WO2006018372A1 - Verfahren zum laserbohren eines mehrschichtig aufgebauten werkstücks - Google Patents

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WO2006018372A1
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Thomas Prill
Uwe Metka
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Hitachi Via Mechanics, Ltd
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    • H05K2203/107—Using laser light
    • H05K2203/108—Using a plurality of lasers or laser light with a plurality of wavelengths

Definitions

  • the invention relates to a method for laser drilling a hole having a predetermined cross-sectional area in a Gir ⁇ layered structured workpiece, particularly in a more ⁇ ply constructed circuit substrate having a first and at least a second metal layer and having in each case arranged between two metal layers Dielektrikumss ⁇ chicht.
  • blind holes may be drilled plates, in which a plurality of metallic Schich ⁇ th through interlayer dielectric layers are not electrically conductively separated from each other, for example in multi-layer wire.
  • a problem when drilling holes in multilayer printed circuit boards is that the erosion behavior of metallic and dielectric layers is very different, so that an effective drilling process can not be carried out with only a single laser beam with specific laser parameters.
  • the metalli ⁇ rule layers are removed locally with a laser beam in the ultraviolet (UV) spectral range.
  • the dielectric intermediate layer is removed by means of an IR laser beam, which is usually generated by a CO 2 laser.
  • IR laser beam which is usually generated by a CO 2 laser.
  • Combination laser processing machines which have two different laser light sources, a UV laser light source, for example, a frequency-multiplied Nd: YAG laser and an IR laser light source, in particular a CO 2 laser.
  • the laser beam is focused on the metal layer on a diameter für ⁇ , which is substantially smaller than the diameter of the hole to be drilled.
  • the laser beam is then guided by means of a two movably mounted mirrors deflection unit on a circular path along the edge of the hole to be drilled, so that the metalli ⁇ cal layer is removed along this circular line.
  • the one generated from the metal layer jumps
  • the trepanning process can also be performed with different radii or the laser beam can be guided on a spiral path within the cross-sectional area of the hole to be drilled.
  • the problem of pure laser drilling of multilayer electronic circuit substrates is that the laser power of conventional UV laser light sources clearly is lower than that of CO 2 laser light sources. This has the consequence that the process step of removing the metal ⁇ layer is significantly slower than the subsequent process ⁇ step of drilling the dielectric layer.
  • loading tunes the speed at which the metallic layer large ⁇ be drilled th, the speed of the entire Bohrpro ⁇ zesses and thus the throughput, ie the maximum number of holes that can be drilled per unit time.
  • the object underlying the invention is to provide a method for laser drilling a hole in a Kischich ⁇ tig constructed workpiece, which allows a fast drilling of metallic layers and thus insire velvet allows a high drilling speed.
  • the invention is based on the finding that even with an incomplete removal of the first layer, the remaining part is automatically removed during the removal of the second layer. Since the first layer is only partially removed by means of the first laser output, this first step is significantly faster in the entire hole area as compared with full-surface removal of the first layer. Thus, the method according to the invention for laser drilling leads in particular to a significantly higher drilling speed, if due to the different erosion behavior of the materials of the two layers Complete removal of the first layer takes longer than a removal of the second layer.
  • the invention is suitable both for drilling blind or blind holes as well as for drilling through holes and is thus universally applicable in the field of laser drilling of multi-layer GmbHungssubstra ⁇ th. It should be noted that must be removed from the bottom view of the laser beam bearbei ⁇ Tenden metal layer after herotromm ⁇ handy drilling when drilling through holes, since this layer is underneath no further dielectric layer more.
  • the first layer is removed ⁇ zusharm by the first laser output Lich along the edge of the cross-sectional area material.
  • the first layer are formed of a trail or a groove hole to be drilled along the edge, which before Trains t ⁇ until half extends a near-surface region of the first layer toward the second layer or only inner ⁇ .
  • Such a structure which has the effect of perforation, ensures a cleanly defined hole edge upon complete removal of the first layer by the second laser output, so that holes of high quality can be produced.
  • the first laser output comprises a laser ⁇ beam in the visible or in the near ultraviolet Spektralbe ⁇ rich. Since short-wave laser radiation is relatively weakly reflected on metallic layers in comparison with infrared laser radiation, UV radiation is suitable in particular for the removal of metallic materials. In this case, the thermal load of the workpiece is significantly reduced in comparison to the thermal load by IR radiation, since by means of UV radiation, the atomic bonds or the metallic bonds between the individual atoms or molecules in the metal layer can be broken directly.
  • the first laser output is generated by a solid ⁇ body laser, in particular by a frequency-multiplied laser.
  • the active laser medium is, for example, Nd: YAG, Nd: YVO 4 or Nd: YLF, which can generate laser radiation with a fundamental wavelength of 1064 nm.
  • the pumping of the solid-state laser is preferably carried out using semiconductor diodes. These can be arranged around the active laser medium, so that a corresponding solid state laser can be realized in a compact design, without an external pump light source is required.
  • the laser light source additionally has an optically non-linear medium for frequency multiplication.
  • Such optically non-linear media which are well known in laser technology, can be positioned both inside and outside the resonator.
  • the second laser output is generated in the IR spectral range.
  • the corresponding laser radiation before ⁇ Trains t generated by a CO 2 laser, and allows for the high available laser power a fast removal of a dielectric second layer.
  • the use of pulsed laser radiation according to claim 6 has the advantage that the material removal as a result of a cooling time between the laser pulses causes a comparatively low thermal load on the workpiece to be drilled.
  • the portion of the first layer is removed by trepaning, wherein the laser beam is guided at the edge of the portion.
  • a structure is generated which extends to a depth toward the second layer.
  • ⁇ which normally pops out by itself from the hole area.
