Beschreibung
VERFAHREN ZUM BEARBEITEN EINES WERKSTÜCKS MITTELS PULSLASERSTRAHLUNG MIT STEUERBAREN ENERGIE EINZELNER LASERPULSE UND ZEITLICHEM ABSTAND ZWISCHEN ZWEI AUFEINANDERFOLGEN LASERPULSEN, LASERBEARBEITUNGSSYSTEM DAFÜR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von Leiterplatten mittels gepulster Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein Laserbear- beitungssystem, insbesondere ein Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks nach dem genannten Verfahren.
Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der zunehmenden Integrationsdichte von e- lektronischen Schaltungen werden an elektronische Schaltungs¬ träger (Leiterplatten) immer größere Anforderungen hinsicht¬ lich der Präzision von aufgebrachten Leiterbahnen gestellt. Die erforderlichen Strukturfeinheiten können am besten mit¬ tels Laserstrukturierung erreicht werden.
Durch die Verwendung von mehrschichtigen Leiterplatten kann der Platzbedarf von elektronischen Baugruppen, erheblich re¬ duziert werden. Dabei ist jedoch erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte mitein- ander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel da¬ durch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten ein Blind- oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und das Loch nachfolgend mittels einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird. Auf diese Weise können Leiterbahnen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausge¬ bildet werden.
Auch das Bohren von Leiterplatten erfolgt häufig mittels ge¬ pulster Laserstrahlung. Dabei wird ein Laserstrahl über eine Ablenkeinheit, welche üblicherweise zwei drehbar gelagerte Spiegel aufweist, und über eine Abbildungsoptik auf die zu bearbeitende Leiterplatte gelenkt. Bei einer entsprechenden
Bewegung der Ablenkeinheit wird der Laserstrahl sukzessive auf verschiedene Zielpunkte der Leiterplatte fokussiert.
Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere zum Abtragen von metallischen Schichten Laserstrahlung mit einer Wellen¬ länge im sichtbaren oder nahen ultravioletten Spektralbereich besonders geeignet ist, da das Reflexionsvermögen der Metall¬ schichten für infrarote Strahlung sehr groß ist. Laserstrah¬ lung im sichtbaren oder nahen ultravioletten Spektralbereich, beispielsweise die frequenzvervielfachte Strahlung eines
Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 266 nm, 355 nm oder 532 nm kann auf einen Fokusdurchmesser von wenigen μm fokus¬ siert werden. Bei einer entsprechenden Fokussierung des La¬ serstrahls können somit auch Löcher in ein Material mit einer hohen Energieabtragungsschwelle gebohrt werden, wenn der La¬ serstrahl durch eine entsprechende Ansteuerung der Ablenkein¬ heit entlang einer Kreisbahn geführt wird, so dass die Löcher durch ein Ausschneiden eines Loches erzeugt werden. Ein der¬ artiges Bohrverfahren wird als Trepanieren bezeichnet.
Sofern die Energie des Laserstrahls auch für einen Material¬ abtrag innerhalb einer im Vergleich zu der Fokusgröße größe¬ ren Fläche ausreicht, können Löcher zum Durchkontaktieren von verschiedenen Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte auch durch einen oder eine Mehrzahl von Laserpulsen gebohrt werden, welche auf dieselbe Zielposition der Leiterplatte ge¬ lenkt werden. Ein derartiges Bohrverfahren wird als Punchen bezeichnet.
Um das Bohren bzw. Strukturieren von Leiterplatten mit einer hohen Genauigkeit durchführen zu können, ist es erforderlich, dass der Energieeintrag, d.h. die Energie, die innerhalb ei¬ nes bestimmten Verfahrweges des Laserstrahls auf das zu bear¬ beitenden Werkstück übertragen wird, möglichst genau defi- niert ist. Bei herkömmlichen Laserbearbeitungsmaschinen ist dieser Energieeintrag häufig Schwankungen unterworfen, die beispielsweise von folgenden Einflüssen verursacht werden:
a) Die Trägheit der Ablenkeinheit infolge der Spiegelmassen hat zur Folge, dass weder der Beginn noch das Ende einer Spiegelbewegung abrupt erfolgen kann, so dass beim Beschleu- nigen und beim Abbremsen der Spiegelbewegung der auf die Lei¬ terplatte gelenkte Laserstrahl nicht mit einer konstanten Ge¬ schwindigkeit über das Werkstück geführt wird und somit zu einer nicht konstanten räumlichen Verteilung der Laserpulse auf dem Werkstück führt. Dies führt dann bei einer im wesent- liehen konstanten Laserausgangsleistung zu einem ungleichmä¬ ßigen Energieeintrag. Derartige Einflüsse werden unter dem Begriff Dynamikverhalten der Ablenkeinheiten zusammengefasst.
