WO2012000684A1 - Locherzeugung mit mehrfach-elektroden - Google Patents

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WO2012000684A1
WO2012000684A1 PCT/EP2011/003299 EP2011003299W WO2012000684A1 WO 2012000684 A1 WO2012000684 A1 WO 2012000684A1 EP 2011003299 W EP2011003299 W EP 2011003299W WO 2012000684 A1 WO2012000684 A1 WO 2012000684A1
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electrodes
workpiece
electrode
counter
individual
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PCT/EP2011/003299
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Kurt Nattermann
Ulrich Peuchert
Wolfgang MÖHL
Stephan Behle
Dirk Weidmann
Sabine Lehnicke
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Schott Ag
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Publication date
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    • B44—DECORATIVE ARTS
    • B44C—PRODUCING DECORATIVE EFFECTS; MOSAICS; TARSIA WORK; PAPERHANGING
    • B44C1/00—Processes, not specifically provided for elsewhere, for producing decorative surface effects
    • B44C1/22—Removing surface-material, e.g. by engraving, by etching
    • B44C1/227—Removing surface-material, e.g. by engraving, by etching by etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/26—Perforating by non-mechanical means, e.g. by fluid jet
    • B26F1/28—Perforating by non-mechanical means, e.g. by fluid jet by electrical discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00087—Holes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for producing holes in dielectric
  • Plastic film is known from US 6,348,675 Bl. There are pulse sequences with sparkover between
  • CONFIRMATION COPY Laser beam is directed to the workpiece, which is displaced during the action, and it is applied by means of two electrodes high voltage to the laser beam heated zone to form a flashover, the
  • Electrode or a flux react This can cut glass, paper, cloth, cardboard, leather, plastic, ceramics and semiconductors or it can glass and
  • Plastic welded, rubber vulcanized and resin thermally cured are too bulky in nature to allow fine holes to be applied to the workpiece.
  • WO 2005/097439 A2 discloses a method for forming a structure, preferably a hole, a cavity or a channel in a region of an electrically insulating substrate, in which energy is preferably in the form of heat, also by a laser beam, the substrate or the Region supplied and a voltage is applied to the region to generate a dielectric breakdown there. With a feedback mechanism, the process becomes
  • Fine, single holes can be created one after another, but not with multiple ones
  • WO 2009/059786 A1 discloses a method for forming a structure, in particular a hole, a cavity, a channel or a recess in a region of a
  • electrically insulating substrate in which charged electrical energy is discharged through the region and additional energy, preferably heat, the substrate or the region is supplied to increase the electrical conductivity of the substrate or the region, thereby triggering a current flow whose energy in the substrate is converted into heat, wherein the rate of heat conversion of the electrical energy by a current and power
  • AI is a method for introducing a change in the dielectric and / or optical
  • Energy is supplied by a voltage supply of the first region to significantly heat or partially or completely melt them, without ejecting material from the first region, wherein optionally additional energy is supplied to generate local heat and the location of the first region define.
  • the heat conversion of the electrical energy manifests in the form of a current flow within the substrate.
  • the output of electrical energy is regulated by a current and power modulating element.
  • Processed changes in substrate surfaces also include holes made in borosilicate glass or
  • Silicon substrates have been produced with an insulating layer of paraffin or a
  • Hot melt adhesive had been provided. Holes are also produced in silicon, in zirconium, in sapphire, in indium phosphide or in gallium arsenide. Partially became the
  • Discharge process initiated by a laser irradiation at a wavelength of 10.6 ⁇ (C0 2 laser). It also hole grid are shown, but with relatively wide
  • From DE 28 30 326 AI is an arrangement for
  • the two electrodes consist of multi-row needle fields.
  • the needles facing each other in the needle fields are connected in pairs via control lines with separate
  • Interposers through which the leads pass, are applied by several hundred holes in the interposer and filled with conductive material.
  • Typical hole sizes are in the range of 250 to 450 ⁇ per hole between CPU chips and
  • Interposer there should be no thermal changes in length.
  • the interposers should therefore one
  • the invention has for its object to provide a device for producing holes in dielectric workpieces in the form of thin plates and substrates, in particular of glass or glass-like materials and semiconductors, when requirements, as asked to Interposer, to be met:
  • the holes should be exactly ( ⁇ 20 ⁇ ) can be positioned. There are many (10 to 10,000) small holes per workpiece with tight tolerances of the holes can be produced to each other. The holes should be able to be generated at a close distance (30 ⁇ to 1000 ⁇ ) to each other.
  • the hole shape should at the hole outlet and
  • Entry may be conical-crater-shaped, while it should be cylindrical in the central bore area.
  • the hole wall should be fire polished.
  • the holes should be on an industrial scale, d. H. many micro holes per workpiece can be created simultaneously.
