WO2002055255A1 - Vorrichtung zum laserstrahlbohren von sacklöchern in mehrschichtplatinen - Google Patents

Vorrichtung zum laserstrahlbohren von sacklöchern in mehrschichtplatinen Download PDF

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WO2002055255A1
WO2002055255A1 PCT/EP2001/014080 EP0114080W WO02055255A1 WO 2002055255 A1 WO2002055255 A1 WO 2002055255A1 EP 0114080 W EP0114080 W EP 0114080W WO 02055255 A1 WO02055255 A1 WO 02055255A1
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laser
drilling
plasma
radiation
laser beam
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PCT/EP2001/014080
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Manfred Geiger
Michael Schmidt
Gerd Esser
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Lpkf Laser & Electronics Ag
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    • H05K3/0038—Etching of the substrate by chemical or physical means by laser ablation of organic insulating material combined with laser drilling through a metal layer

Definitions

  • the invention relates to a device for laser drilling blind holes in multilayer boards with a plurality of insulating carrier layers and electrically conductive metal tracks applied thereon.
  • laser beam drilling has basically proven itself in the prior art.
  • the pulsed laser beam is processed with a pulsed laser beam source and a current guiding device and directed to the respective drilling point on the circuit board.
  • the definition of the borehole geometry can take place either via so-called scanner mirrors or via a mask image.
  • the workpiece is positioned by means of a storage position and corresponding movement of the workpiece on a cross slide table if blind holes that are further apart are drilled.
  • JP 090 10971 A represents the generic state of the art, to use a frequency-sensitive plasma radiation detector which detects the radiation intensity of the plasma, which is removed when the opening is drilled
  • Material of a conductor track hit by the laser pulses is generated in the interior of the multilayer board or by the dielectric intermediate layer.
  • radiation with characteristic spectral lines is generated, which occurs precisely when the laser beam interacts with the respective material in the course of the drilling process.
  • the measured signals which represent certain spectral lines, are used in order to derive a peak value at a specific wavelength or frequency of the plasma spectrum.
  • the threshold value cannot be determined in the case of one or more weak laser pulses, even though the drilling beam has already reached the target metal layer. In this respect, the device drills further with the risk that the target conductor track is pierced.
  • JP 100 85 976 A it is also known to detect the laser light reflected from the drilling area in order to control the drilling depth position. As long as the carrier layer consisting of insulating material is pierced, the proportion of reflected light is low. As soon as the copper layer lying inside the multilayer board is hit, the proportion of reflected light increases significantly, which is detected by the reflection detector becomes. Here too, the reflected light depends on the power of the irradiated laser pulse and the diameter and depth of the blind hole to be drilled.
  • JP 11 320 155 A proposes to detect the pulse power of the laser by means of a corresponding pulse monitor diode and to use an arithmetic processor to relate this signal to the signal which represents the intensity of the reflected laser light. This generates a normalized signal that allows more reliable detection and tracking of the drilling process.
  • the detection of the reflected laser light is fundamentally problematic at greater drilling depths.
  • the invention has for its object to improve a generic device for laser beam drilling so that a more reliable and accurate detection of the drilling depth and in particular the material taken with each pulse is made possible.
  • the invention is based on two combined core measures.
  • a further frequency-sensitive plasma radiation detector is used, which detects the radiation intensity of the plasma generated by drilling the opening from the removed insulating material of the respective carrier layer.
  • This use of two detectors now allows a reliable differentiation between the different layers in the multilayer board, since it is not necessary to rely on the absolute peak value of a characteristic spectral line of the plasma of only one material. Rather, the "interplay" between the signals of the two detectors can be evaluated, which takes place independently of the absolute value of the measured signal intensity.
  • the second core measure of the invention is to provide a laser detector for detecting the respective pulse intensity of each pulse of the laser beam source and to normalize the radiation intensity of the plasma signals, which is directly dependent on the pulse power, with the signal from the laser detector.
  • the power-related signal fluctuations of the plasma radiation detectors are compensated, which further minimizes the risk of wrong decisions with regard to the drilling depth.
  • the invention creates the basis for generating "memory-based" algorithms and using them for logging a drilling process and controlling subsequent drilling processes. For at least one standardized signal is available for each point in time of a drilling process, which represents the respective drilling situation and can be used for comparison with subsequent drilling processes.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams of laser beam drilling devices in two different embodiments and
  • Fig. 3 is a diagram of the drilling process with different
  • Drilling depth positions and corresponding measurement signal-time diagrams. 1 shows a laser drilling device, designated as a whole by the reference numeral 1, and a workpiece in the form of a multi-purpose blank 2.
  • the drilling device 1 has a pulsed laser beam source 3 in the form of, for example, a Q-switched, frequency-multiplied YAG laser, the beam 10 of which is processed in a Stiald operations issued designated as a whole and guided to the multilayer board 2.
  • the collimator 4 includes a collimation lens 5, a dichroic beam splitter 6, a pair of scanner mirrors 7, 8 which can be actuated by actuators (not shown in detail) and a focusing lens 9.
  • the dichroic beam splitter 6 is reflective for the laser beam 10 , the main part being deflected by approximately 99.7% of the beam intensity to the scanner mirrors 7, 8 and thus to the workpiece.
  • Part of the laser beam power passes through the beam splitter 6 and strikes a laser detector 11 - a so-called "pulse monitor" - which detects the respective pulse intensity of each pulse of the laser beam source 3 and outputs a corresponding measurement signal.
