DE102019108131A1

DE102019108131A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen

Info

Publication number: DE102019108131A1
Application number: DE102019108131.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Eifel; Jens Holtkamp; Joachim Ryll
Original assignee: Pulsar Photonics GmbH
Current assignee: Pulsar Photonics GmbH
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen (5) an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks (1), umfassend eine Werkstückaufnahme (6), die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück (1) aufzunehmen, eine mit der Werkstückaufnahme (6) zusammenwirkende Werkstückpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen (x, y) aufgespannten Ebene auszuführen, eine Laserstrahlungsquelle (7), die dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Laserstrahl (10) zu erzeugen und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung (5) eine Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung des Werkstücks (19 auszusenden, eine der Laserstrahlungsquelle (7) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlformungseinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus dem Laserstrahl (10) einen modulierten Laserstrahl (20) zu formen, eine der Strahlformungseinheit (8) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit (9), die dazu eingerichtet ist, den modulierten Laserstrahl (20) in Richtung des Werkstücks (1) auszulenken und einen Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung (13, 14, 15) auf dem Werkstück (1) abzubilden, eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf die Bearbeitungsstellen auszuführen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück bewegt wird, und zumindest während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen einer zur Werkstückbewegung synchrone Kompensationsbewegung des Laserspots auszuführen, so dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen keiner Relativbewegung zu dem Werkstück (1) unterliegt, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die von der Werkstückpositionierungseinheit bzw. Strahlpositionierungseinheit (9) ausgeführte Werkstückbewegung, Positionierbewegung und Kompensationsbewegung unter Gewährleistung der vorangehend genannten Voraussetzungen zu steuern.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohren (5) in einem Werkstück, welchem die ebenfalls mit der Erfindung beanspruchte Vorrichtung zugrunde liegt.Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ausbildung von VIA-Laserbohrungen (5) mit einer hohen

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen in einem Werkstück. Bei den genannten Werkstücken kann es sich um ein- oder mehrlagige Flachsubstrate wie Leiterplatten oder Folien handeln. Grundsätzlich können jedoch auch jene Werkstücke mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden, die eine von einer flachen Form abweichende Gestalt aufweisen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren können gleichermaßen starre wie auch flexible Werkstücke bearbeitet werden.
Im Wege der kontinuierlich fortschreitenden Entwicklung der Lasertechnologie ist es seit vielen Jahren bekannt, Laser zur Bearbeitung von Werkstoffen bzw. Werkstücken einzusetzen, beispielsweise im Bereich der Fertigung elektronischer Bauelemente, hierbei insbesondere zur Bearbeitung von jenen die Bauelemente tragenden Leiterplatten oder Folien. Zunächst wurden dazu vornehmlich CO₂-Laser eingesetzt, inzwischen haben jedoch UV-Nanosekundenlaser eine besondere Relevanz bei der Laserbearbeitung erlangt. Grundsätzlich kann sowohl CO₂- als auch UV-Laserstrahlung zur Bearbeitung von Kunststoffen eingesetzt werden. Die Auswahl der Laserquelle hängt letztlich von den Absorptionseigenschaften des zu bearbeitenden Kunststoffs ab. Grundsätzlich muss der zu bearbeitende Kunststoff für eine abtragende Bearbeitung (also beispielsweise der Ausbildung einer VIA-Laserbohrung) die eingestrahlte Laserstrahlung (z.B. die von einem CO₂ oder einem UV-Laser emittierte Laserstrahlung) zumindest partiell absorbieren. Dabei ist es grundsätzlich bekannt, Laserstrahlung zur Ausführung von Schneid-, Fräs- und Bohrvorgängen einzusetzen. Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Ausbildung von mittels eines Lasers ausgebildeten Bohrungen.
Bei der Ausbildung von Laserbohrungen wird mit gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung Material des zu bearbeitenden Werkstoffs - insbesondere im Bereich der auszubildenden Bohrung - abgetragen. Bei der Bearbeitung von für die Elektronik vorgesehenen Bauteilen (beispielsweise Leiterplatten) ist die Verwendung von kontinuierlicher Laserstrahlung zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen jedoch eher unbedeutend. Die nachfolgenden Ausführungen nehmen daher insbesondere auf die Verwendung gepulster Laserstrahlung Bezug.
Bei der Materialabtragung mit gepulster Laserstrahlung wird die Laserstrahlung von dem zu bearbeitenden Werkstück absorbiert. Dabei kann die Strahlungsenergie beispielsweise in Wärme umgesetzt werden. Auch können in Folge des Strahlungseintrags chemische Verbindungen aufgebrochen werden (sog. chemische Ablation). Entsprechend wird das Werkstück lokal innerhalb kürzester Zeit erwärmt, der Werkstoff des Werkstücks lokal aufgeschmolzen und verdampft bzw. ionisiert. Bei Verwendung von Ultrakurzpuls-Lasern kann das bearbeitete Material sogar einer Sublimation unterliegen. Maßgeblichen Einfluss auf den Abtragungsvorgang hat die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung, bei gepulsten Lasern ist ferner die Pulsenergie und die Pulsdauer der applizierten Laserpulse von Bedeutung. Diese Stellgrößen werden je nach zu bearbeitendem Material und dem gewünschten Bohrungsdurchmesser auf den konkret vorliegenden Einzelfall angepasst. Die Bohrungstiefe kann beispielsweise über die Anzahl der applizierten Laserpulse bzw. die Bestrahlungsdauer eingestellt werden.
Die mit dem Laserbohren im Vergleich zu anderen Bohrverfahren einhergehenden Vorteile liegen insbesondere darin, dass der Bohrvorgang berührungs- und verschleißfrei, mit hoher Präzision und in hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Des Weiteren sind selbst kleinste Durchmesser und hohe Aspektverhältnisse zugänglich. Beispielsweise können Bohrungsdurchmesser von bis zu 20 µm ausgebildet werden. Ferner weisen die im Wege des Laserbohrens ausgebildeten Bohrungen in der Regel scharfe Kanten sowie Materialfreiheit am Bohrlochein- bzw. austritt auf.
Beim Laserbohren kommt insbesondere das Einzelpulsbohren, das Perkussionsbohren und das Trepanieren zur Anwendung. In der genannten Reihenfolge nimmt die zur Ausbildung der Bohrung benötigte Anzahl an Laserpulsen zu. Beim Einzelpulsbohren wird ein einziger Laserpuls auf einen bestimmten Bereich des zu bearbeitenden Werkstücks appliziert. Dabei wird der Bohrungsdurchmesser im Wesentlichen durch die verwendete Pulsenergie und den Fokusdurchmesser bestimmt. Jedoch ergeben sich in Bezug auf eine flexible Variation des Bohrungsdurchmessers Einschränkungen. Beim Perkussionsbohren erfolgt die Ausbildung der Bohrung durch Applizieren einer Serie von aneinandergereihten Einzelpulsen auf die zu bearbeitende Stelle. Gegenüber dem Einzelpulsbohren können mit diesem Verfahren bei gleicher Laserquelle größere Bohrtiefen erreicht werden. Die vorliegende Erfindung nimmt insbesondere auf die Variante des Perkussionsbohrens Bezug. Von Trepanieren spricht man, wenn der Laserstrahl entlang einer Kreiskontur über die Werkstückoberfläche geführt und das Loch durch den gepulsten Laserstrahl ausgeschnitten wird. Das Verfahren entspricht damit dem Perkussionsbohren mit nachfolgendem Kreisschneiden.
Beim Laserbohren können verschiedenste Laserstrahlungsquellen zum Einsatz kommen. Für einen präzisen Materialabtrag sollte eine möglichst kleine Fokussierung mit einem möglichst kurzwelligen Laser angestrebt werden. Im Zuge der Entwicklung leistungsfähigerer und langlebiger Laserstrahlungsquellen für den UV-Bereich, werden CO₂-Laser nur noch relativ selten eingesetzt. Auch Excimer-Laser kommen beim Laserbohren heutzutage kaum noch zum Einsatz. Standardmäßig werden jedoch UV-Nanosekundenlaser eingesetzt. Bei der Bearbeitung von Leiterplatten ist zu berücksichtigen, dass diese neben metallischen Oberflächen in der Regel auch Kunststoffanteile aufweisen. Um derartige Materialien zu bearbeiten, muss Laserstrahlung mit einer Wellenlänge verwendet werden, die von den Kunststoffanteilen des zu bearbeitenden Werkstücks absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich sind dazu weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich.
Weitaus häufiger werden beim Laserbohren die sogenannten Festkörperlaser eingesetzt, insbesondere Nd:YAG-Laser. Diese Laser können in Bezug auf die erzielbare Pulsdauer, Pulsenergie und Wellenlänge passgenau auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.
Das Verfahren des Laserbohrens eignet sich insbesondere zur Ausbildung von Durchkontaktierungen (sog. VIA-Bohrungen) zwischen den Leiterbahnebenen einer Leiterplatte. Häufig sind Leiterplatten mehrschichtig aufgebaut und umfassen eine obere und untere elektrisch leitende Metallschicht, die eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Kunststoff, Keramik oder einem Verbundwerkstoff (beispielsweise FR4, der ein Epoxidhard und Glasfasergewebe umfasst) einschließen. Durch den Einsatz von Laserstrahlung kann in einem vorgegebenen Bearbeitungsbereich der Leiterplatte eine Bohrung ausgebildet werden, sprich im Wege des Laserbohrens können sowohl die Metallschichten als auch die isolierende Zwischenschicht abgetragen werden. Die VIA-Bohrung kann vollständig durch das Werkstück hindurchragen (sogenannte Through VIA-holes), jedoch kann eine VIA-Bohrung auch dahingehend ausgebildet werden, dass lediglich eine der Metallschichten und die Zwischenschicht im Bereich der Bohrung abgetragen wird (sogenannte Blind VIA-holes). Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass die Erfindung zur Ausbildung sowohl von Through Via-holes als auch von Blind VIA-holes vorgesehen sein kann. Nachfolgend umfasst der Begriff der ,VIA-Laserbohrung‘ beide Varianten. Das Laserbohren eignet sich sowohl zur Bearbeitung von Leiterplatten mit einer Dicke von einem bis mehreren Millimetern, gleichsam können aber auch Laserbohrungen an dünnen Leiterplatten mit einer Dicke von wenigen Mikrometern, beispielsweise 50 - 60 µm, vorgenommen werden. Auch an flexiblen Folien können im Wege einer Laserbearbeitung Bohrungen ausgebildet werden. Dabei kann die Foliendicke von wenigen Mikrometern bis in den Millimeterbereich variieren, was jedoch eine Bearbeitung einer solchen Folie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht im Wege steht. Im Übrigen können auch Leiterplatten als Folien ausgebildet sein. Letztere lassen sich ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren bearbeiten.
Typischerweise weisen die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlen in Bezug auf ihren Strahlenquerschnitt ein Gauß'sches Intensitätsprofil auf. Über geeignete Strahlformungstechniken können Laserstrahlen jedoch unter Abänderung der Intensitätsprofile geformt werden. Für den Prozess des Laserbohrens ist dies deshalb von Interesse, da die Bohrung so direkt mit dem richtigen Durchmesser ausgebildet werden kann. Dies kommt insbesondere bei einer Verfahrensführung zum Tragen, bei welcher nach der Positionierung des geformten Laserstrahls auf dem Werkstück eine Mehrzahl von Laserpulsen auf das Werkstück appliziert werden. Eine im Wege eines solchen Perkussionsbohrens durchgeführte Laserbearbeitung zeichnet sich ferner durch eine hohe Verfahrensgeschwindigkeit aus. Durch die Verwendung von geformter Laserstrahlung kann die auf das Werkstück eingebrachte Energiedichte bei gleichzeitiger Leistungserhöhung reduziert werden. Durch geeignete Intensitätsverteilungen (beispielsweise eine ringförmige Intensitätsverteilung) kann die eingebrachte Strahlungsenergie bei gegebenem Bohrungsdurchmesser - im Vergleich zu einem klassisch gaußförmigen Intensitätsprofil - intelligenter auf der bestrahlten Fläche verteilt werden. Bei Verwendung von Laserstrahlung mit ringförmiger Intensitätsverteilung wird im Vergleich zu einem Laserstrahl mit gaußförmiger Intensitätsverteilung eine kleinere Fläche bestrahlt. Dabei wird eine Wärmeleitung bzw. Wärmeakkumulation ins Ringinnere für den Abtragungsprozess ausgenutzt. Gleichzeitig kann - im Vergleich zur Verwendung eines Gaußstrahls - durch die Verwendung einer ringförmigen Intensitätsverteilung eine schärfere Kontur der VIA-Laserbohrungen bei im Vergleich deutlich kleinerer Pulsenergie erzielt werden. Bei Verwendung von Laserstrahlung mit einer Top-Hat Intensitätsverteilung wird im Vergleich zu Laserstrahlung mit gaußförmiger Intensitätsverteilung - aufgrund des flacheren Profils - eine geringere Pulsenergie benötigt. Auch die Bohrungstiefe der Laserbohrungen kann von der vorherrschenden Intensitätsverteilung in Kombination mit einer bestimmten Pulsdauer und Anzahl der Laserpulse eingestellt werden.
Aus der koreanischen Patentanmeldung KR 20180060830 ist die Verwendung von gepulsten und geformten Laserstrahlen zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen in Leiterplatten bekannt. Dabei wird der von einer Laserstrahlungsquelle ausgehende Laserstrahl über eine Modulationseinheit, insbesondere eine LCOS-(Liquid Crystal on Silicon) Einheit, dahingehend moduliert, dass in einem Bearbeitungsbereich der Leiterplatte ein Laserspot mit einer bestimmten Intensitätsverteilung erzeugt wird. Beschrieben ist insbesondere die Erzeugung von - bezogen auf eine Strahlachse des Laserstrahls - ringförmigen Intensitätsprofilen. Der LCOS-Einheit können Linsen zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück nachgeordnet sein. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung bzw. dem beschriebenen Verfahren bleibt offen, ob und ggf. wie die zu bearbeitende Leiterplatte relativ zu der Laser-Bohrvorrichtung positioniert werden kann. Für den Fall, dass gleich mehrere Stellen der Leiterplatte mit Bohrungen versehen werden sollen, muss das Werkstück manuell in Bezug zur Bohrvorrichtung repositioniert werden. Damit einher gehen einerseits Präzisionsverluste bei der Positionierung des Werkstücks und andererseits eine Erhöhung der Bearbeitungszeit. Eine solche Vorrichtung ist für eine schnelle Ausbildung von Laserbohrungen in einem Werkstück ungeeignet.
Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Laserbohren zu erhöhen, ist es bekannt, Laserstrahlung an Spiegeln zu reflektieren und auf bestimmte Stellen einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auszulenken. Eine Anordnung mehrerer derartiger Spiegel können in einer Baueinheit zusammengefasst sein und einen Spiegelscanner ausbilden. Bekannt sind beispielsweise galvanometrisch angetriebene Spiegelscanner (Galvanometerscanner), deren zugehörige Spiegel über einen Drehantrieb um einen definierten Winkel verdreht werden können. Auf diese Weise kann ein auf einen solchen Spiegel einfallender Laserstrahl auf unterschiedliche Stellen des Werkstücks gerichtet werden. In der genannten Publikation KR 20180060830 findet zwar auch die grundsätzliche Eignung von „Scannern“ in Verbindung mit der dort beschriebenen Vorrichtung zum Laserbohren Erwähnung, die konkrete technische Umsetzung ist dort jedoch nicht beschrieben.
Zur Laserbearbeitung unterschiedlicher Stellen eines Werkstücks ist es ferner bekannt, das Werkstück relativ zu einem stationären Laserstrahl zu bewegen. Auch kann laserseitig eine Bewegungseinheit vorgesehen sein, mit der ein Laserspot oder ein festgelegtes Scanfeld (als Scanfeld ist jener Bereich des Werkstücks zu verstehen, der durch die Ablenkung des Laserstrahls an dem Galvanometerscanner zugänglich ist) relativ zu einem stationären Werkstück bewegt werden kann. Verwiesen sei beispielsweise auf den Offenbarungsgehalt der WO 2017/044646 A1 . Die Ausbildung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der nur eine Komponente (sei es der Laserbearbeitungskopf oder eine Werkstückpositionierungseinheit) relativ zu einer stationären weiteren Komponente bewegt wird, ist jedoch nachteilig, da dadurch nur relative geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreicht werden können. Insbesondere für den Fall, dass eine Vielzahl von Laserbohrungen in einem Werkstück ausgebildet werden sollen, limitiert eine solche Anordnung die Prozessökonomie. Mit der aus der WO 2017/044646 A1 bekannten Bearbeitungsvorrichtung können zwar auch Bohrungen mit Durchmessern von > 100 µm in hoher Geschwindigkeit ausgebildet werden, allerdings weist die dortige Vorrichtung ein aus zwei überlagerten Scannern zusammengesetztes Scansystem auf, dessen Aufbau und Ansteuerung technisch aufwändig ist. Ferner erlaubt die dortige Vorrichtung keinen Einsatz geformter Laserstrahlung im Perkussionsbohrverfahren.
Zur Positionierung eines Laserspots an mehreren zu bearbeitenden Stellen eines Werkstücks, ist es weiterhin bekannt, das Werkstück und den Laserspot simultan zu bewegen, bzw. die Scanbewegung des Laserspots und die Werkstückbewegung zu synchronisieren. Beachtlich ist dabei insbesondere eine Synchronisierung unterschiedlicher Bewegungsgeschwindigkeiten. Denn im Vergleich zur Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks (beispielsweise über einen xy-Tisch), ist die beispielsweise von einem Galvanometerscanner erzeugte Bewegungsgeschwindigkeit des Laserspots um ein Vielfaches höher. Bekannt ist ein solches Vorgehen beispielsweise aus der US 2018/0339364 A1 . Die Kombination eines derartigen Positioniersystems mit einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren, mit welchem Laserbohrungen im Wege des schnellen Perkussionsbohrverfahrens unter Verwendung geformter Laserstrahlung mit intelligent verteiltem Energieeintrag auf dem Werkstück ausgebildet werden können, ist bisher nicht bekannt.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks bereitzustellen, welche(s) die Ausbildung von VIA-Laserbohrungen mit einer hohen und von der Werkstückgröße unabhängigen Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer zuverlässigen Prozessqualität unter flexibler Einstellung des Bohrungsdurchmessers ermöglicht.
Gelöst wird die genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 36.
Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung ist zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst

a. eine Werkstückaufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück aufzunehmen;
b. eine mit der Werkstückaufnahme zusammenwirkende Werkstückpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene auszuführen;
c. eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung eine Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung des Werkstücks auszusenden;
d. eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlformungseinheit, die dazu eingerichtet ist, aus dem Laserstrahl einen modulierten Laserstrahl zu formen;
e. eine der Strahlformungseinheit in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist,
- - den modulierten Laserstrahl in Richtung des Werkstücks auszulenken und einen Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück abzubilden,
- - eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf die Bearbeitungsstellen auszuführen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück bewegt wird, und
- - zumindest während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen eine zur Werkstückbewegung synchrone Kompensationsbewegung des Laserspots auszuführen, so dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen keiner Relativbewegung zu dem Werkstück unterliegt;
f. und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die von der Werkstückpositionierungseinheit bzw. der Strahlpositionierungseinheit ausgeführte Werkstückbewegung, Positionierbewegung und Kompensationsbewegung unter Gewährleistung der unter b. und e. angegebenen Voraussetzungen zu steuern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausbildung von Laserbohrungen, insbesondere VIA-Laserbohrungen, an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks vorgesehen, die jeweils durch Bestrahlen des Werkstücks mit gepulster Laserstrahlung erzeugt werden. Bei einem Werkstück kann es sich um ein sich flächenhaft in einer Hauptebene erstreckendes Flachsubstrat oder um ein anderweitig geformtes Substrat handeln.
Insbesondere kann es sich bei dem Werkstück um ein Bauteil aus einem metallischen, keramischen, polymeren oder glasartigen Werkstoff handeln, z.B. einen halbleitenden Wafer zur Herstellung eines mikrostrukturierten Bauteils, einen Lagerring für ein Gleit- oder Kugellager, ein Substrat zur Herstellung eines Displays, oder eine Metallfolie zur Herstellung einer Maske für die Lithographie, etc. Vornehmlich kann es sich bei dem zu bearbeitenden Werkstück im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber um eine Leiterplatte bzw. PCB Platte handeln. Eine solche Leiterplatte umfasst in der Regel eine ein- oder beidseitig mit einem elektrisch leitfähigen Metall (z.B. Kupfer) beschichtete Kunststoffplatte. Die Art des Kunststoffs ist dabei nicht festgelegt, sodass es sich um jegliche Kunststoffart handeln kann, die üblicherweise zur Herstellung von Leiterplatten verwendet wird (z.B. Polyimid). Auch kann es sich dabei um einen Verbundwerkstoff wie FR4 handeln, also einem aus Epoxidharz als Kunststoffkomponente und Glasfasern bestehenden Verbundmaterial. Weiterhin können auch Keramikplatten oder Glasplatten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden. Ebenso kommen ein- oder mehrschichtige Folien als zu bearbeitende Werkstücke in Betracht. Auch Folien können im Sinne der vorangehend beschriebenen Leiterplatte aus zwei elektrisch leitfähigen Außenschichten, sowie einer dazwischenliegenden, elektrisch isolierenden Zwischenschicht aufgebaut sein. Entsprechend können auch flexible oder folienartig ausgestaltete Leiterplatten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden.
Bei einer beidseitig beschichteten Leiterplatte bildet der elektrisch isolierende Werkstoff (sei es ein Kunststoff, ein Verbundmaterial, Keramik, oder Glas) eine elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen den metallischen Oberflächen aus. Die letztgenannten Werkstücke werden vorwiegend zur Anordnung elektronischer Komponenten eingesetzt, d.h. elektronische Bauteile wie Kondensatoren werden über Lötverbindungen auf eine elektrisch leitende Oberfläche des Werkstücks aufgelötet. Auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche können Leiterbahnen wie auch elektrisch isolierende Bereiche ausgebildet sein. In bestimmten Anwendungsbereichen kann es notwendig sein, solche Werkstücke mit Bohrungen zu versehen, sei es um Leiterbahnen durch die Bohrung hindurchzuführen oder um ein gegenüberliegend angeordnetes elektronisches Bauteil zu kontaktieren. Entsprechend ist die Vorrichtung dazu eingerichtet Laserstrahlen bereitzustellen, die sowohl die metallische Oberfläche(n) einer Leiterplatte als auch die isolierende Zwischenschicht abtragen können.
Ein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die bereits erwähnte Werkstückaufnahme. Diese dient der Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks. Da es sich - wie vorangehend beschrieben - bei dem Werkstück sowohl um eine biegesteife Leiterplatte, als auch um eine formflexible Folie handeln kann, und für eine positionsgenaue Ausbildung von Laserbohrungen eine exakte Anordnung des Werkstücks notwendig ist, kann die Werkstückaufnahme dazu eingerichtet sein, verschiedenste Arten von Werkstücken positionsfest anzuordnen. Zur Aufnahme von Folien kommt beispielsweise eine Rolle-zu-Rolle Anordnung als Werkstückaufnahme in Betracht. Weiterhin kann die Werkstückaufnahme zur Positionierung des Werkstücks Klemmelemente, Spannelemente, auf Unterdruck basierende Saugelemente oder Saugnäpfe, Schiebeelemente, Rastelemente, Anschlagselemente oder eine Kavität aufweisen. Auch eine magnetisch oder elektrostatisch vermittelte Befestigung kann im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommen. Im einfachsten Fall kann die Anordnung des Werkstücks auf der Werkstückaufnahme rein gewichtskraftbasiert erfolgen, d.h. das Werkstück wird auf die beispielsweise plattenförmig ausgebildete Werkstückaufnahme aufgelegt und verbleibt aufgrund seines Eigengewichts an einer bestimmten Position.
Ferner kann die Werkstückaufnahme mit optischen Markierungen versehen sein, um eine positionsgenaue Anordnung des Werkstücks zu erleichtern.
Mit der Werkstückaufnahme wirkt erfindungsgemäß eine Werkstückpositionierungseinheit zusammen. Diese ist dazu eingerichtet eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene auszuführen. Dies kann eine eindimensionale Linearbewegung in der Ebene wie auch eine zweidimensionale Bewegung in der Ebene (beispielsweise im Sinne einer Kurvenfahrt) umfassen. Während der Ausbildung der Laserbohrungen kann die Werkstückbewegung (entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades) kontinuierlich (d.h. ohne Stillstand) ausgeführt werden. Zu beachten ist jedoch, dass während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen, also während des Bohrvorgangs an sich, der auf eine Bearbeitungsstelle gerichtete Laserspot keine Relativbewegung gegenüber dem Werkstück erfährt. Dies bedeutet, dass der Laserspot während des Laserbohrens (also beim Applizieren einer Mehrzahl von Laserpulsen im Wege des Perkussionsbohrprozesses) synchron mit dem Werkstück bewegt wird, insbesondere mit gleicher Bewegungsgeschwindigkeit und entlang des gleichen Bewegungspfades. Dadurch ruht der Laserspot während des Bohrvorgangs in Bezug zum Werkstück. Die synchrone Bewegung des Laserspots wird durch die Strahlpositionierungseinheit ausgeführt, was an späterer Stelle noch genauer beschrieben ist. Auch (kurzzeitige) Stillstandsituationen der Werkstückbewegung und der Kompensationsbewegung des Laserspots sind grundsätzlich möglich, solange während des Laserbohrens keine Relativbewegung zwischen Laserspot und Werkstück stattfindet. Erwähnt sei bereits an dieser Stelle, dass zur Positionierung des Laserspots auf den einzelnen Bearbeitungsstellen, also insbesondere zur Neupositionierung des Laserspots nach Abschluss des Bohrvorgangs an einer Bearbeitungsstelle auf eine weitere Bearbeitungsstelle, eine Relativbewegung des Laserspots in Bezug zum Werkstück ausgeführt wird. Als Werkstückpositionierungseinheit kommt beispielsweise eine zwei- oder mehrachsige Lineareinheit in Betracht, die über geeignete Linearantriebe eine Bewegung der Werkstückaufnahme ausführen können. Lineareinheiten können synonym auch als Linearachsen bezeichnet werden.
Üblicherweise weist eine Linearachse eine Führungsschiene, ein entlang der Führungsschiene verfahrbares Fahrglied (beispielsweise einen Transportschlitten, der als Werkstückaufnahme ausgebildet sein kann) und eine Antriebsvorrichtung zum wahlweisen Bewegen und Positionieren des Fahrgliedes längs zur Führungsschiene auf. Nachfolgend sei das verfahrbare Fahrglied als Werkstückaufnahme bezeichnet. Zum Positionieren der verfahrbaren Werkstückaufnahme an eine vorgegebene Stelle, ist es erforderlich, dass die Antriebsvorrichtung die Werkstückaufnahme längs zur Führungsschiene sowohl beschleunigen als auch verzögern (d.h. bremsen) kann. Eine im Rahmen der hiesigen Erfindung als Bestandteil der Werkstückpositionierungseinheit zum Einsatz kommende Antriebsvorrichtung ist also sowohl zum Beschleunigen, als auch zum Bremsen der verfahrbaren Werkstückaufnahme in einer geradlinigen Bewegung längs zur Führungsschiene ausgebildet. In der Regel ist eine solche Antriebsvorrichtung dazu eingerichtet, die Werkstückaufnahme gleichförmig (d.h. mit konstanter Geschwindigkeit) oder mit alternierender Geschwindigkeit längs zur Führungsschiene zu bewegen. Bei der Antriebsvorrichtung kann es sich um einen mechanischen, elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb handeln. Bei Laserbearbeitungsvorrichtungen wird in der Regel auf elektrische Antriebe zurückgegriffen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter der Werkstückpositionierungseinheit insbesondere eine Anordnung einer oder mehrerer Linearachsen samt Antriebsvorrichtung(en) zu verstehen.
Die Werkstückaufnahme ist über eine geeignete Lagerung mit der Werkstückpositionierungseinheit verbunden. Bei Verwendung zweier Linearachsen, können diese in einer Horizontalebene senkrecht zueinander angeordnet sein. Auch können zusätzliche, in Bezug auf die vorgenannten Achsen gewinkelt angeordnete Linearachsen, beispielsweise Diagonal-Achsen, vorgesehen sein. Die Werkstückaufnahme kann - wie bereits erwähnt - als Fahrglied ausgebildet sein, beispielsweise als Transportsch litten.
Überdies kann die Werkstückpositionierungseinheit dahingehend ausgestaltet sein, die Werkstückaufnahme entlang nur einer Raumachse in einer Horizontalebene zu bewegen, oder aber entlang zweier innerhalb der Horizontalebene senkrecht zueinanderstehenden Raumachsen.
Ferner kann die Werkstückpositionierungseinheit dazu ausgebildet sein, eine flexible Positionierung des Werkstücks innerhalb der Horizontalebene zu ermöglichen. Denkbar ist zum Beispiel, die Werkstückpositionierungseinheit als robotergesteuerten Positionierarm auszubilden, der die Werkstückaufnahme innerhalb der genannten Horizontalebene flexibel positionieren kann. Auch kann vorgesehen sein, dass ein solcher Roboterarm dazu eingerichtet ist, die Werkstückaufnahme samt aufgenommenem Werkstück in Bezug auf eine Vertikalachse zu positionieren. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet ist, kann die Werkzeugpositionierungseinheit, beispielsweise in Form eines Roboterarms, dazu eingesetzt werden, die Werkstückaufnahme zur Aufnahme und Entnahme eines Werkstücks an eine Stelle zu bewegen, die außerhalb des Gehäuses liegt. Dadurch wird einem Nutzer der Vorrichtung die Anordnung und Entnahme des Werkstücks in bzw. aus der Werkstückaufnahme erleichtert.
Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung eine Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung des Werkstücks auszusenden. Dabei verläuft der ausgesendete Laserstrahl entlang eines optischen Pfades bis zum Auftreffen auf das Werkstück. Zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Werkstück kann der ausgesendete Laserstrahl optische Funktionselemente durchlaufen, an diesen reflektiert, gebrochen, geteilt der abgelenkt werden. Unter dem erzeugten und ausgesendeten Laserstrahl kann vorliegend ein kontinuierlicher Laserstrahl, insbesondere aber ein Laserpuls zu verstehen sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlformungseinheit. Diese ist dazu eingerichtet, aus dem Laserstrahl einen modulierten Laserstrahl zu formen. Der Begriff der „Strahlrichtung“ nimmt in diesem Zusammenhang auf den Verlauf des Laserstrahls Bezug. Die Angabe der in Strahlrichtung in Bezug zur Laserstrahlungsquelle „nachgeordneten“ Strahlformungseinheit meint, dass die Strahlformungseinheit entlang des optischen Pfades hinter der Laserstrahlungsquelle angeordnet ist. Der Laserstrahl wird also zunächst erzeugt und tritt erst dann in die Strahlformungseinheit ein bzw. trifft auf diese auf.
Unter dem Begriff der „Strahlformung“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Einstellung einer gewünschten (Laserstrahl)-Intensitätsverteilung zu verstehen, die ein auf das Werkstück abgebildeter Laserspot des modulierten Laserstrahls auf dem zu bearbeitenden Werkstück erzeugt. Zur Strahlformung ist in der Strahlformungseinheit eine Modulationseinheit vorgesehen, mit welcher der von der Laserstrahlungsquelle erzeugte und ausgesendete Laserstrahl dahingehend geformt bzw. moduliert werden kann, dass nach dem Auftreffen auf die Modulationseinheit oder dem Hindurchtreten durch die Modulationseinheit ein modulierter Laserstrahl erzeugt wird, der auf dem Werkstück im Bereich eines Laserspots eine vorgegebene oder gewünschte Intensitätsverteilung erzeugt. Beachtlich ist dabei, dass der Strahlformungseinheit eine Fokussiereinheit nachgeordnet ist, mit welcher der modulierte Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert werden kann.
Bei der Modulationseinheit kann es sich beispielsweise um eine im Fachjargon als „Spatial Light Modulator“ bezeichnete Baueinheit handeln. Unter einem solchen Spatial Light Modulator ist ein optisches Bauelement zu verstehen, welches die Phase und/oder die Amplitude eines Laserstrahls lokal in Abhängigkeit vom Ort variiert. Vermöge des Spatial Light Modulators wird ein eingehender Laserstrahl phasen- und/oder amplitudenmoduliert. Aus dem Stand der Technik sind Spatial Light Modulatoren zur Durchstrahlung bekannt, die lokal eine Phasenverzögerung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Weiterhin sind Spatial Light Modulatoren bekannt, die lokal eine Amplitudenschwächung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Beide Arten von Spatial Light Modulatoren wirken als diffraktive Elemente, hinter denen sich Beugungsbilder ergeben, die von der genauen räumlichen Anordnung der verzögernden bzw. abschwächenden Bereiche abhängen. Das dem Laserstrahl durch den Spatial Light Modulator aufgeprägte Phasenbild wird ist - mathematisch gesehen - die inverse Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung im Fokus der nachfolgenden Linse. Entsprechend führen Linsen (auch etwaige dem Spatial Light Modulator nachgeschaltete Linsen wie z.B. eine zur Fokussierung eingesetzte Linse) im mathematischen Sinne eine Fouriertransformation aus, d.h. eine Transformation vom Winkel- zum Ortsraum und umgekehrt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik variable Spatial Light Modulatoren bekannt, bei denen sich die auf dem Werkstück ergebende Intensitätsverteilung des modulierten Laserstrahls elektronisch einstellen lässt. Auch solche variablen Spatial Light Modulatoren können auf einer lokal variierenden Phasenverzögerung und/oder Amplitudenabschwächung basieren. In der Regel werden solche Spatial Light Modulatoren nicht durchstrahlt, sondern in einer Reflexionskonfiguration verwendet. Beispielhaft seien an dieser Stelle Spatial Light Modulatoren genannt, die auf einer Reflexion von Laserstrahlung an einer Halbleiteroberfläche basieren, vor welcher eine Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Dabei können die doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristallschicht gezielt lokal eingestellt werden, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes über mikrostrukturierte Elektroden. Entsprechende Spatial Light Modulatoren werden von der Firma Hamamatsu unter der Bezeichnung LCOS („Liquid Crystal on Silicon“)-Spatial Light Modulator vertrieben. Weiterhin sind auch transmittierende variable Spatial Light Modulatoren bekannt, diese werden beispielsweise von der Firma Jenoptik unter der Bezeichnung „Flüssigkristall-Lichtmodulatoren Spatial Light Modulator-S“ vertrieben.
Weiterhin seien amplitudenmodulierte variable Spatial Light Modulatoren genannt, die auf mikromechanischen Mikrospiegelarrays basieren. Die einzeln ansteuerbaren Mikrospiegel erlauben es, gezielt räumliche Bereiche aus dem Querschnitt eines Laserstrahls „auszublenden“. Sodann ergibt sich ein Beugungsbild durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an einem „Gitter“ in einer Reflexionsanordnung.
Beide Arten von variablen Spatial Light Modulatoren erlauben die Erzeugung von in weiten Grenzen frei vorgebbaren Intensitätsverteilungen auf dem Werkstück durch Beugung von Laserstrahlung. Vom Umfang der Erfindung ist daher die Verwendung beider Arten von variablen Spatial Light Modulatoren als Modulationseinheit umfasst. Es stellt einen besonderen Vorteil der Verwendung eines variablen Spatial Light Modulators dar, dass mittels eines einzigen variablen Spatial Light Modulators eine Vielzahl verschiedener Intensitätsverteilungen auf dem Werkstück erzeugt werden können.
Durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung an einen LCOS Spatial Light Modulator oder durch Einstellen des Mikrospiegelarrays kann die Intensitätsverteilung des auf das Werkstück auftreffenden modulierten Laserstrahls an die Anforderungen der auszubildenden VIA-Laserbohrung angepasst werden.
Einflussparameter können beispielsweise der Bohrlochdurchmesser oder die Bohrlochtiefe der zu erzeugenden Bohrung sein. Im Vergleich zu jenen aus dem Stand der Technik bekannten Bearbeitungsköpfen bzw. Scaneinheiten, bei denen eine Überlagerung eines Scanners zur Positionierung und eines schnellen Scanners zur Ausbildung der Laserbohrungen Verwendung findet, wurde bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der schnelle Scanner durch die Strahlformungseinheit ersetzt. Da auch die Dynamik des schnellen Scanners beschränkt ist, führt der hiesige Ansatz zu höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Die Ausbildung von Laserbohrungen mit - bezogen auf jene auf das Werkstück auftreffende Laserstrahlung - ungeeigneter Intensitätsverteilung, kann dazu führen, dass Bohrungen mit unscharfer Kontur und geringer Uniformität ausgebildet werden.
Der Strahlformungseinheit ist in Strahlrichtung eine Strahlpositionierungseinheit nachgeordnet. Diese ist dazu eingerichtet, den modulierten Laserstrahl in Richtung des Werkstücks auszulenken und einen Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück abzubilden. Ferner ist die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet, eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf den Bearbeitungsstellen auszuführen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die Ausbildung einer Vielzahl von Laserbohrungen in einem bestimmten Werkstück gewünscht ist. Sollen in einem Werkstück beispielsweise eine Anzahl von N Laserbohrungen ausgebildet werden, so entspricht die Anzahl der zu bearbeitenden Stellen (Bearbeitungsstellen) der Anzahl N. Grundsätzlich vorstellbar ist es ferner, im Strahlengang eine Strahlteilungseinheit vorzusehen, mit welcher der Laserstrahl vor der Strahlformung oder nach der Strahlformung geteilt wird. In diesem Fall können mehrere Laserspots mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück abgebildet werden und mehrere Bohrungen gleichzeitig im Point and Shoot Modus ausgebildet werden.
Wie bereits vorangehend beschrieben, erfährt der auf eine Bearbeitungsstelle fokussierte Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen an den jeweiligen Bearbeitungsstellen, also während des Bohrvorgangs an sich, keine Relativbewegung gegenüber dem Werkstück. Dies bedeutet, dass der Laserspot bzw. der den Laserspot während des Laserbohrens (also beim Applizieren einer Mehrzahl von Laserpulsen im Wege des Perkussionsbohrprozesses) synchron mit dem Werkstück bewegt wird (nachfolgend als Kompensationsbewegung bezeichnet), insbesondere mit gleicher Bewegungsgeschwindigkeit und entlang des gleichen Bewegungspfades. Dadurch ruht der Laserspot während des Bohrvorgangs in Bezug zum Werkstück, die Laserpulse treffen also auf die jeweilige Bearbeitungsstelle auf. Entsprechend ist die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet, zumindest während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen, also während des Bohrvorgangs, eine zur Werkstückbewegung synchrone (gleichförmig und mit gleicher Bewegungsgeschwindigkeit) Kompensationsbewegung des Laserspots auszuführen, sodass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen keiner Relativbewegung zu dem Werkstück unterliegt.
Zur Ausbildung einer gewünschten Anzahl von N Laserbohrungen in dem Werkstück wird der Laserspot also zunächst auf einer ersten Bearbeitungsstelle positioniert. Während des Bohrvorgangs wird der Laserspot bzw. der auf das Werkstück gerichtete Laserstrahl von der Strahlpositionierungseinheit synchron mit der Werkstückbewegung bewegt und ruht relativ zum Werkstück. Nach Abschluss des Bohrvorgangs an der ersten Bearbeitungsstelle, wird der Laserspot auf eine weitere Bearbeitungsstelle positioniert, die dazu erforderliche Positionierbewegung kann als Sprungbewegung von einer Bearbeitungsstelle zur nächsten Bearbeitungsstelle verstanden werden, bei welcher der Laserspot mit einer Sprunggeschwindigkeit von bis zu 5 m/s relativ zum Werkstück bewegt wird. Während der Ausführung der Positionier- bzw. Sprungbewegung wird der Laserspot also nicht synchron zum Werkstück bewegt.
In der Regel ist das Bewegungsfeld (Scanfeld), innerhalb dessen der Laserspot von der Strahlpositionierungseinheit bewegt werden kann (sei es für die Positionier oder Kompensationsbewegung), räumlich durch die Gegebenheiten der Strahlpositionierungseinheit, wie beispielsweise der Beschaffenheit einer nachgelagerten Fokussieroptik, limitiert. Entsprechend kann in die Strahlpositionierungseinheit beispielsweise eine F-theta Linse integriert sein.
Wie im Rahmen der nachfolgenden Aufführung von vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung noch beschrieben wird, kann es sich bei der Strahlpositionierungseinheit beispielsweise um einen Galvanometerscanner handeln. Ein solcher Scanner kann einen oder mehrere Spiegel aufweisen, die jeweils um eine Drehachse um einen definierten Winkel gedreht werden können. Dadurch kann der von den Spiegeln reflektierte Laserstrahl als Laserspot innerhalb des zugänglichen Scanfeldes auf eine gewünschte Stelle des Werkstücks gelenkt werden.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die von der Werkstückpositionierungseinheit bzw. der Strahlpositionierungseinheit ausgeführte Werkstückbewegung, Positionierbewegung und Kompensationsbewegung unter Gewährleistung der im Patentanspruch 1 mit b. und e. beschriebenen Voraussetzungen zu steuern. Im Speziellen muss die Steuereinheit die Werkstückpositionierungseinheit dahingehend ansteuern, dass eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene ausgeführt wird. Die Steuereinheit muss die Strahlpositionierungseinheit dahingehend steuern, dass eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf den Bearbeitungsstellen ausgeführt wird, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Ferner muss die Steuereinheit die Strahlpositioniereinheit dahingehend steuern, dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen (also während des Bohrvorgangs) keiner Relativbewegung zu dem Werkstück unterliegt. Dies wird durch die Ausführung einer zu der Werkstückbewegung synchronen Kompensationsbewegung des Laserspots gewährleistet. Im Wege der Werkstückbewegung und der Kompensationsbewegung werden das Werkstück und der Laserspot also zumindest für die Dauer der Ausbildung der Laserbohrungen (nicht während der Ausführung der Positionier- bzw. Sprungbewegung) synchron bewegt. Unter einer synchronen Bewegung ist in diesem Zusammenhang eine zeitgleich und gleichgerichtet ausgeführte Bewegung entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades zu verstehen. Überdies wird die Werkstückbewegung und die Kompensationsbewegung mit der gleichen Bewegungsgeschwindigkeit ausgeführt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Werkstückpositioniereinheit eine kontinuierliche Werkstückbewegung ausführt, d.h. ohne die Werkstückaufnahme anzuhalten. Nicht ausgeschlossen ist jedoch, dass die Werkstückbewegung zumindest kurzzeitig unterbrochen wird, solange gewährleistet ist, dass während der Laserspot während der Ausführung des Bohrvorgangs relativ zum Werkstück ruht.
