DE19737808A1 - Verfahren zur Strukturierung und Herstellung von Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strukturierung und Herstellung von Leiterplatten, die ein elektrisch isolierendes Grundsubstrat aufweisen, auf dem we­ nigstens eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist.

Zur Herstellung von strukturierten Leiterplatten wird üblicherweise photolithogra­ phisch auf einer, auf der elektrischen Schicht eines Leiterplattenrohlings aufge­ brachten Fotolackschicht, das Abbild eines Leiterplattenlayouts optisch abgebildet, das zuvor als Maske entworfen und gefertigt werden muß. In aller Regel schließen sich daran eine Vielzahl nacheinander durchzuführender chemischer Ätzschritte an, so daß erst durch einen langwierigen Prozeß die gewünschte strukturierte Leiter­ platte vorliegt.

Neuerdings wird bei der Entwicklung von Leiterplattenprototypen, die in neuartigen elektronischen Geräten eingesetzt werden, das Schaltungsdesign mit Hilfe von Computerprogrammen entworfen. Der Entwurf des Leiterplattenlayouts wird dann häufig, um möglichst rasche Entwicklungszyklen zu gewährleisten, auf eine Lochra­ sterplatte als Prototyp erstellt. Die auf der Lochrasterplatte aufzubringenden Lei­ tungsbahnen werden in Form von lackierten Drähten auf der Oberfläche der Platte aufgebracht. Dieses Verfahren ist jedoch sehr langwierig, da jede einzelne elektri­ sche Verbindung von Hand gelötet werden muß. Zudem schleichen sich sehr leicht und häufig Fehler ein, deren Fehlersuche aufwendig und zeitintensiv ist. Zudem kommt, daß die auf diese Weise hergestellte Leiterplatte nicht mit exakt reproduzier­ baren Bearbeitungsmethoden hergestellt ist, so daß diese Art der Herstellung be­ dingt durch die Handarbeit zu keiner endgültigen Leiterplatinenform führt. Ebendies ist jedoch gerade in der HF-Technik außerordentlich wichtig. Insbesondere in Fällen, in denen generelle Schaltungsfehler korrigiert werden müssen, muß häufig die Handverdrahtung komplett erneuert werden, was einen immensen Aufwand im Laufe eines Entwicklungsprojektes bedeutet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Strukturierung und Herstellung von Leiterplatten, die ein elektrisch isolierendes Grundsubstrat auf­ weisen, auf die wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist, derart auszugestalten, daß insbesondere bei der Prototypenherstellung von Leiterplatten das Umsetzen eines Leiterplattenlayouts in eine körperlich vorliegende Leiterplatte schnell und ohne großen herstellungstechnischen Aufwand erreicht werden soll. Ins­ besondere soll das Verfahren bei Änderungen im Leiterplattenlayoutdesign schnelle Korrekturhilfen zur Verfügung stellen. Auch sollen jegliche Ungenauigkeiten, die be­ dingt sind durch manuell durchgeführte Verfahrensschritte, vollständig ausgeschlos­ sen werden. Schließlich soll es möglich sein Strukturierungen im 100 µm-Bereich herzustellen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 darge­ stellt. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiter bildende Merkmale sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht zunächst vor, daß die auf eine Leiterplatte aufzubringende Schaltungsstruktur mit Hilfe einer gängigen Software entwickelt und entsprechend entflochten wird. Alterna­ tiv kann das Layout auch mittels geeigneter optischer Scannersysteme von einem bestehendem Muster oder einer vorgefertigten Zeichnung abgescannt werden. Das in Form eines, mit Hilfe eines PC-verarbeitbaren Datensatz vorliegende Leiterplat­ tenlayout dient anschließend der Ansteuerung eines Lasersystems, dessen Laser­ strahlparameter, wie beispielsweise Lichtenergie, Strahlquerschnitt, Wellenlänge, Pulsenergie sowie Repetitionsrate - bei Verwendung von gepulst betriebenen Laser­ systemen - sowie die Laserstrahlführung derart eingestellt werden, daß das Laser­ licht nach dem ermittelten Leiterplattenlayout gezielt auf der elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte geführt wird und dort elektrisch leitendes Material sukzessive bis zum Grundsubstrat abträgt.

Durch entsprechende Wahl der Wellenlänge des Laserlichtes, die auf die optischen Absorptionseigenschaften der auf der Leiterplatte aufgebrachten elektrischen leiten­ den Schicht abzustimmen ist, erfolgt der Materialabtrag dieser Schicht durch Subli­ mation. Der Laserstrahl wird anhand des von dem Berechnungsprogramm ermittel­ ten Leiterplattenlayout linear über die elektrisch leitende Schicht der Leiterplatte ge­ führt und trägt sukzessive das elektrisch leitende Material bis zum Grundsubstrat ab, wobei jene Bereiche vom Laserstrahl nicht erfaßt werden, die die elektrischen Leit­ bahnen darstellen.

