DE4002326C2

DE4002326C2 -

Info

Publication number: DE4002326C2
Application number: DE4002326A
Authority: DE
Inventors: Kunio Atsugi Jp Arai; Yasuhiko Machida Jp Kanaya
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-09-19
Also published as: US5010232A; DE4002326A1; JPH02198193A; KR930002697B1; KR900012520A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 3. Insbesondere geht es dabei um die Bildung von Sacklochbohrungen in einer mehrlagigen Leiterplatte zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwi schen inneren Verdrahtungsmustern und Verdrahtungsmustern auf der Oberfläche der Leiterplatte.

Die JP-OS 58-64 097 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Bildung von Sacklochbohrungen in einer Leiterplatte zwecks Vorsehens elektrischer Verbindun gen zwischen inneren Verdrahtungsmustern und Verdrahtungs mustern auf der Oberfläche der Leiterplatte.

Bei diesem Verfahren werden Führungslöcher durch Ätzen in Teilen der äußeren Kupferfolienschicht erzeugt, wo die Sacklochbohrungen zu bilden sind. Die Führungslöcher weisen einen etwas kleineren Durchmesser auf als der zur Bildung der Sacklochbohrungen verwendete CO₂-Laserstrahl. Der CO₂-Laserstrahl wird nämlich durch diese Führungslöcher zur Einwirkung gebracht, um so Teile der Kunstharzschichten rings um die geätzten Führungslöcher zu beseitigen und dadurch die Sacklochbohrungen zu bilden.

Dieses Verfahren umfaßt Schritte des Ätzens, des Laser-Bohrens, des Metallisierens und des Ätzens. So wird zweimal ein Ätzen vorgenommen, wodurch die Effizienz verringert wird.

Außerdem kann, da das Ätzen zur Ausbildung der Führungslö cher und das Laser-Bohren zur Bildung der Sacklochbohrungen in verschiedenen Schritten durchgeführt werden, die Positioniergenauigkeit infolge einer Summierung der auftretenden Versätze während dieser Schritte merklich beeinträchtigt werden. Die Sacklochbohrungen neigen zu Abweichungen von der Kreisform aufgrund einer Abweichung des Bohr-Laser strahls von der Lage des durch Ätzen ausgebildeten Füh rungslochs. Infolgedessen wird die Ankontaktierungsfläche am Boden der Sacklochbohrung verkleinert, so daß die Zuverlässigkeit der elektri schen Verbindung zwischen dem äußeren Verdrahtungsmuster und dem inneren Verdrahtungsmuster verringert wird.

Beispielsweise kann, wenn eine Sacklochbohrung mit einem Öffnungsdurchmesser von 150 µm in der äußeren Schicht und einem Bodendurchmesser von 100 bis 120 µm zu bilden ist, der Bodendurchmesser der Sacklochbohrung auf 50 bis 70 µm verringert werden, wenn die Abweichung des Laserstrahls 50 µm oder größer ist, so daß die Verläßlichkeit der elek trischen Verbindung ernstlich beeinträchtigt wird.

Ähnliche Verfahren auf Basis eines Ätzschritts zur Bildung von Führungslöchern in der äußeren Kupferfolie und eines Laserbohrschritts zum Herstellen der Sacklochbohrungen sind aus "Feinwerktechnik & Maßtechnik" 91 (1983) 2, S. 56-58 und "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 17, No. 8, S. 2258, Jan. 1975 bekannt.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch die Verfahrensschritte bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Sacklochbohrungen in einer Leiterplatte.

Fig. 5(a) zeigt den Aufbau einer typischen bekannten Leiterplatte. Die Leiterplatte hat eine äußere Kupferfolienschicht 1, eine innere Kupfer folienschicht 2, Faserstoffschichten 3, 3′, die aus Bün deln von Glasfasern gebildet sind, und Kunstharzschichten 4, 4′, 4′′. Um ausreichend hohe Bindefestigkeiten zwischen den äußeren und inneren Kupferfolienschichten 1, 2 und den Kunstharzschichten 3, 3′, 4, 4′, 4′′ zu sichern, liegen Bindekunstharzbereiche mit Dicken a und b im wesentlichen an den Grenzen zwischen diesen Schichten vor. Man erkennt außerdem ein Führungsloch 5, das durch Ätzen für eine nachfolgende Bestrahlung mit einem Laserstrahl gebildet ist.

