DE10317363B3

DE10317363B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Löchern in einem elektrischen Schaltungssubstrat

Info

Publication number: DE10317363B3
Application number: DE10317363A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hillebrand; Hans Jürgen Mayer; Daniel Metz; Johannes Schuchart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: KR20060017495A; AU2003289900A1; WO2004091845A1; US20040206733A1; JP2006513867A; CN1784287A

Abstract

Zum Bohren von Löchern in einem elektrischen Schaltungssubstrat mithilfe eines Laserstrahls, bei dem die Bohrung durch eine Kreisbewegung des Laserstrahls (2) im Bereich des zu bohrenden Loches (15) erfolgt, wird die Bewegung des Laserstrahls durch zwei hintereinander geschaltete Ablenkeinheiten (3, 5) erzeugt. Die erste Ablenkeinheit (3), die vorzugsweise Galvospiegel enthält, bewirkt den Sprung (17) des Laserstrahls (2) von einer Bohrposition zur jeweils nächsten Bohrposition (15) und die Zentrierung in der jeweiligen Bohrposition. Die zweite Ablenkeinheit, die vorzugsweise aus Piezoelementen gebildet wird, moduliert dem Laserstrahl (2) eine kontinuierliche Kreisbewegung auf. Dabei wird der Laser nur eingeschaltet, wenn die erste Ablenkeinheit (3) in Ruhe ist. DOLLAR A Damit lässt sich ein schnellerer Durchsatz durch Wegfall von Wartezeiten beim Übergang zwischen Bewegungsabschnitten sowie eine bessere Lochqualität erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Löchern in einem elektrischen Schaltungssubstrat mithilfe eines Laserstrahls, der über eine Ablenkoptik und eine Abbildungseinheit auf jeweils eine Bohrposition eingestellt und dann im Bereich des zu erzeugenden Bohrloches in einer Kreisbewegung geführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern in einem elektrischen Schaltungssubstrat mit einer Laserquelle, einer Ablenkungsoptik und einer Abbildungseinheit, um den von der Laserquelle emittierten Laserstrahl auf die jeweilige Bohrposition des Substrats zu zentrieren und im Bereich des zu bohrenden Loches in eine Kreisbewegung zu versetzen.

Aus der US 2001/0045419 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von mehrschichtigen Schaltungssubstraten mittels eines Laserstrahls bekannt, wobei der Laserstrahl sowohl über eine erste Ablenkeinheit als auch über eine zweite Ablenkeinheit auf die Bohrposition eingestellt wird. Eine der beiden Ablenkeinheiten weist eine Folie aus einem flexiblen reflektierenden Material auf, welche auf einer piezoelektrischen Verstelleinheit angebracht ist, so dass durch eine geeignete Spannungsänderung die Winkellage des von der Folie reflektierten Laserstahls in zwei Richtungen variiert werden kann.

Aus der US 5593606 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, wobei Löcher mit einem größeren Durchmesser als der Strahldurchmesser des Lasers dadurch erzeugt werden, dass der Laserstrahl entweder mit Spiralbahnen oder in konzentrischen Kreisen innerhalb des Lochbereiches von innen nach außen oder von außen nach innen bewegt wird.

Beim Bohren von Leiterplatten oder vergleichbaren Schaltungssubstraten werden gemäß den herkömmlichen Verfahren jeweils die Positionen der Bohrlöcher nacheinander mit der jeweils verwendeten Ablenkeinheit angefahren. Dabei wird der Laserstrahl von einer Ausgangsposition, beispielsweise einem vorhergehenden Bohrloch, in einer Sprungbewegung auf die Mitte des neu zu bohrenden Loches gebracht, dann auf die Kreisbahn mit dem vorgegebenen Radius bewegt und schließlich mit immer der gleichen Ablenkeinheit auf dieser vorgegebenen Kreisbahn einmal oder mehrmals verfahren, bis das gewünschte Loch erzeugt ist. Darauf folgt dann wieder eine Sprungbewegung zur nächsten Lochposition. Da zwischen den einzelnen Bewegungsab schnitten jeweils eine nicht unerhebliche Richtungsänderung liegen kann, muss jeweils ein Stillstand der Ablenkeinheit abgewartet werden, so dass sich insgesamt, bedingt durch die Trägheit der Ablenkeinheit, eine merkliche Zeitverzögerung im Vergleich zu der reinen Bearbeitungszeit im Bohrloch ergibt. Zudem kann die Rundheit der Bohrlöcher beeinträchtigt werden, wenn der Laser beim Übergang von einer Radialbewegung in eine Kreisbewegung eingeschaltet und am Ende der Kreisbewegung abgeschaltet wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art zum Bohren von Löchern in einem elektrischen Schaltungssubstrat anzugeben, wodurch sowohl die Bohrlochqualität hinsichtlich der Rundheit als auch der Durchsatz, d. h. die Zahl der gebohrten Löcher pro Zeiteinheit, verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies mit dem Eingangs genannten Verfahren dadurch erreicht,

