DE10249868B3

DE10249868B3 - Verfahren zum Bohren von Löchern in einem aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung gebildeten Substrat

Info

Publication number: DE10249868B3
Application number: DE10249868A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hillebrand; Johannes Schuchart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: AU2003250273A1; WO2004039532A1

Abstract

Zum Bohren von Löchern in ein aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung gebildetes Substrat (1) mit Lochmaske (6) wird der Lochquerschnitt in einem ersten Schritt mit einer Energiedichte eines Laserstrahls (7) derart beaufschlagt, daß das Polymermaterial abgetragen, die Glasfasern (5) jedoch nicht aufgeschmolzen, sondern lediglich geschädigt werden. In einem zweiten Schritt wird ein Laserstrahl (7) mit einer Energiedichte im gesamten Lochbereich (6) zur Anwendung gebracht, die über der Schwelle zum Verdampfen von Glas liegt. DOLLAR A Dadurch werden die Bildung von Glaskugeln am Lochrand sowie eine nennenswerte Hinterschneidung durch Schwund des Polymermaterials unter dem Maskenrand vermieden.

Description

Verfahren zum Bohren von Löchern in einem aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung gebildeten Substrat Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Löchern in einem aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung gebildeten Substrat, wobei der Durchmesser des zu bohrenden Loches durch eine oberflächennahe Maske vorgegeben ist.

Die Verwendung von Lochmasken beim Bohren von Löchern, insbesondere auch von Sacklöchern, in Leiterplatten und vergleichbaren Substraten, die als Schaltungsträger dienen, ist seit langem bekannt ( US 4 644 130 A ). Die in der Regel metallische Lochmaske besitzt Ausnehmungen, die durch ihre Konfiguration sowohl Position als auch Größe der zu bohrenden Löcher vorgeben.

Aus der US 5 841 099 A ist ferner ein zweistufiges Verfahren bekannt, wobei ein Laser in der ersten Stufe zum Bohren einer ersten Metallschicht auf eine höhere Energiedichte eingestellt wird und wobei in der zweiten Stufe zum Bohren einer Dielektrikumsschicht die Energiedichte des Lasers soweit gesenkt wird, daß die Schwelle zur Verdampfung von Metall unterschritten wird. Damit kann der Laser aufgrund seiner niedrigeren Energiedichte eine an die Dielektrikumsschicht angrenzende zweite Metallschicht nicht mehr durchbohren.

Beim Bohren von Dielektrikumsschichten, die durch ein mit Glasfasern verstärktes Polymermaterial gebildet sind, beispielsweise RCC, tritt jedoch das Problem auf, daß aufgrund der Gauß'schen Energieverteilung im Laserstrahl unter Umständen in bestimmten Randbereichen die Energie nicht ausreicht, um das Glas der Faserverstärkung vollständig zu verdampfen. Insbesondere ergibt sich dieses Problem dann, wenn der Lochdurchmesser größer ist als der Strahldurchmesser des Lasers. Es kommt dann zu Aufschmelzungen der Glasfasern im Randbe reich und zur Bildung von Glaskugeln, die auch im weiteren Bohrverlauf nicht mehr verdampft werden und an der Lochwand hängen bleiben. Bohrt man jedoch von vorne herein im Randbereich oder im gesamten Lochbereich mit sehr hoher Energiedichte, so entsteht durch Reflexion an den Glasfasern, bevor diese aufgeschmolzen und verdampft werden, eine Streustrahlung, die im Randbereich zu einem Schwund des Epoxidmaterials und zu einer Hinterschneidung unterhalb des Maskenrandes führt. Sowohl die Glaskugeln als auch die Hinterschneidungen erschweren das spätere Metallisieren der Löcher.

In DE 101 49 559 A1 ist ein Verfahren zum Laserbohren von Löchern in einem aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung gebildeten Substrat beschrieben. Zur Vermeidung nicht verdampfter Glasfasern und von Hinterschneidungen an der Wandfläche des Loches wird das Substrat mit Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt. Das bedeutet, dass zwei unterschiedliche Laserquellen, beispielsweise ein. UV-Laser und ein CO₂-Laser, erforderlich sind.

