DE10149559B4

DE10149559B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung einer gedruckten Verdrahtungsplatte

Info

Publication number: DE10149559B4
Application number: DE10149559A
Authority: DE
Inventors: Kunio Arai; Kazuhisa Ishii; Yasuhiko Kita
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: TW503143B; US6531677B2; DE10149559A1; US20020040893A1

Abstract

Vorrichtung zur Laserbearbeitung einer gedruckten Verdrahtungsplatte, mit • einem Laserkopf (1), • einer optischen Ablenkvorrichtung (6) zum Umschalten von optischen Pfaden des von dem Laserkopf (1) emittierten Laserstrahls (2), • entlang den optischen Pfaden angeordneten optischen Elementen (3i, 4i, 5i, 30i, 3k, 4k, 5k, 30k) zum individuellen Einstellen der Energiedichten, der räumlichen Energieverteilungen und der Strahlendurchmesser der Laserstrahlen (2i, 2k), gekennzeichnet durch eine Strahlenkombiniervorrichtung (10), um die mittels der optischen Elemente eingestellten Laserstrahlen (2i, 2k) auf einem gemeinsamen optischen Pfad zur Weiterbewegung zu leiten.

Description

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bohren gedruckter Verdrahtungsplatten mit Laserlicht. Insbesondere betrifft sie das Bohren blinder Bohrungen zum Herstellen einer Verbindung zwischen oberen leitfähigen Schichten und unteren leitfähigen Schichten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
17 zeigt ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum Bohren mit Laserlicht. Bei diesem Laserbohrsystem wird ein von einem Laserkopf 1 emittierter Laserstrahl 2 durch einen Kollimator gebündelt und vergrößert oder verkleinert und dann zum Bohren durch eine Öffnung 4 auf einen geeigneten Durchmesser gebracht. Der geformte Laserstrahl 2 wird durch einen Eckspiegel 5 und einen Spiegel 14 in einem Bearbeitungskopf Z und dann durch zwei Galvanometerspiegel 15 _a, 15 _b auf eine f-θ-Linse 16 reflektiert. Der Laserstrahl 2 wird durch die Galvanometerspiegel 15 _a, 15 _b positioniert und trifft durch die f-θ-Linse vertikal auf einer Bearbeitungsoberfläche auf. Die Bearbeitung wird an jedem durch die Größe der f-θ-Linse 16 definierten Bearbeitungsbereich 18 ausgeführt, und der Bereich wird durch eine (nicht dargestellte) X-Y-Tabelle nacheinander von 18 ₁ nach 18 _N bewegt.
18 zeigt die Wirkungen des Kollimators 3 und der Öffnung 4. Die Diagramme im unteren Teil dieser Figur zeigen Verteilungsbeziehungen zwischen der Laserlichtleistung (Ordinate) und radialen Positionen im Laserstrahl (Abszisse). Da die räumliche Energieverteilung (d. h. Leistungsverteilung) am Ausgangsfenster des Laserkopfs 1 im allgemeinen eine Gauss'sche Verteilung ist, ist die räumliche Energieverteilung des den Kollimator 3 durchlaufenden Laserstrahls ebenfalls eine Gauss'sche Verteilung. Die Größe des Laserstrahls kann durch Vergrößerungen (Vergrößerungsverhältnisse oder Verkleinerungsverhältnisse) des Kollimators 3 verändert werden. Dies bedeutet, daß der Durchmesser des Laserstrahls klein wird und die räumliche Energieverteilung ein hohes Energiedichteprofil (d. h. Leistungsdichteprofil) mit der in 18a gezeigten ”Verteilung a'” (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die Vergrößerung gering ist, und daß der Durchmesser des Laserstrahls groß wird und die räumliche Energieverteilung ein niedriges Energiedichteprofil (d. h. Leistungsdichteprofil) mit der in 18a gezeigten ”Verteilung b'” (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die Vergrößerung stark ist.
Insbesondere kann bei einem größeren Durchmesser der Öffnung 4 der Boden einer erzeugten Bohrung (d. h. die Oberfläche einer inneren leitfähigen Schicht) beschädigt werden, da die Energie in der Mitte konzentriert ist. Daher wird eine ”Verteilung A'” (durchgehende Linie) oder eine ”Verteilung B'” (durchgehende Linie) eingestellt, um Beschädigungen durch Herausschneiden eines mittleren Teils des Strahls, der ein verhältnismäßig homogener Teil der Energieverteilung ist, mittels der geeigneten Öffnung 4 zu vermeiden. Im folgenden wird eine vollständige räumliche Energieverteilung, die durch Entfernen der Öffnung 4 aus dem optischen Pfad erhalten wird, als ”Verteilung C'” bezeichnet.
18b zeigt andererseits eine räumliche Energieverteilung bei der Verwendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 im optischen Pfad. Die räumliche Energieverteilung wird durch die Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 in Rechteckform gebracht, durch den Kollimator 3 verkleinert oder vergrößert (”Verteilung a” (gestrichelte Linie) oder ”Verteilung b” (gestrichelte Linie) gemäß 18b), dann mit einer Öffnung 4 herausgeschnitten und hochgradig homogenisiert (”Verteilung A” (durchgehende Linie) oder ”Verteilung B” (durchgehende Linie) gemäß 18b). Im folgenden werden diese rechteckigen Verteilungen als ”haubenförmige” Verteilungen bezeichnet, und eine durch Entfernen der Öffnung 4 aus dem optischen Pfad mit der Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 erhaltene vollständige, räumliche Energieverteilung wird als ”Verteilung C” bezeichnet. Als Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 können verschiedene im Handel erhältliche Produkte, wie ein asphärisches Linsensystem oder ein diffraktives optisches System, verwendet werden.
Typische Konstruktionen von gedruckten Verdrahtungsplatten sind ein ”Glas enthaltendes Substrat” (ein FR-4-Substrat), das ein geschichtetes Substrat aus einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer Schicht oder Schichten aus einem Glasfasern enthaltenden Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und dessen Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, ein ”RCC-Substrat”, das ein geschichtetes Substrat aus einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer Schicht oder Schichten aus Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und dessen Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, und ein ”Direktharzsubstrat”, dessen leitfähige Schicht mit einer Harzschicht überzogen ist. Als Harz werden hauptsächlich Epoxid oder Polyimid verwendet. Statt Glasfasern werden gelegentlich Keramikmaterialien verwendet, um die Harzschicht zu verstärken.
Die folgenden Bohrverfahren mit einem CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm sind allgemein bekannt. Ein ”CO₂-Direktharzverfahren” bezeichnetes Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Direktharzsubstrats wurde in ”GENERATING SMALL HOLES FOR IBMs NEW LSI PACKAGE DESIGN” in ”IPC Technical Review”, Seiten 12–15, April 1982 offenbart und in der Praxis angewendet. Ein Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Glas enthaltenden Substrats mit einem CO₂-Laser nach der vorherigen Erzeugung eines Fensters durch chemisches Ätzen oder Bohren wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr. JP 58-64097 A1 und dem US-Patent Nr. 5,010,232 offenbart.
