JP4695140B2 - 多層構成の被加工品のレーザ穿孔方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層構成の被加工品、とりわけ、第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層とそのつど２つの金属層間に配置された誘電体層とを有する多層構成の回路基板に、所定の断面積を有する孔をレーザによってあける方法に関する。

レーザビームによる材料加工は近年、レーザ技術の急速な発展により、ますます重要性を増している。エレクトロニクス製造の分野では、素子がますます微細化されることにより、プリント基板ないしは基板のレーザ加工かつ電子部品の加工が、電子的モジュールを可能な限りコンパクトに構成するために不可欠なツールとなってきている。ここでは、レーザ放射によって多層基板に穿孔される。このような孔の直径は、従来の機械的な穿孔法によってあけられた孔の孔径と比較して格段に小さい。基板に照射されるレーザビームのレーザ出力が精確に既知であることを前提とすれば、貫通孔だけでなく止まり穴もあけることができる。たとえば止まり穴を多層プリント基板にあけ、複数の金属層を誘電体の中間層によって非導電的に相互に分離することができる。その後に止まり穴をメタライジングすることにより、特定の金属層を相互にコンタクトすることができる。このようにして、電子回路を２次元で構成するだけでなく３次元でも構成することができるので、電子モジュールの集積密度を、１つの金属層のみまたは２つの金属層のみを有する基板と比較して格段に上昇することができる。

多層プリント基板に孔をあける際の問題は、金属層および誘電体層の切削特性が大きく異なることである。このことにより、所定のレーザパラメータを有する１つのレーザビームのみで効率的な穿孔工程を行うことはできない。

ＥＰ１１６９８９３Ｂ１から、両面に金属層が設けられた電気絶縁性のベース材料にスルーコンタクトホールを開ける方法が開示されている。ここでは、形成すべき孔の領域において、通常は銅から成る外側金属層が化学エッチング法によって除去される。次に、赤外線スペクトル領域で放出するＣＯ_２レーザによって、この孔を誘電体のベース材料にあける。

多層基板にレーザ穿孔するために、純粋なレーザ穿孔法も公知になっている。このようなレーザ穿孔法では、ウェットエッチング法を回避して、定義されたように微細孔を電子回路基板にあけることができる。金属層は赤外線（ＩＲ）放射に対して高い反射性を有するので、特に高い熱的負荷でしか、ＣＯ_２レーザによって多層プリント基板に穿孔できないことが知られている。そのため、多層基板の純粋なレーザ穿孔は、２つの異なる処理ステップによって実施される。一方の処理ステップで、金属層を紫外線（ＵＶ）スペクトル領域にあるレーザビームによって局所的に切削する。他方の処理ステップで、誘電体中間層をＩＲレーザビームによって切削する。このＩＲレーザビームは通常、ＣＯ_２レーザによって生成される。そのため、多層基板に穿孔するために、２つの異なるレーザ光源であるＵＶレーザ光源とＩＲレーザ光源とを備えたいわゆる複合レーザ加工機器が使用されることが多い。前記ＵＶレーザ光源は、たとえば倍周式のＮｄ：ＹＡＧレーザであり、ＩＲレーザ光源はとりわけＣＯ_２レーザである。

ＵＳ５１２６５３２から、ＵＶレーザもＩＲレーザも有するこのような複合レーザ加工機器が公知である。これらのレーザ光源によって生成されたレーザビームは双方とも、旋回可能に支承されたミラーによって、形成すべき孔の位置に交互に偏向され、まず金属層がＵＶレーザビームによって切削され、その後、誘電体層がＩＲレーザビームによって切削される。

