JP6220775B2 - ピコ秒レーザパルスを用いた高いパルス繰り返し周波数でのレーザダイレクトアブレーション - Google Patents
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Description
システム及び方法は、レーザダイレクトアブレーション(LDA)の用途において(例えば、ベクトルスキャンアプローチを用いて)高いスループットを有する生産的な加工を提供するものである。高速ビーム位置決めと高いパルス繰り返し周波数(PRF)により、連続するレーザパルスを十分に重ねて誘電材料に形成された切断溝の均一性及び特徴部を制御することができる。その後、既知のめっきプロセスを用いて所望の信号伝搬特性(例えば、インピーダンス、抵抗値、及びキャパシタンス)を有する電気的経路を切断溝内に形成してもよい。
図1は、誘電材料116の上面114上の第1の導電トレース110及び第2の導電トレース112の側面図を模式的に示すものである。導電トレース110,112は例えば銅(Cu)を含んでいてもよい。
図4は、ある実施形態における、誘電材料(ABF GX-13)に対するパルスごとのアブレーション速度をグラフで示すものである。このグラフのx軸に沿って示されているフルエンスはガウス形スポットの中心におけるものである。パルスごとのアブレーション深さの値がグラフのy軸に沿って示されている。図4に示されるように、UV波長は、ある実施形態においては、材料の除去効率において緑色波長よりも有利であり得る。ナノ秒UVレーザのアブレーション速度は、ピコ秒緑色レーザのアブレーション速度のほぼ2倍である。また、図4にも示されているように、ピコ秒の時間的パルス幅は、ある実施形態においては、ナノ秒の時間的パルス幅よりも有利であり得る。ナノ秒レーザを用いた効果的なアブレーションを開始する閾値フルエンスは、ピコ秒レーザを用いた効果的なアブレーションを開始する閾値フルエンスよりもかなり高い。
k×(P×L/v)/(L×D)=k×P/(v×D)
となる。
因数kは、個々のレーザパルスのガウス形の性質に由来するものである。
図8は、一実施形態における、誘電材料に切断溝をレーザアブレートする方法800のフロー図である。例えば、信号伝搬特性が制御された導電トレースを形成するために誘電材料に切り込まれたパターンを生成するLDAプロセスの一部として方法800が使用され得る。方法800は、選択された時間的パルス幅に対して、時間的パルス幅の平方根で除算した対象とする材料の所望のアブレーションフルエンスとして、レーザの動作フルエンスを決定する(810)。そして、選択された時間的パルス幅に対して、レーザ源の最高PRFを時間的パルス幅の平方根でスケーリングする(812)。また、方法800は、連続するレーザパルス間の重なり率についての選択された最小値に対して、スポットサイズ及びワークピースの表面に対するレーザビームの最大速度に基づいて最低PRFを算出する(814)。一実施形態においては、重なり率についての選択された最小値はビームスポット径の60%であり、換言すれば、(スポットサイズ−バイトサイズ)/スポットサイズ×100%=60%である。さらに、方法800は、切断溝の形成中の線量フルエンスが実質的に一定に維持されるように、所定の動作フルエンスでかつスケーリングされた最高PRFから算出された最低PRFまでの間のPRFでレーザ源を動作させることにより、一連のレーザパルスを生成する(816)。
以下の例は、時間的パルス幅、フルエンス、PRF、及び他の加工パラメータに対して特定の値を用いてABF GX-13をLDA加工するために図8の方法が使用され得る方法を示すものである。例示された材料及びパラメータの値は単に例として示されるものであって、限定するために示されるものではないことは、当業者であれば理解できるであろう。この例はUVレーザ源を用いる。しかしながら、上述したように、他の波長(例えば緑色)も用いることができる。
72.45mJ/cm2・ns1/2×(5000ns)1/2=16.2mJ/cm2
となり、29nsの時間的パルス幅を用いたUVレーザパルスについては、フルエンスは、
72.45mJ/cm2・ns1/2×(29ns)1/2=390mJ/cm2
となる。
スケーリングされたPRFMAX=80MHz×(.05)1/2=17.9MHz
10μm×(1−60%)=4μm
PRFMIN=(3m/s)/(4μm)=750kHz