Überdies wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr. JP 01-266983 A1 ein Verfahren zum Bohren von Durchgangsbohrungen oder blinden Bohrungen in einem geschichteten Substrat aus mehreren abwechselnd angeordneten leitfähigen und Harzschichten offenbart. Hierbei handelt es sich um einen Prozeß zur Erzeugung eines Fensters in einer leitfähigen Schicht durch eine wiederholte kreisförmige Bearbeitung (anders ausgedrückt durch ”Hohlbohnen”) mit ultraviolettem Laserlicht (”UV-Laserlicht”), durch das Metalle effizient entfernt werden können, und Bohren einer Harzschicht mit CO₂-Laserlicht.
Es ist jedoch bekannt, daß nach dem CO₂-Laserbohren eine (als ”Smear” bzw. ”Rückstand” bezeichnete) dünne Restharzschicht mit einer Dicke (t_c) im Bereich von 0,2–3 μm auf dem Boden der Bohrung, anders ausgedruckt, unmittelbar auf der leitfähigen Schicht, verbleibt. Überdies haben wir herausgefunden, daß die Dicke t_c selbst dann nicht verändert werden kann, wenn die Energiedichten oder die Anzahl der abgegebenen CO₂-Laserpulse unterschiedlich verändert werden.
Das Folgende sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache des Verbleibs. Das CO₂-Laserbohren ist ein Verfahren, bei dem der thermische Zerfall der Harzschicht bei einer durch die Absorption des Infrarotlaserlichts gesteigerten Temperatur genutzt wird. Da die Wärmeleitfähigkeit der beispielsweise aus Kupfer bestehenden (inneren) leitfähigen Schicht 1000 Mal höher als die der Harzschicht ist, beginnt daher die Wärmeenergie in die innere leitfähige Schicht zu fließen, wenn die Harzschicht dünn wird. Daher kann die Temperatur der Harzschicht bei einer dünnen Restschicht nicht auf die Zerfallstemperatur ansteigen, und dementsprechend verbleibt die Restschicht mit einer Dicke von 0,2–3 μm.
Wenn die Schicht verbleibt, ist ein chemischer Prozeß zur Entfernung des Rückstands zum Entfernen der Restschicht unverzichtbar, der Schritte zum Vorbehandeln, Spülen, Kochen, Kühlen, Spülen, Aufquellen, Spülen, Entfernen des Rückstands durch Oxidation, Spülen, Neutralisieren, Spülen, Trocknen, etc. umfaßt. Bei diesem chemischen Prozeß zur Entfernung des Rückstands ist die Benetzbarkeit in den Bohrungen bei Bohrungsdurchmessern von weniger als 100 μm gering, d. h. die Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands kann nur schwer tief in die Bohrungen gelangen, und dadurch wird die Zuverlässigkeit des Prozesses verringert. Überdies tritt das Problem auf, daß die Durchmesser der Bohrungen beim Bohren mit einem CO₂-Laser normalerweise maximal 10 μm größer werden, da die Seiten der Bohrungen durch die Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands ebenfalls um 3–5 μm abgetragen werden, obwohl der Zweck des Prozesses zur Entfernung des Rückstands das Entfernen der Restschicht auf dem Boden ist.
Andererseits wurde in ”Excimer Lasers: An Emerging Technology in the Electronics Industry” im ”IPC Technical Review”, Seiten 16–20, November 1987 ein als ”UV-Direktharzverfahren” bezeichnetes Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Direktharzsubstrats mit einem UV-Laser offenbart und in der Praxis eingesetzt. Ein Verfahren zur Erzeugung einer Bohrung in einem geschichteten Substrat aus leitfähigen Schichten und Harzschichten nur mit einem UV-Laser wurde im US-Patent Nr. 5,593,606 offenbart.
Bei dem UV-Laser, der sich von dem CO₂-Laserverfahren unterscheidet, existiert keine Restschicht auf den Böden von Bohrungen. Wird jedoch genug Energie zum Erhalt einer praktischen Bearbeitungsgeschwindigkeit verwendet, wird die Oberfläche der leitfähigen Schicht auch durch die überschüssige Energie geglättet, und die auf der Platte fest ausgebildete Oberflächenrauhigkeit wird geschmolzen und zu einer gleichförmigen Oberfläche zersetzt. Insbesondere bei der Verwendung eines UV-Lasers mit Wellenlängenumwandlung, dessen Wellenlänge durch ein nicht lineares optisches Element umgewandelt wird, und dergleichen, wird die Oberfläche der untersten leitfähigen Schicht leicht beschädigt, da es schwierig ist, die Pulsenergie bei der Verarbeitung zu verändern und die Variation der Dicke der Harzschichten im Vergleich zur Dicke der Harzschicht von 65 μm eine Größe von 20 μm aufweist. Da die Lichtenergie, die den Boden der Durchgangsbohrung erreicht, überdies gesteigert wird, wenn der Energieabsorptionskoeffizient der Harzschicht gering ist, wird die gespeicherte Lichtenergie unmittelbar über der leitfähigen Schicht gesteigert. Da das Harz auf dem Boden einer Durchgangsbohrung durch die gespeicherte Energie abgebaut und verdampft wird, wird daher die Harzschicht auf der Bodenkante durch die Dampfenergie abgeschält. Diese Schäden können durch Verringern der Lichtpulsenergie vermieden werden, doch die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird verringert, da die Anzahl der abgegebenen Pulse gesteigert werden muß.
Bei der Verarbeitung eines Glas enthaltenden Substrats mit einem UV-Laser wird nicht nur die Oberfläche der leitfähigen Schicht durch die überschüssige Energie geglättet, sondern es wird auch die Seitenwand der Durchgangsbohrung in eine Faßform gebracht, und die Glasfasern stehen vor.
Folgendes sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache der überschüssigen Energie. Die Energieabsorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 355 nm im UV-Lichtbereich sind wie folgt: Epoxid: 30–80%, Kupfer: über 70–75%, Glas: ca. 20%. Die Wärmeleitungskoeffizienten sind wie folgt: Epoxid:0,8–0,85 Wm^–1K^–1, Kupfer: 386 Wm^–1K^–1, Glas: 1,04–1,09 Wm^–1K^–1. Diese Daten zeigen die sehr großen Unterschiede zwischen den Materialien. Da ca. 80% der aufgebrachten Laserenergie in der Durchgangsbohrung gespeichert werden, indem sie reflektiert oder gestreut werden, wird daher insbesondere bei Pulsperioden von weniger als 3,3 ms (bei Pulswiederholungsraten von mehr als 3 kHz) die Harzseitenwand der Durchgangsbohrung wie ein Faß aufgewölbt, und die Glasfasern ragen vor, wodurch die Zuverlässigkeit des Prozesses verschlechtert wird.
Da überdies die Laserverarbeitungsenergie beim Bohren in der leitfähigen Schicht selbst bei einem RCC-Substrat, dessen Harzschicht keine Glasfasern enthält, höher als 3 J/cm² ist, erschweren die Unterschiede zwischen den Materialeigenschaften bei UV-Licht die Steuerung der Wärmebedingungen, und die Bodenfläche der leitfähigen Schicht wird beschädigt. Daher ist es schwierig, eine praxistaugliche Qualität der Bohrungen zu erzielen.