紫外線スペクトル領域で放出するレーザ光源の出力は通常、金属層を孔断面全体で、１つまたは複数のレーザパルスによって切削するには不十分であるため、金属層の除去はしばしば、いわゆるトレパニングによって実施されることが多い。ここでは、レーザビームは金属層において、形成すべき孔の直径より格段に小さい直径にフォーカシングされる。次にレーザビームは、２つの可動に支承されたミラーから成る偏向ユニットによって、形成すべき孔の周縁に沿った円形軌道を案内され、金属層はこの円の線に沿って切削される。通常、少なくとも複数周完全に周回した後、金属層から生成された蓋がそれ自体から飛び出す。択一的に、トレパニング工程を異なる半径で実施するか、またはレーザビームを螺旋軌道で、形成すべき孔の横断面内を案内することができる。電子回路多層基板に純粋なレーザ穿孔を施す際の問題点は、通常のＵＶレーザ光源のレーザ出力がＣＯ_２レーザ光源のレーザ出力より格段に小さいことである。このことにより、金属層の除去工程ステップが、次の誘電体層の穿孔工程ステップより格段に長時間に及ぶという結果になる。したがって金属層を穿孔する速度が、穿孔工程全体の速度、ひいてはスループット、すなわち時間単位で形成できる孔の最大数を決定する。

本発明の基礎となる課題は、多層構成の被加工品に孔をレーザによってあける次のような方法を提供することである。すなわち、金属層の高速穿孔を実現し、これによって全体的に高い穿孔速度を実現する方法を提供することである。

前記課題は、独立請求項である請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明では、第１のレーザ出力によって、形成すべき孔の断面の部分領域内のみで第１の層を除去し、この孔領域内に第１の層の一部が残るようにする。第２のレーザ出力によって、形成すべき孔の断面全体で第２の層を除去し、該第２の層の除去時に、第１の層の残った一部も同時に除去する。

本発明の基礎となる認識は、第１の層が完全に除去されなかった場合でも、残った部分を第２の層の除去時に自動的に一緒に除去することである。第１のレーザ出力によって第１の層を部分的にのみ除去するので、このような第１のステップは、第１の層を孔領域全体で完全に除去するのより格段に迅速である。したがって本発明のレーザ穿孔方法により、両層の材料の異なる切削特性に起因して、とりわけ第１の層を完全に除去するのにかかる時間が第２の層の切削より長い場合に、格段に高い穿孔速度が実現される。本発明は、止まり穴ないしはブラインドホールをあけるためにも貫通孔をあけるためにも適しているので、多層構成の回路基板のレーザ穿孔領域に汎用的に使用できる。貫通孔の形成時に、処理用レーザビームから見て最下方の金属層を、従来の穿孔法にしたがって除去しなければならないことを述べておく。というのも、この層の下方には誘電体層が存在しないからである。

請求項２によれば、第１のレーザ出力によって付加的に、断面の周縁に沿って第１の層の材料を切削する。とりわけ第１の層において、形成すべき孔の周縁に沿って、レーンないしは溝を形成することができる。このレーンないしは溝は有利には、第２の層まで延在するか、または第１の層の表面近傍の領域以内にのみ延在する。パーフォレーションの機能を有するこのような構造により、第１の層を第２のレーザ出力によって完全に除去する際に、きれいに定義された孔周縁が保証され、高品質の孔を形成することができる。

請求項３によれば、第１のレーザ出力は可視スペクトル領域または近紫外線スペクトル領域にあるレーザビームを含む。短波長のレーザ放射は金属層において、赤外線レーザ放射より比較的弱く反射されるので、ＵＶ放射はとりわけ金属材料の除去に適している。その際には、被加工品の熱的負荷はＩＲ放射による熱的負荷と比較して格段に低減される。というのも、ＵＶ放射によって金属層内の個々の原子間ないしは分子間において原子結合ないしは金属結合が直に破られるからである。