– dass die Bewegung und Zentrierung der Laserstrahlachse zu der jeweiligen Bohrposition durch eine erste Ablenkeinheit erfolgt,
– dass die Kreisbewegung dem Laserstrahl durch eine der ersten Ablenkeinheit vorgeschaltete zweite Ablenkeinheit kontinuierlich auf moduliert wird und
– dass der Laserstrahl nur eingeschaltet wird, wenn die erste Ablenkeinheit in Ruhe ist.

Bei der Erfindung werden also die von der Ablenkeinheit durchgeführten unterschiedlichen Bewegungen voneinander entkoppelt, indem eine weitere Ablenkeinheit vorgeschaltet wird, die dem Laserstrahl eine kontinuierliche Kreisbewegung aufmoduliert. Die herkömmliche Ablenkeinheit bewirkt demnach nur noch die Sprungbewegung von einer Bohrposition zur nächsten und die Positionierung in der jeweiligen Bohrposition, während die Kreisbewegung von der weiteren Ablenkeinheit erzeugt wird, die ständig in Bewegung ist und somit keine Zeitverlus te durch Stoppen und Wiederanfahren der Spiegelbewegung mit den entsprechenden Trägheitsverlusten verursacht. Der zeitliche Ablauf reduziert sich damit auf den Sprung zur gewünschten Bohrposition und die Wartezeit bis zum Erreichen der Bohrposition und zur Beruhigung der ersten Ablenkeinheit. Danach wird ohne weitere Wartezeit der Laser nach ein oder mehreren Umläufen wieder abgeschaltet. Wartezeiten zum Anfahren der Umlaufbahn und von der Umlaufbahn in den Mittelpunkt entfallen, da die Kreisbewegung kontinuierlich weiterläuft, die zweite Ablenkeinheit also keinen Stillstand erfährt. Da keine Richtungsänderung des Strahles beim Erreichen oder Verlassen der Kreisbahn erfolgt, ergibt sich nicht nur keine Verzögerung, sondern auch kein Einbrand, der die Rundheit des Loches beeinträchtigen würde.

Da die beiden Ablenkeinheiten getrennt gesteuert werden, ist ihre Ansteuerung insgesamt einfacher, und Korrekturen des Durchmesser- und Geschwindigkeitsverhaltens können unabhängig voneinander durchgeführt werden. Insgesamt sind höhere absolute Bahngeschwindigkeiten erreichbar. Während bei der bisher verwendeten einzigen Ablenkeinheit für die Einstellung immer ein Kompromiss zwischen kleinen Kreisbewegungen beim Bohren selbst und großen Sprungbewegungen bei der Positionierung gemacht werden musste, kann mit der Erfindung die erste Ablenkeinheit gezielt für die Sprungbewegungen optimiert werden. Dadurch können schnellere Sprünge erzielt werden.

Die Kreisbewegung des Laserstrahls wird vorzugsweise durch zwei überlagerte, um 90° phasenverschobene sinusförmige Bewegungen der zweiten Ablenkeinheit um zwei zueinander und zur Strahlachse senkrechte Achsen erzeugt. Diese Auslenkungen in der zweiten Ablenkeinheit können jedoch auch durch Kombination mehrerer hintereinandergeschalteter Spiegel erzeugt werden, wobei dann die Auslenkwinkel der einzelnen Spiegel kleiner sein können und dadurch wiederum höhere Geschwindigkeiten erreichbar sind.

