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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels
Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von
Leiterplatten mittels gepulster Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft
ferner ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserbearbeitungssystem zur
Bearbeitung eines Werkstücks
nach dem genannten Verfahren.
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Aufgrund
der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen
und der zunehmenden Integrationsdichte von elektronischen Schaltungen
werden an elektronische Schaltungsträger (Leiterplatten) immer größere Anforderungen
hinsichtlich der Präzision
von aufgebrachten Leiterbahnen gestellt. Die erforderlichen Strukturfeinheiten können am
besten mittels Laserstrukturierung erreicht werden.
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Durch
die Verwendung von mehrschichtigen Leiterplatten kann der Platzbedarf
von elektronischen Baugruppen, erheblich reduziert werden. Dabei
ist jedoch erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der mehrschichtigen
Leiterplatte miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der
Regel dadurch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten
ein Blind- oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und das Loch nachfolgend
mittels einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird.
Auf diese Weise können
Leiterbahnen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten
Dimension ausgebildet werden.
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Auch
das Bohren von Leiterplatten erfolgt häufig mittels gepulster Laserstrahlung.
Dabei wird ein Laserstrahl über
eine Ablenkeinheit, welche üblicherweise
zwei drehbar gelagerte Spiegel aufweist, und über eine Abbildungsoptik auf
die zu bearbeitende Leiterplatte gelenkt. Bei einer entsprechenden Bewegung
der Ablenkeinheit wird der Laserstrahl sukzessive auf verschiedene
Zielpunkte der Leiterplatte fokussiert.
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Es
hat sich herausgestellt, dass insbesondere zum Abtragen von metallischen
Schichten Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder nahen
ultravioletten Spektralbereich besonders geeignet ist, da das Reflexionsvermögen der
Metallschichten für
infrarote Strahlung sehr groß ist.
Laserstrahlung im sichtbaren oder nahen ultravioletten Spektralbereich,
beispielsweise die frequenzvervielfachte Strahlung eines Nd:YRG-Lasers
mit einer Wellenlänge
von 266 nm, 355 nm oder 532 nm kann auf einen Fokusdurchmesser von
wenigen μm
fokussiert werden. Bei einer entsprechenden Fokussierung des Laserstrahls
können
somit auch Löcher
in ein Material mit einer hohen Energieabtragungsschwelle gebohrt
werden, wenn der Laserstrahl durch eine entsprechende Ansteuerung
der Ablenkeinheit entlang einer Kreisbahn geführt wird, so dass die Löcher durch
ein Ausschneiden eines Loches erzeugt werden. Ein derartiges Bohrverfahren wird
als Trepanieren bezeichnet.
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Sofern
die Energie des Laserstrahls auch für einen Materialabtrag innerhalb
einer im Vergleich zu der Fokusgröße größeren Fläche ausreicht, können Löcher zum
Durchkontaktieren von verschiedenen Schichten einer mehrschichtigen
Leiterplatte auch durch einen oder eine Mehrzahl von Laserpulsen
gebohrt werden, welche auf dieselbe Zielposition der Leiterplatte
gelenkt werden. Ein derartiges Bohrverfahren wird als Punchen bezeichnet.
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Um
das Bohren bzw. Strukturieren von Leiterplatten mit einer hohen
Genauigkeit durchführen zu
können,
ist es erforderlich, dass der Energieeintrag, d.h. die Energie,
die innerhalb eines bestimmten Verfahrweges des Laserstrahls auf
das zu bearbeitenden Werkstück übertragen
wird, möglichst
genau definiert ist. Bei herkömmlichen
Laserbearbeitungsmaschinen ist dieser Energieeintrag häufig Schwankungen
unterworfen, die beispielsweise von folgenden Einflüssen verursacht
werden:
- a) Die Trägheit der Ablenkeinheit infolge
der Spiegelmassen hat zur Folge, dass weder der Beginn noch das
Ende einer Spiegelbewegung abrupt erfolgen kann, so dass beim Beschleunigen
und beim Abbremsen der Spiegelbewegung der auf die Leiterplatte
gelenkte Laserstrahl nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit über das
Werkstück
geführt
wird und somit zu einer nicht konstanten räumlichen Verteilung der Laserpulse
auf dem Werkstück
führt.
Dies führt
dann bei einer im wesentlichen konstanten Laserausgangsleistung zu
einem ungleichmäßigen Energieeintrag.