Weiterhin steuert die Steuereinheit die Werkstückpositioniereinheit und die Strahlpositioniereinheit (unter Berücksichtigung der vorangehend beschriebenen Bedingungen) dahingehend, dass eine Mehrzahl von VIA-Laserbohrungen entlang eines vorgegebenen Bearbeitungsweges ausgebildet werden. Ein Nutzer kann der Steuereinheit einen Datensatz vorgeben, welcher eine auf einem bestimmten Werkstück auszubildende Anordnung von Laserbohrungen bzw. ein Pattern von auszubildenden Laserbohrungen wiedergibt. Der Datensatz kann die Abmessungen des Werkstücks und die gewünschte Position, den Durchmesser und die Tiefe der auszubildenden Laserbohrungen enthalten. Entscheidend sind jedoch die Ortskoordinaten der auszubildenden Bohrungen. Denn ausgehend von der vorgegebenen Anordnung der Bohrungen, kann mit der Steuereinheit ein Bearbeitungsweg berechnet werden, indem dieser in einen ersten Bewegungspfad (des Werkstücks bzw. der Werkstückaufnahme), sowie in einen zweiten Bewegungspfad und dritten Bewegungspfad (des Laserspots) unterteilt wird. Der zweite Bewegungspfad betrifft dabei die synchron zur Werkstückbewegung ausgeführte Kompensationsbewegung des Laserspots, während der dritte Bewegungspfad die Positionierbewegung des Laserspots (also die Sprungbewegung von einer Bearbeitungsstelle zur nächsten Bearbeitungsstelle) betrifft, also die Relativbewegung zwischen Laserspot und Werkstück. Dem ersten Bewegungspfad kann eine Reihe von ersten Bewegungsvektoren zugeordnet sein, während dem zweiten Bewegungspfad eine Reihe von zweiten Bewegungsvektoren zugeordnet sein kann und dem dritten Bewegungspfad eine Reihe von dritten Bewegungsvektoren zugeordnet sein kann. Die ersten Bewegungsvektoren definieren die zur Ausbildung der Bohrungsanordnung benötigte Werkstückbewegung, während die zweiten Bewegungsvektoren die Kompensationsbewegung des Laserspots definieren. Wie bereits mehrfach erwähnt, ermöglicht die synchron zur Werkstückbewegung ausgeführte Kompensationsbewegung, dass der Laserspot während des Perkussionsbohrens in Bezug zum Werkstück ruht. Die dritten Bewegungsvektoren definieren die Positionierbewegung des Laserspots von einer Bearbeitungsstelle zur nächsten. Der Bearbeitungsweg ist demnach aus einer synchron durchgeführten Werkstückbewegung entlang des ersten Bewegungspfads und einer Kompensationsbewegung des Laserspots entlang des zweiten Bewegungspfads zusammengesetzt. Ferner ist die Positionierbewegung des Laserspots entlang des dritten Bewegungspfads Bestandteil des Bearbeitungswegs bzw. einer derart bereitgestellten Bearbeitungsbewegung. Mit einer derart zusammengesetzten Bewegungsführung des Werkstücks und des Laserspots werden Wartezeiten zur Repositionierung des Laserspots bzw. Scanfeldes auf dem Werkstück vermieden. Ferner erlaubt eine derartige Ausgestaltung eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die Steuereinheit stellt die Bewegungsführung dahingehend ein, dass der Laserstrahl bzw. Laserspot während er Applikation der Laserpulse relativ zum Werkstück ruht, d.h. keine Relativbewegung des Laserstrahls bzw. Laserspots zum Werkstück ausgeführt wird.
Betont sei an dieser Stelle, dass das zu bearbeitende Werkstück im Vergleich zu jenem mit der Strahlpositionierungseinheit zugänglichen Scanfeld des Laserspots (deutlich) größer ist. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Zeit zur Neupositionierung des Scanfeldes auf dem Werkstück nicht als Totzeit oder Nebenzeit (d.h. die Zeit in der keine Bohrungen durchgeführt werden) ins Gewicht fällt, sondern dass die Strahlpositionierungseinheit in kontinuierlich Bewegung ist und von einer zur nächsten Bearbeitungsstelle springt. Das Scanfeld wird somit effektiv unendlich groß beziehungsweise maximal so groß wie das Werkstück.
Die Steuereinheit weist eine Rechen- bzw. Datenverarbeitungseinheit auf und kann mit geeigneten Schnittstellen zur kabellosen und/oder kabelgebundenen Signal- und Datenübertragung ausgestattet sein. Auch kann die Steuereinheit eine Anzeigeeinheit (z.B. einen Bildschirm) und eine Eingabeeinheit (z.B. eine Computer-Maus oder Tastatur) aufweisen. Die Rechen- und Datenverarbeitungseinheit berechnet, wie schon vorangehend angedeutet, vor dem Beginn der Laserbearbeitung aus dem zugrunde liegenden, auf Ortskoordinaten basierenden Datensatz eine Reihe von Bewegungstrajektorien für die Strahlpositionierungseinheit und die Werkstückpositionierungseinheit, wobei die Bewegungstrajektorien dahingehend ausgelegt sind, dass die Bearbeitungszeit minimiert bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit maximiert wird (effiziente bzw. intelligente Bahnplanung).
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale können in beliebiger Kombination zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, soweit dies technisch möglich ist. Dies gilt auch dann, wenn derartige Kombinationen nicht ausdrücklich durch entsprechende Rückbezüge in den Ansprüchen verdeutlicht sind. Insbesondere gilt dies auch über die Kategorie-Grenzen der Patentansprüche hinweg.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Werkstückpositionierungseinheit dazu eingerichtet, das Werkstück zusätzlich entlang einer senkrecht zu der Ebene stehenden, vertikalen Raumachse zu bewegen. Dies ermöglicht einerseits eine Höhenverstellbarkeit des Werkstücks bzw. der Werkstückaufnahme in Bezug auf weitere Bestandteile der Vorrichtung (beispielsweise der Strahlpositionierungseinheit) und andererseits eine Bewegung des Werkstücks entlang zumindest dreier Raumrichtungen (in Kombination mit der Bewegung in der von den horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene). Dadurch kann das Werkstück beispielsweise von einer zu einer Anordnungs- oder Entnahmestellung zugehörigen Höhenposition auf eine zu einer Bearbeitungsposition zugehörigen Höhe bewegt werden. Dadurch wird ermöglicht, dass ein Nutzer der Vorrichtung das Werkstück in einer für ihn angenehmen Höhe in der Werkstückaufnahme anordnen bzw. aus dieser entnehmen kann. Nach der Anordnung des Werkstücks in der Werkstückaufnahme, kann das Werkstück über die Werkstückpositionierungseinheit auf eine Bearbeitungshöhe angehoben oder abgesenkt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Vorrichtung einen Positions- und Abstandssensor aufweisen, mit dem die Position und/oder der Abstand des Werkstücks in Bezug zu der Strahlpositionierungseinheit bestimmt werden kann. Mit dem genannten Positions- und Abstandssensor kann einerseits die Position des Werkstücks in der von den horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene bestimmt werden, also eine Horizontalposition, des Weiteren aber auch der Abstand des Werkstücks in Bezug auf einen im Bereich der Strahlpositionierungseinheit definierten Referenzpunkt. Der Referenzpunkt kann auch durch die Position des Positions- und Abstandssensors selbst definiert sein. Bei dem Positions- und Abstandssensor kann es sich um einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen optischen Sensor, einen auf einer Laufzeitmessung basierenden Sensor (z.B. einen Ultraschallsensor), einen Lasertriangulationssensor, oder einen anderweitigen aus dem Stand der Technik bekannten Sensortyp handeln. Der Positions- und Abstandssensor kann zudem eine Kameraeinheit aufweisen. Die mit dem Positions- und Abstandssensor bestimmten Positions- und Abstandsdaten des Werkstücks können von der Steuereinheit verarbeitet werden, beispielsweise dahingehend, dass der Verfahrweg des Werkstücks von einer Beladeposition der Werkstückaufnahme bis zu einer Startposition für die nachfolgende Laserbearbeitung ermittelt wird. Denkbar ist auch, die Position und/oder den Abstand des Werkstücks während der Ausführung der synchron ablaufenden Werkstück- und Kompensationsbewegung kontinuierlich aufzunehmen und zu überwachen. Dadurch wird ermöglicht, die durchgeführte Werkstückbewegung und Laserspotbewegung online zu überwachen. Auch kann die Positionierbewegung des Laserspots bei der Positionierung auf den Bearbeitungsstellen mit dem Positions- und Abstandssensor online verfolgt werden.
Vorteilhaft kann weiterhin sein, dass eine aus der Strahlformungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit gebildete Baueinheit unter Einsatz einer Bewegungseinheit relativ zu der Werkstückaufnahme samt aufgenommenem Werkstück bewegt und positioniert werden kann, beispielsweise in einem dem Anordnen des Werkstücks in der Werkstückaufnahme nachgelagerten Verfahrensschritt. Die Bewegungseinheit ist dabei vorzugsweise ein Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch bei der Bewegungseinheit kann es sich um eine Lineareinheit handeln, die ein- oder mehrachsig ausgebildet sein kann. Die aus der Strahlformungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit gebildete Baueinheit kann beispielsweise vor dem Beginn der Laserbearbeitung bzw. der damit verbundenen Scan- und Werkstückbewegung aus einer einem „Resting-State“ zugehörigen Resting-Position in eine Ausgangsposition bzw. Startposition bewegt werden. Gleichsam kann die genannte Baueinheit nach Abschluss der Laserbearbeitung von einer Endbearbeitungsposition zurück in die Resting-Position bewegt werden. Unter einer Resting-Position kann eine Standby-Stellung oder eine Ruhestellung verstanden werden. Nach einer weiteren Variante kann auch vorgesehen sein, dass lediglich die Strahlpositionierungseinheit von der Bewegungseinheit relativ zu der Werkstückaufnahme samt aufgenommenem Werkstück bewegt und positioniert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Bewegungseinheit, die Werkstückpositionierungseinheit und/oder die Strahlpositionierungseinheit von der Steuereinheit in Abhängigkeit der mit dem Positions- und Abstandssensor bestimmten Positions- und/oder Abstandsdaten gesteuert werden. Dazu werden die aufgenommenen Positions- und/oder Abstandsdaten im Wege einer Signal- oder Datenübertragung an die Steuereinheit weitergegeben und in der Steuereinheit verarbeitet. Da über die Steuereinheit auch die Werkstückbewegung, die Kompensationsbewegung des Laserspots bzw. Laserstrahls und die Positionierbewegung des Laserspots gesteuert werden kann, können die ermittelten Positions- und/oder Abstandsdaten von der Steuereinheit unmittelbar bei der Ansteuerung der Werkstückpositionierungseinheit und/oder der Strahlpositionierungseinheit berücksichtigt werden, beispielsweise im Rahmen einer laufenden Verfahrenskontrolle (active feedback). Auch kann vorgesehen sein, die berechneten Start- und Endpositionen des Werkstücks bzw. des Laserspots mit den real vorliegenden Start- und Endpositionen abzugleichen und somit die Qualität der Verfahrensführung zu überprüfen. Eine derartige Überprüfung der Verfahrensführung kann noch weiter verbessert werden, wenn die Positions- und/oder Abstandsdaten kontinuierlich oder zu gegebenen Zeitpunkten während der Laserbearbeitung bzw. der damit einhergehenden Ausführung der Werkstück- und Kompensationsbewegung sowie der Positionierbewegung erfasst werden. Auch diese können einem Ist-Soll Vergleich unterzogen werden, womit sich die Qualität der Verfahrensführung überprüfen lässt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet sein, entlang der vertikalen Raumachse eine optische Fokuskorrektur auszuführen. Dies kann beispielsweise durch einen dazu vorgesehenen Fokusshifter vollzogen werden, mit welchem eine Fokusanpassung entlang einer optischen Achse (entsprechend der Vertikalachse) vorgenommen wird. Weiterhin kann auch die Modulationseinheit bzw. der Spatial Light Modulator durch Einblenden einer Linse (z.B. Fresnel Linse) bei gleichzeitiger Überlagerung von Linse und Zielverteilung den Fokuspunkt verschieben.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können jene der Werkstückpositionierungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit bei der Werkstückbewegung, Kompensationsbewegung und Positionierbewegung zugrunde liegenden Bewegungsgeschwindigkeiten von der Steuereinheit dahingehend aufeinander abgestimmt werden, dass die VIA-Laserbohrungen an der Mehrzahl von Bearbeitungsstellen entlang eines vorgegebenen Bearbeitungsweges mit einer Bohrrate von bis zu 1000 Bohrungen pro Sekunde oder sogar mehr als 1000 Bohrungen pro Sekunde ausgebildet werden. Grundsätzlich ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserspots bei der Positionierbewegung auf dem Werkstück um ein Vielfaches höher als die von der Werkstückpositionierungseinheit erzeugte Bewegungsgeschwindigkeit bei der Werkstückbewegung. Um die vorgegebene Anordnung von Laserbohrungen in dem Werkstück zu verwirklichen, müssen die voneinander abweichenden Bewegungsgeschwindigkeit sowie die den Bearbeitungsweg und die Gesamtbewegung definierenden ersten, zweiten und dritten Bewegungspfade aufeinander abgestimmt werden. Die Steuereinheit kann eine zur Ausbildung der Laserbohrungen mit einer möglichst hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit notwendige Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks (sowie den dazu korrespondierenden ersten Bewegungspfad) und des Laserspots (sowie den dazu korrespondierenden dritten Bewegungspfad) ermitteln und die Werkstückpositionierungseinheit und die Strahlpositionierungseinheit entsprechend ansteuern. Gleiches gilt für die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserspots zur Ausführung der Kompensationsbewegung. Die Steuereinheit stimmt also einerseits die örtlichen Bewegungspfade - entlang welcher sich die das Werkstück und der Laserspot während und zwischen der Bearbeitung bewegen - sowie die Bewegungsgeschwindigkeiten aufeinander ab.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit den Bearbeitungsweg aus extern vorgebbaren Daten berechnet, beispielsweise unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Randbedingung wie einer minimalen Bearbeitungszeit oder einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit. Mit Bearbeitungsweg ist hierbei jener Weg zu verstehen, der sich aus dem ersten, zweiten und dritten Bewegungspfad und der entlang dieser Bewegungspfade ausgeführten Werkstückbewegung, Kompensationsbewegung und Positionierbewegung des Werkstücks respektive des Laserspots zusammensetzt. Diese Daten können beispielsweise einen Datensatz umfassen, der die Ortskoordinaten einer gewünschten Anordnung von VIA-Laserbohrungen in dem Werkstück beinhaltet. Bei einer solchen Anordnung kann es sich um eine beliebige geometrische Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen handeln, beispielsweise kann es sich bei der Anordnung um Bohrungsreihen mit konstant oder variierend beabstandeten Bohrungen handeln. Auch ganze Pattern von Laserbohrungen können eine Anordnung von Laserbohrungen definieren. Entsprechend kann der Datensatz die Dimensionen des Werkstücks, die räumlichen Positionen der auszubildenden Laserbohrungen, Angaben zum Durchmesser und/oder der Tiefe der einzelnen Bohrungen bzw. die Anzahl der zu applizierenden Laserpulse pro Bohrung enthalten. Bei dem Datensatz kann es sich beispielsweise um einen CAD-Datensatz handeln. Auch anderweitige Datenformate können sich dazu eignen. Über eine Schnittstelle der Steuereinheit kann ein Nutzer einen die gewünschte Anordnung der Laserbohrungen enthaltenden Datensatz der Steuereinheit zuführen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die Steuereinheit aus dem berechneten Bearbeitungsweg die für die Ausbildung der VIA-Laserbohrungen erforderliche Positionier-, Kompensations-, und Werkstückbewegung ermittelt und die Werkstückpositionierungseinheit und Strahlpositionierungseinheit zur Umsetzung der Bewegungen ansteuert. Der Berechnung einer sich aus der Positionier-, Kompensations-, und Werkstückbewegung zusammensetzenden Bearbeitungsbewegung, bzw. die damit verbundenen Bewegungspfade des Werkstücks und des Laserspots, liegt zunächst der von einem Nutzer vorgegebene Datensatz zur Anordnung der Laserbohrungen zugrunde. Das Ermitteln der erforderlichen Bewegungen kann unter Einsatz eines geeigneten Softwareprogramms oder einer Rechenroutine bzw. einem Rechenalgorithmus erfolgen. Die so ermittelten Daten überträgt die Steuereinheit in dazu korrespondierende Steuersignale, die in Richtung der Werkstückpositionierungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit ausgesendet werden. Das Ermitteln der Bewegungen beruht auf dem Prinzip einer effizienten bzw. intelligenten Bahnplanung, d.h. die der Werkstückpositionierungseinheit und Strahlpositionierungseinheit zugrunde liegenden Bewegungstrajektorien werden dahingehend optimiert, dass die Bearbeitungszeit minimiert bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit maximiert wird.In den genannten Einheiten können geeignete Mikrocontroller vorgesehen sein, die die Steuersignale empfangen und in Bewegungen umsetzen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuereinheit die Werkstückpositionierungseinheit und die Strahlpositionierungseinheit dahingehend steuern, dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen für eine Zeit von 0.5 bis 2 ms keiner Relativbewegung zu dem Werkstück unterliegt. Der angegebene Zeitraum, bei welchem zwischen dem Laserspot und dem Werkstück keine Relativbewegung erfolgt, kann jedoch auch von kürzerer oder längerer Dauer sein (je nach Bohrdauer). Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensführungen, bei der die die Scanbewegung relativ zu einem stationär angeordneten Werkstück ausgeführt wird oder bei der die Werkstückbewegung relativ zu einem stationär angeordnetem Laserspot ausgeführt wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine schnellere Laserbearbeitung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Werkstückaufnahme als Rolle-zu-Rolle Halterung ausgebildet sein. Eine solche Halterung kann beispielsweise in Form zweier gegenüberliegend angeordneter zylindrischer Trägerkörper (den Rollen) ausgebildet sein. Insbesondere in jenem Fall, bei dem das Werkstück eine Folie ist, kommt eine derartig ausgebildete Werkstückaufnahme in Betracht. Denn formflexible Folien lassen sich in der Regel auf einen solchen Trägerkörper auf- und abrollen. Zumindest einer der Trägerkörper kann dabei mit einem Drehantrieb zusammenwirken, der dazu eingerichtet ist, die Rolle um eine Drehachse zu rotieren. Auf diese Weise kann eine zwischen den Rollen gespannte Folie von einer nicht-angetriebenen oder einer mit geringerem Drehmoment angetriebenen Rolle abgerollt und auf die gegenüberliegende Rolle aufgerollt werden. Dadurch lässt sich das als Folie ausgebildete Werkstück einer Werkstückbewegung unterziehen, wobei bei diesem Vorgang eine Rotationsbewegung einer der Rollen in eine lineare Translationsbewegung der Folie in jenem zwischen den Rollen liegenden Bereich übersetzt wird. Entsprechend ist die Folie (das Werkstück) durch Rotation zumindest einer der Halterung zugehörigen Rollen entlang einer der horizontalen Raumachsen bewegbar. Vorstellbar ist es ferner, dass beide Rollen angetrieben sind und die Rotationsrichtung flexibel umgekehrt und das an den Rollenantrieben vorherrschende Drehmoment flexibel eingestellt werden kann. Dadurch ist ermöglicht, auch während der Laserbearbeitung die Bewegungsrichtung der zwischen den Rollen eingespannten Folie zu ändern. Die Rollen bzw. den jeweiligen Rollen zugeordnete Drehantriebe können über die Steuereinheit angesteuert werden. Entsprechend kann das Werkstück auch bei einer Ausbildung der Werkstückaufnahme als Rolle-zu-Rolle Halterung einer steuerbaren Werkstückbewegung unterzogen werden, die synchron zur Kompensationsbewegung des Laserspots erfolgen kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Strahlformungseinheit zumindest eine Modulationseinheit, die zumindest eine auf einem Siliziumsubstrat abgeschiedene Flüssigkristallschicht aufweist. Auch anderweitige Substrate und verschiedenste Arten von Flüssigkristallen können erfindungsgemäß die Modulationseinheit ausbilden. Grundsätzlich kann aber jegliche zur Strahlformung geeignete Technik bzw. Vorrichtung als Modulationseinheit im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, sofern sie in die erfindungsgemäße Vorrichtung integrierbar ist. Die Modulationseinheit kann in Form des eingangs beschriebenen, grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten Spatial Light Modulators ausgebildet sein. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei diesbezüglich auf den vorangehenden Teil der Beschreibung verwiesen. Unter Einsatz der Modulationseinheit kann der Laserstrahl geformt werden und ein modulierter Laserstrahl erzeugt werden. Wie schon eingangs erwähnt, sind derartige Spatial Light Modulatoren (die Modulationseinheit) elektronisch steuerbar. Entsprechend kann die Intensitätsverteilung eines auf das Werkstück projizierten Laserspots des modulierten Laserstrahls eingestellt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahl im Querschnittsprofil eine Gaußsche Intensitätsverteilung auf. Die in dieser Hinsicht für die vorliegende Erfindung relevanten Gesichtspunkte wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung detailliert ausgeführt. Da mit einer potentiellen Ausbildung von VIA-Laserbohrungen durch einen Laserstrahl bzw. Laserspot mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung, Nachteile bei der Ausbildung scharfer Bohrlochkonturen und in Bezug auf die aus dem Stand der Technik bekannten Bearbeitungsvorrichtungen Nachteile in Bezug auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit einhergehen können , ist erfindungsgemäß vorgesehen, auf dem Werkstück einen Laserspot mit einer diese Nachteile umgehenden Intensitätsverteilung zu erzeugen. Dadurch können VIA-Laserbohrungen mit relativ großem Bohrungsdurchmesser, beispielsweise mit einem Durchmesser > 100 µm zuverlässig ausgebildet werden.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Modulationseinheit einen modulierten Laserstrahl erzeugt, der auf dem Werkstück zumindest einen Laserspot mit einer von einer Gaußschen Intensitätsverteilung abweichenden Intensitätsverteilung erzeugt. Jene Angabe, wonach zumindest ein Laserspot auf dem Werkstück erzeugt wird, ist dahingehend zu verstehen, dass die Modulationseinheit gleichsam dazu genutzt werden kann, dass auch mehrere Spots oder Ringverteilungen auf dem Werkstück erzeugt werden, beispielsweise durch eine Überlagerung von Phasenverteilungen. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer Erzeugung mehrerer Laserspots auf dem Werkstück einsetzbar. Dies kann bei der Berechnung der Werkstückbewegung, Positionierbewegung und der Kompensationsbewegung berücksichtigt werden, sprich bei der Bahnplanung. Dabei können die Laserspots einen definierten Abstand und z.B. die gleichen ringförmigen Intensitätsverteilungen aufweisen. Mit einer solchen Auslegung, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Multistrahl-Bohren eingesetzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der zumindest eine Laserspot dabei eine Intensitätsverteilung mit mehreren Intensitätsmaxima auf. Die Intensitätsmaxima können in Bezug auf den Mittelpunkt einer Strahlachse des den zumindest einen Laserspot erzeugenden modulierten Laserstrahls, denselben Abstand aufweisen und symmetrisch um die Strahlachse verteilt sein. Besonders bevorzugt weisen die Maxima dabei im Wesentlichen identischen Intensitäts- bzw. Amplitudenwerte auf. Mit einer solchen - bezogen auf den Querschnitt des Laserspots - rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung wird die innerhalb eines Ringes erzeugte Wärme bzw. Wärmeakkumulation zum Abtrag von Werkstückmaterial ausgenutzt. Die ringförmige Intensitätsverteilung erlaubt dabei eine sehr genaue Einstellung des Bohrungsdurchmessers.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der zumindest eine Laserspot eine ringförmige Intensitätsverteilung auf. Zur Erzeugung einer solchen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück kann beispielsweise ein Circular-Damann-Grating eingesetzt werden. Auch kann ein (diffraktives) Axikon zur Erzeugung eines Besselstrahls eingesetzt werden, wobei der Besselstrahl in nach einer entsprechenden Fokussierung zu einer Ringverteilung auf das Werkstück fokussiert wird. Unter einem Axikon ist dabei ein rotationssymmetrischer Kegel zu verstehen.
Weiterhin kann vorteilhaft sein, dass der zumindest eine Laserspot entlang seiner Querschnittsachse eine Top-Hat Intensitätsverteilung aufweist. Unter einer Top-Hat Intensitätsverteilung ist eine einem Rechteckprofil mit steilen Flanken ähnelnde Intensitätsverteilung zu verstehen, bezogen auf eine entlang des Laserspot-Querschnitts verlaufende Querschnittsachse. Betont sei an dieser Stelle, dass ein Laserspot mit einer Top-Hat Intensitätsverteilung in seinem zwei-dimensionalen Querschnittsabbild eine runde Form aufweist. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Materialabtragung über den gesamten Bohrungsquerschnitt, insbesondere weil ein derart geformter Laserstrahl beim Auftreffen auf das Werkstück eine gleichmäßige Energieverteilung über den gesamten Bohrungsdurchmesser erzeugt.
Derartige Intensitätsverteilungen führen zu einer gleichmäßigen Verteilung der in der Laserstrahlung bzw. dem auf das Werkstück auftreffenden Laserspot enthaltenen Pulsenergie über eine relativ große Fläche. Die Pulsenergie wird also weitgehend homogen in das Werkstück eingebracht. Vermieden wird dadurch eine übermäßige lokale Energiedeposition, welche zu einer ungleichmäßigen Bohrlochkontur oder anderweitigen ungewünschten Veränderungen des Werkstücks führen könnte.
Mittels solcher Intensitätsverteilungen kann ein optisches Bohrwerkzeug bereitgestellt werden, das die Ausbildung von Laserbohrungen mit relativ großem Bohrungsdurchmesser bei gleichzeitig hoher Konturschärfe und hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit erlaubt. Zu beachten ist, dass die Intensitätsverteilung in der Regel dahingehend ausgewählt sein wird, dass das Material des Werkstücks innerhalb des bestrahlten Bereichs lokal aufschmilzt, verdampft oder abgetragen wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Fokussiereinheit aufweisen, mit welcher der modulierte Laserstrahl auf das Werkstück unter Ausbildung des Laserspots fokussiert werden kann. Die Fokussiereinheit kann Bestandteil der Strahlformungseinheit sein. Beispielsweise kann die Fokussiereinheit als Linse ausgebildet sein, bevorzugt als F-Theta-Linse, die auch als Planfeldlinse bezeichnet wird. Dabei ist unter einer Linse in diesem Zusammenhang auch ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes komplexes Linsensystem zu verstehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann mit der Laserstrahlungsquelle ein gepulster Laserstrahl erzeugt werden. Typische Pulswiederholraten liegen dabei im Bereich zwischen einigen Hertz bis einigen Megahertz. Für eine effektive Materialbearbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulsdauer weniger als 100 ns beträgt, bevorzugt weniger als 10 ns, insbesondere weniger als 1 ns. In diesem Pulsdauerbereich überwiegen bei der Materialbearbeitung thermisch bedingte Effekte. Die Pulse können dabei mit Leistungen von mehr als 10 W, sogar mehr als 40 W appliziert werden.
Wird gepulste Laserstrahlung mit einer kürzeren Pulsdauer eingesetzt, so gewinnen Effekte an Einfluss, die mit der Deposition vergleichbar sehr hoher Energiemengen in sehr kurzer Zeit einhergehen, d.h. mit hohen Peakleistungen. Bei diesen Effekten kann es sich insbesondere um Sublimationseffekte handeln, bei denen das Material des Werkstücks schlagartig lokal verdampft, d.h. solche Effekte, bei denen anstelle einer Materialumlagerung ein Materialabtrag erfolgt. Hier hat sich der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps, insbesondere bevorzugt weniger als 10 ps und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 ps als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Pulsdauern im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden bis zu etwa 10 ps lassen einen gezielten Materialabtrag durch Sublimation zu. Typische Pulswiederholraten liegen zwischen 50 und 2000 Hz. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Pulsenergien können im Bereich von 50 bis 500 µJ liegen.
Zukünftig zur Verfügung stehende Laserstrahlungsquellen mit noch kürzeren Pulsdauern sind ebenfalls vorteilhaft im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.
Allerdings kann auch die Verwendung von gepulster Laserstrahlung mit noch längeren Pulsdauern als den vorstehend genannten 100 ns sinnvoll sein, beispielsweise wenn bestimmte Wellenlängen für die Bearbeitungsaufgabe erforderlich sind, oder eine langsamere Energiedeposition vorteilhaft ist, beispielsweise um eine gezielte lokale Erwärmung zur Initiation einer lokalen Bearbeitungsreaktion, die auch chemischer Natur sein kann, wie das Auslösen einer Polymerisationsreaktion, zu erzielen und gleichzeitig einen vorzeitigen Materialabtrag zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Wellenlängen beschränkt. Vielmehr können Laserstrahlungsquellen eingesetzt werden, die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Spektrum zwischen dem tiefen UV und dem fernen Infrarot erzeugt. Bei der Bearbeitung von Leiterplatten mit Kunststoffanteilen kann Laserstrahlung mit einer Wellenlänge verwendet werden, die von den Kunststoffanteilen des zu bearbeitenden Werkstücks absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich ist dazu weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich. Bevorzugt ist die Laserstrahlungsquelle dazu eingerichtet, monochromatische Laserstrahlung zu erzeugen. Je nach Bearbeitungsaufgabe können aber auch breitbandige Laserstrahlungsquellen vorteilhaft sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der mit der Erfindung beanspruchten Vorrichtung, ist die Modulationseinheit dazu eingerichtet, ortsabhängig die Phase und/oder die Intensität des Laserstrahls zu verändern. Durch eine derartige Phasen- und/oder Intensitätsveränderung kann eine gewünschte Intensitätsverteilung auf dem Werkstück erzeugt werden. Aus dem Stand der Technik sind Algorithmen bekannt, die es erlauben, eine phasen- oder/und amplitudenmodulierende Spatial Light Modulator-Struktur zu bestimmen, die in reflektierender oder durchstrahlender Geometrie in einem vorgegebenen Abstand die vorgegebene Intensitätsverteilung im auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahl hervorrufen. Entsprechend kann die Modulationseinheit durch geeignete algorithmische Berechnung dahingehend ausgelegt werden, dass eine gewünschte Intensitätsverteilung erzeugt werden kann. Spatial Light Modulatoren weisen eine endliche Auflösung der ausgebildeten phasen- oder/und amplitudenvariierenden Strukturen auf. Dies hat zur Folge, dass sich die von einem realen Spatial Light Modulator erzeugte Intensitätsverteilung von der vorgegebenen zu realisierenden Intensitätsverteilung unterscheidet. Aus dem Stand der Technik sind iterative Verfahren bekannt, die eine schrittweise Anpassung der z.B. von einem variablen Spatial Light Modulator ausgebildeten phasen- oder/und amplitudenvariierenden Strukturen erlauben, um die vom Spatial Light Modulator erzeugte Intensitätsverteilung in möglichst große Übereinstimmung mit der vorgegebenen zu realisierenden Intensitätsverteilung zu bringen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Modulationseinheit dazu eingerichtet sein, dass Laserstrahlung durch die Modulationseinheit hindurchtritt. Gleichsam kann die Modulationseinheit aber auch dazu eingerichtet sein, Laserstrahlung zu reflektieren. Da es sich bei der Modulationseinheit vorzugsweise um einen Spatial Light Modulator mit den eingangs beschriebenen Merkmalen handelt, sei in Bezug auf die möglichen vorteilhaften Ausgestaltungen auf vorangehende Beschreibung verwiesen. Beide Varianten (Laserstrahlung tritt durch die Modulationseinheit hindurch bzw. Laserstrahlung wird an der Modulationseinheit reflektiert) sind vorangehend samt damit einhergehenden Vor- und Nachteilen ausführlich beschrieben und können im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Durchmesser und die Tiefe der zu erzeugenden VIA-Laserbohrungen durch eine Auswahl der Intensitätsverteilung des Laserspots, der Pulsdauer, die Anzahl der Laserpulse und/oder der Pulsleistung des Lasers eingestellt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlformungseinheit ein Lambda-Halbe-Verzögerungselement angeordnet sein. Dieses Verzögerungselement erlaubt die Anpassung der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung, was insbesondere bei der Verwendung einer Modulationseinheit bzw. eines Spatial Light Modulators auf Basis von Flüssigkristallen vorteilhaft ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können nachgelagert zu der Strahlformungseinheit zwei Relay-Optiken angeordnet sein, insbesondere können diese zwischen der Modulationseinheit (dem Spatial Light Modulator) und dem Werkstück angeordnet sein. Die Relay-Optiken können als beispielsweise als Einzellinsen ausgebildet sein, z.B. als Achromaten. In der Praxis hat sich jedoch die Verwendung komplexer Linsensysteme als Relay-Optiken als vorteilhaft erwiesen. Zwischen den Relay-Optiken kann eine Maske zum Herausfiltern eines Teils der modulierten Laserstrahlung vorgesehen sein. Mit einer solchen optischen Maske können unerwünschte Ordnungen aus der modulierten Laserstrahlung, d.h. dem von der Modulationseinheit Spatial Light Modulator erzeugten Beugungsbild des modulierten Laserstrahls herausgefiltert werden. So zeigen praktisch alle kommerziell erhältlichen variablen Spatial Light Modulatoren neben der erwünschten ersten Beugungsordnung eine unerwünschte nullte Beugungsordnung sowie höhere Beugungsordnungen. Insbesondere kann die Maske also dazu vorgesehen und eingerichtet sein, ungebeugte Anteile der von der Strahlformungseinheit modulierten Laserstrahlung auszufiltern.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Strahlpositionierungseinheit als Spiegelscanner ausgebildet sein, insbesondere als Galvanometerscanner. Entsprechend kann die Strahlpositionierungseinheit einen oder mehrere Drehantrieb(e) aufweisen, der bzw. die dazu eingerichtet sind, in der Strahlpositionierungseinheit vorgesehene Spiegel zur gezielten Auslenkung des modulierten Laserstrahls bei der Ausführung der Kompensationsbewegung und der Positionierbewegung zu bewegen. Galvanometerscanner zur Verwendung in Laserbearbeitungsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Für etwaige Ausgestaltungsmöglichkeiten sei auf die vorangehende Detailbeschreibung zum Funktionsprinzip derartiger Scanner verwiesen.