  • a diffuser plate 12 for mode destruction and a gray filter 13 are arranged in front of the laser detector 11. The latter is used for level adjustment of the sensor used in the laser detector 11.
  • two plasma radiation detectors 14, 15 are arranged above the dichroic beam splitter which is transmissive for this radiation type in the beam axis region which is not acted upon by the laser light and which goes upward in relation to FIG. 1 ,
  • the two radiation detectors 14, 15 are each arranged with the interposition of a gray filter 13 and a bandpass filter 19 and 20, respectively.
  • One radiation detector 14 detects the plasma radiation which arises when the respective copper layer 21 of the multi-layer circuit board 2 is removed.
  • the bandpass filter 19 is transparent to the corresponding plasma radiation wavelength.
  • the second radiation detector 15 is designed to detect the plasma radiation generated when the dielectric intermediate layer 22 is removed. Accordingly, the bandpass filter 20 is transparent to the wavelength of this plasma radiation. Between the band-pass filters 19, 20 and the detectors 14, 15 there is also a focusing lens 23 which concentrates the plasma radiation into the respective detector.
  • the plasma signal detection in the two radiation detectors 14, 15 can be implemented, for example, by a photodiode detector or a photomultiplier.
  • the detectors 11, 14, 15 are connected via corresponding signal lines 24, 25, 26 to a signal evaluation device 27 which is integrated in the control of the laser steel drilling device 1 in the usual way.
  • FIG. 2 Before going into the signal evaluation of the detectors 11, 14, 15, which is part of the essence of the invention, an alternative construction for the detection of the plasma radiation will be explained with reference to FIG. 2. Regarding the generation and guidance of the laser radiation required for drilling, the exemplary embodiment according to FIG. Fig. 1 no differences. Common parts are provided with identical reference symbols and reference is made to the corresponding passages for FIG. 1.
  • the variant according to FIG. 2 differs only in the arrangement of the radiation detectors 14, 15.
  • an “off-axis structure” is shown in FIG. 2.
  • the radiation detectors 14, 15 are namely arranged to the side of the laser beam axis at a larger solid angle and detect a larger area on the multilayer board 2. This is indicated by the "recording cones" 28, 29 in FIG. 2.
  • each of the two radiation detectors 14, 15 is again responsible for the plasma radiation of the copper layer 21 or intermediate layer 22. Accordingly, a bandpass filter 19 and 20 and a gray filter 13 are placed in front of the detectors 14, 15 for power adjustment.
  • a plurality of detectors of each type can be arranged around the focusing lens 9. This increases detection reliability.
  • Diagram A now shows schematically the signal generated at radiation detector 14 for the plasma generated by copper layers 21.
  • the individual signals can represent pulse peak values or the integrals of the respective plasma signals.
  • Diagram B shows the signal from laser detector 11.
  • Each diagram bar represents a laser beam pulse, the amplitude of which fluctuates noticeably.
  • Diagram C now shows the signal normalized with the respective amplitude of the signal from the laser detector 11.
  • the signal fluctuations which can be seen in diagram A and which can be attributed to varying laser beam powers or energies of the pulses are obviously eliminated.
  • the decreasing amplitude of the signal in diagram C at time t1 can now be attributed to the passage of the drilling depth position through the top copper layer 21.1 and the entry into the intermediate layer 22.1 below.
  • diagram D which shows the signal of the radiation detector 15 standardized to the laser power / energy
  • an increasing signal is obtained on this signal detector 15 when the drilling depth position passes from the first copper layer 21.1 into the intermediate layer 22.1 below it. that remains at a maximum until time t2.
  • the Bohi depth position passes from the first intermediate layer 22.1 into the second copper layer 21.2, so that the plasma radiation originating from the intermediate layer 22.1 and the corresponding signal in diagram D decrease.
  • the plasma generated by the copper layer 21.2 increases in intensity, so that the corresponding signal in the slide gram C increases until time t3.
  • the absolute size of the signal of the copper layer 21.2 is smaller than the signal of the copper layer 21.1 by the difference .DELTA.l, which results from the increasing drilling depth and the associated shadowing of the plasma grinding.
  • the signal after time t5 is again lower by the difference ⁇ 3.
  • the signal decreases with increasing depth of the borehole, which, however, has no influence on the determination of the respective layer as long as useful signals of sufficient amplitude are still available. Because of the "interplay" between the signals of the two radiation detectors shown, very high reliability can be achieved even with large drilling depths.
  • the indicated intensity profiles of the signals of the radiation detectors 14, 15 can also be determined with the aid of the signal evaluation device 27, the two can be realized, for example, by a conventional PC-based data processing system, stored and called up for comparison in subsequent drilling processes on over-matching types of multilayer boards 2. If there are then different signal curves, this indicates errors or deviations in the layer structure of the multilayer board being processed. In this respect, the laser steel drilling device can also contribute to quality assurance of the manufacturing process of the blanks. Of course, the storage of this data allows e.g. B. in the form of two values per detector and pulse, logging and documentation of the ablation process for each borehole.
  • the "interplay" shown above can also be implemented in an even more perfected manner, as can be explained on the basis of the different drilling depth positions in the multilayer board 2 shown at the top of FIG. 3.
  • two basic, differently high levels of performance are achieved medium laser power worked, which can be achieved by varying the laser pulse frequency via a Q-switch.
