DE19538984C1 - Laser-Bohrvorrichtung zur Erzeugung von Sacklöchern - Google Patents

Description

Bei mehrlagigen Leiterplatten werden die einzelnen Verdrah­ tungsebenen mittels sogenannter Durchkontaktierungen direkt leitend miteinander verbunden. Die Miniaturisierung der Lei­ terplatten wird unter anderem durch den Platzbedarf dieser Durchkontaktierungen begrenzt. Der Platzbedarf ist durch die Fläche, die für die Durchkontaktierung in der Verdrah­ tungsebene freigehalten werden muß, sowie durch die Länge der Durchkontaktierung festgelegt. In ihrer Länge erstreckt sich die Durchkontaktierung zwischen den zu verbindenden Verdrah­ tungsebenen, gegebenenfalls durch die gesamte Dicke der Lei­ terplatte. Die Durchkontaktierungen können sich auch durch die gesamte Dicke vorgefertigter Zwischenlaminate innerhalb der mehrlagigen Leiterplatte erstrecken.

Es ist bekannt, in einem Laminat mit der Schichtenfolge Metall-Dielektrikum-Metall mit Hilfe eines Excimer-Lasers Sacklöcher zu erzeugen. Die oberste Metall­ schicht des Laminats wird hierbei als Lochmaske verwendet, deren Lochbild mittels Fototechnik übertragen und durch nach­ folgendes Ätzen hergestellt wird. Das im Lochbereich dieser Maske freiliegende Dielektrikum wird dann durch die Einwir­ kung des Excimer-Lasers abgetragen, bis die unterste Metall­ schicht erreicht ist und den Abtragungsprozeß beendet. Mit dem bekannten Verfahren werden insbesondere bei der Herstel­ lung mehrlagiger Leiterplatten die erforderlichen Durchkon­ taktierungslöcher in Form von Sacklöchern hergestellt.

Aus der DE-Z Feinwerktechnik & Meßtechnik 91 (1983) 2, Sei­ ten 56 bis 58 ist ein ähnliches Verfahren zur Herstellung mehrlagiger Leiterplatten bekannt, bei welchem die als Durch­ kontaktierungen dienenden Sacklöcher mit Hilfe eines CO₂- Lasers erzeugt werden. Auch hier dient die oberste Kupferfo­ lie als Lochmaske, bei der überall dort, wo der Laserstrahl ein Loch erzeugen soll, das Kupfer weggeätzt wird.

Aus der JP 06-15472 A in Patent Abstracts of Japan, 1994, Sec.M-, 18/No. 217 ist eine Laser-Bohrvorrichtung zur Erzeu­ gung von Sacklöchern in dielektrischen Schichten von Lamina­ ten bekannt, bei welcher die Lochmaske dicht oberhalb des zu bearbeitenden Laminats angeordnet wird. In den Spalt zwischen Lochmaske und Laminat wird dann ein Gas eingeleitet, welches einen Niederschlag von Zersetzungsprodukten des Laserabtrags auf der Oberfläche des Laminats oder auf den Wandungen der Sacklöcher verhindert.

Aus der DE 40 37 716 C1 ist eine konventionelle Leiterplat­ ten-Bohrmaschine bekannt, deren Niederhalter als aerostati­ sche Lagerplatte ausgebildet ist. Die zwischen der Unterseite des Niederhalters und einer auf dem Leiterplattenstapel ange­ ordneten Kontaktplatte gebildete Luftschicht dient hierbei als Luftlager. Die Unterseite des Niederhalters drückt also die Kontaktplatte über die dazwischen befindliche dünne Luft­ schicht nieder, so daß die Leiterplatten von der Kontaktplat­ te und der Unterseite des Niederhalters unter Druck fixiert sind.

Die bekannte Verwendung von auf die dielektrischen Schichten auflaminierten Kupferfolien als Lochmasken bzw. Kontaktmasken für das Laser-Bohren ist mit einem erheblichen Aufwand ver­ bunden. Insgesamt sind bei der Anwendung dieser Maskentechnik folgende Arbeitsschritte erforderlich:

• - Erstellen eines Film- oder Glasdruckwerkzeuges individuell für jede Sacklochlage
• - Beschichten der auf laminierten Kupferfolie mit Fotoresist
• - Justage des Druckwerkzeugs und Belichten
• - Entwickeln der belichteten Struktur
• - Ätzen der Struktur in die Kupferfolie
• - Strippen des Fotoresists.

