-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen Werkstücken in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Das Perforieren von Kunststofffilmen durch elektrisch erzeugte Funken ist durch
US 4,777,338 bekannt. Es ist eine Vielzahl von Elektroden-Gegenelektroden-Paaren vorgesehen, zwischen denen der Kunststofffilm geführt wird und über die Hochspannungsenergie durch Funkenüberschlag entladen wird. Der Film wird dabei durch ein Wasserbad geführt, und die Temperatur des Wasserbades dient dazu, die Größe der Perforationen zu beeinflussen.
-
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Poren in Kunststofffilmen ist durch
US 6,348,675 B1 bekannt. Es werden Impulsfolgen mit Funkenüberschlag zwischen Elektrodenpaaren unter Zwischenlage des Kunststofffilms erzeugt, wobei der erste Impuls zur aufheizung des Kunststofffilms an der Lochungsstelle und die weiteren Impulse zur Bildung der Lochung und deren Formung dienen.
-
Aus
US 4,390,774 ist die Bearbeitung auf elektrischem Wege von nicht leitfähigen Werkstücken im Sinne von Schneiden des Werkstücks oder Schweißen des Werkstücks bekannt. Ein Laserstrahl wird auf das Werkstück gerichtet, das während der Einwirkung verschoben wird, und es wird mittels zweier Elektroden Hochspannung an die Laser-Strahl erhitzte Zone angelegt, um Funkenüberschlag zu bilden, der zur Bearbeitung des Werkstücks dient. Beim Schneiden des Werkstücks brennt dieses in einer kontrollierbaren Weise. Wenn Werkstücke geschweißt werden sollen, werden noch reaktive oder inerte Gasströme auf die erhitzte Zone gerichtet, die entweder mit dem Werkstück oder der Elektrode oder einem Flussmittel reagieren. Auf diese Weise kann Glas, Papier, Tuch, Karton, Leder, Kunststoff, Keramik und Halbleiter geschnitten oder es können Glas und Kunststoff geschweißt, Gummi vulkanisiert und Kunstharz thermisch ausgehärtet werden. Die Gerätschaft ist aber ihrer Art nach zu klobig, als dass feine Löcher in das Werkstück appliziert werden könnten.
-
Aus
WO 2005/097439 A2 ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, vorzugsweise eines Loches, eines Hohlraums oder eines Kanals in einer Region eines elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei dem Energie vorzugsweise in Form von Wärme, auch durch einen Laserstrahl, dem Substrat oder der Region zugeführt und eine Spannung an die Region angelegt wird, um dort einen dielektrischen Durchbruch zu erzeugen. Mit einem Rückkopplungsmechanismus wird der Vorgang geregelt. Es können feine, einzelne Löcher nacheinander erzeugt werden, jedoch kann nicht mit mehreren Elektrodenpaaren gleichzeitig gearbeitet werden. Parallel arbeitende Hochspannungselektroden beeinflussen sich gegenseitig und lassen eine indivuduelle Ansteuerung nicht zu.
-
Durch
WO 2009/059786 A1 ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, insbesondere eines Loches, eines Hohlraums, eines Kanals oder einer Aussparung in einer Region eines elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei der geladene elektrische Energie durch die Region entladen wird und zusätzliche Energie, vorzugsweise Wärme, dem Substrat oder der Region zugeführt wird, um die elektrische Leitfähigkeit des Substrats oder der Region zu vergrößern und dabei einen Stromfluss auszulösen, dessen Energie sich in dem Substrat in Wärme umwandelt, wobei die Rate der Wärmeumwandlung der elektrischen Energie durch ein Strom und Leistung modulierendes Element gesteuert wird. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht offenbart.
-
Aus
WO 2009/074338 A1 geht ein Verfahren zur Einführung einer Änderung der dielektrischen und/oder optischen Eigenschaften in einer ersten Region eines elektrisch isolierenden oder elektrisch halbleitenden Substrats hervor, wobei auf das Substrat, dessen optische oder dielektrische Eigenschaften infolge zeitweiliger Zunahme der Substrattemperatur irreversibel verändert sind, gegebenenfalls eine elektrisch leitende oder halbleitende oder isolierende Schicht aufweist, wobei elektrische Energie durch eine Spannungszufuhr der ersten Region zugeführt wird, um diese signifikant aufzuheizen oder teilweise oder ganz zu schmelzen, ohne dass Material aus der ersten Region ausgeworfen wird, wobei ferner optional zusätzliche Energie zugeführt wird, um örtliche Wärme zu erzeugen und die Stelle der ersten Region zu definieren. Die Wärmeumwandlung der elektrischen Energie manifestiert sich in Form eines Stromflusses innerhalb des Substrats.