  • the first laser output can additionally be guided with one or a plurality of circulations around the edge of the partial region or also be directed onto the inner region of the slice, so that the circular disc produced due to the high energy input with high reliability is removed from the hole area.
  • the second layer is removed by trepaning or puncturing.
  • care must be taken that the second laser output is first directed directly onto the second layer in the region of the exposed hole within the hole cross-sectional area. This ensures that the energy input directly onto the second layer removes the remaining part of the first layer before the second laser output is directed onto the area of the hole cross-sectional area, which area has not yet been removed by the first laser output.
  • the laser beam is directed with one or a plurality of successive pulses to the same point of the workpiece to be drilled.
  • the spot size of the second laser output on the workpiece to be adapted to different hole diameter.
  • the portion is hiss the hole center and the edge of the hole. Starting from a first laser beam initially directed at the center of the hole, this enables a fast approach of the laser beam to the edge of the hole. Since a deflection unit carrying the laser beam and always having a certain mechanical inertia therefore only has to perform a relatively short movement overall, the two processing steps, namely the formation of a passage along the edge of the hole and the removal of the first layer within the division, can be carried out quickly.
  • the portion is preferably a circular area having a diameter that is half as large as the diameter of the entire hole.
  • the traverse ⁇ away of the first laser output around the partial area only half as large as a traverse around the entire hole, wohinge- gene to be removed surface of the first layer a four ⁇ tel corresponding to the area of the total hole cross-section.
  • the energy input per area to be removed is correspondingly greater, so that a reliable removal of the cut-out lid of the first layer is ensured even when the partial area is circulated once with the first laser output.
  • the entire drilling process can be a result of the short total travel of the first laser output to the first layer quickly Runaway ⁇ are leads.
  • Figure 1 shows a laser processing machine for drilling Lö ⁇ chern
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a drilled blind hole
  • Figure 3 shows the traversing movements of the first laser output according to a preferred embodiment of the invention.
  • the laser processing machine 100 illustrated in Figure 1 comprises a laser light source 110, laser beam 111 which lie in a crisps ultravio ⁇ spectral range emitted.
  • the laser light source 110 is a diode-pumped solid-state laser, in particular a Nd: YLF laser, which is optically pumped through semiconductor diodes arranged around the active laser medium.
  • the UV laser radiation 111 is generated in a known manner by frequency multiplication by means of an optically non-linear crystal.
  • the laser beam 111 strikes a deflection unit 130, which is conventionally constructed with galvo mirrors.
  • the laser beam deflected by the deflection unit 130 is directed onto the substrate 150 to be processed via an imaging optical system 140, for example an F-theta optical system as a processing laser beam 141.
  • the substrate 150 comprises a dielectric layer 151, which is covered by a metallic layer 152 on the upper side and underside, respectively.
  • the metallic layers are structured in a manner not shown to form interconnects.
  • micro holes 153 are drilled, the walls of which can be metallized in a known manner.
  • the processing laser beam 141 is centered in each case by means of a jump movement 155 on a drilling position 154 and then with a spot size F set via the imaging optics 140 in the region the drilling position 154 in a circular motion, so that in each case a micro hole is generated.
  • the generation of the micro hole 153 is explained below tert of Figure 3 erläu ⁇ .
  • Different layers are usually processed in under ⁇ different laser processing machines.
  • a laser processing machine with a UV laser light source is provided
  • a laser processing machine with an IR laser light source is provided.
  • FIG. 2 shows, in a cross-sectional view, a microhole 253 drilled in a multilayer substrate 250.
  • the microhole 253 is a blind hole in which only the upper metallic layer 252 and the dielectric intermediate layer 251 have been removed. By a subsequent metallization of the blind hole 253, the two metallic layers 252 can be electrically connected to one another.
  • FIG. 3 shows the movements of the processing laser beam 141 directed onto the upper metallic layer 252, which emerges from that in the UV laser beam 111.
  • the laser beam initially starts from the center M of the microhole 253 to be drilled on a circular path 360 with very low UV laser power ren to a point a at the edge of the procedural to be drilled micro hole 253 ⁇ .
  • the laser light source 110 controls in such a manner is ⁇ that a non-pulsed so-called.
  • cw laser beam Conti ous wave laser beam
  • the power of the UV laser beam 111 is set.
  • the laser beam is then guided on the outer track 370 along the edge of the microhole 253 to be drilled.
  • the laser beam is guided in one revolution or usually in several successive circulations along the outer web 370. This movement along the outer panel 370 occurs until a circular lid produced in the upper metallic layer 252 is removed.
  • the laser beam is traversed again at low laser power in the cw mode toward the center M along the second half circle 380.
  • the deflection unit 130 is directed by means of a Sprungbe ⁇ movement to the center of a next to be drilled micro-hole.
  • a pulsed UV laser beam is guided from the center of the microhole 153 to be drilled at full power along the first semicircle 360 to the point A. Thereafter, the laser beam is guided along the outer web 370 again on a complete circular path to the point A.
  • the groove structure produced along the outer web 370 leads to material removal, preferably as far as the dielectric layer 251.
  • the desired material removal on the outer web 370 can be achieved. Are in any case it must be ensured that the remaining in the hole region metallic layer 252 during the removal of the Darun ⁇ ter underlying dielectric layer 251 is fully hereinafter with removed.
  • the UV laser beam is guided along the second half circle 380 again with full laser power towards the center point M. If the material removal along the two semi-circles 360 and is carried out 380 already up to the dielectric layer 251, the extended ⁇ generated thereby cut lid in the top metal layer 252 having a diameter corresponding to the distance between the point A and the point M is jump out on your own.
  • the UV laser beam can also be guided on further circular paths with a smaller radius in order to ensure reliable removal of the upper metallic layer within partial area 390.
  • the substrate 150 is transferred to another laser processing machine having a CO 2 laser light source.