Derartige Einflüsse
werden unter dem Begriff Dynamikverhalten der Ablenkeinheiten zusammengefasst.
- b) Häufig
ist die Ausgangsleistung insbesondere eines gepulsten Lasers während des
Betriebs nicht konstant. Derartige Laserinstabilitäten führen naturgemäß zu einem
ungleichmäßigen Energieeintrag.
- c) Zur Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls in der Bearbeitungsebene
werden als Abbildungsoptik sog. F-Theta-Optiken verwendet, welche häufig ein
nicht gleichmäßiges Transmissionsverhalten
aufweisen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren zum Bearbeiten
eines Werkstücks
mittels Laserstrahlung anzugeben, bei dem der Energieeintrag auf
das zu bearbeitende Werkstück
genau bestimmbar ist, so dass zum einen eine hohe Qualität der Bohrlöcher und
zum anderen eine hohe Qualität
der strukturierten Leiterbahnen gewährleistet werden kann. Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Laserbearbeitungssystem anzugeben,
mit welchem qualitativ hochwertige Bohrungen und Strukturierungen
realisiert werden können.
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Die
verfahrensbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1. Demnach wird ein gepulster Laserstrahl von einer Laserquelle
ausgesendet, welche derart ansteuerbar ist, dass während der
Bear beitung sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch
der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen
frei gewählt
werden kann. Gemäß der Erfindung
wird ferner der Laserstrahl über
eine Optik und über
eine Ablenkeinheit auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet,
so dass bei einer Bewegung der Ablenkeinheit eine Abfolge von Laserpulsen
auf verschiedene Zielpunkte der Werkstückoberfläche fokussiert wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine einen gepulsten
Laserstrahl emittierende Laserquelle, bei der die einzelnen Laserpulse
sowohl hinsichtlich ihrer Energie als auch hinsichtlich ihres Pulsabstandes
frei einstellbar sind, besonders gut für die Bearbeitung von Werkstücken im
Elektronikbereich geeignet ist, da bei einem bekannten Verhalten der
anderen optischen Komponenten eines Laserbearbeitungssystems der
auf das Werkstück
einwirkende Energieeintrag genau bestimmbar ist. Somit kann durch
eine entsprechende Ansteuerung der Laserquelle während der Laserbearbeitung
ein konstanter oder ein definiert variabler Energieeintrag gewährleistet
werden. So kann beispielsweise während
der Materialbearbeitung die Pulsenergie kontinuierlich erhöht, abwechselnd
eine hohe und eine niedrigere Pulsenergie eingestellt oder bewusst
Pausen zum Abkühlen
des bearbeiteten Materials nach einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen
eingelegt werden. Die Variationsmöglichkeiten hinsichtlich des Zeitpunktes
der Emission eines Laserpulses als auch hinsichtlich der Energie
eines Laserpulses sind somit sehr vielseitig und eröffnen ein
Vielzahl neuer Applikationsmöglichkeiten.
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Gemäß Anspruch
2 wird ein gütegeschalteter
Laser, insbesondere ein gütegeschalteter
Festkörperlaser
wie zum Beispiel ein Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YAP oder Nd:YVO4-Laser
verwendet. Bei diesen Lasertypen kann auf einfache Weise durch eine
bekannte Frequenzvervielfachung ein Laserstrahl im sichtbaren oder
im nahen ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden, welcher zur
Materialbearbeitung insbesondere von mehrschichtigen Leiterplatten besonders
vorteilhaft ist.
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Gemäß Anspruch
3 wird der Zeitpunkt des Beginns eines Laserpulses durch das Ende
der Gütereduzierung
der Güteschaltung
bestimmt.
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Gemäß Anspruch
4 wird die Energie eines Laserpulses durch die Dauer der Gütereduzierung der
Güteschaltung
bestimmt.