請求項４によれば、レーザ出力は固体レーザによって、とりわけ倍周式のレーザによって生成される。活性レーザ媒質は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４またはＮｄ：ＹＬＦであり、これらは１０６４ｎｍの基本波長を有するレーザ放射を生成することができる。固体レーザのポンピングは、有利には半導体ダイオードを使用して行われる。これらは活性レーザ媒質の周囲に配置することができるので、外部のポンピング光源を必要とすることなく、相応の固体レーザをコンパクトな構成で実現することができる。ＵＶレーザ放射を生成するために、レーザ光源は付加的に、倍周のための非線形光学的媒質を有する。レーザ技術において周知であるこのような非線形光学的媒質は、共振器の内部にも外部にも配置することができる。１０６４ｎｍの基本波を有する上記のレーザの種類では、５３２ｎｍ、３５５ｎｍおよび２６６ｎｍの波長を有する倍周された放射が得られる。基本波長を１／２、１／３または１／４にするこのような倍周は単に一例であると見なすべきである。とりわけ最新の超高出力のレーザシステムでは、係数５，６以上での倍周も考えられる。このような倍周の利点は、たとえば銅である金属層を除去するのに特に適したレーザ放射を可視スペクトル領域または紫外線スペクトル領域で容易に生成できることである。

請求項５によれば、第２のレーザ出力をＩＲスペクトル領域で生成する。相応のレーザ放射は、有利にはＣＯ_２レーザによって生成される。このようなレーザ放射によって、使用可能なレーザ出力が高いことに起因して、誘電体の第２の層を迅速に除去できるようになる。

請求項６記載のようにパルスレーザ放射を使用することの利点は、材料切削が、レーザパルス間にある冷却時間の結果として、穿孔すべき被加工品の熱的負荷を比較的小さくすることである。

請求項７によれば、第１の層の部分領域をトレパニングによって除去する。ここではレーザビームは、該部分領域の周縁を案内される。ここでは、部分領域の全周縁上に、第２の層までの深さに延在する構造が形成される。このことにより、第２の層上に位置するディスクが形成される。このようなディスクは通常、自然に孔領域から抜け堕ちる。形成されたディスクが期待に反して第２の層に残った場合、第１のレーザ出力をさらに付加的に、１周または複数周して部分領域の周縁の周りを案内するか、またはディスクの内部領域に方向づけすることができる。こうすることにより、高いエネルギー入力に起因して、形成された円ディスクは高い信頼性で孔領域から除去される。

請求項８によれば、第２の層はトレパニングまたはパンチングによって切削される。トレパニングの場合、第２のレーザ出力をまず、孔断面内の露出された孔の領域内において、第２の層に直接方向決定することに留意すべきである。このことにより、第１のレーザ出力によって未だ除去されていない孔断面の領域に第２のレーザ出力を方向づけする前に、第２の層へエネルギーが直接入力されることによって、第１の層の残った部分が除去されることが保証される。

いわゆるパンチングでは、１つまたは複数の連続するパルスを有するレーザビームは、穿孔すべき被加工品の同一の位置に方向づけされる。相応の光学系を使用することにより、被加工物における第２のレーザ出力のスポットサイズを、異なる孔直径に適合することができる。

請求項９によれば、部分領域は孔中心と孔周縁との間に存在する。このことにより、まず孔中心に方向づけされた第１のレーザビームから出発して、該レーザビームを孔周縁へ迅速に近づけることができる。このようにして、レーザビームを案内して常に特定の機械的慣性を有する偏向ユニットは全体的に、比較的短い動きしか行ってはならないので、両加工ステップ、すなわち孔周縁上のレーンの形成と部分領域内での第１の層の除去とを、部分領域内において迅速に行うことができる。

この部分領域は有利には、孔全体の直径に対して半分の大きさの直径を有する円形面である。このようにして、第１のレーザ出力が部分領域周辺を移動する経路は、孔全体の周りを移動する経路の半分になり、それに対して第１の層の除去すべき面積は、孔断面の面積の１／４に相応する。このことによって、除去すべき面積あたりのエネルギー入力は相応に大きくなり、第１のレーザ出力が部分領域を１回周回するだけですでに、第１の層の切断された蓋が確実に除去されるのが保証される。さらに、第１のレーザ出力が第１の層において移動する経路が全体的に短いので、穿孔工程全体を迅速に実施することができる。