  • the IR laser beam thus generated is then directed onto the substrate 250 concentrically with the center M with a spot size F corresponding to the diameter of the microhole 153 to be drilled.
  • the groove structure previously produced by the movement of the UV laser beam along the outer web 370 now has the effect that the upper metallic layer 252 is removed from the dielectric layer 251 along a clean break edge which runs along the outer web 370.
  • the material removal of the dielectric layer 251 takes place in a known manner by means of an IR laser beam.
  • the first process step ie the material removal by means of the UV laser beam 111
  • the first process step is opposite to the conventional one described above Process significantly faster, in which the first process step, the complete removal of the metal layer 252 within the entire hole area encompassed. Since the removal of material from the dielectric layer 251 with the IR laser beam can be carried out much faster in comparison to the first process step (the available laser power in the IR spectral range is significantly greater than in the UV spectral range), the entire drilling process is opposite the previous drilling significantly faster.
  • the two process steps can also be carried out with a single, a so-called combination drilling machine, which has both a UV laser light source and an IR laser light source.
  • the invention cansver ⁇ course also be used for drilling workpieces, which not only two, but in principle belie ⁇ big many metallic layers, each two adjacent metallic layers by an electric insulating dielectric layer are separated from each other.
  • multi-layer workpieces thus arbitrarily deep blind holes can be produced, in each case the metalli ⁇ cal layer is removed with the method explained with reference to FIG 3.
  • the invention provides a method for laser drilling a
  • Hole 153, 253 in a multi-layer workpiece 150, 250 wherein by means of a first laser output 111 within a portion 390 of the cross-sectional area of the hole to be drilled 153, 253, a first layer 152, 252 is removed, so that within the cross-sectional area a portion of the first layer 152, 252 remains.
  • a second Laserausga- be is the wear across the entire cross-sectional area 395 to be drilled hole 153, 253 a second layer 151, 251 to ⁇ , simultaneously removed the remaining portion of the first layer 152, 252 during the removal of the second layer 151, 251 becomes.
  • a clean material removal of the first layer 152, 252 along a defined boundary line 370 is achieved by a partial material removal along the edge of the hole.
  • a metalli ⁇ 's first layer 152, 252 is a UV laser beam 111 and for removing a dielectric second layer 151, 251, an IR laser beam used.

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Abstract

Verfahren zum Laserbohren eines mehrschichtig aufgebauten Werkstücks 5 Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Laserbohren eines Loches (153, 253) in ein mehrschichtiges Werkstück (150, 250), wobei mittels einer ersten Laserausgabe (111) innerhalb eines Teilbereiches (390) der Querschnittsfläche des zu 10 bohrenden Loches (153, 253) eine erste Schicht (152, 252) abgetragen wird, so dass innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht (152, 252) verbleibt. Mittels einer zweiten Laserausgabe wird innerhalb der gesamten Quer- schnittsfläche (395) des zu bohrenden Loches (153, 253) eine 15 zweite Schicht (151, 251) abgetragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht (151, 251) gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht (152, 252) mit abgetragen wird. Ein saube- rer Materialabtrag der ersten Schicht (152, 252) entlang einer definierten Grenzlinie (370) wird durch einen teilwei- 20 sen Materialabtrag entlang des Lochrandes erreicht. Bevorzugt wird zum Abtragen einer metallischen ersten Schicht (152, 252) ein UV-Laserstrahl (111) und zum Abtragen einer die- lektrischen zweiten Schicht (151, 251) ein IR-Laserstrahl verwendet. 25 Figur 3

Description

Beschreibung
Verfahren zum Laserbohren eines mehrschichtig aufgebauten Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren eines Lochs mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche in ein mehr¬ schichtig aufgebautes Werkstück, insbesondere in ein mehr¬ schichtig aufgebautes Schaltungssubstrat mit einer ersten und mindestens einer zweiten Metallschicht und mit jeweils einer zwischen zwei Metallschichten angeordneten Dielektrikumss¬ chicht.
Die Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen hat durch die rasante Entwicklung der Lasertechnologie in den letzten
Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Auf dem Gebiet der Elektronikfertigung ist durch die zunehmende Miniaturisierung der Bauelemente eine Laserbearbeitung von Leiterplatten bzw. Substraten sowie von elektronischen Bauteilen zu einem unver- zichtbaren Werkzeug geworden, um elektronische Baugruppen möglichst kompakt aufzubauen. Dabei werden mittels Laser¬ strahlung Löcher in mehrschichtige Substrate gebohrt, wobei die Löcher einen Durchmesser aufweisen, der im Vergleich zu den Lochdurchmessern von mit herkömmlichen mechanischen Bohrverfahren gebohrten Löchern wesentlich kleiner ist. Unter der Voraussetzung, dass die Laserleistung des auf das Sub¬ strat treffenden Laserstrahls genau bekannt ist, können nicht nur Durchgangslöcher sondern auch Sacklöcher gebohrt werden. So können beispielsweise Sacklöcher in mehrschichtige Leiter- platten gebohrt werden, bei denen mehrere metallische Schich¬ ten durch dielektrische Zwischenschichten elektrisch nicht leitend voneinander getrennt sind. Durch eine nachfolgende Metallisierung eines Sackloches können bestimmte metallische Schichten miteinander kontaktiert werden. Auf diese Weise können elektronische Schaltungen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet werden und somit die Integrationsdichte von elektronischen Baugruppen im Vergleich zu Substraten mit lediglich einer Metallschicht oder mit zwei Metallschichten deutlich erhöht werden.
Ein Problem beim Bohren von Löchern in mehrschichtige Leiter- platten besteht darin, dass das Abtragungsverhalten von metallischen und dielektrischen Schichten stark unterschied¬ lich ist, so dass ein effektiver Bohrvorgang nicht mit ledig¬ lich einem einzigen Laserstrahl mit bestimmten Laserparame¬ tern durchgeführt werden kann.
