WO2000053364A1 - Device and method for laser-structuring workpieces - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for laser structuring workpieces, with a first laser for generating a first laser beam, with at least one first deflection unit which deflects the first laser beam on the workpiece within a first work area assigned to the first deflection unit.
  • laser structuring When laser drilling and structuring wiring components (printed circuit boards and multichip modules), holes and conductor structures with structure dimensions ⁇ 50 ⁇ m can be produced. Patterns with trace structures of 20 ⁇ m have already been demonstrated. The minimum structure size depends on the focal length of the lens of the deflection unit used. This limits the size of the work area.
  • the workpiece and the laser unit In order to machine a workpiece that is larger than the machining area of the deflection unit, the workpiece and the laser unit have to be moved transversely to a direction of travel of the workpiece, which is associated with increased expenditure of time for the travel path and for the additional adjustment of the workpiece and laser unit to one another.
  • the object is achieved with a device of the type mentioned
  • a second deflection unit with an assigned second work area which works parallel to the first deflection unit with the first work area.
  • the two work areas overlap at most partially and this results in a higher performance through parallel operation. This means that even large workpieces can be structured very finely.
  • a second laser is provided for generating the second laser beam, which is directed onto the workpiece via the second deflection unit. This allows the two work areas to be worked on independently of each other.
  • a beam splitter is provided, which is arranged between the laser and the first deflection unit and divides the first laser beam between the two deflection units. This can avoid costs for a second laser.
  • a further deflection unit is provided between the first laser and the first deflection unit, which deflects the laser beam from the first to the second deflection unit.
  • the embodiment according to claim 5 is particularly advantageous in that the workpiece is moved essentially perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams among one another, since large workpieces can thereby be reached without a complex process of workpieces and laser units with respect to one another. Additional laser or deflection units can process even larger workpieces according to claim 6.
  • FIG. 1 shows a schematic front view of a device with several lasers
  • Figure 2 is a plan view of the working areas of a work piece ⁇
  • Figure 3 is a device for laser patterning using a beam splitter in front view
  • Figure 4 shows a device for laser structuring with a further deflection device in front view.
  • FIG. 1 shows how a workpiece 1 is structured using laser beams 3.
  • a total of five lasers 2 are shown in the arrangement shown there, each of which generates a laser beam 3.
  • the laser beams 3 are articulated by a total of five deflection units 4, two of which are also shown hidden.
  • Each deflection unit 4 has an objective 5 in order to focus the laser beam 3 on the workpiece 1.
  • the lasers 2 and the entire arrangement are fastened in a frame 6.
  • the workpiece 1 is moved perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams with one another by means of a transport device 7.
  • FIG 2 which shows the workpiece in plan view
  • the work areas 8 are shown on the workpiece 1.
  • the transport direction 9 in which the workpiece 1 is moved under the laser beams is, as can be seen, perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams. Due to the parallel operation described, large-area workpieces 1 can thus be structured precisely and finely, since each deflection unit 4 only has a limited working area 8 is working.
  • the working areas of the different deflection units 4 should overlap only as slightly as possible in order to be able to machine workpieces 1 that are as large as possible.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment in which, instead of five lasers 2, a beam splitter 10 is arranged, which splits the one laser beam from laser 2 into a total of five laser beams 3, which, analogous to the method already described, via five deflection units 4 onto workpiece 1 be mapped.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment in which, instead of the beam splitter 10, a further deflection unit 11 divides the laser beam of the first laser 2 into a total of five laser beams 3.
  • the different deflection units 4 have to be synchronized with one another since, owing to the further deflection unit 11, the deflection units 4 only have the laser beam available for a limited time.

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Abstract

The high-precision laser-structuring of workpieces (1) relies on the use of deflection units (4) which because of the focal length of the objectives (5) can operate in only a limited area to be processed (8). To process workpieces (1) having large surface areas the invention provides for means for producing additional laser beams (3), as well as for additional deflection units (4). In this way several areas (8) of the workpiece (1) are processed in parallel and can each be structured in a highly precise manner. To this end the workpiece (1) is guided substantially perpendicular to the laser beams (3) and perpendicular to the laser beam (3) system.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zum Laserstrukturieren von Werk¬ stücken V orrichtung and method for laser structuring of work ¬ pieces
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Laserstrukturieren von Werkstücken, mit einem ersten Laser zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls, mit mindestens einer ersten Ablenkeinheit, die den ersten Laser- strahl innerhalb eines der ersten Ablenkeinheit zugeordneten ersten Arbeitsbereiches auf dem Werkstück ablenkt.The invention relates to a device and a method for laser structuring workpieces, with a first laser for generating a first laser beam, with at least one first deflection unit which deflects the first laser beam on the workpiece within a first work area assigned to the first deflection unit.