Eine Alternative zu der Verwendung auf laminierter Lochmasken ist eine separat erzeugte Kontaktmaske, welche das spezifi­ sche Lochbild beinhaltet und welche als Werkzeug wiederholt verwendbar ist. Die Herstellkosten für derartige Masken sind erheblich und erfordern für ihren wirtschaftlichen Einsatz große Werkstückserien. Zum Bearbeiten einer Sacklochlage ist je Lage und Leiterplattennutzen eine Justage der Maske zum Leiterbild notwendig. Für diesen Arbeitsschritt wird jedoch eine aufwendige und teure Justieranlage benötigt.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, eine Laser-Bohrvorrichtung zu schaffen, mit welcher Sacklöcher in großer Zahl in dielektrische Schichten ver­ schiedener Art kostengünstig und mit möglichst kurzen Bear­ beitungszeiten eingebracht werden können.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Lochmasken für das Laser-Bohren mit einfachen Mitteln als "fliegende" Kontaktmasken ausgebildet werden können, die in definiertem Abstand über den zu bearbeitenden dielektrischen Schichten schweben, ohne das Dielektrikum zu beschädigen. Insbesondere bleiben Mikrorauhigkeiten der dielektrischen Schichten, die für eine gute Haftung nachfolgend aufgebracht er Metallisie­ rungen von entscheidender Bedeutung sind, erhalten. Verschie­ bungen der Laminate relativ zur Lochmaske beim Anfahren ver­ schiedener Sacklochpositionen, bereiten durch die Schutzwir­ kung des Luftfilms ebenfalls keine Schwierigkeiten. Das erwähnte Schweben der Lochmasken kann dabei durch die Verwen­ dung eines als aerostatische Lagerplatte ausgebildeten Mas­ kenträgers auf besonders einfache Weise bewirkt werden. Hervorzuheben ist ferner, daß der Luftstrom die zu bearbei­ tenden dielektrischen Schichten kühlt und außerdem einen Nie­ derschlag der beim Laserabtragsprozeß entstehenden Zerset­ zungsprodukte auf den dielektrischen Schichten verhindert. Ein derartiger Niederschlag würde die Qualität nachfolgend aufgebrachter Metallisierungen erheblich beeinträchtigen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen 2 bis 7 angegeben. Bevorzugte Verwendungen der er­ findungsgemäßen Laser-Bohrvorrichtung sind in den Ansprüchen 8 und 9 angegeben.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht die Verwendung eines einzigen Maskenträgers für mehrere Lochmasken und damit für die Erzeugung verschiedener Sacklöcher oder Sacklochkon­ figurationen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 erleichtert das Justieren der Lochmaske relativ zu den zu bearbeitenden Laminaten, wo­ bei gleichzeitig eine für die Entstehung des Luftlager- Effekts erforderliche Höhenverstellbarkeit gewährleistet ist.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht eine besonders einfache und sichere Höhenverstellbarkeit des Maskenträgers über Führungssäulen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 ermöglicht den Einsatz ei­ ner besonders einfach ausgebildeten Lochmaske mit einem ein­ zigen Loch. Die Erzeugung mehrerer Sacklöcher in den dielek­ trischen Schichten kann dabei durch Relativbewegungen zwi­ schen Lochmaske und den entsprechenden Laminaten bewirkt wer­ den.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht eine wirtschaft­ liche Erzeugung von vorgegebenen Bohrungsmustern, wie sie beispielsweise bei Ball Grid Arrays benötigt werden.

Gemäß Anspruch 8 kann die erfindungsgemäße Laser- Bohrvorrichtung zur Erzeugung von Durchkontaktierungslöchern eingesetzt werden, die in mehrlagigen Leiterplatten oder Mul­ ti Chip Modulen zwei Verdrahtungsebenen elektrisch leitend miteinander verbinden.

Gemäß Anspruch 9 ist es aber auch möglich, erfindungsgemäße Laser-Bohrvorrichtungen zur Strukturierung von Lötstoppabdeckungen zu verwenden. Dadurch kann die bekannte Fotostruktu­ rierung von Lötstoppabdeckungen in der Leiterplattentechnik, die eine aufwendige Fototechnik erfordert, durch eine einfa­ che und wirtschaftliche Direktstrukturierung ersetzt werden. Zusätzlich können hierbei wesentlich genauere Lötstoppabdeckungen mit geringeren Stegbreiten realisiert werden. Die Lochmasken der Laser-Bohrvorrichtung enthalten bei diesem An­ wendungsfall die Bilder von Schlitzen oder Schlitzgruppen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Laser-Bohrvorrichtung zur Erzeugung von Sacklö­ chern mit einer Lochmaske, die das Bild eines Einzel­ loches enthält und

Fig. 2 eine Laser-Bohrvorrichtung zur Erzeugung von Sacklö­ chern mit einer Lochmaske, die das Bild einer Loch­ gruppe enthält.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel­ lung eine Laser-Bohrvorrichtung, mit welcher in ein dielek­ trische Schicht DS1 Sacklöcher SL1 eingebracht werden. Im dargestellten Stadium der Herstellung einer mehrlagigen Lei­ terplatte bedeckt die dielektrische Schicht DS1 die erste Verdrahtungslage einer Leiterplatte LP1, wobei die Sacklöcher SL1 jeweils bis zu Kupfer-Anschlußpads AP der ersten Verdrah­ tungslage reichen.