Aus der EP 1 169 893 Bl ist ein Verfahren zum Einbringen von Durchkontaktierungslöchern in ein beidseitig mit Metall¬ schichten versehenes elektrisch isolierendes Basismaterial bekannt. Dabei wird im Bereich der zu bohrenden Löchern die metallische Außenschicht, welche üblicherweise aus Kupfer besteht, mittels eines chemischen Ätzprozesses abgetragen. Nachfolgend wird mittels eines im infraroten Spektralbereich emittierenden CO2-Lasers das Loch in das dielektrische Basis¬ material gebohrt.
Zum Laserbohren von mehrschichtigen Substraten sind auch reine Laserbohrverfahren bekannt, welche bei Vermeidung eines nasschemischen Ätzprozesses ein definiertes Bohren von Mikro- löchern in elektronische Schaltungssubstrate ermöglichen. Es ist bekannt, dass metallische Schichten für infrarote (IR)
Strahlung eine hohe Reflektivität aufweisen, so dass mittels eines CO2-Lasers mehrschichtige Leiterplatten nur bei einer äußerst hohen thermischen Belastung gebohrt werden können. Aus diesem Grund erfolgt das reine Laserbohren von mehr- schichtigen Substraten mittels zweier unterschiedlicher
Prozessschritte. In einem Prozessschritt werden die metalli¬ schen Schichten mittels eines Laserstrahls im ultravioletten (UV) Spektralbereich lokal abgetragen. In dem anderen Pro¬ zessschritt wird die dielektrische Zwischenschicht mittels eines IR-Laserstrahls abgetragen, welcher üblicherweise von einem CO2-Laser erzeugt wird. Aus diesem Grund werden zum Bohren von mehrschichtigen Substraten häufig so genannte Kombinationslaserbearbeitungsmaschinen verwendet, welche zwei unterschiedliche Laserlichtquellen, eine UV-Laserlichtquelle, beispielsweise einen frequenzvervielfachter Nd:YAG-Laser und eine IR-Laserlichtquelle, insbesondere einen CO2-Laser auf- weisen.
Aus der US 5,126,532 ist eine derartige Kombinationslaser- bearbeitungsmaschine bekannt, welche sowohl einen UV-Laser als auch einen IR-Laser aufweist. Die beiden von den Laser- lichtquellen erzeugten Laserstrahlen werden mittels eines schwenkbar gelagerten Spiegels abwechselnd an die Stelle des zu bohrenden Lochs gelenkt, so dass zunächst die metallische Schicht mit dem UV-Laserstrahl und danach die dielektrische Schicht mit dem IR-Laserstrahl abgetragen werden kann.
Da die Ausgangsleistung von im ultravioletten Spektralbereich emittierenden Laserlichtquellen üblicherweise nicht aus¬ reicht, um die metallische Schicht innerhalb des gesamten Lochquerschnitts mit einem oder einer Mehrzahl von Laserpul- sen abzutragen, erfolgt das Abtragen einer metallischen
Schicht häufig mittels des so genannten Trepanierens . Dabei wird der Laserstrahl auf der Metallschicht auf einen Durch¬ messer fokussiert, welcher wesentlich kleiner ist als der Durchmesser des zu bohrenden Loches. Der Laserstrahl wird dann mittels einer aus zwei beweglich gelagerten Spiegeln bestehenden Ablenkeinheit auf einer Kreisbahn entlang des Randes des zu bohrenden Loches geführt, so dass die metalli¬ sche Schicht entlang dieser Kreislinie abgetragen wird. In der Regel springt zumindest nach einer Mehrzahl von vollstän- digen Kreisdurchgängen der aus der Metallschicht erzeugte
Deckel von selbst heraus. Alternativ kann der Trepaniervor¬ gang auch mit verschiedenen Radien durchgeführt oder der Laserstrahl kann auf einer Spiralbahn innerhalb der Quer¬ schnittsfläche des zu bohrenden Loches geführt werden. Die Problematik des reinen Laserbohrens von mehrschichtigen elektronischen Schaltungssubstraten besteht darin, dass die Laserleistung von üblichen UV-Laserlichtquellen deutlich geringer ist als die von Cθ2-Laserlichtquellen. Dies hat zu Folge, dass der Prozessschritt des Abtragens der Metall¬ schicht deutlich langsamer ist als der nachfolgende Prozess¬ schritt des Bohrens der dielektrischen Schicht. Somit be- stimmt die Geschwindigkeit, mit der die metallischen Schich¬ ten gebohrt werden, die Geschwindigkeit des gesamten Bohrpro¬ zesses und damit auch den Durchsatz, d.h. die maximale Anzahl an Löchern, die pro Zeiteinheit gebohrt werden können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Laserbohren eines Loches in ein mehrschich¬ tig aufgebautes Werkstück anzugeben, welches ein schnelles Bohren von metallischen Schichten ermöglicht und somit insge¬ samt eine hohe Bohrgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma¬ len des unabhängigen Anspruchs 1. Erfindungsgemäß wird mit¬ tels einer ersten Laserausgabe lediglich innerhalb eines Teilbereichs der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches eine erste Schicht entfernt, so dass im Lochbereich ein Teil der ersten Schicht verbleibt. Mittels einer zweiten Laseraus¬ gabe wird innerhalb der gesamten Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches eine zweite Schicht abgetragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht mit entfernt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auch bei einem nicht vollständigen Entfernen der ersten Schicht der verbliebene Teil bei dem Abtragen der zweiten Schicht automa- tisch mit entfernt wird. Da mittels der ersten Laserausgabe die erste Schicht lediglich teilweise entfernt wird, ist dieser erste Schritt im Vergleich zu einem vollflächigen Entfernen der ersten Schicht im gesamten Lochbereich deutlich schneller. Somit führt das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserbohren insbesondere dann zu einer deutlich höheren Bohrgeschwindigkeit, wenn aufgrund des unterschiedlichen Abtragungsverhaltens der Materialien der beiden Schichten ein vollständiges Entfernen der ersten Schicht länger dauert als ein Abtrag der zweiten Schicht. Die Erfindung eignet sich sowohl zum Bohren von Sack- bzw. Blindlöchern als auch zum Bohren von Durchgangslöchern und ist somit im Bereich des Laserbohrens von mehrschichtig aufgebauten Schaltungssubstra¬ ten universell einsetzbar. Es wird darauf hingewiesen, dass beim Bohren von Durchgangslöchern die aus Sicht des bearbei¬ tenden Laserstrahls unterste Metallschicht nach dem herkömm¬ lichen Bohrverfahren abgetragen werden muss, da sich unter- halb dieser Schicht keine weitere dielektrische Schicht mehr befindet.