  • the higher power level is used, which is sufficient for the ablation of the copper material in the metal track 21.1.
  • the corresponding plasma radiation detector 14 for the metal web detects a high signal, which decreases significantly when the laser beam enters the underlying carrier layer 22.1, while the corresponding signal at the radiation detector 15 for the plasma radiation of the ablated carrier material increases sharply.
  • This can be used by the control of the laser drilling device as a significant criterion to reduce the mean laser power to a lower level by for example the laser pulse frequency is reduced.
  • This level of performance is sufficient to ablate the epoxy material of the carrier layer 22.1 and thus to deepen the borehole.
  • this level of performance is not sufficient to remove metal material, the drilling process “automatically” ends at the next metal path 21.2 (see middle sectional view in FIG. 3 above).
  • the signal at the control detector 15 collapses, since the carrier material no longer generates any plasma radiation due to the drilling. This in turn can be used as a criterion for reaching the metal track 21.2. are used, whereupon the control increases the average laser power again and thus causes the metal track 21.1 to be removed. This continues again until the signal at the signal detector 14 for the plasma radiation of the metal track drops significantly and the corresponding epoxy plasma signal at the other signal detector 15 rises again. As a result of this event, the laser power is reduced again to the level for exclusively drilling the epoxy material until the drilling depth position shown in the top right section of FIG. 3 is finally reached. The drilling process can then be interrupted, for example, if double contacting is only to be achieved up to this metal track 21.3.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Laerstrahlbohren von Sacklöchern in Mehrschichtplatinen weist zwei Plasma-Strahlungsdetektoren (14, 15) zur Erfassung der jeweils von der Leiterbahnschicht (21)bzw. Dielektrischen wischenschicht (22) emittierten Plasmastrahlung sowie einen Laserdetektor (11) zur Ermittlung der Intensität jedes Laserstrahlpulses auf.

Description

VORRICHTUNG ZUM LASERSTRAHLBOHREN VON SACKLÖCHERN IN MEHRSCHICHTPLATINEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahlbohren von Sacklöchern in Mehrschichtplatinen mit mehreren isolierenden Trägerlagen und darauf aufgebrachten elektrisch leitenden Metallbahnen.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, daß bei solchen Mehrschichtplatinen zur Vornahme von Durchkontaktierungen zwischen Metallbahnen auf unterschiedhchen Trägerlagen - also Kontaktierungen zwischen den verschiedenen Ebenen einer Mehrschichtplatine - Sacklöcher mit definierter Tiefe in die Platine gebohrt werden müssen. Soll beispielsweise eine Durchkontaktierung zwischen der ersten und dritten Leiterbahn-Ebene erfolgen, so muß die Bohrtiefe genau bis in die in der Größenordnung von Mikrometern liegende Dicke der Ziel-Metallbahn im Inneren der Platine reichen. Endet das Sackloch noch vor der Leiterbahn, so verhindert das noch anstehende Isoliermaterial eine Kontaktverbindung über das Bohrloch. Wird die Ziel-Leiterbahn durchgebohrt, so steht als Kontaktfläche lediglich die das Bohrloch umgebende, ringförmige Stirnkante der Leiterbahn zur Verfügung, was in der Regel ebenfalls keine erfolgreiche Kon- taktverbindung über ein in das Bohrloch eingefülltes Kontaktmaterial erlaubt.
Für die Durchführung solch diffiziler Bohraufgaben hat sich im Stand der Technik nun grundsätzlich das Laserstrahlbohren bewährt. Hierbei wird mit einer gepulsten Laserstrahlquelle und einer StraWfühπmgseiiirichtung der gepulste Laserstrahl aufbereitet und zur jeweiligen Bohrstelle an der Platine geleitet. Die Festlegung der Bohrlochgeometrie (Durchmesser, Form) kann entweder über sogenannte Scanner-Spiegel oder über eine Maskenabbildung stattfinden. Über eine Lagerang und entsprechende Verfahrung des Werkstückes auf einem Kreuzschlittentisch erfolgt die Positionierung des Werkstückes, falls weiter auseinander liegende Sacklöcher gebohrt werden.
