EP4696108A1 - Verfahren zum entfernen von bereichen einer auf einem substrat aufgebrachten schicht - Google Patents

Verfahren zum entfernen von bereichen einer auf einem substrat aufgebrachten schicht

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EP4696108A1
EP4696108A1 EP24820656.7A EP24820656A EP4696108A1 EP 4696108 A1 EP4696108 A1 EP 4696108A1 EP 24820656 A EP24820656 A EP 24820656A EP 4696108 A1 EP4696108 A1 EP 4696108A1
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EP
European Patent Office
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layer
region
tolerance compensation
compensation zone
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
EP24820656.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jernej Marzel
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LPKF Laser and Electronics SE
Original Assignee
LPKF Laser and Electronics SE
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Filing date
Publication date
Application filed by LPKF Laser and Electronics SE filed Critical LPKF Laser and Electronics SE
Publication of EP4696108A1 publication Critical patent/EP4696108A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05K2203/159—Using gravitational force; Processing against the gravity direction; Using centrifugal force

Definitions

  • the invention relates to a method for removing at least one region of a layer applied to a substrate.
  • each region to be removed is processed in such a way that at least one linear recess is introduced into the layer, at least in sections along an outer contour of the region.
  • the layer is ablated using a laser beam, thereby at least thermally separating the region from adjacent areas of the layer. Energy is then introduced into the region using the laser beam until a reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the region is achieved.
  • Milling processes are time-consuming and costly compared to other methods, particularly due to the limited dynamics of the milling machines used. These challenges are exacerbated when dealing with complex or densely packed structuring patterns.
  • milling often results in the substrate underlying the layer to be structured being exposed to impairment, as it is usually removed to achieve the necessary separation and/or isolation of structures on the substrate.
  • the substrate e.g., a circuit board made of a composite material of the FR4 class, this also creates particles that not only reduce the service life of the milling tools used They can not only impair health, but are also considered harmful. Therefore, effective extraction is necessary.
  • etching processes generally offer shorter production times, these advantages are relative, especially in the area of prototype construction. Etching processes can also have disadvantages, such as a lack of structural accuracy and potential etching inaccuracies. Etching can pose difficulties in achieving high precision in very fine structures. The accuracy of the resulting structuring is limited due to underetching, for example, especially when complex designs with fine details are required. Furthermore, inhomogeneities in the etching solution can lead to uneven etching, especially on large-area substrates. This, in turn, can lead to undesirable variations in the structure dimensions. Above all, however, etching processes are associated with a high environmental impact, as aggressive etching solutions are often used. The etching products resulting from the etching solutions and the removed materials are also regularly highly polluting. Correct handling of these chemicals and their proper disposal are necessary to minimize environmental impacts, which incurs high costs.
  • laser systems for structuring layers on a substrate has become established, particularly for prototype construction and small-scale production.
  • Such laser systems can be used to create detailed structures in layers by precisely removing or cutting the layer material. This enables, among other things, rapid prototype development and the production of small batches without the need for expensive tool modifications, as may be required with conventional manufacturing methods. It also eliminates the need for particularly environmentally harmful processes.
  • the use of laser systems enables high precision and flexibility, but exhibits weaknesses when removing large-scale material. The small beam diameter leads to longer processing times, despite the use of galvanometer scanners. If the substrate also has a comparable or even lower ablation threshold than the layer to be removed, there is a risk of unacceptable damage.
  • the low ablation threshold of the substrate limits the possible energy input, meaning that when material is removed over large areas, the conductive layer is not completely evaporated but melted and displaced, leading to material accumulation. In this case, the laser energy is no longer sufficient to reliably remove the conductive layer. Increasing the laser energy is not possible to prevent damage to the substrate.
  • DE 10 2004 006414 A1 describes a method for detaching a region of a conductive layer from a substrate. The region is first thermally insulated by creating a linear recess along its circumference. This step is performed using a laser beam. The region to be removed is then heated by the laser beam until the adhesion of the conductive layer to the substrate in this region is significantly reduced, allowing the region to be detached from the substrate.
  • Detachment then occurs under low adhesion forces, influenced by gravity or external forces, meaning the substrate is not exposed to any further laser action.
  • Detachment of the region is preferably achieved by a targeted supply of compressed air, which allows the conductive layer to be lifted from the edge to the center of the surface.
  • the region to be detached can first be divided into sub-regions instead of being removed as a whole.
  • DE 102010 019406 A1 represents a further development of the previously described method.
  • the areas of a conductive layer to be removed are always divided into strip-shaped sub-areas.
  • the orientation of the thermally insulating recesses is selected such that these, and thus also the insulated sub-areas, never run parallel to the main axes of the structures to be formed in the layer. Instead, they always meet the structures at an acute angle. This prevents parallel thermal energy input, which significantly reduces unwanted energy effects on the structures. This minimizes or even eliminates the likelihood of damage to the structures.
  • DE 10 2010 019 407 A9 describes a method for introducing recesses into an electrically conductive layer formed on a substrate, as is found, for example, in printed circuit boards. These recesses serve to electrically insulate structures such as conductor tracks and are introduced into the layer by a laser beam.
  • the specific problem that arises is that the ends of a single recess or of two different recesses do not meet seamlessly when introduced by a laser beam.
  • the end sections of the recess run parallel and deliberately offset from one another. If the offset between the two end sections is sufficiently small, the mere introduction of the recess into the layer causes a high thermal energy input into the zone between the end sections.
  • DE 10 2010 019 407 A9 also describes the formation of separating lines that are generated in the functional layers deposited on a transparent substrate during the manufacture of a photovoltaic module with series-connected cells.
  • Laser scanners are used for this purpose, whose laser beam creates several adjacent separating line sections in the functional layer in the field scanned by the scanner. The laser scanners are then moved relative to the coated substrate in the direction of the separating lines by a distance slightly smaller than the length of the scanned field to allow the fields to overlap in this direction.
  • the individual separating line sections of each separating line must also be precisely aligned with one another.
  • the invention is based on the object of designing a method of the type mentioned at the outset in such a way that reliable removal of areas of the layer with tolerances that are the same or higher than those of the prior art and thus simplified calibration is possible and inadmissible damage is avoided.
  • This object is achieved according to the invention by a method according to the features of claim 1.
  • the further embodiment of the invention can be found in the subclaims.
  • a method for removing at least one region of a layer, in particular an electrically conductive layer, which is initially applied to a substrate over its entire surface.
  • the laminated layer for example, is preferably formed as a copper layer.
  • the substrate itself can, for example, consist of a printed circuit board material, such as a composite material of class FR4.
  • the substrate and layer would therefore be formed as a copper-clad printed circuit board or a printed circuit board blank, respectively.
  • the substrate can also be a film, e.g., a polyimide film.
  • a glass substrate is also conceivable.
  • a structure with a defined, preferably predetermined, profile is created in the layer.
  • This structure has characteristic main axes that are at right angles to each other.
  • the structure can, for example, comprise at least one conductor track or a group of conductor tracks of a circuit board layout.
  • the invention provides that a respective region of the layer to be removed is processed in such a way that at least one linear recess and/or interruption is introduced into the layer at least along a section or at least in sections along an outer contour of the region.
  • the introduction of the at least one, preferably exclusively one, recess takes place along the entire outer contour of the region.
  • the at least one recess is created by ablating the layer using a laser beam, whereby the area is completely separated from adjacent areas of the layer, at least thermally, but preferably by means of a material bond. Energy is then introduced into the area using the laser beam until a reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the area is achieved.
  • the laser beam would be focused on the layer, the focus of the laser beam would therefore be on and/or in the layer.
  • the laser beam be defocused on the layer. In this way, the layer in the affected area is essentially only heated, but not removed.
  • two adjacent regions between the successive processing of which a relative movement of the laser cutting tool and the substrate occurs, are processed in such a way that a tolerance compensation zone, in particular a strip-shaped one, is formed or remains between these regions and initially continues to be at least thermally connected to adjacent areas of the layer. Consequently, a section of the layer extends between the adjacent regions, which compensates for the tolerances between the regions caused by the relative movement.
  • This extremely advantageously opens up the possibility of taking higher tolerances into account during the relative movement than would be possible without the presence of the tolerance compensation zone. Thanks to this, it is also possible to dispense with machining the regions in such a way that they lie directly next to one another and the recesses separating the regions have to overlap as precisely as possible. Furthermore, because overlapping is not necessary, unacceptable damage to the substrate can be avoided.