Gemäß Anspruch 2 wird mittels der ersten Laserausgabe zusätz¬ lich entlang des Randes der Querschnittsfläche Material der ersten Schicht abgetragen. Insbesondere kann in der ersten Schicht entlang des Randes des zu bohrenden Loches eine Schneise bzw. eine Nut ausgebildet werden, welche sich bevor¬ zugt bis hin zur zweiten Schicht oder auch lediglich inner¬ halb eines oberflächennahen Bereichs der ersten Schicht erstreckt. Durch eine derartige Struktur, welche die Wirkung einer Perforation aufweist, wird beim vollständigen Entfernen der ersten Schicht durch die zweite Laserausgabe ein sauber definierter Lochrand gewährleistet, so dass Löcher mit einer hohen Qualität erzeugt werden können.
Gemäß Anspruch 3 umfasst die erste Laserausgabe einen Laser¬ strahl im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbe¬ reich. Da kurzwellige Laserstrahlung an metallischen Schich¬ ten im Vergleich zu infraroter Laserstrahlung verhältnismäßig schwach reflektiert wird, eignet sich UV-Strahlung insbeson¬ dere zum Abtragen von metallischen Materialien. Dabei ist die thermische Belastung des Werkstücks im Vergleich zu der thermischen Belastung durch IR-Strahlung deutlich reduziert, da mittels UV-Strahlung die atomaren Bindungen bzw. die metallische Bindungen zwischen den einzelnen Atomen bzw. Molekülen in der Metallschicht direkt aufgebrochen werden können. Gemäß Anspruch 4 wird die erste Laserausgabe von einem Fest¬ körperlaser, insbesondere von einem frequenzvervielfachten Laser erzeugt. Das aktive Lasermedium ist beispielsweise Nd:YAG, Nd: YVO4 oder Nd:YLF, welche Laserstrahlung mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm erzeugen können. Das Pumpen der Festkörperlaser erfolgt bevorzugt unter Verwendung von Halb¬ leiterdioden. Diese können um das aktive Lasermedium herum angeordnet werden, so dass ein entsprechender Festkörperlaser in einer kompakten Bauform realisiert werden kann, ohne dass eine externe Pumplichtquelle erforderlich ist. Zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung weist die Laserlichtquelle zusätzlich ein optisch nicht lineares Medium zur Frequenzvervielfachung auf. Derartige optisch nicht lineare Medien, welche in der Lasertechnik allgemein bekannt sind, können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Resonators positioniert werden. Bei den oben genannten Lasertypen mit einer Grundwelle von 1064 nm erreicht man frequenzvervielfachte Strahlung mit Wellenlängen von 532 nm, 355 nm und 266 nm. Eine derartige Frequenzvervielfachung, bei der die Grundwellenlänge hal¬ biert, gedrittelt oder geviertelt wird, ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Eine Frequenzvervielfachung um einen Faktor 5, 6 oder mehr ist insbesondere mit modernen und extrem leistungsstarken Lasersystemen ebenso denkbar. Die Frequenzvervielfachung hat den Vorteil, dass man auf einfache Weise Laserstrahlung im sichtbaren oder im ultravioletten Spektralbereich erzeugen kann, welche sich besonders gut zum Abtragen von metallischen Schichten wie beispielsweise Kupfer eignet.
Gemäß Anspruch 5 wird die zweite Laserausgabe im IR-Spektral- bereich erzeugt. Die entsprechende Laserstrahlung wird bevor¬ zugt mit einem CO2-Laser erzeugt und ermöglicht aufgrund der hohen verfügbaren Laserleistung ein schnelles Abtragen einer dielektrischen zweiten Schicht. Die Verwendung von gepulster Laserstrahlung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, dass der Materialabtrag in Folge einer zwischen den Laserpulsen vorhandenen Abkühlzeit eine ver¬ gleichsweise geringe thermische Belastung des zu bohrenden Werkstücks verursacht.
Gemäß Anspruch 7 wird der Teilbereich der ersten Schicht durch Trepanieren entfernt, wobei der Laserstrahl am Rand des Teilbereichs geführt wird. Dabei wird entlang des gesamten Randes des Teilbereichs eine Struktur erzeugt, welche sich bis in eine Tiefe hin zur zweiten Schicht erstreckt. Dadurch wird eine auf der zweiten Schicht aufliegende Scheibe er¬ zeugt, welche üblicherweise von selbst aus dem Lochbereich herausspringt. Falls die erzeugte Scheibe wider Erwarten auf der zweiten Schicht verbleiben sollte, kann die erste Laser¬ ausgabe zusätzlich mit einem oder mit einer Mehrzahl von Umläufen um den Rand des Teilbereichs geführt oder auch auf den inneren Bereich der Scheibe gerichtet werden, so dass die erzeugte Kreisscheibe infolge des hohen Energieeintrags mit hoher Zuverlässigkeit aus dem Lochbereich entfernt wird.