Da die räumliche Energieverteilung des UV-Lasersstrahls, wie in 18a gezeigt, die Verteilung A' oder C' ist, wird zudem eine Rauhigkeit auf dem Boden erzeugt, und die zur Entfernung der Restschicht erforderliche Zeit wird länger oder die Bodenfläche der leitfähigen Schicht wird teilweise beschädigt.
Ein Verfahren zum Verhindern der Beschädigung der Bodenfläche der leitfähigen Schicht ist beispielsweise in ”Laser Ablation to sono-ouyoh”, Corona Publishing Co., Ltd., 1999, S. 146, 11.6–13 offenbart, die ein selektives Ätzverfahren für die Harzschicht durch Einstellen der Energiedichte des Laserlichts für die Bearbeitung auf einen höheren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht und einen niedrigeren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der leitfähigen Schicht aufzeigt.
Hierbei ist der Schwellenwert der Zerfallsenergie die Energiedichte des aufgebrachten Laserlichts, die zum Einleiten eines Ablationsprozesses erforderlich ist, der ein Zerfalls-, Schmelz- oder Verdampfungsprozeß durch Laserlicht ist. Die Energiedichte des aufgebrachten Laserlichts ist ein Produkt der aufgebrachten Leistungsdichte und der (als Fluenz bezeichneten) Pulsbreite.
Andererseits wurde in dem japanischen Patent Nr. 2983481 ein Reinigungsverfahren zum Entfernen der Restmaterialien bzw. des Rückstands aus den Böden und der Umgebung der Bohrungen in einem weiten Bereich durch weitgehendes Homogenisieren eines Excimer-Laserstrahls mit einer zeilenförmigen oder quadratischen Verteilung durch eine Strahlenhomogenisiervorrichtung offenbart. Wird dieses Verfahren jedoch auf ein Direktharzsubstrat angewendet, dessen Oberflächenschicht eine Harzschicht ist, wird die Oberfläche der Harzschicht beschädigt.
Die JP 08323488A beschreibt ein Bohrverfahren für Leiterplatten mittels eines Laserstrahls. Das bohren wird mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführt. Eine verbleibende Kunststoffschicht kann mit einem Excimer-Laser entfernt werden.
Die EP 0544398A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Kompositstrukturen. Unterschiedliche Materialien werden mit unterschiedlichen Laserstrahlen bearbeitet.
Die US6037103 beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines Lochs in einer Leiterplatte. Unterschiedliche Laser wie Co2-Laser, YAG-Laser oder KrF-Excimer-Laser können verwendet werden.
Die US 4789770 beschreibt ein Laserbohrsystem mit Tiefensteuerung, das CO2-Laser verwendet. Das Bohren mit kurzen Wellenlängen wird bevorzugt.
Die JP 11254171 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung für Leiterplatten. Die Strahlintensitätsverteilung wird in ein „top hat”-Muster umgewandelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zum Bohren von Bohrungen und zum Entfernen der Restschichten durch Verändern der Energiedichten von Laser und der Wellenlängen geeignetes System zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst.
Es werden mindestens zwei Laserpfade erzeugt, die räumlichen Energieverteilungen werden durch die Homogenisiereinheiten in den Pfaden haubenförmig eingestellt, und die Durchmesser und die Energiedichten werden unabhängig eingestellt. Wenn die Pfade beispielsweise durch eine akusto-optische Ablenkeinrichtung von einem Laserkopf umgeschaltet werden, ist dies zur Einsparung von Raum gut. Sind überdies die Pfade an einer gemeinsamen Achse in der Nähe der Oberfläche eines Substrats ausgerichtet, wird die Verarbeitungszeit verkürzt, da die Tabelle für das Substrat zum Zeitpunkts des Umschaltens des Pfads nicht notwendigerweise bewegt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
2a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat zeigt;
2b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß 2a;
3a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat zeigt;
3b ist ein Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß 3(a);
4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
5a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige Bearbeitung bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt;
5b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO₂-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bearbeitung mit wiederholten Pulsen bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt;
5c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und einen Prozeß zur Entfernung einer Restschicht in einem Glas enthaltenden Substrat zeigt;
6a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 5a;
6b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂-Laserpulse für den Prozeß gemäß 5b;
6c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 5c;
7a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige Bearbeitung bei einem RCC-Substrat zeigt;
7b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO₂-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bearbeitung durch wiederholte Pulse bei einem RCC-Substrat zeigt;
7c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem RCC-Substrat zeigt;
8a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 7a;
8b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂-Laserpulse für den Prozeß gemäß 7b;
8c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 7c;
9a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO₂-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Glas enthaltenden Direktharzsubstrats zeigt;
9b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂-Laserpulse für den Prozeß gemäß 9a;
9c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Glas enthaltenden Direktharzsubstrat zeigt;
9d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 9c;
10a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO₂-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats zeigt;
10b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂-Laserpulse für den Prozeß gemäß 10a;
10c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einen Direktharzsubstrat zeigt;
10d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 10c;
11a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats zeigt;
11b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 11a;
11c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Direktharzsubstrat zeigt;
11d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 11c;
12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem RCC-Substrat zeigt;
13b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 13a;
14a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat zeigt;
14b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 14a;
15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
17 ist ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum Bohren mit Laserlicht;
18a ist ein schematisches Diagramm, das die Wirkung des Kollimators 3 und der Öffnung 4 zeigt; und
18b ist ein schematisches Diagramm, das eine räumliche Energieverteilung bei der Verwendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 entlang des optischen Pfads zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Ausführungsform 1 der Vorrichtung)
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems. Ein polarisierender, Q-geschalteter YVO₄-Laserkopf, dessen Wellenlänge von einem nicht linearen optischen Element LBO (LiB₃O₅) in die dritten Harmonien (355 nm) umgewandelt wurde und dessen Wiederholungsfrequenzbereich 10–100 kHz betrug, wurde als UV-Laserkopf 1 verwendet. Der Laserkopf ist so plaziert, daß der Vektor des elektrischen Felds des Laserstrahls 2 parallel zu einem Zeichnungsblatt eingestellt ist (”P-Polarisierung”). Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung 6 ist entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 angeordnet. Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung weist im allgemeinen ein mit einem piezoelektrischen Element verbundenes akusto-optisches Element auf und wird verwendet, um einen auftreffenden Lichtstrahl mit den durch Anlegen einer RF-Spannung an das piezoelektrische Element erzeugten Ultraschallwellenfronten durch eine Bragg-Diffraktion abzulenken. Die Richtung des Laserstrahls 2 wird durch die akusto-optische Ablenkvorrichtung 6 aus der geraden Richtung 2 _k in die abgelenkte Richtung 2 _i verändert. Der abgelenkte Laserstrahl 2 _i wird durch eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 _i homogenisiert, so daß es eine haubenförmige räumliche Energieverteilung aufweist, durch einen Kollimator 3 _i gebündelt und vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung 4 _i auf einen geeigneten Durchmesser für eine Bearbeitung gebracht. Dann wird der Laserstrahl 2 _i durch einen Eckspiegel 5 _i reflektiert, und die Polarisation wird durch eine Halbwellenplatte 11 so gedreht, daß der Vektor des elektrischen Felds des Laserstrahls 2 _i senkrecht zu dem Zeichnungsblatt eingestellt wird (”S-Polarisierung”). Als nächstes wird der Laserstrahl 2 _i durch eine polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10 reflektiert, die ein invers betätigter, polarisierender Strahlenteiler 10 ist und P-polarisiertes Licht überträgt und S-polarisiertes Licht reflektiert. Dann wird der Laserstrahl 2 _i durch einen Eckspiegel 5 _k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z, der zwei Galvanometerspiegel und eine f-θ-Linse enthält, wie in 17 gezeigt. Schließlich wird der Laserstrahl 2 _i durch die Galvanometerspiegel positioniert und durch die f-θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrats auf.