b) Häufig ist die Ausgangsleistung insbesondere eines gepuls- ten Lasers während des Betriebs nicht konstant. Derartige La¬ serinstabilitäten führen naturgemäß zu einem ungleichmäßigen Energieeintrag.
c) Zur Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls in der Be- arbeitungsebene werden als Abbildungsoptik sog. F-Theta-
Optiken verwendet, welche häufig ein nicht gleichmäßiges Transmissionsverhalten aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfah- ren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Laserstrahlung anzugeben, bei dem der Energieeintrag auf das zu bearbeitende Werkstück genau bestimmbar ist, so dass zum einen eine hohe Qualität der Bohrlöcher und zum anderen eine hohe Qualität der strukturierten Leiterbahnen gewährleistet werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Laserbe¬ arbeitungssystem anzugeben, mit welchem qualitativ hochwerti¬ ge Bohrungen und Strukturierungen realisiert werden können.
Die verfahrensbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfah- ren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach wird ein gepulster Laserstrahl von einer Laserquelle ausge¬ sendet, welche derart ansteuerbar ist, dass während der Bear-
beitung sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserpul¬ sen frei gewählt werden kann. Gemäß der Erfindung wird ferner der Laserstrahl über eine Optik und über eine Ablenkeinheit auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet, so dass bei ei¬ ner Bewegung der Ablenkeinheit eine Abfolge von Laserpulsen auf verschiedene Zielpunkte der Werkstückoberfläche fokus- siert wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine einen gepulsten Laserstrahl emittierende Laserquelle, bei der die einzelnen Laserpulse sowohl hinsichtlich ihrer Energie als auch hinsichtlich ihres Pulsabstandes frei einstellbar sind, besonders gut für die Bearbeitung von Werkstücken im Elektro- nikbereich geeignet ist, da bei einem bekannten Verhalten der anderen optischen Komponenten eines Laserbearbeitungssystems der auf das Werkstück einwirkende Energieeintrag genau be¬ stimmbar ist. Somit kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserquelle während der Laserbearbeitung ein konstanter oder ein definiert variabler Energieeintrag gewährleistet werden. So kann beispielsweise während der Materialbearbei¬ tung die Pulsenergie kontinuierlich erhöht, abwechselnd eine hohe und eine niedrigere Pulsenergie eingestellt oder bewusst Pausen zum Abkühlen des bearbeiteten Materials nach einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen eingelegt werden. Die Va¬ riationsmöglichkeiten hinsichtlich des Zeitpunktes der Emis¬ sion eines Laserpulses als auch hinsichtlich der Energie ei¬ nes Laserpulses sind somit sehr vielseitig und eröffnen ein Vielzahl neuer Applikationsmöglichkeiten.
Gemäß Anspruch 2 wird ein gütegeschalteter Laser, insbesonde¬ re ein gütegeschalteter Festkörperlaser wie zum Beispiel ein Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YAP oder Nd:YVO4-Laser verwendet. Bei die¬ sen Lasertypen kann auf einfache Weise durch eine bekannte Frequenzvervielfachung ein Laserstrahl im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden, welcher
zur Materialbearbeitung insbesondere von mehrschichtigen Lei¬ terplatten besonders vorteilhaft ist.
Gemäß Anspruch 3 wird der Zeitpunkt des Beginns eines Laser- pulses durch das Ende der Gütereduzierung der Güteschaltung bestimmt.
Gemäß Anspruch 4 wird die Energie eines Laserpulses durch die Dauer der Gütereduzierung der Güteschaltung bestimmt.