  • the energy input into the respective region and thus into the tolerance compensation zone, especially when creating the recess in the layer is such that, in a further development of the method according to the invention, adhesion of the layer in the tolerance compensation zone is essentially maintained.
  • the low energy input into the layer of the tolerance compensation zone advantageously enables subsequent, controlled removal of the tolerance compensation zone, as an uncontrolled and undefined reduction in adhesion or detachment is avoided. This contributes to maintaining the desired control over the process of reducing adhesion or detachment and to minimizing undesirable effects. In particular, uncontrolled detachment can lead to unacceptable damage to the adjacent regions or other areas of the layer.
  • one embodiment of the invention also provides for the tolerance compensation zone to be removed, in particular only after machining the adjacent regions, and for the adjacent regions to be joined into a single region. This advantageously maintains control over the removal of the tolerance compensation zone and enables targeted control of the process of joining the adjacent regions. This inevitably contributes to minimizing or avoiding the undesirable effects already described during the removal of the tolerance compensation zone.
  • the tolerance compensation zone is first machined in such a way that at least one linear recess and/or interruption is introduced into the layer, at least in sections along an outer contour of the tolerance compensation zone. This is achieved by ablating the layer using the laser beam, thereby at least thermally separating the tolerance compensation zone from adjacent areas of the layer. Subsequently, energy is again introduced into the tolerance compensation zone using the laser beam until a reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the tolerance compensation zone is achieved. The machining of the tolerance compensation zone is thus carried out in a similar manner to the machining of the areas to be removed.
  • a special embodiment of the method according to the invention in particular of the above development, comprises that in order to remove the tolerance compensation zone at its two desired ends lying in a main extension direction of the tolerance compensation zone, in particular exclusively at least one linear recess and/or interruption is introduced into the layer, which runs transversely or perpendicularly to the main extension direction of the tolerance compensation zone.
  • the main extension direction of the tolerance compensation zone generally corresponds to a longitudinal extension of the tolerance compensation zone, wherein the main extension direction basically runs parallel to at least one of the main axes of a structure to be introduced into the layer.
  • recesses are introduced, in particular exclusively at the desired ends in the main extension direction, advantageously minimizes the processing time and thus the process costs. Additional recesses, necessary for at least thermally separating the tolerance zone along its entire outer contour, would already be introduced into the layer by machining the adjacent areas. Furthermore, the only one-time energy input to create the additional recesses during machining of the adjacent areas prevents unacceptable damage to the substrate.
  • An advantageous embodiment of the invention also involves introducing the linear recesses at the desired ends of the tolerance compensation zone into the layer as an extension of recesses in one or both of the adjacent regions. This not only leads to improved homogeneity of the recesses but also minimizes the likelihood of excessive discontinuities or overlaps between the regions and the tolerance compensation zone.
  • the recesses at the desired ends of the tolerance compensation zone are also created, in particular, by ablating the layer using a laser beam. Furthermore, in this case, too, energy is subsequently introduced into the tolerance compensation zone, preferably using the laser beam, until a reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the tolerance compensation zone is achieved.
  • a further embodiment of the invention also resides in the fact that a scanning field that can be covered by the laser cutting tool, within which the laser beam can be deflected by the laser cutting tool and which at least partially encompasses a respective region during its processing, is designed to slightly overlap, abut, or be slightly spaced from a scanning field formed or present before the relative movement. Due to the formation of the tolerance compensation zone between adjacent regions, all of the aforementioned positions of the scanning fields relative to one another that potentially occur after the relative movement can be compensated for, in particular within wide limits. This ensures a high level of robustness of the method with respect to potential tolerances of a device carrying out the method, e.g., a laser cutting system.
  • a further development of the invention is designed such that a main extension direction, preferably a longitudinal extension of the tolerance compensation zone, is aligned parallel to at least one of the main axes of the structure determined by the course of the structure.
  • This alignment generally contributes to a substantially optimal result when connecting the adjacent regions to form an overall region.
  • the main axes of the structure indicate the, in particular, two main extension directions of the structure or parts of the structure, for example the conductor tracks of a printed circuit board layout, and are oriented at right angles to one another.
  • a respective area is divided into sub-areas for removal, wherein the sub-areas are at least thermally separated from one another by at least one linear recess and/or interruption being introduced into the layer at least in sections along an outer contour of a respective sub-area by ablating the layer using the laser beam and then energy is introduced into the respective sub-area using the laser beam until a reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the respective sub-area is achieved.
  • the recesses run essentially along, in particular, parallel straight lines. Dividing a respective area into sub-areas leads to increased process reliability and process control.
  • the energy input required to reduce adhesion and/or detach the layer in a respective sub-area can be dosed more effectively than is possible for an entire area. Due to their smaller surface area compared to a complete area, the partial areas also represent a smaller heat sink, reducing the heat flow, particularly into the substrate, and resulting in lower energy losses. Thus, the required energy input for all partial areas of a region can be determined to be lower than for the complete area.
  • a design of the invention is also advantageous if a main extension direction, in particular a longitudinal extension of the subregions, is not aligned parallel to any of the main axes and/or angle bisectors of the main axes of the structure determined by the course of the structure. Rather, the subregions are aligned with their main extension direction at an acute or obtuse angle to the main axes and/or angle bisectors of the main axes of the structure. This allows the introduction of energy into the subregions to be further optimized, since due to such an orientation of the subregions to be removed from the substrate, the energy stored on the substrate remaining structure, heat flow from the sub-areas into the surrounding areas of the layer is minimized.
  • the actual or final - planar - removal of the layer of a respective region, sub-region and/or tolerance compensation zone from the substrate takes place under an external influence on the layer of the region and/or sub-region, which influence differs in particular from the energy input of the laser beam.
  • the influence could, for example, be the force of gravity acting on the layer, for which purpose one layer side of the substrate is preferably aligned in the direction of the acting force of gravity. More advantageous, however, is an influence resulting from a targeted supply of compressed air, whereby a targeted jet of compressed air enables the lifting and thus removal of the conductive layer, preferably starting from the edge towards the center of the respective region, sub-region and/or tolerance compensation zone.
  • An influence resulting from suction as well as magnetic and/or electrostatic forces is also conceivable.
  • the width of the aforementioned subregions and/or the tolerance compensation zone which is formed in particular transversely to the main extension direction of the subregions and/or the tolerance compensation zone, depends significantly on the optical structure and/or - thus - on the optical parameters of a laser processing system carrying out the method.
  • the width is influenced by the beam diameter of the defocused laser beam, which is consequently essentially determined by the optical structure and/or the optical parameters of the laser processing system.
  • the defocused laser beam introduces energy, which primarily leads to heating and thus contributes to achieving a significant reduction in adhesion and/or detachment of the layer in the subregions and/or a respective tolerance compensation zone.
  • the width of the partial areas and/or the tolerance compensation zone depends not only on the beam diameter of the defocused laser beam but also on a safety and/or correction factor, so that the width is as follows:
  • Width (mm) beam diameter (mm) x correction factor
  • the beam diameter of the defocused laser beam depends on the focus diameter of the focused laser beam, the defocus, and the depth of field of the laser beam around the focus point of the laser beam as follows: z ⁇ T-. > > > z ⁇ . (Defocus (mm))
  • Beam diameter (mm) Focus 2 v J diameter (mm) x 1 H - - - - - - - V (Depth of field (mm)/2) 2
  • Defocusing describes a shift of the focal point from the focal length of a focusing lens and/or focusing optics of the laser processing system and is regularly determined from empirical values.
  • the focal diameter of the focused laser beam depends on the focal length of the focusing lens and/or focusing optics, the wavelength of the laser beam, the diffraction coefficient M 2 , and the diameter of the laser beam at the focusing lens and/or focusing optics and is calculated as follows:
  • the diffraction coefficient M 2 represents the inverse of the beam quality K.
  • the depth of field is also determined by:
  • Example 1 illustrates the determination of the width of the sub-areas and/or the tolerance compensation zone using the above calculation rules:
  • the width of the partial regions and/or the tolerance compensation zone is in particular in a range of 40 micrometers to 250 micrometers, preferably 80 micrometers to 180 micrometers and/or particularly preferably 100 micrometers to 160 micrometers.