Andererseits wird der übertragene Laserstrahl 2 _k durch eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 _k so homogenisiert, daß er eine haubenförmige räumliche Energieverteilung aufweist, durch einen Kollimator 3 _k gebündelt und vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung 4 _k auf einen für eine Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht. Dann wird der Laserstrahl 2 _k durch die polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10 übertragen, da der Laserstrahl 2 _k P-polarisiert ist (P_k), und der Laserstrahl 2 _k wird durch einen Eckspiegel 5 _k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z. Schließlich wird der Laserstrahl 2 _k durch die Galvanometerspiegel polarisiert und durch die f-θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrats auf. Bei diesem Beispiel bewegen sich die Laserstrahlen (2 _i und 2 _k) nach dem Passieren der polarisierenden Strahlenkombiniervorrichtung 10 längs einem gemeinsamen optischen Pfad.
Für eine Bearbeitung geeignete, räumliche Energieverteilungen A_i und B_k können durch Einstellen von Vergrößerungen M_i und M_k der Kollimatoren 3 _i und 3 _k erhalten werden, wobei die Durchmesser der Öffnungen konstant gehalten werden (siehe 18b). Überdies kann durch Entfernen der Öffnung 4 _i aus dem optischen Pfand der vollständige Ausgang mit der Verteilung C_i erhalten werden.
Dies ist eine sehr stark vereinfachte Ausführung einer Vorrichtung mit zwei optischen. Pfaden für die Bearbeitung, deren jeweilige Energieverteilungseinstellungen im wesentlichen unabhängig sind. Daher wird die Vorrichtung kompakt. Zudem wird bei einem herkömmlichen System durch eine Ablenkvorrichtung, wie eine akusto-optische, übertragenes Licht in einen Strahlen-Dumper geleitet und als Wärme abgeleitet, bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform jedoch effizient genutzt. Da sich die Laserstrahlen auf den beiden Pfaden nach Erreichen des Eckspiegels 5 _k den gleichen optischen Pfad entlang bewegen, ist überdies bei der aufeinanderfolgenden Bearbeitung mit Laserstrahlen keine Gestellbewegung oder dergleichen erforderlich. Dadurch kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden.
Wird bei dieser Ausführungsform eine akusto-optische Ablenkeinrichtung, durch die die Polarisation des auftreffenden Lichts um 90° gedreht wird, als akusto-optische Ablenkeinrichtung 6 verwendet, wird die Halbwellenplatte 11 überflüssig, da keine Drehung der Polarisation erforderlich ist.
(Ausführungsform 1 der Bearbeitung)
2a zeigt Energieverteilungen von W-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat mit bei der Ausführungsform 1 der Vorrichtung, und 2b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulsen für den Prozeß gemäß 2a.
Hierbei sind die Bezeichnungen für die physikalischen Quantitäten der Laserstrahlen 2 _i und 2 _k wie folgt definiert:

E_Pa:: Pulsenergie (= E_P0a·(d_Aa/d_0a/M_a)²)
E_P0a:: Pulsenergieausgang des Laserkopfs
d_Aa:: Durchmesser der Öffnung
d_0a:: Durchmesser des Laserstrahls 2a vor dem Eintritt in 30a
M_a:: Vergrößerung des Kollimators
T_Pa:: Pulsbreite
W_Pa:: Spitzenausgangsleistung (= E_Pa/T_Pa)
E_dSa:: Energiedichte (= E_Pa/{π(d_Sa/2)²})
d_Sa:: Durchmesser des Bearbeitungspunkts (= d_Aa·{(L_a/f_a) – 1})
L_a:: Abstand zwischen der f-θ-Linse und dem Werkstück (Substrat)
f_a:: Brennweite der f-θ-Linse
T_PPa:: Periode eines Pulses
T_GC:: Periode der Positionierung der Galvanometerspiegel
E_sa:: Schwellenwert der Zerfallsenergie
N_a:: Anzahl der Pulsstöße
V_a:: Menge des entfernten Materials

In 2a bezeichnet das Bezugszeichen 21 eine äußere, leitfähige (metallische) Schicht aus Kupfer (mit einer Dicke von 9 μm), das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 μm), das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine innere leitende (metallische) Schicht aus Kupfer, und das Bezugszeichen t bezeichnet die Restdicke der Isolierschicht nach der Bearbeitung mit einem ersten Laserstrahl 2 _i. Zunächst wird der erste Laserstrahl 2 _i durch die Ablenkung durch Anlegen einer RF-Spannung durch die akusto-optische Ablenkvorrichtung 6 erhalten. In diesem Schritt sollte der Schwellenwert E_Si bei der Verwendung des ersten Laserstrahls 2 _i 0,8–1,0 J/cm² betragen, was dem Schwellenwert der Zerfallsenergie der äußeren leitfähigen Schicht 21 (0,8–1,0 J/cm²) entspricht, der höher als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht 22 (0,3–0,5 J/cm²) ist.
Da die zur effizienten Entfernung der leitenden Schichterforderliche Energiedichte des Laserstrahls 2 _i gemäß unserem Experiment 3,0 J/cm² oder mehr betrug, war ein stark kondensiertes Licht erforderlich. Daher wurde für den Erhalt eines starken und breiten Strahls die Energieverteilung C_i für den Laserstrahl 2 _i verwendet. Wenn die Pulsbreite T_Pi 25 ns, die Pulsperiode T_PPi 0,03 ms (eine Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang W_Pi 2,4–4,0 kW, die Pulsenergie E_Pi 0,06–0,10 mJ und der Durchmesser d_Si des Bearbeitungspunkts 40 μm betrugen, erhielten wir eine Pulsenergiedichte E_dSi von 4,8–8,0 J/cm². Wir konnten mit dem Laserstrahl fast die gesamte Dichte der leitenden Schicht 21 und der Harzschicht entfernen. Zudem war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser von 100 μm in der leitenden Schicht mit einer Dicke von 9 μm eine Bearbeitung mit mehreren Pulsen bei einer kreisförmigen Anordnung des Strahlenpunkts (einer ”kreisförmigen Bearbeitung” oder einem ”Hohlbohren”, wie in 2a durch einen Pfeil dargestellt) erforderlich, da der Bearbeitungsstrahlenpunkt kleiner als das Fenster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl N_i an Pulsstößen insgesamt 100. Hierbei betrug die bevorzugte Restdicke (t) der Harzschicht 5–10 μm. Da die räumliche Energieverteilung des ersten Laserstahls 2 _i haubenförmig war, war die Restdicke im wesentlichen gleichmäßig.
