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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen
in elektrischen Schaltungsbausteinen und insbesondere den Einsatz
von Impulslaser-Strahlungsquellen mit Wellenlängen im mittleren Infrarotbe
reich.
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Für
den Zweck der vorliegenden Erfindung gelten die folgenden Definitionen
von Spektralwellenbereichen: Ultraviolettbereich: 190 bis 400 nm;
sichtbarer Bereich: 400 nm bis 700 nm; naher Infrarotbereich: 700
nm bis 1,5 μm;
mittlerer Infrarotbereich: 1,5 μm
bis 8 μm;
ferner Infrarotbereich: 8 bis 100 μm.
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Seit 1981 wird der Einsatz von Impulslasern für den Zweck
des Bohrens von kleinen Verbindungslöchern (Mikrosacklöchern) in
Schaltungs-Verbindungsbausteinen, wie zum Beispiel in Leiterplatten oder
in Verdrahtungsplatten, in Multichip-Bausteinen, in Ball-Grid-Arrays (BGAs),
in TAB-Verbindungen etc. untersucht. Eine schematische Darstellung
zur Veranschaulichung von plattierten und unplattierten Löchern und
Durchkontaktierungen, Blindlöchern
und Mikrosacklöchern
in einer Vierniveauplatine wird in 1 gezeigt.
CO2-Impulslaser im fernen Infrarotbereich
mit einer Wellenlänge
zwischen 9 μm
und 11 μm
werden nun verwendet, um Blindkontaktlöcher in dem elektrisch isolierenden
dielektrischen Material des Mehrschicht-Schichtelementes, das diese
Bausteine enthält,
zu bohren. Analog dazu werden Nd-Festkörperlaser im nahen Infrarotbereich
bei einer Wellenlänge
von 1,06 μm
mit einem gewissen Erfolg verwendet, um Kontaktlöcher in der oberen leitenden
Kupferschicht des Bausteines sowie in der dielektrischen Schicht
zu bohren. In ähnlicher
Weise wird frequenzverdreifachte und frequenzvervierfachte Strahlung
bei Wellenlängen
von 355 nm und 266 nm von diesen Lasern ebenfalls für diese
Anwendung verwendet. Obwohl Ultraviolett-Excimer-Laser bei Wellenlängen von
248 nm und 308 nm seit 1987 für
die Herstellung von Kontaktlöchern
in hochwertigen Verbindungsbausteinen mit Multichip-Bausteinen und
BGAs verwendet werden, lassen ihre relativ geringe Bohrgeschwindigkeit
und ihre hohen Anschaffungs- und
Betriebskosten diese Laser für
das Bohren von Kontaktlöchern
in Geräten
im unteren Preissegment, wie zum Beispiel bei Leiterplatten und bei
Verdrahtungsplatten, ungeeignet erscheinen.
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Jeder Impulslaser hat seine eigenen
Vorteile und Nachteile beim Bohren von Mikrosacklöchern. Aufgrund
der verfügbaren
geringen Leistung (< 4
W), der hohen Betriebskosten(> 2
Dollar/Stunde – vorwiegend
für die
Auswechslung des harmonischen Dialogkristalls) und wegen der niedrigen
Ablationsrate (< 1 μm/Impuls)
erweist sich das Bohren von Mikrosacklöchern mit oberwellenerzeugter
Ultraviolettstrahlung von Nd-Lasern bei einer Wellenlänge von 1,06 μm als ein
relativ langsames und kostspieliges Verfahren. Andererseits ergeben
Impulslaserquellen wegen der relativ hohen Transparenz der meisten
als dielektrisches Material eingesetzten organischen Stoffe im nahen
Infrarotbereich in diesem Spektralbereich eine schlechte Lochqualität beim Bohren
der dielektrischen Schicht und der oberen Kupferschicht, und die
darunter liegenden dielektrischen Materialien werden mitunter beschädigt. Laser
im nahen Infrarotbereich können
metallisches Kupfer wegen der Plasmaabschirmungswirkung von Strahlung
höherer Wellenlänge nicht
effektiv bohren, und die in dem dielektrischen Material gebohrten
Löcher
sind oft von einer solchen Form und Qualität, dass die darauffolgende
Plattierung erschwert wird, wenn keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte,
wie zum Beispiel Oxidieren des Metalls, durchgeführt werden, um den Kopplungswirkungsgrad
zu erhöhen.