Mittels eines in Fig. 1 nicht näher dargestellten Lasers wird ein Laserstrahl LS1 erzeugt, der über eine Laseroptik LO1 durch eine Lochmaske LM1 auf die dielektrische Schicht DS1 gerichtet wird.

Die mit einem Einzelloch versehene Lochmaske LM1 ist auswech­ selbar in einem Maskenträger MT1 angeordnet. Der als aerosta­ tische Lagerplatte ausgebildete Maskenträger MT1 ist an eine nicht näher dargestellte Druckluftquelle angeschlossen, so daß über Luftkanäle LK Luft nach unten austritt und sich zwi­ schen der Lochmaske LM1 bzw. dem Maskenträger MT1 und der dielektrischen Schicht DS1 ein Luftfilm bildet. Um diese Aus­ bildung des Luftfilms zu ermöglichen, ist der Maskenträger MT1 über zwei Führungssäulen FS1 in Z-Richtung verschiebbar angeordnet, wobei die zugeordneten Führungszylinder FZ1 mit der Laseroptik LO1 verbunden sind. Durch dieses Führungssy­ stem wird also eine Bewegung des Maskenträgers MT1 in Z- Richtung ermöglicht, während eine Bewegung in X- und Y- Richtung verhindert wird. Die Richtungen X, Y und Z sind in Fig. 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet.

Die Lochmaske LM1 enthält eine Einzelbohrung sehr hoher Durchmessergenauigkeit. Die Bohrungsdurchmesser können sich dabei in einem Bereich von 25 µm aufwärts, bis zu ca. 200 µm bewegen. Als Maskenwerkstoffe kommen sowohl metallische oder sintermetallische, wie auch Siliziumwerkstoffe zum Einsatz. Die Herstellung der Bohrungen in der Lochmaske LM1 kann durch Mikroerodieren, Laserbohren, Ätzen oder auf fotolithografi­ schem Wege erfolgen.

Der aus einer telezentrischen Optik aus tretende Laserstrahl LS1, der einen etwas größeren Durchmesser als die Bohrung der Lochmaske LM1 hat, trifft senkrecht auf die Lochmaske LM1 und erzeugt so in der darunter liegenden dielektrischen Schicht DS1 mit einer 1 : 1 Abbildung des Maskendurchmessers das Sack­ loch SL1. Die Erzeugung weiterer Sacklöcher SL1 in der die­ lektrischen Schicht DS1 wird durch entsprechende Bewegungen der Leiterplatte LP1 in X- und Y-Richtung mit Hilfe eines Ti­ sches T ermöglicht, auf welchem die Leiterplatte LP1 angeord­ net ist.

Fig. 2 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel­ lung eine Laser-Bohrvorrichtung, mit welcher in die oben lie­ gende dielektrische Schicht DS2 einer auf einem X/Y-Tisch an­ geordneten Leiterplatte LP2 gleichzeitig Gruppen von Sacklö­ chern in vorgegebenen Lochkonfigurationen eingebracht werden. Eine derartige Gruppe von Sacklöchern SL2, wie sie beispiels­ weise für die Herstellung von Ball Grid Arrays geeignet ist, ist in Fig. 2 in der rechten, oberen Ecke der Leiterplatte LP2 angedeutet. Zur Erzeugung einer solchen Gruppe von Sack­ löchern wird eine Lochmaske LM2 verwendet, in welche eine entsprechende Anzahl von Löchern in der entsprechenden Konfi­ guration eingebracht ist. Die Lochmaske LM2 ist auswechselbar in einem Maskenträger MT2 angeordnet, der in der im Zusammen­ hang mit Fig. 1 beschriebenen Weise als aerostatische Lager­ platte ausgebildet ist. Somit schweben also auch der Masken­ träger MT2 und die Lochmaske LM2 auf einem Luftfilm in defi­ niertem Abstand über der zu bearbeitenden dielektrischen Schicht DS2.

Der Maskenträger MT2 ist über zwei Führungssäulen FS2 und zu­ geordnete Führungszylinder FZ2 mit einer Laseroptik LO2 ver­ bunden. Durch dieses Führungssystem wird eine Bewegung des Maskenträgers MT2 in Z-Richtung ermöglicht, während eine Be­ wegung in X-Richtung und Y-Richtung verhindert wird. Die Richtungen X, Y und Z sind auch in Fig. 2 wieder durch ent­ sprechende Pfeile angedeutet.