  • the hole-producing device according to the invention is based symmetrically about the hole to be produced in the workpiece
  • Electrode holders and counter electrode holders are Electrode holders and counter electrode holders
  • the workpiece to be punched is in the processing room of a workpiece holder
  • High voltage electrodes and counter electrodes are. To deliver high-voltage breakdowns through the workpiece, the high-voltage source is connected to individual opposing electrode counterelectrodes. Since there are several individual electrode backplates at each hole to be made, a single one becomes
  • Electrode holder and counter electrode holder provided.
  • the electrode shafts receive respective ones
  • Electrode shells provided.
  • tungsten carbide alloy is preferable.
  • the electrodes are provided with precisely machined electrode tips (pm range), which through
  • Electrodes-counter-electrode pairs arranged symmetrically about holes to be provided.
  • Each of these electrode-counter-electrode pairs is powered by a separate high voltage source. This avoids being a conductive
  • laser beams can serve sufficiently high intensity, which damage the material of the workpiece along respective filamentary channels, whereby at these points the electrical
  • Fig. 1 is a schematically sketched plant for the production of holes in dielectric workpieces
  • Fig. 2 is a schematic representation of a
  • Fig. 3 is a high voltage electrode, and 4 is an enlarged detail of FIG .. 3
  • FIG. 1 shows a system for marking holes 10 and for making holes 12 in dielectric
  • the marking device consists of an arrangement 4 of lasers 40, which is not absolutely necessary for purposes of the invention, but a particularly precise positioning of the holes provided
  • the lasers 40 substantially impart light beams 41 in one for the dielectric workpiece 1
  • the holes 12 of desired dimension are generated by electrodes 6 in cooperation with counter electrodes 7.
  • Electrodes 6 and 7 are arranged symmetrically around the hole 12 to be produced and formed as multiple individual electrodes.
  • the workpiece 1 can be moved by means of a workpiece holder 5 and precisely positioned.
  • the support structures 20, 30 are provided for supporting a plurality of electrode holders 21, respectively, 31 (FIG. 2), each having an arry in its
  • Electrode holder 21 or 31 contains a
  • the electrodes 6, 7 are connectable to a high voltage source (not shown) to cause sparks between them
  • Electrodes 6 and the counter electrodes 7 which is shown in more detail in Fig. 2.
  • the individual electrodes 6a, 6b, 6c and 7a, 7b, 7c are connected to a permutation device, not shown, which, for example, the electrodes 6a, 6b, 6c circumferentially to the
  • Electrode holder 21 The passage 34 through the
  • Electrode holder 31 is similar.
  • the cylinder jacket 22 has recesses 25, through which the respective individual electrodes extend.
  • the shafts of these electrodes are coated with an electrically insulating ceramic sheath 26, which may consist of high-temperature aluminum oxide and which is still embedded in a disc 27 made of temperature-resistant material.
  • the disc 27 is attached to the cylinder jacket 22 via the recess 25.
  • the individual electrodes have perfect electrode tips, which are made of tungsten carbide alloy, and sharpened by the EDM (Electric Discharge Machining) method, so that their tip is sharp in the pm range.
  • Laser arrangement 4 can also be used a marking device which prints coupling points according to the pattern of the holes 10.
  • the coupling material promotes the electrical breakdown and the melt flow in the
  • the plant according to FIG. 1 is operated as follows:
  • Damage channel 11 is created. However, this flow is not necessary for the basic mode of operation of the device according to FIG. 1.
  • the workpiece 1 is positioned relative to the electrode counterelectrodes 6, 7 such that the intended perforation points 10 come to rest in the respective connecting lines between these electrode-counter-electrode pairs 6, 7.
  • breakdowns occur through the material of the workpiece 1 at the punching points, and it is a specialty of the invention, symmetrically around each punching point
  • Electrode holder 37 cooperates, ie that skips a spark between these individual electrodes, as shown in Fig. 2.
  • the permutation device ensures alternate switching of the individual electrodes, so that in the meantime all the individual electrodes of each electrode holder cooperate with the individual electrodes of the counter electrode holder and are loaded equally on average.
  • an axial symmetry of the hole walls is obtained, which are formed in its central region cylindrical, while the edges are rounded at the hole edges.
  • High-voltage discharges can also be carried out the process step of deep reactive ion etching et cens.

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Löchern (12) in dielektrischen Werkstücken (1) in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern. Symmetrisch um das zu erzeugende Loch (12) im Werkstück (1) sind an einem Elektrodenhalter (21) einzelne Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und an einem Gegenelektrodenhalter (31) einzelne Gegenelektroden (7a, 7b, 7c) angeordnet. Die einzelnen Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und die einzelnen Gegenelektroden (7a, 7b, 7c) sind permutierend zur Abgabe von Hochspannungsüberschlägen mit einer Hochspannungsquelle verbindbar.

Description

Locherzeugung mit Mehrfach-Elektroden
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen
Werkstücken in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern.