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J. Frauchinger et al. beschreiben
in „Interaction
of 3 μm
Radiation with Matter" (Wechselwirkung von
Strahlung einer Wellenlänge
von 3 μm
mit Materie – nicht
autorisierte Übersetzung – d. Übers.),
Optical and Quantum Electronics, Bd. 19, Nr. 4, April 1987, S. 231–236, Chapman
and Hall, London, Großbritannien,
das Bohren kleiner Löcher
in Medien, die O-H- bzw. C-H-Bindungen enthalten, mit einem YALO3-Er-Laser bei 2,92 μm.
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Das Dokument EP0884128 stellt den
Stand der Technik gemäß Artikel
54(3), 54(4) EPC für
die Vertragsstaaten DE, FI, GB dar. Das Dokument legt die Herstellung
von Kontaktlöchern
auf dem Zwischenschicht-Isolationsharz auf einem Trägermaterial
mit einem frequenzverdoppelten CO2-Impulslaser offen.
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Dieses Dokument hat zu den separaten
Ansprüchen
1 bis 35 für
die Vertragsstaaten DE, FI und GB geführt, die von den Ansprüchen 1 bis
43 für
die anderen genannten Vertragsstaaten in Bezug auf den beanspruchten
Wellenlängenbereich
abweichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren für
das Bohren von Mikrosacklöchern
in Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten oder anderen elektrischen
Schaltungs-Verbindungsbausteinen unter Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle
bereit gestellt, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen in
dem mittleren Infrarotbereich emittiert.
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Das Verfahren kann die Verwendung
einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Holmium-Laser umfassen,
die Strahlung mit einer Wellenlänge
von 2,1 μm
erzeugt. Das Verfahren kann die Verwendung einer Impulslaser-Strahlungsquelle
mit einem Erbium-Laser
umfassen, die Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 μm erzeugt.
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Das Verfahren kann die Verwendung
einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Kohlenmonoxid(CO)-Gaslaser
umfassen, die Strahlung mit Wellenlängen in dem Bereich zwischen
5 und 6 μm
erzeugt.
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Das Verfahren kann die Verwendung
einer Impulslaser-Strahlungsquelle mit einem Laser und einem optischen
parametrischen Oszillator (OPO) oder einem optischen parametrischen
Verstärker (OPV)
umfassen, die jeweils zwischen 1,5 und 4,8 μm abgestimmt werden können.
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Diese Laser-Strahlungsquellen sind
für die vorliegende
Erfindung und für
die Umsetzung in einem Herstellungsverfahren geeignet, da sie sehr
zuverlässig
und wartungsfreundlich sind und geringe Anschaffungs- und Betriebskosten
verursachen.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren
eine Impulslaser-Strahlungsquelle, die eine durchschnittliche Laserstrahlungsenergie
von mehr als 2 W erzeugen kann und deren Betriebskosten vorzugsweise unter
1 Dollar/Stunde liegen.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren
Bohren von Mikrodurchkontaktierungen bei Geschwindigkeiten, die
200 Löcher
pro Sekunde übersteigen. Die
Bohrgeschwindigkeit ist von der Beschaffenheit des verwendeten Werkzeuges,
der Art und Dicke des Materials und der Löcherdichte abhängig.
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Die Verwendung von Lasern im mittleren
Infrarotbereich für
dieses Verfahren löst
zahlreiche der bei dem Einsatz von Impulslaser-Strahlungsquellen bei
anderen Wellenlängen
auftretenden Probleme. Laser im mittleren Infrarotbereich bieten
Laser-Strahlungsquellen,
die in der Lage sind, Mikro-Durchkontaktierungen in hoher Qualität bei hohen
Bohrgeschwindigkeiten und mit relativ niedrigen Betriebskosten und
mit hoher Zuverlässigkeit
zu bohren.
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Die bei dem Laserbohren von Mikro-Durchkontaktierungen
in mehrschichtigen Schichtelement-Materialien, wie zum Beispiel
in Leiterplatten, auftretenden Probleme lassen sich in mehrere Teilprobleme
aufteilen. Die vorliegende Erfindung betrifft das Lösen dieser
Teilprobleme durch entsprechenden Einsatz einer oder mehrerer auf
geeignete Weise ausgewählter
Impulslaser-Strahlungsquelle(n), die Strahlung in dem mittleren
Infrarot-Spektralbereich emittiert oder emittieren.