Die Bearbeitung von Werkstücken mit Lasern bekommt zunehmend Bedeutung vor allem im Bereich der Mikrobearbeitung, zum Bei- spiel bei der Laserdirektstrukturierung, beim Laserbohren, beim Laserschmelzen, beim Laserlöten, beim Laserbeschriften und beim Laserschneiden. Im folgenden werden diese unterschiedlichen Verfahren unter dem Begriff Laserstrukturieren zusammengefaßt. Beim Laserbohren und beim Strukturieren von Verdrahtungskomponenten (Leiterplatten und Multichipmodulen) können Löcher und Leiterstrukturen mit Strukturabmessungen <50 μm hergestellt werden. Muster mit Leiterbahnstrukturen von 20 μm sind bereits demonstriert. Die minimale Strukturgröße ist dabei von der Brennweite des verwendeten Objektivs der Ablenkeinheit abhängig. Dadurch ist die Größe des Arbeitsbereiches eingeschränkt. Um ein Werkstück zu bearbeiten, das größer ist als der Bearbeitungsbereich der Ablenkeinheit, sind Werkstück und Lasereinheit quer zu einer Durchlaufrichtung des Werkstücks zu verfahren, was mit erhöhtem Zeitauf- wand für den Verfahrweg und für die zusätzliche Justage von Werkstück und Lasereinheit zueinander verbunden ist.The processing of workpieces with lasers is becoming increasingly important, particularly in the field of micromachining, for example in laser direct structuring, laser drilling, laser melting, laser soldering, laser marking and laser cutting. These different methods are summarized below under the term laser structuring. When laser drilling and structuring wiring components (printed circuit boards and multichip modules), holes and conductor structures with structure dimensions <50 μm can be produced. Patterns with trace structures of 20 μm have already been demonstrated. The minimum structure size depends on the focal length of the lens of the deflection unit used. This limits the size of the work area. In order to machine a workpiece that is larger than the machining area of the deflection unit, the workpiece and the laser unit have to be moved transversely to a direction of travel of the workpiece, which is associated with increased expenditure of time for the travel path and for the additional adjustment of the workpiece and laser unit to one another.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken anzugeben, die ein schnelles, hochgenaues Strukturieren von großen Werkstücken ermöglicht. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genanntenIt is the object of the invention to provide a method and a device for laser structuring of workpieces, which enables fast, highly precise structuring of large workpieces. The object is achieved with a device of the type mentioned
Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. A rt solved with the characterizing features of claim 1 or by a method with the features of claim 7.
Erfindungsgemäß ist dabei eine zweite Ablenkeinheit mit einem zugeordneten zweiten Arbeitsbereich vorgesehen, die parallel zur ersten Ablenkeinheit mit dem ersten Arbeitsbereich arbeitet. Die beiden Arbeitsbereiche überlappen sich höchstens teilweise und dadurch ergibt sich eine höhere Leistung durch den Parallelbetrieb. So können auch großflächige Werkstücke sehr fein strukturiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist ein zweiter Laser zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls vorgesehen, der über die zweite Ablenkeinheit auf das Werkstück gerichtet ist. Dadurch lassen sich die beiden Arbeitsbereiche unabhängig voneinander bearbeiten.According to the invention, a second deflection unit with an assigned second work area is provided, which works parallel to the first deflection unit with the first work area. The two work areas overlap at most partially and this results in a higher performance through parallel operation. This means that even large workpieces can be structured very finely. In an advantageous embodiment, a second laser is provided for generating the second laser beam, which is directed onto the workpiece via the second deflection unit. This allows the two work areas to be worked on independently of each other.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 ist ein Strahlteiler vorgesehen, der zwischen dem Laser und der ersten Ablenkeinheit angeordnet ist, und den ersten Laserstrahl auf beide Ablenkeinheiten aufteilt. Dadurch können Kosten für einen zweiten Laser vermieden werden.In a further preferred embodiment, a beam splitter is provided, which is arranged between the laser and the first deflection unit and divides the first laser beam between the two deflection units. This can avoid costs for a second laser.