Betont sei an dieser Stelle, dass die auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung des modulierten Laserstrahls bzw. Laserspots nach der Ausbildung einer VIA-Laserbohrung an einer bestimmten Bearbeitungsstelle des Werkstücks dynamisch abgeändert werden kann (beispielsweise zur Einstellung verschiedener Bohrungsdurchmesser). Somit kann auf einem Werkstück ein Pattern bzw. eine Anordnung von VIA-Bohrungen (Through-VIA-holes, Blind-VIA-holes oder beiden) unterschiedlicher Durchmesser mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgebildet werden.
Die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtungskomponenten, insbesondere die Steuereinheit zur Ansteuerung der Werkstückpositionierungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit zur Ausführung der Werkstückbewegung und einer dazu synchronen Kompensationsbewegung des Laserspots, sowie die Strahlformungseinheit zur flexiblen und dynamischen Einstellung einer bestimmten Intensitätsverteilung erlauben eine schnelle Bearbeitung des Werkstücks unter flexibler Einstellung der Bohrungsdurchmesser im Point and Shoot Verfahren.
Wie bereits erwähnt wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung ebenso mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 36 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei auf die Ausbildung von VIA-Laserbohrungen an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gerichtet. Gleichermaßen kann eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 35 für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Entsprechend gelten sämtliche der voranstehend genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch als mögliche bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und sind damit in den Verfahrensgegenstand einbezogen.
Wie bereits zuvor erläutert umfasst die Vorrichtung eine Werkstückaufnahme, eine Werkstückpositionierungseinheit, eine Laserstrahlungsquelle, eine Strahlformungseinheit, eine Strahlpositionierungseinheit und eine Steuereinheit. Für Details zu den einzelnen Baueinheiten sei auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a. das Werkstück wird in der Werkstückaufnahme angeordnet;
b. ein gepulster Laserstrahl wird von der Laserstrahlungsquelle erzeugt und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung jeweils in Form einer Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung einer zugehörigen Bearbeitungsstelle des Werkstücks ausgesendet;
c. aus dem Laserstrahl wird unter Einsatz der Strahlformungseinheit ein modulierter Laserstrahl geformt;
d. der modulierte Laserstrahl wird unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit in Richtung einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks ausgelenkt, um einen Laserspot des modulierten Laserstrahls mit einer vorgegebenen ersten Intensitätsverteilung im Bereich einer ersten Bearbeitungsstelle des Werkstücks abzubilden;
e. eine VIA-Laserbohrung wird im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle ausgebildet, wobei währenddessen
- - das Werkstück (1) unter Einsatz der Werkstückpositionierungseinheit einer Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen (x, y) aufgespannten Ebene unterzogen wird,
- - unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit wird eine zur Werkstückbewegung synchrone Kompensationsbewegung des Laserspots ausgeführt, so dass der Laserspot während der Ausbildung der VIA-Laserbohrung relativ zu dem Werkstück ruht;
f. der Laserspot wird unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit einer Positionierbewegung zur Positionierung auf eine weitere Bearbeitungsstelle unterzogen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück bewegt wird;
g. der Verfahrensschritt e. wird an der weiteren Bearbeitungsstelle wiederholt, wobei der Wiederholung des Verfahrensschritts e. optional eine Wiederholung der Verfahrensschritte c und d. mit der Maßgabe vorgelagert sein kann, einen Laserspot des modulierten Laserstrahls im Bereich der weiteren Bearbeitungsstelle des Werkstücks abzubilden, der eine von der ersten Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung aufweist.

Zu den einzelnen Verfahrensschritten sei im Wesentlichen auf die vorangehend im Rahmen der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Offenbarung verwiesen. Die Schritte e. bis g. werden verfahrensgemäß so oft wiederholt, bis die erforderliche bzw. vorgegebene Anzahl an VIA-Laserbohrungen in dem Werkstück ausgebildet ist. Zu beachten ist dabei, dass der Laserspot nach Ausbildung einer VIA-Laserbohrung an einer bestimmten Bearbeitungsstelle auf eine weitere Bearbeitungsstelle positioniert werden kann, ohne dabei die Strahlform des modulierten Laserstrahls zu verändern, sprich auf der weiteren Bearbeitungsstelle wird ein Laserspot mit der gleichen Intensitätsverteilung erzeugt wie bei der Bearbeitung der vorangehenden Bearbeitungsstelle. Es jedoch ebenso möglich, den Laserstrahl nach der Ausbildung einer VIA-Laserbohrung an einer bestimmten Bearbeitungsstelle erneut zu formen und eine von der ersten Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung auf einer weiteren Bearbeitungsstelle des Werkstücks zu erzeugen und eine entsprechende VIA-Laserbohrung auszubilden. Mit letzterem Vorgehen (also der Abänderung oder Einstellung der Intensitätsverteilung) kann beispielsweise der Durchmesser der VIA-Laserbohrungen eingestellt werden. Dies ermöglicht VIA-Laserbohrungen mit unterschiedlichem Durchmesser in ein und demselben Werkstück mit hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit auszubilden. Die Anzahl der auszubildenden VIA-Laserbohrungen entspricht der Anzahl der Bearbeitungsstellen. In Abhängigkeit der geometrischen Anordnung der auszubildenden Laserbohrungen auf dem Werkstück, berechnet die Steuereinheit einen ersten, zweiten und dritten Bewegungspfad, entlang welcher das Werkstück im Wege der Werkstückbewegung und der Laserspot im Wege der Kompensationsbewegung und Positionierbewegung unter Einsatz der Werkstückpositionierungseinheit respektive Strahlpositionierungseinheit bewegt werden. Dabei werden die Bewegungspfade mit Blick auf eine möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw. Verfahrensgeschwindigkeit optimiert. Die Bewegungspfade können aber auch unter Berücksichtigung anderer Maßstäbe optimiert werden, beispielsweise in Bezug auf einen möglichst geringen Verfahrweg des Werkstücks mit der Werkstückpositionierungseinheit.
Vorzugsweise wird das Werkstück bei der Ausführung der Werkstückbewegung kontinuierlich bewegt, d.h. es wird befindet sich während der Laserbearbeitung in andauernder Bewegung, nicht jedoch im Stillstand. Synchron dazu, wird zumindest während er Ausbildung einer VIA-Laserbohrung an einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks auch der Laserspot im Wege der Kompensationsbewegung bewegt. Nicht ausgeschlossen ist dabei, dass das Werkstück kurzzeitig nicht bewegt wird, solange während der Ausbildung der VIA-Laserbohrungen keine Relativbewegung zwischen Laserspot und Werkstück stattfindet. Auch ist vorstellbar, dass während der Ausführung der Positionierbewegung des Laserspots (also einer Relativbewegung des Laserspots gegenüber dem Werkstück) das Werkstück kurzzeitig keine Werkstückbewegung erfährt.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch die Verwendung von ringförmigen Intensitätsverteilungen, da aufgrunddessen im Vergleich zu einer Gaußschen Intensitätsverteilung eine deutlich geringere Pulsenergie zur Ausbildung der VIA-Laserbohrungen benötigt wird. Aufgrund der Tatsache, dass bei einer ringförmigen Intensitätsverteilung nur Teilbereiche der jeweiligen Bearbeitungsstelle mit Laserstrahlung bestrahlt werden und dabei die Wärmeleitung oder Wärmeakkumulation zwischen den Ringen oder innerhalb des Rings dahingehend ausgenutzt wird, dass auch ein Abtrag zwischen den bestrahlten Ringbereichen stattfindet. Ferner erlaubt die Verwendung von Laserstrahlung mit ringförmigen Intensitätsverteilungen eine höhere Konturschärfe im Vergleich zu Gaußschen Intensitätsverteilungen, da die Brennweite der Linse insbesondere bei größeren Bohrungsdurchmessern deutlich kürzer gewählt werden kann und damit die beugungsbegrenzte Auflösung der Verteilung deutlich höher eingestellt werden kann. Zudem erlaubt die Verwendung des Perkussionsbohrverfahrens (Applikation mehrerer Laserpulse zur Ausbildung einer Bohrung) mit einer festen Strahlverteilung eine deutlich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit als das aus dem Stand der Technik bekannte Trepanierverfahren, bei dem die VIA-Bohrungen durch Scannen mit einem kleinen Strahl von Gaußscher Intensitätsverteilung ausgebildet werden.
Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren stehen, sind anhand eines nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels genauer erläutert. Dieses soll dem Fachmann die Erfindung verdeutlichen und ihn die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen, ohne jedoch die Erfindung zu beschränken. Die anhand des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale können ebenfalls zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie auch des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren näher erläutert. Dort zeigt:

1 den schematischen Aufbau eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitenden Werkstücks vor dem Laserbohren;
2 den schematischen Aufbau eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitenden Werkstücks nach dem Laserbohren, wobei eine erste Variante einer ausgebildeten Laserbohrung dargestellt ist, nämlich ein Blind-VIA-hole;
3 den schematischen Aufbau eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitenden Werkstücks nach dem Laserbohren, wobei eine zweite Variante einer ausgebildeten Laserbohrung dargestellt ist, nämlich ein Through-VIA hole;
4 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 den schematischen Aufbau einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6a eine schematische Darstellung der Bearbeitung eines Werkstücks mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer ersten Bearbeitungsstelle;
6b eine schematische Darstellung der Bearbeitung eines Werkstücks mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer zweiten Bearbeitungsstelle;
7a-c Darstellungen unterschiedlicher Intensitätsverteilungen eines Laserspots eines modulierten Laserstrahls;
8 Kurvendiagramme verschiedenartiger Intensitätsverteilungen;
9 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Mit dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren können VIA-Laserbohrungen in Werkstücken 1 unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildet werden. Dabei wird das Werkstück 1 an jenen Stellen, an denen die Ausbildung einer Laserbohrung gewünscht ist, mit gepulster Laserstrahlung bestrahlt. Zu beachten ist, dass es sich um modulierte Laserstrahlung (in den Figuren als modulierter Laserstrahl 20 bezeichnet) mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung handelt und ein Laserspot des modulierten Laserstrahls 20 während der Ausbildung der jeweiligen VIA-Laserbohrungen (also während der Applikation einer Mehrzahl von Laserpulsen im Wege des Perkussionsbohrens) keine Relativbewegung relativ zum Werkstück 1 erfährt, also statisch zu diesem angeordnet ist bzw. in Bezug zum Werkstück 1 ruht.. Dieser Aspekt wird an späterer Stelle noch detaillierter beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können unterschiedlichste Werkstücke 1 bearbeitet werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Werkstück 1 um ein flächenhaft in einer Hauptebene erstreckendes Flachsubstrat handeln. Das Werkstück kann starr und biegesteif sein (beispielsweise eine Leiterplatte), jedoch auch in Form einer flächenhaft ausgedehnten Folie vorliegen. Auch kann das Werkstück 1 mehrschichtig aufgebaut sein. Nachfolgend sei die Erfindung anhand des Beispiels eines starren Werkstücks 1 erläutert, ohne dabei die grundsätzliche Eignung der Erfindung zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen an Folien auszuschließen. Auch (mehrschichtige) Folien können als Leiterplatten verstanden werden.
