DE102004042556B4 - Laserlichtquelle, Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung - Google Patents

Laserlichtquelle, Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung Download PDF

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Abstract

Laserlichtquelle, insbesondere zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern mittels gepulster Laserstrahlung, mit
– einem Laserresonator, welcher einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (112) und einen Endspiegel (114a, 114b, 114c) aufweist,
– einem aktiven Lasermedium (111), welches innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, und
– einer Strahlumschalteinrichtung (113), welche ebenfalls innerhalb des Laserresonators angeordnet ist,
wobei die Strahlumschalteinrichtung (113) und der Laserresonator derart eingerichtet sind, dass ein in dem Laserresonator geführter Laserstrahl zwischen einem ersten Strahlengang (115a) und einem zweiten Strahlengang (115b) umschaltbar ist, wobei der zweite Strahlengang (115b) eine im Vergleich zum ersten Strahlengang (115a) unterschiedliche Länge aufweist, und
bei der die Strahlumschalteinrichtung ein erstes Strahlumschaltelement (413a) und ein zweites Strahlumschaltelement (413b) aufweist, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern mittels gepulster Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung unter Verwendung der genannten Laserlichtquelle.
  • Elektronische Baugruppen, welche in einer kompakten Bauform realisiert werden sollen, werden heutzutage häufig auf mehrschichtigen Schaltungsträgern, insbesondere auf mehrschichtigen Leiterplatten aufgebaut. Dabei ist es erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der Leiterplatte miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten ein Blind- oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und dieses Loch nachfolgend in bekannter Weise mittels einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird. Auf dieser Weise können Leiterbahnstrukturen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet werden, so dass der Platzbedarf von elektronischen Baugruppen erheblich reduziert wird.
  • Das Bohren von elektronischen Schaltungssubstraten erfolgt üblicherweise mittels gepulster Laserstrahlung in speziellen Laserbearbeitungsmaschinen für den Elektronikbereich. Als Laserlichtquellen werden beispielsweise CO2-Laser und Festkörperlaser verwendet, welche durch eine in bekannter Weise durchgeführte Frequenzvervielfachung Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder auch im nahen ultravioletten Spektralbereich emittieren. Laserstrahlung im ultravioletten Spektralbereich ist insbesondere zum präzisen Abtragen von metallischen Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte geeignet.
  • Die Qualität der gebohrten Löcher wird abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material unter anderem von folgenden charakteristischen Parametern der verwendeten Laserlichtquelle bestimmt: Pulsenergie, Pulsbreite, Wiederholfrequenz, transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Somit gibt es für jeden Bohrvorgang eine große Anzahl an möglichen Kombinationen von Laserparametern.
  • Um ein Material optimal, d.h. mit großer Bearbeitungsgeschwindigkeit und mit möglichst hoher Qualität bearbeiten zu können, ist jeweils ein bestimmter Parametersatz am besten geeignet. Für unterschiedliche Materialien sind demzufolge unterschiedliche Parametersätze als optimal anzusehen, wobei mit einer Laserlichtquelle üblicherweise nicht alle für einen optimalen Bohrvorgang erforderlichen Parameter erreicht werden können. Dieses Problem könnte dadurch gelöst werden, dass abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material unterschiedliche Laserlichtquellen in einer Laserbearbeitungsvorrichtung eingebaut werden. Ein derartiger Umbau einer Laserbearbeitungsmaschine oder die Verwendung einer Laserbearbeitungsmaschine mit mehreren unterschiedlichen Lasertypen ist jedoch sehr zeit- und sehr kostenintensiv.
  • Die US 2003/0138004A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung unterschiedlicher Laserpulslängen, die unter Zuhilfenahme eines Ansteuerelementes einen Laserstrahl in verschieden lange Lichtwellenleiter umlenkt und somit eine Veränderung der Laserpulsdauern verursacht.
  • In der US 4 660 205 ist eine Anordnung gezeigt, die mehrere Resonatoren aufweist, die mittels eines Polarisierungselementes zu- und abgeschaltet werden können.
  • Weiterhin ist in der US 4 114 018 eine Abtragungstechnik für metallische Werkstücke gezeigt, welche abhängig von der Art des Metalles und der zu bearbeitenden Schicht, eine passende Auswahl der Strahlungsintensität in Verbindung mit einer geeigneten Pulsform beschreibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserlichtquelle zu schaffen, welche Laserpulse aussendet, die für eine Vielzahl von verschiedenen Materialien einen optimalen Materialabtrag gewährleistet. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung anzugeben, welches für eine Vielzahl von verschiedenen Materialien einen optimalen Materialabtrag erzeugt.
  • Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch eine Laserlichtquelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle umfasst einen Laserresonator mit einem teildurchlässigen Auskoppelspiegel und einem Endspiegel. Die Laserlichtquelle umfasst ferner ein aktives Lasermedium sowie eine Strahlumschalteinrichtung, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind. Die Strahlumschalteinrichtung und der Laserresonator sind derart eingerichtet, dass ein in dem Laserresonator geführter Laserstrahl zwischen einem ersten Strahlengang und einem zweiten Strahlengang umschaltbar ist, wobei der zweite Strahlengang eine im Vergleich zum ersten Strahlengang unter schiedliche Länge aufweist, und bei der die Strahlumschalteinrichtung ein erstes Strahlumschaltelement und ein zweites Strahlumschaltelement aufweist, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Pulsbreite bzw. die Pulsdauer der generierten Laserpulse durch eine Änderung der Resonatorlänge auf einfache Weise variiert und somit auf verschiedene unterschiedliche Materialien angepasst werden kann, so dass ein optimaler, d.h. sowohl ein schneller als auch ein präziser Materialabtrag erreicht werden kann. Ein präziser Materialabtrag zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen einem Bereich mit abgetragenem Material und einem anderen Bereich mit nicht abgetragenem Material eine scharfe räumliche Grenze besteht.
  • Der physikalische Grund für die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Resonatorlänge lässt sich einfach dadurch erklären, dass die Laufzeit eines Lichtpulses, welcher zum Abbau einer Inversion in dem aktiven Lasermedium eine vorgegebene Anzahl an Durchläufen durch das aktive Lasermedium benötigt, bei einer größeren Resonatorlänge entsprechend länger ist. Die Länge eines Laserpulses hängt demzufolge von der Laufzeit innerhalb des Laserresonators ab.
  • Obwohl der Endspiegel der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle bevorzugt ein Spiegel mit einem möglichst hohen Reflexions vermögen ist, wird darauf hingewiesen, dass auch der Endspiegel ein teildurchlässiger Spiegel sein kann, so dass durch die erfindungsgemäße Laserlichtquelle zwei Laserstrahlen erzeugt werden, wobei ein Laserstrahl die Laserlichtquelle aus dem Auskoppelspiegel und der andere Laserstrahl aus dem teildurchlässigen Endspiegel austritt.
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich nicht auf lediglich zwei unterschiedliche Strahlengänge innerhalb des Laserresonators beschränkt ist. Abhängig von der Anzahl der Schaltstellungen der Strahlumschalteinrichtung können im Prinzip beliebig viele Strahlengänge mit unterschiedlicher Länge vorhanden sein. Anstelle einer Strahlumschalteinrichtung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Schaltstellungen können auch mehrere Strahlumlenkeinrichtungen mit jeweils einer Mehrzahl von Schaltstellungen hintereinander angeordnet sein.
  • Bei der Laserlichtquelle nach Anspruch 2 ist jedem der beiden Strahlengänge, welche durch die Strahlumschalteinrichtung selektiv aktiviert werden können, ein Endspiegel zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Strahlengang innerhalb des Laserresonators zwischen der Strahlumschalteinrichtung und dem Auskoppelspiegel unabhängig von der Stellung der Strahlumschalteinrichtung festgelegt ist. Für den Strahlengang zwischen der Strahlumschalteinrichtung und dem Endspiegel sind abhängig von der Stellung der Strahlumschalteinrichtung zwei Strahlengänge vorgesehen, wobei durch die Strahlumschalteinrichtung jeweils genau einer der beiden Strahlengänge zur Führung des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators festgelegt wird. Auch in diesem Fall können nicht nur zwei, sondern mehrere Endspiegel verwendet werden, so dass im Prinzip beliebig viele unterschiedliche Strahlengänge durch eine mit entsprechend vielen Schaltstellungen versehene Strahlumschalteinrichtung aktiviert werden können.
  • Ferner kann durch eine Variation der Endposition des jeweiligen Endspiegels die exakte Länge eines Strahlengangs und somit die resultierende Pulsdauer eingestellt werden. Durch ein Verschieben des Auskoppelspiegels können die Längen sämtlicher Strahlengänge gleichermaßen verändert werden.
  • Die Laserlichtquelle nach Anspruch 3 weist zwei Strahlumschaltelemente auf, welche innerhalb des Laserresonators angeordnet sind. Zwischen den beiden Strahlumschaltelementen ist eine Strahlführungseinrichtung vorgesehen, welche in Verbindung mit den beiden Strahlumschaltelementen eine Auslenkung und damit eine Verlängerung des aktuellen Strahlengangs im Vergleich zu dem Strahlengangs des sog. Nullstrahls bewirkt. Der Nullstrahl ist dabei durch den Strahlengang im Laserresonator definiert, der sich bei einer bestimmten Ausgangsstellung der Strahlumschaltelemente ergibt.