Die Restdicke (t) der Harzschicht 22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl 2 _k entfernt, der durch Abschalten der RF-Spannung der akusto-optischen Ablenkvorrichtung 6 erhalten wurde. Die zum Entfernen der Restdicke der Harzschicht auf dem Boden der Bohrung erforderliche Energiedichte des UV-Laserstrahls 2 _k war größer als 0,3–0,5 J/cm² (genauer betrug sie 0,5 J/cm² oder mehr). Zur gleichmäßigen Entfernung der Restharzschicht und zur Entfernung einer auf der Oberfläche der inneren, leitfähigen Schicht ausgebildeten, oxidierten Schicht zur Verbesserung der Abschälbeständigkeit der Harzschicht und im wesentlichen zur Vermeidung einer Beschädigung der inneren leitfähigen Schicht wurde eine haubenförmige Verteilung B_k verwendet. Überdies wird die innere, leitfähige Schicht 24 nicht beschädigt, wenn die Pulsenergie E_Pk des zweiten Laserstrahls 2 _k höher als der Schwellenwert E_Sk der Zerfallsenergie ist, der dem Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht entspricht und geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der inneren leitenden Schicht 24 ist. Daher wurden eine Pulsbreite T_Pk von 25 ns, eine Pulsperiode T_PPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz), einem Spitzenausgang W_Pk von 2,3–3,6 kW und einer Pulsenergie E_Pk von 0,06–0,09 mJ sowie ein Bearbeitungspunktdurchmesser d_Sk von 120 μm verwendet, was größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm ist. Dadurch erhielten wir eine Pulsenergiedichte E_dSk von 0,5–0,8 J/cm². Unter dieser Bedingung konnte die Restdicke der Harzschicht entfernt werden, da die Energiedichte höher als der praktisch erforderliche Schwellenwert der Zerfallsenergie von 0,5–0,8 J/cm² für die Harzschicht aus Epoxid war, und die innere, leitende Schicht konnte nicht beschädigt werden, da die Energiedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie von 0,8–1,0 J/cm² für Kupfer war, dem Material der inneren, leitenden Schicht. Die Entfernungsgeschwindigkeit für die Harzschicht betrug bei dieser Ausführungsform ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl N_k der Pulse betrug 30.
2b zeigt eine Zeitübersicht dieses Verfahrens. Es ist ersichtlich, daß der abgeschwächte zweite Laserstrahl 2 _k während der Bearbeitung mit dem ersten Laserstrahl 2 _i kombiniert wurde, da die Effizienz der Diffraktion der akusto-optischen Vorrichtung nicht 100% betrug. Da jedoch die Größe des abgeschwächten, zweiten Laserstrahls geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie des Harzes ist, trat keine Verschlechterung bei der Bearbeitung mit dem ersten Laserstrahl 2 _i auf.
Gemäß dieser Ausführungsform traten keine Ablösungen zwischen den leitenden Schichten und den Harzschichten entlang der Kanten der Böden der Durchgangsbohrungen auf. Zudem verblieben in einigen Fällen geringfügig Zerfallsrückstände auf dem Boden einer Bohrung auf einer leitenden Schicht. Dadurch wurde jedoch kein Problem verursacht, da die Rückstände zusammen mit oxidierten Schichten oder dergleichen auf der Oberfläche der inneren leitfähigen Schicht durch chemisches Lichtätzen entfernt werden können, das der erste Schritt des nach der Laserstrahlbearbeitung auszuführenden Galvanisierungsprozesses ist.
(Ausführungsform 2 der Bearbeitung)
3a zeigt Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines Ausdehnungsprozesses der Bohrung in einem Direktharzsubstrat, dessen Eingangsmaterial Epoxidharz ist, durch die Ausführungsform 1 der Vorrichtung, und 3b ist eine Zeitübersicht von Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 3a. In 3a bezeichnen das Bezugszeichen 22 eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 μm), das Bezugszeichen 24 eine innere, leitende (metallische) Schicht aus Kupfer und das Bezugszeichen t eine Restdicke der Isolierschicht nach der Bearbeitung mit einem ersten Laserstrahl 2 _i. Hierbei ist der Schwellenwert E_Si bei der Verwendung des ersten Laserstrahls 2 _i der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht 22 aus Epoxid, d. h. 0,3–0,5 J/cm².
Bei dieser Ausführungsform waren die Bedingungen mit der Ausnahme der folgenden Unterschiede fast identisch wie bei der Ausführungsform 1 der Bearbeitung.
Da die zur Entfernung der Harzschicht erforderliche Energiedichte des Laserstrahls 2 _i geringer als die zur Entfernung der leitfähigen Schicht erforderliche war, war die Energieverteilung A_i. Wenn die Pulsbreite T_Pi 25 ns, die Pulsperiode T_PPi 0,03 ms (eine Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang W_Pi 1,0–1,6 kW, die Pulsenergie E_Pi 0,025–0,040 mJ und der Bearbeitungspunktdurchmesser d_Si 50 μm betrugen, erhielten wir eine Pulsenergiedichte E_dSi von 1,3–2,0 J/cm² zur Entfernung annähernd der gesamten Dicke der Harzschicht mit dem Laserstrahl. Die erforderliche Anzahl N_i betrug insgesamt 100. Die bevorzugte Restdicke (t) der Harzschicht betrug 5–10 μm. Da die räumliche Energieverteilung des ersten Laserstrahls 2 _i haubenförmig war, war die Restdicke im wesentlichen gleichmäßig.
Die Restdicke (t) der Harzschicht 22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl 2 _k mit einer haubenförmigen Verteilung B_k ertfernt. Es wurden eine Pulsbreite T_Pk von 25 ns, eine Pulsperiode T_PPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz) und ein Spitzenausgang W_Pk von 0,4–0,6 kW verwendet. Bei dieser Ausführungsform wurde der Durchmesser d_Sk des Bearbeitungspunkts von 120 μm, was größer als der Durchmesser des Fensters ist, anders als bei der Ausführungsform 1 der Bearbeitung, auf 50 μm eingestellt, was dem Bohrungsdurchmesser des ersten Laserstrahls entspricht, um eine Beschädigung des weiteren Teils zu verhindern. Daher wurde die Pulsenergie auf 0,010–0,016 mJ verringert, und die Pulsenergiedichte E_dSk wurde 0,5–0,8 J/cm². Die Entfernungsgeschwindigkeit der Harzschicht betrug bei dieser Ausführungsform ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl N_k der Pulse betrug 15.
(Ausführungsform 2 der Vorrichtung)
4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als Ausführungsform 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Harzschicht nach dem Bohren eines Fensters mit einem UV-Laser mit einem CO₂-Laser entfernt werden kann. Ein von einem UV-Laserkopf 1 _i emittierter UV-Laserstrahl 2 _i passiert eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 _i, dann wird der Durchmesser des Strahls 2 _i durch einen Kollimator 3 _i vergrößert oder verkleinert und durch eine Öffnung 4 _i auf einen für eine Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht, und der Laserstrahl 2 _i wird von einem Eckspiegel 5 _i reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z_i. Dann wird der Laserstrahl 2 _i positioniert, durch den Bearbeitungskopf Z_i kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche des durch den Bearbeitungskopf Z_i zu bearbeitenden Substrats auf.