Gemäß Anspruch 8 wird die zweite Schicht durch Trepanieren oder durch Punchen abgetragen. Im Falle des Trepanierens ist darauf zu achten, dass die zweite Laserausgabe zunächst im Bereich des freigelegten Loches innerhalb der Lochquer¬ schnittsfläche direkt auf die zweite Schicht gerichtet wird. Dadurch wird gewährleistet, dass durch den Energieeintrag direkt auf die zweite Schicht der verbliebene Teil der ersten Schicht entfernt wird, bevor die zweite Laserausgabe auf den Bereich der Lochquerschnittsfläche gerichtet wird, welcher Bereich durch die erste Laserausgabe noch nicht entfernt wurde.
Beim so genannten Punchen wird der Laserstrahl mit einem oder mit einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Pulsen an die¬ selbe Stelle des zu bohrenden Werkstücks gerichtet. Durch Verwendung einer entsprechenden Optik kann die Fleckgröße der zweiten Laserausgabe auf dem Werkstück an unterschiedliche Lochdurchmesser angepasst werden.
Gemäß Anspruch 9 befindet sich der Teilbereich zischen der Lochmitte und dem Lochrand. Dies ermöglicht ausgehend von einem zunächst auf die Lochmitte gerichteten ersten Laser¬ strahl ein schnelles Anfahren des Laserstrahls an den Loch¬ rand. Da somit eine den Laserstrahl führende und stets eine gewisse mechanische Trägheit aufweisende Ablenkeinheit insge- samt nur eine relativ kurze Bewegung durchführen muss, können die beiden Bearbeitungsschritte, nämlich das Ausbilden einer Schneise entlang des Lochrandes und das Abtragen der ersten Schicht innerhalb des Teilbereiches zügig erfolgen.
Der Teilbereich ist bevorzugt eine Kreisfläche, welche einen Durchmesser aufweist, der im Vergleich zu dem Durchmesser des gesamten Loches halb so groß ist. Somit ist auch der Verfahr¬ weg der ersten Laserausgabe rund um den Teilbereich nur halb so groß wie ein Verfahrweg rund um das gesamte Loch, wohinge- gen die zu entfernende Fläche der ersten Schicht einem Vier¬ tel der Fläche der gesamten Lochquerschnitts entspricht. Dies führt dazu, dass der Energieeintrag pro zu entfernende Fläche entsprechend größer ist, so dass bereits bei einem einmaligen Umrunden des Teilbereichs mit der ersten Laserausgabe ein zuverlässiges Entfernen des ausgeschnittenen Deckels der ersten Schicht gewährleistet ist. Außerdem kann der gesamte Bohrprozess infolge des insgesamt kurzen Verfahrweges der ersten Laserausgabe auf der ersten Schicht schnell durchge¬ führt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
Figur 1 eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren von Lö¬ chern, Figur 2 eine Querschnittsansicht eines gebohrten Sackloches und Figur 3 die Verfahrbewegungen der ersten Laserausgabe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeich¬ nung die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
Die in Figur 1 dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 100 umfasst eine Laserlichtquelle 110, welche einen im ultravio¬ letten Spektralbereich liegenden Laserstrahl 111 emittiert. Die Laserlichtquelle 110 ist ein diodengepumpter Festkörper¬ laser, insbesondere ein Nd:YLF-Laser, welcher durch um das aktive Lasermedium herum angeordnete Halbleiterdioden optisch gepumpt wird. Die UV-Laserstrahlung 111 wird in bekannter Weise durch Frequenzvervielfachung mittels eines optisch nicht linearen Kristalls erzeugt.
Der Laserstrahl 111 trifft auf eine Ablenkungseinheit 130, die in herkömmlicher Weise mit Galvospiegeln aufgebaut ist. Der durch die Ablenkungseinheit 130 abgelenkte Laserstrahl wird über eine Abbildungsoptik 140, beispielsweise eine F- Theta-Optik als Bearbeitungslaserstrahl 141 auf das zu bear- beitende Substrat 150 gelenkt.
Das Substrat 150 umfasst eine dielektrische Schicht 151, die oberseitig und unterseitig jeweils von einer metallischen Schicht 152 bedeckt ist. Die metallischen Schichten sind in nicht gezeigter Weise zur Bildung von Leiterbahnen struktu¬ riert. Zur Erzeugung von elektronischen Verbindungen zwischen den beiden Metallschichten 152 werden Mikrolöcher 153 ge¬ bohrt, deren Wände in bekannter Weise metallisiert werden können. Zur Erzeugung der Mikrolöcher 153 wird der Bearbei- tungslaserstrahl 141 jeweils mittels einer Sprungbewegung 155 auf eine Bohrposition 154 zentriert und dann mit einer über die Abbildungsoptik 140 eingestellten Fleckgröße F im Bereich der Bohrposition 154 in einer Kreisbewegung verfahren, so dass jeweils ein Mikroloch erzeugt wird. Die Erzeugung des Mikroloches 153 wird nachfolgend anhand von Figur 3 erläu¬ tert.
Unterschiedlichen Schichten werden üblicherweise in unter¬ schiedlichen Laserbearbeitungsmaschinen bearbeitet. Zum Bohren von metallischen Schichten ist eine Laserbearbeitungs¬ maschine mit einer UV-Laserlichtquelle, zum Bohren von die- lektrischen Schichten ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer IR-Laserlichtquelle vorgesehen. Anstelle der Verwendung von zwei Laserbearbeitungsmaschinen kann auch eine sog. Kombinationslaserbearbeitungsmaschine verwendet werden, welche zwei unterschiedliche Laserlichtquellen aufweist.