Gemäß Anspruch 5 wird die Energie eines Laserpulses durch ei¬ nen elektro-optischen und/oder einen akusto-optischen Modula¬ tor bestimmt. Derartige Modulatoren stellen einfach zu hand¬ habende optische Standardkomponenten dar und können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Laserresonators angeordnet werden. Bei der Strahlumlenkung mittels eines elektro- optischen Modulators bewirkt der Modulator eine Drehung der Polarisation des Laserstrahls. Das Ausblenden eines Teils der Intensität des Laserstrahls aus den Strahlengang des bearbei- tenden Laserstrahls erfolgt mit einem polarisationsempfindli¬ chen Reflektor, beispielsweise einem Brewsterfenster oder ei¬ nem dichroitischen Spiegel. Ein akusto-optischer Modulator ist beispielsweise ein CdTe-Kristall, welcher durch das Anle¬ gen eines periodisch im Megaherzbereich variierenden elektri- sehen Feldes zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die dabei innerhalb des Kristalls ausgebildete stehende Welle stellt für einen einfallenden Laserstrahl ein Beugungsgitter dar, so das ebenfalls ein Teil der Intensität des Laserstahls aus dem Nullstrahl ausgeblendet wird.
Gemäß Anspruch 6 wird die Laserquelle abhängig von dem Be¬ triebszustand der Ablenkeinheit derart angesteuert, dass das Werkstück zumindest innerhalb einzelner Bearbeitungsbereiche mit einem genau definierten Energieeintrag beaufschlagt wird. Unter dem Begriff Betriebszustand ist im Zusammenhang mit ei¬ ner Ablenkeinheit zum einen der Bewegungszustand der Ablenk-
einheit (siehe Anspruch 6) und zum anderen die jeweilige Stellung der Ablenkeinheit (siehe Anspruch 7) zu verstehen.
Der gemäß Anspruch 7 berücksichtigte Bewegungszustand der Ab- lenkeinheit umfasst das sog. Dynamikverhalten, welches durch die mechanische Trägheit der Ablenkeinheit verursacht wird. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der La¬ serstrahl über das Werkstück geführt wird, beim Abbremsen und beim Beschleunigen der Ablenkeinheit nicht konstant ist. So- mit ist in den entsprechenden Bearbeitungsbereichen der Ener¬ gieeintrag pro Bearbeitungsstrecke nicht gleichmäßig. Das nicht ideale Dynamikverhalten einer Ablenkeinheit kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserquelle, d.h. entweder durch eine Anpassung der Pulsenergie oder eine Anpassung der jeweils aktuellen Repetitionsrate der Laserpulse kompensiert werden. Unter dem Begriff aktuelle Repetitionsrate ist in diesem Zusammenhang der zeitliche Abstand zwischen zwei be¬ liebigen aufeinander folgenden Laserpulsen zu verstehen. Die für eine erfolgreiche Kompensation erforderliche Kenntnis des Dynamikverhaltens der Ablenkeinheit kann vor der eigentlichen Laserbearbeitung mittels Modellversuchen bestimmt werden. So¬ mit kann die zeitliche Pulsfolge so gewählt werden, dass trotz Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen der Ablenkeinheit der räumliche Abstand zweier unmittelbar nacheinander auf das Werkstück gerichteter Laserpulse immer identisch ist.
Durch das Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Ansteuerung der Laserquelle in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung der Ablenkeinheit erfolgt, kann ein ungleichmäßiges Transmis- sionsverhalten der verwendeten Abbildungsoptik auf einfache Weise kompensiert werden. Dafür wird beispielsweise im Vor¬ feld einer Werkstückbearbeitung die relative Transmission ei¬ nes Laserstrahls durch die Abbildungsoptik für jeden mögli¬ chen Zielpunkt gemessen. Die Kompensation erfolgt dann bevor- zugt durch eine Anpassung der Pulsenergie des Laserstrahls.
Gemäß Anspruch 9 wird für die Ansteuerung der Betriebszustand der Laserquelle berücksichtigt. Unter dem Begriff Betriebszu¬ stand der Laserquelle sind in diesem Zusammenhang sämtliche Parameter zu verstehen, welche zu einer Instabilität hin- sichtlich der Pulsenergie führen. Dies sind insbesondere La¬ serinstabilitäten, welche beispielsweise dann vorkommen, wenn die Laserquelle nicht ihre normale Betriebstemperatur auf¬ weist. Derartige thermische Laserinstabilitäten treten bei¬ spielsweise dann auf, wenn beim Laserbohren mehrere voneinan- der beabstandete Löcher gebohrt werden und der Laserstrahl nach der Beendigung des Bohrvorgangs eines Lochs solange ab¬ geschaltet wird, bis die Ablenkeinheit auf die Position des nächsten Bohrloches eingestellt wird. In diesem Fall hängt die Instabilität also mit der Sprunglänge der Ablenkeinheit zwischen zwei Bohrlöchern ab.