  • Eine derartige "Bypass-Lösung", bei der der Strahlengang innerhalb eines Teilbereiches des Laserresonators aus dem Nullstrahl ausgelenkt wird, bewirkt somit abhängig von der zusätzlichen Länge der Strahlführungseinrichtung eine Verlängerung der Pulsdauern der ausgesendeten Laserpulse. Auch in diesem Fall sind im Prinzip beliebig viele "Bypass-Strahlengänge" möglich, so dass die resultierende Pulsdauer optimal auf eine Vielzahl von verschiedenen Materialien zur Materialbearbeitung angepasst werden kann.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 4 weist die Strahlführungseinrichtung zumindest einen Reflektor auf, welcher dazu beiträgt, dass der aus dem Strahlengang des Nullstrahls ausgelenkte Laserstrahl wieder in den Strahlengang des Nullstrahls zurückgeführt werden kann. Dabei bestimmt die räumliche Anordnung des Reflektors die Verlängerung des Strahlengangs, so dass auf einfache Weise die resultierende Pulsdauer durch eine entsprechende räumliche Anordnung des Reflektors angepasst werden kann.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 wird der in dem Laserresonator geführte Laserstrahl durch das erste der beiden Strahlumschaltelemente aus dem Nullstrahl herausge lenkt und in ein erstes Ende eines Lichtwellenleiters eingekoppelt. Nach dem Durchgang durch den Lichtwellenleiter verlässt der Lichtstrahl das andere Ende des Lichtwellenleiters und wird bei einer symmetrischen Schaltstellung der beiden Strahlumschaltelemente über das zweite der beiden Strahlumschaltelemente wieder in den Strahlengang des Nullstrahls überführt. Die Länge des Lichtwellenleiters bestimmt hierbei die Verlängerung des Strahlengangs des Laserresonators, so dass der "Bypass-Strahlengang" durch einen vergleichsweise geringen Justieraufwand realisiert werden kann.
  • Gemäß Anspruch 6 weist die Strahlumschalteinrichtung einen drehbar gelagerten Spiegel bzw. eine Chopper-Einrichtung auf. Der Strahlengang innerhalb des Laserresonators kann damit über eine mechanische Bewegung von herkömmlichen optischen Komponenten realisiert werden. Für ein derartiges mechanisches Umschalten zwischen verschiedenen Strahlengängen innerhalb des Laserresonators ist zumindest bei großen Wiederholraten in der Regel eine größere Zeitspanne erforderlich als der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen. Somit kann die resultierende Pulslänge der einzelnen Laserpulse nicht individuell, sondern nur für eine Abfolge von einer Mehrzahl von Laserpulsen variiert werden. Die Verwendung derartiger mechanischer Strahlumschalteinrichtungen ist jedoch einfach zu realisieren und für eine Vielzahl von Anwendungen völlig ausreichend, da in der Regel ein Material mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Laserpulsen mit unveränderter Pulsdauer bearbeitet wird.
  • Als Chopper eignet sich beispielsweise eine drehbar gelagerte Glasscheibe, welche abwechselnd transparente und verspiegelte Bereiche aufweist, welche in den Strahlengang eingebracht werden und somit abwechselnd eine Transmission und eine Reflexion bewirken. Bei der Verwendung eines drehbar gelagerten Spiegels eignet sich insbesondere eine Drehmechanik, bei der der Spiegel zwischen verschiedenen, genau definierten Winkelstellungen umschaltbar ist.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 7 weist als Strahlumschalteinrichtung einen elektro-optischen Modulator oder einen akusto-optischen Modulator auf. Bei der Strahlumschaltung mittels eines elektro-optischen Modulators bewirkt der Modulator eine Drehung der Polarisation des Lichtstrahls. Die räumliche Trennung der unterschiedlich polarisierten Laserstrahlen erfolgt dann mit einem polarisationsempfindlichen Reflektor, beispielsweise einem sog. Brewsterfenster. Ein akusto-optischer Modulator ist beispielsweise ein CdTe-Kristall, welcher mit einer Frequenz im Megahertzbereich zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die dabei innerhalb des Kristalls ausgebildete stehende Welle stellt für einen einfallenden Laserstrahl ein Beugungsgitter dar.