Aus der De 198 02 127 C1 ist weiterhin ein Laserbearbeitungsverfahren zum Bohren von Löchern bekannt, bei dem alle zu bearbeitenden Löcher einer Substratoberfläche in mehreren Schritten jeweils zyklisch mit einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen beaufschlagt werden, wobei bei jedem Schritt jeweils die gesamte Lochfläche bestrahlt wird. Durch Veränderung der Anzahl der Pulse, der Pulsbreite und der Peak-Leistung wird das Verfahren auf die jeweiligen Gegebenheiten, wie Art und Dicke des zu bearbeitenden Substrats, eingestellt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Bildung von Glaskugeln durch aufgeschmolzene und nicht verdampfte Glasfasern sowie die Bildung von Hinterschneidungen durch einen übermäßigen Schwund des Epoxidmaterials vermieden wird..

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht; daß das Verfahren mit folgenden Schritten durchgeführt wird:.

– in einem ersten Schritt wird mit einem Laserstrahl, dessen Energiedichte höher ist als der Schwellenwert für die Abtragung des Polymermaterials, aber niedriger als der Schwellenwert zum Schmelzen von Glas, zumindest der gesamte Randbereich des zu bohrenden Loches bestrahlt und
– in einem zweiten Schritt wird der gesamte Lochbereich mit einer Laserstrahlung beaufschlagt, deren Energiedichte oberhalb des Schwellenwertes zum Verdampfen von Glas liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt also gezielt die unterschiedlichen Energieschwellen für die Abtragung des Epoxidharzes einerseits und des Glases in den Verstärkungsfasern andererseits. In dem ersten Schritt wird die wirksame Energiedichte deshalb so niedrig gewählt, daß zwar das Epoxidharz abgetragen, das Glas jedoch überhaupt nicht aufgeschmolzen wird. Dadurch kommt es auch nicht zur Bildung von

Glaskugeln, die später nicht mehr zu beseitigen wären. Bei der niedrigen Leistungsdichte in dem ersten Schritt weist die an den Fasern reflektierte Strahlung einen so geringen Energieinhalt auf, daß es auch zu keinem nennenswerten Schwund des Epoxidharzes durch Streustrahlung kommen kann. Somit werde auch die erwähnten Hinterschneidungen weitgehend vermieden. Obwohl aber die Glasfasern, wie beschrieben, in diesem ersten Verfahrensschritt nicht aufgeschmolzen werden, werden sie immerhin so weit geschädigt, nämlich geschwärzt, daß sie in dem zweiten Schritt die dann eingebrachte hohe Energiedichte kaum noch reflektieren, sondern sofort voll aufnehmen und dadurch unverzüglich verdampft werden. Somit ergibt sich auch im zweiten Verfahrensschritt keine nennenswerte Streustrahlung, wodurch auch bei diesem Schritt kaum Hinterschneidungen erzeugt werden. Auch in diesem zweiten Schritt wird wegen der Vorschädigung der Glasfasern im Lochbereich die Bildung von Glaskugeln weitgehend vermieden.

Die beiden Verfahrensschritte können unterschiedlich ausgestaltet werden. So ist es denkbar, im ersten Schritt das gesamte Bohrloch mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, dessen Energiedichte durchwegs unter der Ablationsschwelle für das Glasfasermaterial bleibt. Die Fokussierung kann dabei so gewählt werden, daß die Fleckgröße des Laserstrahls von vorn herein größer ist als die Lochgröße. Es ist aber auch denkbar, daß die Fleckgröße kleiner ist als der Lochquerschnitt, so daß bereits im ersten Verfahrensschritt eine kreisförmige Bewegung des Laserstrahls in einem oder in mehreren konzentrischen Kreisen angewendet wird.

Für den zweiten Schritt wird in diesem Fall ein Laserstrahl mit höherer Energiedichte verwendet, der durch Bestrahlung des gesamten Lochquerschnitts mit einem entsprechend großen Strahlungsfleck oder durch kreisförmige Bewegungen eines hochenergetischen Laserstrahls mit geringerer Fleckgröße durchgeführt wird.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber auch vorgesehen werden, daß in beiden Schritten mit dem gleichen Laserstrahl gearbeitet wird. In diesem Fall muß im ersten Schritt der Laserstrahl im Randbereich so bewegt werden, daß seine Strahlachse über einen Kreis verfahren wird, dessen Radius größer ist als der Lochradius. Wegen der Gauß'schen Energieverteilung im Laserstrahl wird dann der größte Teil der Laserenergie an der Maske diffus reflektiert, während lediglich der Anteil mit entsprechend niedriger Energiedichte für den ersten Schritt in den Lochbereich fällt und dabei das Epoxidharz ablatiert und die Glasfasern schädigt. Im zweiten Schritt wird dann mit dem gleichen Laserstrahl das vorgeschädigte Glasfasermaterial durch entsprechende Bewegung des Strahls innerhalb des Lochquerschnittes abgetragen.

