der Laserstrahl am Rand des Teilbereichs geführt wird. Dabei wird entlang des gesamten Randes des Teilbereichs eine Struktur erzeugt, welche sich bis in eine Tiefe hin zur zweiten Schicht erstreckt. Dadurch wird eine auf der zweiten Schicht aufliegende Scheibe erzeugt, welche üblicherweise von selbst aus dem Lochbereich herausspringt. Falls die erzeugte Scheibe wider Erwarten auf der zweiten Schicht verbleiben sollte, kann die erste Laserausgabe zusätzlich mit einem oder mit einer Mehrzahl von Umläufen um den Rand des Teilbereichs geführt oder auch auf den inneren Bereich der Scheibe gerichtet werden, so dass die erzeugte Kreisscheibe infolge des hohen Energieeintrags mit hoher Zuverlässigkeit aus dem Lochbereich entfernt wird.

Gemäß Anspruch 8 wird die zweite Schicht durch Trepanieren oder durch Punchen abgetragen. Im Falle des Trepanierens ist darauf zu achten, dass die zweite Laserausgabe zunächst im Bereich des freigelegten Loches innerhalb der Lochquerschnittsfläche direkt auf die zweite Schicht gerichtet wird. Dadurch wird gewährleistet, dass durch den Energieeintrag direkt auf die zweite Schicht der verbliebene Teil der ersten Schicht entfernt wird, bevor die zweite Laserausgabe auf den Bereich der Lochquerschnittsfläche gerichtet wird, welcher Bereich durch die erste Laserausgabe noch nicht entfernt wurde.

Beim so genannten Punchen wird der Laserstrahl mit einem oder mit einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Pulsen an dieselbe Stelle des zu bohrenden Werkstücks gerichtet. Durch Verwendung einer entsprechenden Optik kann die Fleckgröße der zweiten Laserausgabe auf dem Werkstück an unterschiedliche Lochdurchmesser angepasst werden.

Gemäß Anspruch 9 befindet sich der Teilbereich zischen der Lochmitte und dem Lochrand. Dies ermöglicht ausgehend von einem zunächst auf die Lochmitte gerichteten ersten Laserstrahl ein schnelles Anfahren des Laserstrahls an den Lochrand. Da somit eine den Laserstrahl führende und stets eine gewisse mechanische Trägheit aufweisende Ablenkeinheit insgesamt nur eine relativ kurze Bewegung durchführen muss, können die beiden Bearbeitungsschritte, nämlich das Ausbilden einer Schneise entlang des Lochrandes und das Abtragen der ersten Schicht innerhalb des Teilbereiches zügig erfolgen.

Der Teilbereich ist bevorzugt eine Kreisfläche, welche einen Durchmesser aufweist, der im Vergleich zu dem Durchmesser des gesamten Loches halb so groß ist. Somit ist auch der Verfahrweg der ersten Laserausgabe rund um den Teilbereich nur halb so groß wie ein Verfahrweg rund um das gesamte Loch, wohingegen die zu entfernende Fläche der ersten Schicht einem Viertel der Fläche der gesamten Lochquerschnitts entspricht. Dies führt dazu, dass der Energieeintrag pro zu entfernende Fläche entsprechend größer ist, so dass bereits bei einem einmaligen Umrunden des Teilbereichs mit der ersten Laserausgabe ein zuverlässiges Entfernen des ausgeschnittenen Deckels der ersten Schicht gewährleistet ist. Außerdem kann der gesamte Bohrprozess infolge des insgesamt kurzen Verfahrweges der ersten Laserausgabe auf der ersten Schicht schnell durchgeführt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.

In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen

1 eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren von Löchern,

2 eine Querschnittsansicht eines gebohrten Sackloches und

3 die Verfahrbewegungen der ersten Laserausgabe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.

Die in 1 dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 100 umfasst eine Laserlichtquelle 110, welche einen im ultravioletten Spektralbereich liegenden Laserstrahl 111 emittiert. Die Laserlichtquelle 110 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser, insbesondere ein Nd:YLF-Laser, welcher durch um das aktive Lasermedium herum angeordnete Halbleiterdioden optisch gepumpt wird. Die W-Laserstrahlung 111 wird in bekannter Weise durch Frequenzvervielfachung mittels eines optisch nicht linearen Kristalls erzeugt.