  • Eine Strahlumschaltung mit elektro- bzw. mit akusto-optischen Modulatoren hat den Vorteil, dass der Umschaltvorgang sehr schnell erfolgen kann, so dass sogar ein Umschalten des Laserresonators zwischen verschiedenen Strahlengängen auch bei einer Laserpuls-Wiederholrate im Bereich von einigen kHz im Prinzip zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen möglich ist. Durch eine derartige gezielte Variation der Pulsdauer einzelner Laserpulse ergeben sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für eine optimale Materialbearbeitung. Beispielsweise kann die Materialbearbeitung durch eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Laserpulsen auf ein und dieselbe Stelle erfolgen, wobei die Pulsdauer eines Laserpulses sich von der Pulsdauer des zuvor auf die gleiche Stelle gerichteten Laserpulses unterscheidet.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass eine Umlenkung des in dem Laserresonator geführten Laserstrahls selektiv in einen von einer Vielzahl von unterschiedlich langen Strahlengängen auch mittels einer Hintereinanderschaltung von mehreren Strahlumlenkeinrichtungen erfolgen kann. Dabei können mehrere gleiche Strahlumlenkeinrichtungen oder auch unter schiedliche Arten von Strahlumlenkeinrichtungen miteinander kombiniert werden.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 8, bei der das aktive Lasermedium ein Festkörpermaterial ist, wird bevorzugt mittels Nd:YAG-, Nd:YVO4- oder Nd:YLF-Lasern realisiert, welche in der Regel Laserstrahlen bei einer Grundwellenlänge von 1064 nm emittieren.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 9 erfolgt das Pumpen des aktiven Lasermediums optisch unter Verwendung von Halbleiterdioden. Diese sind bevorzugt um das aktive Lasermedium herum angeordnet, so dass ein entsprechender diodengepumpter Laser, insbesondere ein diodengepumpter Festkörperlaser in einer kompakten Bauform realisiert werden kann.
  • Gemäß Anspruch 10 weist die Laserlichtquelle zusätzlich ein optisch nichtlineares Medium zur Frequenzvervielfachung auf. Derartige optisch nichtlineare Medien, welche in der Lasertechnik allgemein bekannt sind, können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Resonators positioniert werden. Bei einem der oben genannten Lasertypen mit einer Grundwellenlänge 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 Lasersystemen ebenso denkbar. Die Frequenzvervielfachung hat den Vorteil, dass man auf einfache Weise Laserstrahlung im sichtbaren oder auch im ultravioletten Spektralbereich erzeugen kann, welche sich besonders gut zum Abtrag von metallischen Schichten, beispielsweise Kupfer eignet.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende verfahrensbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung mit den Merkma len des unabhängigen Anspruchs 11. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels einer Laserlichtquelle ein Laserstrahl erzeugt, welcher Laserpulse mit jeweils einer bestimmten Pulsdauer aufweist. Der erzeugte Laserstrahl wird mittels einer Ablenkeinheit zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik auf vorgegebene Zielpositionen auf dem Werkstück gerichtet. Die Pulsdauern werden abhängig von dem Material des Werkstücks derart gewählt, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist. Unter einem optimalen Materialabtrag ist in diesem Zusammenhang sowohl ein schneller als auch ein möglichst präziser Materialabtrag zu verstehen. Bei einem präzisen Materialabtrag ergibt sich eine scharfe, genau definierte räumliche Grenze zwischen einem Bereich mit abgetragenem Material und einem Bereich mit nicht abgetragenem Material. Die optimale Pulsdauer kann im Vorfeld der realen Laserbearbeitung abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material durch einige Versuche bestimmt werden. Die Strahlumschalteinrichtung und damit der Strahlengang des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators werden derart eingestellt, dass das Werkstück mit Laserpulsen mit der entsprechenden Pulsdauer beaufschlagt wird.
  • Durch eine vergleichsweise einfach zu realisierende Änderung der Länge des Laserresonators können somit die Pulsdauern auf das jeweils zu bearbeitende Material optimiert werden. Da im Elektronikbereich aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Präzision der Materialbearbeitung erfüllt werden müssen, kann eignet sich die Erfindung insbesondere zum Bohren oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
  • In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
  • 1 eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserlichtquelle, welche unterschiedlich lange Strahlengänge innerhalb des Laserresonators aufweist,
  • 2a, 2b und 2c eine Laserlichtquelle, bei der unterschiedlich lange Strahlengänge innerhalb des Laserresonators durch einen Klappspiegel und entsprechend positionierten Endspiegeln realisiert sind,
  • 3 eine Laserlichtquelle mit einem Strahlumschaltelement, welches einen Laserstrahl wahlweise auf unterschiedliche Endspiegel lenkt,
  • 4 eine Laserlichtquelle mit zwei Strahlumschaltelementen, welche einen Laserstrahl in den Bereich zwischen den beiden Strahlumschaltelementen auf unterschiedliche Strahlengänge lenken können, denen jeweils ein Lichtwellenleiter zugeordnet ist,
  • 5 eine Laserlichtquelle mit zwei Strahlumschaltelementen, welche einen Laserstrahl in den Bereich zwischen den beiden Strahlumschaltelementen auf unterschiedliche Strahlengänge lenken können, denen jeweils ein Reflektor zugeordnet ist, und
  • 6 den Aufbau eines Strahlumschaltelements aus einem elektro-optischen Modulator und einem Brewsterfenster.