Bei einer Vorrichtung der Eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,

– dass die Ablenkungsoptik eine erste Ablenkeinheit aufweist, welche zur Ausführung von Sprungbewegungen zu den jeweiligen Bohrpositionen steuerbar ist,
– dass der ersten Ablenkeinheit eine zweite Ablenkeinheit im optischen Strahlengang des Lasers vorgeschaltet ist, welche den Laserstrahl in eine kontinuierliche Kreisbewegung zu versetzen vermag, und
– dass der Laser jeweils bei Stillstand der ersten Ablenkeinheit für eine vorgegebene Anzahl von Kreisumläufen der zweiten Ablenkeinheit einschaltbar ist.

Die beiden Ablenkeinheiten können beispielsweise in herkömmlicher Art jeweils durch Galvanometer-Spiegelpaare gebildet sein. Insbesondere für die zweite Ablenkeinheit ist jedoch in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass sie durch mindestens ein Piezoelement gebildet ist. Da die mit Piezoelementen erreichbaren Auslenkwinkel in der Regel kleiner sind als die mit Galvoelementen erzielbaren Winkel, bietet sich deren Verwendung für die zweite Ablenkeinheit an, weil hier wegen der Entfernung bis zur Abbildungseinheit nur eine sehr geringe Winkelauslenkung erforderlich ist und der Kreisradius für die Bohrbewegung ohnehin sehr viel kleiner ist als die notwendige Auslenkung beim Sprung des Laserstrahls von einer Bohrposition zu einer anderen. Andererseits lassen sich mit Piezoelementen höhere Geschwindigkeiten erreichen, so dass die Kombination von Galvospiegeln für die erste Ablenkeinheit und von Piezoelementen für die zweite Ablenkeinheit eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit einer sehr hohen erreichbaren Bohrgeschwindigkeit ergibt.