Gemäß Anspruch 10 wird die Energie der einzelnen Laserpulse während der Bearbeitung eines Werkstücks Online gemessen und eine eventuelle Abweichung von einer Sollenergie durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserquelle kompensiert. Damit kann auf vorteilhafte Weise der Energieeintrag, der innerhalb einer bestimmten Bearbeitungsstrecke des Laserstrahls auf das Werkstück einwirkt, derart geregelt werden, dass stets eine optimale Materialbearbeitung geleistet werden kann. Dabei kann auch in diesem Fall ein genau definierter Energieeintrag bevorzugt durch eine Anpassung der Pulsenergie der einzelnen Laserpulse und/oder eine Anpassung der Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse gewährleistet werden.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Laserbearbeitungssystem mit den Merkmalen des unab¬ hängigen Anspruchs 11. Das erfindungsgemäße Laserbearbei¬ tungssystem umfasst eine zum Aussenden eines gepulsten Laser¬ strahls eingerichtete Laserquelle, eine im Strahlengang des Laserstrahls angeordnete Ablenkeinheit zum Ablenken des La¬ serstrahls und eine Abbildungsoptik, welche den Laserstrahl auf jeweils eine durch die Ablenkeinheit bestimmte Stelle des
Werkstücks fokussiert. Erfindungsgemäß ist die Laserquelle derart ansteuerbar, dass während der Bearbeitung eines Werk¬ stücks sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden La- serpulsen frei wählbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er¬ geben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung der¬ zeit bevorzugter Ausführungsformen.
In der Zeichnung zeigt in schematischen Darstellungen Figur 1 ein Laserbearbeitungssystem gemäß einem ersten Aus¬ führungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 ein Laserbearbeitungssystem gemäß einem zweiten Aus- führungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3a einen Trepaniervorgang zum Bohren von Löchern gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3b einen Trepaniervorgang zum Bohren von Löchern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und Figur 4 das Transmissionsverhalten einer Abbildungsoptik in¬ nerhalb eines Bearbeitungsfeldes.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass diejenigen Komponen¬ ten der Ausführungsform nach Figur 2, die mit den entspre- chenden Komponenten der Ausführungsform nach Figur 1 iden¬ tisch sind, mit Bezugszeichen versehen sind, welche sich le¬ diglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden. Die identischen Komponenten werden bei der Beschreibung von Figur 2 nicht mehr erneut erläutert.
Das in Figur 1 dargestellte Laserbearbeitungssystem 100 um- fasst eine Laserquelle 110, welche einen gepulsten Laser¬ strahl 111 emittiert. Der Laserstrahl 111 wird mittels einer Ablenkeinheit 120 über ein Objektiv 130 auf ein zu bearbei- tendes Werkstück 140 gelenkt. Das Werkstück 140 ist eine Lei¬ terplatte, welche mittels des Laserstrahls 111 strukturiert oder in welche mittels des Laserstrahls 111 Löcher zum Kon-
taktieren von verschiedenen Schichten der Leiterplatte ge¬ bohrt werden. Die Ablenkeinheit 120 beinhaltet zwei Spiegel, die jeweils um zueinander senkrecht angeordnete Achsen dreh¬ bar sind, so dass der Laserstrahl 111 innerhalb eines be- stimmten Bearbeitungsbereiches an jeden beliebigen Punkt des Werkstücks 140 gelenkt werden kann. Das Objektiv 130, welches für eine Fokussierung des Laserstrahls in der Bearbeitungs¬ ebene sorgt, ist üblicherweise ein F-Theta-Objektiv.
Die Laserquelle 110 ist über eine Steuerleitung 151 mit einer Steuereinrichtung 150 gekoppelt. Über die Steuereinrichtung 150 kann die Laserquelle 110, welche ein gütegeschalteter Festkörperlaser ist, derart angesteuert werden, dass sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch der genaue Zeitpunkt der Laserpulsemission und damit die aktuelle Wie¬ derholrate des Lasers frei wählbar ist. Der Zeitpunkt der La¬ serpulsemission wird dabei durch das Ende der Gütereduzierung des in der Laserquelle 110 enthaltenen und nicht explizit dargestellten Güteschalters bestimmt. Die Pulsenergie der einzelnen Laserpulse wird durch die Zeitspanne bestimmt, in der vor der Emission eines Laserpulses die Güte durch die Gü¬ teschaltung reduziert ist.