Zur Überwachung des Bohrprozesses, also zur Erfassung der jeweils aktuellen Bohrtiefenlage, ist es aus der den gattungsbildenden Stand der Technik repräsentierenden JP 090 10971 A bekannt, einen frequenzsensitiven Plasma-Strahlungsdetektor einzusetzen, der die Strahlungsintensität des Plasmas erfaßt, das beim Bohren der Öffnung vom abgetragenen Material einer von den Laserpulsen getroffenen Leiterbahn im Inneren der Mehrschichtplatine oder von der dielektrischen Zwischenschicht erzeugt wird. Beim Abtragen eines Materials durch Laserpulse wird nämlich eine Strahlung mit charakteristischen Spektrallinien erzeugt, die genau dann auftre- ten, wenn der Laserstrahl im Verlaufe des Bohrprozesses mit dem jeweiligen Material wechselwirkt. Die gemessenen Signale, die bestimmte Spektrallinien repräsentieren, werden herangezogen, um daraus bei einer bestimmten Wellenlänge bzw. Frequenz des Plasmaspektrums einen Spitzenwert abzuleiten. In der genannten JP-Drackschrift weiden dabei lediglich die von der Leiterbahn herrührenden Signale selektiert und weiterverarbeitet. Demnach wird der abgeleitete Spitzenwert mit einem vorher gesetzten Schwellenwert verglichen, wobei ein Überschreiten dieses Schwellenwertes indiziert, daß der jeweilige Laserpuls die Leiterbahn im Inneren der Mehr- schichtplatine getroffen hat. Der Bohrprozeß wird schließlich dann an- gehalten, wenn für eine vorbestimmte Anzahl von Laserpulsen der jeweils gemessene Spitzenwert den gesetzten Schwellenwert überschritten hat. Die Zuverlässigkeit der Bohrtiefensteuerung bei der aus dem Stand der Technik bekannten Laserstrahlbohrvorrichtung ist nun dahingehend problematisch, daß bestimmte Lasertypen, die an sich für den Praxiseinsatz zum Laserstrahlbohren bestens geeignet sind, von Puls zu Puls starke Leistungsschwankungen aufweisen können. Diese beeinflussen direkt die Intensität der erzeugten Plasmastrahlung und damit die Signalspannung der zur Strahlungserfassung eingesetzten Detektoren. Wird nun - wie beim Stand der Technik - die Signalintensität mit einem festen vorgegebenen Schwellenwert verglichen, so kann bei einem oder mehreren schwachen Laserpulsen keine Überschreitung des Schwellenwertes festgestellt werden, obwohl der Bohrstrahl bereits in der Ziel-Metallschicht angelangt ist. Insoweit bohrt die Vorrichtung also mit der Gefahr weiter, daß die Ziel- Leiterbahn durchbohrt wird.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß je nach Tiefe und Durchmesser des Bohrloches durch Abschattungseffekte die meßbare Plasmaintensität stark schwanken kann. Auch dies macht den im Stand der Technik verwendeten Schwellenwertvergleich ungenau, was ebenfalls zu Problemen mit der Zielgenauigkeit bezüglich der Bohrtiefenlage führt.
Aus der JP 100 85 976 A ist es ferner bekannt, zur Steuerung der Bohrtiefenlage das aus dem Bohrbereich reflektierte Laserlicht zu erfassen. Solange die aus Isoliermaterial bestehende Trägerschicht durchbohrt wird, ist der Anteil an reflektiertem Licht gering. Sobald die im Inneren der Mehi- schichtplatine liegende Kupferschicht getroffen wird, erhöht sich der Anteil an reflektiertem Licht signifikant, was durch den Reflektionsdetektor erfaßt wird. Auch hier ist das reflektierte Licht abhängig von der Leistung des eingestrahlten Laserpulses und von Durchmesser und Tiefe des zu bohrenden Sackloches.
Zur Behebung der vorstehenden Problematik schlägt die JP 11 320 155 A vor, die Pulsleistung des Lasers durch eine entsprechende Pulsmonitordiode zu erfassen und dieses Signal durch einen arithmetischen Prozessor in Bezug zu dem Signal zu setzen, das die Intensität des reflektierten Laserlichtes repräsentiert. Dadurch wird ein normalisiertes Signal generiert, das eine zuverlässigere Erfassung und Verfolgung des Bohrprozesses erlaubt. Allerdings besteht auch hier das Problem, daß bei größeren Bohrtiefen die Erfassung des reflektierten Laserlichtes grundsätzlich problematisch ist.
Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahlbohren so zu verbessern, daß eine zuverlässigere und genauere Erfassung der Bohrtiefenlage und insbesondere des bei jedem Puls getroffenen Materials ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach fußt die Erfϊndung auf zwei miteinander kombinierten Kernmaßnahmen. Zum einen wird neben dem Plasmadetektor für die Leiterbahn nämlich ein weiterer fiequenzsensitiver Plasma-Strahlungsdetektor eingesetzt, der die Strahlungsintensität des beim Bohren der Öffnung vom abgetragenen Isoliermaterial der jeweiligen Trägerlage erzeugten Plasmas erfaßt. Diese Verwendung von zwei Detektoren erlaubt nun eine zuverlässige Unterscheidung der verschiedenen Schichten in der Mehrschichtplatine, da nicht auf den absoluten Spitzenwert einer charakteristischen Spektrallinie des Plasmas nur eines Werkstoffes abgestellt werden muß. Vielmehr kann das "Wechselspiel" zwischen den Signalen der beiden Detektoren ausgewertet werden, was unabhängig vom Abso- lutwert der gemessenen Signalintensität stattfindet. Bei einer Bohrtiefenlage, bei der der Laserpuls das Isoliermaterial der Trägerbahn trifft, tritt am Strahlungsdetektor für dessen Plasma ein entsprechendes Signal auf, wogegen am Strahlungsdetektor für das von der Metallbahn erzeugte Plasma kein signifikantes Meßsignal ansteht. Beim Übergang der Bohrtiefenlage von der Trägerlage in die darunter befindliche MetaUschicht bricht das Signal des vom Isoliermaterial erzeugten Plasmas ein, wogegen am Strahlungsdetektor für das von der Leiterbahn erzeugte Plasma nun ein Meßsignal zu erfassen ist. Da der Vergleich der Signalamplituden beider Sensoren unabhängig von deren Spitzenwerten möglich ist, können auch bei tie- fen und engen Bohrlochdimensionen, bei denen die Nutzsignalamplitude stark absinkt, genaue Aussagen über die Bohrtiefenlage getroffen werden.