下記の現在有利な実施例の説明に、本発明の別の利点および特徴が記載されている。

図面では、以下の図は概略的に示されている。

図１ 孔をあけるためのレーザ加工機器である。

図２ 形成された止まり穴の断面図である。

図３ 本発明の有利な実施例による、第１のレーザ出力が移動する動きを示している。

ここでは、図面において相互に対応する構成要素の参照記号は、最初の数字のみが異なっていることに続けて留意されたい。

図１に示されたレーザ加工機器１００はレーザ光源１１０を有し、このレーザ光源１１０は、紫外線スペクトル領域にあるレーザビーム１１１を放出する。レーザ光源１１０は、ダイオードポンピング式の固体レーザであり、とりわけＮｄ：ＹＬＦレーザである。この固体レーザは、活性レーザ媒質の周辺に配置された半導体ダイオードによって光ポンピングされる。ＵＶレーザ放射１１１は公知のように、非線形光学的結晶を使用して倍周によって生成される。

レーザビーム１１１は偏向ユニット１３０に照射される。この偏向ユニット１３０は従来のように、ガルバノミラーによって構成される。偏向ユニット１３０によって偏向されたレーザビームは、結像光学系１４０を介して加工用レーザビーム１４１として、加工すべき基板１５０に偏向される。この結像光学系１４０は、たとえばＦθ光学系である。

基板１５０は誘電体層１５１を有し、この誘電体層１５１の上面および下面は、それぞれ金属層１５２によって被覆されている。金属層は構造化され、これによって導体路が形成される。このことは図示されていない。両金属層１５２間の電子的な接続部を形成するために、微細孔１５３があけられる。この微細孔１５３の壁は、公知のようにメタライジングすることができる。微細孔１５３を形成するために、加工用レーザビーム１４１はそれぞれ、ジャンプ移動１５５によって孔位置１５４に中心決めされた後、結像光学系１４０を介して調整されたスポットサイズＦで孔位置１５４の領域内において円形移動で移動され、そのつど微細孔が形成される。以下で、微細孔１５３の形成を図３に基づいて説明する。

異なる層は通常、異なるレーザ加工機器によって加工される。金属層に穿孔するために、ＵＶレーザ光源を有するレーザ加工機器が設けられており、誘電体層に穿孔するために、ＩＲレーザ光源を有するレーザ加工機器が設けられている。２つのレーザ加工機器を使用する代わりに、２つの異なるレーザ光源を備えたいわゆる複合レーザ加工機器を使用することもできる。

図２は、多層基板２５０に形成された微細孔２５３の断面図である。この微細孔２５３は止まり穴であり、この止まり穴では、上方の金属層２５２と誘電体中間層２５１とが切削されているだけである。その後に止まり穴２５３をメタライジングすることにより、両金属層２５２を相互に導電接続することができる。

図３は、上方の金属層２５２に方向づけされた加工用レーザビーム１４１が移動する動きを示している。この加工用レーザビーム１４１は、ＵＶレーザビーム１１１で生成される。本発明をより良好に理解できるようにするため、まず、上方の金属層２５２を除去するために従来使用された穿孔工程を説明する。それによれば、レーザビームはまず、形成すべき微細孔２５３の中心点Ｍから出発して円形軌道３６０上を移動され、非常に小さいＵＶレーザ出力で、該形成すべき微細孔２５３の周縁上にあるポイントＡに到達する。半円３６０に沿ったレーザビームの移動中、レーザ光源１１０は、パルスレーザビームでなくいわゆるＣＷレーザビーム（連続波レーザビーム）が放出されるように制御される。ポイントＡに到達した後、レーザ光源１１０を適切に制御することによってＵＶレーザビーム１１１の出力が上昇される。繰り返し周波数は、典型的には２０ｋＨｚに設定される。その後にレーザビームは、形成すべき微細孔２５３の周縁に沿った外側軌道３７０を案内される。ここでは所与の条件（上方の金属層の材料および厚さ、レーザ出力、レーザ波長等）に応じて、レーザビームは外側軌道３７０上を１周して案内されるか、またはたいてい、連続的に複数周で案内される。上方の金属層２５２に形成された円形の蓋が除去されるまでの間、外側軌道３７０上を前記のように移動する。その後、レーザビームは再び低いレーザ出力で、ＣＷモードで第２の半円３８０上を移動され、中心点Ｍに到達する。