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Im Vergleich zu organischen Materialien
sind das Reflexionsvermögen
und das Absorptionsvermögen
der meisten Metalle relativ unempfindlich gegenüber der Wellenlänge (λ) vom sichtbaren
Bereich bis hin zu dem fernen Infrarot-Spektralbereich. Wie zum Beispiel
in 2 für Kupfer,
dem bei der Herstellung von Leiterplatten am häufigsten eingesetzten metallischen
Leitermaterial, gezeigt, beträgt
das Reflexionsvermögen
R bei einer Wellenlänge λ in dem Bereich
von 0,6 bis 10 μm
mehr als 90%, während
die Photonenabsorptionstiefe (α–1)
bei einer Wellenlänge λ zwischen
0,25 und 10 μm
zwischen 12 und 16 nm beträgt.
CO2-Impulslaser, die Strahlung mit Wellenlängen zwischen
12 und 16 nm im fernen Infrarotbereich emittieren, können Kupfer
jedoch nur bei unpraktizierbar hohen Einfalls-Einzelimpulslaserfluenzen
von > > 100 J/cm2 bohren,
außer
wenn das Kupfer zuerst mit einer Absorptionsbeschichtung versehen
wird. Diese Unwirksamkeit wird wahrscheinlich durch das Plasma oberhalb
der Ablationsstelle verursacht, das in einem früheren Stadium gebildet wird, wenn
der Laserimpuls die später
in dem Impuls auf die Fläche
einfallende Laserstrahlung abschirmt. Elektronen in dem Plasma können Laserlicht
in einem ‚umgekehrte
Bremsstrahlungsabsorption' genannten
Prozess mit einer Stärke
gleich dem Reziprokwert der Wellenlänge im Quadrat absorbieren.
Bei Wellenlängen
von weniger als ~ 3 μm
wird diese Absorption vernachlässigbar,
d. h. der größte Teil
der Energie erreicht die Oberfläche
des Trägermaterials und
wird für
die effektive ablative Entfernung von Material verwendet.
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Für
sauberes Bohren von leitenden Metallschichten, wie zum Beispiel
Kupfer, in elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen, muss die
ausgewählte
Laser-Strahlungsquelle
zwei wichtige Kriterien erfüllen,
um für
das zu ablatierende Material geeignet zu sein:
- (i)
Die Laserstrahlungs-Wellenlänge
(λ) muss
hinreichend kurz sein, um Plasmaabschirmungseffekte zu vermeiden. Üblicherweise
soll λ kleiner als
3 μm sein.
- (ii) Die Dauer τ des
Laserstrahlungsimpulses muss hinreichend kurz sein, um die ‚Wärmeeinflusszone' (WEZ) in dem wärmeleitenden
Metall zu minimieren. Die Größe der theoretisch
vorhergesagten WEZ beträgt
2 √xτ, wobei x
die Temperaturleitfähigkeit
des Materials ist. Bei Metallen mit größeren Werten für x muss
normalerweise τ kleiner
1 Mikrosekunde gewählt
werden.
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Bei der Herstellung von Leiterplatten
wurden ausschließlich
der Nd-Laser und seine grundlegenden und harmonischen Wellenlängen von
1,06 μm, 533
nm, 355 nm und 266 nm erfolgreich für das Laserbohren von Mikro-Durchkontaktierungen
durch die obere metallische Leiterschicht eingesetzt.
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Die im Durchschnitt höhere Leistung
und die niedrigeren Betriebskosten von Lasern im mittleren Infrarotbereich
in Kombination mit höheren
Material-Ablationsraten (> 1 μm/Impuls)
lassen diese gut geeignet für
das Bohren der oberen Metallschicht von Leiterplatten erscheinen.
Von einigen Lasern im mittleren Infrarotbereich erzeugte Wellenlängen bleiben unzureichend
kurz, um Plasrnaabschirmungseffekte zu vermeiden, die nicht auftreten
dürfen,
wenn Metalle, wie zum Beispiel Kupfer, mit Strahlung längerer Wellenlänge im fernen
Infrarotbereich gebohrt werden sollen.
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Das Verfahren kann Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen
in einer Kupferschicht einer Leiterplatte umfassen, wobei eine Impulslaser-Strahlungsquelle
verwendet wird, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen zwischen
1,5 und 5 μm
emittiert.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann einen Ho-Laser oder einen Er-Laser oder einen Laser und einen
optischen parametrischen Oszillator oder einen optischen parametrischen
Verstärker
umfassen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle hat vorzugsweise eine
Bestrahlungsfluenz von mehr als 10 J/cm2.
