DE102004006414B4

DE102004006414B4 - Verfahren zum partiellen Lösen einer leitfähigen Schicht

Info

Publication number: DE102004006414B4
Application number: DE102004006414A
Authority: DE
Inventors: Bostjan Dr. Podobnik; Drago Kovacic; Miran Poplasen
Original assignee: LPKF Laser and Elektronika doo
Current assignee: LPKF Laser and Elektronika doo
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: ES2342720T3; DE502005009227D1; EP1716730A1; ATE461606T1; WO2005076678A1; DE102004006414A1; SI1716730T1; EP1716730B1

Abstract

Verfahren zum partiellen Lösen einer definierten Fläche einer leitfähigen Schicht, insbesondere Kupferschicht, mittels eines Laserstrahls, bei dem die Laserstrahl-Parameter derart eingestellt werden, dass lediglich die leitfähige Schicht abgetragen wird, ohne dass dabei zugleich auch ein darunterliegendes, die leitfähige Schicht tragendes Substrat beeinträchtigt wird, wobei die Fläche durch Abtragen der leitfähigen Schicht in ihrem äußeren Randbereich gegenüber den angrenzenden Bereichen unter Bildung eines Isolierkanals erfolgt und die abzutragende Fläche vom Substrat gelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abzutragende Fläche vor dem Ablösen selektiv mittels Laserstrahlung zur Verringerung der Adhäsion dieser Flächen erwärmt und die Fläche dann als Ganzes entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum partiellen Lösen einer definierten Fläche einer leitfähigen Schicht, insbesondere Kupferschicht, mittels eines Laserstrahls, bei dem die Laserstrahl-Parameter derart eingestellt werden, dass lediglich die leitfähige Schicht abgetragen wird, ohne dass dabei zugleich auch ein darunterliegendes, die leitfähige Schicht tragendes Substrat beeinträchtigt wird, wobei die Fläche durch Abtragen der leitfähigen Schicht in ihrem äußeren Randbereich gegenüber den angrenzenden Bereichen unter Bildung eines Isolierkanals erfolgt und die abzutragende Fläche vom Substrat gelöst wird.
Ein solches Verfahren zum partiellen Lösen bzw. Abtragen einer leitfähigen Schicht von einem beispielsweise flexiblen oder polymeren Schaltungsträger, insbesondere auch dreidimensionalen Schaltungsträger oder von einer konventionellen Leiterplatte wird in der Praxis insbesondere dann eingesetzt, wenn ein chemisches Abtragen der gewünschten Fläche nicht möglich oder erwünscht ist, beispielsweise im Bereich der Prototypenfertigung.
Das Abtragen einer leitfähigen Schicht mittels Laserstrahlung ist dabei bereits grundsätzlich bekannt. Sofern die Materialeigenschaften des Substrates gegenüber der leitfähigen Schicht insbesondere hinsichtlich der jeweils erforderlichen Laserablationsgrenzwerte oder auch der Schmelzpunkte höhere Grenzwerte aufweisen, können die Laserparameter derart eingestellt werden. Auf diese Weise wird dann lediglich die leitfähige Schicht durch den Laserstrahl entfernt, während das Substrat nicht beschädigt oder beeinträchtigt wird.
Als problematisch erweisen sich die bekannten Verfahren, wenn das Substrat eine geringere Ablationsschwelle als die leitfähige Schicht aufweist, weil dadurch insbesondere bei einem zu erzielenden flächigen Abtrag der leitfähigen Schicht die Gefahr einer unzulässigen Schädigung besteht. Die niedrige Abtragsschwelle des Substrats, und damit die Gefahr seiner unzulässigen Schädigung, begrenzt daher beim flächenhaften Abtrag den möglichen Energieeintrag durch den Laser derart, dass die leitfähige Schicht nicht vollständig verdampft wird, sondern teilweise nur geschmolzen und verdrängt wird. Insbesondere kommt es dadurch am Rand der jeweiligen Spur zu einer Anhäufung. In den Bereichen dieser Aufhäufungen reicht die Laserenergie für einen zuverlässigen Abtrag der leitfähigen Schicht nicht mehr aus. Eine Erhöhung der Laserenergie ist jedoch ausgeschlossen, weil anderenfalls in den Bereichen, in denen keine Aufhäufung der leitfähigen Schicht stattgefunden hat, eine unerwünschte Schädigung oder Zerstörung des Substrates unvermeidlich ist.
Die US 5 525 205 A beschreibt demgegenüber bereits ein Verfahren zum partiellen Lösen einer definierten Fläche einer leitfähigen Schicht, insbesondere Kupferschicht, mittels eines Laserstrahls, bei dem die Laserstrahl-Parameter derart eingestellt werden, dass lediglich die leitfähige Schicht abgetragen wird, ohne dass dabei zugleich auch ein darunterliegendes, die leitfähige Schicht tragendes Substrat beeinträchtigt wird, wobei die Fläche durch Abtragen der leitfähigen Schicht in ihrem äußeren Randbereich gegenüber den angrenzenden Bereichen der leitfähigen Schicht isoliert wird. Die eingeschlossene Fläche der leitfähigen Schicht wird dann durch chemisches Abtragen entfernt.
Die US 3 214 315 A betrifft ein Verfahren, bei dem die Leiterbahn durch einen Stempel mechanisch von der abzulösenden Fläche getrennt wird, wobei der Stempel erwärmt wird, um eine geringe Haftung der Fläche auf dem Substrat zu erreichen. Nach dem Entfernen der Fläche dient ein weiterer Wärmeeintrag der Aushärtung des Substrates und damit der dauerhaften Verbindung der Leiterbahnen mit dem Substrat.
Aus der EP 0 834 191 B1 ist ein Verfahren zum Laserabtrag von leitfähigen Schichten durch Verminderung der Adhäsion zwischen Leitschicht und Trägersubstrat bekannt. Ähnliche Verfahren sind auch aus der US 2003 004 72 80 A1 sowie der JP 2003 047 841 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere auch bei niedrigeren Grenzwerten der relevanten Materialeigenschaften des Substrates gegenüber der leitfähigen Schicht einen zuverlässigen und schnellen flächigen Abtrag einer definierten Fläche der leitfähigen Schicht zu ermöglichen. Dabei soll eine Beeinträchtigung des Substrates weitgehend ausgeschlossen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also bei dem Verfahren zum partiellen Abtragen einer definierten Fläche vorgesehen, dass die abzutragende Fläche vor dem Ablösen selektiv mittels Laserstrahlung zur Verringerung der Adhäsion dieser Flächen erwärmt und die Fläche dann als Ganzes entfernt wird. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Laserenergieeintrag nicht unmittelbar zur Verdampfung der gesamten definierten Fläche der leitfähigen Schicht mittels des Lasers eingesetzt wird, sondern im Bereich dieser Fläche lediglich die Adhäsionsverbindung zu dem Substrat durch den Laserenergieeintrag verringert werden kann, bis sich die leitfähige Schicht von dem Substrat lösen lässt. Die Erwärmung ist hierzu auf die definierte Fläche zu beschränken. Daher wird zunächst am Umfang dieser Fläche mittels des Laserstrahls eine thermische Isolierung oder zumindest signifikante Reduzierung des Wärmeübergangs oder der Wärmeleitung gegenüber den benachbarten Bereichen der leitfähigen Schicht durch Einbringen einer linienförmigen Ausnehmung mittels des Laserstrahls erzeugt, die prozesstechnisch vergleichsweise einfach zu beherrschen ist. Der Abtrag der erwärmten Fläche erfolgt dann bei geringen Adhäsionskräften flächig unter dem Einfluss der Schwerkraft oder äußerer Krafteinwirkungen, wodurch das Substrat frei von direkten Lasereinwirkungen bleibt. Auf diese Weise können daher auch vergleichsweise große Flächen schnell und zuverlässig abgetragen werden. Das Verfahren eignet sich dabei gleichermaßen für flexible Schaltungsträger wie auch für dreidimensionale polymere Schaltungsträger sowie zur Ausbildung von partiellen elektromagnetischen Abschirmungen und von Antennen auf Kunststoffgehäusen. Dabei wird die leitfähige Schicht der gesamten Fläche oder des jeweiligen Bereichs als Ganzes von dem Substrat gelöst. Das Lösen oder Trennen der leitfähigen Schicht von dem Substrat erfolgt dabei in einem einzigen Arbeitsgang, sodass der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens weiter reduziert werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass die abzutragende Fläche zunächst in Bereiche unterteilt wird, die durch Abtragen der leitfähigen Schicht unter Bildung eines Isolierkanals am Umfang mittels des Laserstrahls gegeneinander thermisch isoliert sind. Hierdurch kann die Fläche in einzelne Bereiche solcher Größe unterteilt werden, die hinsichtlich der Prozesssicherheit und der Prozessdauer optimiert ist. Dabei werden nach einer besonders praxisgerechten Weiterbildung der Erfindung die Größe oder Geometrie der Bereiche durch die Materialeigenschaften der leitfähigen Schicht und des Substrates bestimmt. Hierzu werden mittels einer zu diesem Zweck bestimmten Steuereinheit alle zur Festlegung der Bereiche relevanten Parameter erfasst und daraus die optimale Größe und Geometrie der Bereiche sowie auch die Reihenfolge der zu bearbeitenden Bereiche bestimmt.
Die Bereiche könnten in kreisförmige, dreieckige oder rechteckige Bereiche unterteilt werden, um so Bereiche einheitlicher Größe zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Abwandlung, bei der die Fläche hinsichtlich eines großen Flächeninhaltes im Verhältnis zum Umfang optimiert wird, um so kompakte und einfach von dem Substrat lösbare Bereiche zu schaffen. Die Festlegung der Bereiche kann dabei auch aufgrund von Messwerten vorangegangener Prozesse erfolgen.
Besonders praxisnah ist der Einsatz des Verfahrens insbesondere auch dann, wenn die leitfähige Schicht eine Materialsstärke zwischen 100 nm und 105 µm, insbesondere 5 µm bis 60 μm aufweist, wobei der Laserstrahl eines Festkörperlasers eingesetzt wird, der zu diesem Zweck eine Wellenlänge von 1064 nm bei einer Leistung zwischen 5 und 50 Watt aufweisen kann.
Die Erwärmung der Fläche zur Überwindung der Adhäsionskräfte könnte auch durch einen separaten Laser oder eine andere Wärmequelle erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Laserstrahl zwischen kontinuierlichem und gütegeschaltetem Betrieb umschaltbar ist, um so einerseits die Strukturierung zur thermischen Isolierung der Fläche bzw. der Bereiche und andererseits eine gleichmäßige Erwärmung zu ermöglichen.
Die Fläche könnte bei entsprechender Eignung der leitfähigen Schicht mittels magnetischer oder elektrostatischer Kräfte abgetragen werden. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Abwandlung, bei der die erwärmte Fläche mittels einer gezielten Druckluftzufuhr von dem Substrat getrennt wird, wobei ein gezielter Druckluftstrahl ein Abheben der leitfähigen Schicht beginnend vom Rand zur Mitte der Fläche ermöglicht.
Weiterhin ist es auch Erfolg versprechend, wenn die erwärmte Fläche durch Absaugen von dem Substrat getrennt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich erwärmte, abgelöste Teile auf dem Substrat an anderer Stelle absetzen können und durch die in ihnen gespeicherte thermische Energie das Substrat an dieser Stelle so weit anschmelzen können, dass sie daran haften bleiben.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipskizze in
1 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einer abzutragenden Fläche;
2 eine geschnittene Seitenansicht der in 1 gezeigten Leiterplatte mit darin eingebrachten Ausnehmungen;
3 eine weitere geschnittene Seitenansicht der in 1 gezeigten Leiterplatte mit einer bereits partiell abgetragenen Schicht.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterplatte 1 mit einer abzutragenden Fläche 2, die entsprechend der Materialeigenschaften der Leiterplatte 1 in Bereiche 3a, 3b gleicher Größe unterteilt ist. Zum partiellen Abtragen der definierten Fläche 2 mittels eines in 2 dargestellten Laserstrahls 4 wird zunächst eine in 2 gezeigte Ausnehmung 5 entlang eines jeweiligen Umfanges der Bereiche 3a, 3b eingebracht.
Wie in 2 zu erkennen, wird der jeweilige Bereich 3a durch Abtragen einer leitfähigen Schicht 6 in ihrem äußeren Randbereich zunächst gegenüber den angrenzenden Bereichen 3b der leitfähigen Schicht 6 durch Einbringen einer Ausnehmung 5 thermisch isoliert, wobei eine Beeinträchtigung eines die leitfähige Schicht 6 tragenden Substrates 7 durch entsprechende Parametereinstellung des Laserstrahls 4 vermieden wird. Anschließend wird der ab zutragende Bereich 3a durch den Laserstrahl 4 erwärmt, bis die Adhäsion der leitfähigen Schicht 6 auf dem Substrat 7 wesentlich verringert ist.
Mittels Druckluftzufuhr 8 kann der Bereich 3a anschließend von dem Substrat 7 problemlos gelöst werden, wie in 3 dargestellt. Der Prozess wird wiederholt, bis alle Bereiche 3a, 3b der Fläche 2 entfernt sind.