Hintergrund der Erfindung
Das Perforieren von Kunststofffilmen durch elektrisch erzeugte Funken ist durch US 4,777,338 bekannt. Es ist eine Vielzahl von Elektroden-Gegenelektroden-Paaren vorgesehen, zwischen denen der Kunststofffilm geführt wird und über die Hochspannungsenergie durch Funkenüberschlag entladen wird. Der Film wird dabei durch ein Wasserbad geführt, und die Temperatur des Wasserbades dient dazu, die Größe der
Perforationen zu beeinflussen.
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Poren in
Kunststofffilmen ist durch US 6,348,675 Bl bekannt. Es werden Impulsfolgen mit Funkenüberschlag zwischen
Elektrodenpaaren unter Zwischenlage des Kunststofffilms erzeugt, wobei der erste Impuls zur Aufheizung des
Kunststofffilms an der Lochungsstelle und die weiteren Impulse zur Bildung der Lochung und deren Formung dienen.
Aus US 4,390,774 ist die Bearbeitung auf elektrischem Wege von nicht leitfähigen Werkstücken im Sinne von Schneiden des Werkstücks oder Schweißen des Werkstücks bekannt. Ein
BESTÄTIGUNGSKOPIE Laserstrahl wird auf das Werkstück gerichtet, das während der Einwirkung verschoben wird, und es wird mittels zweier Elektroden Hochspannung an die Laser-Strahl erhitzte Zone angelegt, um Funkenüberschlag zu bilden, der zur
Bearbeitung des Werkstücks dient. Beim Schneiden des
Werkstücks brennt dieses in einer kontrollierbaren Weise. Wenn Werkstücke geschweißt werden sollen, werden noch reaktive oder inerte Gasströme auf die erhitzte Zone gerichtet, die entweder mit dem Werkstück oder der
Elektrode oder einem Flussmittel reagieren. Auf diese Weise kann Glas, Papier, Tuch, Karton, Leder, Kunststoff, Keramik und Halbleiter geschnitten oder es können Glas und
Kunststoff geschweißt, Gummi vulkanisiert und Kunstharz thermisch ausgehärtet werden. Die Gerätschaft ist aber ihrer Art nach zu klobig, als dass feine Löcher in das Werkstück appliziert werden könnten.
Aus WO 2005/097439 A2 ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, vorzugsweise eines Loches, eines Hohlraums oder eines Kanals in einer Region eines elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei dem Energie vorzugsweise in Form von Wärme, auch durch einen Laserstrahl, dem Substrat oder der Region zugeführt und eine Spannung an die Region angelegt wird, um dort einen dielektrischen Durchbruch zu erzeugen. Mit einem Rückkopplungsmechanismus wird der Vorgang
geregelt. Es können feine, einzelne Löcher nacheinander erzeugt werden, jedoch kann nicht mit mehreren
Elektrodenpaaren gleichzeitig gearbeitet werden. Parallel arbeitende Hochspannungselektroden beeinflussen sich gegenseitig und lassen eine indivuduelle Ansteuerung nicht zu . Durch WO 2009/059786 AI ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, insbesondere eines Loches, eines Hohlraums, eines Kanals oder einer Aussparung in einer Region eines
elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei der geladene elektrische Energie durch die Region entladen wird und zusätzliche Energie, vorzugsweise Wärme, dem Substrat oder der Region zugeführt wird, um die elektrische Leitfähigkeit des Substrats oder der Region zu vergrößern und dabei einen Stromfluss auszulösen, dessen Energie sich in dem Substrat in Wärme umwandelt, wobei die Rate der Wärmeumwandlung der elektrischen Energie durch ein Strom und Leistung
modulierendes Element gesteuert wird. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht
offenbart .
Aus WO 2009/074338 AI geht ein Verfahren zur Einführung einer Änderung der dielektrischen und/oder optischen
Eigenschaften in einer ersten Region eines elektrisch isolierenden oder elektrisch halbleitenden Substrats hervor, wobei auf das Substrat, dessen optische oder dielektrische Eigenschaften infolge zeitweiliger Zunahme der Substrattemperatur irreversibel verändert sind,
gegebenenfalls eine elektrisch leitende oder halbleitende oder isolierende Schicht aufweist, wobei elektrische
Energie durch eine Spannungszufuhr der ersten Region zugeführt wird, um diese signifikant aufzuheizen oder teilweise oder ganz zu schmelzen, ohne dass Material aus der ersten Region ausgeworfen wird, wobei ferner optional zusätzliche Energie zugeführt wird, um örtliche Wärme zu erzeugen und die Stelle der ersten Region zu definieren.
