DE10230456A1

DE10230456A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen organischer Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche

Info

Publication number: DE10230456A1
Application number: DE2002130456
Authority: DE
Inventors: Heinrich Baldauf; Ralf Haug; Gilbert Moersch; Andreas Kugler; Steffi Blumentritt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-06
Filing date: 2002-07-06
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Entfernen von organischen Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche (13) vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen CO¶2¶-Laser (14) aufweist, mit dessen Licht die Metalloberfläche (13) beleuchtbar ist. Weiter wird ein damit durchgeführtes Verfahren vorgeschlagen, wobei die Metalloberfläche (13) mit dem Licht des CO¶2¶-Lasers (14) derart beaufschlagt wird, dass in dem beaufschlagten Oberflächenbereich (16) vorhandene organische Verunreinigungen (15) zumindest weitgehend rückstandsfrei von der Metalloberfläche (13) entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen organischer Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche sowie ein mit dieser Vorrichtung durchgeführtes Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Bei der Reinigung von Metalloberflächen im Bereich elektronischer Schaltungen, beispielsweise bestückten oder teilbestückten Leiterplatten mit aufgelöteten Bauelementen, auf die noch weitere Bauelemente, insbesondere mit Hilfe eines Leitklebers, aufgebracht werden müssen, ist es erforderlich, auf den Metalloberflächen noch vorhandene organische Verunreinigungen zunächst zu entfernen.
Derartige organische Verunreinigungen sind einerseits Bestandteile vielfach eingesetzter Flussmittel, die entfernt werden müssen, um einen hohen Isolationswiderstand der Metalloberfläche auch unter Feuchteeinfluss zu garantieren, und um Korrosion zu vermeiden.
Weiter ist es bei elektronischen Schaltungen auch üblich, Verunreinigungen auf sogenannten "Bondpads", d. h. metallischen Oberflächen, zu entfernen, um eine genügende Prozesssicherheit bei einem nachfolgenden Bonden sicherzustellen.
Schließlich werden Reinigungsverfahren bei elektronischen Schaltungen auch eingesetzt, um den Kontaktwiderstand von beispielsweise vergoldeten metallischen Oberflächen, die durch organische Substanzen verunreinigt sind, beim Aufkleben von Bauelementen zu verringern.
Im Stand der Technik sind als Reinigungsverfahren zum Entfernen von organischen Verunreinigungen auf Metalloberflächen vor allem die Plasmareinigung und nasschemische Verfahren bekannt, die teilweise durch eine nachgeschaltete Plasmareinigung ergänzt werden.
Diese Verfahren haben den Nachteil, dass alle zu reinigenden Teile kompatibel zu den Reinigungsmedien sein müssen, d. h. dass die zu reinigenden Leiterplatten und Bauelemente für das eingesetzte nasschemische Reinigungsmedium und auch für eine eventuell nachfolgend eingesetzte Plasmareinigung freigegeben sein müssen. Weiter ist bei den aus dem Stand der Technik eingesetzten Verfahren auch problematisch, dass durch elektromagnetische Strahlung aus einem eingesetzten Plasma ESD-empfindliche Bauelemente ("electro-static discharge") geschädigt werden können. Darüber hinaus ist bei der nasschemischen Reinigung generell nachteilig, dass Chemikalien anfallen, die entsorgt werden müssen, dass in der Regel viele Bäder benötigt werden, und dass die Prozesszeiten im Fall eines Mischprozesses Nasschemie/Plasmareinigung sehr lang sind und im Fall von Vakuum-Plasmaverfahren durch Abpumpzeiten noch verlängert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, mit dem eine zumindest weitgehend rückstandsfreie Entfernung von organischen Verunreinigungen auf metallischen Oberflächen, insbesondere im Bereich elektronischer Schaltungen, möglich ist. Dabei sollten die gereinigten Metalloberflächen bei der Reinigung möglichst weder abgetragen noch insbesondere chemisch, topologisch oder morphologisch in relevanter Weise verändert werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die gereinigten Metalloberflächen in ihrer chemischen Zusammensetzung, Morphologie und Topologie gegenüber dem Ausgangszustand vor der Reinigung nicht nennenswert verändert oder abgetragen werden, und dass lediglich die auf der Oberfläche des Metalls befindlichen organischen Verunreinigungen sehr effektiv entfernt werden. So werden mit Hilfe eines CO₂-Lasers auf der Oberfläche eines Metalls sich befindliche organische Verunreinigungen sicher entfernt und gleichzeitig die Metalloberfläche nicht abgetragen, da die Absorption eines Metalls in dem Wellenlängenbereich des Lichtes, das ein CO₂-Laser emittiert, gering ist.

Weiter hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es sehr schnell ist, und sich leicht in eine automatische Fertigungslinie integrieren lässt. Typische Zeiten für die Reinigung einer vorgegebenen Metalloberfläche liegen bei weniger als 5 s/cm².