-
Die Abgabe der elektrischen Energie wird durch ein Strom und Leistung modulierendes Element geregelt. Nach dem Verfahren erzeugte Änderungen in Substratoberflächen umfassen auch Löcher, die in Borsilikatglas oder Siliziumsubstraten erzeugt worden sind, die mit einer isolierenden Schicht aus Paraffin oder einem Heizschmelzkleber versehen worden waren. Es werden auch Löcher in Silizium, in Zirkon, in Saphir, in Indiumphosphid oder in Galliumarsenid erzeugt. Teilweise wurde der Entladungsprozess durch eine Laserbestrahlung bei einer Wellenlänge von 10,6 μm (CO2-Laser) initiiert. Es werden auch Lochraster gezeigt, jedoch mit relativ weiten Lochabständen. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht offenbart.
-
Aus dem Stand der Technik geht somit hervor, wie man Folien und dünne Platten aus dielektrischen Materialien mittels eines elektrischen Hochspannungsfeldes geeigneter Frequenz oder in Impulsform perforieren kann. Durch lokale Aufheizung des Materials wird an den zu perforierenden Stellen die Durchschlagsfestigkeit herabgesetzt, so dass die angelegte Feldstärke ausreicht, einen elektrischen Strom durch das Material fließen zu lassen. Falls das Material eine ausreichend starke Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist, wie dies bei Gläsern, Glaskeramiken und Halbleitern (auch vielen Kunststoffen) zutrifft, entsteht in dem Material eine „elektrothermische Selbstfokussierung” des Durchschlagskanals. Das Lochmaterial wird immer heißer, die Stromdichte nimmt zu, bis das Material verdampft und die Perforation „freibläst”. Da die Perforation auf einem dielektrischen Durchbruch beruht, ist es jedoch schwierig, die gewünschte Stelle des Durchschlags genau einzuhalten. Bekanntlich nehmen z. B. atmospährische Blitze einen sehr unregelmäßigen Verlauf.
-
Bei CPU-Chips gibt es mehrere Hundert Kontaktpunkte auf seiner Unterseite auf kleiner Fläche verteilt. Um Zuleitungen zu den Kontaktpunkten zu schaffen, werden dünne (< 1 mm) Plättchen, mit Epoximaterial ummantelte Glasfasermatten, sogenannte „Interposer”, benutzt, durch die die Zuleitungen führen. Hierzu werden mehrere Hundert Löcher in dem Interposer angebracht und mit leitfähigem Material verfüllt. Typische Lochgrößen liegen im Bereich von 250 bis 450 μm je Loch. Zwischen CPU-Chips und Interposer sollte es keine thermischen Längenänderungen geben. Die Interposer sollten deshalb ein Wärmedehnverhalten ähnlich dem Chip-Halbleitermaterial aufweisen, was jedoch bei den bisher verwendeten Interposern nicht zutrifft.
-
Was im Stand der Technik weiterhin fehlt, ist die Erzeugung in industriellem Maßstab einer Vielzahl von feinen Löchern nebeneinander mit Lochabständen im Bereich von 120 μm bis 400 μm mittels des elektrothermischen Perforierungsvorgangs.
-
Allgemeine Erfindungsbeschreibung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen Werkstücken in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern, zu schaffen, wenn Forderungen, wie an Interposer gestellt, erfüllt werden sollen:
Die Löcher sollen exakt (±20 μm) positioniert werden können. Es sollen viele (10 bis 10.000) kleine Löcher pro Werkstück bei engen Toleranzen der Löcher zueinander erzeugt werden können. Die Löcher sollen in einem engen Abstand (30 μm bis 1000 μm) zueinander erzeugt werden können. Die Lochform soll an dem Bohrungsaustritt und -eintritt konisch-kraterförmig ausgebildet sein können, während sie im mittleren Bohrungsbereich zylindrisch sein soll. Die Lochwandung soll feuerpoliert sein. Die Löcher sollen im industriellen Maßstab, d. h. viele Mikrolöcher pro Werkstück gleichzeitig, erzeugt werden können.
