JP2006513862A - レーザを用いて電気的な回路基板を加工するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

電気的な回路基板を加工するために、０．１Ｗおよび約５Ｗの間の平均レーザ出力において２６６ｎｍと１０６４ｎｍとの間の波長、１ｋＨｚと１ＭＨｚとの間のパルス繰り返し周波数、３０ｎｓないし２００ｎｓのパルス長を有するレーザビームを送出することができるダイオードポンピングされ、Ｑ制御され、パルス化される固体レーザを有するレーザ源（１）が使用され、その際制御部を介して用途に応じて相応に種々の組み合わせのレーザ出力および繰り返し周波数を有する予め定めた作動モードが調整設定されて、同じレーザで選択的に穿孔作動モード、剥離作動モードまやじゃ露光作動モードを実施することができるようにしている。同様に制御ユニットによって調整設定可能なガルボミラー偏向ユニットを用いてそれぞれの作動モードに相応して基板にレーザビームが偏向される。

Description

本発明は、
−基板を保持しかつ位置決めするための被加工物受台部、
−ダイオードポンピングされ、Ｑ制御され、パルス化される固体レーザを有するレーザ源、
−偏向ユニット、
−結像ユニット、および
−レーザの作動特性量を調整設定するための制御部
を用いて電気的な回路基板を加工するための装置および方法に関する。

基本的に、プリント配線板および匹敵する電気的な回路基板の加工の際にレーザビームのエネルギーを使用することが基本的に公知である。すなわち、ＵＳ５５９３６０６から、多層基板にマイクロ孔を穿孔するために連続的にポンピングされ、ＱスイッチングされるＮｄ：ＹＡＧレーザを用いたＵＶレーザシステムの使用が公知である。典型的にはそこには５ｋＨｚまでの繰り返し周波数が使用される。

ＥＰ９３１４３９Ｂ１から、電気的にアイソレーションするベースに少なくとも２つのワイヤリングレベルを形成するための方法が公知であり、その際レーザ、有利にはＮｄ：ＹＡＧレーザが盲孔の穿孔のためにも導体路のストラクチャ化のためにも使用される。導体路の形成の際に金属層自体がレーザにより部分的除去により直接ストラクチャ化されるか、または金属層上に載っているエッチレジスト層をレーザにより部分的に除去しかつこれにより露出された、金属層の領域をそれから腐食除去することもできる。

その他基本的に、ホトレジスト層を露光するためにレーザビームを使用することも既に公知である。ＥＰ１１１５０３１Ａ２にはこの目的のために、例えば準連続ＵＶレーザビームを生成する、８０ＭＨｚより高い繰り返し周波数を有するチタン・サファイアレーザを使用することが提案される。

従って用途に応じて種々様々なレーザシステムが使用されるが、これらはプリント配線板作製において種々異なっている加工法を順次使用するようになっているとき、著しい投資コストがかかってくることになる。

本発明の課題は、コストのかかる付加投資および煩雑な装置替えなしに種々異なっているレーザ法による基板の加工を可能にするレーザシステムおよび相応のレーザ加工方法を提供することである。

本発明によればこの課題は、
−基板の保持および位置決めのための被加工物受容部を備え、
−２６６ｎｍと１０６４ｎｍとの間の波長のダイオードポンピングされ、Ｑ制御され、パルス化される固体レーザを有するレーザ源を備え、該固体レーザは次の値領域にあるレーザビームを送出できるようになっており：
――１ｋＨｚと１ＭＨｚとの間のパルス繰り返し周波数、
――３０ｎｓないし２００ｎｓのパルス長さおよび
――約０．１Ｗないし約５Ｗの平均レーザ出力、
−更に、６００ｍｍ／ｓまでの偏向速度を可能にする偏向ユニットを備え、
−結像ユニットを備え、かつ
−用途に応じてレーザを種々の組み合わせの平均レーザ出力および繰り返し周波数で作動することができる制御部を備えている
電気的な回路基板を加工するための装置によって解決される。

特性値のこれまで既知でないスペクトルおよびその都度定められている形式の基板加工に対して予め定めた組み合わせの特性データを調整設定することができる制御部を有するレーザの本発明により設定された選択によって、プリント基板加工に対して生じるすべてのレーザ加工工程、例えば穿孔、金属層または感光性エッチレジスト層の、感光性ラッカのむき出しの露光までの除去などを唯一のレーザ源によって行うことができる。相応に、製造装置の用意に対するおよび異なっている製造工程間の取り替えに対する手間が簡単になる。

