DE10350349B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats, insbesondere einer elektrischen Leiterplatte, mittels Laserstrahlung - Google Patents

Abstract

Für die Bearbeitung eines Substrats mittels eines Laserstrahls, der über eine Optik (3, 4, 5) nacheinander auf einzelne Bearbeitungsfelder (SF11...SF54) des Substrats gelenkt wird, werden die einzelnen Bearbeitungsfelder (SF11...SF54) nach ihrer Form und ihrer Größe derart in einen durch den Überdeckungsbereich der Abbildungseinheit vorgegebenen Kreis eingepaßt, daß mit dem Laserstrahl eine größere Fläche als bei einem in den Kreis einbeschriebenen Quadrat erreichbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats, insbesondere einer elektrischen Leiterplatte, mittels eines Laserstrahls, der über eine Ablenkeinheit zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungseinheit auf vorgegebene Positionen innerhalb eines Bearbeitungsfeldes auf dem Substrat gerichtet wird, wobei die zu bearbeitende Oberfläche des Substrats in eine Vielzahl von Bearbeitungsfeldern unterteilt ist und das Substrat jeweils nach der vollständigen Bearbeitung eines Bearbeitungsfeldes relativ zur Abbildungseinheit bewegt wird, um ein neues Bearbeitungsfeld in den Arbeitsbereich des Laserstrahls zu bringen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Bei einer derartigen Bearbeitung von Substraten, beispielsweise beim Bohren oder Strukturieren von Leiterplatten, ist es in der Regel nicht möglich, in einer einzigen Position der Leiterplatte bzw. des Bearbeitungstisches bezüglich des Lasers die gesamte Oberfläche zu bearbeiten. Deshalb wird die Gesamtoberfläche der Leiterplatte zum einen durch Bewegen des Tisches unter der Bearbeitungsoptik und zum anderen durch Ablenken des Strahls in der Bearbeitungsoptik abgedeckt, wobei kein direkter Zusammenhang zwischen Laserstrahl und Tischbewegung besteht. Entscheidend für die Beurteilung der Maschinenleistung ist jedoch die Geschwindigkeit, in der die gesamte Leiterplatte bearbeitet wird, in der also beispielsweise alle Löcher der Leiterplatte gebohrt werden können. Einen wesentlichen Einfluß auf diese Geschwindigkeit hat unter anderem auch die Anzahl der benötigten Tischbewegungen, mit denen jeweils ein neues Bearbeitungsfeld in den Arbeitsbereich des Laserstrahls gebracht wird, da während dieser Tischbewegungen bisher keine Bearbeitung stattfindet; allerdings wäre auch hier eine sogenannte "On-the-fly"-Bewegung (= Tisch- und Spiegelbewegung gleichzeitig aufeinander synchronisiert) denkbar. Entscheidend ist dabei lediglich die Anzahl der Bewegungen und nicht die Länge der dabei zurückgelegten Wegstrecken. Die Längen der zurückgelegten Wegstrecken (beim Ändern der Feldgröße) haben nur einen geringen Einfluß auf die benötigte Zeit. Beispielsweise bewirkt eine Änderung der Wegstrecke von 50 mm auf 70 mm eine Zunahme der Bewegungszeit von ca. 10%.
• Die DE 10202036 offenbart ein Femtosekunden Laserbearbeitungsanlage, welche eine Laserquelle, eine Abbildungseinheit und eine Ablenkeinheit umfasst. Die Anlage umfasst ferner einen Substrat-Aufnahmetisch, welcher in einer Ebene zweidimensional verstellbar ist.
• Die US 6,107,600 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrates, wobei ein Laserstrahl über eine Ablenkeinheit abgelenkt und über eine Abbildungseinheit auf vorgegebene Positionen innerhalb eines Bearbeitungsfeldes gerichtet wird. Das Substrat wird nach der vollständigen Bearbeitung eines Bearbeitungsfeldes relativ zu der Abbildungseinheit bewegt, um ein neues Bearbeitungsfeld in den Arbeitsbereich des Laserstrahls zu bringen.
• Bei den bisher bekannten Anlagen für die Laserbearbeitung von Substraten haben die Bearbeitungsfelder jeweils die Form eines Quadrats, dessen Seitenlängen durch den maximalen Auslenkungswinkel der Spiegel in der Ablenkeinheit vorgegeben sind, wobei dieses Quadrat innerhalb des kreisförmigen Arbeitsbereiches einer als Abbildungseinheit dienenden F-Theta-Linse liegt. In den Ecken dieses Quadrates sind beide Spiegel der Ablenkeinheit voll ausgelenkt, so daß in der Diagonalen die weiteste Entfernung vom Bearbeitungszentrum erreicht wird. Im Schnittpunkt der Seitenhalbierenden mit der Quadratseite ist im Idealfall jeweils nur ein Spiegel ausgelenkt. Der Abstand in der Diagonalen ist um √2 größer als im genannten Schnittpunkt.