Der Laserstrahl 111 trifft auf eine Ablenkungseinheit 130, die in herkömmlicher Weise mit Galvospiegeln aufgebaut ist. Der durch die Ablenkungseinheit 130 abgelenkte Laserstrahl wird über eine Abbildungsoptik 140, beispielsweise eine F-Theta-Optik als Bearbeitungslaserstrahl 141 auf das zu bearbeitende Substrat 150 gelenkt.

Das Substrat 150 umfasst eine dielektrische Schicht 151, die oberseitig und unterseitig jeweils von einer metallischen Schicht 152 bedeckt ist. Die metallischen Schichten sind in nicht gezeigter Weise zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert. Zur Erzeugung von elektronischen Verbindungen zwischen den beiden Metallschichten 152 werden Mikrolöcher 153 gebohrt, deren Wände in bekannter Weise metallisiert werden können. Zur Erzeugung der Mikrolöcher 153 wird der Bearbeitungslaserstrahl 141 jeweils mittels einer Sprungbewegung 155 auf eine Bohrposition 154 zentriert und dann mit einer über die Abbildungsoptik 140 eingestellten Fleckgröße F im Bereich der Bohrposition 154 in einer Kreisbewegung verfahren, so dass jeweils ein Mikroloch erzeugt wird. Die Erzeugung des Mikroloches 153 wird nachfolgend anhand von 3 erläutert.

Unterschiedlichen Schichten werden üblicherweise in unterschiedlichen Laserbearbeitungsmaschinen bearbeitet. Zum Bohren von metallischen Schichten ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer W-Laserlichtquelle, zum Bohren von dielektrischen Schichten ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer IR-Laserlichtquelle vorgesehen. Anstelle der Verwendung von zwei Laserbearbeitungsmaschinen kann auch eine sog. Kombinationslaserbearbeitungsmaschine verwendet werden, welche zwei unterschiedliche Laserlichtquellen aufweist.

2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein in ein mehrschichtiges Substrat 250 gebohrtes Mikroloch 253. Das Mikroloch 253 ist ein Sackloch, bei dem lediglich die obere metallische Schicht 252 und die dielektrische Zwischenschicht 251 abgetragen sind. Durch eine nachfolgende Metallisierung des Sackloches 253 können die beiden metallischen Schichten 252 elektrisch leitend miteinander verbunden werden.

3 zeigt die Verfahrbewegungen des auf die obere metallische Schicht 252 gerichteten Bearbeitungslaserstrahls 141, welcher aus dem im W-Laserstrahl 111 hervorgeht. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein bisher verwendeter Bohrvorgang zum Abtragen der oberen metallischen Schicht 252 erläutert:

Demnach wird der Laserstrahl zunächst ausgehend von dem Mittelpunkt M des zu bohrenden Mikroloches 253 auf einer Kreisbahn 360 mit sehr geringer UV-Laserleistung hin zu einem Punkt A an dem Rand des zu bohrenden Mikroloches 253 verfahren. Während der Bewegung des Laserstrahles entlang des Halbkreises 360 wird die Laserlichtquelle 110 derart angesteuert, dass ein nicht gepulster sog. cw Laserstrahl (continuous wave Laserstrahl) emittiert wird. Nach dem Erreichen des Punktes A wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquelle 110 die Leistung des UV-Laserstrahls 111 erhöht, wobei eine Widerholfrequenz von typischerweise 20 kHz eingestellt wird. Der Laserstrahl wird dann an der Außenbahn 370 entlang des Randes des zu bohrenden Mikroloches 253 geführt. Je nach den gegebenen Bedingungen (Material und Dicke der oberen Metallschicht, Laserleistung, Laserwellenlänge, etc.) wird dabei der Laserstrahl in einem Umlauf oder meist in mehreren aufeinander folgenden Umläufen entlang der Außenbahn 370 geführt. Diese Bewegung entlang der Außenbahn 370 erfolgt so lange, bis ein in der oberen metallischen Schicht 252 erzeugter kreisförmiger Deckel entfernt wird. Danach wird der Laserstrahl erneut bei geringer Laserleistung im cw-Modus hin zum Mittelpunkt M entlang des zweiten Halbkreises 380 verfahren.