有利には本発明の装置は、３５０および５５０ｎｍの間の波長を有するレーザ、有利には３５５ｎｍの波長を有するＵＶレーザによって作動される。

上に述べたように、所定の、考慮の対象になる工程に対して、予め定めた組み合わせのレーザ特性値を設定することができる。すなわちレーザは層を除去するための第１の作動モードを有し、ここではレーザは約１ないし２Ｗの平均レーザ出力および約６０ないし８０ｋＨｚの繰り返し周波数によって作動される。その際、例えば金属層のストラクチャ化に対する多少高めのレーザ出力および多少低めの繰り返し周波数および、はんだ付けストップラッカのような非金属性の層の除去に対する８０ｋＨｚという多少高めの繰り返し周波数を有する約１Ｗの多少低めのレーザ出力が組み合わされることに注目されたい。回路基板の金属および誘電体層に孔を穿孔するための第２の作動モードにおいてレーザは約３ないし４Ｗの平均レーザ出力および約１０ないし３０ｋＨｚの繰り返し周波数に調整設定することができる。感光層を露光するための第３の作動モードにおいてレーザは約２００ｋＨｚないし１ＭＨｚの繰り返し周波数において１００ｍＷのオーダにある著しく僅かなレーザ出力に調整設定される。

偏向ユニットとして有利には、典型的には３００ないし６００ｍｍ／ｓのを可能にするガルバノメーター・ミラーユニットが用いられる。レーザ出力およびスポット直径の適当な組み合わせによって、著しく高い偏向速度も使用可能である。この速度によってレーザビームは層のストラクチャ化の際実質的にリニアに移動し、一方穿孔の際には円運動が公知の仕方で実施される。

約２６６ｎｍと１０６４ｎｍとの間の波長、１ｋＨｚと１ＭＨｚとの間のパルス繰り返し周波数、３０ｎｓないし２００ｎｓのパルス長さおよび約０．１Ｗないし約５Ｗの平均レーザ出力を有するレーザを使用する、電気的な回路基板の加工のための本発明の方法は次のステップを有している：
−基板を被加工物受容部に固定しかつ位置決めし、
−レーザビームを制御ユニットを介して次の作動モードの１つに調整設定する：
ａ） 約３ないし５Ｗの平均レーザ出力、約１０ないし３０ｋＨｚの繰り返し周波数および約３０ないし５０ｎｓのパルス長を用いる孔の穿孔、
ｂ） 約１ないし２Ｗの平均レーザ出力、約５０ないし９０ｋＨｚ、有利には６０ないし８０ｋＨｚの繰り返し周波数および約５０ないし６０ｎｓのパルス長を用いる金属または誘電体層のストラクチャ化、
ｃ） 近似的に０．１Ｗの平均レーザ出力、約２００ｋＨｚないし１ＭＨｚの繰り返し周波数および約１００ないし２００ｎｓ、有利には約１２０ｎｓのパルス長を用いる感光層の露光、かつ
−基板をレーザビームによって上記調整設定されたモードにおいて加工し、ここでレーザビームは３００ないし６００ｎｍ／ｓの速度を有するガルボミラー偏向ユニットを用いて運動される。

有利な実施形態において作動モードｃ）で露光された感光層は引き続くステップにおいて現像されかつその後上記層の露光されない領域が除去される。

次に本発明を実施例につき図面に基づいて詳細に説明する。その際
図１は穿孔するように設定されている基板を持った本発明により実現されているレーザ加工装置の構成を略示し、
図２はレーザビームによってエッチレジスト層がストラクチャ化されかつ露出されたパターンが引き続いてエッチングされる基板を略示し、
図３は金属表面層がレーザビームによって直接ストラクチャ化される基板を略示し、
図４は金属層に被着される感光層がレーザによって露光される基板を略示し、
図５は図４により１つのトラックがレーザにより露光されかつそれから洗浄された基板の平面を略示している。

図１にはレーザ加工装置の構成が略示されている。要部は、ダイオードポンピングされ、Ｑ制御され、パルス化される固体レーザとして本発明の目的に適うように設計されているレーザ１である。このレーザ源から出るレーザビーム２は２つのガルボミラー３１および３２を有している偏向ユニット３と有利にはレンズから形成されている結像ユニット４とを介して基板１０に供給される。基板は受容装置５、とりわけすべての方向に移動調整可能である位置決めテーブル上に配置されている。装置を制御するために、レーザ１も偏向ユニット３も受容装置５も所望の加工に相応して制御する制御ユニット６が用いられる。

通例、被加工物、すなわち基板は受容装置５、すなわち位置決めテーブルによって水平方向において、基板の、加工するように設定されている所定のフィールドがレーザビーム２の作用領域に達する（Ｘ−Ｙ位置決め）ようなポジションに持って行かれる。更に、位置決めテーブル５の垂直方向の移動調整によって基板をレーザビームの所望の集束に応じて結像ユニット４のフォーカスまたはフォーカスから予め定めた距離のところに持って行くことができる。レーザ加工の期間に、基板は調整設定されたポジションに保持される。というのは、加工すべきフィールドでの動きは偏向ユニット３を介するレーザビームの偏向によって行われるからである。ガルボミラーを介する偏向によって、比較的大きな質量を有する位置決めテーブル５の移動調整による場合よりも著しく高い速度が実現可能である。従って基板１０の加工すべきフィールドへのレーザビーム２の偏向は制御ユニット６によってガルボミラー３１および３２を介して行われる。更に制御装置に、その都度の使用目的に対してレーザ１を所定の組み合わせの出力データに調整設定するプログラムが記憶されている。