  • At least thermal separation is considered to mean a significant minimization of a heat flow caused at least by thermal conduction between a respective region, sub-region and/or the tolerance compensation zone and adjacent areas of the layer and/or between sub-regions.
  • the invention permits various embodiments. To further illustrate its basic principle, one of them is illustrated in the drawing and described below.
  • Figure 1 initially shows how the regions 1 are processed so that the two adjacent regions 1 shown, or the layer 3 in these regions 1, can be removed from the substrate 2.
  • at least one linear recess 5 is introduced into the layer 3, at least in sections along the outer contour 4 of the respective region 1, wherein the two adjacent regions 1 are also divided into sub-regions 11.
  • This is also achieved by at least one linear recess 5 being introduced into the layer 3 along the outer contour 12 of a respective sub-region 11.
  • the sub-regions 11 are at least thermally and preferably completely separated from one another and the respective complete region 1 is separated from adjacent areas of the layer 3, so that there is no material bond within the layer 3 between the sub-regions 11 and the region 1 and other areas of the layer 3, and thus a significantly increased thermal resistance is formed, in particular by the layer 3 itself.
  • the recesses 5 are designed as interruptions, in particular in the form of cuts that completely sever the layer 3.
  • the respective recesses 5 are introduced into the layer 3 by ablating the layer 3 using a laser beam (not shown in detail), for which the laser beam is focused on the layer 3. Subsequently, energy is also introduced into the respective partial area 11 and thus in sections into the entire area 1 using the laser beam, until a reduction in adhesion and/or a detachment of the layer 3 in the respective partial area 11 and thus also in sections across the entire area 1 is achieved.
  • the energy is introduced along the illustrated heating paths 14, which are traversed by the defocused laser beam and are aligned in the respective main extension direction 13 of the partial areas 11. In this way, the layer 3 in the relevant area 1 or the respective partial areas 11 is merely heated, but not ablated.
  • the two adjacent areas 1 and thus the respective associated sub-areas 11 are located in different scanning fields 10, whereby only one of the scanning fields 10 at a time is scanned by a A laser cutting tool generating a laser beam can be covered.
  • this relative movement can introduce tolerances into the positioning of the two adjacent areas 1 relative to one another, which, when one of the areas 1 is processed following the relative movement, hinder a reliable connection of the two areas 1 and/or lead to unacceptable damage to the substrate 2 or other areas of the layer 3.
  • the two adjacent regions 1 are machined in such a way that the tolerance compensation zone 6 is formed or remains between them.
  • the adhesion of layer 3 in the tolerance compensation zone 6 is initially maintained during the machining of regions 1. After machining and/or even removal of one of the regions 1 or both regions 1, the tolerance compensation zone 6 is also removed, and the adjacent regions 1 are thereby connected to form an overall region. Either layer 3 is no longer present in the overall region, or layer 3 of the relevant sub-regions 11 and the tolerance compensation zone 6 can be successively removed.
  • FIG. 2 and 3 How the tolerance compensation zone 6 is machined for removal is shown in detail in Figures 2 and 3.
  • two linear recesses 5 are made in the layer 3 in sections along the outer contour 7 of the tolerance compensation zone 6 and in particular at each of its two desired ends 9 located in the main extension direction 8 of the tolerance compensation zone 6, said recesses running transversely to the main extension direction 8 of the tolerance compensation zone 6.
  • the linear recesses 5 at the desired ends 9 of the tolerance compensation zone 6 are also made in the layer 3 as an extension of recesses 5 in the two adjacent regions 1, thus ensuring efficient machining of the tolerance compensation zone 6.
  • the recesses 5 are again made by ablation using the laser beam.
  • the two scanning fields 10 formed before and after the relative movement are slightly spaced from each other.
  • the recesses 5 of the tolerance compensation zone 6 extending from the areas 1 are not completely connected to each other and/or do not overlap.
  • the offset between the recesses 5 in the illustrations in Figures 2 and 3 is exaggerated for illustrative purposes only and is therefore not to scale.
  • the recesses 5 still cause a thermal separation of the Tolerance compensation area 6 from the other surrounding areas of layer 3 and areas 1, since there is a sufficiently high thermal resistance.
  • the introduction of energy by means of the laser beam along the heating path 14 following the introduction of the recesses 5, which is shown in Figure 3, also leads to a reduction in the adhesion and/or a detachment of the layer 3 in the tolerance compensation zone 6, so that the layer 3 of the tolerance compensation zone 6 is removed or becomes removable.
  • the heating path 14 lies in the main extension direction 8 of the tolerance compensation zone 6, wherein this main extension direction 8 runs parallel to one of the main axes x, y, here the main axis y.
  • the main axes x, y are defined by the fixed, in particular predetermined course of a structure which is formed by the removal of the regions 1 from the layer 3.
  • the main extension direction 13 of the partial regions 11, on the other hand, is not parallel to one of the two main axes x, y.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen wenigstens eines Bereichs (1) einer auf einem Substrat (2) aufgebrachten Schicht (3), wobei ein jeweiliger zu entfernender Bereich (1) derart bearbeitet wird, dass zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur (4) des Bereichs (1) wenigstens eine linienförmige Ausnehmung (5) in die Schicht (3) eingebracht wird, indem die Schicht (3) mittels eines Laserstrahls abgetragen und der Bereich (1) dadurch wenigstens thermisch von angrenzenden Arealen der Schicht (3) getrennt wird. Anschließend wird mittels des Laserstrahls Energie in den Bereich (1) eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht (3) in dem Bereich (1) erreicht ist. Benachbarte Bereiche (1), zwischen deren aufeinanderfolgendem Bearbeiten eine Relativbewegung des Laserschneidwerkzeugs und des Substrats (2) erfolgt, werden zudem derart bearbeitet, dass zwischen diesen benachbarten Bereichen (1) eine Toleranzausgleichszone (6) ausgebildet wird.

Description

Verfahren zum Entfernen von Bereichen einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen wenigstens eines Bereichs einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht. Hierbei wird ein jeweiliger zu entfernender Bereich derart bearbeitet, dass zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur des Bereichs wenigstens eine linienförmige Ausnehmung in die Schicht eingebracht wird, indem die Schicht mittels eines Laserstrahls abgetragen und der Bereich dadurch wenigstens thermisch von angrenzenden Arealen der Schicht getrennt wird. Anschließend wird mittels des Laserstrahls Energie in den Bereich eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht in dem Bereich erreicht ist.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl an Verfahren zur Herstellung von strukturierten und insbesondere leitfähigen Schichten auf einem Substrat, beispielsweise einer Leiterplatte bekannt. Hierbei sind vor allem Ätz- sowie Fräsverfahren als am weitesten verbreitet anzusehen. Beide Verfahren weisen jedoch, gerade auch für den Bereich des Prototypenbaus, deutliche Nachteile auf.
Fräsverfahren sind, insbesondere aufgrund einer begrenzten Dynamik verwendeter Fräsmaschinen im Vergleich zu anderen Methoden zeitaufwändig und kostspielig. Diese Herausforderungen potenzieren sich bei komplexen oder dicht gepackten Strukturierungsmustern. Zusätzlich führt das Fräsen oft dazu, dass das unter der zu strukturierenden Schicht liegende Substrat einer Beeinträchtigung ausgesetzt ist, da es in der Regel abgetragen wird, um die notwendige Trennung und/oder Isolation von Strukturen auf dem Substrat zu erreichen. Je nach Substrat, z. B. einer Leiterplatte aus einem Verbundmaterial der Klasse FR4, entstehen dadurch zudem Partikel, die nicht nur die Lebensdauer der eingesetzten Fräswerkzeuge beeinträchtigen können, sondern auch als gesundheitlich bedenklich einzustufen sind. Daher ist eine effektive Absaugung erforderlich.