Teile der Glasfaserschichten 3, 3′ und der Kunstharz schichten 4, 4′, 4′′ im Bereich rings um das Führungsloch 5 werden durch die nachfolgende Einwirkung des Laserstrahls entfernt. Die Materialabträge in den Glasfaserschich ten bzw. den Kunstharzschichten sind jedoch aufgrund verschiedener Faktoren, wie z.B. der Energieabsorp tionskoeffizienten, der Energieabsorptionsgeschwindigkeit, des Unterschieds in der Energiedichte zwischen der Brennpunkt lage und der Lage außerhalb des Brennpunkts, des Unter schieds in der Bestrahlungszeit usw. nicht gleich. Beispielsweise wird hier angenommen, daß der Laserstrahl ein "Gauss-Strahl" ist und auf die Oberfläche der inneren Schicht durch die zu entfernende Kunstharzschicht mit einer beträchtlich großen Dicke H fokussiert wird. In einem solchen Fall ergeben sich, obwohl der Bodenteil der Sacklochbohrung erreicht wird, Fehler, wie z.B. Karbonisierung des Kunstharzes, Vorragen von Glasfasern in einer Nadelform (Höhe von W₁) usw. im Oberflächenbereich des Kunsthar zes rings um die Eingangsöffnung der Sacklochbohrung, wie in den Fig. 5(b) und 5(c) gezeigt ist. Im schlimmsten Fall verbleibt ein Anteil von Glasfasern großer Abmessung auf der Oberfläche der Bohrung, wie durch 6 gekennzeichnet ist. Diese Fehler sind der Tatsache zuzuschreiben, daß der Oberflächenbereich des Kunstharzes durch einen Schmelz-Zwischenschritt statt durch Sublimation entfernt wird, weil dieser Bereich für eine lange Zeit einem Strahl niedrigerer Energiedichte als der Bodenbereich ausgesetzt wird.

Wenn der Laserstrahl für eine lange Zeit einwirkt, trifft man auf ein Problem in den in Fig. 5(a) und 5(b) gezeigten Schritten, nämlich daß das Kunstharz, wie bei W₂ angedeu tet, unerwünscht aufgrund von Reflexion und Absorption des Laserstrahls an der Oberfläche der inneren Kupferfolien schicht zurückweicht, die für den Zweck einer Beschich tungsabscheidung nadelförmig gemacht wurde. Eine zu lange Bestrahlungszeit bringt das Problem mit sich, daß das Kunst harz 4′′, das in der Mitte des Bodens des Lochs aufgrund übermäßiger Strahlenergie verdampft wird, die innere Fo lienschicht unerwünscht anhebt. Außerdem wird auch eine Karbonisierung des Kunstharzes 4′′ verursacht.

Der karbonisierte Teil des Kunstharzes auf der Wand der Bohrung kann durch eine geeignete chemische Behandlung ent fernt werden. Eine solche chemische Behandlung verhindert jedoch nicht, daß die Glasfasern vom Kunstharz in größeren Beträgen vorragen; hierdurch wird es schwierig, die Bohrungswand einer Beschichtungslösung auszusetzen so daß die Zuverlässigkeit der durch die Be schichtung gebildeten Verbindung stark beeinträchtigt wird. Außerdem ist es unmöglich, den karbonisierten Teil des Kunstharzes 4′′ zu entfernen. Um diese Probleme zu überwinden, wurde vorgeschlagen, ein besonderes Kunstharzmaterial anstelle der Glasfasern zu verwenden, um das Laserbohren zu ermöglichen. Derartige Leiterplatten konnten sich jedoch wegen der schlechterer physikalischer Eigenschaften im Vergleich mit herkömmlichen Leiterplat ten nicht durchsetzen.

Außerdem konnte das herkömmliche Verfahren nicht auf die Bildung einer Sacklochbohrung in der inneren Kupferfo lienschicht einer mehrlagigen Leiter platte des in Fig. 2(b) gezeigten Typs angewandt werden, da der Laserstrahl von der inneren Kupferfolienschicht re flektiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, die eine verläßliche Bildung genau bemessener Sacklochbohrungen in einer Leiterplatte in weniger Prozeßschritten ermög lichen und auch das Problem störender Glasfaserreste beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfah ren mit den Kennzeichnenden Merkmalen des Patent anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 3 gelöst.

Im einzelnen werden die dem Laserbearbeitungskopf und dem Bohrkopf zugewandte Kupferfolien und die Kunstharz schicht unter dieser Kupferfolien durch den Bohr kopf bis zu einem Niveau gebohrt, das geringfügig über dem Niveau der Oberfläche der inneren Kupferlage liegt, so daß ein Führungsloch gebildet wird, und danach wird der Laserbearbeitungskopf auf das Führungsloch ausge richtet und bringt einen Laserstrahl zur Entfernung des restlichen Teils der Kunstharzschicht zur Einwirkung, wo durch eine Sacklochbohrung gebildet wird, die die Oberflä che der inneren Kupferlage erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschau lichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zei gen:

Fig. 1, 2 und 3 Darstellungen eines Verfahrens gemäß der Erfin dung zum Behandeln einer Leiter platte zur Bildung von Sacklochbohrungen;

Fig. 4 eine Perspektivdarstellung einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigne ten Vorrichtung;

Fig. 5 eine Darstellung der schon erläuterten Verfah rensschritte bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Sacklochbohrungen in einer Leiterplatte

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung, die sich zur Verwendung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens eignet. Die Vorrichtung hat ein Gestell 101, einen auf dem Gestell 101 montierten X-Tisch 102 zur Bewegung in Richtung eines Pfeils X, einen auf dem X-Tisch 102 montierten Y-Tisch 103 zur Bewegung in der Richtung eines Pfeils Y, und ein Portal 104, das am Gestell 101 in solcher Weise befestigt ist, daß es über die X- und Y-Tische 102, 103 gespreizt ist. Die Vorrichtung weist auch einen Bohr kopf 105 auf, der an einem vorbestimmten Teil des Portal 104 befestigt ist. Der Bohrkopf 105 hat eine Spindel, die einen Bohrer 160 trägt und in Richtung eines Pfeils Z bewegbar ist. Man erkennt außerdem einen Motor 107 zum Antrieb der Spindel in Richtung des Pfeils Z. Weiter weist die Vorrichtung einen Laser bearbeitungskopf 108 auf, der am Portal 104 in einem vor bestimmten Abstand vom Bohrkopf 105 befestigt ist. Ein Laseroszillator 109 ist an einem vorbestimmten Teil des Portals 104 befestigt. Eine zu bohrende Leiterplatte 110 ist auf dem Y-Tisch 103 angeordnet.

Unter Verwendung dieser Vorrichtung wird ein Verfahren in einer in Fig. 3 gezeigten Weise durchgeführt.

Und zwar werden die X- und Y-Tische 102, 103 geeignet an getrieben, um den mit Sacklochbohrungen zu versehenden Teil der Leiterplatte 110 in eine Lage direkt unter dem von der Spindel des Bohrkopfes 105 gehaltenen Bohrer 160 zu brin gen.

Dann wird der Bohrer 160 abgesenkt, um die Kupferfolie 111 auf der Oberseite der Leiter platte 110 zu durchbohren, damit, wie in Fig. 3(a) ge zeigt, ein Führungsloch 5 gebildet wird. Anschließend wer den die X- und Y-Tische 102, 103 bewegt, um das Führungs loch 5 in eine Lage unmittelbar unter dem Laserbearbei tungskopf 108 zu bringen. Dann wird der Laseroszillator 109 aktiviert, um zu ermöglichen, daß der Laserbearbei tungskopf 108 einen Laserstrahl 7 abgibt, wie in Fig. 3(b) gezeigt ist, wodurch das Kunstharzmaterial der Kunstharz schicht 112 der Leiterplatte 110 entfernt wird und eine Sacklochbohrung 115 in der Leiter platte 110 gebildet wird.

Gemäß diesem Verfahren kann der Laserstrahl 7 bezüglich des Führungslochs 5 mit sehr hoher Genauigkeit, z.B. etwa 10 µm oder weniger Fehlerabweichung, positio niert werden, was ohne Schwierigkeit durch diese Vorrichtung erreichbar ist.

Anschließend wird in der so gebildeten Sacklochbohrung 115 in einer in Fig. 3(c) gezeigten Weise eine Beschichtung zur Bildung einer Leiterschicht 116 durchgeführt, die die Kup ferfolie 111 auf der Oberseite der Leiter platte mit der Kupferlage 113 an deren Unterseite elek trisch verbindet. Anschließend werden Verdrahtungsmuster mittels Ätzens ausgebildet, wie in Fig. 3(d) gezeigt ist.