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Gemäß Anspruch
5 wird die Energie eines Laserpulses durch einen elektro-optischen
und/oder einen akusto-optischen Modulator bestimmt. Derartige Modulatoren
stellen einfach zu handhabende optische Standardkomponenten dar
und können
sowohl innerhalb als auch außerhalb
des Laserresonators angeordnet werden. Bei der Strahlumlenkung mittels
eines elektrooptischen Modulators bewirkt der Modulator eine Drehung
der Polarisation des Laserstrahls. Das Ausblenden eines Teils der
Intensität
des Laserstrahls aus den Strahlengang des bearbeitenden Laserstrahls
erfolgt mit einem polarisationsempfindlichen Reflektor, beispielsweise
einem Brewsterfenster oder einem dichroitischen Spiegel. Ein akusto-optischer
Modulator ist beispielsweise ein CdTe-Kristall, welcher durch das
Anlegen eines periodisch im Megaherzbereich variierenden elektrischen Feldes
zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die dabei innerhalb
des Kristalls ausgebildete stehende Welle stellt für einen
einfallenden Laserstrahl ein Beugungsgitter dar, so das ebenfalls
ein Teil der Intensität
des Laserstahls aus dem Nullstrahl ausgeblendet wird.
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Gemäß Anspruch
6 wird die Laserquelle abhängig
von dem Betriebszustand der Ablenkeinheit derart angesteuert, dass
das Werkstück
zumindest innerhalb einzelner Bearbeitungsbereiche mit einem genau
definierten Energieeintrag beaufschlagt wird. Unter dem Begriff
Betriebszustand ist im Zusammenhang mit einer Ablenkeinheit zum
einen der Bewegungszustand der Ablenk einheit (siehe Anspruch 6) und
zum anderen die jeweilige Stellung der Ablenkeinheit (siehe Anspruch
7) zu verstehen.
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Der
gemäß Anspruch
7 berücksichtigte
Bewegungszustand der Ablenkeinheit umfasst das sog. Dynamikverhalten,
welches durch die mechanische Trägheit
der Ablenkeinheit verursacht wird. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit,
mit welcher der Laserstrahl über
das Werkstück
geführt
wird, beim Abbremsen und beim Beschleunigen der Ablenkeinheit nicht
konstant ist. Somit ist in den entsprechenden Bearbeitungsbereichen
der Energieeintrag pro Bearbeitungsstrecke nicht gleichmäßig. Das
nicht ideale Dynamikverhalten einer Ablenkeinheit kann durch eine
entsprechende Ansteuerung der Laserquelle, d.h. entweder durch eine
Anpassung der Pulsenergie oder eine Anpassung der jeweils aktuellen
Repetitionsrate der Laserpulse kompensiert werden. Unter dem Begriff
aktuelle Repetitionsrate ist in diesem Zusammenhang der zeitliche
Abstand zwischen zwei beliebigen aufeinander folgenden Laserpulsen
zu verstehen. Die für
eine erfolgreiche Kompensation erforderliche Kenntnis des Dynamikverhaltens
der Ablenkeinheit kann vor der eigentlichen Laserbearbeitung mittels
Modellversuchen bestimmt werden. Somit kann die zeitliche Pulsfolge
so gewählt
werden, dass trotz Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen der
Ablenkeinheit der räumliche
Abstand zweier unmittelbar nacheinander auf das Werkstück gerichteter
Laserpulse immer identisch ist.
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Durch
das Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Ansteuerung der Laserquelle
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung der Ablenkeinheit erfolgt, kann ein
ungleichmäßiges Transmissionsverhalten
der verwendeten Abbildungsoptik auf einfache Weise kompensiert werden.
Dafür wird
beispielsweise im Vorfeld einer Werkstückbearbeitung die relative Transmission
eines Laserstrahls durch die Abbildungsoptik für jeden möglichen Zielpunkt gemessen. Die
Kompensation erfolgt dann bevorzugt durch eine Anpassung der Pulsenergie
des Laserstrahls.
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Gemäß Anspruch
9 wird für
die Ansteuerung der Betriebszustand der Laserquelle berücksichtigt. Unter
dem Begriff Betriebszustand der Laserquelle sind in diesem Zusammenhang
sämtliche
Parameter zu verstehen, welche zu einer Instabilität hinsichtlich der
Pulsenergie führen.
Dies sind insbesondere Laserinstabilitäten, welche beispielsweise
dann vorkommen, wenn die Laserquelle nicht ihre normale Betriebstemperatur
aufweist. Derartige thermische Laserinstabilitäten treten beispielsweise dann
auf, wenn beim Laserbohren mehrere voneinander beabstandete Löcher gebohrt
werden und der Laserstrahl nach der Beendigung des Bohrvorgangs
eines Lochs solange abgeschaltet wird, bis die Ablenkeinheit auf die
Position des nächsten
Bohrloches eingestellt wird. In diesem Fall hängt die Instabilität also mit
der Sprunglänge
der Ablenkeinheit zwischen zwei Bohrlöchern ab.
