DE10127357C1

DE10127357C1 - Verfahren und Einrichtung zur Strukturierung von Leiterplatten

Info

Publication number: DE10127357C1
Application number: DE10127357A
Authority: DE
Inventors: Hubert De Steur; Marcel Heerman; Eddy Roelants
Original assignee: Siemens Dematic AG
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: US6783688B2; TW520625B; KR20040014547A; US20030000916A1; EP1393603A1; WO2002100137A1; JP2004527923A; CN1513285A

Abstract

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl für grobe Leiterstrukturen (31) vorgesehene Bereiche (3) einer Leiterplatte (1) als auch für feinere Leiterstrukturen (41) der Leiterplatte (1) vorgesehene Bereiche jeweils durch Laserbearbeitung strukturiert. Dabei werden beide Bereiche (3, 4) zunächst mit einer durchgehenden Metallisierungsschicht überzogen und mit einem Ätzresist bedeckt. Die groben Leiterstrukturen werden mit einem Laserstrahl (14) größerer Wellenlänge durch Freilegen der nicht benötigten Metalloberflächen vorgegeben. Außerdem werden die feinen Leiterstrukturen durch Bearbeiten des Ätzresists mit einem Laserstrahl (24) kleinerer Wellenlänge ebenfalls vorgeformt. Danach werden in einem gemeinsamen Ätzprozeß alle freigelegten Oberflächenbereiche der Metallschicht weggeätzt, so daß lediglich die von dem verbleibenden Ätzresist bedeckten groben und feinen Leiterbahnstrukturen stehen bleiben. Durch Entfernen des restlichen Ätzresists liegen dann die Oberflächen der erzeugten Leiterbahnen frei.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Strukturierung von Leiterplatten mit groben Leiterstruk turen und mit mindestens einem Bereich mit feinen Leiter strukturen, wobei auf ein elektrisch isolierendes Substrat eine Metallschicht aufgebracht und aus dieser Metallschicht durch partielles Ätzen die gewünschte Leiterstruktur freige legt wird.

Aus der EP 0 062 300 A2 ist bereits ein Verfahren zur Her stellung von Leiterplatten bekannt, bei welchem ein ganzflä chig auf eine Metallschicht aufgebrachtes metallisches Ätzre sist mittels Laserstrahlung selektiv in den nicht den Leiter strukturen entsprechenden Bereichen wieder entfernt wird und danach die Leiterstrukturen durch Abätzen der derart freige legten Metallschicht gebildet werden.

Aus der DE 41 31 065 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Her stellung von Leiterplatten bekannt, bei welchem auf ein Sub strat nacheinander eine Metallschicht und eine metallische oder organische Ätzresistschicht aufgebracht werden, worauf diese Ätzresistschicht mittels Laserstrahlung in den unmit telbar an das spätere Leiterbahnmuster angrenzenden Bereichen entfernt und die dadurch freigelegte Metallschicht derart weggeätzt wird, daß das Leiterbahnmuster und durch Ätzgräben elektrisch davon isolierte Inselbereiche der Metallschicht auf dem Substrat verbleiben. Die Strukturierung mittels La serstrahlung kann rasch vorgenommen werden, da die zu entfer nenden Bereiche der Ätzresistschicht nur eine geringe Breite aufweisen müssen und die größeren Flächen zwischen zwei Lei terbahnen stehen bleiben.

In der WO 00/04750 A1 ist ferner ein Verfahren zur Herstel lung von groben Leiterstrukturen und feinen Leiterstrukturen beschrieben, bei dem im Bereich der groben Leiterstrukturen ein Ätzresist mittels Fotolithografie strukturiert wird, wäh rend im Bereich der feinen Leiterstrukturen ein Ätzresist mit Hilfe eines Laserstrahls strukturiert wird. Die derart auf verschiedene Weise strukturierten Ätzresistschichten werden dann in bekannter Weise geätzt. Zwar ist dort die Möglichkeit angesprochen, für die verschiedenen Strukturierungsverfahren mit dem gleichen Ätzresist zu arbeiten und sowohl die groben als auch die feinen Leiterstrukturen in einem Arbeitsgang zu ätzen, doch ergibt sich dabei kein optimaler Arbeitsablauf, da das gewöhnlich für die Laserstrukturierung verwendete me tallische Ätzresist (zum Beispiel Zinn) für das Fotolithogra fieverfahren weniger gut geeignet ist.