• Ziel der Erfindung ist es, mit geringem zusätzlichem Aufwand und ohne Erhöhung der Herstellkosten der Maschine, eine Vergrößerung des Bearbeitungsfeldes und damit eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit zu ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die einzelnen Bearbeitungsfelder nach ihrer Form und ihrer Größe derart in einen durch den Überdeckungsbereich der Abbildungseinheit vorgegebenen Kreis eingepaßt werden, daß mit einem Laserstrahl eine größere Fläche als bei einem in den Kreis einbeschriebe nen Quadrat erreichbar ist. Im besten Fall kann hier der Kreis selbst abgebildet werden.
• Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß durch einen geringen Aufwand in der Ansteuerung der Ablenkeinheit zur Vergrößerung des Auslenkwinkels der Spiegel eine Vergrößerung des Bearbeitungsfeldes in den durch die Linse erreichbaren kreisförmigen Arbeitsbereich möglich ist, ohne daß eine aufwendige größere Linse erforderlich wird. Dabei wird die Festlegung auf quadratische Arbeitsfelder verlassen, und durch die Vergrößerung des Auslenkwinkels der Ablenkspiegel kann jede Form eines Bearbeitungsfeldes in den Grenzen des durch die F-Theta-Linse vorgegebenen Kreises gewählt werden.
• Je nach Verteilung der zu bearbeitenden Oberflächenpunkte bzw. Oberflächenbereiche auf dem Substrat können die Bearbeitungsfelder unterschiedliche Formen erhalten, um möglichst wenig Tischbewegungen für die Bearbeitung der gesamten Oberfläche zu benötigen. Bei gleichmäßiger Verteilung der Bearbeitungspunkte kann beispielsweise eine Sechseckform der Bearbeitungsfelder von Vorteil sein. Die Sechsecke können lückenlos aneinander gefügt werden, wobei lediglich an den Rändern kleinere Felder übrig bleiben, die kein Sechseck mehr ergeben. Da die Sechsecke eine größere Fläche überdecken als ein in den gleichen Kreis einbeschriebenes Quadrat, können Tischbewegungen eingespart werden, wenn die Zahl der kleineren Randfelder klein ist im Vergleich zur Gesamtzahl der Felder. Lediglich in bestimmten Sonderfällen, nämlich bei relativ kleinen Substratoberflächen, deren Seitenlängen einem Vielfachen der verwendeten Quadrat-Seitenlängen entsprechen, kann die bekannte Aufteilung in quadratische Bearbeitungsfelder günstiger sein und weniger Tischbewegungen erfordern.
• Für eine optimale flächendeckende Anordnung der Felder zueinander ergibt sich die Anzahl der erforderlichen Tischbewegungen TB_ges pro Leiterplatte durch die folgenden Formeln, wobei n die Anzahl der Felder in x-Richtung und m die Anzahl der Felder in y-Richtung ist.
• Für eine ungerade Anzahl n der in x-Richtung angeordneten Bearbeitungsflächen gilt:

  

  während für eine gerade Anzahl n der in x-Richtung angeordneten Bearbeitungsfelder gilt:

  
• Bei nichthomogener Verteilung der Bearbeitungspunkte auf der Substratoberfläche können die Bearbeitungsfelder in ihrer Form entsprechend angepaßt werden. Beispielsweise gibt es Leiterplatten mit einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Einzellosen, wie etwa Leiterplatten für Mobiltelefone und dergleichen. Mit der nach der Erfindung zur Verfügung stehenden größeren Fläche für ein Bearbeitungsfeld können solche Einzellose möglicherweise vollständig bearbeitet werden, ohne daß dazwischen eine Tischbewegung erforderlich ist. In Betracht kommen dabei Bearbeitungsfelder in Form eines Kreises, eines Achtecks oder in beliebiger anderer Form.
• Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt vorzugsweise eine Laserquelle, eine Ablenkeinheit mit mindestens zwei um zueinander senkrechte Achsen schwenkbaren Spiegeln, eine Abbildungseinheit und einen Aufnahmetisch für ein Substrat, welcher in einer Ebene zweidimensional verstellbar ist, wobei erfindungsgemäß der Schwenkbereich der Spiegel in der Ablenkeinheit derart ausgelegt ist, daß der Laserstrahl auf jeden Punkt in dem möglichen kreisförmigen Abbildungsbereich der Abbildungseinheit lenkbar ist. Die Abbildungseinheit wird vorzugsweise durch eine F-Theta-Linse gebildet.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
• 1 eine schematische Anordnung eines Laser-Bearbeitungssystems zur Bearbeitung einer Leiterplatte,
• 2 die Anordnung eines herkömmlichen quadratischen Bearbeitungsfeldes in dem Abbildungsbereich einer F-Theta-Linse,
• 3 eine Anordnung von sechseckigen Bearbeitungsfeldern auf einer Leiterplatte,
• 4 und 5 ein kreisförmiges und ein achteckiges Bearbeitungsfeld als weitere Beispiele für erfindungsgemäß gestaltete Bearbeitungsfelder.