Das nachfolgende Abtragen der dielektrischen Schicht 251 erfolgt dann in der Regel in einer anderen Laserbearbeitungsmaschine bevorzugt mittels Punchen, d.h. mittels eines wiederholten Einwirkens eines IR-Laserstrahls auf eine Querschnittsfläche, die der Querschnittsfläche des gesamten Mikroloches 253 entspricht. Nach der Beendigung des Bohrvorganges wird die Ablenkungseinheit 130 mittels einer Sprungbewegung auf den Mittelpunkt eines nächsten zu bohrenden Mikroloches gelenkt.

Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung wird ein gepulster UV-Laserstrahl von dem Mittelpunkt des zu bohrenden Mikroloches 153 mit voller Leistung entlang des ersten Halbkreises 360 zu dem Punkt A geführt. Danach wird der Laserstrahl entlang der Außenbahn 370 auf einer vollständigen Kreisbahn erneut zu dem Punkt A geführt. Dadurch wird in der oberen metallischen Schicht 252 eine Nut bzw. eine Grabenstruktur ausgebildet, welche nachfolgend ein Ablösen der oberen Metallschicht 252 innerhalb des gesamten Durchmessers des Mikroloches 253 erleichtert. Die durch bevorzugt eine oder im Ausnahmefall durch eine Mehrzahl von Kreisbewegungen entlang der Außenbahn 370 erzeugte Nutstruktur führt zu einem Materialabtrag bevorzugt bis hin zur dielektrischen Schicht 251. Durch eine Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit und/oder der Laserleistung kann der gewünschte Materialabtrag auf der Außenbahn 370 erreicht werden. Auf alle Fälle muss sichergestellt werden, dass die im Lochbereich verbleibende metallische Schicht 252 nachfolgend beim Abtragen der darunter liegenden dielektrischen Schicht 251 vollständig mit entfernt wird.

Danach wird der W-Laserstrahl entlang des zweiten Halbkreises 380 erneut mit voller Laserleistung hin zu dem Mittelpunkt M geführt. Falls der Materialabtrag entlang der beiden Halbkreise 360 und 380 bereits bis hin zur dielektrischen Schicht 251 erfolgt ist, wird der dadurch erzeugte ausgeschnittene Deckel in der oberen Metallschicht 252 mit einem Durchmesser, der dem Abstand zwischen dem Punkt A und dem Punkt M entspricht, selbstständig herausspringen. Sollte die auf die beiden Halbkreise beaufschlagte Laserenergie nicht ausreichen, um die Metallschicht in dem durch die beiden Halbkreise 360 und 380 beschriebenen Teilbereich 390 zu entfernen, wird der W-Laserstrahl erneut entlang des inneren Kreises geführt, bis der Teilbereich 390 vollständig freigelegt wird. Gegebenenfalls kann der W-Laserstrahl auch auf weiteren Kreisbahnen mit einem kleineren Radius geführt werden, um ein zuverlässiges Entfernen der oberen metallischen Schicht innerhalb Teilbereiches 390 zu gewährleisten.

Nach dem Freilegen des Teilbereiches 390 wird das Substrat 150 an eine andere Laserbearbeitungsmaschine übergeben, welche eine CO2-Laserlichtquelle aufweist. Der damit erzeugte IR-Laserstrahl wird dann mit einer Fleckgröße F, die dem Durchmesser des zu bohrenden Mikroloches 153 entspricht, konzentrisch zu dem Mittelpunkt M auf das Substrat 250 gerichtet. Dadurch erfolgt insbesondere innerhalb des Teilbereiches 390 ein derart großer Energieübertrag auf die dielektrische Schicht 251, dass die innerhalb des Lochquerschnitts verbliebene metallische Schicht 252 automatisch mit entfernt wird. Die zuvor durch die Bewegung des W-Laserstrahls erzeugte Nutstruktur entlang der Außenbahn 370 bewirkt nunmehr, dass die obere metallische Schicht 252 entlang einer sauberen Bruchkante, die entlang der Außenbahn 370 verläuft, von der dielektrischen Schicht 251 entfernt wird. Nach dem vollständigen Entfernen der oberen metallischen Schicht 252 innerhalb des gesamten Lochquerschnitts 395 erfolgt der Materialabtrag der dielektrischen Schicht 251 in bekannter Weise mittels IR-Laserstrahls.