Aus der DE 197 19 700 A1 ist es auch bereits bekannt, zur Herstellung von Sacklöchern in einer Leiterplatte zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden. Dabei wird zunächst in einer Kupferschicht mit einem Laser einer ersten Wellenlänge ein Loch erzeugt, und danach wird mittels eines zweiten Lasers mit einer zweiten Wellenlänge das Loch inner halb einer Dielektrikumsschicht vertieft. Beim Erreichen ei ner zweiten Kupferschicht stoppt die Bohrung, weil die Laser strahlung der zweiten Wellenlänge von Kupfer reflektiert wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ei ne Einrichtung anzugeben, womit Leiterplatten mit groben und feinen Leiterstrukturen in möglichst einfacher und wirt schaftlicher Weise strukturiert werden können. Erfindungsge mäß wird dieses Ziel mit folgenden Verfahrensschritten er reicht:

a) auf ein elektrisch isolierendes Substrat wird eine Metall schicht aufgebracht,
b) auf die Metallschicht wird eine Ätzresistschicht aufgetra gen,
c) durch partielles Abtragen der Ätzresistschicht (61) mit einem ersten Laserstrahl (14) einer vorgegebenen ersten Wellenlänge und einer durch eine erste Abbildungseinheit (13) vorgegebenen ersten Bearbeitungs-Feldgröße (3) werden die Konturen (62) der vorgesehenen groben Leiterstrukturen (31) freigelegt,

durch partielles Abtragen der Ätzresistschicht (

61

) mit einem zweiten Laserstrahl (

24

) einer vorgegebenen zweiten Wellen länge und einer durch eine zweite Abbildungseinheit (

23

) vor gegebenen zweiten Bearbeitungs-Feldgröße (

4

) werden die Konturen (

63

) der feinen Leiterstrukturen freige legt, wobei die zweite Wellenlänge kleiner ist als die er ste Wellenlänge und/oder die zweite Feldgröße (

4

) kleiner ist als die erste Feldgröße (

3

),

a) durch Ätzen der freigelegten Metallbereiche (62, 67) werden die groben und die feinen Leiterstrukturen (31, 41) gleich zeitig erzeugt und
b) durch Abtragen der restlichen Ätzresistschicht werden die Oberflächen der Leiterstrukturen freigelegt.

Bei der Erfindung geht es also darum, sowohl grobe als auch feine Leiterstrukturen mit gleichen Verfahrensschritten, näm lich durch Strukturierung einer Ätzresistschicht und an schließendes Ätzen zu erzeugen, jedoch durch die Wahl unter schiedlicher Laser den unterschiedlichen Leiterstrukturen und entsprechend unterschiedlichen Isolierabständen Rechnung zu tragen und dabei für die jeweilige Struktur die optimale Be arbeitungsgeschwindigkeit zu erzielen. Dabei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß ein Laserstrahl mit ge ringer Wellenlänge und kurzer Brennweite in einem kleinen Be arbeitungsfeld feine Strukturen genau erzeugen kann, aber für die Bearbeitung breiterer Strukturen und größerer Felder für eine wirtschaftliche Arbeitsweise zu langsam ist, während ein Laserstrahl mit langer Wellenlänge und einer Einstellung auf große Brennweite breitere Strukturen in einem großen Bearbei tungsfeld mit erheblich größerer Geschwindigkeit bearbeiten kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsge mäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß für die Bearbeitung der groben Leiterstrukturen der erste Laser eine Wellenlänge zwi schen 1064 nm und 355 nm, vorzugsweise 1064 nm, und der zwei te Laser eine Wellenlänge zwischen 532 und 266 nm, vorzugs weise 532 oder 355 nm, aufweist, wobei die Wellenlänge des ersten Lasers in jedem Fall größer als die des zweiten Lasers ist. Weiterhin ist in der bevorzugten Ausgestaltung des er findungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß der Strahl des er sten Lasers über eine größere Brennweite fokussiert wird als der Strahl des zweiten Lasers, wodurch der erste Laser eine größere Bearbeitungsfläche überstreicht als der zweite.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Strukturierung von Lei terplatten mit groben Leiterstrukturen und mit mindestens ei nem Bereich mit feinen Leiterstrukturen weist folgende Merk male auf:

a) eine Aufnahme zur Positionierung einer Leiterplatte,
b) einen ersten Laser mit einer Ablenkoptik und einer Abbil dungseinheit mit einer ersten Brennweite, die über der Leiterplattenoberfläche derart positionierbar ist, daß sie eine erste Bearbeitungsfeldgröße zu bestrahlen vermag,
c) einen zweiten Laser mit einer Ablenkoptik und einer Abbil dungseinheit mit einer zweiten Brennweite, die eine zweite Bearbeitungsfeldgröße zu bestrahlen vermag, wobei der zweite Laser eine größere Wellenlänge als der erste Laser aufweist und/oder die zweite Brennweite sowie die zweite Feldgröße kleiner sind als die erste Brennweite und die erste Feldgröße, und
d) eine Steuerungseinrichtung, um mit dem ersten Laser je weils große Felder der Leiterplatte mit groben Leiter strukturen und mit dem zweiten Laser kleinere Felder der Leiterplatte mit feineren Leiterstrukturen zu bestrahlen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die schematische Anordnung von zwei Lasern für das erfindungsgemäße Verfahren,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Leiterplatte mit groben und feinen Leiterstrukturen,

Fig. 3 bis 6 einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte - in Schnittdarstellung - in den einzelnen Verfahrensstadien bei der erfindungsgemäßen Herstellung der groben und feinen Lei terstrukturen,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Leiterbahnstruktur gemäß Fig. 6,

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der mit verschiedenen Lasern in Abhängigkeit von verschiedenen Schichtdicken und verschiedenen Feldgrößen erreichbaren Isolationsgräben zwi schen den Leiterstrukturen sowie der erreichbaren Bearbei tungsgeschwindigkeiten.

In Fig. 1 ist schematisch eine Anordnung gezeigt, wie sie für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig net ist. Über einer Leiterplatte 1, die in einer Bearbei tungsfläche auf einem in seiner Ebene in x- und y-Richtung verfahrenbaren Tisch 10 liegt, sind zwei Laser, nämlich ein erster Laser 11 und ein zweiter Laser 21 angeordnet. Der er ste Laser 11 erzeugt über eine Ablenkoptik 12 und eine Lin senanordnung 13 einen ersten Laserstrahl 14, der auf die Flä che der Leiterplatte 1 fokussiert ist und aufgrund einer re lativ großen ersten Brennweite ein erstes, relativ großes Be arbeitungsfeld 3 überstreichen kann. Der zweite Laser 21 er zeugt über seine Ablenkoptik 22 und die Linsenanordnung 23 ei nen zweiten Laserstrahl 24, der aufgrund der geringeren Brennweite 25 ein kleineres Bearbeitungsfeld 4 zu überstrei chen vermag. Beide Laser 11 und 21 weisen eine unterschiedli che Wellenlänge auf. Beispielsweise ist der Laser 11 ein Neo dymium-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1024 nm, während der Laser 21 ein Neodymium-Vanadat-Laser mit einer Wellenlän ge von 532 oder 355 nm sein kann. Sowohl die beiden Laser 11 und 21 als auch der Tisch werden von einer zentralen Steue rungseinheit 9 gesteuert.

Fig. 2 zeigt schematisch ein großes Bearbeitungsfeld 3 mit groben Leiterbahnstrukturen 31 sowie ein innerhalb des Bear beitungsfeldes 3 angeordnetes kleines Bearbeitungsfeld 4 mit feinen Leiterstrukturen 41. Erfindungsgemäß werden sowohl die groben Strukturen 31 als auch die feinen Strukturen 41 mit Hilfe der beiden Laser 11 und 21 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen.