Bei solchen Fluenzen kann die Strahlung dieser Wellenlängen wirksam
für das
Bohren metallischen Kupfers sein, ohne dass die schädliche Wirkung
von Plasmaabschirmung auftritt, die das Bohren von Metallen, wie
zum Beispiel Kupfer, bei längeren
Wellenlängen unwirksam
macht.
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Das Material, das die dielektrische
Isolationsschicht von elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen umfasst, besteht
normalerweise aus einem Material auf der Grundlage von Polymer, wie
zum Beispiel Harze, Epoxykunstharze, Phenole, Polyimide oder Polytetrafluorethylen
(PTFE), die mitunter eingebettete Fasern von Aramid, Glas, Siliziumdioxid
oder Kohlenstoff enthalten, die zusätzliche verstärkende Festigkeit
verleihen. Es ist allgemein bekannt, dass Impulslaser-Ablation von
organischen Materialien auf der Grundlage von Polymer Mikromerkmale
in dem Größenbereich
von 1 bis 100 μm mit
fast vernachlässigbarer
thermischer Schädigung (Verkohlung,
Schmelzen, Verbrennung etc.) in dem umgebenden Material erzeugen
kann. Wenn eine solche saubere Entfernung ohne Folgeschäden bei diesem
Verfahren der ‚Kaltablation' erreicht werden soll,
muss die ausgewählte
Laser-Strahlungsquelle zwei wichtige Kriterien erfüllen, um
für das
zu ablatierende Material geeignet zu sein:
- (i)
Die Laserstrahlung muss an der Oberfläche des Materials stark absorbiert
werden. Die Wellenlänge
(λ) der
Laserstrahlung muss so gewählt werden,
dass die Photoneneindringtiefe (α–1)
in dem dielektrischen Material normalerweise unter 10 μm beträgt.
- (ii) Die Dauer des Laserstrahlungsimpulses muss kurz sein, um
die WEZ in dem wärmeleitenden
dielektrischen Material zu minimieren. Bei Wärmedämmstoffen mit kleinen Werten
für x muss τ normalerweise
kleiner 100 Mikrosekunden gewählt werden.
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Für
das Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen in der dielektrischen
Schicht von Leiterplatten ist das Kriterium (i) bislang erfüllt worden,
indem entweder CO2-Laser mit kürzerem Impuls,
die auf ein Schwingungsdämpfungsband
in dem dielektrischen Medium – üblicherweise
auf eine Wellenlänge
von etwa 9,3 μm – oder auf
ultraviolette frequenzumgewandelte Nd-Laser der dritten oder vierten
Harmonischen bei Wellenlängen
von 355 nm oder von 266 nm abgestimmt waren. Bei Wellenlängen im
fernen Infrarotbereich von etwa 10 μm bewirkt die Schwingungserregung
von auf Kohlenstoff basierenden Molekülbindungen, dass entsprechend
auf die Wellenlänge
abgestimmte CO2-Impulslaser das Kriterium
(i) für
Kaltablation erfüllen.
Das Kriterium (i) wird weiterhin bei ultravioletten Wellenlängen gut
erfüllt,
da die meisten Polymermaterialien Licht in diesem Spektralbereich
stark absorbieren. Bei Wellenlängen
von unter ~ 350 nm werden in den meisten Materialien aufgrund starker
Erregung von Elektronenübergängen und
von Dissoziationsprozessen von Verbundmolekülen Werte für α–1 von < < 1 μm erreicht.
Bei Atmosphärendruck
quererregte oder HF-erregte Arten von CO2-Lasern
oder von Q-geschalteten
Nd-Lasern werden verwendet, um die Forderung des Kriteriums (ii)
nach kurzer Impulsdauer zu erfüllen.
In dem sichtbaren Spektralbereich und dem nahen Infrarotbereich
zwischen 400 nm und 1,5 μm
sind zahlreiche Polymermaterialien durchlässig und haben im allgemeinen
eine ausreichende Absorption, um einen wirksamen Kaltablationsprozess
auszulösen.
Andererseits weisen die meisten Polymermaterialien ein reiches Schwingungsabsorptionsspektrum
in dem mittleren Infrarot-Spektralbereich auf.
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Bei der Herstellung von Leiterplatten
sind ausschließlich
die CO2-Laser und die Nd-Laser mit ihren harmonischen Wellenlängen von
355 nm und 266 nm erfolgreich für
das Laserbohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen durch die dielektrische
Isolationsschicht eingesetzt worden.