Die Wärmeumwandlung der elektrischen Energie manifestiert sich in Form eines Stromflusses innerhalb des Substrats. Die Abgabe der elektrischen Energie wird durch ein Strom und Leistung modulierendes Element geregelt. Nach dem
Verfahren erzeugte Änderungen in Substratoberflächen umfassen auch Löcher, die in Borsilikatglas oder
Siliziumsubstraten erzeugt worden sind, die mit einer isolierenden Schicht aus Paraffin oder einem
Heizschmelzkleber versehen worden waren. Es werden auch Löcher in Silizium, in Zirkon, in Saphir, in Indiumphosphid oder in Galliumarsenid erzeugt. Teilweise wurde der
Entladungsprozess durch eine Laserbestrahlung bei einer Wellenlänge von 10,6 μπ (C02-Laser) initiiert. Es werden auch Lochraster gezeigt, jedoch mit relativ weiten
Lochabständen. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht offenbart.
Aus DE 28 30 326 AI ist eine Anordnung zum
Feinstperforieren folienartiger Materialbahnen mittels Hochspannungsimpulsen bekannt. Die Materialbahn wird mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit weitgehend
berührungsfrei zwischen einem Elektrodenpaar
hindurchgeführt, dem Hochspannung zugeführt wird. Die beiden Elektroden bestehen aus mehrreihigen Nadelfeldern. Die in den Nadelfeldern einander gegenüberstehenden Nadeln werden paarweise über Steuerleitungen mit separaten
Erregerschaltungen verbunden. Die Funkenentladung zwischen den beiden Nadeln erzeugt bei dem folienartigen Material im Durchschlag ein mikroskopisch kleines Perforationsloch.
Aus dem Stand der Technik geht somit hervor, wie man Folien und dünne Platten aus dielektrischen Materialien mittels eines elektrischen Hochspannungsfeldes geeigneter Frequenz oder in Impulsform perforieren kann. Durch lokale Aufheizung des Materials wird an den zu perforierenden Stellen die Durchschlagsfestigkeit herabgesetzt, so dass die angelegte Feldstärke ausreicht, einen elektrischen Strom durch das Material fließen zu lassen. Falls das Material eine ausreichend starke Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist, wie dies bei Gläsern, Glaskeramiken und Halbleitern (auch vielen
Kunststoffen) zutrifft, entsteht in dem Material eine „elektrothermische Selbstfokussierung" des
Durchschlagskanals. Das Lochmaterial wird immer heißer, die Stromdichte nimmt zu, bis das Material verdampft und die Perforation „freibläst". Da die Perforation auf einem dielektrischen Durchbruch beruht, ist es jedoch schwierig, die gewünschte Stelle des Durchschlags genau einzuhalten. Bekanntlich nehmen z. B. atmospährische Blitze einen sehr unregelmäßigen Verlauf.
Bei CPU-Chips gibt es mehrere Hundert Kontaktpunkte auf seiner Unterseite auf kleiner Fläche verteilt. Um
Zuleitungen zu den Kontaktpunkten zu schaffen, werden dünne (< 1 mm) Plättchen, mit Epoximaterial ummantelte
Glasfasermatten, sogenannte „Interposer", benutzt, durch die die Zuleitungen führen. Hierzu werden mehrere Hundert Löcher in dem Interposer angebracht und mit leitfähigem Material verfüllt. Typische Lochgrößen liegen im Bereich von 250 bis 450 μπ je Loch. Zwischen CPU-Chips und
Interposer sollte es keine thermischen Längenänderungen geben. Die Interposer sollten deshalb ein
Wärmedehnverhalten ähnlich dem Chip-Halbleitermaterial aufweisen, was jedoch bei den bisher verwendeten
Interposern nicht zutrifft. Was im Stand der Technik weiterhin fehlt, ist die Erzeugung in industriellem Maßstab einer Vielzahl von feinen Löchern nebeneinander mit Lochabständen im Bereich von 120 pm bis 400 μπ\ mittels des elektrothermischen
Perforierungsvorgangs .
Allgemeine Erfindungsbeschreibung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen Werkstücken in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern, zu schaffen, wenn Forderungen, wie an Interposer gestellt, erfüllt werden sollen:
Die Löcher sollen exakt (± 20 μιη) positioniert werden können. Es sollen viele (10 bis 10.000) kleine Löcher pro Werkstück bei engen Toleranzen der Löcher zueinander erzeugt werden können. Die Löcher sollen in einem engen Abstand (30 μτ bis 1000 μπ) zueinander erzeugt werden können. Die Lochform soll an dem Bohrungsaustritt und
-eintritt konisch-kraterförmig ausgebildet sein können, während sie im mittleren Bohrungsbereich zylindrisch sein soll. Die Lochwandung soll feuerpoliert sein. Die Löcher sollen im industriellen Maßstab, d. h. viele Mikrolöcher pro Werkstück gleichzeitig, erzeugt werden können.