Ein von einem CO₂-Laserkopf 1 _j emittierter CO₂-Laserstrahl 2 _j gelangt durch eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 _j, dann wird der Durchmesser des Strahls 2 _j durch einen Kollimator 3 _j vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung 4 _j auf einen geeigneten Durchmesser für die Bearbeitung gebracht, und der Laserstrahl 2 _j wird von einem Eckspiegel 5 _j reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z_j. Dann wird der Laserstrahl 2 _j positioniert und kondensiert und trifft senkrecht auf der Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf Z_j zu bearbeitenden Substrats auf.
Ein von einem UV-Laserkopf 1 _k emittierter W-Laserstrahl 2 _k passiert eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 _k dann wird der Durchmesser des Strahls 2 _k durch einen Kollimator 3 _k vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung 4 _k auf einen für die Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht, und der Laserstrahl 2 _k wird von einem Eckspiegel 5 _k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z_k. Dann wird der Laserstrahl 2 _k positioniert, kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf Z_k zu bearbeitenden Substrats auf.
Jede räumliche Energieverteilung der Laserstrahlen 2 _i, 2 _j und 2 _k kann durch eine jeweilige Einstellung der Strahlenhomogenisiereinheiten 30 _i, 30 _j und 30 _k von einer Gauss'schen Verteilung zu einer haubenförmigen Verteilung homogenisiert werden.
Zudem können durch Verändern der Öffnungsdurchmesser d_Ai, d_Aj und d_Ak die Durchmesser d_Si, d_Sj und d_Sk der Bearbeitungsstrahlen auf der Werkstückoberfläche entsprechend verändert werden, wobei ihre Energiedichten konstant gehalten werden.
Überdies können durch Verändern der jeweiligen Vergrößerung M_i, M_j und M_k der Kollimatoren 3 _i, 3 _j und 3 _k verschiedene räumliche Energieverteilungen A_i, B_i, A_j, B_j, A_k und B_k erhalten werden, wobei die Durchmesser d_Ai, d_Aj und d_Ak der Öffnungen konstant gehalten werden. Zudem können durch Entfernen der Öffnungen aus den optischen Pfaden jeweils die räumlichen Energieverteilungen C_i, C_j und C_k der vollständigen Ausgänge erhalten werden.
Darüber hinaus kann jeder der Bearbeitungsköpfe Z_i, Z_j und Z_k die Bearbeitung nacheinander ausführen, und jeder bearbeitbare Bereich reicht zur Bearbeitung des gesamten Bereichs einer gedruckten Verdrahtungsplatte aus. Dann werden die Bearbeitungsköpfe linear an der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung angeordnet, die Abstände L_ij, L_jk zwischen den Bearbeitungsachsen der Köpfe werden jeweils minimiert, und jeder Kopf kann die gleiche gedruckte Verdrahtungsplatte auf dem Tisch bearbeiten.
(Ausführungsform 3 der Bearbeitung)
Die 5a, 5b und 5c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von UV- und CO₂-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem Glas enthaltenden Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die 6a, 6b und 6c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und UV- und CO₂-Laserpulsen für den Prozeß gemäß den 5a, 5b und 5c.
Eine äußere leitfähige Schicht 21 (mit einer Dicke von 9 μm) wurde durch einen Laserstrahl 2i mit einer Pulsenergie E_Pi entfernt, die höher als der Schwellenwert E_Si der Zerfallsenergie war, wie in 5a gezeigt. Hierbei wurden ein Laserstrahl 2 _i mit einer Verteilung C_i, einer Pulsbreite T_Pi von 30 ns, einer Pulsperiode T_PPi von 0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz) einem Spitzenausgang W_Pi von 4 kW, einer Pulsenergie E_Pi von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser d_Si von 60 μm und einer Pulsenergiedichte E_dSi von 4 J/cm² verwendet. Unter diesen Bedingungen erhielten wir die praktisch erforderliche Energiedichte von nicht weniger als 3 J/cm², die empirisch erhalten wurde, zur Entfernung der leitfähigen Schicht. Ferner war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser von 100 μm eine kreisförmige Verarbeitung erforderlich, da der Bearbeitungsstrahlenpunkt kleiner als das Fenster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl N_i der Pulsstöße insgesamt 80.
Wie in 5b gezeigt, wurde annähernd die gesamte Dicke einer Glasfasern 23 enthaltenden Harzschicht 22 (mit einer Dicke von 50 μm) durch einen CO₂-Laserstrahl 2 _j mit der Verteilung C_j, einer Pulsbreite T_Pj von 10 μm, einem Spitzenausgang W_Pj von 800 W, einer Pulsenergie E_Pj von 8 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser d_Sj von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, und einer Pulsenergiedichte E_dSj von 45 J/cm² entfernt. Die Anzahl der Pulse betrug 3. Unter diesen Bedingungen wurde fast die gesamte Dicke der Harzschicht entfernt, doch ein Rückstand der Harzschicht mit einer Dicke (t_c) von 0,1–3 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung.
Wie in 5c gezeigt, wurde der Rückstand mit einem Laserstrahl 2 _k mit der Verteilung B_k, einer Pulsbreite T_Pk von 30 ns, einer Pulsperiode T_PPk von 0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz), einem Spitzenausgang W_Pk von 4 kW, einer Pulsenergie E_Pk von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser d_Sk von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, und einer Pulsenergiedichte E_dSk von 0,7 J/cm² entfernt. Die Entfernungsgeschwindigkeit der Harzschicht betrug ca. 0,5 μm/Puls, und die erforderliche Anzahl an Pulsen betrug 10–15.
Unter Verwendung der Ausführungsform 3 der Bearbeitung konnten leitfähige Schichten und Glasfasern enthaltende Harzschichten sehr effizient bearbeitet werden. Zudem ist der Gesamtenergiebetrag des am Bohrungsboden ankommenden UV-Laserstrahls ca. 0,55 mJ (≈ 0,12 mJ·10 Stöße·(⌀100/⌀150)²), d. h. weniger als ca. 10% der zur Bearbeitung der gesamten Harzschicht nur mit dem zweiten Laserstrahl erforderlichen Gesamtenergie von 6 mJ (≈ 0,12·50 Stöße). Daher wird der Bohrungsboden nicht beschädigt, und es tritt selbst dann keine Ablösung zwischen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht an der Bodenkante auf, wenn das Material der Harzschicht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für den UV-Laser aufweist. Zudem veränderte sich die Restdicke (die Dicke des Rückstands) nach der Bearbeitung mit dem CO₂-Laserstrahl 2 _j selbst dann nicht, wenn sich die Dicke der Harzschicht veränderte. Daher wurde die Zuverlässigkeit der Bearbeitung bei dieser Ausführungsform der Bearbeitung verbessert.
(Ausführungsform 4 der Bearbeitung)
Die 7a, 7b und 7c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von UV- und CO₂-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem RCC-Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die 8a, 8b und 8c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und von UV- und CO₂-Laserpulsen für den Prozeß gemäß den 7a, 7b und 7c.