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Gemäß Anspruch
10 wird die Energie der einzelnen Laserpulse während der Bearbeitung eines
Werkstücks
Online gemessen und eine eventuelle Abweichung von einer Sollenergie
durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserquelle kompensiert.
Damit kann auf vorteilhafte Weise der Energieeintrag, der innerhalb
einer bestimmten Bearbeitungsstrecke des Laserstrahls auf das Werkstück einwirkt,
derart geregelt werden, dass stets eine optimale Materialbearbeitung
geleistet werden kann. Dabei kann auch in diesem Fall ein genau
definierter Energieeintrag bevorzugt durch eine Anpassung der Pulsenergie
der einzelnen Laserpulse und/oder eine Anpassung der Repetitionsrate
der einzelnen Laserpulse gewährleistet
werden.
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Die
vorrichtungsbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch
ein Laserbearbeitungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
11. Das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem
umfasst eine zum Aussenden eines gepulsten Laserstrahls eingerichtete
Laserquelle, eine im Strahlengang des Laserstrahls angeordnete Ablenkeinheit
zum Ablenken des Laserstrahls und eine Abbildungsoptik, welche den
Laserstrahl auf jeweils eine durch die Ablenkeinheit bestimmte Stelle
des Werkstücks
fokussiert. Erfindungsgemäß ist die
Laserquelle derart ansteuerbar, dass während der Bearbeitung eines
Werkstücks
sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch der zeitliche
Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen frei wählbar ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
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In
der Zeichnung zeigt in schematischen Darstellungen
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1 ein
Laserbearbeitungssystem gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
Laserbearbeitungssystem gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3a einen
Trepaniervorgang zum Bohren von Löchern gemäß dem Stand der Technik,
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3b einen
Trepaniervorgang zum Bohren von Löchern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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4 das
Transmissionsverhalten einer Abbildungsoptik innerhalb eines Bearbeitungsfeldes.
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An
dieser Stelle bleibt anzumerken, dass diejenigen Komponenten der
Ausführungsform
nach 2, die mit den entsprechenden Komponenten der
Ausführungsform
nach 1 identisch sind, mit Bezugszeichen versehen sind,
welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden. Die
identischen Komponenten werden bei der Beschreibung von 2 nicht
mehr erneut erläutert.
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Das
in 1 dargestellte Laserbearbeitungssystem 100 umfasst
eine Laserquelle 110, welche einen gepulsten Laserstrahl 111 emittiert.
Der Laserstrahl 111 wird mittels einer Ablenkeinheit 120 über ein
Objektiv 130 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 140 gelenkt.
Das Werkstück 140 ist
eine Leiterplatte, welche mittels des Laserstrahls 111 strukturiert
oder in welche mittels des Laserstrahls 111 Löcher zum
Kon taktieren von verschiedenen Schichten der Leiterplatte gebohrt
werden. Die Ablenkeinheit 120 beinhaltet zwei Spiegel,
die jeweils um zueinander senkrecht angeordnete Achsen drehbar sind,
so dass der Laserstrahl 111 innerhalb eines bestimmten Bearbeitungsbereiches
an jeden beliebigen Punkt des Werkstücks 140 gelenkt werden
kann. Das Objektiv 130, welches für eine Fokussierung des Laserstrahls
in der Bearbeitungsebene sorgt, ist üblicherweise ein F-Theta-Objektiv.
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Die
Laserquelle 110 ist über
eine Steuerleitung 151 mit einer Steuereinrichtung 150 gekoppelt. Über die
Steuereinrichtung 150 kann die Laserquelle 110,
welche ein gütegeschalteter
Festkörperlaser
ist, derart angesteuert werden, dass sowohl die Energie der einzelnen
Laserpulse als auch der genaue Zeitpunkt der Laserpulsemission und
damit die aktuelle Wiederholrate des Lasers frei wählbar ist.
Der Zeitpunkt der Laserpulsemission wird dabei durch das Ende der
Gütereduzierung
des in der Laserquelle 110 enthaltenen und nicht explizit
dargestellten Güteschalters
bestimmt. Die Pulsenergie der einzelnen Laserpulse wird durch die
Zeitspanne bestimmt, in der vor der Emission eines Laserpulses die
Güte durch
die Güteschaltung
reduziert ist.