Die erfindungsgemäße Locherzeugungsvorrichtung beruht auf symmetrisch um das zu erzeugende Loch im Werkstück
angeordnete Einzelelektroden und Einzelgegenelektroden, die zur Abgabe von Hochspannungsimpulsen individuell getriggert werden. Für die Einschaltung der einzelnen Elektroden und Gegenelektroden sorgt ein Zufallsgenerator oder ein Konzept, das dafür sorgt, dass die Einschaltungspaarungen der Elektroden-Gegenelektroden für alle Einzelelektroden im statistischen Durchschnitt gleich häufig auftritt. Auf diese Weise sorgt man für axiale Symmetrie der im Großen und Ganzen zylindrischen Wände der Löcher, während die
Lochkanten am Ein- und Austritt der Löcher abgerundet sind. Diese Lochform eignet sich in hervorragender Weise für die Herstellung von sogenannten „Interposern" , welche
Verbindungsbrücken zwischen CPU-Chips und Schaltungsplatten (motherboard) bilden.
Im Einzelnen ist eine Anordnung (Array) von
Elektrodenhaltern und von Gegenelektrodenhaltern
vorgesehen, die den Bearbeitungsraum für das Werkstück begrenzen. Die einzelnen Hochspannungselektroden und
Gegenelektroden sind an diesem Elektrodenhalter und
Gegenelektrodenhalter angebracht. Das zu lochende Werkstück wird im Bearbeitungsraum von einem Werkstückhalter
positioniert, so dass die zu bearbeitenden Stellen in der Verbindungslinie zwischen den einzelnen
Hochspannungselektroden und Gegenelektroden liegen. Zur Abgabe von Hochspannungsdurchschlägen durch das Werkstück hindurch wird die Hochspannungsquelle an einzelne, sich gegenüber stehende Elektroden-Gegenelektroden angeschaltet. Da es mehrere einzelne Elektroden-Gegenelektroden bei jedem herzustellenden Loch gibt, wird eine einzelne
Hochspannungselektrode zu einer einzelnen Gegenelektrode wirksam geschaltet. Auf diese Weise werden Bündel von
Hochspannungsüberschlägen erzeugt, die zu einer gewünschten Form und Ausbildung des jeweils geschaffenen Loches
beitragen . Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Hochspannungselektroden und die
Gegenelektroden jeweils drei Einzelelektroden. Dies stellt einen guten Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand der Löchererzeugungsvorrichtung und der Güte der Locherzeugung dar, wobei noch der Vorteil erzielt wird, dass sich die Lebensdauer der Elektroden um mehr als dreimal verlängert. (Die Betriebspausen zwischen den Spannungsdurchschlägen führt zu zwischenzeitlicher Abkühlung der Elektroden und damit zu deren Lebensdauerverlängerung.)
Für die Hochspannungselektroden und Gegenelektroden sind jeweilige Elektrodendurchführungen durch die
Elektrodenhalter und Gegenelektrodenhalter vorgesehen. Zu diesem Zweck erhalten die Elektrodenschäfte jeweilige
Keramikaußenmäntel zu Isolationszwecken, und es werden Ringstrukturen zur präzisen Halterung der jeweiligen
Elektrodenmäntel vorgesehen. Als Material der Elektroden wird Wolfram-Carbid-Legierung bevorzugt. Die Elektroden werden mit präzise gearbeiteten Elektrodenspitzen (pm-Bereich) versehen, was durch
Funkenbearbeitung (EMD = Electric Discharge Machining) erzeugt werden kann.
Um eine Vielzahl von Löchern gleichzeitig herzustellen, ist eine Vielfachanordnung von symmetrisch um vorzusehende Lochungen angeordneten Elektroden-Gegenelektroden-Paaren vorgesehen. Jedes dieser Elektroden-Gegenelektroden-Paare wird von einer gesonderten Hochspannungsquelle gespeist. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein leitfähig
gewordenes Loch den Strom von allen noch nicht leitfähig gewordenen Löchern abzieht. Die Unabhängigkeit der
Stromversorgung für jedes Elektroden-Gegenelektroden-Paar sorgt für die unabhängige Herstellung jedes einzelnen
Loches in dem Werkstück.
Um die Löcher präzise zu positionieren, ist es möglich, die Lochungsstellen zu markieren, indem das Werkstück an der gewünschten Stelle für den Hochspannungsdurchschlag
präpariert wird. Hierzu können Laserstrahlen ausreichend hoher Intensität dienen, die das Material des Werkstückes entlang von jeweiligen filamentartigen Kanälen schädigen, wodurch an diesen Stellen die elektrische
Durchbruchsfestigkeit herabgesetzt wird. Die hochpräzise Herstellung der Markierungen garantiert die hochpräzise Lokalisierung der Löcher im nachfolgenden
elektrothermischen Lochungsprozess .