• In 1 ist schematisch eine Anordnung zur Bearbeitung, d.h. zum Bohren oder Strukturieren, von Leiterplatten mit einem Laserstrahl gezeigt, wobei die Leiterplatten auf einem sogenannten X-Y-Tisch angeordnet und mit Hilfe dieses Tisches jeweils in den Arbeitsbereich des Laserstrahls gebracht werden. Bei dieser Anordnung wird ein von einem Laser 1 abgegebener Laserstrahl 2 über eine Ablenkeinheit, bestehend aus zwei Galvoablenkelementen 3 und 4, und dann über eine Abbildungseinheit 5, vorzugsweise eine F-Theta-Linse, auf das zu bearbeitende Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte 6, gelenkt, die auf einem Aufnahmetisch 7 angeordnet ist und mittels dieses Tisches mit Hilfe von Antriebseinheiten 71 und 72 in zwei horizontalen Richtungen, dargestellt durch die Doppelpfeile x und y, verstellbar ist. Die Ablenkeinheit, der Laser sowie die F-Theta-Linse werden über eine z-Achse in die Bearbeitungslage gebracht (nicht dargestellt).
• Das Ablenkelement 3 besteht aus einem Galvomotor 31, der einen Spiegel 32 antreibt und entsprechend dem Doppelpfeil 34 um seine Achse 33 verschwenkt. Entsprechend besteht das Ablenkelement 4 aus einem Galvomotor 41 und einem Spiegel 42, der entsprechend dem Doppelpfeil 44 um die Achse 43 verschwenkt wird. Durch die Schwenkbewegung des ersten Spiegels 32 wird der Laserstrahl 2 über den Ablenkpunkt 35 auf jeden gewünschten Punkt der Linie 45 auf dem zweiten Spiegel 42 gelenkt, und durch die Schwenkbewegung des Spiegels 42 kann dann der Laserstrahl über die Abbildungseinheit 5 auf jeden Punkt innerhalb der Fläche F12 der Leiterplatte 6 gelenkt werden, um dort beispielsweise ein Loch zu bohren oder eine Leiterschicht zu strukturieren. Über eine Steuereinrichtung 8 werden sowohl der Laser 1 zur Abgabe von Laserimpulsen mit bestimmten Eigenschaften als auch die Ablenkelemente 3 und 4 sowie die Tischantriebe 71 und 72 gesteuert.
• Wie aus 1 ersichtlich ist, kann über die Optik des Lasers nicht die gesamte Oberfläche der Leiterplatte 6 auf einmal erreicht werden. Vielmehr ist die bei einer bestimmten Position des Tisches bzw. der auf ihm liegenden Leiterplatte durch die Auslenkwinkel der Ablenkelemente 3 und 4 sowie durch das Bearbeitungsfeld der F-Theta-Linse begrenzt. Im vorliegenden Beispiel von 1 ist deshalb die Leiterplatte in ein Raster von Bearbeitungsfeldern F, nämlich F11, F12, F13, F21 usw. unterteilt, wobei jeweils durch die Tischbewegung über die Antriebe 71 und 72 ein Feld nach dem anderen in den Arbeitsbereich des Laserstrahls 2 bzw. der Abbildungseinheit 5 gebracht wird. In 1 ist gezeigt, daß das Bearbeitungsfeld F11 bereits bearbeitet, nämlich mit Bohrungen B, versehen ist und daß nunmehr das Bearbeitungsfeld F12 im Strahlungsbereich des Lasers steht. Die Bearbeitungsfelder F sind bei herkömmlicher Arbeitsweise alle quadratisch, und entsprechend sind die Ablenkelemente 3 und 4 so ausgelegt, daß sie auf der F-Theta-Linse 5 einen quadratischen Bereich 51 überdecken können, der mit seinen Ecken in den kreisförmigen Arbeitsbereich 52 der Linse einbeschrieben ist. Über die F-Theta-Linse 5 wird das quadratische Abbildungsfeld 51 auf eines der Bearbeitungsfelder F auf der Leiterplatte 6 abgebildet. Innerhalb dieses Feldes findet die Bearbeitung jeweils statt.