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Die
Steuereinrichtung 150 ist mit der Ablenkeinheit 120 durch
eine Verbindungsleitung 152 gekoppelt, so dass über die
Verbindungsleitung 152 der jeweilige Betriebszustand der
Ablenkeinheit 120 von der Steuereinrichtung 150 erfasst
werden kann. Somit kann in der Phase der Beschleunigung oder der Abbremsung
der in der Ablenkeinheit 120 enthaltenen Spiegel die Laserquelle 110 derart
angesteuert werden, dass der Energieeintrag auf eine bestimmte Bearbeitungsstrecke
trotz einer nicht gleichmäßigen Bewegung
des Laserstrahls über
das Werkstück 140 durch
eine entsprechende Anpassung der aktuellen Wiederholfrequenz und/oder
der Pulsenergie der einzelnen Laserpulse stets konstant ist.
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Ebenso
können
mit dem Laserbearbeitungssystem 100 Variationen hinsichtlich
des Transmissionsverhaltens des Objektivs 130 kompensiert
werden. Dabei wird bevorzugt die Energie der Laserpulse erhöht und/oder
die Wiederholfrequenz der Laserpulse verringert, wenn der Laserstrahl 110 durch
einen Bereich des Objektivs 130 dringt, welcher eine vergleichsweise
geringe Transmission aufweist. Im umgekehrten Fall, wenn der Laserstrahl
durch einen Bereich des Objektivs 130 dringt, welcher eine
erhöhte
Transmission aufweist, wird bevorzugt die Energie der Laserpulse
reduziert und/oder die Wiederholfrequenz erhöht.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Verbindungsleitung 152,
welche eine Regelung der Laserquelle 110 in Abhängigkeit
des Betriebszustandes der Ablenkeinheit 120 ermöglicht,
auch weggelassen werden kann. In diesem Fall muss dann das Dynamikverhalten
der Ablenkeinheit 120 im Vorfeld einer Laserbearbeitung
ermittelt werden und bei der Ansteuerung der Laserquelle 110 durch
die Steuereinrichtung 150 entsprechend berücksichtigt
werden.
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2 zeigt
ein Laserbearbeitungssystem 200, welches sich von dem Laserbearbeitungssystem 100 dadurch
unterscheidet, dass die Steuereinrichtung 250 zusätzlich über eine
Detektor-Signalleitung 271 mit
einem Detektor 270 gekoppelt ist. Der Detektor 270 dient
der Online-Erfassung der Pulsenergie des Laserstrahls 211.
Die Online-Erfassung erfolgt gemäß dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel über einen
teildurchlässigen
Spiegel 260, welcher zwischen dem Objektiv 230 und
dem Werkstück 240 angeordnet
ist und welcher den Laserstrahl 211 in einen Bearbeitungsstrahl 211a und
einen Messstrahl 211b teilt. Der Bearbeitungsstrahl 211a dient der
Bearbeitung des Werkstücks 240.
Der Messstrahl 211b trifft auf den Detektor 270,
so dass die Pulsenergie, die der Detektor 270 erfasst,
stets direkt proportional zu der Pulsenergie des Bearbeitungsstrahls 211a und
des Laserstrahls 211 ist. Durch diese Online-Messung der
Pulsenergie kann somit durch eine entspre chend schnelle Ansteuerung
der Laserquelle 211 durch die Steuereinrichtung 250 sowohl
Laserinstabilitäten
hinsichtlich der Pulsenergie als auch Abweichungen der Energie des
Bearbeitungsstrahls 211a kompensiert werden, welche durch
ein nicht konstantes Transmissionsverhalten des Objektivs 230 erzeugt
werden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der teildurchlässige Spiegel auch in den Strahlengang
des Laserstrahls 211 zwischen der Laserquelle 210 und der
Ablenkeinheit 220 oder zwischen der Ablenkeinheit 220 und
dem Objektiv 230 positioniert werden kann. In diesem Fall
werden dann die Variationen in dem Transmissionsverhalten des Objektivs 230 nicht erfasst.
Die Variationen im Transmissionsverhalten des Objektivs 230 können jedoch
ohne großen
Aufwand im Vorfeld einer Werkstücksbearbeitung
vermessen werden.