Die Markierung der Lochungsstellen kann auch über
punktförmig auf dem Werkstück aufgedrucktes
Ankopplungsmaterial (mit großem dielektrischem
Verlustwinkel) erfolgen, welches Material Bestandteile enthält, die den dielektrischen Durchschlag fördern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisch skizzierte Anlage zur Erzeugung von Löchern in dielektrischen Werkstücken, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer
Hochspannungselektrode und Gegenelektrode und
Fig. 3 eine Hochspannungselektrode, und Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 3.
Detaillierte Beschreibung Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Markierung von Lochstellen 10 und zur Herstellung von Löchern 12 in dielektrischen
Werkstücken 1. Die Markierungseinrichtung besteht aus einer Anordnung 4 von Lasern 40, die zu Zwecken der Erfindung nicht unbedingt notwendig ist, jedoch eine besonders präzise Positionierung der vorgesehenen Lochungen
ermöglicht. Die Laser 40 geben Lichtstrahlen 41 in einem für das dielektrische Werkstück 1 im Wesentlichen
transparenten Wellenlängenbereich, jedoch mit einer solch hohen Intensität ab, dass die Lichtstrahlen 41 einen filamentartigen Schädigungskanal 11 in dem Material des Werkstückes 1 an solchen Stellen hervorrufen, wo die
Lochung präzise gewünscht wird. „Im Wesentlichen
transparent" bedeutet hier, dass der Laserstrahl tief genug in das zu lochende Material eindringen kann, dieses jedoch genügend Absorbsionseingeschaften aufweist, damit die
Schädigung entlang des Kanals 11 auftritt
Die Löcher 12 gewünschter Abmessung werden durch Elektroden 6 im Zusammenwirken mit Gegenelektroden 7 erzeugt. Die sich gegenüber stehenden und miteinander kooperierenden
Elektroden 6 und 7 sind symmetrisch um das zu erzeugende Loch 12 angeordnet und als mehrfache Einzelelektroden ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind es jeweils drei Einzelelektroden 6a, 6b, 6c, die generell in einer schematisch dargestellten Haltekonstruktion 20, und hinsichtlich der Einzelelektroden 7a, 7b, 7c in einer weiteren Haltekonstruktion 30 befestigt sind. Zwischen den Haltekonstruktionen 20, 30 erstreckt sich der
Bearbeitungsraum 23 des Werkstückes 1. Innerhalb des
Bearbeitungsraumes 23 kann das Werkstück 1 mittels eines Werkstückhalters 5 verschoben und präzise positioniert werden.
Die Haltekonstruktionen 20, 30 sind zur Halterung einer Vielzahl von Elektrodenhaltern 21 beziehungswiese 31 (Fig. 2) vorgesehen, die jeweils ein Arry in ihrer
Haltekonstruktion 20 beziehungsweise 30 bilden. Jeder
Elektrodenhalter 21 beziehungsweise 31 enthält einen
Zylindermantel 22 beziehungsweise 32 und drei
Druchführungen 24 beziehungsweise 34 für drei
Einzelelektroden, die mit ihrer Spitze zu einer Stelle nahe der Achse des Zylindermantels geführt wird (siehe Fig. 3) .
Die Elektroden 6, 7 sind mit einer Hochspannungsquelle (nicht gezeichnet) verbindbar, um Funken zwischen den
Elektroden 6 und den Gegenelektroden 7 zu erzeugen, was in Fig. 2 näher dargestellt ist. Die einzelnen Elektroden 6a, 6b, 6c sowie 7a, 7b, 7c sind mit einer nicht dargestellten Permutationseinrichtung verbunden, welche die Elektroden 6a, 6b, 6c beispielsweise umlaufend an die
Hochspannungsquelle angeschaltet, während die einzelnen Gegenelektroden 7a, 7b, 7c nach dem Zufallsprinzip mit dem Gegenpol der Hochspannungsquelle verbunden werden. Es kann auch ein anderes Triggerkonzept angewendet werden, damit alle wirksamen Elektrodenpaarungen gleich oft vorkommen. Von jeder Elektrodenspitze geht somit ein Funke zu jeder anderen Gegenelektrode aus, wodurch erwartet werden kann, dass die Wände der Löcher 12 jedenfalls in ihrem mittleren Bereich zylindrisch verlaufen und axiale Symmetrie einhalten. Ferner kann erwartet werden, dass die Lochkanten am Ein- und Austritt der Löcher abgerundet-gebrochen sind, wie es gewünscht wird. Fig. 4 zeigt eine Durchführung 24 einer einzelnen
Elektrode 6 durch den Zylindermantel 22 des
Elektrodenhalters 21. Die Durchführung 34 durch den
Elektrodenhalter 31 ist gleichartig. Der Zylindermantel 22 weist Aussparungen 25 auf, , durch die sich die jeweiligen Einzelelektroden erstrecken. Die Schäfte dieser Elektroden sind mit einem elektrisch isolierenden Keramikmantel 26 umhüllt, der aus hochtemperaturtauglichem Aluminiumoxid bestehen kann und der noch eingebettet ist in einer Scheibe 27 aus temperaturfestem Material. Die Scheibe 27 ist am Zylindermantel 22 über der Aussparung 25 befestigt. Die Einzelelektroden weisen perfekte Elektrodenspitzen auf, welche aus Wolfram-Carbid-Legierung bestehen, und nach dem EDM-Verfahren (Electric Discharge Machining) geschärft sind, so dass ihr Spitze im pm-Bereich scharf ist.