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Das Verfahren kann Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen
in einer dielektrischen Schicht einer Leiterplatte umfassen, wobei
eine Impulslaser-Strahlungsquelle verwendet wird, die Strahlung
mit einer Wellenlänge
oder mit Wellenlängen
zwischen 1,5 und 8 μm
emittiert.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann einen Ho-Laser oder einen Er-Laser oder einen CO-Laser oder
einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator (OPO)
oder einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) umfassen.
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Die dielektrische Schicht kann ein
Material auf der Grundlage von Polymer, wie zum Beispiel ein Harz,
ein Epoxykunstharz, ein Phenol, ein Polyimid oder Polytetrafluorethylen
(PTFE) umfassen, und die Wellenlänge
oder die Wellenlängen
der Impulslaser-Strahlung
von der Quelle wird oder werden normalerweise so ausgewählt, dass
sie für
eine starke Absorption in dem Material geeignet ist oder sind. Beispielsweise
emittieren CO-Laser Strahlung mit Wellenlängen, die für starke Absorption in zahlreichen
Polymermaterialien entsprechend Bindungserregungen C-O, C-H und
C-N geeignet sind. Er- Laser emittieren
Strahlung, die eine Wellenlänge
hat, die für
starke Absorption in einem Harzmaterial geeignet ist, das häufig als
dielektrische Schicht in Leiterplatten eingesetzt wird.
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3 zeigt
das gemessene Absorptionsspektrum für dieses Material. Es ist zu
erkennen, dass ähnliche
Absorptionsgrade sowohl bei Wellenlängen von 2,9 μm bzw. von
370 nm sowohl im mittleren Infrarotbereich als auch im Ultraviolettbereich auftreten,
und das obenstehende Kriterium (i) kann erfüllt werden, indem eine Impulslaser-Strahlungsquelle
für das
Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen ausgewählt wird, die Strahlung bei
2,9 μm erzeugt.
Geeignete Quellen sind der Er-Laser oder ein auf eine entsprechende
Wellenlänge
abgestimmter optischer parametrischer Oszillator (OPO) oder optischer
parametrischer Verstärker
(OPV), der Strahlung bei 2,94 μm
erzeugt.
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Die dielektrische Schicht kann weiterhin
Fasern oder zerstreute Teilchen von Materialien, wie zum Beispiel
Aramid, Glas, Siliziumdioxid, Keramik oder Kohlenstoff enthalten,
die eine zusätzliche
verstärkende
Wirkung ergeben, und die Wellenlänge bzw.
die Wellenlängen
der Impulslaser-Strahlung von der Quelle wird bzw. werden vorzugsweise
so gewählt,
dass sie sich für
eine starke Absorption in den genannten Materialien eignet bzw.
eignen.
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Die genannten verstärkenden
Materialien sind stark absorbierend gegenüber Strahlung im mittleren
Infrarotbereich – siehe
beispielsweise 4 zum
Absorptionsspektrum von Glas und Siliziumdioxidmaterialien. Laserstrahlungsquellen,
die Strahlung mit Wellenlängen
im mittleren Infrarotbereich emittieren, können für das saubere Schneiden beliebiger
Fasern oder zerstreuter Teilchen, die zur Verstärkung des dielektrischen Materials
verwendet werden, eingesetzt werden.
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Die dielektrische Schicht kann weiterhin
einen Wasseranteil in dem dielektrischen Material mit Hydroxyl-O-H-Bindungen
umfassen, und die Impulslaser-Strahlungsquelle ist vorzugsweise
ein Er-Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,94 μm emittiert,
die die starke Erregung der O-H-Bindungen überlagert. Die Absorption in
organischen dielektrischen Materialien kann bei dieser Wellenlänge ebenso
hoch sein wie bei ultravioletten Wellenlängen.
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Die unter Verwendung von Strahlungsquellen
im mittleren Infrarotbereich in der dielektrischen Schicht gebohrten
Mikro-Durchkontaktierungen sind hochqualitative, saubere Mikro-Durchkontaktierungen
und können
mit hohen Geschwindigkeiten gebohrt werden.