Die Steuereinrichtung 150 ist mit der Ablenkeinheit 120 durch eine Verbindungsleitung 152 gekoppelt, so dass über die Ver¬ bindungsleitung 152 der jeweilige Betriebszustand der Ablenk¬ einheit 120 von der Steuereinrichtung 150 erfasst werden kann. Somit kann in der Phase der Beschleunigung oder der Ab¬ bremsung der in der Ablenkeinheit 120 enthaltenen Spiegel die Laserquelle 110 derart angesteuert werden, dass der Energie¬ eintrag auf eine bestimmte Bearbeitungsstrecke trotz einer nicht gleichmäßigen Bewegung des Laserstrahls über das Werk¬ stück 140 durch eine entsprechende Anpassung der aktuellen Wiederholfrequenz und/oder der Pulsenergie der einzelnen La- serpulse stets konstant ist.
Ebenso können mit dem Laserbearbeitungssystem 100 Variationen hinsichtlich des Transmissionsverhaltens des Objektivs 130 kompensiert werden. Dabei wird bevorzugt die Energie der La¬ serpulse erhöht und/oder die Wiederholfrequenz der Laserpulse verringert, wenn der Laserstrahl 110 durch einen Bereich des Objektivs 130 dringt, welcher eine vergleichsweise geringe Transmission aufweist. Im umgekehrten Fall, wenn der Laser¬ strahl durch einen Bereich des Objektivs 130 dringt, welcher eine erhöhte Transmission aufweist, wird bevorzugt die Ener- gie der Laserpulse reduziert und/oder die Wiederholfrequenz erhöht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Verbindungsleitung 152, welche eine Regelung der Laserquelle 110 in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Ablenkeinheit 120 ermöglicht, auch weg¬ gelassen werden kann. In diesem Fall muss dann das Dynamik¬ verhalten der Ablenkeinheit 120 im Vorfeld einer Laserbear¬ beitung ermittelt werden und bei der Ansteuerung der Laser¬ quelle 110 durch die Steuereinrichtung 150 entsprechend be- rücksichtigt werden.
Figur 2 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 200, welches sich von dem Laserbearbeitungssystem 100 dadurch unterscheidet, dass die Steuereinrichtung 250 zusätzlich über eine Detektor- Signalleitung 271 mit einem Detektor 270 gekoppelt ist. Der Detektor 270 dient der Online-Erfassung der Pulsenergie des Laserstrahls 211. Die Online-Erfassung erfolgt gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen teildurchlässi¬ gen Spiegel 260, welcher zwischen dem Objektiv 230 und dem Werkstück 240 angeordnet ist und welcher den Laserstrahl 211 in einen Bearbeitungsstrahl 211a und einen Messstrahl 211b teilt. Der Bearbeitungsstrahl 211a dient der Bearbeitung des Werkstücks 240. Der Messstrahl 211b trifft auf den Detektor 270, so dass die Pulsenergie, die der Detektor 270 erfasst, stets direkt proportional zu der Pulsenergie des Bearbei¬ tungsstrahls 211a und des Laserstrahls 211 ist. Durch diese Online-Messung der Pulsenergie kann somit durch eine entspre-
chend schnelle Ansteuerung der Laserquelle 211 durch die Steuereinrichtung 250 sowohl Laserinstabilitäten hinsichtlich der Pulsenergie als auch Abweichungen der Energie des Bear¬ beitungsstrahls 211a kompensiert werden, welche durch ein nicht konstantes Transmissionsverhalten des Objektivs 230 er¬ zeugt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der teildurchlässige Spiegel auch in den Strahlengang des Laserstrahls 211 zwischen der Laserquelle 210 und der Ablenkeinheit 220 oder zwischen der Ablenkeinheit 220 und dem Objektiv 230 positioniert werden kann. In diesem Fall werden dann die Variationen in dem Transmissionsverhalten des Objektivs 230 nicht erfasst. Die Variationen im Transmissionsverhalten des Objektivs 230 kön- nen jedoch ohne großen Aufwand im Vorfeld einer Werkstücksbe¬ arbeitung vermessen werden.