-
Die erfindungsgemäße Locherzeugungsvorrichtung beruht auf symmetrisch um das zu erzeugende Loch im Werkstück angeordnete Einzelelektroden und Einzelgegenelektroden, die zur Abgabe von Hochspannungsimpulsen individuell getriggert werden. Für die Einschaltung der einzelnen Elektroden und Gegenelektroden sorgt ein Zufallsgenerator oder ein Konzept, das dafür sorgt, dass die Einschaltungspaarungen der Elektroden-Gegenelektroden für alle Einzelelektroden im statistischen Durchschnitt gleich häufig auftritt. Auf diese Weise sorgt man für axiale Symmetrie der im Großen und Ganzen zylindrischen Wände der Löcher, während die Lochkanten am Ein- und Austritt der Löcher abgerundet sind. Diese Lochform eignet sich in hervorragender Weise für die Herstellung von sogenannten „Interposern”, welche Verbindungsbrücken zwischen CPU-Chips und Schaltungsplatten (motherboard) bilden.
-
Im Einzelnen ist eine Anordnung (Array) von Elektrodenhaltern und von Gegenelektrodenhaltern vorgesehen, die den Bearbeitungsraum für das Werkstück begrenzen. Die einzelnen Hochspannungselektroden und Gegenelektroden sind an diesem Elektrodenhalter und Gegenelektrodenhalter angebracht. Das zu lochende Werkstück wird im Bearbeitungsraum von einem Werkstückhalter positioniert, so dass die zu bearbeitenden Stellen in der Verbindungslinie zwischen den einzelnen Hochspannungselektroden und Gegenelektroden liegen. Zur Abgabe von Hochspannungsdurchschlägen durch das Werkstück hindurch wird die Hochspannungsquelle an einzelne, sich gegenüber stehende Elektroden-Gegenelektroden angeschaltet. Da es mehrere einzelne Elektroden-Gegenelektroden bei jedem herzustellenden Loch gibt, wird eine einzelne Hochspannungselektrode zu einer einzelnen Gegenelektrode wirksam geschaltet. Auf diese Weise werden Bündel von Hochspannungsüberschlägen erzeugt, die zu einer gewünschten Form und Ausbildung des jeweils geschaffenen Loches beitragen.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Hochspannungselektroden und die Gegenelektroden jeweils drei Einzelelektroden. Dies stellt einen guten Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand der Löchererzeugungsvorrichtung und der Güte der Locherzeugung dar, wobei noch der Vorteil erzielt wird, dass sich die Lebensdauer der Elektroden um mehr als dreimal verlängert. (Die Betriebspausen zwischen den Spannungsdurchschlägen führt zu zwischenzeitlicher Abkühlung der Elektroden und damit zu deren Lebensdauerverlängerung.)
-
Für die Hochspannungselektroden und Gegenelektroden sind jeweilige Elektrodendurchführungen durch die Elektrodenhalter und Gegenelektrodenhalter vorgesehen. Zu diesem Zweck erhalten die Elektrodenschäfte jeweilige Keramikaußenmäntel zu Isolationszwecken, und es werden Ringstrukturen zur präzisen Halterung der jeweiligen Elektrodenmäntel vorgesehen.
-
Als Material der Elektroden wird Wolfram-Carbid-Legierung bevorzugt. Die Elektroden werden mit präzise gearbeiteten Elektrodenspitzen (μm-Bereich) versehen, was durch Funkenbearbeitung (EMD = Electric Discharge Machining) erzeugt werden kann.
-
Um eine Vielzahl von Löchern gleichzeitig herzustellen, ist eine Vielfachanordnung von symmetrisch um vorzusehende Lochungen angeordneten Elektroden-Gegenelektroden-Paaren vorgesehen. Jedes dieser Elektroden-Gegenelektroden-Paare wird von einer gesonderten Hochspannungsquelle gespeist. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein leitfähig gewordenes Loch den Strom von allen noch nicht leitfähig gewordenen Löchern abzieht. Die Unabhängigkeit der Stromversorgung für jedes Elektroden-Gegenelektroden-Paar sorgt für die unabhängige Herstellung jedes einzelnen Loches in dem Werkstück.