Obwohl Ätzverfahren im Allgemeinen kürzere Fertigungszeiten aufweisen, relativieren sich diese Vorteile besonders im Bereich des Prototypenbaus. Zusätzlich können Ätzverfahren mit Nachteilen, wie mangelnder Strukturgenauigkeit und möglichen Ungenauigkeiten bei den Ätzungen, verbunden sein. Das Ätzen kann Schwierigkeiten bei der Erzielung einer hohen Präzision bei sehr feinen Strukturen bereiten. Die Genauigkeit der resultierenden Strukturierung ist z. B. aufgrund von Unterätzung begrenzt, insbesondere wenn komplexe Designs mit feinen Details erforderlich sind. Zudem können z. B. Inhomogenitäten in der Ätzlösung zu ungleichmäßiger Ätzung führen, insbesondere bei großflächigen Subtraten. Dies kann wiederum zu unerwünschten Variationen in den Strukturdimensionen führen. Vor allem geht mit der Durchführung von Ätzverfahren jedoch eine hohe Umweltbelastung einher, da häufig aggressive Ätzlösungen angewendet werden. Auch die aus den Ätzlösungen und den abgetragenen Materialien entstehenden Ätzprodukte sind regelmäßig stark umweltbelastend. Der korrekte Umgang mit diesen Chemikalien und ihre ordnungsgemäße Entsorgung sind notwendig, um Umweltauswirkungen zu minimieren, was hohe Kosten verursacht.
So hat sich, insbesondere für den Prototypenbau und die Kleinserienproduktion, der Einsatz von Lasersystemen zur Strukturierung von Schichten auf einem Substrat etabliert. Mit solchen Lasersystemen können detaillierte Strukturen in Schichten eingebracht werden, indem ein Laser das Schichtmaterial präzise ablöst oder schneidet. Dies ermöglicht unter anderem die schnelle Prototypenentwicklung und die Fertigung von kleinen Stückzahlen ohne die Notwendigkeit teurer Werkzeugänderungen, wie sie bei herkömmlichen Fertigungsmethoden erforderlich sein können. Auch auf die Verwendung besonders umweltbelastender Verfahren kann derart verzichtet werden. Der Einsatz von Lasersystemen ermöglicht hohe Präzision und Flexibilität, zeigt jedoch Schwächen bei großflächigem Materialabtrag. Der geringe Strahldurchmesser führt trotz Galvanometerscanner zu längeren Bearbeitungszeiten. Wenn das Substrat zudem eine vergleichbare oder gar niedrigere Ablationsschwelle als die abzutragende Schicht aufweist, besteht die Gefahr einer unzulässigen Schädigung. Die niedrige Ablationsschwelle des Substrats begrenzt dabei den möglichen Energieeintrag, wodurch bei großflächigem Materialabtrag die leitfähige Schicht nicht vollständig verdampft, sondern geschmolzen und verdrängt wird, was zu Materialanhäufungen führt. Hier reicht die Laserenergie dann nicht mehr aus, um die leitfähige Schicht zuverlässig zu entfernen. Eine Erhöhung der Laserenergie ist wiederum ausgeschlossen, um eine Schädigung des Substrats zu verhindern. Um dieses Problem zu lösen, beschreibt die DE 10 2004 006414 A1 ein Verfahren zum Ablösen eines Bereichs einer leitfähigen Schicht von einem Substrat. Hierbei wird der Bereich durch das Einbringen einer linienförmigen Ausnehmung entlang seines Umfangs zunächst thermisch isoliert. Dieser Schritt erfolgt mittels eines Laserstrahls. Nachfolgend wird der zu entfernende Bereich durch den Laserstrahl erwärmt, bis die Adhäsion der leitfähigen Schicht am Substrat in diesem Bereich wesentlich verringert ist, wodurch der Bereich vom Substrat gelöst werden kann. Das Ablösen erfolgt dann unter geringen Adhäsionskräften, beeinflusst durch die Schwerkraft oder äußere Krafteinwirkungen, wodurch das Substrat keiner weiteren Lasereinwirkung ausgesetzt ist. Vorzugsweise erfolgt die Ablösung des Bereichs dabei durch eine gezielte Druckluftzufuhr, die ein Anheben der leitfähigen Schicht vom Rand zur Mitte der Fläche ermöglicht. Alternativ kann der zu lösende Bereich zunächst in Teilbereiche unterteilt werden, anstatt ihn als Ganzes zu entfernen.
Die DE 102010 019406 A1 stellt eine Weiterentwicklung des zuvor erläuterten Verfahrens dar. Hierbei werden die zu entfernenden Bereiche einer leitfähigen Schicht stets in streifenförmige Teilbereiche unterteilt. Die Ausrichtung der thermisch isolierenden Ausnehmungen ist so gewählt, dass diese und damit auch die isolierten Teilbereiche niemals parallel zu den Hauptachsen der in der Schicht auszuformenden Strukturen verlaufen. Stattdessen treffen sie stets in einem spitzen Winkel auf die Strukturen. Dies verhindert einen parallelen thermischen Energieeintrag, was unerwünschte Energieeinwirkungen auf die Strukturen erheblich reduziert. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Strukturen minimiert oder sogar ausgeschlossen.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass Lasersysteme über ihre Galvanometerscanner regelmäßig nur einen Abschnitt eines Substrats bearbeiten können, da diese lediglich ein begrenztes Scanfeld abdecken und somit zur vollständigen Bearbeitung eine Relativbewegung zwischen dem bearbeitenden Laserwerkzeug und dem Substrat über eine Verfahreinheit bereitgestellt werden muss, um mehrere Scanfelder aneinanderzureihen. Benachbarte Scanfelder müssen hierbei möglichst nahtlos miteinander verbunden werden, was insbesondere bei geringen Strukturabmessungen eine Herausforderung darstellt. Anderenfalls entstehen zwischen den Scanfeldern Diskontinuitäten, welche in Lücken oder Überlappungen der zu verbindenden Strukturen resultieren. Gerade Überlappungen bergen dabei wiederum das Risiko einer unzulässigen Schädigung des Substrats aufgrund eines zu hohen Energieeintrags. Eine präzise Verbindung zwischen den Scanfeldern erfordert hierbei aufwendige Kalibrierungen der Verfahreinheit unter Einhaltung äußerst enger Toleranzen. Zur Adressierung dieser Problematik sind bereits Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt. Die DE 10 2010 019 407 A9 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Einbringen von Ausnehmungen in eine auf einem Substrat ausgebildete elektrisch leitfähige Schicht, wie sie z. B. bei Leiterplatten vorkommt. Diese Ausnehmungen dienen dazu, Strukturen wie Leiterbahnen elektrisch zu isolieren und werden durch einen Laserstrahl in die Schicht eingebracht. Das spezifische Problem, das dabei auftritt, ist, dass die Enden einer einzelnen Ausnehmung oder von zwei verschiedenen Ausnehmungen beim Einbringen durch einen Laserstrahl nicht nahtlos aufeinandertreffen. Um dennoch eine effektive Isolation über mindestens eine Ausnehmung zu erreichen, wird vorgeschlagen, die Endabschnitte der Ausnehmung parallel und gezielt versetzt zueinander auslaufen zu lassen. Bei einem ausreichend geringen Versatz zwischen den beiden Endabschnitten bewirkt allein das Einbringen der Ausnehmung in die Schicht einen hohen thermischen Energieeintrag in die Zone zwischen den Endabschnitten. Dies führt zu einer Verringerung der Adhäsion der Schicht in dieser Zone und ermöglicht zudem ein selbsttätiges, Undefiniertes Ablösen der Schicht zwischen den Endabschnitten. Es ist auch denkbar, dass die Ablösung nach Verringerung der Adhäsion unterstützt wird. Das Verfahren eignet sich somit in nachteiliger Weise lediglich für den Ausgleich geringer Abweichungen. Das Undefinierte Ablösen bedeutet zudem einen Mangel an Kontrolle über den Ablöseprozess. Ohne klare Definition und Steuerung des Ablöseverhaltens besteht das Risiko unvorhersehbarer Ergebnisse und somit unerwünschter Schädigungen.