• Bei dieser herkömmlichen quadratischen Gestaltung der Bearbeitungsfelder wird also nur der innerhalb des Quadrats 51 auf der Linse 5 liegende Bereich genutzt, während die außerhalb dieses Quadrats 51, jedoch innerhalb des Kreises 52 liegenden Abschnitte 53 bei der herkömmlichen Arbeitsweise ungenutzt bleiben. Dieses Verhältnis ist in einer vergrößerten Darstellung in 2 verdeutlicht. Wenn beispielsweise der Arbeitsbereich der F-Theta-Linse durch einen Kreis 52 mit einem Durchmesser von 70 mm gegeben ist, so wird in der Praxis in einem Bearbeitungsfeld von der Größe eines Quadrats 51 nur eine Fläche von 50 × 50 mm genutzt. Innerhalb dieses Quadrates 51, das auf einem Bearbeitungsfeld F der Leiterplatte abgebildet wird, können also beispielsweise Löcher gebohrt oder Strukturierungen vorgenommen werden. Durch eine entsprechende Begrenzung des Ablenkwinkels der Ablenkelemente ist die Bearbeitungsfeldgröße bei den herkömmlichen Anlagen auf die quadratische Form 51 beschränkt.
• Die Bereiche 53 zwischen den Seitenlinien des Quadrats 51 und dem Kreis 52, der den Arbeitsbereich der F-Theta-Linse begrenzt, wurden bisher nicht genutzt, obwohl die Abbildungseigenschaften der F-Theta-Linse dort genau so gut sind wie innerhalb des Quadrates 51. Nach der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, die Quadratform der Bearbeitungsfelder durch eine entsprechende Vergrößerung des Ablenkwinkels in den Ablenkelementen 3 und 4 in diese bisher ungenutzten Bereiche 53 hinein zu vergrößern und dadurch die F-Theta-Linse besser auszunutzen, so daß die Zahl der Tischbewegungen reduziert werden kann.
• 3 zeigt ein Beispiel mit sechseckigen Bearbeitungsfeldern. Je nach Größe der Leiterplatte kann dabei die Anzahl der Tischbewegungen mehr oder weniger den quadratischen Feldern mit 50 × 50 mm reduziert werden. Die Sechsecke sind so dimensioniert, daß sie wie das Quadrat von 50 mm Seitenlänge in einen Kreis von 70 mm Durchmesser passen (siehe 2). Einen Vergleich für die Anzahl der Tischbewegungen bei den herkömmlichen quadratischen Feldern und bei den sechseckigen Feldern gemäß 3 zeigt die folgende Tabelle:
• Tabelle:

  
• In der Tabelle sind jeweils die Anzahl der Felder und entsprechend die Anzahl der Tischbewegungen in X-Richtung und in Y-Richtung und die daraus resultierende Gesamtzahl der Tischbewegungen einander gegenübergestellt. Eine optimale Aufteilung und Abdeckung der Gesamtfläche mit möglichst wenigen Feldern wird durch gleichschenkelige Sechsecke erreicht; dieser Fall ist hier in der Tabelle nicht dargestellt.
• Da die Erfindung jedoch nicht auf sechseckige Bearbeitungsfelder beschränkt ist, sind in den 3 und 4 als weitere Beispiele ein kreisförmiges Bearbeitungsfeld KF und ein achteckiges Bearbeitungsfeld AF gezeigt, die je nach der Verteilung der Bearbeitungspunkte auf der Leiterplatte eine Optimierung ermöglichen können.
• Natürlich sind weitere auf das Layout der Leiterplatte zugeschnittene Formen möglich. Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß oben die Erfindung zwar im wesentlichen im Zusammenhang mit der Bearbeitung, insbesondere dem Bohren, von Leiterplatten beschrieben ist, daß aber eine Anwendung bei der Bearbeitung (beispielsweise beim Beschriften oder Markieren) anderer Substrate ebenfalls denkbar ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats, insbesondere einer elektrischen Leiterplatte (6), mittels eines Laserstrahls (2), der über eine Ablenkeinheit (3, 4) zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungseinheit (5) auf vorgegebene Positionen innerhalb eines Bearbeitungsfeldes auf dem Substrat (6) gerichtet wird, wobei die zu bearbeitende Oberfläche des Substrats in eine Vielzahl von Bearbeitungsfeldern (F; SF, KF, AF) unterteilt ist und das Substrat jeweils nach der vollständigen Bearbeitung eines Bearbeitungsfeldes relativ zur Abbildungseinheit (5) bewegt wird, um ein neues Bearbeitungsfeld in den Arbeitsbereich des Laserstrahls (2) zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bearbeitungsfelder (SF11...SF54; KF; AF) nach ihrer Form und ihrer Größe derart in einen durch den Überdeckungsbereich der Abbildungseinheit (5) vorgegebenen Kreis (52) eingepaßt werden, daß mit dem Laserstrahl eine größere Fläche als bei einem in den Kreis einbeschriebenen Quadrat (51) erreichbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsfelder (SF11...SF54) sechseckig sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsfelder (AF) achteckig sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Bearbeitungsfelder (KF) kreisförmig sind.