Eine äußere, leitfähige Schicht 21 wurde, wie in 7a gezeigt, genau so bearbeitet, wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß 5a. Wie in 7b gezeigt, wurde fast die gesamte Dicke einer Harzschicht 22 mit dem CO₂-Laserstrahl 2 _j mit der Verteilung B_j, einer Pulsbreite T_Pj von 10 ms, einem Spitzenausgang W_Pj von 500 W und einer Pulsenergie E_Pj von 5 mJ entfernt, die geringer als der Wert bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung ist, da der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht geringer als bei der Glasfasern enthaltenden Harzschicht war.
Wir verwendeten einen Bearbeitungspunktdurchmesser d_Sj von 150 μm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 μm war, wodurch eine Pulsenergiedichte E_dSj von 30 J/cm² erhalten wurde, die höher als die 10 J/cm² war, die empirisch als Untergrenze der in der Praxis zur Entfernung der Harzschicht erforderlichen Energiedichte ermittelt wurden.
Unter diesen Bedingungen wurde annähernd die gesamte Dicke der Harzschicht durch 1–2 Stöße des Laserstrahls 2 _k entfernt, obwohl ein Rückstand mit einer Dicke (t_c) von 0,1–3 μm auf dem Boden der Bohrung verblieb. Der Rückstand wurde, wie in 7c gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß 5c entfernt.
(Ausführungsform 5 der Bearbeitung)
Die 9a und 9c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von CO₂- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Glas enthaltenden Direktharzsubstrats (”FR-4-Substrats”) durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die 9b und 9d sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂- und UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den 9a und 9c.
Bei der Bearbeitung des FR-4-Substrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde eine Glasfasern 23 enthaltende, äußere Harzschicht 22, wie in 9a gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß 5b bearbeitet, mit der Ausnahme, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung durch die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls 2 _j und den Schwellenwert E_Sj der Zerfallsenergie der Harzschicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke des Rückstands) der Harzschicht 22 am Boden der Bohrung wurde, wie in 9c gezeigt, durch den Laserstrahl 2 _k auf die gleiche Weise bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung wie gemäß 5c entfernt.
(Ausführungsform 6 der Bearbeitung)
Die 10a und 10c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von CO₂- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die 10b und 10d sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO₂- und UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den 10a und 10c.
Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde die äußere Harzschicht, wie in 10a gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 4 der Bearbeitung gemäß 7b bearbeitet, mit der Ausnahme, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung durch die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls 2 _j und den Schwellenwert E_Sj der Zerfallsenergie der Harzschicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke des Rückstands) der Harzschicht 22 auf dem Boden der Bohrung wurde, wie in 10c gezeigt, durch den Laserstrahl 2 _k auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 4 der Bearbeitung gemäß 7c entfernt.
(Ausführungsform 7 der Bearbeitung)
Die 11a und 11c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen von UV-Lasern und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharzsubstrats oder FR-4-Substrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die 11b und 11d sind Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß den 11a und 11c.
Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht wurde eine äußere Harzschicht 22, wie in 11a gezeigt, statt mit einem CO₂-Laserstrahl 2 _j durch einen ersten UV-Laserstrahl mit einer Verteilung B_i bearbeitet. Die Pulsenergie E_Pi wurde unter Berücksichtigung des Materials und der Veränderung der Dicke der Harzschicht so eingestellt, daß eine Restdicke (t) von 5–10 μm verblieb. Die Restdicke auf dem Boden wurde durch den Laserstrahl 2 _k entfernt, wie in 11c gezeigt.
(Ausführungsform 3 der Vorrichtung)
12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in 4 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 _i angeordnete, polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung, das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 _k angeordnete Halbwellenplatte, und das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Eckspiegel. Der Eckspiegel 12 reflektiert den Laserstrahl 2 _k, so daß sich dieser auf dem gleichen Pfad wie der durch die polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10 übertragene Laserstrahl 2 _i bewegt. Zudem sind die Polarisationsrichtungen und die ursprünglichen optischen Pfade der von den Laserköpfen 1 _i und 1 _k emittierten UV-Laserstrahlen parallel ausgerichtet. Daher werden entlang dem gemeinsamen optischen Pfad hinter der polarisierenden Strahlenkombiniervorrichtung 10 gleichzeitig oder abwechselnd eine P-Polarisation P_i des Laserstrahls 2 _i mit der Verteilung B_i und eine S-Polarisation S_k des Laserstrahls 2 _k mit der Verteilung B_k erhalten. Dies bedeutet, daß Strahlen mit unterschiedlichen Energiedichten, Leistungsdichten und Punktdurchmessern durch den gemeinsamen Bearbeitungskopf Z_i und über den gemeinsamen Pfad auf das zu bearbeitende Teil aufgebracht werden können. Überdies können der Laserstrahl 2 _i und der Laserstrahl 2 _k, wie bei der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß 4, durch Entfernen der Halbwellenplatte 11 und des Eckspiegels 12 aus dem optischen Pfad gleichzeitig und individuell eine Bearbeitung ausführen.
Werden andererseits die Laserköpfe 1 _i und 2 _i so angeordnet, daß der elektrische Vektor des Laserstrahls 2 _i parallel zum Zeichnungsblatt ausgerichtet ist und der elektrische Vektor des Laserstrahls 2 _k senkrecht zum Zeichnungsblatt ausgerichtet ist, werden die Polarisationsrichtungen der Laserstrahlen 2 _i und 2 _k ohne die Halbwellenplatte 11 jeweils eine P-Polarisierung und eine S-Polarisierung. Daher kann die Halbwellenplatte 11 gemäß 12 in diesem Fall weggelassen werden.
(Ausführungsform 8 der Bearbeitung)
13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat bei der Ausführungsform 3 der Vorrichtung zeigt. 13b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der Laserpulse für den Prozeß gemäß 13a.
Die leitfähige Schicht und fast die gesamte Harzschicht wurden mit dem kombinierten Laserstrahl aus dem Laserstrahl 2 _i mit der Verteilung C_i und einer zum Entfernen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht ausreichenden Energiedichte und dem Laserstrahl 2 _k mit der Verteilung B_k und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen Schicht aber zu geringen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht von 10 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke sukzessive mit dem einzigen Laserstrahl 2 _k entfernt. Durch die Auswahl der Restdicke wurden die leitfähige Schicht und die Harzschicht ohne eine Beeinflussung durch eine Veränderung der Dicke der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädigung des Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die gesamte Qualität wurde verbessert. Überdies wurde die Gesamtpulsperiode von 0,012 Sekunden (25 kHz und 300 Stöße) nach der Positionierung der Galvanometerspiegel nicht aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung mit dem kombinierten Laserstrahl verändert.
(Ausführungsform 9 der Bearbeitung)
14a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen eines UV-Laserstrahls und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat (mit einer Harzdicke von 40 μm) durch die Ausführungsform 3 der Vorrichtung zeigt. 14b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-Laserpulse für den Prozeß gemäß 14a.