Die DE 10 2010 019 407 A9 beschreibt zudem die Bildung von Trennlinien, die bei der Herstellung eines photovoltaischen Moduls mit in Serie geschalteten Zellen in den auf einem transparenten Substrat abgeschiedenen Funktionsschichten erzeugt werden. Hierfür werden Laserscanner verwendet, deren Laserstrahl in dem von ihm abgetasteten Feld mehrere nebeneinander angeordnete Trennlinienabschnitte in der Funktionsschicht erzeugt. Die Laserscanner werden dann relativ zu dem beschichteten Substrat in Richtung der Trennlinien um einen Abstand bewegt, der etwas kleiner ist als die Länge des abgetasteten Felds, um eine Überlappung der Felder in dieser Richtung zu ermöglichen. Damit durchgehende Trennlinien entstehen, müssen die einzelnen Trennlinienabschnitte jeder Trennlinie außerdem präzise aufeinander ausgerichtet sein.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass ein zuverlässiges Entfernen von Bereichen der Schicht bei im Vergleich zum Stand der Technik gleichen oder höheren Toleranzen und somit einer vereinfachten Kalibrierung ermöglicht und unzulässige Schädigungen vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Entfernen wenigstens eines Bereichs einer auf einem Substrat - zunächst vollflächig - aufgebrachten, insbesondere elektrisch leitfähigen Schicht vorgesehen. Die z. B. auflaminierte Schicht ist hierbei bevorzugt als eine Kupferschicht ausgebildet. Das Substrat selbst kann beispielsweise aus einem Leiterplatten-mate- rial, wie einem Verbundmaterial der Klasse FR4, bestehen. Substrat und Schicht wären folglich in einer Ausführung als eine kupferkaschierte Leiterplatte respektive ein Leiterplattenrohling ausgebildet. In einer abweichenden Ausgestaltung kann das Substrat jedoch auch eine Folie, z. B. eine Polyimidfolie sein. Ferner ist auch eine Ausführung des Substrats aus Glas denkbar.
Durch das Entfernen von wenigstens zwei oder mehreren Bereichen entsteht in der Schicht eine Struktur mit einem festgelegten, vorzugsweise vorbestimmten Verlauf. Diese Struktur weist charakteristische Hauptachsen auf, die im rechten Winkel zueinanderstehen. Die Struktur kann dabei z. B. mindestens eine Leiterbahn oder eine Gruppe von Leiterbahnen eines Leiterplattenlayouts umfassen.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein jeweiliger zu entfernender Bereich der Schicht derart bearbeitet wird, dass zumindest entlang eines Abschnitts respektive zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur des Bereichs wenigstens eine linienförmige Ausnehmung und/oder Unterbrechung in die Schicht eingebracht wird. Bevorzugt erfolgt das Einbringen der wenigstens einen, bevorzugt ausschließlich einen Ausnehmung jedoch entlang der gesamten Außenkontur des Bereichs.
In erfindungsgemäßer Weise wird das Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung dabei durch das Abtragen der Schicht mittels eines Laserstrahls vorgenommen, wodurch der Bereich wenigstens thermisch, bevorzugt allerdings stoffschlüssig vollständig von angrenzenden Arealen der Schicht getrennt wird. Anschließend wird mittels des Laserstrahls - so lange - Energie in den Bereich eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht in dem Bereich erreicht ist. Für das Abtragen der Schicht und somit Ausformen der wenigstens einen Ausnehmung würde der Laserstahl hierbei auf die Schicht fokussiert, der Fokus des Laserstrahls läge demnach auf und/oder in der Schicht. Um die Anhaftung der Schicht in dem betreffenden Bereich zu verringern oder gar ein Ablösen der Schicht hervorzurufen, wäre hingegen angedacht, dass der Laserstahl defokussiert auf der Schicht auftrifft. Derart wird die Schicht in dem betreffenden Bereich im Wesentlichen lediglich erwärmt, nicht jedoch abgetragen.
Ferner ist der erfindungsgemäßen Ausgestaltung folgend vorgesehen, dass jeweils zwei benachbarte Bereiche, zwischen deren aufeinanderfolgendem Bearbeiten eine Relativbewegung des Laserschneidwerkzeugs und des Substrats erfolgt, derart bearbeitet werden, dass zwischen diesen Bereichen eine, zunächst weiterhin mit angrenzenden Arealen der Schicht wenigstens thermisch verbundene, insbesondere streifenförmige Toleranzausgleichszone ausgebildet wird respektive verbleibt. Zwischen den benachbarten Bereichen erstreckt sich folglich ein Abschnitt der Schicht, der die durch die Relativbewegung entstehenden Toleranzen zwischen den Bereichen ausgleicht. Dies eröffnet äußerst vorteilhaft die Möglichkeit, höhere Toleranzen bei der Relativbewegung zu berücksichtigen, als es ohne das Vorhandensein der Toleranzausgleichszone möglich wäre. Dank dieser kann zudem darauf verzichtet werden, die Bereiche so zu bearbeiten, dass sie direkt aneinander liegen und die Ausnehmungen, die die Bereiche trennen, sich möglichst präzise überlappen müssen. Aufgrund des nicht notwendigen Überlappens können darüber hinaus auch unzulässige Schädigungen des Substrats vermieden werden.
Bei dem Bearbeiten zumindest eines der benachbarten Bereiche, insbesondere jedoch beider benachbarter Bereiche, ist der Eintrag der Energie in den jeweiligen Bereich und somit in die Toleranzausgleichszone gerade beim Einbringen der Ausnehmung in die Schicht derart, dass in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anhaftung der Schicht in der Toleranzausgleichzone - im Wesentlichen - erhalten bleibt. Der geringe Energieeintrag in die Schicht der Toleranzausgleichszone ermöglicht vorteilhaft ein folgendes, kontrolliertes Entfernen der Toleranzausgleichszone, da eine unkontrollierte und Undefinierte Verringerung der Anhaftung oder Ablösung vermieden wird. Dies trägt dazu bei, die gewünschte Kontrolle über den Prozess des Verringerns der Anhaftung oder Ablösens aufrechtzuerhalten und unerwünschte Effekte zu minimieren. Insbesondere ein unkontrolliertes Ablösen kann hierbei zu unzulässigen Schädigungen an den benachbarten Bereichen oder anderen Arealen der Schicht führen. Zudem könnte sich eine unkontrolliert abgelöste Schicht der Toleranzausgleichszone in den benachbarten Bereichen oder anderen Arealen der Schicht wieder ablagern. Dies hätte potenziell negative Auswirkungen auf die Bearbeitung weiterer Bereiche und/oder könnte unzulässige Verbindungen, wie Kurzschlüsse zwischen auf dem Substrat ausgebildeten Strukturen, beispielsweise Leiterbahnen, verursachen. Um die Anhaftung wesentlich zu reduzieren oder die Toleranzausgleichszone abzulösen, wäre daher ein zusätzlicher Energieeintrag in die Schicht der Toleranzausgleichszone erforderlich. So ist in einer Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass die Toleranzausgleichszone, insbesondere erst nach dem Bearbeiten der benachbarten Bereiche, entfernt wird und die benachbarten Bereiche dadurch zu einem Gesamtbereich verbunden werden. So wird die Kontrolle über das Entfernen der Toleranzausgleichszone vorteilhaft aufrechterhalten und eine gezielte Steuerung des Prozesses des Verbindens der benachbarten Bereiche ermöglicht. Dies trägt unweigerlich dazu bei, die bereits beschriebenen unerwünschten Effekte während des Entfernens der Toleranzausgleichszone zu minimieren oder zu vermeiden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit im Allgemeinen, insbesondere jedoch in Zusammenhang mit der vorstehend erläuterten Ausführungsform vorgesehen, dass zum Entfernen der Toleranzausgleichszone, die Toleranzausgleichszone, insbesondere zunächst derart bearbeitet wird, dass zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur der Toleranzausgleichszone wenigstens eine linienförmige Ausnehmung und/oder Unterbrechung in die Schicht eingebracht wird. Dies erfolgt hierbei dadurch, dass die Schicht mittels des Laserstrahls abgetragen und die Toleranzausgleichszone dadurch wenigstens thermisch von angrenzenden Arealen der Schicht getrennt wird. Anschließend wird wiederum mittels des Laserstrahls - so lange - Energie in die Toleranzausgleichszone eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht in der Toleranzausgleichszone erreicht ist. Das Bearbeiten der Toleranzausgleichszone erfolgt somit in gleichartiger Weise wie das Bearbeiten der zu entfernenden Bereiche. Dies ermöglicht eine effiziente Bearbeitung des Toleranzbereichs und der benachbarten Bereiche mit nur einer einzigen Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Laserbearbeitungssystem. Diese Integration führt zu erheblichen Einsparungen bei den Prozesskosten, da keine separate Ausrüstung für die Bearbeitung der Toleranzausgleichszone benötigt wird, und trägt zu einer gesteigerten Effizienz des Gesamtprozesses bei.