Die einzelnen Verfahrensschritte sind anhand der Fig. 3 bis 6 zu verfolgen. In diesen Figuren ist ein Schnitt durch einen Abschnitt einer Leiterplatte 1 gezeigt, welche bei spielsweise zwei übereinanderliegende leitende Schichten 5 und 6 aufweist, die durch eine Dielektrikumsschicht 7 vonein ander getrennt sind. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist die in nere Schicht 5 bereits strukturiert, und die äußere leitende Schicht 6 ist über Bohrungen bzw. Ausnehmungen 8 in der Die lektrikumsschicht 7 partiell mit der inneren leitenden Schicht 5 verbunden.

Zur Strukturierung der leitenden Schicht 6 wird nunmehr so wohl im Bereich des Bearbeitungsfeldes 3 als auch im Bereich des Bearbeitungsfeldes 4 eine Ätzresistschicht 61 aufge bracht, die beispielsweise aus Zinn besteht. Im Bereich der gewünschten groben Leiterbahnstruktur 3 wird nun mit Laser strahlen 14 von dem ersten Laser 11 die Ätzresistschicht 61 dort abgetragen, wo keine leitenden Flächen bzw. Leiterbahnen entstehen sollen, d. h. wo Isolationsabstände gewünscht wer den. Somit werden die Bereiche 62 freigelegt, wie dies in Fig. 4 zu sehen ist. Danach werden mit den Laserstrahlen 24 des zweiten Lasers 2 ausgewählte Isolations-Bereiche des zweiten Bearbeitungsfeldes 4 partiell derart bestrahlt, daß die für die feinen Leiterstrukturen nicht erwünschten Berei che der Metallschicht 6 freigelegt werden. Mit den derart er zeugten Ausnehmungen 63 entsteht eine Struktur gemäß Fig. 5.

Danach wird die gesamte Leiterplatte geätzt, wodurch die un terhalb der Bereiche 62 und 63 freigelegten Bereiche der Me tallschicht 6 weggeätzt werden, so daß eine Struktur gemäß Fig. 6 mit groben Leiterstrukturen 31 und feinen Leiter strukturen 41 entsteht.

In einer Draufsicht gemäß Fig. 7 ist gezeigt, wie die Grö ßenverhältnisse der groben Leiterstrukturen und der feinen Leiterstrukturen sich unterscheiden. Die groben Leiterstruk turen besitzen Leiterbahnbreiten in der Größenordnung von 100 µm, während die feinen Leiterbahnstrukturen Leiterbahn breiten und entsprechende Abstände in der Größenordnung von 50 µm aufweisen. Die Grenze zwischen beiden Bereichen liegt etwa bei 75 µm.

Eine Auswahl der jeweiligen Laser für die Grobstrukturierung und für die Feinstrukturierung läßt sich anhand des Diagramms von Fig. 8 treffen. Dort ist gezeigt, welche Mindestabstände zwischen den Leiterbahnen durch die Bearbeitung mit dem je weiligen Laser und das anschließende Ätzen entstehen, wobei diese Grabenbreite aufgrund der zwangsläufigen Unterätzung auch noch von der Stärke der Kupferschicht abhängt. Für jeden Lasertyp ist zusätzlich angegeben, wie sich die Einstellung der Brennweite, von der die Feldgröße des Bearbeitungsfeldes abhängt, auf die Grabenbreite auswirkt. So erhält man bei spielsweise mit einem Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm bei einer Kupferschicht von 7 µm durch das an schließende Ätzen eine Grabenbreite von etwa 28 µm, während man mit dem gleichen Laser bei einer Kupferschicht von 20 µm eine Grabenbreite von 50 µm erhält, dies alles unter der Vor aussetzung, daß die Brennweite des Lasers auf eine Feldgröße von 25 × 25 mm² eingestellt ist. Stellt man den gleichen La ser auf ein Feld von 150 × 150 mm² ein, so werden die geätz ten Gräben zwischen den Leiterbahnen bereits mindestens 100 bis 120 µm breit, je nach Stärke der Kupferschicht. Bei die ser letzteren Einstellung erhält man allerdings eine wesent lich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit, wie sich dies aus der durchgezogenen Linie mit der Geschwindigkeitsskala auf der rechten Seite des Diagramms ergibt. Mit den Lasern kürze rer Wellenlängen, 532 nm bzw. 355 nm, erhält man entsprechend kleinere Grabenbreiten für gewünschte Feinstrukturen, jedoch auch mit einer geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeit, wie anhand der gestrichelten und der strichpunktierten Linie er kennbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Strukturierung von Leiterplatten (1) mit groben Leiterstrukturen (31) und mit mindestens einem Bereich (4) mit feinen Leiterstrukturen (41) mit folgenden Schritten:

a) auf ein elektrisch isolierendes Substrat (7) wird eine Me tallschicht (6) aufgebracht,
b) auf die Metallschicht (6) wird eine Ätzresistschicht (61) aufgetragen,
c) durch partielles Abtragen der Ätzresistschicht (61) mit einem ersten Laserstrahl (14) einer vorgegebenen ersten Wellenlänge und einer durch eine erste Abbildungseinheit (13) vorgegebenen ersten Bearbeitungs-Feldgröße (3) werden die Konturen (62) der vorgesehenen groben Leiterstrukturen (31) freigelegt,
d) durch partielles Abtragen der Ätzresistschicht (61) mit einem zweiten Laserstrahl (24) einer vorgegebenen zweiten Wellenlänge und einer durch eine zweite Abbildungseinheit (23) vorgegebenen zweiten Bearbeitungs-Feldgröße (4) wer den die Konturen(63) der feinen Leiterstrukturen freige legt, wobei die zweite Wellenlänge kleiner ist als die er ste Wellenlänge und/oder die zweite Feldgröße (4) kleiner ist als die erste Feldgröße (3),
e) durch Ätzen der freigelegten Metallbereiche (62, 67) werden die groben und die feinen Leiterstrukturen (31, 41) gleich zeitig erzeugt und
f) durch Abtragen der restlichen Ätzresistschicht (61) werden die Oberflächen der Leiterstrukturen (31, 41) freigelegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser strahl (14) des ersten Lasers (11) eine Wellenlänge zwischen 1064 nm und 355 nm und der Laserstrahl (24) des zweiten La sers (21) eine Wellenlänge zwischen 532 nm und 266 nm auf weist, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls (24) in jedem Fall gleich oder kleiner ist als die des ersten Laser strahls (14).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laserstrahl eine Wellenlänge von 1064 nm und der zweite La serstrahl eine Wellenlänge von 532 oder 355 nm aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laser (11) eine optische Abbildungseinheit (13) aufweist, die eine größere Brennweite (15) erzeugt als die optische Abbil dungseinheit (23) des zweiten Lasers (12).

5. Einrichtung zur Strukturierung von Leiterplatten (1) mit groben Leiterstrukturen (31) und mit mindestens einem Bereich (4) mit feinen Leiterstrukturen (41), welche folgende Merkma le aufweist:

a) eine Aufnahme (10) zur Positionierung einer Leiterplatte (1),
b) einen ersten Laser (11) mit einer Ablenkoptik (12) und ei ner Abbildungseinheit (13) mit einer ersten Brennweite (15), die über der Leiterplattenoberfläche derart positio nierbar ist, daß sie eine erste Bearbeitungsfeldgröße (3) zu bestrahlen vermag,
c) einen zweiten Laser (21) mit einer Ablenkoptik (22) und einer Abbildungseinheit (23) mit einer derartigen zweiten Brennweite (25), daß der Laser eine zweite Bearbeitungs feldgröße (4) zu bestrahlen vermag, wobei der zweite Laser (11) eine kleinere Wellenlänge als der erste Laser (12) aufweist und/oder wobei die zweite Brennweite (25) und die zweite Feldgröße (4) kleiner sind als die erste Brennweite (15) und die erste Feldgröße (3), und
d) eine Steuerungseinrichtung (9), um mit dem ersten Laser (11) jeweils große Felder (3) der Leiterplatte (1) mit groben Leiterstrukturen (31) und mit dem zweiten Laser (12) kleinere Felder (4) der Leiterplatte mit feineren Leiterstrukturen (41) zu bestrahlen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laser eine Wellenlänge zwischen 1064 nm und 355 nm und der zweite Laser (12) eine Wellenlänge zwischen 532 und 266 nm aufweist, daß die erste Feldgröße zwischen 150 × 150 mm² und 50 × 80 mm² beträgt und die zweite Feldgröße zwischen 100 × 100 mm² und 25 × 25 mm² beträgt.