図１の例では、基板１０に貫通孔または盲孔の形の孔、いわゆるビアを穿孔すべきであることを仮定している。基板は真ん中に誘電体層１１を有しており並びに上面および下面にそれぞれ金属層１２もしくは１３を有している。盲孔１４は金属層１２および誘電体層１１を通って穿孔されるものとすれば、レーザは、それが１０ないし３０ｋＨｚの繰り返し周波数および３０ないし５０ｎｓのパルス長において例えば３．５ないし４Ｗの平均出力を送出するように調整設定される。レーザ自体はこの場合有利には３５５ｎｍ波長を有するＵＶレーザである。しかし５３２ｎｍの波長を有するレーザを使用することもできる。今やレーザが孔加工に対する予め定めた出力に調整設定されているので、必要な孔１４が基板１０に穿孔され、その際例えばレーザビームは所定数の円運動を行って、一方において金属層１２および他方において誘電体層１１を所望のボアホールが除去されるようにしなければならない。

次いで基板１０に別の工程において導体路のエッチングによるストラクチャ化が行われるのであれば、図２に示されているように、金属層１２にまずエッチレジスト層１５が被着される。この層はレーザによって予め定めたパターンに従って領域１５ａにおいて除去されて、この領域において金属層１２が露出しかつその後に腐食除去されるようにするのである。この場合２−２として示されているレーザビームは制御ユニットを介して、それがエッチレジストを除去するために例えば８０ｋＨｚの繰り返し周波数および６０ｎｓのパルス長において約１Ｗの平均レーザ出力を有しているように調整設定される。これらの値は例示されているにすぎない。というのは正確な調整設定は個々には除去されるべき層、その性質、その厚さなどに依存しているからである。

図３には、レーザビーム２−３によって金属層１２がどのように予め定めた導体路パターンに従って直接、すなわち部分的に除去されるかが例示されている。従って金属層１２は、導体路が所望されるところにのみ残り、一方領域１２ａでは誘電体層１１が露出されている。この目的のために、レーザビーム２−３は制御装置を介して、それが例えば６０ｋＨｚの繰り返し周波数および５０ｎｓのパルス長において約１．５Ｗの平均レーザ出力を有しているように調整設定される。この場合にも正確な調整設定は除去されるべき金属層１２の性質および厚さに依存している。

図４には更に、基板にどのようにホトリソグラフィーを用いてストラクチャ化を実施することができるかが示されている。ここでは金属層１２にまず感光層１６が被着される。この感光層はレーザビーム２−４によって予め定めた領域１６ａにおいて露光される。露光された層はその後で現像されかつ洗浄されるので、その下にある金属層領域１２ａは露出されかつ腐食除去することができる。

図５には写真として平面図において感光層１６を備えた基板１０が示されている。この層は領域１６ａにおいてレーザビームによって露光されかつそれから洗浄される。この例において市販名Ｐｒｏｂｅｌｅｃで知られている、３５５ｎｍのレーザ波長において１２００ｍＪ／ｃｍ^２の感度を有するホトレジストが使用された。３５５ｎｍの波長、２００ｋＨｚの繰り返し周波数および約１００ないし２００ｎｓのパルス持続時間を有する周波数３倍化され、ダイオードポンピングされる半導体レーザが約１００ｍＷの平均レーザ出力によって露光された。こうして約１００ないし６００ｎｍ／ｓの偏向速度で約３０μｍのライン幅が露光された。図５において、レーザ光を用いたパルス形状の印加にも拘わらず露光されたストリップの実質的にまっすぐな縁経過が実現されることが分かる。銅層１２の洗浄後（図４）特別クリアに現れる、幅ｂ１を有する内側のストリップと、縁領域がレーザビームのエネルギー分布に相応して多少弱く露光されたが、いずれにせ十分な程度に露光されかつそれから除去され、その結果金属層を完全な幅ｂ２において腐食除去することができる、幅ｂ２を有する露光の全体のストリップとが分かる。