Die 1 illustriert den schematischen Aufbau einer Leiterplatte, die ein Werkstück 1 im Sinne der Erfindung darstellen kann. Eine solche Leiterplatte umfasst in der Regel eine ein- oder beidseitig mit einem elektrisch leitfähigen Metall (z.B. Kupfer) beschichtete Platte aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise einer Kunststoffplatte, Keramikplatte oder Glasplatte. In dem illustrierten Beispiel ist eine beidseitig mit Metall beschichtete Leiterplatte dargestellt. Eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 4 aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Werkstoff (auch Verbundwerkstoff) ist mit einer oberen Metallschicht 2 und einer unteren Metallschicht 3 beschichtet. Derartig aufgebaute Leiterplatten werden vorwiegend zur Anordnung elektronischer Komponenten eingesetzt, d.h. elektronische Bauteile wie Kondensatoren werden über Lötverbindungen auf elektrisch leitende Oberflächen der oberen oder unteren Metallschicht 2, 3 der Leiterplatte aufgelötet. Auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche können zudem Leiterbahnen wie auch elektrisch isolierende Bereiche ausgebildet sein. In bestimmten Anwendungsbereichen kann es notwendig sein, solche Werkstücke 1 mit Bohrungen zu versehen, sei es um Leitungen durch die Bohrung hindurchzuführen oder um ein gegenüberliegend angeordnetes elektronisches Bauteil zu kontaktieren.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, an einer solchen Leiterplatte VIA-Laserbohrungen 5 eines einstellbaren Durchmessers D auszubilden. In den 2 und 3 sind zwei unterschiedliche Arten solcher VIA-Laserbohrungen 5 illustriert. Wie in der 2 gezeigt, kann zur Ausbildung einer VIA-Laserbohrung 5 in einem vorgegebenen Bearbeitungsbereich der Leiterplatte, die obere Metallschicht 2 und die Zwischenschicht 4 unter Ausbildung eines Blind-VIA-holes abgetragen werden. Durch die Ausbildung einer solchen Bohrung 5 kann die obere Metallschicht 2 mit der unteren elektrisch leitenden Metallschicht 3 durch die Bohrung 5 elektrisch verbunden werden (unter Einsatz eines geeigneten elektrisch leitenden Verbindungsmittels). Die 3 illustriert eine Bohrungsvariante, bei der im Bereich der Bohrung 5 das Material der Leiterplatte vollständig entfernt wurde (Through-VIA-hole), in diesem Bereich wurde also die obere Metallschicht 2, die Zwischenschicht 4 und die untere Metallschicht 3 entfernt.
In der 4 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben. Die Vorrichtung umfasst zunächst eine Werkstückaufnahme 6 zur Aufnahme beziehungsweise Positionierung eines Werkstücks 1. Dabei kann die Werkstückaufnahme 6 dazu eingerichtet sein, verschiedenste Arten von Werkstücken 1 positionsfest anzuordnen. Zur Aufnahme von Folien kommt beispielsweise die Verwendung einer Rolle-zu-Rolle Anordnung als Werkstückaufnahme 6 in Betracht. Im einfachsten Fall kann die Werkstückaufnahme 6 plattenartig ausgebildet sein. Zur Positionierung des Werkstücks 1 (beispielsweise im Falle einer zu bearbeitenden Leiterplatte), kann dieses auf der Werkstückaufnahme 6 abgelegt werden. Zusätzlich können Befestigungselemente vorgesehen sein, um das Werkstück 1 positionsfest zu halten. Auch vorstellbar ist die Ausbildung einer Kavität in der Werkstückaufnahme 6, in welcher das Werkstück 1 angeordnet werden kann.
Mit der Werkstückaufnahme 6 kann eine Werkstückpositionierungseinheit zusammenwirken (nicht dargestellt). Bei der Werkstückpositionierungseinheit kann es sich beispielsweise um einen innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen x, y aufgespannten Ebene bewegbaren Positioniertisch oder Schlitten handeln, sodass das Werkstück 1 oder die Werkstückaufnahme 6 samt aufgenommenem Werkstück 1 innerhalb der genannten Ebene bewegt und positioniert werden kann. Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass auch eindimensionale Bewegungen des Werkstücks innerhalb der x, y Ebene ausgeführt werden können. Sofern es sich bei dem Werkstück 1 um eine Folie handelt, kann diese in einer Rolle-zu-Rolle Halterung eingespannt sein. Eine solche Rolle-zu-Rolle Halterung kann dabei beispielsweise zwei gegenüberliegend angeordnete zylindrische Trägerkörper (Rollen) umfassen, von denen zumindest ein Trägerkörper über einen Drehantrieb um eine Drehachse rotierbar ist. Auch eine solche Anordnung (Rolle-zu-Rolle Halterung) kann als Werkstückaufnahme 6 einerseits und als Werkstückpositionierungseinheit andererseits verstanden werden. Denn durch Rotieren zumindest einer Rolle kann eine zwischen die Rollen eingespannte Folie (als Werkstück 1) von der gegenüberliegenden Rolle abgerollt werden (unter Aufrollen der Folie auf der angetriebenen Rolle) und somit bewegt werden. In beiden Fällen kann über die Werkstückpositionierungseinheit eine Werkstückbewegung in einer Horizontalebene x, y ausgeführt werden, beispielsweise in Form einer ein- oder zweidimensionalen Bewegung.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Laserstrahlungsquelle 7 mit der ein Laserstrahl 10 erzeugt und in Richtung des Werkstücks 1 ausgesendet wird, insbesondere in Form von Laserpulsen. Der Laserstrahlungsquelle 7 ist in Strahlrichtung eine Strahlformungseinheit 8 nachgeordnet. Die Strahlformungseinheit 8 ist dazu eingerichtet, aus dem Laserstrahl 10 einen modulierten Laserstrahl 20 zu formen. Dies erfolgt in einer der Strahlformungseinheit 8 zugehörigen Modulationseinheit (nicht dargestellt), bei der es sich vorzugsweise um einen Spatial Light Modulator handelt, dessen Funktionsweise und Ausgestaltungsvarianten vorangehend bereits beschrieben wurde. Die Strahlformung ermöglicht, die Intensitätsverteilung eines auf das Werkstück 1 abgebildeten Laserspots des modulierten Laserstrahls 20 an die Erfordernisse der auszubildenden Laserbohrung 5 anzupassen, und über eine geeignete Anpassung der Intensitätsverteilung beispielsweise den Bohrungsdurchmesser einzustellen.
Der Strahlformungseinheit 8 in Strahlrichtung nachgeordnet, ist eine Strahlpositionierungseinheit 9. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Galvanometerscanner handeln, der - wie einleitend beschrieben - dazu eingerichtet ist, den modulierten Laserstrahl 20 in Richtung des Werkstücks 1 auszulenken. Bestandteil der Strahlpositioniereinheit 9 kann zudem eine Fokussiereinheit 16 sein (vgl. 5), die den von dem Galvanometerscanner ausgelenkten Laserstrahl 20 auf das Werkstück 1 fokussiert. Dabei wird ein Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung 13, 14, 15 auf dem Werkstück 1 abgebildet.
Wie weiterhin in der 5 angedeutet, kann die Strahlpositionierungseinheit 9 ferner einen Positions- und Abstandssensor 11 aufweisen, mit dem die Position und/oder der Abstand A des Werkstücks 1 in Bezug zu der Strahlpositionierungseinheit 9 bestimmt werden kann. Basierend auf den von einem solchen Sensor ermittelten Positions- und Abstandsdaten kann die Werkstückaufnahme 6 (samt Werkstück 1) in Bezug zur Strahlpositionierungseinheit 9 entlang einer Vertikalachse z verstellt werden, beispielsweise um die Werkstückaufnahme 6 samt Werkstück 1 initial auf eine Bearbeitungshöhe zu befördern. Die Bearbeitungshöhe kann von einer für die Positionierung und Entnahme des Werkstücks 1 vorgesehenen Höhe abweichen.
Mit dem Galvanometerscanner kann der Laserspot im Wege einer Positionierbewegung innerhalb eines Scanfeldes auf unterschiedliche Stellen des Werkstücks 1 abgebildet werden. Weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine in den Figuren nicht dargestellte Steuereinheit, mit der die Werkstückpositionierungseinheit und die Strahlpositionierungseinheit 9 dahingehend gesteuert werden, dass bei der Ausbildung einer Mehrzahl von VIA-Laserbohrungen 5 auf dem Werkstück 1synchron eine Werkstückbewegung und eine Kompensationsbewegung (des Laserspots) ausgeführt werden. Dies führt dazu, dass der Laserspot während der Ausbildung der jeweiligen VIA-Laserbohrungen 5 relativ zum Werkstück 1 ruht bzw. sich in keiner Relativbewegung zum Werkstück befindet. Nach Ausbildung einer VIA-Laserbohrung 5 wird der Laserspot durch Ausführung einer über die Strahlpositionierungseinheit 9 vermittelte Positionierbewegung auf eine weitere Bearbeitungsstelle positioniert. Die Positionierbewegung ist um ein Vielfaches schneller als die Werkstückbewegung und die Kompensationsbewegung. Vor der Bearbeitung einer weiteren Bearbeitungsstelle kann über den Spatial Light Modulator die auf der weiteren Bearbeitungsstelle erzeugte Intensitätsverteilung des Laserspot abgeändert werden, beispielsweise um eine Laserbohrung mit einem anderen Durchmesser auszubilden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren können eine Reihe von VIA-Laserbohrungen 5 entlang eines vorgegebenen Bearbeitungsweges mit hoher Geschwindigkeit ausgebildet werden.
In Abhängigkeit der geometrischen Anordnung der auszubildenden Laserbohrungen 5 auf dem Werkstück 1, berechnet die Steuereinheit einen ersten, zweiten und dritten Bewegungspfad, entlang welcher das Werkstück 1 bzw. der Laserspot unter Einsatz der Werkstückpositionierungseinheit respektive Strahlpositionierungseinheit 9 bewegt werden. Während der Ausbildung der VIA-Laserbohrungen 5 wird dabei eine synchrone Werkstückbewegung und Kompensationsbewegung des Laserspots ausgeführt. Zur Positionierung des Laserspots auf weitere Bearbeitungsstellen wird eine über die Strahlpositionierungseinheit 9 vermittelte Positionierbewegung ausgeführt. Dabei werden die berechneten Bewegungspfade bzw. die Werkstückbewegung, Kompensationsbewegung und Positionierbewegung mit Blick auf eine möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw. Verfahrensgeschwindigkeit optimiert.
Die Ausbildung von VIA-Laserbohrungen 5 an verschiedenen Stellen eines Werkstücks 1 unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei anhand der schematischen Darstellungen in den 6a und 6b genauer erläutert. Zur Vereinfachung wurde in den 6a, 6b auf die Darstellung der Laserstrahlungsquelle 7 und die Strahlformungseinheit 8 verzichtet. Dargestellt ist lediglich die Strahlpositionierungseinheit 9, über welche der modulierte Laserstrahl 20 auf eine erste Bearbeitungsstelle B1 des Werkstücks 1 gelenkt wird. An dieser Stelle wird unter Einsatz von gepulster Laserstrahlung ein Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung ausgebildet. Während der Applikation eines oder mehrerer Laserpulse im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle B1 wird an dieser Stelle eine VIA-Laserbohrung 5 ausgebildet. Während der Ausbildung der Laserbohrung wird das Werkstück 1 synchron mit dem Laserstrahl 20 bzw. einem davon erzeugten Laserspot bewegt. Die so ausgeführte synchrone Werkstückbewegung und Kompensationsbewegung stellen sicher, dass zwischen Laserspot bzw. Laserstrahl 20 und dem Werkstück während des Perkussionsbohrvorgangs an der Bearbeitungsstelle B1 keine Relativbewegung erfolgt. Der Laserspot verweilt während des Bohrens statisch auf dem Werkstück 1 bzw. ruht gegenüber diesem. Nach Ausbildung einer ersten Laserbohrung kann an einer zweiten Bearbeitungsstelle B2 des Werkstücks 1 eine zweite Laserbohrung ausgebildet werden. Zur Positionierung des Laserstrahls 20 auf die zweite Bearbeitungsstelle B2, wird simultan eine über die Strahlpositionierungseinheit 9 vermittelte sehr schnelle Positionierbewegung des Laserstrahls 20 (bzw. eines zugehörigen Laserspots) ausgeführt. Während der Ausführung der Positionierbewegung kann die Werkstückbewegung unterbrochen oder fortgeführt werden. Die Positionierbewegung und Werkstückbewegung werden von der Steuereinheit gesteuert. Vor der Ausbildung einer VIA-Laserbohrung 5 an der weiteren Bearbeitungsstelle B2 kann zudem optional die Intensitätsverteilung des an der Bearbeitungsstelle B2 erzeugten Laserspots abgeändert werden, um z.B. den Durchmesser der Laserbohrung anzupassen. Wie aus einer Zusammenschau der 6a und 6b hervorgeht, wird die Werkstückaufnahme 6 nach der Ausbildung einer ersten VIA-Laserbohrung 5 von einer ersten Position W1 in eine zweite Position W2 über eine bestimmte Wegstrecke M bewegt (im Rahmen der Werkstückbewegung). Der zwischen den Positionen W1 und W2 zurückgelegte Weg M muss dabei nicht notwendigerweise linear verlaufen. Entsprechend wird das Werkstück 1 um den Weg M (relativ zu der Strahlformungseinheit 9) bewegt. Gleichzeitig wird der Laserstrahl 20 im Wege der Positionierbewegung über den in der Strahlpositionierungseinheit 9 vorgesehenen Galvanometerscanner um einen vorgegebenen Weg bewegt (Positionierbewegung). Die Bewegungspfade des Laserstrahls 20 bzw. des zugehörigen Laserspots auf dem Werkstück 1 und des Werkstücks 1 (bzw. der Werkstückaufnahme 6 samt aufgenommenem Werkstück 1) sind dahingehend aufeinander abgestimmt, dass eine positionsgenaue Ausrichtung des Laserspots an den zu bearbeitenden Stellen verwirklicht wird. Nach Ausbildung einer Laserbohrung 5 an der zweiten Bearbeitungsstelle B2, kann eine Mehrzahl weiterer Bearbeitungsstellen nach dem vorangehend beschriebenen Prozedere angesteuert werden. Sowohl die Positionierbewegung, als auch die Werkstückbewegung und die Kompensationsbewegung kann mehrdimensional verlaufen.
Die 7a-c zeigen mögliche Intensitätsverteilungen, die ein auf das Werkstück 1 abgebildeter Laserspot eines modulierten Laserstrahls 20 aufweisen kann. Dabei geben die 7a-c in einem auf Helligkeitskontrasten basierenden 2D-Plot verschiedene einstellbare ringförmige Intensitätsverteilungen 13 wieder. Die in den 2D-Plots hell dargestellten Zonen geben Bereiche mit hoher Strahlungsintensität wieder. Entlang einer der Raumachsen x, y (also den in der horizontalen Werkstückebene liegenden Raumachsen) weisen die dargestellten Intensitätsverteilungen in Bezug auf den Mittelpunkt einer Strahlachse des den Laserspot erzeugenden modulierten Laserstrahls 20 mehrere Intensitätsmaxima auf. Dies geht eindeutig aus den ebenfalls im 2D Diagramm eingeblendeten 1-D Intensitätsverteilungen entlang der Raumachsen x und y hervor. Die in 7a dargestellte Intensitätsverteilung weist bezogen auf die Raumachsen x und y jeweils zwei Intensitätsmaxima auf. In den 7b und 7c sind Intensitätsverteilung mit drei Intensitätsmaxima bzw. vier Intensitätsmaxima wiedergegeben. Erkennbar ist ferner, dass die Intensitätsmaxima in Bezug auf den Mittelpunkt einer Strahlachse des den Laserspot erzeugenden modulierten Laserstrahls, denselben Abstand aufweisen und symmetrisch um die Strahlachse verteilt sind. Zu den Einzelheiten der Erzeugung derartiger Intensitätsverteilungen sei auf die der Figurenbeschreibung vorangehende allgemeine Beschreibung der Erfindung bzw. der zugehörigen vorteilhaften Ausgestaltungen verwiesen.