Zum anderen besteht die zweite Kernmaßnahme der Erfindung darin, einen Laserdetektor zur Erfassung der jeweiligen Pulsintensität eines jeden Pulses der Laserstrahlquelle vorzusehen und die von der Pulsleistung direkt abhängige Strahlungsintensität der Plasmasignale mit dem Signal des Laserdetektors zu normieren. Aufgrund dieser normierten Intensitätssignale werden die leistungsbedingten Signalschwankungen der Plasma-Stiahlungs- detektoren ausgeglichen, was die Gefahr von Fehlentscheidungen hinsicht- lieh der Bohrtiefenlage weiter minimiert. Zusammenfassend werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Laserstrahl- bohrvoπichtung und der dabei eingesetzten DeteMonseinrichrung für die Bohrtiefenlage eine Reihe von Fehlinterpretationen von Meßsignalen verhindert, wie sie beim Stand der Technik systemimmanent auftreten. Darü- berhinaus erübrigt sich beim Erfindungsgegenstand die Festlegung von Schwellwerten bei den Detektorsignalen zur DisMrninierung zwischen den unterschiedlichen Lagen der Mehrschichtplatine beim Bohrprozeß. Ferner wird durch die Erfindung die Basis dafür geschaffen, "gedächtnisbasierte" Algorithmen zu generieren und für die Protokollierung eines Bohrprozesses und die Steuerung nachfolgender Bohrprozesse einzusetzen. Es steht nämlich für jeden Zeitpunkt eines Bohrvorgangs mindestens ein normiertes Signal zur Verfügung, das die jeweilige Bohrsituation repräsentiert und zum Vergleich mit nachfolgenden Bohrprozessen herangezogen werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der Laserstrahlbohrvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich ferner aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert sind. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 schematische Schaubilder von Laserstrahlbohrvorrich- tungen in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen und
Fig. 3 ein Schaubild des Bohrprozesses mit unterschiedlichen
Bohrtiefenlagen und entsprechenden Meßsignal-Zeit- Diagrammen. In Fig. 1 ist eine als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Laser- straWbohrvorrichtung und ein Werkstück in Form einer MehrscMchtplatine 2 dargestellt. Die Bohrvorrichtung 1 weist dabei eine gepulste Laserstrahl- quelle 3 in Form beispielsweise eines gütegeschalteten, frequenzvervielfachten YAG-Lasers auf, dessen Strahl 10 in einer als ganzes mit 4 bezeichneten Stialdführungseinrichtung aufbereitet und zur Mehrschichtplatine 2 geführt wird. Zu der StiaMfühnmgseinrichtung 4 gehört eine Kollima- tionsoptik 5, ein dichroitischer Strahlteiler 6, ein durch nicht näher darge- stellte Aktoren betätigbares Paar von Scannerspiegeln 7, 8 und eine Fokus- sieroptik 9. Der dichroitische Strahlteiler 6 ist für den Laserstrahl 10 reflek- tiv, wobei der Hauptteil von ca. 99,7 % der Strahlintensität zu den Scannerspiegeln 7, 8 und damit zum Werkstück abgelenkt wird. Ein Teil der Laserstrahlleistung tritt durch den Strahlteiler 6 hindurch und trifft auf einen La- serdetektor 11 - einen sogenannten "Pulsmonitor" - der die jeweilige Pulsintensität eines jeden Pulses der Laserstrahlquelle 3 erfaßt und ein entsprechendes Meßsignal ausgibt. Vor dem Laserdetektor 11 sind eine Diffusor- platte 12 zur Modenzerstörung und ein Graufilter 13 angeordnet. Letzterer dient zur Pegelanpassung des im Laserdetektor 11 eingesetzten Sensors.
Zur Erfassung der Strahlungsintensität des beim Laserbohren in der Mehr- schichtplatine 2 entstehenden Plasmas sind oberhalb des für diesen Strahlungstyp transmissiven dichroitischen Strahlteilers in dem vom Laserlicht nicht beaufschlagten, bezogen auf Fig. 1 nach oben abgehenden Strahlach- senbereich zwei Plasma-Strahlungsdetektoren 14, 15 angeordnet. Dazu ist ein weiterer, herkömmlicher Strahlteiler 16 mit einem Teilungsverhältnis von 50 % in der Strahlachse angeordnet. Auf den Achsen der beiden Teilstrahlen 17, 18 der Plasmastrahlung sind die beiden Strahlungsdetektoren 14, 15 unter Zwischenschaltung jeweils wiederum eines Graufilters 13 und eines Bandpaßfilters 19 bzw. 20 angeordnet. Der eine Strahlungsdetektor 14 detektiert dabei die Plasmastrahlung, die beim Abtiagen der jeweiligen Kupferschicht 21 der MehrscMchtplatine 2 entsteht. Dazu ist der Bandpaßfilter 19 durchlässig für die entsprechende Plasmastrahlungs-Wellenlänge.
Der zweite Strahlungsdetektor 15 ist für die Erfassung der bei der Abtra- gung der dielektrischen Zwischenschicht 22 erzeugten Plasmastrahlung ausgelegt. Entsprechend ist der Bandpaßfilter 20 durchlässig für die Wellenlänge dieser Plasmastiahlung. Zwischen den Bandpaßfiltern 19, 20 und den Detektoren 14, 15 sind im übrigen noch jeweils eine Fokussierlinse 23 angeordnet, die die Plasmastrahlung in den jeweiligen Detektor konzen- triert.