Schließlich kann auf eine förmliche Freigabe der Bauelemente, die dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren unterzogen werden, in der Regel verzichtet werden, und es werden auch ESD-empfindliche Bauelemente bei dessen Anwendung nicht geschädigt. Insgesamt eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit vor allem, um gereinigte Metalloberflächen für eine nachfolgende Klebung vorzubereiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Es ist besonders vorteilhaft, dass der CO₂-Laser Licht einer Wellenlänge von 10.600 nm emittiert, da dieses Licht von organischen Verunreinigungen besonders gut absorbiert und gleichzeitig von metallischen Oberflächen sehr gut reflektiert wird.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass das eingesetzte Verfahren sich auch sehr gut dazu eignet, metallische Oberflächen lediglich bereichsweise bzw. partiell definiert zu reinigen, d. h. das Reinigungsverfahren wird lediglich dort eingesetzt, wo es auch benötigt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass dem CO₂-Laser eine Scaneinrichtung und/oder ein optisches Bauelement wie beispielsweise eine Strahlumlenkung oder ein Umlenkspiegel zugeordnet ist, mit deren Hilfe der CO₂- Laser relativ zu der zu bearbeitenden Metalloberfläche verfahrbar ist. Auf diese Weise kann ein Abscannen der zu bearbeitenden Metalloberfläche erfolgen. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Metalloberfläche relativ zu einem starren Laser verfahren wird, was jedoch gegenüber der ersten Variante aufwändiger ist. Insgesamt ist es somit sehr einfach möglich, mit dem von dem CO₂-Laser erzeugten Laserstrahl einen definierten Bereich der Metalloberfläche abzuscannen, in dem der Laserstrahl relativ zu der Metalloberfläche bewegt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zusätzliche Abblaseinrichtung vorgesehen, mit der die Metalloberfläche während und/oder nach der Beleuchtung mit dem Laserlicht mit einem strömenden Gas wie Luft oder bevorzugt einem Inertgas wie Argon oder Stickstoff beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt wird mit der Abblaseinrichtung ein zumindest weitgehend parallel zu der bearbeiteten Metalloberfläche gerichteter Gasstrom erzeugt, so dass auf der Metalloberfläche unter dem Einfluss des Lichtes des CO₂-Lasers erzeugte bzw. abreagierte oder abgeplatzte Verunreinigungen von dieser sehr schnell und möglichst vollständig abgeblasen werden. Die Abblaseinrichtung ist vorteilhaft eine an die Form der Metalloberfläche und deren Dimension angepasste Gasdüse oder Gasdusche mit einer entsprechenden Gaszuführung.