Die Strahlführung des Laserstrahls über die Oberfläche der Leiterplatte erfolgt rech­ nergesteuert mit Hilfe eines Galvanometerscannersystems, durch das der Laser­ strahl über die Oberfläche geführt wird. Je nach Strahlenergie und Vorschubge­ schwindigkeit des Laserstrahls kann mehr oder weniger Material von der elektrisch leitenden Schicht abgetragen werden. Typischerweise bestehen im Handel erhältli­ che Rohleiterplatten aus einem Epoxidharzgrundsubstrat, auf dem eine etwa 35 µm dicke Kupferschicht abgeschieden ist. Typische Abmessungen derartiger Leiterplati­ nen betragen etwa 16 cm × 10 cm.

Bevorzugte Lasersysteme zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzen als Strahlquelle einen Nd : YAG-Laser mit einer Fundamentalwellenlänge von 1064 nm. Der im Regelfall gepulst betriebene Nd : YAG-Laser wird monomodig und zum gezielten Abtrag des Kupfers von der Leiterplatte mit einer Repetitionsrate von ca. 4000 Hz betrieben. Über eine entsprechend angeordnete Galvanometer­ scanner-Spiegelanordnung und einem Planfeldobjektiv kann der auf die Oberfläche der Leiterplatte fokussierte Laserstrahl mit beliebig einstellbaren Vorschubgeschwin­ digkeiten bewegt werden. Zum Kupfermaterialabtrag eignet sich eine Vorschubge­ schwindigkeit von etwa 20 mm pro Sek., wobei eine linienhaft überstrahlte Fläche der Kupferoberfläche mehrfach überfahren wird, vorzugsweise dreimal, bis das Grund­ substrat freigelegt wird. Ein typischer Laserstrahlquerschnitt beträgt zwischen 50 und 80 µm, so daß zum Abtragen größerer Materialvolumen der abzutragende Raumbereich mehrfach mit entsprechend nebeneinander liegenden Strahlverläufen abgescannt werden muß. Die kinematische Ansteuerung der Galvanometerscanner­ spiegel erfolgt zum vollständigen Materialabtrag an den entsprechenden Stellen vollständig rechnergesteuert und basiert auf den Ergebnissen der Programmalgo­ rithmen zum Entwurf eines Leiterplattenlayouts. Bedingt durch den Laserstrahlquer­ schnitt von 50 µm bis 80 µm sind Leiterbahnabstände von 50 µm realisierbar.

Nach vollständigem Abtrag der elektrischen Schicht an den geeigneten Bereichen auf der Leiterplatte zeigen sich häufig Materialrückstände, die durch unvollständige Sublimationsprozesse auf dem elektrisch isolierenden Grundsubstrat verbleiben. Zur Reinigung der freigelegten Oberfläche des Grundsubstrates wird ebenso das Laser­ system mit etwas geänderten Laserparametern verwendet, um die entsprechenden Rückstände von der Oberfläche der Leiterplatte zu entfernen. Unter Verwendung eines gepulst betriebenen Nd : YAG-Lasers eignen sich Laserparameter mit einer Re­ petitionsfrequenz von ca. 4500 Hz und einer Pulsleistung von etwa 8 Watt im Mono­ modebetrieb. Der Laserstrahl wird hierzu mit einer Vorschubgeschwindigkeit von ty­ pischerweise 1800 mm/sek. verfahren. Zum vollständigen Entfernen etwaiger Rück­ stände werden die Verfahrstrecken mehrmals abgescannt bis hin zu zehnmal.

Auch ist es möglich mit dem Lasersystem durch geeignete Wahl der Laserparameter das Grundsubstrat selbst zu durchtrennen bzw. das Grundsubstrat an geeigneten Stellen zum Durchführen elektrischer Kontakte mit Bohrungen zu versehen. Hierzu werden hohe Pulsleistungen von bis zu 16 Watt verwendet, die Repetitionsraten be­ tragen typischerweise 4000 Hz, wobei der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwin­ digkeit von 20 mm/Sek. über das Grundsubstrat geführt wird. Auf diese Weise kön­ nen die einzelnen Leiterplatten aus größeren Leiterplatten abgetrennt werden.

Wie bereits vorstehend genannt, eignen sich vorzugsweise Nd : YAG-Laser, die in Form sogenannter Beschriftungslaser eingesetzt werden und die Leiterplattenober­ fläche in der vorstehend aufgezeigten Weise bestrahlen. Selbstverständlich ist auch die Verwendung geeignet anderer Laserquellen möglich, deren Wellenlänge von dem abzutragenden Material entsprechend absorbiert wird.