図12は、一実施形態におけるLDA加工システム1200の例のブロック図である。このシステム1200は、AODサブシステム1206と、レーザビームをディザリングするためのガルバノメータ(ガルボ)サブシステム1208とを含んでいる。本明細書で述べた高いPRFにより、以下に述べるようにAODサブシステム1206を用いたレーザビームの高速ディザリングが可能となる。システム1200は、加工ビーム1212をAODサブシステム1206に供給するレーザ源1210を含んでいる。一実施形態においては、レーザ源1210は、加工ビーム1212が一連のレーザパルスとなるようにパルスレーザ源を含んでいる。他の実施形態においては、レーザ源1210は、加工ビーム1212が連続波(CW)レーザビームとなるようにCWレーザ源を含んでいる。そのよな実施形態においては、AODサブシステム1206は、加工ビーム1212を離散(「パルス」)間隔だけ偏向させることにより、CWレーザビームからレーザパルスを生成する。システム1200は、さらに、(メモリデバイス1205として示される)コンピュータ読取可能な媒体上に記録されたコンピュータ実行可能な命令を実行し、本明細書で述べられたプロセスを行うように構成されたプロセッサ1203を含んでいる。例えば、プロセッサ1203は、図8に関連して上記で述べた方法を行う命令を実行することができる。
Claims (27)
- 信号伝搬特性を制御しつつ、導電トレースを形成するためのパターンを誘電体層内に形成するレーザダイレクトアブレーションのための方法であって、
a)ワークピースの表面上のスクライブラインに沿って誘電材料の所望の深さ分を除去するための線量フルエンスを選択すること、
b)一連のレーザパルスにおける各レーザパルスに対する時間的パルス幅を選択すること、及び
c)前記一連のレーザパルスに対するパルス繰り返し周波数を選択すること
によって決定される、前記誘電材料に切断溝のレーザアブレーションを施すための所定の特性を用い、前記パルス繰り返し周波数の選択は、前記スクライブラインに沿って前記選択された線量フルエンスを維持するために、少なくとも部分的に前記選択された時間的パルス幅に基づくものであり、前記選択されたパルス繰り返し周波数によって前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率が所定の最小値となり、
レーザ源を用いて、前記選択された線量フルエンス、時間的パルス幅、及びパルス繰り返し周波数に従った前記一連のレーザパルスを有するレーザビームを生成し、
前記レーザビームの経路が前記ワークピースの表面に沿った前記スクライブライン位置を選択された速度でなぞるように、前記ワークピースと前記レーザビームとを相対運動させ、誘電材料をアブレートして信号伝搬特性が制御された導電トレースを形成するのに好適な切断溝を形成する、
方法。 - 前記選択された時間的パルス幅が1μs以下である、請求項1の方法。
- 前記選択された時間的パルス幅が約10psから約29nsの範囲にある、請求項1の方法。
- 前記選択された速度が約1m/sから約10m/sの範囲にある、請求項1の方法。
- 前記選択された速度が約2m/sから約4m/sの範囲にある、請求項1の方法。
- 前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率の所定の最小値がスポットサイズ径の約60%である、請求項1の方法。
- 前記スポットサイズ径が5μmから30μmの範囲にある、請求項1の方法。
- 前記選択されたパルス繰り返し周波数が約750kHzから約5MHzの範囲にある、請求項1の方法。
- さらに、前記選択された時間的パルス幅の関数としての前記レーザ源の動作フルエンスであって、前記選択された線量フルエンスを前記選択された時間的パルス幅の平方根で除算した前記動作フルエンスを決定する、
請求項1の方法。 - 前記パルス繰り返し周波数を選択する際に、
前記レーザ源の最高パルス繰り返し周波数を前記パルス幅の平方根によってスケーリングし、
前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率の選択された最小値に対して、スポットサイズと前記選択された速度に基づいて最低パルス繰り返し周波数を算出し、
前記スケーリングされた最高パルス繰り返し周波数と前記算出された最低パルス繰り返し周波数の間で前記パルス繰り返し周波数を選択する、
請求項1から9のいずれか一項の方法。 - さらに、前記レーザビームの経路が前記ワークピースの表面に沿った前記スクライブライン位置を前記選択された速度でなぞりつつ、前記レーザビームをディザ方向に前後にディザリングする、