In der 8 sind in Form eines 1D- Plots verschiedenartige Intensitätsverteilungen gegenübergestellt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist eine Gaußsche Intensitätsverteilung gekennzeichnet. Eine solche Intensitätsverteilung weist ein von der Laserstrahlungsquelle 7 erzeugter Laserstrahl 10 auf. Mit dem Bezugszeichen 14 ist eine als Top-Hat bzw. Flat-Top Verteilung bezeichnete Intensitätsverteilung gekennzeichnet. Eine solche Intensitätsverteilung kann über die der Strahlformungseinheit zugehörige Modulationseinheit in einem modulierten Laserstrahl 20 eingestellt werden. Im Vergleich zu einem Laserstrahl mit Gaußscher Intensitätsverteilung weist ein solches Intensitätsprofil über einen weiteren Bereich eine konstante Intensität auf. Entsprechend lassen sich mit einem Laserstrahl einer solchen Intensitätsverteilung VIA-Laserbohrungen mit schärferer Kontur ausbilden. Ein solches Profil ähnelt einem Rechteck-Profil. Mit dem Bezugszeichen 15 ist eine - in Bezug auf die Intensitätsverteilungen 12 (Gauß-Form) und 14 (Top-Hat) - Intensitätsverteilung 15 mit einer dazwischenliegenden Homogenität dargestellt. Eine solche Intensitätsverteilung lässt sich als super-Gauß Profil bezeichnen. Grundsätzlich lassen sich die in den 7 und 8 dargestellten Intensitätsverteilungen 13, 14 und 15 von Laserstrahlung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugen und zur Ausbildung der VIA-Laserbohrungen 5 einsetzen.
In der 9 sind die wesentlichen der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden Schritte wiedergegeben. Wie bereits mehrfach erwähnt wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung einer Mehrzahl von VIA-Laserbohrungen 5 in einem Werkstück 1 eingesetzt. In einem ersten Verfahrensschritt a. wird das Werkstück 1 in einer Werkstückaufnahme 6 angeordnet. Im Anschluss daran wird in einem Verfahrensschritt b. ein gepulster Laserstrahl 10 mit der Laserstrahlungsquelle 7 erzeugt. Zur Ausbildung einer VIA-Laserbohrung 5 werden Laserpulse entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks 1 ausgesendet. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt c. wird aus dem Laserstrahl 10 ein modulierter Laserstrahl 20 geformt. Getreu einem weiteren Verfahrensschritt d. wird der modulierte Laserstrahl 20 unter Einsatz einer Strahlpositionierungseinheit 9 in Richtung einer ersten Bearbeitungsstelle B1 des Werkstücks 1 ausgelenkt. Dabei wird ein Laserspot mit einer vorgegebenen (jedoch einstellbaren) Intensitätsverteilung im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle B1 des Werkstücks 1 erzeugt bzw. abgebildet. Im Anschluss daran wird in einem Verfahrensschritt e. eine VIA-Laserbohrung 5 im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle B1 ausgebildet. Währenddessen wird das Werkstück 1 unter Einsatz der Werkstückpositionierungseinheit einer Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen x, y aufgespannten Ebene unterzogen. Synchron dazu wird der modulierte Laserstrahl 20 bzw. ein dazu korrespondierender Laserspot von der Strahlpositionierungseinheit 9 bewegt (Kompensationsbewegung). Der Laserspot unterliegt demnach während des Perkussionsbohrens (also der Applikation von Laserpulsen zum Ausbilden der VIA-Laserbohrung) keiner Relativbewegung in Bezug zum Werkstück 1, obgleich sowohl das Werkstück 1 als auch der Laserspot synchron bewegt werden. Die Werkstückbewegung und die dazu korrespondierende Kompensationsbewegung des Laserspots werden synchron ausgeführt. Im Anschluss wird gemäß einem Verfahrensschritt f. eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf eine weitere Bearbeitungsstelle B2 ausgeführt. Optional kann die Intensitätsverteilung des modulierten Laserstrahls über den Spatial Light Modulator angepasst werden. Nach der Positionierung des Laserspots kann der Verfahrensschritt e. wiederholt werden und es kann eine Laserbohrung 5 an der zweiten Bearbeitungsstelle B2 ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: obere Metallschicht
3: untere Metallschicht
4: Zwischenschicht
5: VIA-Laserbohrung
6: Werkstückaufnahme
7: Laserstrahlungsquelle
8: Strahlformungseinheit
9: Strahlpositionierungseinheit
10: Laserstrahl
11: Positions- und Abstandssensor
12: Gauß'sche Intensitätsverteilung
13: ringförmige Intensitätsverteilung
14: Top-Hat bzw. Flat-Top Intensitätsverteilung
15: super-Gauß Profil
16: Fokussiereinheit
20: modulierter Laserstrahl
A: Abstand
B1: erste Bearbeitungsstelle
B2: zweite Bearbeitungsstelle
D: Durchmesser
M: Wegstrecke
W1: erste Position
W2: zweite Position
x: Raumrichtung
y: Raumrichtung
z: Raumrichtung

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

KR 20180060830 [0011, 0012]
WO 2017/044646 A1 [0013]
US 2018/0339364 A1 [0014]

Claims

Vorrichtung zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen (5) an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks (1), umfassend a. eine Werkstückaufnahme (6), die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück (1) aufzunehmen; b. eine mit der Werkstückaufnahme (6) zusammenwirkende Werkstückpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen (x, y) aufgespannten Ebene auszuführen; c. eine Laserstrahlungsquelle (7), die dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Laserstrahl (10) zu erzeugen und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung (5) eine Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung des Werkstücks (1) auszusenden; d. eine der Laserstrahlungsquelle (7) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlformungseinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus dem Laserstrahl (10) einen modulierten Laserstrahl (20) zu formen; e. eine der Strahlformungseinheit (8) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit (9), die dazu eingerichtet ist, - den modulierten Laserstrahl (20) in Richtung des Werkstücks (1) auszulenken und einen Laserspot mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung (13, 14, 15) auf dem Werkstück (1) abzubilden, - eine Positionierbewegung zur Positionierung des Laserspots auf die Bearbeitungsstellen auszuführen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, und - zumindest während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen eine zur Werkstückbewegung synchrone Kompensationsbewegung des Laserspots auszuführen, so dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen relativ zu dem Werkstück (1) ruht; f. und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die von der Werkstückpositionierungseinheit bzw. der Strahlpositionierungseinheit (9) ausgeführte Werkstückbewegung, Positionierbewegung und Kompensationsbewegung unter Gewährleistung der unter b. und e. angegebenen Voraussetzungen zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückpositionierungseinheit dazu eingerichtet ist, das Werkstück (1) zusätzlich entlang einer senkrecht zu der Ebene stehenden, vertikalen Raumachse (z) zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Positions- und Abstandssensor (11), der dazu eingerichtet ist, die Position und/oder den Abstand (A) des Werkstücks (1) in Bezug zu der Strahlpositionierungseinheit (9) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bewegungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine aus der Strahlformungseinheit (8) und der Strahlpositionierungseinheit (9) gebildete Baueinheit relativ zu der Werkstückaufnahme (6) samt aufgenommenem Werkstück (1) zu bewegen und zu positionieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bewegungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die Strahlpositionierungseinheit (9) relativ zu der Werkstückaufnahme (6) samt aufgenommenem Werkstück (1) zu bewegen und zu positionieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Bewegungseinheit, die Werkstückpositionierungseinheit und/oder die Strahlpositionierungseinheit (9) in Abhängigkeit der mit dem Positions- und Abstandssensor (11) bestimmten Positions- und/oder Abstandsdaten zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet ist, entlang der vertikalen Raumachse (z) eine optische Fokuskorrektur auszuführen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, jene der Werkstückpositionierungseinheit und der Strahlpositionierungseinheit (9) bei der Werkstückbewegung, Kompensationsbewegung und Positionierbewegung zugrunde liegenden Bewegungsgeschwindigkeiten dahingehend aufeinander abzustimmen, dass die VIA-Laserbohrungen an der Mehrzahl von Bearbeitungsstellen entlang eines vorgegebenen Bearbeitungsweges mit einer Bohrrate von bis zu 1000 Bohrungen pro Sekunde oder mehr als 1000 Bohrungen pro Sekunde ausgebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Bearbeitungsweg aus extern vorgebbaren Daten, beispielsweise einer gewünschten Anordnung von VIA-Laserbohrungen in dem Werkstück, zu berechnen, beispielsweise unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Randbedingung wie einer minimalen Bearbeitungszeit oder einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, aus dem berechneten Bearbeitungsweg die für die Ausbildung der VIA-Laserbohrungen erforderliche Positionier-, Kompensations-, und Werkstückbewegung zu ermitteln, und dass die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, die zur Umsetzung dieser Bewegungen vorgesehene Werkstückpositionierungseinheit und Strahlpositionierungseinheit (9) anzusteuern.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Werkstückpositionierungseinheit und die Strahlpositionierungseinheit (9) dahingehend zu steuern, dass der Laserspot während der Ausbildung der einzelnen VIA-Laserbohrungen für eine Zeit von 0.5 bis 2 ms keiner Relativbewegung zu dem Werkstück (1) unterliegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahme (6) ausgebildet ist als eine Rolle-zu-Rolle Halterung, wobei das Werkstück (1) eine auf- und abrollbare Folie ist und durch Rotation zumindest einer der Halterung zugehörigen Rollen entlang einer der horizontalen Raumachsen (x, y) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (8) zumindest eine Modulationseinheit umfasst, die zumindest eine auf einem Siliziumsubstrat abgeschiedene Flüssigkristallschicht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu formen und einen modulierten Laserstrahl (20) zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit elektronisch steuerbar ist, und dass die Intensitätsverteilung des Laserspots über die Modulationseinheit einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Laserstrahlungsquelle (7) erzeugte Laserstrahl (10) im Querschnittsprofil eine Gaußsche Intensitätsverteilung (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit dazu eingerichtet ist, einen modulierten Laserstrahl (20) zu erzeugen, der auf dem Werkstück (1) zumindest einen Laserspot mit einer von einer Gaußschen Intensitätsverteilung (12) abweichenden Intensitätsverteilung (13, 14, 15) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Laserspot eine Intensitätsverteilung (13) mit mehreren Intensitätsmaxima aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima, in Bezug auf den Mittelpunkt einer Strahlachse des den zumindest einen Laserspot erzeugenden modulierten Laserstrahls (20), denselben Abstand aufweisen und symmetrisch um die Strahlachse verteilt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Laserspot eine ringförmige Intensitätsverteilung (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest Laserspot entlang seiner Querschnittsachse eine Top-Hat Intensitätsverteilung (14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinheit (16), die dazu eingerichtet ist, den modulierten Laserstrahl (20) auf das Werkstück unter Ausbildung des Laserspots zu fokussieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlungsquelle (7) dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Laserstrahl (10) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer weniger als 100 ns beträgt, bevorzugt weniger als 10 ns, insbesondere weniger als 1 ns, besonders bevorzugt weniger als 100 ps, insbesondere bevorzugt weniger als 10 ps und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 ps beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pulsenergien im Bereich von 50 bis 500 µJ verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit dazu eingerichtet ist, ortsabhängig die Phase und/oder die Intensität des Laserstrahls (10) zu verändern.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit dazu eingerichtet ist, dass Laserstrahlung durch die Modulationseinheit hindurchtritt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu reflektieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laserstrahlungsquelle (7) und der Strahlformungseinheit (8) ein Lambda-Halbe-Verzögerungselement angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachgelagert zu der Strahlformungseinheit (8) zwei Relay-Optiken angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Relay-Optiken eine Maske angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, einen Teil der modulierten Laserstrahlung herauszufiltern.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske dazu eingerichtet ist, ungebeugte Anteile oder höhere Ordnungen der von der Strahlformungseinheit (8) modulierten Laserstrahlung herauszufiltern.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpositionierungseinheit (9) als Spiegelscanner ausgebildet ist, insbesondere als Galvanometerscanner.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung (13, 14, 15) dahingehend ausgewählt ist, dass das Material des Werkstücks (1) innerhalb des bestrahlten Bereichs lokal aufschmilzt oder verdampft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) und die Tiefe der zu erzeugenden VIA-Laserbohrungen (5) durch eine Auswahl der Intensitätsverteilung des Laserspots, der Pulsdauer, die Anzahl der Laserpulse und/oder der Pulsleistung des Lasers einstellbar ist.
Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen (5) an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks (1) unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, umfassend zumindest die folgenden Schritte: a. das Werkstück (1) wird in der Werkstückaufnahme (6) angeordnet; b. ein gepulster Laserstrahl (10) wird von der Laserstrahlungsquelle (7) erzeugt und zur Ausbildung jeder einzelnen VIA-Laserbohrung (5) jeweils in Form einer Mehrzahl von Laserpulsen in Richtung einer zugehörigen Bearbeitungsstelle des Werkstücks (1) ausgesendet; c. aus dem Laserstrahl (10) wird unter Einsatz der Strahlformungseinheit (8) ein modulierter Laserstrahl (20) geformt; d. der modulierte Laserstrahl (20) wird unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit in Richtung einer ersten Bearbeitungsstelle (B1) des Werkstücks (1) ausgelenkt, um einen Laserspot des modulierten Laserstrahls (20) mit einer vorgegebenen ersten Intensitätsverteilung im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle (B1) des Werkstücks (1) abzubilden; e. eine VIA-Laserbohrung (5) wird im Bereich der ersten Bearbeitungsstelle (B1) ausgebildet, wobei währenddessen - das Werkstück (1) unter Einsatz der Werkstückpositionierungseinheit einer Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen (x, y) aufgespannten Ebene unterzogen wird, - unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit (9) eine zur Werkstückbewegung synchrone Kompensationsbewegung des Laserspots ausgeführt wird, so dass der Laserspot während der Ausbildung der VIA-Laserbohrung (5) relativ zu dem Werkstück (1) ruht; f. der Laserspot wird unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit (9) einer Positionierbewegung zur Positionierung auf eine weitere Bearbeitungsstelle (B2) unterzogen, bei welcher der Laserspot relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird; g. der Verfahrensschritt e. wird an der weiteren Bearbeitungsstelle (B2) wiederholt, wobei der Wiederholung des Verfahrensschritts e. optional eine Wiederholung der Verfahrensschritte c und d. mit der Maßgabe vorgelagert sein kann, einen Laserspot des modulierten Laserstrahls (20) im Bereich der weiteren Bearbeitungsstelle (B2) des Werkstücks (19) abzubilden, der eine von der ersten Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 35 ausgeführt wird.