Anstelle der Markierungseinrichtung durch eine
Laseranordnung 4 kann auch eine Markierungseinrichtung benutzt werden, die Ankopplungspunkte gemäß dem Muster der Lochungen 10 aufdruckt. Das Ankopplungsmaterial fördert den elektrischen Durchschlag und den Schmelzfluss im
Lochbereich des Werkstücks.
Die Anlage nach Fig. 1 wird wie folgt betrieben:
Wenn es auf besonders präzise Lokalisierung der
Lochungsstellen 10 ankommt, wird eine Markierung dieser
Lochungsstellen vorgenommen, was im Falle der Fig. 1 durch die Anordnung 4 der Laser 40 und der Abgabe von Laserstrahlung 41 geschieht. Das Werkstück 1, welches zum Beispiel aus Glas besteht, wird von .der Strahlung 41 an den Lochungsstellen 10 durchdrungen, wobei die Strahlung 41 so intensiv ist, dass im Glas ein filamentartiger
Schädigungskanal 11 entsteht. Dieser Vorlauf ist aber für die prinzipielle Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 nicht notwendig.
Das Werkstück 1 wird relativ zu den Elektroden- Gegenelektroden 6, 7 so positioniert, dass die vorgesehenen Lochungsstellen 10 in den jeweiligen Verbindungslinien zwischen diesen Elektroden-Gegenelektroden-Paaren 6, 7 zu liegen kommen. Durch Anlage von Hochspannung kommt es zu Durchschlägen durch das Material des Werkstücks 1 an den Lochungsstellen, wobei es eine Spezialität der Erfindung darstellt, symmetrisch um jede Lochungsstelle herum
Entladungsfunken zu erzeugen, die von den Einzelelektroden 6a, 6b, 6c zu den Einzelelektroden 7a, 7b, 7c verlaufen. Durch die nicht dargestellte Permutationseinrichtung wird dafür gesorgt, dass jeweils eine Einzelelektrode des
Elektrodenhalters 26 mit einer Einzelelektrode des
Elektrodenhalters 37 kooperiert, d. h. dass zwischen diesen Einzelelektroden ein Funke überspringt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Permutationseinrichtung sorgt für abwechselndes Einschalten der Einzelelektroden, so dass im Mittel alle Einzelelektroden jedes Elektrodenhalters mit den Einzelelektroden des Gegenelektrodenhalters kooperieren und im Mittel gleich belastet werden. Dadurch wird eine axiale Symmetrie der Lochwände erhalten, die in ihrem mittleren Bereich zylindrisch ausgebildet werden, während die Kanten an den Lochrändern abgerundet werden. Diese Lochkontur ist für die Verwendung des Werkstücks als Interposer besonders geeignet.
Anstelle der Aufweitung der Durchschläge durch
Hochspannungsentladungen kann auch der Verfahrensschritt des tiefen Reaktiven-Ionen-Ät zens durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Löchern (12) in
dielektrischen Werkstücken (1) in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern, mit folgenden Merkmalen:
- eine Anordnung von Elektrodenhaltern (21) und von Gegenelektrodenhaltern (31) begrenzen einen
Bearbeitungsraum (23) für das Werkstück (1) ;
- vorzugsweise werden Elektroden (6) und
Gegenelektroden (7), die sich am Werkstück
gegenüberstehen, vom Elektrodenhalter (21) und
Gegenelektrodenhalter (31) gehaltert und sind mit einer Hochspannungsquelle verbindbar;
- vorzugsweise einem Werkstückhalter (5) zur
Verschiebung des Werkstückes (1) gegenüber dem
Elektrodenhalter (21) und Gegenelektrodenhalter (31)
- vorzugsweise bestehen die Elektroden (6) und
Gegenelektroden (7) jeweils aus mehreren einzelnen Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und mehreren einzelnen Hochspannungsgegenelektroden (7a, 7b, 7c) , die symmetrisch um das jeweils zu erzeugende Loch (12) im Werkstück (1) angeordnet sind;
- der Werkstückhalter (5) positioniert das zu lochende Werkstück (1) im Bearbeitungsraum (23) mit seiner Lochungsstelle (10) in die Symmetrielinie zwischen den einzelnen Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und den einzelnen Hochspannungsgegenelektroden (7a, 7b, 7c); - die einzelnen Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und die einzelnen Hochspannungsgegenelektroden (7a, 7b, 7c) sind abwechselnd zur Abgabe von
Hochspannungsdurchschlägen mit einer
Hochspannungsquelle verbindbar.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die einzelnen Hochspannungselektroden (6a, 6b, 6c) und die einzelnen Gegenelektroden (7a, 7b, 7c) paarweise wirksam geschaltet werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei an der Position der Hochspannungselektroden (6) und der Gegenelektroden (7) jeweils drei