Da die Materialentfernung in der oberen metallischen Schicht 252 mittels des W-Laserstrahls 111 nur in einer im Vergleich zum gesamten Lochquerschnitt 395 reduzierten Teilfläche 390 erfolgt, ist der erste Prozessschritt, d. h. der Materialabtrag mittels des W-Laserstrahls 111 gegenüber dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren deutlich schneller, bei dem der erste Prozessschritt das vollständige Entfernen der Metallschicht 252 innerhalb des gesamten Lochbereiches umfasst. Da der Materialabtrag der dielektrischen Schicht 251 mit dem IR-Laserstrahl im Vergleich zu dem ersten Prozessschritt deutlich schneller durchgeführt werden kann (die verfügbare Laserleistung im IR-Spektralbereich ist deutlich größer als im W-Spektralbereich), ist der gesamte Bohrprozess gegenüber dem bisherigen Bohrverfahren deutlich schneller.

Er wird darauf hingewiesen, dass die beiden Prozessschritte auch mit einer einzigen, einer sog. Kombinationsbohrmaschine durchgeführt werden können, welche sowohl eine W-Laserlichtquelle als auch eine IR-Laserlichtquelle aufweist.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich auch zum Bohren von Werkstücken verwendet werden kann, welche nicht lediglich zwei, sondern im Prinzip beliebig viele metallische Schichten aufweisen, wobei jeweils zwei benachbarte metallische Schichten durch eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht voneinander getrennt sind. In derartig mehrschichtigen Werkstücken können somit beliebig tiefe Sacklöcher erzeugt werden, wobei jeweils die metallische Schicht mit dem anhand von 3 erläuterten Verfahren abgetragen wird.

Zusammenfassend kann festgestellt werden:

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Laserbohren eines Loches 153, 253 in ein mehrschichtiges Werkstück 150, 250, wobei mittels einer ersten Laserausgabe 111 innerhalb eines Teilbereiches 390 der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches 153, 253 eine erste Schicht 152, 252 abgetragen wird, so dass innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht 152, 252 verbleibt. Mittels einer zweiten Laserausgabe wird innerhalb der gesamten Querschnittsfläche 395 des zu bohrenden Loches 153, 253 eine zweite Schicht 151, 251 abgetragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht 151, 251 gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht 152, 252 mit abgetragen wird. Ein sauberer Materialabtrag der ersten Schicht 152, 252 entlang einer definierten Grenzlinie 370 wird durch einen teilweisen Materialabtrag entlang des Lochrandes erreicht. Bevorzugt wird zum Abtragen einer metallischen ersten Schicht 152, 252 ein W-Laserstrahl 111 und zum Abtragen einer dielektrischen zweiten Schicht 151, 251 ein IR-Laserstrahl verwendet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Laserbohren eines Loches (153, 253) mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche in ein mehrschichtig aufgebautes Werkstück, insbesondere in ein mehrschichtig aufgebautes Schaltungssubstrat (150, 250) mit einer ersten und mindestens einer zweiten Metallschicht (152, 252) und mit jeweils einer zwischen zwei Metallschichten (152, 252) angeordneten Dielektrikumsschicht (151, 251), bei dem

    • mittels einer ersten Laserausgabe (111) innerhalb eines Teilbereiches (390) der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches (153, 253) eine erste Schicht (152, 252) entfernt wird, wobei innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht (152, 252) verbleibt, und

    • mittels einer zweiten Laserausgabe innerhalb der gesamten Querschnittsfläche (395) des zu bohrenden Loches (153, 253) eine zweite Schicht (151, 251) abgetragen wird, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht (151, 251) gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht (152, 252) mit entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels der ersten Laserausgabe (111) zusätzlich entlang des Randes (370) der Querschnittsfläche Material der ersten Schicht (152, 252) abgetragen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die erste Laserausgabe einen Laserstrahl (111) im sichtbaren oder nahen ultravioletten Spektralbereich umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste Laserausgabe von einem Festkörperlaser (110), insbesondere von einem frequenzvervielfachten und/oder diodengepumpten Festkörperlaser erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite Laserausgabe einen Laserstrahl im infraroten Spektralbereich aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Laserausgabe (111) und/oder die zweite Laserausgabe gepulste Laserstrahlung umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Teilbereich (390) der ersten Schicht (152, 252) durch Trepanieren entfernt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweite Schicht (151, 251) durch Trepanieren oder durch Punchen abgetragen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem sich der Teilbereich (390) zwischen der Lochmitte (M) und dem Lochrand (A) befindet.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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