Figur 2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein in ein mehrschichtiges Substrat 250 gebohrtes Mikroloch 253. Das Mikroloch 253 ist ein Sackloch, bei dem lediglich die obere metallische Schicht 252 und die dielektrische Zwischenschicht 251 abgetragen sind. Durch eine nachfolgende Metallisierung des Sackloches 253 können die beiden metallischen Schichten 252 elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
Figur 3 zeigt die Verfahrbewegungen des auf die obere metal- lische Schicht 252 gerichteten Bearbeitungslaserstrahls 141, welcher aus dem im UV-Laserstrahl 111 hervorgeht. Zum besse¬ ren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein bisher ver¬ wendeter Bohrvorgang zum Abtragen der oberen metallischen Schicht 252 erläutert: Demnach wird der Laserstrahl zunächst ausgehend von dem Mittelpunkt M des zu bohrenden Mikroloches 253 auf einer Kreisbahn 360 mit sehr geringer UV-Laserleistung hin zu einem Punkt A an dem Rand des zu bohrenden Mikroloches 253 verfah¬ ren. Während der Bewegung des Laserstrahles entlang des Halbkreises 360 wird die Laserlichtquelle 110 derart ange¬ steuert, dass ein nicht gepulster sog. cw Laserstrahl (conti- nuous wave Laserstrahl) emittiert wird. Nach dem Erreichen des Punktes A wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquelle 110 die Leistung des UV-Laserstrahls 111 erhöht, wobei eine Widerholfrequenz von typischerweise 20 kHz eingestellt wird. Der Laserstrahl wird dann an der Außenbahn 370 entlang des Randes des zu bohrenden Mikroloches 253 geführt. Je nach den gegebenen Bedingungen (Material und Dicke der oberen Metallschicht, Laserleistung, Laserwellen¬ länge, etc.) wird dabei der Laserstrahl in einem Umlauf oder meist in mehreren aufeinander folgenden Umläufen entlang der Außenbahn 370 geführt. Diese Bewegung entlang der Außenbahn 370 erfolgt so lange, bis ein in der oberen metallischen Schicht 252 erzeugter kreisförmiger Deckel entfernt wird. Danach wird der Laserstrahl erneut bei geringer Laserleistung im cw-Modus hin zum Mittelpunkt M entlang des zweiten HaIb- kreises 380 verfahren.
Das nachfolgende Abtragen der dielektrischen Schicht 251 erfolgt dann in der Regel in einer anderen Laserbearbeitungs¬ maschine bevorzugt mittels Punchen, d.h. mittels eines wie- derholten Einwirkens eines IR-Laserstrahls auf eine Quer¬ schnittsfläche, die der Querschnittsfläche des gesamten Mikroloches 253 entspricht. Nach der Beendigung des Bohrvor¬ ganges wird die Ablenkungseinheit 130 mittels einer Sprungbe¬ wegung auf den Mittelpunkt eines nächsten zu bohrenden Mikro- loches gelenkt.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung wird ein gepulster UV-Laserstrahl von dem Mittelpunkt des zu bohrenden Mikroloches 153 mit voller Leistung entlang des ersten Halbkreises 360 zu dem Punkt A geführt. Danach wird der Laserstrahl entlang der Außenbahn 370 auf einer vollstän¬ digen Kreisbahn erneut zu dem Punkt A geführt. Dadurch wird in der oberen metallischen Schicht 252 eine Nut bzw. eine Grabenstruktur ausgebildet, welche nachfolgend ein Ablösen der oberen Metallschicht 252 innerhalb des gesamten Durchmes¬ sers des Mikroloches 253 erleichtert. Die durch bevorzugt eine oder im Ausnahmefall durch eine Mehrzahl von Kreisbewe- gungen entlang der Außenbahn 370 erzeugte Nutstruktur führt zu einem Materialabtrag bevorzugt bis hin zur dielektrischen Schicht 251. Durch eine Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit und/oder der Laserleistung kann der gewünschte Materialabtrag auf der Außenbahn 370 erreicht werden. Auf alle Fälle muss sichergestellt werden, dass die im Lochbereich verbleibende metallische Schicht 252 nachfolgend beim Abtragen der darun¬ ter liegenden dielektrischen Schicht 251 vollständig mit entfernt wird.
Danach wird der UV-Laserstrahl entlang des zweiten Halbkrei¬ ses 380 erneut mit voller Laserleistung hin zu dem Mittel¬ punkt M geführt. Falls der Materialabtrag entlang der beiden Halbkreise 360 und 380 bereits bis hin zur dielektrischen Schicht 251 erfolgt ist, wird der dadurch erzeugte ausge¬ schnittene Deckel in der oberen Metallschicht 252 mit einem Durchmesser, der dem Abstand zwischen dem Punkt A und dem Punkt M entspricht, selbstständig herausspringen. Sollte die auf die beiden Halbkreise beaufschlagte Laserenergie nicht ausreichen, um die Metallschicht in dem durch die beiden Halbkreise 360 und 380 beschriebenen Teilbereich 390 zu entfernen, wird der UV-Laserstrahl erneut entlang des inneren Kreises geführt, bis der Teilbereich 390 vollständig freige¬ legt wird. Gegebenenfalls kann der UV-Laserstrahl auch auf weiteren Kreisbahnen mit einem kleineren Radius geführt werden, um ein zuverlässiges Entfernen der oberen metalli¬ schen Schicht innerhalb Teilbereiches 390 zu gewährleisten.