Dabei kann die zweite Ablenkeinheit durch zwei um ihre jeweilige Längsachse tordierbare, mit ihren Längsachsen senkrecht aufeinander stehende Piezoelemente gebildet sein. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Ablenkeinheit durch ein Piezo-Tripod gebildet sein, welches in sich eine Auslenkung um zwei Achsen ermöglicht und den Laserstrahl entsprechend ablenkt. Durch Verwendung eines entsprechend angepassten Ansteuersignals können auch Hysteresen der Piezostellelemente kompensiert und höhere Geschwindigkeiten erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laser-Bohrvorrichtung,
2 eine vereinfachte Darstellung des von einem Laserstrahl beim herkömmlichen Bohrverfahren zurückgelegten Weges,
3 eine 2 entsprechende Darstellung des von einem Laserstrahl zurückgelegten Weges bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
4 jeweils abgewandelte Ausführungsformen der Laserstrahl-Ablenkvorrichtung aus 1 mit unterschiedlicher Gestaltung der jeweils zweiten Ablenkeinheit.
1 zeigt schematisch die Anordnung beim Bohren von Mikrolöchern in einem elektrischen Substrat, vorzugsweise einer Leiterplatte 10. Dabei wird der von einer Laserquelle 1 erzeugte Laserstrahl 2 über eine erste Ablenkeinheit 3, die in herkömmlicher Weise mit Galvospiegeln aufgebaut sein kann, und über eine Abbildungseinheit in Form einer Fokussierlinse 4 auf die Leiterplatte 10 gelenkt. Diese Leiterplatte besteht im gezeigten Beispiel aus einer dielelektrischen Schicht 11, die oberseitig und unterseitig jeweils von einer metallischen Schicht 12 bzw. 13 bedeckt ist. Diese metallischen Schichten werden in nicht gezeigter Weise zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert. Außerdem werden zur Erzeugung von elektrischen Verbindungen zwischen der oberseitigen Metallschicht 12 und der unterseitigen Metallschicht 13 Mikrolöcher 14 gebohrt, deren Wände dann in bekannter Weise metallisiert werden.
Zur Erzeugung der Mikrolöcher 14 wird der Laserstrahl 2 jeweils auf eine der vorgesehenen Bohrpositionen 15 zentriert und dann mit einer entsprechend über die Fokussierlinse 4 eingestellten Fleckgröße F im Bereich dieser Bohrposition 15 in einem Kreis 16 bewegt, wodurch das Mikroloch erzeugt wird.
Je nach den Bedingungen, wie Leiterplattenmaterial, Lochtiefe, Laserleistung und dergleichen wird dabei der Laserstrahl in einem Umlauf oder in mehreren aufeinanderfolgenden Umläufen bewegt. Zur Erzeugung von Durchgangslöchern wählt man das sogenannte Trepanieren, wobei der Laserstrahl lediglich am Lochrand entlanggeführt wird und der innere Kern herausgeschnitten wird. Bei der Erzeugung von Mikrolöchern kann es auch notwendig sein, mehrere Durchgänge des Laserstrahls mit unterschiedlichen Radien durchzuführen.
Ist ein Mikroloch 14 gebohrt, so wird der Laserstrahl in einer Sprungbewegung 17 zu einer nächsten Bohrposition 15 ausgelenkt, wo dann wiederum die Kreisbewegung 16 zum Bohren des Loches stattfindet.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die herkömmliche Ablenkeinheit 3 lediglich die Sprungbewegung 17 des Laserstrahls mit der jeweiligen Einstellung auf eine Bohrposition 15 ausführt, während die Kreisbewegung dem Laserstrahl durch eine vorgeschaltete zweite Ablenkeinheit 5, bestehend aus zwei beweglichen Spiegeln 51 und 52, auf moduliert wird. Diese beiden Spiegel 51 und 52 werden vorzugsweise durch Piezoelemente bewegt, deren Auslenkachsen aufeinander senkrecht stehen und die eine kontinuierliche, um 90° phasenverschobene Sinusschwingung S1 bzw. S2 ausführen.
Der Laserstrahl bewegt sich deshalb ständig in einer Kreisbahn, die durch die Auslenkung der zweiten Ablenkeinheit 5 vorgegeben ist, und wird durch die erste Ablenkeinheit 3 jeweils in die vorgesehene Bohrposition gebracht. Während der Sprungbewegung 17 der ersten Ablenkeinheit 3 wird der Laser abgeschaltet, und er wird nach Erreichen der neuen Bohrposition jeweils erst eingeschaltet, wenn die erste Ablenkeinheit zur Ruhe gekommen ist.
Der Unterschied zwischen der herkömmlichen und der erfindungsgemäßen Führung des Laserstrahls ist in den 2 und 3 zu vergleichen. 2 zeigt den Ablauf beim herkömmlichen Verfahren. Der Laserstrahl 2 bzw. seine optische Achse wird in einem ersten Bewegungsabschnitt 21 in den Mittelpunkt M des zu bohrenden Loches geführt. Von dort wird er – mit einer mehr oder weniger großen Winkeländerung – in den Bewegungsabschnitt 22 auf den vorgesehenen Kreisradius gebracht, um dann mit einer rechtwinkeligen Richtungsänderung in die Kreisbahn geführt zu werden und einen oder mehrere Kreisumläufe 23 auszuführen. Der Laser ist dabei nur beim Kreisumlauf 23 eingeschaltet, während er bei den übrigen, gestrichelt gezeichneten Bewegungsabschnitten abgeschaltet wird. Nach Beendigung der Kreisbewegung wird der Laserstrahl mit dem Bewegungsabschnitt 24 wieder zum Mittelpunkt M geführt, von wo er dann den Sprung 25 zur nächsten Bohrposition vollzieht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es in 3 schematisch gezeigt ist, vollführt der Laserstrahl durch die zweite Ablenkeinheit 5 eine aufmodulierte ständige Kreisbewegung. Die Ablenkeinheit 3 bewegt den Strahl lediglich über den Bewegungsabschnitt 21 zu der vorgesehenen Bohrposition und dann wieder von dieser Bohrposition über den Sprungabschnitt 25 zu der nächsten Bohrposition. Der Strahl selbst gelangt dabei überhaupt nicht in den Mittelpunkt M des vorgesehenen Bohrloches, sondern er bleibt immer auf seiner Kreisbahn und wird lediglich im Bereich des Bohrloches eingeschaltet, was in 3 durch den durchgehenden Kreis dargestellt ist, während bei der Sprungbewegung 21 bzw. 25 zwar die Kreisbewegung aufmoduliert ist, der Laser aber dabei abgeschaltet bleibt.
Durch die Entkopplung der beiden durchgeführten Bewegungen mit der Aufteilung auf die erste Ablenkeinheit 3 und die zweite Ablenkeinheit 5 entfallen Wartezeiten; lediglich die Beruhigung der ersten Ablenkeinheit nach dem jeweiligen Sprung bleibt übrig. Damit kann die Zeitdauer für einen Bohrprozess zur Herstellung eines Mikroloches von beispielsweise 100μm Durchmesser um bis zu 45 % reduziert werden, da Wartezeiten von etwa 170 μs entfallen.
In den 4 und 5 sind Abwandlungen der zweiten Ablenkeinheit im Vergleich zu 1 schematisch dargestellt. So ist in 4 die Möglichkeit angedeutet, in der zweiten Ablenkeinheit anstelle der beiden jeweils um eine Achse schwenkbaren Spiegel 51 und 52 einen einzigen, um zwei Achsen oszillierenden Spiegel 53 zu verwenden. Der Spiegel 54 ist in diesem Fall lediglich ein starrer Umlenkspiegel.
Da sich der Bearbeitungsdurchmesser durch den Auslenkungswinkel und den Abstand der Ablenkeinheit von der Fokussierlinse 4 ergibt, können auch mehrere Ablenkelemente in gleicher Ablenkungsrichtung verwendet werden. Je kleiner die Bewegung ist, desto höher ist die erreichbare Stellgeschwindigkeit. In 5 ist eine solche Möglichkeit angedeutet. Hierbei dient der Ablenkspiegel 55 zur Ablenkung des Laserstrahls um eine erste Achse, während die beiden Spiegel 56 und 57 den Laserstrahl 2 jeweils in gleicher Richtung bezüglich der optischen Achse ablenken, so dass sich ihre Ablenkbewegungen summieren. Der Spiegel 58 ist in diesem Fall ein starrer Umlenkspiegel.