Gemäß Anspruch 4 ist eine weitere Ablenkeinheit zwischen dem ersten Laser und der ersten Ablenkeinheit vorgesehen, die den Laserstrahl von der ersten auf die zweite Ablenkeinheit ablenkt. Dadurch lassen sich höhere Leistungen für die Laser- strukturierung als bei einer Strahlteilung benutzen, allerdings ist nun dafür Sorge zu tragen, daß die erste und die zweite Ablenkeinheit aufeinander synchronisiert sind.According to claim 4, a further deflection unit is provided between the first laser and the first deflection unit, which deflects the laser beam from the first to the second deflection unit. As a result, higher powers can be used for laser structuring than with beam splitting, but care must now be taken to ensure that the first and second deflection units are synchronized with one another.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 dadurch, daß das Werkstück im wesentlichen senkrecht zu den Laserstrahlen und senkrecht zu der Anordnung der Laserstrah- len untereinander bewegt wird, da dadurch großflächige Werkstücke ohne ein aufwendiges Verfahren von Werkstücken und Lasereinheiten zueinander erreicht werden. Zusätzliche Laser- oder Ablenkeinheiten können noch größere Werkstücke gemäß Anspruch 6 bearbeiten.The embodiment according to claim 5 is particularly advantageous in that the workpiece is moved essentially perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams among one another, since large workpieces can thereby be reached without a complex process of workpieces and laser units with respect to one another. Additional laser or deflection units can process even larger workpieces according to claim 6.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Dabei zeigenEmbodiments of the invention are explained with reference to the figures of the drawing. Show
Figur 1 eine schematische Vorderansicht über eine Vorrichtung mit mehreren Lasern,FIG. 1 shows a schematic front view of a device with several lasers,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Arbeitsbereiche eines Werk¬ stücks, Figur 3 eine Vorrichtung zum Laserstrukturieren mit einem Strahlteiler in Vorderansicht undFigure 2 is a plan view of the working areas of a work piece ¬, Figure 3 is a device for laser patterning using a beam splitter in front view, and
Figur 4 eine Vorrichtung zum Laserstrukturieren mit einer weiteren Ablenkeinrichtung in Vorderansicht.Figure 4 shows a device for laser structuring with a further deflection device in front view.
In Figur 1 ist dargestellt, wie ein Werkstück 1 mittels Laserstrahlen 3 strukturiert wird. Dabei sind in der dort dargestellten Anordnung insgesamt fünf Laser 2 dargestellt, die jeweils einen Laserstrahl 3 erzeugen. Wie aus Figur 2 ersichtlich, sind dabei zwei der fünf Laser 2 teilweise ver- deckt angeordnet. Die Laserstrahlen 3 werden durch insgesamt fünf Ablenkeinheiten 4, wovon ebenfalls zwei verdeckt dargestellt sind, angelenkt. Jede Ablenkeinheit 4 weist dabei ein Objektiv 5 auf, um den Laserstrahl 3 auf dem Werkstück 1 zu fokussieren. Die Laser 2 und die gesamte Anordnung sind dabei in einem Gestell 6 befestigt. Mit einer Transportvorrichtung 7 wird das Werkstück 1 senkrecht zu den Laserstrahlen und senkrecht zu der Anordnung der Laserstrahlen untereinander bewegt .FIG. 1 shows how a workpiece 1 is structured using laser beams 3. A total of five lasers 2 are shown in the arrangement shown there, each of which generates a laser beam 3. As can be seen from FIG. 2, two of the five lasers 2 are partially covered. The laser beams 3 are articulated by a total of five deflection units 4, two of which are also shown hidden. Each deflection unit 4 has an objective 5 in order to focus the laser beam 3 on the workpiece 1. The lasers 2 and the entire arrangement are fastened in a frame 6. The workpiece 1 is moved perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams with one another by means of a transport device 7.