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3a und 3b zeigen
einen sog. Trepaniervorgang, bei dem ein Loch durch eine kreisförmige Bewegung
des auf das zu bohrende Objekt auftreffenden Laserstrahls ausgeschnitten
wird. Dabei wird der Strahlengang des Laserstrahls zunächst auf den
Mittelpunkt des zu bohrenden Loches gerichtet. Danach wird die Ablenkeinheit
so angesteuert, dass bei einem Einschalten des Laserstrahls dieser
auf den Punkt B trifft. Die Ablenkeinheit wird dann durch eine Kombination
an Drehbewegungen von zwei in der Ablenkeinheit befindlichen Spiegeln
derart bewegt, dass die nachfolgenden Laserpulse eine Kreisbahn
K beschreiben, welche an dem Endpunkt E endet. Dann wird der Laser
wieder ausgeschaltet und die Ablenkeinheit so eingestellt, dass
der Strahlengang des nicht eingeschalteten Lasers wieder auf den
Mittelpunkt M des nun gebohrten Loches trifft. Von hier aus kann
die Ablenkeinheit durch einen entsprechenden Sprung der beiden Ablenkspiegel
hin zum Mittelpunkt eines nächsten
zu bohrenden Loches bewegt werden.
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Wie
aus 3a ersichtlich, führt bei einem herkömmlichen
Bohrvorgang, bei dem die einzelnen Laserpulse mit im wesent lichen
konstanter Wiederholrate ausgesendet werden, am Anfang der Kreisbewegung
und am Ende der Kreisbewegung zu Zielpunkten, die näher beieinander
liegen als in dem anderen Bereich der Kreisbewegung. Dies liegt
daran, dass infolge der Trägheit
der Ablenkspiegel und der konstanten Wiederholrate der Laserpulse
die Zielpunkte der Laserpulse am Beginn und am Ende der Kreisbahn
weniger weit voneinander beabstandet sind als in dem Bereich der
Kreisbahn, in dem der Laserstrahl mit nahezu konstanter Geschwindigkeit
entlang der Kreisbahn geführt
wird. Die Trägheit
der Ablenkeinheit hat damit die negative Auswirkung, dass am Beginn
und am Ende der Kreisbahn ein höherer Energieeintrag
auf das zu bohrende Objekt einwirkt und durch den ungleichen Energieeintrag
entlang der Kreisbahn K die Lochqualität entsprechend reduziert ist.
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3b zeigt
einen Trepaniervorgang gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dabei wird ebenso wie bei dem in 3a gezeigten
Trepaniervorgang der Strahlengang des zu bearbeitenden Lasers zunächst von
dem Mittelpunkt M des zu bohrenden Loches auf den Beginn der Kreisbahn
gelenkt. Im Unterschied zu dem in 3a dargestellten
bekannten Bohrvorgang wird jedoch am Beginn und am Ende des der
Kreisbahn K in der Phase, in welcher der Laserstrahl infolge der
Trägheit
der Abbildungsoptik noch nicht mit der vorgesehenen Geschwindigkeit
entlang der Kreisbahn K geführt
werden kann, die Wiederholrate des zu bearbeitenden Laserstrahls entsprechend
reduziert. Dies bedeutet, dass der zeitliche Abstand zwischen dem
ersten Laserpuls 1 und dem zweiten Laserpuls 2 größer ist
als der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten Laserpuls 2 und
dem dritten Laserpuls 3. Die zeitlichen Abstände zwischen den
Laserpulsen werden im Verlauf der Beschleunigungsbewegung so lange
reduziert, bis die Endgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls
auf der Kreisbahn K erreicht ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird ab dem siebten Laserpuls 7 die Wiederholfrequenz des
gepulsten Laserstrahls nicht weiter erniedrigt. Gegen Ende E der Kreisbahn
K, bei der infolge der Trägheit
der Ablenkeinheit die Bewegung des Laser strahls bis zum Endpunkt
E schrittweise reduziert werden muss, wird die Wiederholrate des
gepulsten Laserstrahls langsam erhöht. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
geschieht dies ab dem Laserpuls 31.