Die Plasmasignaldetektion bei den beiden Strahlungsdetektoren 14, 15 kann beispielsweise durch einen Fotodiodendetektor oder einen Fotomulti- plier realisiert werden.
Wie in Fig. 1 femer angedeutet, sind die Detektoren 11, 14, 15 über entsprechende Signalleitungen 24, 25, 26 mit einer Signalauswerteeinrichtung 27 verbunden, die in die Steuerung der Laserstiahlbohrvonichtung 1 in üblicher Weise eingebunden ist.
Bevor auf die zum Kern der Erfindung gehörende Signalauswertung der Detektoren 11, 14, 15 eingegangen wird, soll anhand von Fig. 2 ein alternativer Aufbau für die Detektion der Plasmastrahlung erläutert werden. Bezüglich der Erzeugung und Führung der für das Bohren benötigten Laserstrahlung ergeben sich zum Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 keine Unterschiede. Üljeremstimmende Bauteile sind dabei mit identischen Bezugs- zeichen versehen und es wird auf die entsprechenden Passagen zur Fig. 1 verwiesen.
Die Variante gemäß Fig. 2 unterscheidet sich lediglich in der Anordnung der Strahlungsdetektoren 14, 15. Im Gegensatz zu dem "On-Axis-Aufbau" der Fig. 1 ist in Fig. 2 ein "Off-Axis-Aufbau" gezeigt. Die Strahlungsdetektoren 14, 15 sind nämlich seitlich der Laserstrahlachse in einem größeren Raumwinkel angeordnet und erfassen einen größeren Bereich auf der Mehrschichtplatine 2. Dies ist durch die "Aufhahmekegel" 28, 29 in Fig. 2 angedeutet. In Überemstimmung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist jedoch wiederum jeder der beiden Strahlungsdetektoren 14, 15 jeweils für die Plasmastrahlung der Kupferschicht 21 bzw. Zwischenschicht 22 zuständig. Dementsprechend sind jeweils wieder ein Bandpaßfilter 19 bzw. 20 und zur Leistungsanpassung ein Graufilter 13 vor die Detektoren 14, 15 gesetzt.
Wie in Fig. 2 nicht dargestellt ist, können mehrere Detektoren jeden Typs um die Fokussierlinse 9 herum angeordnet werden. Dadurch wird die Detektionssicherheit erhöht.
Anhand von Fig. 3 ist nun die Signalverarbeitung der erfindungsgemäßen Laserstrahlbohrvorrichtung zu erläutern. Oberhalb der vier Zeit-Signal- Diagramme A bis D sind dabei fünf unterschiedliche Bohrtiefenlagen in der Mehrschichtplatine 2 angedeutet, wie sie zu den Zeiten tl, t2, t3, t4 und t5 vorliegen. Im Diagramm A ist nun schematisch das am Strahlungsdetektor 14 für das von den Kupferschichten 21 erzeugte Plasma entstehende Signal gezeigt. Die einzelnen Signale können dabei Pulsspitzenwerte oder aber die Integrale der jeweiligen Plasmasignale darstellen.
Im Diagramm B ist das Signal des Laserdetektors 11 dargestellt. Jeder Dia- grammbalken repräsentiert einen Laserstrahlpuls, dessen Amplitude erkennbar schwankt.
Im Diagramm C ist nun das mit der jeweiligen Amplitude des Signals des Laserdetektors 11 normalisierte Signal dargestellt. Die in Diagramm A erkennbaren Signalschwankungen, die auf variierende Laserstrahlleistungen bzw. -energien der Pulse zurückzufiihren sind, sind offensichtlich eliminiert. Die zum Zeitpunkt tl hin abnehmende Amplitude des Signals in Dia- gramm C ist nun auf den Durchtritt der Bohrtiefenlage durch die oberste Kupferschicht 21.1 und den Eintritt in die darunterliegende Zwischenschicht 22.1 zurückzuführen.
Wie aus dem Diagramm D, das das auf die Laserleistung/-energie normier- te Signal des Strahlungsdetektors 15 zeigt, erkennbar ist, ergibt sich an diesem Signaldetektor 15 beim Durchtritt der Bohrtiefenlage von der ersten Kupferschicht 21.1 in die darunterliegende Zwischenschicht 22.1 ein steigendes Signal, das bis zur Zeit t2 auf einem Maximum bleibt. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 tritt die Bohi-tiefenlage von der ersten Zwischen- schicht 22.1 in die zweite Kupferschicht 21.2 über, so daß die von der Zwischenschicht 22.1 herrührende Plasmastrahlung und das entsprechende Signal im Diagramm D abnimmt. Das von der Kupferschicht 21.2 erzeugte Plasma nimmt an Intensität zu, so daß das entsprechende Signal im Dia- gramm C bis zum Zeitpunkt t3 ansteigt. Allerdings ist die absolute Größe des Signals der Kupferschicht 21.2 gegenüber dem Signal der Kupferschicht 21.1 um den Unterschied Δl kleiner, was von der zunehmenden Bohrtiefe und der damit verbundenen Abschattung der Plasmasuahlung herrührt.