  • An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden. Aus diesem Grund werden einige bereits erläuterte Komponenten nicht erneut anhand von anderen Figuren beschrieben.
  • Die in 1 dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 100 umfasst eine Laserlichtquelle 110, welche zum Emittieren eines gepulsten Ausgangslaserstrahl 121 eingerichtet ist. Dieser trifft auf eine Ablenkungseinheit 130, die in herkömmlicher Weise mit drehbar gelagerten Spiegeln, sog. Galvospie geln aufgebaut ist. Die Ablenkungseinheit 130 ermöglicht eine zweidimensionale Ablenkung des Laserstrahls, welcher über eine Abbildungsoptik 140, beispielsweise eine F-Theta-Optik auf das zu bearbeitende Substrat 150 gerichtet wird.
  • Das Substrat 150 besteht im gezeigten Beispiel aus einer dielektrischen Schicht 151, die oberseitig und unterseitig jeweils von einer metallischen Schicht 152 bedeckt ist. Die metallischen Schichten 152 sind in nicht gezeigter Weise zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert. Zur Erzeugung der Mikrolöcher 153 wird ein Bearbeitungslaserstrahl 141, welcher aus dem Ausgangslaserstrahl 121 durch eine Ablenkung durch die Ablenkungseinheit 130 und eine Fokussierung durch die Abbildungsoptik 140 hervorgegangen ist, jeweils mittels einer Sprungbewegung 155 auf eine Bohrposition 144 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. Je nach den gegebenen Bedingungen (Substratmaterial, Lochtiefe, Laserleistung etc.) wird dabei der Bearbeitungslaserstrahl 141 in einem Umlauf oder in mehreren aufeinander folgenden Umläufen bewegt. Bei einem derartigen Bohrverfahren, welches als Trepanieren bezeichnet wird, wird somit der Laserstrahl 141 lediglich am Lochrand entlang geführt und der innere Kern herausgeschnitten. Auf diese Weise werden Löcher gebohrt, die jeweils größer als die Fleckgröße F sind. Bei der Erzeugung von Mikrolöchern kann es auch notwendig sein, mehrere Umläufe des Laserstrahls 141 mit gleichen oder auch mit unterschiedlichen Radien durchzuführen.
  • Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Laserlichtquelle derart ausgebildet ist, dass in dem Ausgangslaserstrahl 121 Laserpulse mit unterschiedlichen Pulsdauern erzeugt werden können. Dies wird beispielsweise durch den im folgenden beschriebenen Aufbau der Laserlichtquelle 110 realisiert: Die Laserlichtquelle 110 umfasst einen Laserresonator, welcher einen Auskoppelspiegel 112 und mehrere End spiegel, einen ersten Endspiegel 114a, einen zweiten Endspiegel 114b und einen dritten Endspiegel 114c aufweist. Innerhalb des Laserresonators ist ein aktives Lasermedium 111 angeordnet, welches insbesondere ein Festkörpermaterial wie beispielsweise Nd:YAG oder Nd:YVO4 ist. In dem Laserresonator ist ferner ein Strahlumschaltelement 113 angeordnet, welches einen Strahlengang 115 innerhalb des Laserresonators wahlweise in einen von drei Strahlengängen, in einen ersten Strahlengang 115a, in einen zweiten Strahlengang 115b oder in einen dritten Strahlengang 115c überführt. Dabei ist jeweils einem der Strahlengänge 115a, 115b bzw. 115c ein Endspiegel 114a, 114b bzw. 114c zugeordnet. Die Endspiegel 114a, 114b bzw. 114c sind in unterschiedlichen Abständen von dem Strahlumschaltelement 113 angeordnet, so dass je nach Ansteuerung des Strahlumschaltelements 113 einer der Strahlengänge 115a, 115b bzw. 115c aktiviert ist.
  • Das Strahlumschaltelement 113 kann ein mechanische Spiegelsystem oder auch ein elektrisch sehr schnell ansteuerbarer Modulator, beispielsweise ein akusto-optischer Modulator oder insbesondere ein elektro-optischer Modulator sein. Ein möglicher Aufbau eines Strahlumschaltelements wird an späterer Stelle anhand von 6 beschrieben.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass insbesondere bei Verwendung eines akusto-optischen Modulators als Strahlumschaltelement zusätzlich ein Reflektor dem Modulator nachgeschaltet sein kann. Bei einer entsprechenden Winkelstellung des Reflektors relativ zu dem Strahlengang des ausgelenkten Strahls kann somit der resultierende Auslenkwinkel gegenüber den üblicherweise sehr kleinen Auslenkwinkeln, die mit lediglich einem Modulator erzielbar sind, deutlich vergrößert werden. Damit sind auch bei Verwendung eines akusto-optischen Modulators Auslenkwinkel im Bereich von 90° realisierbar.