次の誘電体層２５１の切削は通常、別のレーザ加工機器において有利にはパンチングによって行われる。すなわち、微細孔２５３全体の断面に相応する断面にＩＲレーザビームを繰り返し作用させることによって行われる。穿孔工程の終了後、偏向ユニット１３０はジャンプ移動によって、形成すべき次の微細孔の中心点に偏向される。

本発明の有利な実施例によれば、パルスＵＶレーザビームが、形成すべき微細孔１５３の中心点からフル出力で、第１の半円３６０に沿ってポイントＡまで案内される。その後、このレーザビームは外側軌道３７０に沿って、完全な円形軌道上を案内されて再びポイントＡに到達する。こうすることによって、上方の金属層２５２に溝ないしはトレンチ構造が形成される。これによって次に、微細孔２５３の全直径内で上方の金属層２５２を剥離するのが容易になる。円形移動によって外側軌道３７０上に形成された溝構造により、有利には誘電体層２５１まで材料が切削される。この円形移動は有利には１つであり、例外的には複数である。移動速度および／またはレーザ出力を適合することにより、外側軌道３７０上で所望の材料切削が実現される。どのような場合でも、孔領域に残った金属層２５２は次に、下方に位置する誘電体層２５１の除去時に完全に一緒に除去されることを保証しなければならない。

その後、ＵＶレーザビームは第２の半円３８０に沿って、再びフルレーザ出力で中心点Ｍまで案内される。両半円３６０および３８０に沿って誘電体層２５１まで材料切削が完了した場合、これによって上方の金属層２５２に形成された切断済みの蓋、すなわちポイントＡとポイントＭとの間の間隔に相応する直径を有する蓋は自動的に抜け落ちる。両半円上に加えられたレーザエネルギーが、両半円３６０および３８０によって描出された部分領域３９０で金属層を除去するのに不十分である場合、ＵＶレーザビームを、該部分領域３９０が完全に露出されるまで、内側の円に沿って再度案内する。場合によってはＵＶレーザビームを、より小さい半径を有する別の円形軌道上を案内することもできる。こうすることにより、上方の金属層が部分領域３９０内において、確実に除去されるのを保証することができる。

部分領域３９０が露出された後、基板１５０は別のレーザ加工機器に引き継がれる。この別のレーザ加工機器は、ＣＯ_２レーザ光源を有する。これによって生成されたＩＲレーザビームは、形成すべき微細孔１５３の直径に相応するスポットサイズＦで、中心点Ｍと同心で基板２５０に方向づけされる。こうすることによってとりわけ部分領域３９０内で、孔断面内に残った金属層２５２が自動的に一緒に除去されるほど大きなエネルギーが誘電体層２５１に引き継がれる。ここで、その前にすでにＵＶレーザビームの移動によって外側軌道３７０上に形成された溝構造により、上方の金属層２５２は、外側軌道３７０上を延在するきれいな分断エッジに沿って、誘電体層２５１から除去される。上方の金属層２５２が孔断面３９５内全体で完全に除去された後、誘電体層２５１の材料切削は公知のようにＩＲレーザビームによって行われる。

上方の金属層２５２においてＵＶレーザビーム１１１を使用して行われる材料除去は、孔断面３９５全体と比較して小さい部分面積３９０でのみ行われるので、第１の処理ステップすなわちＵＶレーザビーム１１１を使用する材料切削は、第１の処理ステップに金属層２５２を孔領域内全体で完全に除去するのが含まれる上記の従来の手法と比較して格段に迅速である。ＩＲレーザビームによって行われる誘電体層２５１の材料切削は、第１の処理ステップと比較して格段に迅速に実施できる（ＩＲスペクトル領域で使用可能なレーザ出力はＵＶスペクトル領域より格段に大きい）ので、穿孔処理全体は従来の穿孔方式と比較して格段に迅速である。