Einzelelektroden (6a, 6b, 6c; 7a, 7b; 7c) vorgesehen sind .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei Elektrodenhalter (21) und Gegenelektrodenhalter (31) jeweils einen Zylindermantel (22; 32) und
Elektrodendurchführungen (24, 34) für die jeweiligen Einzelelektroden (6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c) enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 4,
wobei die Elektroden (6; 7) Elektrodenschäfte
aufweisen, die durch einen jeweiligen Keramik- Außenmantel (26) isoliert sind, und
wobei der Zylindermantel (22; 32) zur präzisen
Halterung der jeweiligen Elektroden (6; 7) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Elektroden (6; 7) aus einer Wolfram-Carbid- Legierung bestehen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Elektroden (6; 7) mit präzise gearbeiteten Elektrodenspitzen versehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
wobei die Paarschaltung der einzelnen Elektroden (6a, 6b, 6c; 7a, 7b, 7c) durch eine Permutationsschaltung variierbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei eine Vielfachanordnung von symmetrisch um
prospektierte Lochungen (12) angeordnete Elektroden- Gegenelektroden-Paaren (6; 7) vorgesehen ist, deren jedes Elektroden-Gegenelektroden-Paar an einer
gesonderte Hochspannungsquelle anlegbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei eine Markierungseinrichtung der
Locherzeugungseinrichtung vorgeschaltet ist, um
Lochungsstellen (10) am Werkstück (1) zu markieren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
wobei die Markierungseinrichtung eine Vielfachanordnung (4) von Lasern (40) beinhaltet, die gemäß dem Muster der herzustellenden Löcher (12) angeordnet sind oder dieses Muster durch Verschiebung des Werkstückes (1) aufsuchen können. Vorrichtung nach Anspruch 11,
wobei die Laser (40) Strahlung (41) in einem für das Werkstück (1) im Wesentlichen transparenten
Wellenlängenbereich mit solcher Strahlungsintensität abgeben können, dass das zu lochende Werkstück (1) entlang von filamentartigen Kanälen (11) athermische Schädigungen erfährt, welche die Lochungsstellen (10) durch Bereiche erniedrigter Durchschlagsfestigkeit gegenüber Hochspannungsfunken markieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
wobei die Markierungseinrichtung eine
Anbringungseinrichtung für punktförmiges
Ankopplungsmaterial auf dem Werkstück darstellt und das Ankopplungsmaterial einen hohen dielektrischen Verlustwinkel aufweist und Substanzen enthält, welche den Hochspannungsdurchschlag und den Schmelzfluss fördern .
Verfahren zur Erzeugung von Löchern (12) in
dielektrischen Werkstücken (1) in Form von dünnen Platten und Substraten, insbesondere aus Glas oder glasähnlichen Materialien sowie aus Halbleitern, mit folgenden Schritten: a) Verbringen eines Werkstückes (1) in einen
Bearbeitungsraum (23) zwischen Elektroden (6) und Gegenelektroden (7), die um das jeweils im
Werkstück zu erzeugende Loch (12) symmetrische Anordnungen von einzelnen Elektroden (6a, 6b, 6c) und Gegenelektroden (7a, 7b, 7c) bilden; b) abwechselndes Beaufschlagen der einzelnen
Elektroden (6a, 6b, 6c) und Gegenelektroden (7a, 7b, 7c) jeder prospektierten Lochungsstelle mit Hochspannung zur Erzeugung von elektrischen
Durchschlägen durch das Werkstück (1); und
c) Aufweiten der Durchschläge auf die gewünschte
Größe der Löcher (12) .
15. Verfahren nach Anspruch 14,
wobei das abwechselnde Beaufschlagen nach einem
Trigger-Konzept der einander zugeordneten Elektroden- Gegenelektroden erfolgt, bei dem alle wirksamen
Elektrodenpaarungen gleich oft vorkommen.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
wobei das Werkstück (1) vor Schritt a) an
vorgesehenen Lochungsstellen (10) markiert
17. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei die Markierung durch Laserstrahlung (41) erfolgt, die filamentartige Kanäle (11) in dem Werkstück (1) erzeugt .
Verfahren nach Anspruch 16,
wobei die Markierung durch punktförmig aufgetragenes Ankopplungsmaterial erfolgt, das einen hohen
dielektrischen Verlustwinkel aufweist und den
Hochspannungsdurchschlag und den Schmelzfluss fördert 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
wobei der Schritt c) mittels tiefem Reaktivem-Ionen- Ätzen durchgeführt wird.
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