  • Wie aus 1 ersichtlich, weisen die Strahlengänge 115a, 115b und 115c eine unterschiedliche Länge auf. Somit ist die effektive Resonatorlänge abhängig von der Stellung des Strahlumschaltelements 113 zwischen drei unterschiedlichen Längen einstellbar, so dass im Ergebnis die Pulsdauern des Ausgangslaserstrahls 121 von der Stellung des Strahlumschaltelements 113 abhängen.
  • Die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Resonatorlänge ist damit zu erklären, dass ein Laserpuls so lange anhält, bis die Inversion in dem aktiven Lasermedium 111 abgebaut ist. Dies bedeutet, dass sich die Mehrzahl der angeregten Atome oder Moleküle in dem aktiven Lasermedium 111 wieder in ihrem Grundzustand befindet. Da zum Abbauen der Inversion eine bestimmte Anzahl an Durchläufen eines Lichtpulses durch das aktive Medium 111 erforderlich ist, bedarf es keiner weiteren Erläuterung, dass die Gesamtzeit, die ein Lichtpuls für diese Anzahl an Durchläufen benötigt, von der Resonatorlänge abhängt.
  • Die 2a, 2b und 2c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der das Strahlumschaltelement mittels eines drehbar gelagerten Spiegels 213 realisiert ist. Die Laserlichtquelle, welche über einen Auskoppelspiegel 212 einen gepulsten Ausgangslaserstrahl 221 emittiert, weist als aktives Lasermedium 211 ein Festkörpermaterial, insbesondere Nd:YAG oder Nd:YVO4 auf. In der in 2a dargestellten ersten Stellung des drehbar gelagerten Spiegel 213 wird der Laserresonator lediglich durch den Auskoppelspiegel 212 und den als ersten Endspiegel 214a dienenden Spiegels 213 gebildet. Innerhalb des Laserresonators verläuft der Laserstrahl somit lediglich auf einem Strahlengang 215, welcher von dem als ersten Endspiegel 214a dienenden drehbar gelagerten Spiegel 213 und dem Auskoppelspiegel 212 begrenzt wird.
  • Bei einer Verkippung des drehbar gelagerten Spiegels 213 um 45° im Uhrzeigersinn um eine zu der Zeichenebene senkrechten Drehachse wird ein Laserstrahl in dem Strahlengang 215 durch eine Reflexion an dem Spiegel 213 auf einen stationären zweiten Endspiegel 214 gelenkt, so dass der Laserstrahl innerhalb des Laserresonators entlang der Strahlengänge 215 und 215b verläuft. Die Resonatorlänge ist damit gegenüber der in 2a dargestellten Resonatorlänge um die Länge des Strahlengangs 215b verlängert.
  • Bei einer ausgehend von der in 2a dargestellten Spiegelstellung des drehbar gelagerten Spiegels 213 um einen Drehwinkel von 45° entgegen des Uhrzeigersinns ergibt sich innerhalb des Laserresonators der in 2c dargestellte Strahlengang. Der Laserresonator wird durch den Auskoppelspiegel 212 und den dritten Endspiegel 214c gebildet, welcher von dem Spiegel 213 weiter beabstandet ist als der zweite Endspiegel 214b. Die resultierende Resonatorlänge setzt sich demzufolge aus der Länge des Strahlengangs 215 und der Länge des dritten Strahlengangs 215c zusammen.
  • Durch eine Variation der Winkelstellung des drehbar gelagerten Spiegels 213 und einer entsprechenden Anordnung des zweiten Endspiegels 214b und des dritten Endspiegels 214c relativ zu dem Spiegel 213 kann somit die Resonatorlänge der Laserlichtquelle 210 auf einfache Weise variiert und somit die resultierende Pulslänge der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls 221 optimal auf das jeweils zu bearbeitende Material angepasst werden.
  • Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 2a, 2b und 2c dargestellten Ausführungsform dadurch, dass anstelle des drehbar gelagerten Spiegels 213 ein elektrisch ansteuerbares Strahlumschaltelement 313 vorgesehen ist. Dieses überführt den zwischen dem Strahlumschaltelement 313 und dem Auskoppelspiegel 212 verlaufenden Strahlengang 315 wahlweise in einen von vier Strahlengängen, welche mit den Bezugszeichen 315a, 315b, 315c bzw. 315d versehen sind. Den Strahlengängen 315a, 315b, 315c bzw. 315d ist jeweils ein Endspiegel 314a, 314b, 314c bzw. 314d zugeordnet, wobei die vier Endspiegel in unterschiedlichen Abständen von dem Strahlumschaltelement 313 angeordnet sind.