Claims

Verfahren zum Bohren von Löchern (14) in einem elektrischen Schaltungssubstrat mithilfe eines Laserstrahls (2), der über eine Ablenkoptik (3, 5) und eine Abbildungseinheit (4) auf jeweils eine Bohrposition (15) eingestellt und dann im Bereich des zu erzeugenden Bohrloches in einer Kreisbewegung (16) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bewegung und die Zentrierung der Laserstrahlachse (2) zu der jeweiligen Bohrposition (15) durch eine erste Ablenkeinheit (3) erfolgt, – dass die Kreisbewegung (16) dem Laserstrahl (2) durch eine der ersten Ablenkeinheit (3) vorgeschaltete zweite Ablenkeinheit (5) kontinuierlich aufmoduliert wird und – dass der Laserstrahl (2) nur eingeschaltet wird, wenn die erste Ablenkeinheit (3) in Ruhe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbewegung (16) des Laserstrahls durch zwei überlagerte, um 90° phasenverschobene sinusförmige Bewegungen (s1, s2) der zweiten Ablenkeinheit (5) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung in der zweiten Ablenkeinheit (5) durch Überlagerung von mehr als zwei Einzelbewegungen (55, 56, 57) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein modifiziertes Ansteuersignal für die zweite Ablenkeinheit (5) Hysteresen für Ablenkelemente kompensiert wer- f den.
Vorrichtung zum Bohren von Löchern (14) in einem elektrischen Schaltungssubstrat mit einer Laserquelle (1), einer Ablenkoptik (3, 5) und einer Abbildungseinheit (4), um den von der Laserquelle (1) emittierten Laserstrahl (2) auf die jeweilige Bohrposition (15) des Substrats (10) zu zentrieren und im Bereich des zu bohrenden Loches (14) in eine Kreisbewegung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Ablenkoptik (3, 5) eine erste Ablenkeinheit (3) aufweist, welche zur Ausführung von Sprungbewegungen (17) zu den jeweiligen Bohrpositionen (15) steuerbar ist, – dass der ersten Ablenkeinheit (3) eine zweite Ablenkeinheit (5) im optischen Strahlengang des Lasers vorgeschaltet ist, welche den Laserstrahl (2) in eine kontinuierliche Kreisbewegung (16) zu versetzen vermag, und – dass der Laser (1) jeweils bei Stillstand der ersten Ablenkeinheit für eine vorgegebene Anzahl von Kreisumläufen (23) der zweiten Ablenkeinheit (5) einschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ablenkeinheit (5) durch mindestens ein Piezoelement gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ablenkeinheit (5) durch zwei um ihre jeweilige Längsachse tordierbare, mit ihrer Längsachse in zueinander senkrechten Ebenen liegende Piezoelemente (51, 52), gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ablenkeinheit (5) durch ein Piezotripod (53) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ablenkeinheit (5) zumindest für die Ablenkung in einer Richtung zwei hintereinander geschaltete, um zueinander parallele Achsen schwenkbare Ablenkelemente (56, 57) aufweist.