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Da die Verbindungsbausteine wie zum
Beispiel der in 1 gezeigte
eine Schichtung aus mehreren Schichten eines Metallleiter-Polymer-Isolators
umfassen, muss bei dem Bohren einer Schicht entsprechend sorgfältig verfahren
werden, um die elektromechanischen Eigenschaften der übrigen Schichten
nicht negativ zu beeinflussen. So ist beispielsweise bekannt, dass
beim Bohren der oberen Kupferschicht bei Wellenlängen, die von dem darunter
liegenden Dielektrikum übertragen
werden, mit einem Impulslaser katastrophale spannungsinduzierte Risse
und Schichtablösung
in einigen Werkstoffkombinationen ausgelöst werden können. Solche Spannungen entstehen
mit Wahrscheinlichkeit durch Laserlicht, das durch das dielektrische
Material hindurch geht und von dem darunter liegenden Kupfer reflektiert
wird. Nach der Montage können
solche Fehler zu Kurzschlüssen
führen.
Das Problem kann umgangen werden, indem für das Bohren der Kupferschicht
eine Wellenlänge
verwendet wird, die auch von dem darunter liegenden dielektrischen
Material stark absorbiert wird. Dies schränkt die Wellenlängen, die
für das
Bohren der Kupferschicht verwendet werden können, weiter ein. Bei einigen
Werkstoffkombinationen wurde die erfolgreiche Herstellung von Leiterplatten,
die mit Laser gebohrte Mikro-Durchkontaktierungen in Kupferschichten
ohne durch die darunter liegende dielektrische Schicht induzierte
Beschädigungen
enthalten, nur mit Lasern erreicht, die ultraviolette Strahlung
erzeugen.
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Die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Strahlung
der Impulslaserstrahlung von der Strahlungsquelle wird vorzugsweise
so ausgewählt,
dass die Strahlung Mikro-Durchkontaktierungen
in einer oberen Kupferschicht einer Leiterplatte bohrt, ohne dass
Folgeschäden
an dem umgebenden darunter liegenden dielektrischen Isolationsstoff
induziert werden. Beispielsweise kann die Impulslaser-Strahlungsquelle
ein Er-Laser sein, der Strahlung mit einer Wellenlänge von
2,94 μm
emittiert. Dieser kann verwendet werden, um die Kupferschicht von
Leiterplatten zu bohren, ohne die darunter liegende dielektrische
Schicht zu beschädigen.
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Das Bohren der Zwischenschicht aus
nicht dielektrischen Materialien mit CO2-Laserstrahlung ermöglicht das
Bohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen ohne die Gefahr der
Beschädigung
der unteren Kupferschicht. Das Bohren wird an der darunter liegenden
Kupferschicht automatisch (selbstbegrenzend) abgebrochen. Im Gegensatz
dazu, und um eine solche Beschädigung
der darunter liegenden Kupferschicht zu vermeiden, wenn das dielektrische
Material mit UV-Lasern oder Lasern im nahen Infrarotbereich gebohrt
wird, müssen
die Strahlungsfluenz und die Strahlungsdosis (Anzahl der Impulse) der
in die Bohrung hineingehenden Strahlung genau kontrolliert werden.
Eine solche präzise
Steuerung, die notwendig ist, um das Risiko einer Beschädigung auf
fast Null zu reduzieren, ist schwer zu erreichen und verlangsamt
die größtmögliche Bohrgeschwindigkeit,
die ansonsten mit Bohrmaschinen, die mit UV-Strahlung oder mit Strahlung
im nahen Infrarotbereich arbeiten, erreicht werden kann.
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Das Verfahren kann weiterhin Bohren
von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen in einer dielektrischen Schicht
einer Leiterplatte unter Verwendung einer Laser-Strahlungsquelle
beinhalten, die Strahlung mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen im mittleren
Infrarot-Spektralbereich emittiert, wobei das Bohren an der Kupferschicht
unter der dielektrischen Schicht automatisch begrenzt wird.
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Dies wird vorzugsweise mit lediglich
einer geringfügigen
Anpassung an die Bohrfluenz erreicht.
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Die Anpassung an die Bohrfluenz reduziert die
größtmögliche Bohrgeschwindigkeit
vorzugsweise nicht wesentlich.
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Die Laser-Strahlungsquelle wird vorzugsweise
so ausgewählt,
dass ihre Wellenlänge
oder Wellenlängen
für die
absorbierenden Eigenschaften des Werkstoffes der dielektrischen
Schicht geeignet ist bzw. sind.