両処理ステップを、ＵＶレーザ光源およびＩＲレーザ光源の双方を備えた１つのいわゆる複合穿孔機器だけでも実施できることを述べておく。

本発明はもちろん、２つの金属層だけでなく、原則的には任意の数の金属層を有する次のような被加工品、すなわち、それぞれ２つの隣接する金属層が電気絶縁性の誘電体層によって相互に分離されている被加工品を穿孔するためにも使用できることを述べておく。したがってこのような多層構成の被加工品では、任意の深さの止まり穴を形成することができる。その際には、金属層はそのつど、図３に基づいて説明した方法によって切削される。

まとめ：
本発明では、多層構成の被加工品１５０，２５０にレーザによって孔１５３，２５３をあける以下のような方法を提供する。すなわち、第１のレーザ出力１１１によって、形成すべき孔１５３，２５３の断面の部分領域３９０内で第１の層１５２，２５２を除去し、該断面内に第１の層１５２，２５２の一部が残るようにする。第２のレーザ出力によって、形成すべき孔１５３，２５３の断面３９５全体で第２の層１５１，２５１を除去し、該第２の層１５１，２５１の除去時に、第１の層１５２，２５２の残った一部も同時に除去する。定義された境界線３７０に沿って第１の層１５２，２５２のきれいな材料除去を行うためには、孔周縁に沿って部分的に材料除去を行う。有利には、第１の金属層１５２，２５２を除去するためにＵＶレーザビーム１１１を使用し、誘電体の第２の層１５１，２５１を除去するためにＩＲレーザビームを使用する。

孔をあけるためのレーザ加工機器である。 形成された止まり穴の断面図である。 本発明の有利な実施例による、第１のレーザ出力が移動する動きを示している。

Claims (8)

1. 多層構成の被加工品に、所定の断面を有する孔（１５３，２５３）のレーザ穿孔を行う方法であって、
   該被加工品は第１の金属層および少なくとも１つの第２の金属層（１５２，２５２）とそのつど２つの金属層（１５２，２５２）間に配置された誘電体層（１５１，２５１）を有する多層構成の回路基板（１５０，２５０）である形式の方法において、
   ・第１のレーザ出力（１１１）を使用して、形成すべき孔（１５３，２５３）の断面の部分領域（３９０）内で第１の層（１５２，２５２）を完全に除去し、かつ該断面の周縁（３７０）に沿って該第１の層（１５２，２５２）の材料を除去して溝を形成し、
   ・第２のレーザ出力を使用して、スポットサイズを形成すべき該孔（１５３，２５３）の直径と同じにし、該孔の断面（３９５）内全体で第２の層（１５１，２５１）を切削し、該第２の層（１５１，２５１）の除去と同時に、該第１の層（１５２，２５２）の前記部分領域（３９０）を除いた残りの部分を一緒に除去することを特徴とする方法。
2. 前記第１のレーザ出力は、可視スペクトル領域または近紫外線スペクトル領域にあるレーザビーム（１１１）を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のレーザ出力を固体レーザ（１１０）によって、倍周式および／またはダイオードポンピング式の固体レーザによって生成する、請求項２記載の方法。
4. 前記第２のレーザ出力は、赤外線スペクトル領域にあるレーザビームを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１のレーザ出力（１１１）および／または第２のレーザ出力は、パルスレーザ放射を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第１の層（１５２，２５２）の部分領域（３９０）を、トレパニングによって除去する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記第２の層（１５１，２５１）をトレパニングまたはパンチングによって除去する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記部分領域（３９０）は、孔の中心点（Ｍ）と孔の周縁（Ａ）との間に存在する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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