Nach dem Freilegen des Teilbereiches 390 wird das Substrat 150 an eine andere Laserbearbeitungsmaschine übergeben, welche eine CO2-Laserlichtquelle aufweist. Der damit erzeugte IR-Laserstrahl wird dann mit einer Fleckgröße F, die dem Durchmesser des zu bohrenden Mikroloches 153 entspricht, konzentrisch zu dem Mittelpunkt M auf das Substrat 250 ge- richtet. Dadurch erfolgt insbesondere innerhalb des Teilbe¬ reiches 390 ein derart großer Energieübertrag auf die die¬ lektrische Schicht 251, dass die innerhalb des Lochquer- schnitts verbliebene metallische Schicht 252 automatisch mit entfernt wird. Die zuvor durch die Bewegung des UV-Laser¬ strahls erzeugte Nutstruktur entlang der Außenbahn 370 be¬ wirkt nunmehr, dass die obere metallische Schicht 252 entlang einer sauberen Bruchkante, die entlang der Außenbahn 370 verläuft, von der dielektrischen Schicht 251 entfernt wird. Nach dem vollständigen Entfernen der oberen metallischen Schicht 252 innerhalb des gesamten Lochquerschnitts 395 erfolgt der Materialabtrag der dielektrischen Schicht 251 in bekannter Weise mittels IR-Laserstrahls .
Da die Materialentfernung in der oberen metallischen Schicht 252 mittels des UV-Laserstrahls 111 nur in einer im Vergleich zum gesamten Lochquerschnitt 395 reduzierten Teilfläche 390 erfolgt, ist der erste Prozessschritt, d. h. der Materialab¬ trag mittels des UV-Laserstrahls 111 gegenüber dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren deutlich schneller, bei dem der erste Prozessschritt das vollständige Entfernen der Metallschicht 252 innerhalb des gesamten Lochbereiches um- fasst. Da der Materialabtrag der dielektrischen Schicht 251 mit dem IR-Laserstrahl im Vergleich zu dem ersten Prozess¬ schritt deutlich schneller durchgeführt werden kann (die verfügbare Laserleistung im IR-Spektralbereich ist deutlich größer als im UV-Spektralbereich) , ist der gesamte Bohrpro- zess gegenüber dem bisherigen Bohrverfahren deutlich schnel¬ ler.
Er wird darauf hingewiesen, dass die beiden Prozessschritte auch mit einer einzigen, einer sog. Kombinationsbohrmaschine durchgeführt werden können, welche sowohl eine UV-Laserlicht¬ quelle als auch eine IR-Laserlichtquelle aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstver¬ ständlich auch zum Bohren von Werkstücken verwendet werden kann, welche nicht lediglich zwei, sondern im Prinzip belie¬ big viele metallische Schichten aufweisen, wobei jeweils zwei benachbarte metallische Schichten durch eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht voneinander getrennt sind. In derartig mehrschichtigen Werkstücken können somit beliebig tiefe Sacklöcher erzeugt werden, wobei jeweils die metalli¬ sche Schicht mit dem anhand von Figur 3 erläuterten Verfahren abgetragen wird.
Zusammenfassend kann festgestellt werden:
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Laserbohren eines
Loches 153, 253 in ein mehrschichtiges Werkstück 150, 250, wobei mittels einer ersten Laserausgabe 111 innerhalb eines Teilbereiches 390 der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches 153, 253 eine erste Schicht 152, 252 abgetragen wird, so dass innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht 152, 252 verbleibt. Mittels einer zweiten Laserausga- be wird innerhalb der gesamten Querschnittsfläche 395 des zu bohrenden Loches 153, 253 eine zweite Schicht 151, 251 abge¬ tragen, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht 151, 251 gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht 152, 252 mit abgetragen wird. Ein sauberer Materialabtrag der ersten Schicht 152, 252 entlang einer definierten Grenzlinie 370 wird durch einen teilweisen Materialabtrag entlang des Loch¬ randes erreicht. Bevorzugt wird zum Abtragen einer metalli¬ schen ersten Schicht 152, 252 ein UV-Laserstrahl 111 und zum Abtragen einer dielektrischen zweiten Schicht 151, 251 ein IR-Laserstrahl verwendet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserbohren eines Loches (153, 253) mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche in ein mehrschichtig aufgebautes Werkstück, insbesondere in ein mehrschichtig aufgebautes Schaltungssubstrat (150, 250) mit einer ersten und mindestens einer zweiten Metallschicht (152, 252) und mit jeweils einer zwischen zwei Metallschichten (152, 252) ange¬ ordneten Dielektrikumsschicht (151, 251), bei dem • mittels einer ersten Laserausgabe (111) innerhalb eines
Teilbereiches (390) der Querschnittsfläche des zu bohrenden Loches (153, 253) eine erste Schicht (152, 252) entfernt wird, wobei innerhalb der Querschnittsfläche ein Teil der ersten Schicht (152, 252) verbleibt, und • mittels einer zweiten Laserausgabe innerhalb der gesamten
Querschnittsfläche (395) des zu bohrenden Loches (153, 253) eine zweite Schicht (151, 251) abgetragen wird, wobei beim Abtragen der zweiten Schicht (151, 251) gleichzeitig der verbliebene Teil der ersten Schicht (152, 252) mit entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels der ersten Laserausgabe (111) zusätzlich entlang des Randes (370) der Querschnittsfläche Material der ersten Schicht (152, 252) abgetragen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die erste Laserausgabe einen Laserstrahl (111) im sichtbaren oder nahen ultravioletten Spektralbereich umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste Laserausgabe von einem Festkörperlaser (110), insbesondere von einem frequenzvervielfachten und/oder dio¬ dengepumpten Festkörperlaser erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite Laserausgabe einen Laserstrahl im infraroten Spektralbereich aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Laserausgabe (111) und/oder die zweite Laserausgabe gepulste Laserstrahlung umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Teilbereich (390) der ersten Schicht (152, 252) durch Trepanieren entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweite Schicht (151, 251) durch Trepanieren oder durch Punchen abgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem sich der Teilbereich (390) zwischen der Lochmitte (M) und dem Lochrand (A) befindet.
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