  • Die in 4 dargestellte Laserlichtquelle 410 unterschiedet sich von der Laserlichtquelle 310 dadurch, dass lediglich ein Endspiegel 414 vorgesehen ist, welcher gemeinsam mit dem Auskoppelspiegel 412 den Laserresonator der Laserlichtquelle 410 bildet. Innerhalb des Laserresonators sind neben dem aktiven Lasermedium 411 zwei Strahlumschaltelemente, ein erstes Strahlumschaltelement 413a und ein zweites Strahlumschaltelement 413b angeordnet. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der beiden Strahlumschaltelemente 413a, 413b verläuft ein innerhalb des Laserresonators geführter Laserstrahl zwischen den beiden Modulatoren wahlweise auf einem von vier Strahlengängen, welche mit den Bezugszeichen 415a, 415b, 415c bzw. 415d versehen sind. Die Strahlengänge 415b, 415c bzw. 415d verlaufen über jeweils einen Lichtwellenleiter 416b, 416c bzw. 416d, welche zueinander eine unterschiedliche Länge aufweisen. Somit wird abhängig von der Stellung der beiden Strahlumschaltelemente 413a und 413b, welche stets symmetrisch zueinander geschaltet werden, die resultierende Resonatorlänge der Laserlichtquelle 410 derart verändert, dass die Laserpulse des Ausgangslaserstrahls 421 hinsichtlich ihrer Pulsdauer optimal auf das jeweils zu bearbeitende Material angepasst werden können.
  • Die in 5 dargestellte Laserlichtquelle 510 unterscheidet sich von der Laserlichtquelle 410 dadurch, dass anstelle der drei Lichtwellenleiter 416b, 416c bzw. 416d jeweils ein stationärer Reflektor 517b, 517c bzw. 517d vorgesehen ist. Bei einer symmetrischen Ansteuerung der beiden Strahlumschaltelemente 513a und 513b kann der Laserstrahl innerhalb des Laserresonators somit selektiv auf den Strahlengang 515a oder auf einen der ausgelenkten Strahlengänge 515b, 515c oder 515d geführt werden.
  • 6 zeigt den Aufbau eines Strahlumschaltelements 613, welches einen elektro-optischen Modulator 660 und ein Brewsterfenster 663 aufweist. Der einfallende Laserstrahl 615 ist linear polarisiert. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektro-optischen Modulators 660 mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit kann die Polarisationsrichtung eines aus dem Modulator 660 austretenden Laserstrahls 662 entlang der Drehrichtung 661 variiert werden, so dass der Laserstrahl 662 in einer ersten Stellung des elektro-optischen Modulators 660 parallel zu der Zeichenebene und in einer zweiten Stellung senkrecht zu der Zeichenebene polarisiert ist.
  • Das Brewsterfenster 663 ist in einer dem Fachmann geläufigen Brewstergeometrie in dem Strahlengang des Laserstrahls 662 angeordnet, so dass in der ersten Stellung des elektro-optischen Modulators 660 der Laserstrahls 662 mit einem durch die Dicke und den Brechungsindex des Brewsterfenster 663 bestimmten Parallelversatz in den Strahlengang 615b überführt wird. In der zweiten Stellung des elektro-optischen Modulators 660 wird der senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Laserstrahl 662 in den Strahlengang 615a überführt. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektro-optischen Modulators 660 kann der Eingangslaserstrahl 615 somit selektiv in einen der beiden Strahlengänge 615a bzw. 615b überführt werden.
  • Zur selektiven Strahlumschaltung in mehr als zwei Ausgangsstrahlengänge können selbstverständlich mehrere Strahlumschaltelements 613 kaskadenförmig hintereinander geschaltet werden.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass bei der Verwendung von akusto-optischen Modulatoren in einem Strahlumschaltelement die Ablenkwinkel in der Regel sehr klein sind, so dass ohne den zusätzlichen Einsatz von entsprechend angeordneten Umlenkreflektoren die Änderungen der Resonatorlänge gering sind. Größere Längenänderungen sind auf vorteilhafte Weise durch den Einsatz von mehreren parallel angeordneten Reflektoren realisierbar, zwischen denen der jeweils ausgelenkte Laserstrahl mehrfach hin und her reflektiert werden kann. Auf diese Weise kann eine erhebliche Variation der resultierenden Resonatorlänge innerhalb eines kompakten optischen Aufbaus realisiert werden.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden:
    Die Erfindung schafft eine Laserlichtquelle 110 mit einem Laserresonator, dessen Länge mittels einer Strahlumschalteinrichtung 113 veränderbar ist, so dass abhängig von der jeweils eingestellten Resonatorlänge die Pulsdauer der emittierten Laserstrahlung eingestellt werden kann. Die Strahlumschalteinrichtung 113 kann mittels eines mechanischen Spiegelsystems 213 realisiert werden. Die Strahlumschalteinrichtung 113 kann auch mittels eines elektro-optischen oder akusto-optischen Modulators realisiert werden, so dass die Strahlumschaltung sehr schnell erfolgen kann. Dies ermöglicht auch bei einer hohen Pulswiederholrate ein Umschalten der Resonatorlänge zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken 150 mittels gepulster Laserstrahlung, wobei ein Laserstrahl mittels einer Ablenkeinheit 130 zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik 140 auf das Werkstück 150 gerichtet wird. Die Pulsdauer der Laserpulse wird insbesondere durch eine Wahl des Strahlengangs innerhalb des Laserresonators derart eingestellt, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist.