Für den Fall einer Bohrung in einer mehrlagigen Leiterplatte ist es durchaus denkbar, das Verfahren mit den beiden aufeinanderfolgenden Prozeßschritten zu wiederholen und so beispielsweise jede Lage für sich in den zwei aufeinanderfolgenden Schritten abzutragen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung der Gauß'schen Energieverteilung eines Laserstrahls mit einer Andeutung der unterschiedlichen Energieniveaus,
2 einen Querschnitt durch eine Leiterplatte mit Lochmaske und einer schematischen Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes,
3 den Zustand der Leiterplatte von 2 nach Durchführung des ersten Verfahrensschrittes,
4 die Leiterplatte von 3 mit einer schematischen Darstellung des zweiten Verfahrensschrittes und
5 den Zustand der Leiterplatte nach Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes.
1 zeigt in schematischer Darstellung die Energiedichte E eines Laserstrahls mit einer Gauß'schen Verteilung. Die Energiedichte hat ihr Maximum in der Achse des Laserstrahls und nimmt mit wachsendem Abstand x von dieser Achse entsprechend der Gauß-Kurve ab. Anhand dieser bekannten Kurve lassen sich nun verschiedene Energieschwellen bzw. Energieniveaus definieren, So wird oberhalb einer ersten Schwelle E1 der Energiedichte das Epoxidharz abgetragen und verdampft, oberhalb der Schwelle E2 wird Glas geschmolzen, jedoch nicht verdampft. Erst oberhalb einer Schwelle E3 der Energiedichte wird das Glas auch verdampft.
Für die einzelnen Energieschwellen läßt sich kein allgemein gültiger Wert angeben, da diese Schwellen von der Art (Wellenlänge) des verwendeten Lasers und den Eigenschaften der verwendeten Materialien abhängen. Aus verschiedenen Messungen läßt sich ableiten, daß die Schwelle E1 (z.B. für einen CO₂-Laser) bei etwa 0,04 J/cm² oder höher und die Schwelle E2 bei etwa 0,4 J/cm² liegt. Die Schwelle E3 kann bei manchen Lasertypen und bestimmten Glaszusammensetzungen bereits unter 1 J/ cm² liegen, üblicherweise werden jedoch zum ablatieren von Glasfasern Energiedichten von über 1 J/ cm² verwendet.
In den nachfolgenden Figuren wird vorausgesetzt, daß in diesem Beispiel bei beiden Verfahrensschritten zum Bohren der gleiche Laserstrahl mit gleicher Energieverteilung verwendet wird. Gezeigt ist in 2 eine Leiterplatte 1 mit einer unteren Metallschicht 2 und einer oberen Metallschicht 3, zwischen denen eine Dielektrikumsschicht 4, bestehend aus Epoxidharz mit einer Verstärkung von Glasfasern 5, angeordnet ist. Die obere Metallschicht 3 ist mit einem Loch 6 versehen und dient damit zugleich als Maske für das Bohren eines Sackloches in der Dielektrikumsschicht 4.
Zum Bohren dieses Loches wird ein Laserstrahl 7, der die Gauß'sche Energieverteilung gemäß 1 aufweist und in 2 schematisch mit dem Maximum der Energiedichte nach un ten dargestellt ist, kreisförmig über den Rand der Lochmaske geführt. Da das Maximum der Energieverteilung dieses Laserstrahls 7 höher ist als die Energieschwelle E3 (1), wird der Laserstrahl mit seiner Achse 7a auf einem Kreis 8 mit dem Radius R um die Lochachse 6a geführt, welcher größer ist als der Lochradius RL. Damit wird der Anteil mit der maximalen Energiedichte außerhalb des Lochbereiches wirksam und von der Metallschicht 3 reflektiert. In den Lochbereich gelangt lediglich der Teil der Energiestrahlung, der niedriger ist als die Schwelle E2, so daß also im Lochbereich nur eine Energiedichte wirksam wird, die zwar das Epoxidharz verdampft, das Glasfasermaterial jedoch nicht aufschmilzt, sondern lediglich schädigt und schwärzt. Nach Durchführung dieses ersten, in 2 mit einem Rotationspfeil 8 angedeuteten Verfahrensschritt hat die Leiterplatte 1 den Zustand gemäß 3 angenommen, Dabei ist im gewünschten Lochbereich 10 das Epoxidharz verdampft, während die Glasfasern 5 noch bestehen geblieben sind, jedoch zumindest im Bereich des Randes geschädigte und geschwärzte Abschnitte 5a aufweisen.
Im zweiten Verfahrensschritt, der schematisch in 4 angedeutet wird, wird mit dem gleichen Laserstrahl 7 der gesamte Lochbereich innerhalb der Lochmaske 6 mit der maximalen Energiestrahlung beaufschlagt, wobei je nach den speziellen Gegebenheiten der Laserstrahl 7 mit seiner Achse 7a zentrisch in das Loch 10 gerichtet oder auf einem oder mehreren Kreisen innerhalb des Lochbereiches bewegt wird. Durch die Laserstrahlung, die nunmehr über der Schwelle E3 der Energiedichte liegt, werden die bereits vorgeschädigten Glasfasern 5 im Lochbereich vollständig abgetragen. Es entsteht dann ein Zustand der Leiterplatte 1 gemäß 5 mit einem Loch 10, dessen Wand 10a weitgehend glatt ist, so daß sie für eine nachfolgende Metallisierung gut geeignet ist.