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Beim Bohren von Blind-Mikro-Durchkontaktierungen
mittels CO2-Laser im fernen Infrarotbereich weist
das Loch in dem dielektrischen Material oft einen Unterschnitt mit
einer negativen, nichtlinearen Abschrägung in der Form einer Teetasse
oder Glocke auf. Solche Formen können
mitunter Schwierigkeiten bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten
des Elektroplattierens verursachen und sind in solchen Fällen unerwünscht. ‚Glockenbildung' scheint durch Strahlung
verursacht zu werden, die durch das dielektrische Material hindurch
geht und von dem unteren Kupfermaterial reflektiert wird. Die zu rückgeworfene
Strahlung induziert sodann ablatives Entfernen von Material in den
Unterschnittbereichen. Im Vergleich zu dem Wellenlängenbereich
9 bis 11 μm macht
das höhere
Absorptionsvermögen
von Polymermaterialien bei Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich,
wie zum Beispiel bei 2,9 μm
und 5 bis 6 μm,
das Auftreten von Unterschnittlöchern
weniger wahrscheinlich, wenn das dielektrische Material mit Impulslaser-Strahlungsquellen
in diesem Wellenlängenbereich
gebohrt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren des Bohrens von Mikro-Durchkontaktierungen
in Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten oder anderen elektrischen Stromkreis-Verbindungsbausteinen
unter Verwendung eines Laser-Bohrwerkzeuges bereitgestellt, das
eine Impulslaser-Strahlungsquelle beinhaltet, die Strahlung in dem
mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich
emittiert.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Laser-Bohrwerkzeug für Bohren
von Mikro-Durchkontaktierungen in Leiterplatten bereitgestellt,
das eine Impulslaser-Strahlungsquelle beinhaltet, die Strahlung
in dem mittleren Infrarot-Längenwellenbereich
von 1,5 bis 8 μm
emittiert. Das Laser-Bohrwerkzeug dient dem Bohren von Mikro-Durchkontaktierungen
bei hohen Bohrgeschwindigkeiten und geringen Einheitskosten.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann einen Ho-Laser umfassen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle kann einen CW-gepumpten
(mittels Stroboskoplampe oder Diodenlaser) Q-geschalteten Er-Laser
umfassen, der Strahlungsimpulse bei einer Wellenlänge von
2,94 μm
von einer Dauer unter 200 Nanosekunden mit einer Wiederholungsfrequenz
von über
2 kHz erzeugt.
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Ho-Laser und Er-Laser können optisch
gepumpt werden. Impuls-Ho-Laser und Impuls-Er-Laser erzeugen Licht bei Wellenlängen von
2,1 μm bzw. 2,94 μm. Durch
Verwendung von Verfahren, wie zum Beispiel Impulserregung, Q-Schaltung
oder Modenkopplung, können
diese Laser so konfiguriert werden, dass sie Strahlungsimpulse mit
einer Dauer zwischen mehreren Millisekunden und Pikosekunden erzeugen.
Die Strahlung bei einer Er-Laser-Wellenlänge von 2,94 μm überlagert
die starke Erregung der Hydroxyl-O- H-Bindungen, die in einer Probe beispielsweise
aufgrund von Wassergehalt in dem Material vorhanden sein kann. Ho-
und Er-Laser können optische
Erregung in Form von Stroboskoplampen-Diodenlaser-Pumpen verwenden.
Diese Laser sind relativ kostengünstig
und verursachen geringe Betriebskosten.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann weiterhin einen Laser und einen optischen parametrischen Oszillator
(OPO) oder einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) umfassen. OPOs und OPVs
sind Geräte,
die eine Laserstrahlungs-Wellenlänge
in andere, längere
Wellenlängen
umwandeln. Ein nichtlineares optisches Medium, üblicherweise ein Kristall,
wandelt ein energiereiches Photon von einem Pumplaser in zwei weniger
energiereiche Photonen (Signal- und Idler-Photon) um. Da die genaue Wellenlänge des
Signal- und des Idler-Photons von dem Winkel des Kristalls zu dem
Pumpstrahl abhängt,
können
die erzeugten Wellenlängen
durch Drehen des Kristalls abgestimmt werden. Der Kristall kann
in Form eines einfachen Verstärkers
(OPV) verwendet werden oder aber in seinem eigenen optischen Resonanzhohlraum,
der Rückkopplungsschwingungen
der erzeugten Wellenlängen
bereitstellt (OPO). Bei Verwendung von Q-geschalteten Nd-Laser-Pumpquellen bei
einer Wellenlänge
von 1,06 μm
können
OPOs und OPVs mit hoher Wirksamkeit abstimmbare Strahlung in dem
Spektralbereich 1,5 bis 4,8 μm
erzeugen. Durchschnittliche Leistungen von mehr als 5 W können bei
einer Impulsdauer von unter 200 Nanosekunden erreicht werden.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann einen Kohlemonoxid(CO)-Laser umfassen. CO-Laser sind eine Klasse von Gaslasern,
die durch elektrische Entladungen gepumpt werden. CO-Laser erzeugen Strahlung
in einem Wellenlängenbereich
von 5 bis 6 μm.