請求項1の方法。 - 前記線量フルエンスは、kが前記レーザパルスのガウス形の性質に基づく因数を表し、Pが前記レーザパルスのパワーを表し、vが前記スクライブラインに沿った前記レーザビームの前記選択された速度を表し、Dが前記レーザパルスのスポット径を表すとした場合に(k×P)/(v×D)によって特徴付けられる、請求項1の方法。
- 前記kが2である、請求項12の方法。
- 信号伝搬特性を制御しつつ、導電トレースを形成するためのパターンを誘電体層内に形成するレーザダイレクトアブレーションのためのシステムであって、
プロセッサと、
コンピュータ実行可能な命令を記録するコンピュータ読取可能な媒体であって、
a)ワークピースの表面上のスクライブラインに沿って材料の所望の深さ分を除去するための線量フルエンスを選択し、
b)一連のレーザパルスにおける各レーザパルスに対する時間的パルス幅を選択し、
c)前記一連のレーザパルスに対するパルス繰り返し周波数を選択し、このパルス繰り返し周波数の選択は、前記スクライブラインに沿って前記選択された線量フルエンスを維持するために、少なくとも部分的に前記選択された時間的パルス幅に基づくものであり、前記選択されたパルス繰り返し周波数によって前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率が所定の最小値となる
ように前記プロセッサを構成するコンピュータ読取可能な媒体と、
前記選択された線量フルエンス、時間的パルス幅、及びパルス繰り返し周波数に従った前記一連のレーザパルスを有するレーザビームを生成するレーザ源と、
前記レーザビームの経路が前記ワークピースの表面に沿った前記スクライブライン位置を選択された速度でなぞるように、また、前記レーザビームが、誘電材料をアブレートして信号伝搬特性が制御された導電トレースを形成するのに好適な切断溝を形成するように、前記ワークピースと前記レーザビームとを相対運動させる運動要素と、
を備えたシステム。 - 前記選択された時間的パルス幅が1μs以下である、請求項14のシステム。
- 前記選択された時間的パルス幅が約10psから約29nsの範囲にある、請求項14のシステム。
- 前記選択された速度が約1m/sから約10m/sの範囲にある、請求項14のシステム。
- 前記選択された速度が約2m/sから約4m/sの範囲にある、請求項14のシステム。
- 前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率の所定の最小値がスポットサイズ径の約60%である、請求項14のシステム。
- 前記スポットサイズ径が5μmから30μmの範囲にある、請求項14のシステム。
- 前記選択されたパルス繰り返し周波数が約750kHzから約5MHzの範囲にある、請求項14のシステム。
- 前記コンピュータ実行可能な命令は、さらに、
前記選択された時間的パルス幅の関数としての前記レーザ源の動作フルエンスであって、前記選択された線量フルエンスを前記選択された時間的パルス幅の平方根で除算した前記動作フルエンスを決定する
ように前記プロセッサを構成する、請求項14のシステム。 - 前記コンピュータ実行可能な命令は、さらに、
前記レーザ源の最高パルス繰り返し周波数を前記パルス幅の平方根によってスケーリングし、
前記スクライブラインに沿ったレーザスポットの重なり率の選択された最小値に対して、スポットサイズと前記選択された速度に基づいて最低パルス繰り返し周波数を算出し、
前記スケーリングされた最高パルス繰り返し周波数と前記算出された最低パルス繰り返し周波数の間で前記パルス繰り返し周波数を選択する
ことにより前記パルス繰り返し周波数を選択するように前記プロセッサを構成する、請求項14から22のいずれか一項のシステム。 - 前記運動要素は、1つ以上のガルバノメータを備える、請求項14のシステム。
- 前記運動要素は、さらにX−Y運動ステージを備える、請求項14のシステム。
- さらに、
前記レーザビームの経路が前記ワークピースの表面に沿った前記スクライブライン位置を前記選択された速度でなぞりつつ、前記レーザビームをディザ方向に前後にディザリングする1つ以上の音響光学偏向器を備える、
請求項14のシステム。 - 前記線量フルエンスは、kが前記レーザパルスのガウス形の性質に基づく因数を表し、Pが前記レーザパルスのパワーを表し、vが前記スクライブラインに沿った前記レーザビームの前記選択された速度を表し、Dが前記レーザパルスのスポット径を表すとした場合に(k×P)/(v×D)によって特徴付けられる、請求項14のシステム。
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