本発明により実現されるこのような形態によって、露光もストラクチャ化または穿孔と同じレーザ装置によって行うことができる。その際所望されるストラクチャの実現可能なラインおよび中間空間は集束されるレーザスポットの直径によって、更にホトレジストの感度およびレーザパルスの繰り返しレートによって予め定められている。数学的に考察すると、実現可能なライン幅はホトレジストのスペクトル感度を有するフォーカス内の空間放射分布のたたみ込みである。それはパルス化されたレーザビームであるが、連続するパルスの重畳によって真っ直ぐな、連続したラインを得ることができる。レーザ繰り返し周波数およびガルボミラーの偏向速度によって、ホトレジストが除去されずに、露光され、その結果しばしば使用されるｃｗ−Ａｒ^＋レーザの場合と同じ効果が得られる。上に挙げた値によって例えば約３０μｍのライン幅を生成することができる。

穿孔するように設定されている基板を持った本発明により実現されているレーザ加工装置の構成の概略図 レーザビームによってエッチレジスト層がストラクチャ化されかつ露出されたパターンが引き続いてエッチングされる基板の断面略図 金属表面層がレーザビームによって直接ストラクチャ化される基板の断面略図 金属層に被着される感光層がレーザによって露光される基板の断面略図 図４により１つのトラックがレーザにより露光されかつそれから評価された基板の平面略図

Claims (8)

1. 基板（１０）の保持および位置決めのための被加工物受容部（５）を備え、
   ２６６ｎｍと１０６４ｎｍとの間の波長の、ダイオードポンピングされ、Ｑ制御され、パルス化される固体レーザを有するレーザ源（１）を備え、該固体レーザは次の値領域にあるレーザビーム（２）を送出できるようになっており：
   １ｋＨｚと１ＭＨｚとの間のパルス繰り返し周波数、
   ３０ｎｓないし２００ｎｓのパルス長さおよび
   約０．１Ｗないし約５Ｗの平均レーザ出力、
   レーザの光路に配置されている、６００ｍｍ／ｓまでの偏向速度を可能にする偏向ユニット（３）を備え、
   結像ユニット（４）を備え、かつ
   用途に応じてレーザを種々の組み合わせの平均レーザ出力および繰り返し周波数で作動することができる制御部を備えている
   電気的な回路基板を加工するための装置。
2. ３５０および５５０ｎｍの間の波長を有するレーザ、有利には３５５ｎｍの波長を有するＵＶレーザが使用される
   請求項１記載の装置。
3. レーザは層を除去するための第１の作動モードを有し、ここではレーザは約１ないし２Ｗの平均レーザ出力および約６０ないし８０ｋＨｚの繰り返し周波数によって作動される
   請求項１または２記載の装置。
4. レーザは孔（１４）を回路基板（１０）の金属層（１２）および誘電体層（１１）に穿孔するための第２の作動モードを有し、ここではレーザは約３ないし４Ｗの平均レーザ出力および約１０ないし３０ｋＨｚの繰り返し周波数によって作動される
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. レーザは感光層（１６）を露光するための第３の作動モードを有し、ここではレーザは１００ｍＷのオーダにある平均レーザ出力および約２００ｋＨｚないし１ＭＨｚの繰り返し周波数によって作動される
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 偏向ユニットとして１００ないし６００ｍｍ／ｓの偏向速度を有するガルバノメーター・ミラーユニット（３）が使用されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. ２６６ｎｍと１０６４ｎｍとの間の波長、１ｋＨｚと１ＭＨｚとの間のパルス繰り返し周波数、３０ｎｓないし２００ｎｓのパルス長さおよび約０．１Ｗないし約５Ｗの平均レーザ出力を有するレーザ（１）を使用する、電気的な回路基板の加工方法であって、
   次のステップを有している：
   基板（１０）を被加工物受容部（５）に固定しかつ位置決めし、
   レーザビーム（２）を制御ユニット（６）を介して次の作動モードの１つに調整設定する：
   ａ） 約３ないし５Ｗの平均レーザ出力、約１０ないし３０ｋＨｚの繰り返し周波数および約３０ないし５０ｎｓのパルス長を用いる孔（１４）の穿孔、
   ｂ） 約１ないし２Ｗの平均レーザ出力、約５０ないし９０ｋＨｚ、有利には６０ないし８０ｋＨｚの繰り返し周波数および約５０ないし６０ｎｓのパルス長を用いる金属または誘電体層（１５，１２）のストラクチャ化もしくは除去、
   ｃ） 近似的に０．１Ｗの平均レーザ出力、約２００ｋＨｚないし１ＭＨｚの繰り返し周波数および約１００ないし２００ｎｓ、有利には約１２０ｎｓのパルス長を用いる感光層（１６）の露光、かつ
   基板をレーザビーム（２）によって上記調整設定されたモードにおいて加工し、ここでレーザビームは３００ないし６００ｍｍ／ｓの速度を有するガルボミラー偏向ユニット（３）を用いて運動される
   方法。
8. モードｃ）で露光された感光層（１６）を引き続くステップにおいて現像しかつ
   その後上記層（１６）の露光されない領域を除去する
   請求項７記載の方法。

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