Durch die Verwendung von Verfahren, wie zum Beispiel Impulserregung,
Q-Schaltung oder Modenkopplung, können diese Laser so konfiguriert
werden, dass sie Impulsstrahlung einer Dauer von mehreren Millisekunden
bis Pikosekunden erzeugen. Strahlung bei CO-Laser-Wellenlängen überlagert
in den meisten Polymermaterialien starke C-O-, C-H- und C-N-Bindungserregung. CO-Laser
können
Entladungserregung in Form von Hochfrequenz (HF), Längsniederdruck
oder Quererregung verwenden.
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Das Laser-Bohrwerkzeug kann eine
Systemarchitektur beinhalten, wie zum Beispiel computergesteuerte
Galvanometerspiegel, die einen fokussierten Laserstrahlungs- Strahl von der Impulslaser-Strahlungsquelle
auf der Oberfläche
der Leiterplatte mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit
positionieren.
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Alternativ dazu kann die Leiterplatte
auf motorischen Tischen unter einem fokussierten Laserstrahlungs-Strahl
von der Impulslaser-Strahlungsquelle bewegt werden.
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Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann verwendet werden, um Blindlöcher
und Mikro-Durchkontaktierungen
in dielektrischen Schichten von Leiterplatten zu bohren. Die dielektrischen
Schichten können
aus Materialien, wie zum Beispiel Epoxykunstharzen, Phenolen, Polyimiden,
Polytetrafluorethylen (PTFE), FR-4, bestehen. Die Impulslaser-Strahlungsquelle
kann zusätzlich
oder alternativ für
das Bohren von Blindlöchern
und Mikro-Durchkontaktierungen in den oberen leitenden Schichten
von Leiterplatten verwendet werden.
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Das Laser-Bohrwerkzeug kann zum Bohren von
Löchern
in einem Stoß-Modus
verwendet werden, wobei die Größe des Brennfleckes
den Durchmesser des zu bohrenden Loches bestimmt. Alternativ dazu
kann das Laser-Bohrwerkzeug verwendet werden, um Löcher in
einem Kernbohr-Modus zu bohren, wobei der Brennfleck kleiner gehalten
wird als das zu bohrende Loch und danach in einer kreisförmigen,
elliptischen oder spiralförmigen
Bewegung bewegt wird, um den Lochdurchmesser zu definieren.
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Das Laser-Bohrwerkzeug bohrt vorzugsweise
Mikro-Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger als
100 μm mit
Geschwindigkeiten von über
200 Löchern
pro Sekunde. Dies ist abhängig
von der Dicke der Materialien der Leiterplatte, der Lochgröße und der
Löcherdichte.
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Ein Ausführungsbeispiel des dritten
Aspektes der Erfindung wird nunmehr beispielhaft beschrieben.
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Das Laser-Bohrwerkzeug beinhaltet
eine Hochleistungs-Laserstrahlungsquelle mit einem CW-gepumpten,
Q-geschalteten Er-Laser. Dieser erzeugt einen fokussierten Laserstrahlungs-Strahl
von Strahlungsimpulsen bei einer Wellenlänge von 2,94 μm mit einer
Dauer von weniger als 200 Nanosekunden bei Wiederholungsfrequenzen
von über
1 kHz. Der Laserstrahlungs-Strahl ist auf die Oberfläche der Leiterplatte
fokussiert und bohrt Blindlöcher
und Mikro-Durchkontaktierungen in der dielektrischen und/oder der
oberen leitenden Schicht der Leiterplatte. Die Löcher werden unter Verwendung
eines Stoß-Modus
oder eines Kernbohr-Modus gebohrt. Das Werkzeug kann Mikro-Durchkontaktierungen
mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm mit Geschwindigkeiten von über 200
Löchern
pro Sekunde bohren.