Figur 3a und 3b zeigen einen sog. Trepaniervorgang, bei dem ein Loch durch eine kreisförmige Bewegung des auf das zu boh- rende Objekt auftreffenden Laserstrahls ausgeschnitten wird. Dabei wird der Strahlengang des Laserstrahls zunächst auf den Mittelpunkt des zu bohrenden Loches gerichtet. Danach wird die Ablenkeinheit so angesteuert, dass bei einem Einschalten des Laserstrahls dieser auf den Punkt B trifft. Die Ablenk- einheit wird dann durch eine Kombination an Drehbewegungen von zwei in der Ablenkeinheit befindlichen Spiegeln derart bewegt, dass die nachfolgenden Laserpulse eine Kreisbahn K beschreiben, welche an dem Endpunkt E endet. Dann wird der Laser wieder ausgeschaltet und die Ablenkeinheit so einge- stellt, dass der Strahlengang des nicht eingeschalteten La¬ sers wieder auf den Mittelpunkt M des nun gebohrten Loches trifft. Von hier aus kann die Ablenkeinheit durch einen ent¬ sprechenden Sprung der beiden Ablenkspiegel hin zum Mittel¬ punkt eines nächsten zu bohrenden Loches bewegt werden.
Wie aus Figur 3a ersichtlich, führt bei einem herkömmlichen Bohrvorgang, bei dem die einzelnen Laserpulse mit im wesent-
liehen konstanter Wiederholrate ausgesendet werden, am Anfang der Kreisbewegung und am Ende der Kreisbewegung zu Zielpunk¬ ten, die näher beieinander liegen als in dem anderen Bereich der Kreisbewegung. Dies liegt daran, dass infolge der Träg- heit der Ablenkspiegel und der konstanten Wiederholrate der Laserpulse die Zielpunkte der Laserpulse am Beginn und am En¬ de der Kreisbahn weniger weit voneinander beabstandet sind als in dem Bereich der Kreisbahn, in dem der Laserstrahl mit nahezu konstanter Geschwindigkeit entlang der Kreisbahn ge- führt wird. Die Trägheit der Ablenkeinheit hat damit die ne¬ gative Auswirkung, dass am Beginn und am Ende der Kreisbahn ein höherer Energieeintrag auf das zu bohrende Objekt ein¬ wirkt und durch den ungleichen Energieeintrag entlang der Kreisbahn K die Lochqualität entsprechend reduziert ist.
Figur 3b zeigt einen Trepaniervorgang gemäß einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird ebenso wie bei dem in Figur 3a gezeigten Trepaniervorgang der Strahlengang des zu bearbeitenden Lasers zunächst von dem Mittelpunkt M des zu bohrenden Loches auf den Beginn der Kreisbahn gelenkt. Im Un¬ terschied zu dem in Figur 3a dargestellten bekannten Bohrvor¬ gang wird jedoch am Beginn und am Ende des der Kreisbahn K in der Phase, in welcher der Laserstrahl infolge der Trägheit der Abbildungsoptik noch nicht mit der vorgesehenen Geschwin- digkeit entlang der Kreisbahn K geführt werden kann, die Wie¬ derholrate des zu bearbeitenden Laserstrahls entsprechend re¬ duziert. Dies bedeutet, dass der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Laserpuls 1 und dem zweiten Laserpuls 2 größer ist als der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten Laserpuls 2 und dem dritten Laserpuls 3. Die zeitlichen Abstände zwischen den Laserpulsen werden im Verlauf der Beschleunigungsbewegung so lange reduziert, bis die Endgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls auf der Kreisbahn K erreicht ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird ab dem siebten Laser- puls 7 die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls nicht weiter erniedrigt. Gegen Ende E der Kreisbahn K, bei der in¬ folge der Trägheit der Ablenkeinheit die Bewegung des Laser-
Strahls bis zum Endpunkt E schrittweise reduziert werden muss, wird die Wiederholrate des gepulsten Laserstrahls lang¬ sam erhöht. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies ab dem Laserpuls 31.