-
Um die Löcher präzise zu positionieren, ist es möglich, die Lochungsstellen zu markieren, indem das Werkstück an der gewünschten Stelle für den Hochspannungsdurchschlag präpariert wird. Hierzu können Laserstrahlen ausreichend hoher Intensität dienen, die das Material des Werkstückes entlang von jeweiligen filamentartigen Kanälen schädigen, wodurch an diesen Stellen die elektrische Durchbruchsfestigkeit herabgesetzt wird. Die hochpräzise Herstellung der Markierungen garantiert die hochpräzise Lokalisierung der Löcher im nachfolgenden elektrothermischen Lochungsprozess.
-
Die Markierung der Lochungsstellen kann auch über punktförmig auf dem Werkstück aufgedrucktes Ankopplungsmaterial (mit großem dielektrischem Verlustwinkel) erfolgen, welches Material Bestandteile enthält, die den dielektrischen Durchschlag fördern.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 eine schematisch skizzierte Anlage zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen Werkstücken,
-
2 eine Prinzipdarstellung einer Hochspannungselektrode und Gegenelektrode und
-
3 eine Hochspannungselektrode, und
-
4 eine vergrößerte Einzelheit aus 3.
-
Detaillierte Beschreibung
-
1 zeigt eine Anlage zur Markierung von Lochstellen 10 und zur Herstellung von Löchern 12 in dielektrischen Werkstücken 1. Die Markierungseinrichtung besteht aus einer Anordnung 4 von Lasern 40, die zu Zwecken der Erfindung nicht unbedingt notwendig ist, jedoch eine besonders präzise Positionierung der vorgesehenen Lochungen ermöglicht. Die Laser 40 geben Lichtstrahlen 41 in einem für das dielektrische Werkstück 1 im Wesentlichen transparenten Wellenlängenbereich, jedoch mit einer solch hohen Intensität ab, dass die Lichtstrahlen 41 einen filamentartigen Schädigungskanal 11 in dem Material des Werkstückes 1 an solchen Stellen hervorrufen, wo die Lochung präzise gewünscht wird. „Im Wesentlichen transparent” bedeutet hier, dass der Laserstrahl tief genug in das zu lochende Material eindringen kann, dieses jedoch genügend Absorbsionseingeschaften aufweist, damit die Schädigung entlang des Kanals 11 auftritt
-
Die Löcher 12 gewünschter Abmessung werden durch Elektroden 6 im Zusammenwirken mit Gegenelektroden 7 erzeugt. Die sich gegenüber stehenden und miteinander kooperierenden Elektroden 6 und 7 sind symmetrisch um das zu erzeugende Loch 12 angeordnet und als mehrfache Einzelelektroden ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind es jeweils drei Einzelelektroden 6a, 6b, 6c, die generell in einer schematisch dargestellten Haltekonstruktion 20, und hinsichtlich der Einzelelektroden 7a, 7b, 7c in einer weiteren Haltekonstruktion 30 befestigt sind. Zwischen den Haltekonstruktionen 20, 30 erstreckt sich der Bearbeitungsraum 23 des Werkstückes 1. Innerhalb des Bearbeitungsraumes 23 kann das Werkstück 1 mittels eines Werkstückhalters 5 verschoben und präzise positioniert werden.
-
Die Haltekonstruktionen 20, 30 sind zur Halterung einer Vielzahl von Elektrodenhaltern 21 beziehungswiese 31 (2) vorgesehen, die jeweils ein Arry in ihrer Haltekonstruktion 20 beziehungsweise 30 bilden. Jeder Elektrodenhalter 21 beziehungsweise 31 enthält einen Zylindermantel 22 beziehungsweise 32 und drei Druchführungen 24 beziehungsweise 34 für drei Einzelelektroden, die mit ihrer Spitze zu einer Stelle nahe der Achse des Zylindermantels geführt wird (siehe 3).
-
Die Elektroden 6, 7 sind mit einer Hochspannungsquelle (nicht gezeichnet) verbindbar, um Funken zwischen den Elektroden 6 und den Gegenelektroden 7 zu erzeugen, was in 2 näher dargestellt ist. Die einzelnen Elektroden 6a, 6b, 6c sowie 7a, 7b, 7c sind mit einer nicht dargestellten Permutationseinrichtung verbunden, welche die Elektroden 6a, 6b, 6c beispielsweise umlaufend an die Hochspannungsquelle angeschaltet, während die einzelnen Gegenelektroden 7a, 7b, 7c nach dem Zufallsprinzip mit dem Gegenpol der Hochspannungsquelle verbunden werden. Es kann auch ein anderes Triggerkonzept angewendet werden, damit alle wirksamen Elektrodenpaarungen gleich oft vorkommen. Von jeder Elektrodenspitze geht somit ein Funke zu jeder anderen Gegenelektrode aus, wodurch erwartet werden kann, dass die Wände der Löcher 12 jedenfalls in ihrem mittleren Bereich zylindrisch verlaufen und axiale Symmetrie einhalten. Ferner kann erwartet werden, dass die Lochkanten am Ein- und Austritt der Löcher abgerundet-gebrochen sind, wie es gewünscht wird.