Der in einem Laser LA erzeugte Laserstrahl LS2 besitzt in seinem Querschnitt nur eine begrenzte geometrische Größe, so daß er unter Zuhilfenahme einer X/Y-Strahlablenkeinrichtung SA über die Lochkonfiguration der Lochmaske LM2 gescannt wer­ den muß. Hierbei wird der Laserstrahl LS2 über die in bekann­ ter Weise als Galvosystem ausgebildete X/Y-Strahlablenkein­ richtung SA und die Laseroptik LO2 auf Lochmaske LM2 gerich­ tet und über deren Lochkonfiguration gescant. Die Laseroptik LO2 ist dabei als Korrekturoptik ausgebildet, so daß der ab­ gelenkte Laserstrahl LS2 wieder senkrecht auf die Oberfläche der Lochmaske LM2 auftrifft. Die Scan-Geschwindigkeit hängt dabei wesentlich von der Pulszahl des Lasers DA ab, die nötig ist, um das dielektrische Material eines Sackloches SL2 zu entfernen.

Die vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 be­ schriebenen Lochmasken LM1 mit einem einzelnen Loch bzw. Lochmasken LM2 mit einer Lochkonfiguration, können mit unter­ schiedlichen Durchmessern bzw. Konfigurationen bereitgestellt werden. Die Lochmaskenkönnen dabei revolverartig, wie bei einem Mikroskop, oder aber auch in speziellen Magazinen, ähn­ lich wie bei herkömmlichen NC-Bearbeitungsmaschinen, angeord­ net sein. Der Aufruf der jeweiligen Lochmaske kann in den je­ weiligen NC-Bohrprogrammen über einen Werkzeugbefehl erfol­ gen. Bei einer revolverartigen Anordnung der Lochmasken ist auf eine gleichmäßige und symmetrische Gewichtsverteilung auf die tragende, aerostatische Lagerplatte zu achten.

Beim Einsatz der vorstehend beschriebenen Laser- Bohrvorrichtungen zur Direktstrukturierung von Lötstoppabdeckungen, werden die Lochmasken mit einem kreiszylindrischen Einzelloch oder mit einer Konfiguration von kreiszylindri­ schen Löchern durch Lochmasken mit einem einzelnen Schlitz oder einer Schlitzkonfiguration ersetzt.

Claims (9)

1. Laser-Bohrvorrichtung zur Erzeugung von Sacklöchern (SL1; SL2) in dielektrischen Schichten (DS1; DS2) von Lamina­ ten, mit

• - einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls (LS1; LS2)
• - einer Lochmaske (LM1; LM2), die ein Bild der zu erzeugenden Sacklöcher (SL1; SL2) enthält,
• - einer Laseroptik (LO1; LO2), welche den Laserstrahl (SL1; LS2) durch die Lochmaske (LM1, LM2) auf die zu bearbei­ tenden dielektrischen Schichten (DS1, DS2) richtet,
• - Mitteln zur Erzeugung eines Luftfilms zwischen der Lochmaske (LM1; LM2) und den zu bearbeitenden dielektrischen Schichten (DS1; DS2), wobei die Lochmaske (LM1; LM2) in einem als aerostatische Lagerplatte ausgebildeten Maskenträger (MT1; MT2) angeordnet ist.

2. Laser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (LM1; LM2) auswechselbar im Maskenträger (MT1; MT2) angeordnet ist.

3. Laser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskenträger (MT1; MT2) in X- und Y-Richtung starr und in Z-Richtung beweglich an der Laseroptik (LO1; LO2) ange­ ordnet ist.

4. Laser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskenträger (MT1; MT2) über mindestens zwei in Z- Richtung verschiebbare Führungssäulen (FS1; FS2) mit der La­ seroptik (LO1; LO2) verbunden ist.

5. Laser-Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (LM1) das Bild eines Einzelloches enthält.

6. Laser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (LM2) das Bild einer Lochgruppe enthält.

7. Laser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (LS2) mit einer X/Y- Strahlablenkeinrichtung (SA) über die Lochmaske (LM2) mit dem Bild der Lochgruppe gescant wird.

8. Verwendung einer Laser-Bohrvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 zur Erzeugung von Durchkontaktierungslöchern, die in mehrlagigen Leiterplatten (LP1; LP2) oder Multi Chip Modulen zwei Verdrahtungsebenen elektrisch leitend miteinan­ der verbinden.

9. Verwendung einer Laser-Bohrvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 zur Erzeugung von Sacklöchern in Lötstoppab­ deckungen.