Eine spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der vorstehenden Weiterbildung umfasst dabei, dass zum Entfernen der Toleranzausgleichszone an deren beiden in eine Haupterstreckungsrichtung der Toleranzausgleichzone liegenden Soll- Enden, insbesondere ausschließlich je wenigstens eine linienförmige Ausnehmung und/oder Unterbrechung in die Schicht eingebracht wird, welche quer respektive normal zur Haupterstreckungsrichtung der Toleranzausgleichszone verläuft. Die Haupterstreckungsrichtung der Toleranzausgleichszone entspricht dabei regelmäßig einer Längserstreckung der Toleranzausgleichszone, wobei die Haupterstreckungsrichtung grundsätzlich parallel zu wenigstens einer der Hauptachsen einer in die Schicht einzubringenden Struktur verläuft. Fortführend kann im Rahmen der Ausgestaltung angedacht sein, dass, insbesondere lediglich eine oder zwei Ausnehmungen je Soll-Ende in die Schicht eingebracht werden. Allgemein gesehen liegt dadurch, dass Ausnehmungen, insbesondere ausschließlich an den Soll-Enden in Haupterstreckungsrichtung eingebracht werden, in vorteilhafter weise eine Minimierung der Bearbeitungsdauer und somit der Prozesskosten vor. Weitere, zum wenigstens thermischen Trennen des Toleranzbereichs entlang dessen vollständiger Außenkontur notwendige Ausnehmungen würden bereits durch das Bearbeiten der benachbarten Bereiche in die Schicht eingebracht werden. Durch den lediglich einmaligen Energieeintrag zur Erzeugung der zusätzlichen Ausnehmungen beim Bearbeiten der benachbarten Bereiche werden zudem unzulässige Schädigungen des Substrats vermieden.
So liegt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung auch darin, dass die linienförmigen Ausnehmungen an den Soll-Enden der Toleranzausgleichszone in Verlängerung von Ausnehmungen eines der benachbarten Bereiche oder beider der benachbarten Bereiche in die Schicht eingebracht werden. Dies führt nicht nur zu einer verbesserten Homogenität der Ausnehmungen, sondern minimiert auch die Wahrscheinlichkeit zu hoher Diskontinuitäten oder Überlappungen zwischen den Bereichen und der Toleranzausgleichszone.
Nochmals erläuternd sei im vorstehenden Zusammenhang dargelegt, dass auch das Einbringen der Ausnehmungen an den Soll-Enden der Toleranzausgleichszone insbesondere dadurch erfolgt, dass die Schicht mittels des Laserstrahls abgetragen wird. Ferner wird anschließend auch in diesem Fall bevorzugt mittels des Laserstrahls - solange - Energie in die Toleranzausgleichszone eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht in der Toleranzausgleichszone erreicht ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt zudem darin, dass ein durch das Laserschneidwerkzeug abdeckbares Scanfeld, innerhalb dessen der Laserstrahl durch das Laserschneidwerkzeug ablenkbar ist und welches einen jeweiligen Bereich bei dessen Bearbeitung zumindest teilweise umfasst, zu einem vor der Relativbewegung ausgebildeten respektive vorliegenden Scanfeld geringfügig überlappend, stoßend oder geringfügig beabstandet ausgeführt ist. Aufgrund des Ausbildens der Toleranzausgleichszone zwischen benachbarten Bereichen lassen sich hier alle genannten, nach der Relativbewegung potenziell auftretenden Lagen der Scanfelder zueinander, insbesondere in weiten Grenzen ausgleichen. Somit liegt eine hohe Robustheit des Verfahrens gegenüber potenziellen Toleranzen einer das Verfahren durchführenden Vorrichtung, z. B. eines Laserschneidsystems vor.
Wie bereits eingangs dargelegt, wird durch das Entfernen von Bereichen der Schicht wenigstens eine Struktur mit einem festgelegten, insbesondere vorbestimmten Verlauf aus der Schicht ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist eine Weiterbildung der Erfindung in der Art ausgeführt, dass eine Haupterstreckungsrichtung, bevorzugt eine Längserstreckung der Toleranzausgleichszone, parallel zu wenigstens einer der durch den Verlauf der Struktur bestimmten Hauptachsen der Struktur ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung trägt in der Regel zu einem im Wesentlichen optimalen Ergebnis beim Verbinden der benachbarten Bereiche zu einem Gesamtbereich bei. Die Hauptachsen der Struktur geben hierbei die, insbesondere beiden wesentlichen Verlaufsrichtungen der Struktur respektive von Teilen der Struktur, beispielsweise der Leiterbahnen eines Leiterplattenlayouts an und sind im rechten Winkel zueinander orientiert.
Eine überaus vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich zudem dadurch erkennen, dass ein jeweiliger Bereich zum Entfernen in Teilbereiche unterteilt wird, wobei die Teilbereiche gegenüber einander wenigstens thermisch getrennt werden, indem zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur eines jeweiligen Teilbereichs durch Abtragen der Schicht mittels des Laserstrahls wenigstens eine linienförmige Ausnehmung und/oder Unterbrechung in die Schicht eingebracht und anschließend mittels des Laserstrahls - solange - Energie in den jeweiligen Teilbereich eingetragen wird, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht im jeweiligen Teilbereich erreicht ist. Die Ausnehmungen verlaufen hierbei im Wesentlichen entlang insbesondere paralleler Geraden. Das Unterteilen eines jeweiligen Bereichs in Teilbereiche führt dabei zu einer erhöhten Prozesssicherheit und Prozesskontrolle. Ferner lässt sich der zum Verringern der Anhaftung und/oder dem Lösen der Schicht in einem jeweiligen Teilbereich notwendige Eintrag von Energie besser dosieren, als dies für einen vollständigen Bereich möglich ist. Die Teilbereiche stellen aufgrund ihrer in Relation zu einem vollständigen Bereich geringeren Fläche darüber hinaus auch eine geringere Wärmesenke dar, sodass ein auftretender Wärmestrom insbesondere in das Substrat verringert wird, sodass geringere Energieverluste vorliegen. Somit kann auch der notwendige Energieeintrag für alle Teilbereiche eines Bereichs im Vergleich mit dem vollständigen Bereich niedriger bestimmt werden.
Mit Vorteil behaftet stellt sich eine Gestaltung der Erfindung zudem dann dar, wenn eine Haupterstreckungsrichtung, insbesondere eine Längserstreckung der Teilbereiche, zu keiner der durch den Verlauf der Struktur bestimmten Hauptachsen und/oder Winkelhalbierenden der Hauptachsen - der Struktur - parallel ausgerichtet ist. Vielmehr sind die Teilbereiche mit ihrer Haupterstreckungsrichtung in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu den Hauptachsen und/oder Winkelhalbierenden der Hauptachsen der Struktur ausgerichtet. Hierdurch lässt sich der Eintrag von Energie in die Teilbereiche weiter optimieren, da aufgrund der derartigen Orientierung der vom Substrat zu entfernenden Teilbereiche zu der auf dem Substrat verbleibenden Struktur ein Wärmestrom aus den Teilbereichen in die umgebenden Areale der Schicht minimiert wird.
Es sei darüber hinaus angemerkt, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, dass das tatsächliche respektive endgültige Entfernen der Schicht der Bereiche, der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone vom Substrat allein durch das Einträgen der Energie in die Schicht des betreffenden Bereichs, Teilbereichs und/oder der Toleranzausgleichszone verwirklicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das, insbesondere tatsächliche respektive endgültige - flächige - Entfernen der Schicht eines jeweiligen Bereichs, Teilbereichs und/oder der Toleranzausgleichszone von dem Substrat jedoch unter einer, insbesondere sich vom Energieeintrag des Laserstrahls unterscheidenden, äußeren Einwirkung auf die Schicht des Bereichs und/oder Teilbereichs. Die Einwirkung könnte z. B. die Schwerkraft sein, welche auf die Schicht wirkt, wofür eine Schichtseite des Substrats bevorzugt in Richtung der wirkenden Schwerkraft ausgerichtet wird. Vorteilhafter stellt sich jedoch eine Einwirkung dar, welche aus einer gezielten Druckluftzufuhr resultiert, wobei ein gezielter Druckluftstrahl ein Abheben und somit Entfernen der leitfähigen Schicht, bevorzugt beginnend vom Rand zur Mitte des jeweiligen Bereichs, Teilbereichs und/oder der Toleranzausgleichszone ermöglicht. Eine Einwirkung resultierend aus einer Absaugung sowie magnetischer und/oder elektrostatischer Kräfte ist ebenso denkbar.