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Auf
diese Weise kann durch eine entsprechende Anpassung der Wiederholfrequenz
der zu bearbeitenden Laserpulse an das Dynamikverhalten beim Beschleunigen
und beim Abbremsen der Ablenkeinheit ein über die gesamte Kreisbahn K
hinweg konstanter Energieeintrag gewährleistet werden, so dass die
Qualität
des gebohrten Loches entsprechend hoch ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass alternativ zur Anpassung der Wiederholrate
auch die Pulsenergie oder eine Kombination aus einer Anpassung der Wiederholrate
und eine Anpassung der Pulsenergie verwendet werden kann, um das
gewünschte
Ergebnis, nämlich
einen über
die gesamte Kreisbahn K hinweg konstanten Energieeintrag zu gewährleisten.
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4 zeigt
eine im Vorfeld einer Laserbearbeitung gemessene Transmissionsverteilung
durch eine Abbildungsoptik innerhalb eines Bearbeitungsfeldes 400.
Die Transmissionswerte der beispielhaft ausgewählten F-Theta-Optik, welche
durch Einzelmessungen der Pulsenergie an einer Vielzahl von Zielpunkten
auf dem Bearbeitungsfeld 400 erfasst wurden, können in
sechs verschiedene Transmissionsbereiche 401 bis 406 eingeteilt
werden. Dabei ergaben sich
in dem Bereich 401 Transmissionen
von 101% bis 102%,
in dem Bereich 402 Transmissionen
von 100% bis 101%,
in dem Bereich 403 Transmissionen
von 99% bis 100%,
in dem Bereich 404 Transmissionen
von 98% bis 99%,
in dem Bereich 405 Transmissionen
von 97% bis 98% und
in dem Bereich 406 Transmissionen
von 96% bis 97%.
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Die
genannten Transmissionswerte sind relative Transmissionen, die auf
die Transmission im Mittelpunkt des Bearbeitungsfeldes 400 normiert wurden.
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Bei
einer Bearbeitung eines Werkstücks,
bei der die untersuchte Abbildungsoptik eingesetzt wird, kann dann
die Laserquelle derart angesteuert werden, dass das ungleichmäßige Transmissionsverhalten
der Abbildungsoptik bevorzugt durch eine Anpassung der Pulsenergie
und/oder durch eine Anpassung der aktuellen Repetitionsrate der
einzelnen Laserpulse kompensiert wird.
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Zusammenfassend
kann festgestellt werden:
Die Erfindung schafft ein Verfahren
zum Bearbeiten eines Werkstücks
mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren
von Leiterplatten sowie ein Laserbearbeitungssystem. Erfindungsgemäß wird ein
gepulster Laserstrahl von einer Laserquelle ausgesendet, die derart
ansteuerbar ist, dass während
der Bearbeitung sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als
auch der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen
frei gewählt
werden kann. Die Energie und der zeitliche Abstand werden bei einem
gütegeschalteten
Festkörperlaser
durch die Dauer der Gütereduzierung
der Güteschaltung
bzw. durch den genauen Zeitpunkt des Endes der Gütereduzierung der Güteschaltung
bestimmt. Durch die freie Wählbarkeit
von Pulsenergie und Wiederholrate ermöglicht die Erfindung eine Kompensation
von vielen nachteiligen Effekten, die zu einem ungleichmäßigen Energieeintrag
des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück führen und somit die Qualität von gebohrten
Löchern
und strukturierten Bereichen insbesondere in Leiterplatten nachteilig
beeinflussen.
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Zu
diesen Effekten zählen
beispielsweise das infolge der Massenträgheit verursachte Dynamikverhalten
von Ablenkeinheiten, Laserinstabilitäten, welche durch unterschiedliche
Pausen und Auszeiten zwischen Pulsfolgen und unterschiedlichen Pulshöhen verursacht
werden, und ein ungleichmäßiges Transmissionsverhalten
von für
die Fokussierung des zu bearbeitenden Laserstrahls auf dem Werkstück verwendeten
Abbildungsoptiken.
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Durch
die freie Wahl von Pulsabstand und Pulsenergie können insbesondere bei mehrschichtigen
Werkstücken
verschiedene Prozessschritte, bei denen unterschiedliche Materialien
abgetragen werden und die gemäß dem Stand
der Technik getrennt voneinander durchgeführt werden, zusammengefasst
und somit die Leistung, d.h. die pro Zeiteinheit bearbeiteten Werkstücke, erhöht werden.