Besonders einfach und effektiv können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren Nickel-, Kupfer-, Silber- oder vor allem Gold- Oberflächen gereinigt werden, da diese das Licht eines CO₂-Lasers stark reflektieren.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Schichtanordnung mit einer Metalloberfläche auf einem Substrat und Fig. 2 eine Prinzipskizze der Laserreinigungsvorrichtung.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Leiterplatte bzw. allgemeiner ein Substrat 10, auf dem sich bereichsweise eine erste Schicht 11, beispielsweise eine Kupferschicht, auf dieser eine zweite Schicht 12, beispielsweise eine Nickelschicht, und auf dieser eine Metallschicht 12, beispielsweise eine Goldschicht, befindet.
Die Fig. 2 zeigt eine Laserreinigungsvorrichtung 5, mit der der Schichtaufbau auf dem Substrat 10 gemäß Fig. 1 von organischen Verunreinigungen 15 befreit wird, die sich dort auf der Metallschicht 13 abgeschieden haben. Dazu wird die Metallschicht 13 mit den Verunreinigungen 15 mit Hilfe eines handelsüblichen CO₂-Lasers 14, beispielsweise des Typs SCX 20 von Rofin Baasel bearbeitet, dessen Licht eine Wellenlänge von 10.600 nm aufweist, und das die Metalloberfläche 13 beleuchtet. Der CO₂-Laser 14 ist mit Hilfe einer nicht dargestellten Scaneinrichtung relativ zu der Metalloberfläche 13 verfahrbar, so dass mit dem CO₂-Laser 14 ein Oberflächenbereich 16 abtastbar und mit dem Laserlicht beaufschlagbar ist.
Weiter zeigt Fig. 2, dass die Laserreinigungsvorrichtung 5 eine Abblaseinrichtung 20 in Form einer Gasdüse aufweist, die mit einer Gaszuführung verbunden ist. Mit dieser Abblaseinrichtung wird bevorzugt während der Laserbearbeitung der Metalloberfläche 13 bzw. der Beseitigung der Verunreinigungen auf der Metalloberfläche 13 diese mit einem zumindest weitgehend parallel zu ihr gerichteten Gasstrom, vorzugsweise einem Helium-, Stickstoff oder einem Argonstrom, beaufschlagt, so dass auf der Metalloberfläche 13 abplatzende oder unter dem Einfluss der Laserstrahlung entstehende chemische Verbindungen abgeblasen werden. In Fig. 2 ist zusätzlich auch eine Draufsicht auf die Metalloberfläche 13 vor und nach der Durchführung des erläuterten Reinigungsverfahrens gezeigt. Man erkennt, wie in dem bearbeiteten Oberflächenbereich 16 die dort zunächst vorhandenen organischen Verunreinigungen 15 entfernt worden sind.
Im Übrigen sei noch erwähnt, dass die Metalloberfläche 13 bevorzugt im Fokus des von dem CO₂-Laser 14 erzeugten Laserstrahls angeordnet ist. Der CO₂-Laser 14 emittiert bevorzugt Licht mit einer Energiedichte von 2 J/cm² bis 30 J/cm² bei einer Pulsbreite von 50 ns bis 20 µm. Weiter kann dem CO₂-Laser 14 noch eine Optik zugeordnet sein, die sich zwischen dem Laser 14 und der Metalloberfläche 13 befindet, und die das von dem Laser 14 emittierte Licht auf die Metalloberfläche 13 abbildet. Generell ist bei der Durchführung des erläuterten Verfahrens vorteilhaft, wenn das Licht des CO₂-Lasers 14 vergleichsweise geringe Energiedichten und Pulsbreiten aufweist.
Bei der Durchführung des erläuterten Verfahrens nutzt man aus, dass organische Schichten im Gegensatz zu metallischen Schichten eine vergleichsweise hohe Absorption im Bereich der Wellenlänge um 10.600 nm aufweisen, so dass mit einem derartigen Licht selektiv organische Bestandteile von metallischen Oberflächen entfernbar sind. Diese Reinigungswirkung wird bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel noch durch eine lokale Plasmabildung verstärkt, die bei dieser Wellenlänge ausgeprägt auftritt.
Es ist offensichtlich, dass mit Hilfe üblicher optischer Bauelemente, beispielsweise mit Hilfe einer Strahlumlenkung, definiert eine lokale Reinigung einer Metalloberfläche 13vorgenommen werden kann, ohne dass angrenzende Flächen durch Laserstrahlung oder ein entstehendes Plasma geschädigt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen von organischen Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche (13) mit einem CO₂-Laser (14), mit dessen Licht die Metalloberfläche (13) beleuchtbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-Laser (14) Licht einer Wellenlänge von 10600 nm emittiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche (13) im Focus des von dem CO₂-Laser (14) erzeugten Laserstrahls angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-Laser (14) Licht mit einer Energiedichte von 2 J/cm² bis 30 J/cm² emittiert.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-Laser (14) Licht mit einer Pulsbreite von 50 ns bis 30 µs emittiert.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere dem CO₂-Laser (14) zugeordnete Scaneinrichtung und/oder mindestens ein optisches Bauelement vorgesehen sind, mit deren Hilfe der CO₂-Laser (14) relativ zu der Metalloberfläche (13) verfahrbar und/oder mit deren Hilfe der von dem CO₂-Laser (14) erzeugte Laserstrahl über zumindest einen Bereich der Metalloberfläche (13) scannbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abblaseinrichtung (20) vorgesehen ist, mit der die Metalloberfläche (13) während und/oder nach der Beleuchtung mit dem Laserlicht mit einem strömenden Gas, insbesondere Luft oder einem Inertgas wie Helium, Argon oder Stickstoff, beaufschlagbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblaseinrichtung (20) einen zumindest weitgehend parallel zu der Metalloberfläche (13) gerichteten Gasstrom erzeugt, mit dem auf der Metalloberfläche (13) befindliche Verunreinigungspartikel von dieser abblasbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche (13) eine das Licht des CO₂-Lasers reflektierende Oberfläche, insbesondere eine Au-, Ni-, Cu- oder Ag-Oberfläche, ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung der Metalloberfläche (13) derart erfolgt, dass diese, abgesehen von der Beseitigung organischer Verunreinigungen, weder abgetragen noch insbesondere chemisch, topologisch oder morphologisch in erheblicher Weise verändert wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche (13) Teil einer bestückten oder teilbestückte Leiterplatte ist.

12. Verfahren zum Entfernen organischer Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche (13), wobei die Metalloberfläche (13) mit Hilfe einer Vorrichtung (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem Licht eines CO₂-Lasers (14) derart beaufschlagt wird, dass in dem beaufschlagten Oberflächenbereich (16) vorhandene organische Verunreinigungen (15) zumindest weitgehend rückstandsfrei von der Metalloberfläche (13) entfernt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem beaufschlagten Oberflächenbereich (16) unter dem Einfluss des Lichtes des CO₂-Lasers (14) ein lokales Plasma gebildet wird.