Es sei zudem erläutert, dass die Breite der vorstehend genannten Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone, welche insbesondere quer zur Haupterstreckungsrichtung der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone ausgebildet ist, wesentlich vom optischen Aufbau und/oder - somit - von optischen Parametern eines das Verfahren durchführenden Laserbearbeitungssystems abhängt. Im Speziellen wird die Breite, vor allem eine minimale Breite der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone, durch den Strahldurchmesser des defokussierten Laserstrahls beeinflusst, der folglich im Wesentlichen durch den optischen Aufbau und/oder die optischen Parameter des Laserbearbeitungssystems bestimmt wird. Durch den defokussierten Laserstrahl erfolgt, wie bereits dargelegt, ein Energieeintrag, der vor allem zu einer Erwärmung führt und somit dazu beiträgt, eine wesentliche Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht in den Teilbereichen und/oder einer jeweiligen Toleranzausgleichszone zu erzielen. Die Breite der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone ist neben dem Strahldurchmesser des defokussierten Laserstrahls zudem abhängig von einem Sicherheits- und/oder Korrekturfaktor, sodass für die Breite folgt:
Breite (mm) = Strahldurchmesser (mm) x Korrekturfaktor
Der Strahldurchmesser des defokussierten Laserstrahls hängt dabei von einem Fokusdurchmesser des fokussierten Laserstrahls, einer Defokussierung und einer Tiefenschärfe des Laserstrahls um den Fokuspunkt des Laserstrahl wie folgt ab: z \ T-. > > > z \ . (Defokussierung (mm))
Strahldurchmesser (mm) = Fokus 2 v J durchmesser (mm) x 1 H - - - - - - V (Tiefenschärfe (mm)/2)2
Die Defokussierung beschreibt hierbei eine Verschiebung des Fokuspunkts aus der Brennweite einer Fokussierlinse und/oder Fokussieroptik des Laserbearbeitungssystems und wird regelmäßig aus Erfahrungswerten bestimmt. Der Fokusdurchmesser des fokussierten Laserstrahls ist wiederum abhängig von einer Brennweite der Fokussierlinse und/oder der Fokussieroptik, der Wellenlänge des Laserstrahls, der Beugungsmaßzahl M2 sowie dem Durchmesser des Laserstrahls an der Fokussierlinse und/oder Fokussieroptik und ergibt sich zu:
4 x Brennweite (mm) x Wellenlänge (mm) x Beugungsmaßzahl Fokusdurchmesser (mm) = - - - — - - - - - - - - -
TT x Durchmesser Laserstrahl an Fokussierlinse (mm)
Die Beugungsmaßzahl M2 stellt hierbei den Kehrwert der Strahlqualität K dar. Die Tiefenschärfe wird darüber hinaus festgelegt durch:
2TT x (Fokusdurchmesser (mm)/2)2
Tiefenschärfe (mm) =
Wellenlänge (mm)
Die folgenden beiden Beispiele stellen das Bestimmen der Breite der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichszone anhand der vorstehenden Berechnungsvorschriften nochmals dar: Beispiel 1 :
Beispiel 2:
Es ist hierbei zudem festzuhalten, dass die Breite der Teilbereiche und/oder der Toleranzausgleichzone dabei insbesondere in einem Bereich von 40 Mikrometern bis 250 Mikrometern, bevorzugt 80 Mikrometer bis 180 Mikrometer und/oder besonders bevorzugt 100 Mikro- meter bis 160 Mikrometer, liegt.
Darüber hinaus sei dargelegt, dass als wenigstens thermisch getrennt im Rahmen der Erfindung eine signifikante Minimierung eines wenigstens durch Wärmeleitung bedingten Wärmestroms zwischen einem jeweiligen Bereich, Teilbereich und/oder der Toleranzausgleichs- zone und angrenzenden Arealen der Schicht und/oder zwischen Teilbereichen angesehen wird. Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Zeichnung gibt hierbei in den Figuren 1 bis 3 einen grundsätzlichen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder.
Aus der Figur 1 geht dabei zunächst hervor, wie die Bereiche 1 bearbeitet werden, sodass die zwei aufgezeigten benachbarten Bereiche 1 respektive die Schicht 3 in diesen Bereichen 1 von dem Substrat 2 entfernt werden kann. Hierfür wird zumindest abschnittsweise entlang der Außenkontur 4 des jeweiligen Bereichs 1 wenigstens eine linienförmige Ausnehmung 5 in die Schicht 3 eingebracht, wobei die beiden benachbarten Bereiche 1 zudem in Teilbereiche 11 unterteilt werden. Dies erfolgt ebenfalls dadurch, dass entlang der Außenkontur 12 eines jeweiligen Teilbereichs 11 wenigstens eine linienförmige Ausnehmung 5 in die Schicht 3 eingebracht wird. Dadurch werden die Teilbereiche 11 gegenüber einander sowie der jeweilige vollständige Bereich 1 von angrenzenden Arealen der Schicht 3 wenigstens thermisch und hierbei bevorzugt vollständig getrennt, sodass zwischen den Teilbereichen 11 sowie dem Bereich 1 und weiteren Arealen der Schicht 3 kein Stoffschluss innerhalb der Schicht 3 und dadurch ein deutlich erhöhter Wärmewiderstand, insbesondere durch die Schicht 3 selbst ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 5 sind hierfür als Unterbrechungen, insbesondere in Form von die Schicht 3 vollständig durchtrennenden Schnitten ausgeführt.
Das Einbringen der jeweiligen Ausnehmungen 5 in die Schicht 3 erfolgt dabei, indem die Schicht 3 mittels eines nicht näher aufgezeigten Laserstrahls abgetragen wird, wofür der Laserstrahl auf die Schicht 3 fokussiert ist. Anschließend wird ebenfalls mittels des Laserstrahls Energie in den jeweiligen Teilbereich 11 und somit je abschnittsweise in den vollständigen Bereich 1 eingetragen, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht 3 im jeweiligen Teilbereich 11 und somit auch je abschnittsweise über den vollständigen Bereich 1 erreicht ist. Das Einträgen der Energie erfolgt dabei entlang der dargestellten Erwärmungspfade 14, die durch den hierbei defokussierten Laserstrahl abgefahren werden und in die jeweilige Haupterstreckungsrichtung 13 der Teilbereiche 11 ausgerichtet sind. Derart wird die Schicht 3 in dem betreffenden Bereich 1 respektive den jeweiligen Teilbereichen 11 lediglich erwärmt, nicht jedoch abgetragen.
Wie der Figur 1 weiterhin zu entnehmen ist, liegen die beiden benachbarten Bereiche 1 und somit die jeweilig zugehörigen Teilbereiche 11 in sich voneinander unterscheidenden Scanfeldern 10, wobei je lediglich eines der Scanfelder 10 auf einmal durch ein den Laserstrahl erzeugendes Laserschneidwerkzeug abgedeckt werden kann. Hierdurch erfolgt zwischen dem Bearbeiten der beiden Bereiche 1 eine Relativbewegung zwischen dem Laserschneidwerkzeug und dem Substrat 2. Durch diese Relativbewegung können jedoch Toleranzen in die Positionierung der beiden benachbarten Bereiche 1 zueinander eingeführt werden, die beim auf die Relativbewegung folgenden Bearbeiten eines der Bereiche 1 ein zuverlässiges Verbinden der beiden Bereiche 1 behindern und/oder zu unzulässigen Schädigungen des Substrats 2 oder weiterer Areale der Schicht 3 führen.
Um diese Problematik zu vermeiden, werden die beiden benachbarten Bereiche 1 hier derart bearbeitet, sodass zwischen diesen die Toleranzausgleichszone 6 ausgebildet wird respektive verbleibt. Dabei bleibt die Anhaftung der Schicht 3 in der Toleranzausgleichzone 6 beim Bearbeiten der Bereiche 1 zunächst erhalten. Nach dem Bearbeiten und/oder gar Entfernen eines der Bereiche 1 oder beider Bereiche 1 wird auch die Toleranzausgleichszone 6 entfernt und die benachbarten Bereiche 1 dadurch zu einem Gesamtbereich verbunden. In dem Gesamtbereich ist sodann keine Schicht 3 mehr vorhanden oder die Schicht 3 der betreffenden Teilbereiche 11 sowie der Toleranzausgleichszone 6 kann sukzessive entfernt werden.