Claims (11)

  1. Laserlichtquelle, insbesondere zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern mittels gepulster Laserstrahlung, mit – einem Laserresonator, welcher einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (112) und einen Endspiegel (114a, 114b, 114c) aufweist, – einem aktiven Lasermedium (111), welches innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, und – einer Strahlumschalteinrichtung (113), welche ebenfalls innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, wobei die Strahlumschalteinrichtung (113) und der Laserresonator derart eingerichtet sind, dass ein in dem Laserresonator geführter Laserstrahl zwischen einem ersten Strahlengang (115a) und einem zweiten Strahlengang (115b) umschaltbar ist, wobei der zweite Strahlengang (115b) eine im Vergleich zum ersten Strahlengang (115a) unterschiedliche Länge aufweist, und bei der die Strahlumschalteinrichtung ein erstes Strahlumschaltelement (413a) und ein zweites Strahlumschaltelement (413b) aufweist, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind.
  2. Laserlichtquelle nach Anspruch 1, bei der der Laserresonator einen ersten Endspiegel (114a) und einen zweiten Endspiegel (114b) aufweist, welche relativ zu der Strahlumschalteinrichtung (113) derart angeordnet sind, dass – der erste Strahlengang (115, 115a) zwischen dem Auskoppelspiegel (112) und dem ersten Endspiegel (114a) und – der zweite Strahlengang (115, 115b) zwischen dem Auskoppelspiegel (112) und dem zweiten Endspiegel (114b) verläuft.
  3. Laserlichtquelle nach Anspruch 1, – bei der zusätzlich eine Strahlführungseinrichtung (415b, 415c, 415d) vorgesehen ist, welche relativ zu den beiden Strahlumschaltelementen (413a, 413b) derart angeordnet ist, dass bei einer entsprechenden Stellung der beiden Strahlumschaltelemente (413a, 413b) ein zwischen dem Auskoppelspiegel (412) und dem Endspiegel (414) geführter Laserstrahl über die Strahlführungseinrichtung (415b, 415c, 415d) geführt wird.
  4. Laserlichtquelle nach Anspruch 3, bei der die Strahlführungseinrichtung zumindest einen Reflektor (517b, 517c, 517d) aufweist.
  5. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei der die Strahlführungseinrichtung zumindest einen Lichtwellenleiter (416b, 416c, 416d) aufweist.
  6. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Strahlumschalteinrichtung zumindest – einen drehbar gelagerten Spiegel (213) und/oder – eine Chopper-Einrichtung aufweist.
  7. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Strahlumschalteinrichtung – einen elektro-optischen Modulator (660) und/oder – einen akusto-optischen Modulator aufweist.
  8. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das aktive Lasermedium ein Festkörper (111) ist.
  9. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest eine Halbleiterdiode zum Pumpen des aktiven Lasermediums (111) vorgesehen ist.
  10. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zusätzlich ein optisch nichtlineares Medium zur Frequenzvervielfachung vorgesehen ist.
  11. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, bei dem – mittels einer Laserlichtquelle ein Laserstrahl (121) erzeugt wird, welcher Laserpulse mit jeweils einer bestimmten Pulsdauer aufweist, und – der Laserstrahl (121) mittels einer Ablenkeinheit (130) zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik (140) auf vorgegebene Zielpositionen auf dem Werkstück (150) gerichtet wird, wobei die Pulsdauern abhängig von dem Material des Werkstücks (150) derart gewählt werden, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist, und bei dem der Laserstrahl (121) mittels einer Laserlichtquelle (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt wird, und die Strahlumschalteinrichtung (113) und damit der Strahlengang (115, 115a, 115b, 115c) des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators derart eingestellt werden, dass das Werkstück (150) mit Laserpulsen mit der entsprechenden Pulsdauer beaufschlagt wird.
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