Claims

Verfahren zum partiellen Lösen einer definierten Fläche einer leitfähigen Schicht, insbesondere Kupferschicht, mittels eines Laserstrahls, bei dem die Laserstrahl-Parameter derart eingestellt werden, dass lediglich die leitfähige Schicht abgetragen wird, ohne dass dabei zugleich auch ein darunterliegendes, die leitfähige Schicht tragendes Substrat beeinträchtigt wird, wobei die Fläche durch Abtragen der leitfähigen Schicht in ihrem äußeren Randbereich gegenüber den angrenzenden Bereichen unter Bildung eines Isolierkanals erfolgt und die abzutragende Fläche vom Substrat gelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abzutragende Fläche vor dem Ablösen selektiv mittels Laserstrahlung zur Verringerung der Adhäsion dieser Flächen erwärmt und die Fläche dann als Ganzes entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abzutragende Fläche zunächst in Bereiche unterteilt wird, die durch Abtragen der leitfähigen Schicht unter Bildung eines Isolierkanals am Umfang mittels des Laserstrahls gegeneinander thermisch isoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abzutragende Fläche hinsichtlich eines großen Flächeninhaltes im Verhältnis zum Umfang optimiert wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht eine Materialsstärke zwischen 100 nm und 105 µm, insbesondere 5 µm bis 60 μm aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eines Festkörperlasers eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zwischen kontinuierlichem und gütegeschalteten Betrieb umschaltbar ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Fläche mittels einer gezielten Druckluftzufuhr von dem Substrat getrennt wird.
Verfahren nach zumindest einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Fläche durch Absaugen von dem Substrat getrennt wird.