Es wird hier angenommen, daß die Sacklochbohrung 115 mit Solldurchmessern von 150 µm am Einlaß, d.h. an der in der äußeren Schicht 111 erscheinenden Öffnung, und von 100 bis 120 µm am Boden der Bohrung zu bilden ist. Da die Abweichung des Laserstrahls 7 vom Führungsloch 5 so gering wie 10 µm oder weniger ist, kann eine etwaige Verringerung des Durchmessers der Sacklochbohrung 115 an deren Boden auf 5% oder weniger verringert werden, so daß eine hohe Zuverläßlichkeit der elektrischen Verbindung gesichert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Vorrichtung zum Sacklochbohren einer Leiterplatte, die so wohl mit einem Bohrkopf als auch mit einem Laserbearbei tungskopf ausgerüstet ist. Die Vorrichtung arbeitet, wie in den Fig. 1(a)-1(c) und Fig. 2(a)-2(c) gezeigt ist, zunächst mit dem Bohrer 160, um nicht nur die äußere Kup ferfolie 1, sondern auch die Kunstharzschichten 4 oder 4 und 4′′ unter der äußeren Kupferfolie 1 bis zu einem Niveau etwas über der Oberfläche der inneren Kup ferlage 2 zu durchbohren und so die Glasfasern 3, 3′ und das Kunstharz 4 zu entfernen, während nur der Teil des Kunstharzes 4′ einer Dicke h ungebohrt übrigbleibt und somit ein Führungsloch 5 gebildet wird. Dann wird der Laser strahl auf diesen ungebohrten Teil des Kunstharzes 4′ ge richtet, der den Boden des Führungslochs bildet. Die Be strahlung mit dem Laserstrahl wird in ziemlich kurzer Zeit im Brennpunktzustand durchgeführt, welcher die höchste Energiekonzentration liefert, wodurch im wesentlichen Feh ler eliminiert werden, die bei bekannten Verfahren ange troffen werden, wie z.B. nadelförmige Freilegung und Bil dung einer Masse von Glasfasern an der Lochoberfläche nach Bearbeitung mit dem Laserstrahl. Wenn der Laserstrahl ein Gauss-Strahl ist, wird das Kunstharzmaterial am Rande des Bohrungsbodens in einer abgerundeten Weise wie in Fig. 1(c) ge zeigt ist, dank der Brechung und der Reflexion des Strahls, die durch die inneren Kupfer lage verursacht wird, entfernt, wodurch die Wand der Bohrung einen gleichmäßigen Endzustand ohne Ausnehmungen an ihrem Boden erhält. Dies erleichtert den Durchtritt der Beschichtungslösung, so daß die Beschichtung befriedi gend erfolgen kann. Außerdem können Probleme, wie z.B. Verdampfung und Karbonisierung des Kunstharzes 4′′ sowie unerwünschte Deformation der inneren Kupferlage, vorteil haft überwunden werden, so daß eine hochgradig verläßliche Sacklochbohrung durch den Laserstrahl erhalten wird.

Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es gemäß der Erfin dung möglich, die Bohrungsgenauigkeit zu verbessern und dadurch die Verläßlichkeit der elektrischen Verbindung merklich zu verbessern, was auf die Verwendung der beson deren Vorrichtung zurückzuführen ist, die so wohl mit einem Bohrkopf als auch mit einem Laserbearbei tungskopf ausgerüstet ist. Weiter macht es die vorliegende Erfindung möglich, die eine Laserbohrungstechnik nicht nur auf herkömmliche Leiterplatten, sondern auch auf vielschichtige Leiterplatten zur Her stellung von Verbindungen zwischen einer Mehrzahl innerer Verdrahtungslagen, anzuwenden. Zusätzlich bietet die Er findung eine erhebliche Verbesserung des Produktionswir kungsgrades wegen des Fortfalls des Ätzens zur Bildung der Führungslöcher.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Sacklochbohrungen Leiter platte auf Kunstharzbasis, wobei zuerst eine Kupferfolie auf einer Seite an den Stellen der gewünschten Verbindungsbohrungen entfernt wird und nachfolgend das Kunstharzmaterial unter Festlegung der Bohrtiefe durch eine jeweils mit der Kupferfolie zu verbindende Kupferlage im Inneren der Leitungsplatte oder auf deren anderen Seite mittels Laserstrahlen abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch mechanisches Bohren durch die Kupferfolie (1; 111) hindurch in die Kunstharzschicht (4; 112) hinein ein Führungsloch (5) gebildet wird und im gleichen Prozeßschritt das restliche, am Boden des Führungsloches (5) verbleibende Kunstharzmaterial (4′; 4′′′) bis zu der zu verbindenden Kupferlage (2; 113) durch die Laserstrahlen entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsloch (5) durch Bohren mit einem Bohrkopf (105) bis zu einem geringfügig über dem Niveau der zu verbindenden Kupferlage (2; 113) liegenden Niveau in der Kunstharzschicht (4) gebildet wird und der Restteil (4′) der Kunstharzschicht durch die Laserstrahlen (7) entfernt wird.

3. Vorrichtung zum Herstellen von Sacklochbohrungen in Leiterplatten, gekennzeichnet durch
eine Tischeinheit (102, 103) zum Bewegen der Leiterplatte (110) in X- und Y-Richtung,
einen Bohrkopf (105) zum Bohren der Leiterplatte (110),
einen in Z-Richtung beweglichen Laserbearbeitungskopf (108) zur Bearbeitung der Leiterplatte (110) mittels eines Laserstrahls (7),
einen Laseroszillator (109) und
ein Portal (104) zur Halterung des Bohrkopfes (105), des Laserbearbeitungskopfes (108) und des Laseroszillators (109).