Fast die gesamte Harzschicht wurde durch den kombinierten Laserstrahl aus dem Laserstrahl 2 _i mit der Verteilung A_i und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden Energiedichte und dem Laserstrahl 2 _k mit der Verteilung B_k und einer zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen Schicht jedoch zu geringen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht von 10 μm verblieb auf dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke durch den einzelnen Laserstrahl 2 _k sukzessive entfernt. Durch die Auswahl der Restdicke wurde die Harzschicht ohne eine Beeinträchtigung durch eine Veränderung der Dicken der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädigung des Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die Qualität der Bohrungen wurde verbessert. Überdies betrug die gesamte Pulsperiode nach der Positionierung der Galvanometerspiegel aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung mit dem kombinierten Laserstrahl 0,001 Sekunden (40 kHz und 40 Stöße). Die Pulsperiode mit dem einzelnen Laserstrahl 2 _k betrug insgesamt 0,002 Sekunden (40 kHz und 80 Stöße).
(Ausführungsform 4 der Vorrichtung)
15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in den 4 und 12 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der Laserkopf 1 _i wird so angeordnet, daß der elektrische Vektor des Laserstrahls 2 parallel zu dem Zeichnungsblatt ausgerichtet ist, wodurch die Polarisation des Laserstrahls 2 eine P-Polarisierung wird. Die Bezugszeichen 6a und 6b bezeichnen entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 angeordnete akusto-optische Ablenkvorrichtungen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Strahlen-Dumper zum Ableiten des Streulichts nullter Ordnung (des übertragenen Lichts).
Die Energiedichten der Laserstrahlen 2 _i und 2 _k nehmen aufgrund des Energieverlusts in den akusto-optischen Ablenkvorrichtungen 6a und 6b im Vergleich zu den Laserstrahlen 2i und 2k der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß 4 um ca. 15% ab. Da jedoch die charakteristischen Eigenschaften, wie die räumliche Energieverteilung, nicht verändert werden, kann durch Einstellen des Ausgangs des Laserkopfs im wesentlichen die gleiche Bearbeitungsfähigkeit wie bei der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß 4 erzielt werden.
(Ausführungsform 10 der Bearbeitung)
Bei der Bearbeitung eines Glas enthaltenden Substrats durch die Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform wurden die folgenden Schritte verwendet. Zunächst wurde durch den Laserstrahl 2 _i mit der Verteilung C_i und einer zur Entfernung der leitfähigen Schicht ausreichenden Energiedichte die äußere, leitfähige Schicht entfernt, dann wurde durch den Laserstrahl 2 _j mit der Verteilung A_j die Harzschicht entfernt, und danach wurde durch den Laserstrahl 2 _k mit der Verteilung B_k die restliche Rückstandsschicht auf dem Boden der Bohrung entfernt, um eine blinde Durchgangsbohrung zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform betrug die längste Gesamtpulsperiode nach der Positionierung der Galvanometerspiegel bei der Entfernung der leitfähigen Schicht 0,0012 Sekunden. Die Gesamtpulsperiode zur Entfernung der Harzschicht betrug 0,003 Sekunden, und die Gesamtpulsperiode zur Entfernung der Rückstandsschicht betrug 0,0004 Sekunden. Daher wurde die Entfernung der Rückstandsschicht während der Bewegung der Galvanometerspiegel für die Entfernung der leitfähigen Schicht ausgeführt, so daß die Bearbeitungsdauer im wesentlichen im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 4 nicht gesteigert wurde. Dadurch arbeitet nur ein Laserkopf 1 _i als Laserköpfe 1 _i und 1 _k gemäß 4, wodurch die Kosten für die Vorrichtung verringert werden können.
(Ausführungsform 5 der Vorrichtung)
16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungssystems als fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Elemente, die den in den 4, 12 und 15 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Zusätzlich zur vierten Ausführungsform der Vorrichtung sind eine Halbwellenplatte 11, ein Eckspiegel 12 und eine polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10 vorgesehen, um die Laserstrahlen 2i und 2k koaxial auf den Bearbeitungsbereich zu leiten.
Durch das Entfernen der Halbwellenplatte 11 und des Eckspiegels 12 aus dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 _k werden die Laserstrahlen 2 _i und 2 _k (gestrichelte Linie) individuell verwendet, um eine Bearbeitung auszuführen, wie bei der vierten Ausführungsform der Vorrichtung.
(Ausführungsform 11 der Bearbeitung)
Die Bearbeitung eines Direktharzsubstrats (die Dicke der Harzschicht betrug 40 μm) mit der Ausführungsform 5 der Vorrichtung erfolgte auf die gleiche Weise wie mit der Ausführungsform 3 der Vorrichtung. Dadurch wurde die Qualität der Bohrungen wie durch die Ausführungsform 3 der Vorrichtung verbessert. Überdies wurde die Gesamtpulsperiode durch eine Steigerung des Ausgangs des Laserkopfs trotz der Abgabe der Laserstrahlen 2 _i und 2 _k in jeweiligen Perioden nach der Positionierung der Galvanometerspiegel auf 0,001 Sekunden (40 kHz und 40 Stößen) gehalten.
Die Funktionsweise der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung entspricht der der dritten Ausführungsform der Vorrichtung, wenn die Halbwellenplatte 11 und der Eckspiegel 12 aus dem optischen Pfad entfernt werden. Dadurch können die Funktionen der dritten Ausführungsform der Vorrichtung mit einem einzigen Laserkopf erzielt werden. Dadurch können die Kosten für die Vorrichtung verringert werden.

Claims

Vorrichtung zur Laserbearbeitung einer gedruckten Verdrahtungsplatte, mit • einem Laserkopf (1), • einer optischen Ablenkvorrichtung (6) zum Umschalten von optischen Pfaden des von dem Laserkopf (1) emittierten Laserstrahls (2), • entlang den optischen Pfaden angeordneten optischen Elementen (3i, 4i, 5i, 30i, 3k, 4k, 5k, 30k) zum individuellen Einstellen der Energiedichten, der räumlichen Energieverteilungen und der Strahlendurchmesser der Laserstrahlen (2i, 2k), gekennzeichnet durch eine Strahlenkombiniervorrichtung (10), um die mittels der optischen Elemente eingestellten Laserstrahlen (2i, 2k) auf einem gemeinsamen optischen Pfad zur Weiterbewegung zu leiten.
Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, das umfaßt: • Erzeugung eines ersten UV-Laserstrahls (2i) durch Ablenken eines von dem UV-Laserkopf (1) emittierten Laserstrahls (2) mit der optischen Ablenkvorrichtung (6), • Einstellung des ersten UV-Laserstrahls (2i) auf eine hohe Energiedichte durch Kondensation durch die optischen Elemente (3i, 4i, 5i, 30i), • Erzeugung eines zweiten UV-Laserstrahls (2k) durch Übertragen eines von dem UV-Laserkopf (1) emittierten Laserstrahls (2) durch die optische Ablenkvorrichtung (6), • Einstellung des zweiten UV-Laserstrahls auf eine niedrige Energiedichte durch Ausdehnung durch die optischen Elemente (3k, 4k, 30k), • Vereinigung des eingestellten ersten W-Laserstrahls (2i) und des eingestellten zweiten UV-Laserstrahls (2k) durch die Strahlenkombiniervorrichtung (10), und • Leitung der eingestellten Laserstrahlen (2i, 2k) auf dem gemeinsamen optischen Pfad.