Besonders vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß mit Hilfe einer einzigen Laseranordnung, deren Laserparameter entsprechend eingestellt werden müssen, sowohl ein gezielter Abtrag von elektrisch leitendem Material durchgeführt, als auch die Oberfläche gereinigt und das Grundsubstrat vollständig durchtrennt werden kann. Da die Ansteuerung des Lasersystems und insbesondere der Galva­ nometerscannerspiegelanordnung rechnergesteuert erfolgt ist eine schnelle Umset­ zung der aus dem Entflechtungsprogramm ermittelten Daten möglich, so daß zur Herstellung von Leiterplatten als Prototypen oder in der Kleinserienherstellung ein nur geringer Zeitaufwand von etwa einer halben Stunde nötig ist.

In der einzigen Figur ist ein Beispiel eines Leiterplattenlayouts dargestellt, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist. Die schwarzen Be­ reiche stellen die nach dem Abtrageverfahren übrig gebliebenen elektrischen Leit­ bahnen dar. Die hellen Bereiche wurden linienhaft von dem Laserstrahl überfahren, wodurch durch Sublimation ein gezielter Materialabtrag bis hin zum Grundsubstrat erfolgte. Nach anschließendem Reinigen des Grundsubstrates, ebenfalls mit dem Lasersystem, ergeben sich sehr kleine Strukturen, da die Laserfokusbreite nur etwa 50 µ aufweist.

Das neue Verfahren, das insbesondere für die Herstellung von Leiterplatten für die Bestückung mit SMD-Bauteilen geeignet ist, steigert somit die Qualität derartiger Leiterplatten und senkt darüber hinaus die Kosten während ihrer Entwicklung.

Claims (13)

1. Verfahren zur Strukturierung und Herstellung von Leiterplatten, die ein elek­ trisch isolierendes Grundsubstrat aufweisen, auf dem wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Ermittlung eines Leiterplattenlayouts,
• - Ansteuerung eines Lasersystems, dessen Laserstrahlparameter sowie Laser­ strahllage derart eingestellt werden, daß das Laserlicht nach dem ermittelten Leiterplattenlayouts gezielt auf der elektrisch leitenden Schicht geführt wird und dort elektrisch leitendes Material sukzessive bis zum Grundsubstrat ab­ trägt, und
• - Änderung der Laserstrahlparameter und Laserstrahllage zur gezielten Durch­ trennung des Grundsubstrates, so daß eine Leiterplatte erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Leiterplattenlayouts mittels eines rechnergestützten Computerprogramms, zeichnerisch oder mit Hilfe eines Scanner­ systems erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserparameter derart eingestellt werden, daß ein Materialabtrag durch Sublimation erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht Kupfer aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasersystem in Art eines Beschriftungslasers aufgebaut ist, dessen Laserstrahllage mittels eines Galvanometerscanners gezielt abgelenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserparameter bei einem gepulst betriebenen Lasersystems, wie Pulsenergie, Repetitionsrate, Wellenlänge, Laserstrahldurchmes­ ser sowie die Kinematik der Laserstrahllage, wie Vorschubgeschwindigkeit in Abhän­ gigkeit von dem abzutragenden Material eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasersystem ein Nd : YAG-Laser verwendet wird, dessen Laserstrahl als fundamentale Monomode-Welle auf eine Kupfer-Schicht, die auf dem Grundsubstrat der Leiterplatte als elektrische Schicht aufgebracht ist, ge­ richtet wird und diese lokal durch Sublimation sukzessive abträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Laserstrahldurchmessers der seitliche Versatz zweier vom Laserstrahl benachbart überfahrener Linien auf der Leiterplatte softwareseitig angepaßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Repetitionsrate von ca. 4000 Hz mit einer Vor­ schubgeschwindigkeit des Laserstrahles über die elektrisch leitende Schicht von ca. 20 mm/s eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach geeignetem Abtrag der elektrisch leitenden Schicht die freigelegte Oberfläche des Grundsubstrats mittels des Laserstrahls gerei­ nigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung mit einer Repetitionsrate von ca. 4500 Hz, einer Leistung von ca. 8 W im Monomodebetrieb und einer Vorschubgeschwin­ digkeit von ca. 1800 mm/s des Laserstrahls über das Grundsubstrat erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum gezielten Materialabtrag der Laserstrahl mehr­ fach über die Leiterplatte geführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserparameter zum vollständigen Durchtrennen oder Durchbohren der Leiterplatine derart eingestellt werden, daß Lichtleistungen von ca. 16 W bei einer Repetitionsrate von ca. 4000 Hz sowie eine geringe Vor­ schubgeschwindigkeit von ca. 20 mm/s verwendet werden und die Kontur mehrfach abgefahren wird.