Wie die Toleranzausgleichszone 6 zum Entfernen bearbeitet wird, geht im Detail aus den Figuren 2 und 3 hervor. Hierfür werden abschnittsweise entlang der Außenkontur 7 der Toleranzausgleichszone 6 und hierbei im Speziellen an deren beiden in Haupterstreckungsrichtung 8 der Toleranzausgleichszone 6 liegenden Soll-Enden 9 je Soll-Ende 9 zwei linienförmige Ausnehmungen 5 in die Schicht 3 eingebracht, welche quer zur Haupterstreckungsrichtung 8 der Toleranzausgleichszone 6 verlaufen. Aus Darstellungsgründen ist in den Figuren 1 bis 3 lediglich eines der beiden Soll-Enden 9 aufgezeigt. Die linienförmigen Ausnehmungen 5 an den Soll-Enden 9 der Toleranzausgleichszone 6 sind zudem in Verlängerung von Ausnehmungen 5 der beiden der benachbarten Bereiche 1 in die Schicht 3 eingebracht, sodass ein effizientes Bearbeiten der Toleranzausgleichszone 6 gewährleistet ist. Das Einbringen der Ausnehmungen 5 erfolgt hierbei wiederum durch Abtragen mittels des Laserstrahls.
Wie den Figuren 2 und 3 darüber hinaus zu entnehmen ist, liegen die beiden vor sowie nach der Relativbewegung ausgebildeten Scanfelder 10 geringfügig beabstandet zueinander. Aufgrund der durch die Relativbewegung auftretenden Toleranzen sind die von den Bereichen 1 ausgehenden Ausnehmungen 5 der Toleranzausgleichszone 6 jedoch nicht vollständig miteinander verbunden und/oder überlappen sich nicht. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass der Versatz zwischen den Ausnehmungen 5 in den Darstellungen der Figuren 2 und 3 lediglich aus darstellerischen Gründen überzeichnet und somit nicht maßstabsgetreu ist. Die Ausnehmungen 5 bewirken jedoch trotzdem ein thermisches Trennen des Toleranzausgleichbereichs 6 von den weiteren, umgebenden Arealen der Schicht 3 sowie den Bereichen 1 , da ein ausreichend hoher Wärmewiderstand vorliegt.
So führt auch das anschließend an das Einbringen der Ausnehmungen 5 erfolgende Eintra- gen von Energie mittels des Laserstrahls entlang des Erwärmungspfads 14, welches in der Figur 3 aufgezeigt ist, zu einer Verringerung der Anhaftung und/oder einem Ablösen der Schicht 3 in der Toleranzausgleichszone 6, sodass die Schicht 3 der Toleranzausgleichszone 6 entfernt oder entfernbar wird. Der Erwärmungspfad 14 liegt hierbei in Haupterstreckungsrichtung 8 der Toleranzausgleichzone 6, wobei diese Haupterstreckungsrichtung 8 dabei parallel zu einer der Hauptachsen x, y, hier der Hauptachse y verläuft. Die Hauptachsen x, y sind dabei durch den festgelegten, insbesondere vorbestimmten Verlauf einer Struktur definiert, welche durch das Entfernen der Bereiche 1 aus der Schicht 3 ausgebildet wird. Die Haupterstreckungsrichtung 13 der Teilbereiche 11 liegt hingegen nicht parallel zu einer der beiden Hauptachsen x, y.
BEZUGSZEICH EN LISTE
1 Bereich
2 Substrat
3 Schicht
4 Außenkontur
5 Ausnehmung
6 T oleranzausgleichszone
7 Außenkontur
8 Haupterstreckungsrichtung
9 Soll-Ende
10 Scanfeld
11 Teilbereich
12 Außenkontur
13 Haupterstreckungsrichtung
14 Erwärmungspfad x, y Hauptachse

Claims

PATENTANSPRÜCH E
1. Verfahren zum Entfernen wenigstens eines Bereichs (1) einer auf einem Substrat (2) aufgebrachten Schicht (3), wobei ein jeweiliger zu entfernender Bereich (1) derart bearbeitet wird, dass zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur (4) des Bereichs (1) wenigstens eine linienförmige Ausnehmung (5) in die Schicht (3) eingebracht wird, indem die Schicht (3) mittels eines Laserstrahls abgetragen und der Bereich (1) dadurch wenigstens thermisch von angrenzenden Arealen der Schicht (3) getrennt wird, wobei anschließend mittels des Laserstrahls Energie in den Bereich (1) eingetragen wird, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht (3) in dem Bereich (1) erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Bereiche (1), zwischen deren aufeinanderfolgendem Bearbeiten eine Relativbewegung des Laserschneidwerkzeugs und des Substrats (2) erfolgt, derart bearbeitet werden, dass zwischen diesen benachbarten Bereichen (1) eine Toleranzausgleichszone (6) ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anhaftung der Schicht (3) in der Toleranzausgleichzone (6) beim Bearbeiten zumindest eines der benachbarten Bereiche (1) erhalten bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzausgleichszone (6) nach dem Bearbeiten der benachbarten Bereiche (1) entfernt wird und die benachbarten Bereiche (1) dadurch zu einem Gesamtbereich verbunden werden.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzausgleichszone (6) zum Entfernen derart bearbeitet wird, dass zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur (7) der Toleranzausgleichszone (6) wenigstens eine linienförmige Ausnehmung (5) in die Schicht (3) eingebracht wird, indem die Schicht (3) mittels des Laserstrahls abgetragen und die Toleranzausgleichszone (6) dadurch wenigstens thermisch von angrenzenden Arealen der Schicht (3) getrennt wird, wobei anschließend mittels des Laserstrahls Energie in die Toleranzausgleichszone (6) eingetragen wird, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht (3) in der Toleranzausgleichszone (6) erreicht ist.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzausgleichszone (6) zum Entfernen derart bearbeitet wird, dass an deren beiden in Haupterstreckungsrichtung (8) liegenden Soll-Enden (9) je wenigstens eine linienförmige Ausnehmung (5) in die Schicht (3) eingebracht wird, welche quer zur Haupterstreckungsrichtung (8) der Toleranzausgleichszone (6) verläuft.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die linienförmigen Ausnehmungen (5) an den Soll-Enden (9) der Toleranzausgleichszone (6) in Verlängerung von Ausnehmungen (5) eines der benachbarten Bereiche (1) oder beider benachbarten Bereiche (1) in die Schicht (3) eingebracht werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch das Laserschneidwerkzeug abdeckbares Scanfeld (10), welches einen jeweiligen Bereich (1) bei dessen Bearbeitung zumindest teilweise umfasst, zu einem vor der Relativbewegung ausgebildeten Scanfeld (10) geringfügig überlappend, stoßend oder geringfügig beabstandet ausgeführt ist.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfernen von Bereichen (1) wenigstens eine Struktur mit einem festgelegten Verlauf aus der Schicht (3) ausgebildet wird, wobei eine Haupterstreckungsrichtung (8) der Toleranzausgleichszone (6) parallel zu wenigstens einer der durch den Verlauf der Struktur bestimmten Hauptachsen (x, y) der Struktur ausgerichtet ist.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Bereich (1) zum Entfernen in Teilbereiche (11) unterteilt wird, wobei die Teilbereiche (11) gegenüber einander wenigstens thermisch getrennt werden, indem zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkontur (12) eines jeweiligen Teilbereichs (11) durch Abtragen der Schicht (3) mittels des Laserstrahls wenigstens eine linienförmige Ausnehmung (5) in die Schicht (3) eingebracht und anschließend mittels des Laserstrahls Energie in den jeweiligen Teilbereich (11) eingetragen wird, bis eine Verringerung der Anhaftung und/oder ein Ablösen der Schicht (3) im jeweiligen Teilbereich (11) erreicht ist.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupterstreckungsrichtung (13) der Teilbereiche (11) zu keiner der durch den Verlauf der Struktur bestimmten Hauptachsen (x, y) und/oder Winkelhalbierenden der Hauptachsen (x, y) parallel ausgerichtet ist.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Schicht (3) eines jeweiligen Bereichs (1), Teilbereichs (11) und/oder jeweiligen Toleranzausgleichszone (6) von dem Substrat (2) unter einer äußeren Einwirkung auf die betreffende Schicht (3) erfolgt.
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