Claims

Verfahren zum Bohren von Löchern (4) in einem aus Polymermaterial mit Glasfaserverstärkung (5) gebildeten Substrat (1), wobei der Durchmesser (RL, RL) des zu bohrenden Loches (10) durch eine oberflächennahe Maske (b) vorgegeben ist, mit folgenden Schritten: – in einem ersten Schritt wird mit einem Laserstrahl (7), dessen Energiedichte höher ist als der Schwellenwert (E1) für die Abtragung des Polymermaterials (4), aber niedriger als der Schwellenwert (E2) zum Schmelzen von Glas, zumindest der gesamte Randbereich des bohrenden Loches (10) bestrahlt und – in einem zweiten Schritt wird der gesamte Lochbereich (10) mit einer Laserstrahl (7) beaufschlagt, dessen Energiedichte oberhalb des Schwellenwertes (E3) zum Verdampfen von Glas liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Schritt ein Laserstrahl verwendet wird, dessen Energiedichte in seinem gesamten Durchmesserbereich niedriger liegt als der Schwellenwert (E2) zum Schmelzen von Glas.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Laserstrahl eine wirksame Fleckgröße besitzt, welche gleich oder größer als der Querschnitt des zu bohrenden Loches (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Laserstrahl eine Fleckgröße besitzt, die kleiner ist als der Lochquerschnitt, und wobei der Laserstrahl in dem ersten Schritt kreisförmig zumindest über den Randbereich des zu bohrenden Loches (10) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Schritt ein Laserstrahl (7) verwendet wird, dessen Energiedichte im Bereich der Strahlachse höher ist als die Ablationsschwelle (E3) für Glas und dessen Energiedichte im Randbereich niedri ger ist als die Schmelzschwelle für Glas und daß der Laserstrahl in dem ersten Schritt derart kreisförmig über den Randbereich des Loches (6;10) geführt wird, daß jeweils der über der Schmelzschwelle (E2) für Glas liegende Teil des Laserstrahls (7) außerhalb des Lochbereiches von der Maske (3) reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei im zweiten Schritt der gleiche Laserstrahl (7) wie im ersten Schritt verwendet wird, wobei er im zweiten Schritt mit seiner maximalen Energiedichte (E3) innerhalb des Lochbereiches (10) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die im Lochbereich wirksame Energiedichte des Laserstrahls (7) im ersten Schritt etwa zwischen 0,04 J/cm² und 0,4 J/cm² und im zweiten Schritt oberhalb von 1 J/cm² liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste und der zweite Schritt jeweils zur Abtragung einer oder mehrerer weiterer Schichten wiederholt werden.