Auf diese Weise kann durch eine entsprechende Anpassung der Wiederholfrequenz der zu bearbeitenden Laserpulse an das Dy¬ namikverhalten beim Beschleunigen und beim Abbremsen der Ab¬ lenkeinheit ein über die gesamte Kreisbahn K hinweg konstan- ter Energieeintrag gewährleistet werden, so dass die Qualität des gebohrten Loches entsprechend hoch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass alternativ zur Anpassung der Wiederholrate auch die Pulsenergie oder eine Kombination aus einer Anpassung der Wiederholrate und eine Anpassung der
Pulsenergie verwendet werden kann, um das gewünschte Ergeb¬ nis, nämlich einen über die gesamte Kreisbahn K hinweg kon¬ stanten Energieeintrag zu gewährleisten.
Figur 4 zeigt eine im Vorfeld einer Laserbearbeitung gemesse¬ ne Transmissionsverteilung durch eine Abbildungsoptik inner¬ halb eines Bearbeitungsfeldes 400. Die Transmissionswerte der beispielhaft ausgewählten F-Theta-Optik, welche durch Einzel¬ messungen der Pulsenergie an einer Vielzahl von Zielpunkten auf dem Bearbeitungsfeld 400 erfasst wurden, können in sechs verschiedene Transmissionsbereiche 401 bis 406 eingeteilt werden. Dabei ergaben sich in dem Bereich 401 Transmissionen von 101% bis 102%, in dem Bereich 402 Transmissionen von 100% bis 101%, in dem Bereich 403 Transmissionen von 99% bis 100%, in dem Bereich 404 Transmissionen von 98% bis 99%, in dem Bereich 405 Transmissionen von 97% bis 98% und in dem Bereich 406 Transmissionen von 96% bis 97%. Die genannten Transmissionswerte sind relative Transmissio- nen, die auf die Transmission im Mittelpunkt des Bearbei¬ tungsfeldes 400 normiert wurden.
Bei einer Bearbeitung eines Werkstücks, bei der die unter¬ suchte Abbildungsoptik eingesetzt wird, kann dann die Laser¬ quelle derart angesteuert werden, dass das ungleichmäßige Transmissionsverhalten der Abbildungsoptik bevorzugt durch eine Anpassung der Pulsenergie und/oder durch eine Anpassung der aktuellen Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse kom¬ pensiert wird.
Zusammenfassend kann festgestellt werden: Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bearbeiten eines
Werkstücks mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von Leiterplatten sowie ein Laserbear¬ beitungssystem. Erfindungsgemäß wird ein gepulster Laser¬ strahl von einer Laserquelle ausgesendet, die derart ansteu- erbar ist, dass während der Bearbeitung sowohl die Energie der einzelnen Laserpulse als auch der zeitliche Abstand zwi¬ schen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen frei gewählt wer¬ den kann. Die Energie und der zeitliche Abstand werden bei einem gütegeschalteten Festkörperlaser durch die Dauer der Gütereduzierung der Güteschaltung bzw. durch den genauen
Zeitpunkt des Endes der Gütereduzierung der Güteschaltung be¬ stimmt. Durch die freie Wählbarkeit von Pulsenergie und Wie¬ derholrate ermöglicht die Erfindung eine Kompensation von vielen nachteiligen Effekten, die zu einem ungleichmäßigen Energieeintrag des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werk¬ stück führen und somit die Qualität von gebohrten Löchern und strukturierten Bereichen insbesondere in Leiterplatten nachteilig beeinflussen.
Zu diesen Effekten zählen beispielsweise das infolge der Mas¬ senträgheit verursachte Dynamikverhalten von Ablenkeinheiten, Laserinstabilitäten, welche durch unterschiedliche Pausen und Auszeiten zwischen Pulsfolgen und unterschiedlichen Pulshöhen verursacht werden, und ein ungleichmäßiges Transmissionsver- halten von für die Fokussierung des zu bearbeitenden Laser¬ strahls auf dem Werkstück verwendeten Abbildungsoptiken.
Durch die freie Wahl von Pulsabstand und Pulsenergie können insbesondere bei mehrschichtigen Werkstücken verschiedene Prozessschritte, bei denen unterschiedliche Materialien abge¬ tragen werden und die gemäß dem Stand der Technik getrennt voneinander durchgeführt werden, zusammengefasst und somit die Leistung, d.h. die pro Zeiteinheit bearbeiteten Werkstü¬ cke, erhöht werden.