Dasselbe Wechselspiel zwischen den Signalen der Strahlungsdetektoren 14 und 15 ergibt sich beim Übergang der Bohrtiefenlage von der Kupferschicht 21.2 über die zweite Zwischenschicht 22.2 zur dritten Kupfer- Schicht 21.3. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 nimmt das Signal des Strahlungsdetektors 14 für die Kupferschicht ab, wo hingegen das Signal des Strahlungsdetektors 15 für die Zwischenschicht 22.2 auf ein Maximum zum Zeitpunkt t4 wächst. Allerdings ist dafür wieder ein Unterschied Δ2 im Absolutwert der Signalstärke zu verzeichnen, der auf die weiter angewach- sene Bohrtiefe zurückzuführen ist. Bei Erreichen der dritten Kupferschicht 21.3 nach dem Zeitpunkt t5 ist wiederum das entsprechende Signal im Diagramm C erkennbar, wogegen im Diagramm D4 lediglich das Grundrauschen des Signals zu verzeichnen ist. Gegenüber der Bohrtiefenlage zum Zeitpunkt t3 ist das Signal nach dem Zeitpunkt t5 wiederum um den Unter- schied Δ3 geringer. Insgesamt nimmt das Signal mit steigender Bohrlochtiefe also ab, was allerdings keinen Einfluß auf die Bestimmung der jeweiligen Schicht hat, solange noch Nutzsignale genügender Amplitude vorhanden sind. Aufgrund der aufgezeigten "Wechselspieles" zwischen den Signalen der beiden Stiahlungsdetektoren ist dabei auch bei großen Bohrtiefen eine sehr hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.
Die aufgezeigten Intensitätsverläufe der Signale der Strahlungsdetektoren 14, 15 können ferner mit Hilfe der Signalauswerteeinrichtung 27, die bei- spielsweise durch ein übliches PC-gestütztes Datenverarbeitungssystem realisiert werden kann, gespeichert und für einen Vergleich bei nachfolgenden Bohrprozessen an überemstimmenden Typen von Mehrschichtplatinen 2 abgerufen werden. Falls sich dann unterschiedliche Signalverläufe erge- ben, läßt dies auf Fehler oder Abweichungen im Schichtaufbau der jeweils bearbeiteten Mehrschichtplatine schließen. Insoweit kann also die Laser- stiahlbohrvorrichtung auch zur Qualitätssicherung des Herstellungsprozesses der Platinen beitragen. Natürlich erlaubt die Speicherung dieser Daten z. B. in Form von zwei Werten pro Detektor und Puls eine Protokollierung und Dokumentation des Abtragungsprozesses bei jedem Bohrloch.
Das vorstehend aufgezeigte „Wechselspiel" kann ferner in einer noch weiter perfektionierten Weise realisiert werden, wie anhand der am oberen Rand von Fig. 3 dargestellten unterschiedlichen Bohrtiefenlagen in der Mehrschichtplatine 2 erläuterbar ist. So wird während des Bearbeitungsprozesses mit zwei grundsätzlichen, unterschiedHch hohen Leistungsniveaus der mittleren Laserleistung gearbeitet, die etwa durch eine Variation der Laserpulsfrequenz über eine Güteschaltung erzielbar sind.
Beim Beginn des Laserstrahlbohrens wird mit dem höheren Leistungsniveau gearbeitet, das für die Ablation des Kupfermaterials in der Metallbahn 21.1 ausreicht. Der entsprechende Plasma-Strahlungsdetektor 14 für die Metallbahn erfaßt ein hohes Signal, das beim Eintreten des Laserstrahls in die darunterliegende Trägerlage 22.1 signifikant abnimmt, während das entsprechende Signal am Strahlungsdetektor 15 für die Plasmastrahlung des ablatierten Trägermaterials stark zunimmt. Dies kann von der Steuerung der Laserbohrvorrichtung als signifikantes Kriterium herangezogen werden, die mittlere Laserleistung auf ein niedrigeres Niveau herunterzuregeln, indem beispielsweise die Laserpulsfrequenz herabgesetzt wird. Dieses Leistungsniveau reicht aus, das Epoxy-Material der Trägerlage 22.1 zu ablatieren und damit das Bohrloch zu vertiefen. Da dieses Leistungsniveau jedoch nicht ausreicht, Metallmaterial abzutragen, endet der Bohrprozeß „automa- tisch" an der nächsten Metallbahn 21.2 (siehe mittleres Schnittbild in Fig. 3 oben).
Bei Erreichen dieser Bohrtiefenlage bricht das Signal am Steuerungsdetektor 15 zusammen, da das Trägermaterial keine bohfbedingte Plasmastrah- lung mehr erzeugt. Dies kann wiederum als Kriterium für das Erreichen der Metallbahn 21.2. herangezogen werden, worauf die Steuerung die mittlere Laserleistung wieder heraufsetzt und somit ein Abtragen der Metallbahn 21.1 hervorgerafen wird. Dies wird wieder solange fortgesetzt, bis das Signal am Signaldetektor 14 für die Plasmastrahlung der Metallbahn signifi- kant sinkt und das entsprechende Epoxy-Plasmasignal am anderen Signaldetektor 15 wieder steigt. Aufgrund dieses Ereignisses wird die Laserleistung wieder auf das Niveau zum ausschließlichen Bohren des Epoxi- Materials herabgesenkt, bis schließlich die in Fig. 3 oben, rechtes Schnittbild, gezeigte Bohrtiefenlage erreicht ist. Anschließend kann der Bohrvor- gang beispielsweise abgebrochen werden, wenn eine Dui"chkontaktierung nur bis zu dieser Metallbahn 21.3 erzielt werden soll.