In Figur 2, die das Werkstück in Draufsicht zeigt, sind die Arbeitsbereiche 8 auf dem Werkstück 1 dargestellt. Die Transportrichtung 9, in der das Werkstück 1 unter den Laserstrahlen bewegt wird, ist, wie zu sehen, senkrecht zu den Laserstrahlen und senkrecht zu der Anordnung der Laserstrahlen. Durch den beschriebenen Parallelbetrieb lassen sich somit großflächige Werkstücke 1 genau und fein strukturieren, da jede Ablenkeinheit 4 nur in einem begrenzten Arbeitsbereich 8 arbeitet. Die Arbeitsbereiche der unterschiedlichen Ablenkeinheiten 4 sollten sich dabei nur möglichst geringfügig überlappen, um möglichst große Werkstücke 1 bearbeiten zu können. Bei Abständen zwischen den Arbeitsbereichen 8 senk- recht zur Transportrichtung 9 werden in Transportrichtung 9 weitere Arbeitsbereiche 12 vorgesehen, so daß sich die Arbeitsbereiche 8 teilweise überlappen, wenn das Substrat in der Transportrichtung 9 weiterbewegt wird.In Figure 2, which shows the workpiece in plan view, the work areas 8 are shown on the workpiece 1. The transport direction 9 in which the workpiece 1 is moved under the laser beams is, as can be seen, perpendicular to the laser beams and perpendicular to the arrangement of the laser beams. Due to the parallel operation described, large-area workpieces 1 can thus be structured precisely and finely, since each deflection unit 4 only has a limited working area 8 is working. The working areas of the different deflection units 4 should overlap only as slightly as possible in order to be able to machine workpieces 1 that are as large as possible. At distances between the work areas 8 perpendicular to the transport direction 9, further work areas 12 are provided in the transport direction 9, so that the work areas 8 partially overlap when the substrate is moved further in the transport direction 9.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem anstelle von fünf Lasern 2 ein Strahlteiler 10 angeordnet ist, der den einen Laserstrahl des Lasers 2 in insgesamt fünf Laserstrahlen 3 aufteilt, die analog zum bereits beschriebenen Verfahren über fünf Ablenkeinheiten 4 auf das Werkstück 1 abgebildet werden.FIG. 3 shows a further exemplary embodiment in which, instead of five lasers 2, a beam splitter 10 is arranged, which splits the one laser beam from laser 2 into a total of five laser beams 3, which, analogous to the method already described, via five deflection units 4 onto workpiece 1 be mapped.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem statt des Strahlteilers 10 eine weitere Ablenkeinheit 11 den Laserstrahl des ersten Lasers 2 in insgesamt fünf La- serstrahlen 3 aufteilt. Hierbei müssen allerdings die unterschiedlichen Ablenkeinheiten 4 aufeinander synchronisiert werden, da aufgrund der weiteren Ablenkeinheit 11 die Ablenkeinheiten 4 den Laserstrahl nur zu einer begrenzten Zeit zur Verfügung haben. FIG. 4 shows a further exemplary embodiment in which, instead of the beam splitter 10, a further deflection unit 11 divides the laser beam of the first laser 2 into a total of five laser beams 3. In this case, however, the different deflection units 4 have to be synchronized with one another since, owing to the further deflection unit 11, the deflection units 4 only have the laser beam available for a limited time.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1), mit einem ersten Laser (2) zur Erzeugung eines ersten Laser- Strahls (3), mit mindestens einer ersten Ablenkeinheit (4), die den ersten Laserstrahl (2) innerhalb eines der ersten Ab¬ lenkeinheit (4) zugeordneten ersten Arbeitsbereiches (8) auf dem Werkstück (1) ablenkt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (2, 10, 11) zur Erzeugung mindestens eines zweiten Laserstrahls (3) im wesentlichen parallel zum ersten Laserstrahl (3) vorgesehen sind, daß mindestens eine zweite Ablenkeinheit (4) mit einem zugeordneten zweiten Arbeitsbereich (8), der sich höchstens teil- weise mit dem ersten Arbeitsbereich (8) überlappt, vorgesehen ist.1. Device for laser structuring workpieces (1), with a first laser (2) for generating a first laser beam (3), with at least one first deflection unit (4) which the first laser beam (2) within one of the first Ab ¬ deflecting the first working area (8) assigned to the steering unit (4) on the workpiece (1), characterized in that means (2, 10, 11) for generating at least one second laser beam (3) are provided substantially parallel to the first laser beam (3) are that at least one second deflection unit (4) is provided with an assigned second work area (8), which at most partially overlaps with the first work area (8).
2. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2, 10, 11) zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls (3) als zweiter Laser (2) ausgebildet sind.2. Device for laser structuring of workpieces (1) according to claim 1, characterized in that the means (2, 10, 11) for generating the second laser beam (3) are designed as a second laser (2).
3. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2,10,11) zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls (3) als Strahlteiler (10) zwischen dem Laser (2) und der ersten Ablenkeinheit (4) ausgebildet sind, die den ersten Laserstrahl (3) aufteilen.3. Device for laser structuring workpieces (1) according to claim 1, characterized in that the means (2,10,11) for generating the second laser beam (3) as a beam splitter (10) between the laser (2) and the first deflection unit (4) are formed, which divide the first laser beam (3).
4. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2,10,11) zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls (3) als eine weitere Ablenkeinheit (11) zwischen dem ersten Laser (2) und der ersten Ablenkeinheit (4) ausgebildet sind, die den ersten Laserstrahl (3) von der ersten Ablen¬ keinheit (4) in Richtung der zweiten Ablenkeinheit (4) ab¬ lenkt.4. Device for laser structuring workpieces (1) according to claim 1, characterized in that the means (2,10,11) for generating the second laser beam (3) as a further deflection unit (11) between the first laser (2) and the first deflection unit (4) are that directs the first laser beam (3) is not uniform from the first Ablen ¬ (4) in the direction of the second deflecting unit (4) from ¬.
5. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Transportvorrichtung (7) zum Transport des Werkstücks (1) in einer senkrechten Richtung zu den Laserstrahlen (3) vorgesehen sind und daß die Laserstrahlen (3) untereinander im wesentlichen parallel und zusätzlich senkrecht zur Transportrichtung (9) des Werkstücks (1) ausgebildet sind.5. Device for laser structuring workpieces (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a transport device (7) for transporting the workpiece (1) in a perpendicular direction to the laser beams (3) are provided and that the laser beams (3) are essentially mutually parallel and additionally perpendicular to the transport direction (9) of the workpiece (1).
6. Vorrichtung zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Ablenkeinheiten (4) und damit mehr als zwei Arbeitsbereiche (8) auf dem Werkstücke (1) vorgesehen sind.6. Device for laser structuring of workpieces (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that more than two deflection units (4) and thus more than two work areas (8) are provided on the workpieces (1).
7. Verfahren zum Laserstrukturieren von Werkstücken (1), wobei mit einer ersten Ablenkeinheit (4) ein erster Laserstrahl (3) in einem der ersten Ablenkeinheit (4) zugeordneten ersten Ar- beitsbereich (8) auf dem Werkstück (1) abgelenkt wird und dadurch das Werkstück (1) im Bereich des ersten Arbeitsbereichs (8) strukturiert wird und wobei mit einer zweiten Ablenkeinheit (4) der erste oder ein weiterer Laserstrahl (3) in einem der zweiten Ablenkeinheit (4) zugeordnete zweiten Arbeitsbereich (8) auf dem Werkstück (1) abgelenkt wird und dadurch das Werkstück (1) im Bereich dieses zweiten Arbeitsbereichs (8) strukturiert wird, wobei sich der erste und der zweite Arbeitsbereich (8) im wesentlichen nicht überschneiden. 7. A method for laser structuring workpieces (1), a first laser beam (3) being deflected with a first deflection unit (4) in a first work area (8) assigned to the first deflection unit (4) on the workpiece (1) and thereby structuring the workpiece (1) in the area of the first work area (8) and wherein with a second deflection unit (4) the first or a further laser beam (3) in a second work area (8) assigned to the second deflection unit (4) Workpiece (1) is deflected and thereby the workpiece (1) is structured in the area of this second work area (8), the first and the second work area (8) essentially not overlapping.
8. Verfahren zum Laserstrukturieren nach Anspruch 7, dadurch gekennzei chnet , daß das Werkstück (1) im wesentlichen senkrecht zu den Laserstrahlen (3) und im wesentlichen senkrecht zu der Anordnung der Arbeitsbereiche (8) bewegt wird. 8. The method for laser structuring according to claim 7, characterized in that the workpiece (1) is moved substantially perpendicular to the laser beams (3) and substantially perpendicular to the arrangement of the work areas (8).
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