-
4 zeigt eine Durchführung 24 einer einzelnen Elektrode 6 durch den Zylindermantel 22 des Elektrodenhalters 21. Die Durchführung 34 durch den Elektrodenhalter 31 ist gleichartig. Der Zylindermantel 22 weist Aussparungen 25 auf, durch die sich die jeweiligen Einzelelektroden erstrecken. Die Schäfte dieser Elektroden sind mit einem elektrisch isolierenden Keramikmantel 26 umhüllt, der aus hochtemperaturtauglichem Aluminiumoxid bestehen kann und der noch eingebettet ist in einer Scheibe 27 aus temperaturfestem Material. Die Scheibe 27 ist am Zylindermantel 22 über der Aussparung 25 befestigt. Die Einzelelektroden weisen perfekte Elektrodenspitzen auf, welche aus Wolfram-Carbid-Legierung bestehen, und nach dem EDM-Verfahren (Electric Discharge Machining) geschärft sind, so dass ihr Spitze im μm-Bereich scharf ist.
-
Anstelle der Markierungseinrichtung durch eine Laseranordnung 4 kann auch eine Markierungseinrichtung benutzt werden, die Ankopplungspunkte gemäß dem Muster der Lochungen 10 aufdruckt. Das Ankopplungsmaterial fördert den elektrischen Durchschlag und den Schmelzfluss im Lochbereich des Werkstücks.
-
Die Anlage nach 1 wird wie folgt betrieben: Wenn es auf besonders präzise Lokalisierung der Lochungsstellen 10 ankommt, wird eine Markierung dieser Lochungsstellen vorgenommen, was im Falle der 1 durch die Anordnung 4 der Laser 40 und der Abgabe von Laserstrahlung 41 geschieht. Das Werkstück 1, welches zum Beispiel aus Glas besteht, wird von der Strahlung 41 an den Lochungsstellen 10 durchdrungen, wobei die Strahlung 41 so intensiv ist, dass im Glas ein filamentartiger Schädigungskanal 11 entsteht. Dieser Vorlauf ist aber für die prinzipielle Wirkungsweise der Vorrichtung nach 1 nicht notwendig.
-
Das Werkstück 1 wird relativ zu den Elektroden-Gegenelektroden 6, 7 so positioniert, dass die vorgesehenen Lochungsstellen 10 in den jeweiligen Verbindungslinien zwischen diesen Elektroden-Gegenelektroden-Paaren 6, 7 zu liegen kommen. Durch Anlage von Hochspannung kommt es zu Durchschlägen durch das Material des Werkstücks 1 an den Lochungsstellen, wobei es eine Spezialität der Erfindung darstellt, symmetrisch um jede Lochungsstelle herum Entladungsfunken zu erzeugen, die von den Einzelelektroden 6a, 6b, 6c zu den Einzelelektroden 7a, 7b, 7c verlaufen. Durch die nicht dargestellte Permutationseinrichtung wird dafür gesorgt, dass jeweils eine Einzelelektrode des Elektrodenhalters 26 mit einer Einzelelektrode des Elektrodenhalters 37 kooperiert d. h. dass zwischen diesen Einzelelektroden ein Funke überspringt, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Permutationseinrichtung sorgt für abwechselndes Einschalten der Einzelelektroden, so dass im Mittel alle Einzelelektroden jedes Elektrodenhalters mit den Einzelelektroden des Gegenelektrodenhalters kooperieren und im Mittel gleich belastet werden. Dadurch wird eine axiale Symmetrie der Lochwände erhalten, die in ihrem mittleren Bereich zylindrisch ausgebildet werden, während die Kanten an den Lochrändern abgerundet werden. Diese Lochkontur ist für die Verwendung des Werkstücks als Interposer besonders geeignet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4777338 [0002]
- US 6348675 B1 [0003]
- US 4390774 [0004]
- WO 2005/097439 A2 [0005]
- WO 2009/059786 A1 [0006]
- WO 2009/074338 A1 [0007]