Der vorstehende Prozeß der Ansteuerung unterschiedlich hoher Leistungsniveaus wurde auf der Basis der von beiden Plasma-Steuerungsdetektoren 14, 15 erfaßten Strahlungsintensitäten vorgenommen. Es ist jedoch festzuhalten, daß durch das Vorsehen zweier unterschiedlicher Leistungsriiveaus bereits eine hohe Prozeßsicherheit erreicht wird, da ja beim Bohren der Trägerlage die nächste Metallbahn nicht unabsichtlich durchbohrt werden kann, da hierzu die Laserleistung nicht ausreicht. Insoweit ist es denkbar, daß dieser Prozeß auch auf Basis der nur von einem Plasma- Strahlungsdetektor erfaßten Strahlungsintensität des jeweils gebohrten Plasmas gesteuert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Laserstrahlbohren von Sacklöchern in Mehrschichtplatinen (2) mit isolierenden Trägerlagen (22) und darauf aufgebrachten elektrisch leitenden Metallbahnen (21) umfassend
- eine gepulste Laserstrahlquelle (3),
- eine SteaWführungseimichtung (4) zur Aufbereitung und Führung des Laserstrahls (10) zur Bohrstelle an der Platine (2),
- einen frequenzsensitiven Plasma-Strahlungsdetektor (14) zur Erfas- sung der Strahlungsintensität des beim Bohren der Öffnung vom abgetragenen Material der jeweiligen Metallbahn (21) erzeugten Plasmas, und
- eine Signalauswerteeinrichtung (27) zur Erfassung und Auswertung der anfallenden Prozeßsignale, gekennzeichnet durch
- einen weiteren frequenzsensitiven Plasma-Strahlungsdetektor (15) zur Erfassung der Strahlungsintensität des beim Bohren der Öffnung vom abgetragenen Isoliermaterial der jeweiligen Trägerlage (22) erzeugten Plasmas, und - einen Laserdetektor (11) zur Erfassung der jeweiligen Pulsintensität eines jeden Pulses der Laserstrahlquelle (3), wobei zur Ermittlung der jeweils aktuellen Bohrtiefenlage = die Signale der Strahlungsintensität der beiden Plasma- Strahlungsdetektoren (14, 15) mit dem Signal des Laserdetektors (11) normierbar sind und
= beide normierten Intensitätssignale gleichzeitig zur Diskriminierung zwischen Isolier- und Metallmaterial (22, 21) auswertbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma-Strahlungsdetektoren (14, 15) jeweils ein Frequenzfenster er- fassen, in dem das jeweilige plasmaerzeugende abgetragene Material ein charakteristisches Stiahlungsmaximum aufweist.
3. Vorrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfenster durch Bandpaßfilter (19, 20) vor den Strahlungsdetekto- ren gesetzt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserdetektor (11) die Pulsleistung über die Pulsdauer erfaßt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma-Strahlungsdetektoren (14, 15) in aus dem Strahlengang des Laserstrahls (10) ausgekoppelten Strahlpositionen angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Ansprach 5, gekennzeichnet durch einen dichroiti- schen Strahlteiler (6) zur Auskopplung aus der Laserstrahlachse, der für die charakteristische Wellenlängen der Plasmastrahlungen transmis- siv und für die Laserwellenlängen reflexiv ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma-Strahlungsdetektoren (14, 15) den Bearbeitungsbereich des Laserstrahles (10) aus außerhalb der Strahlachse liegenden Positionen erfassen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswerteeinrichtung (27) zur Umsetzung der von den drei Detektoren (11, 14, 15) aufgenommenen, zur Leistungsdichte proportionalen Zeitsignale der Laser- und charakteristischen Plasmastrahlungen in entsprechende Daten die Spitzenwerte oder die zeitlichen Integrale der Detektorsignale über jeden Puls digitalisiert und anschließend die Normierung der Plasmastiahlungsdaten eines Pulses auf dessen Laserintensitätsdaten vornimmt.
9. Vorrichtung nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß pro Puls ein Datenpaar für jede erfasste Strahlung gespeichert wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Bearbeitungsprozesses eines Werkstückes (2) gemessenen und zu Daten verarbeiteten Signale der Detektoren (11, 14, 15) zur Dokumentation und/oder zur Referenzbildung für nachfolgende Bearbeitungsprozesse speicherbar sind.
11. Vorrichtung insbesondere nach einem der Anspräche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bearbeitungsprozesses die mittlere Laserleistung auf zwei unterschiedlich hohe Leistungsniveaus einstellbar ist, wobei - das höhere Leistungsniveau zum Bohren einer Metallbahn (21) ausreichend ist und - das niedrigere Leistungsniveau zum Bohren einer Trägerlage (22), nicht jedoch einer Metallbahn (21) ausreichend ist.
12. Vorrichtung nach Ansprach 11, dadurch gekennzeichnet, daß die un- terschiedlich hohen Leistungsniveaus auf Basis der von mindestens einer der Plasma-Strahlungsdetektoren (14, 15) erfaßten Plasma- Strahlungsintensitäten ansteuerbar sind.
13. Vorrichtung nach Ansprach 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich hohen Laser-Leistungsniveaus durch Variation der
Laserpulsfrequenz erzielbar sind.
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