專利名稱：用于多層結構的工件激光鉆孔的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在多層結構的工件上特別是在一多層結構的電路基片上激光鉆出一具有預先規定的橫截面面積的穿孔方法，該基片具有一個第一金屬層和至少一個第二金屬層，并相應地具有一個設置在兩金屬層之間的介電層。
背景技術：
在過去幾年中，借助激光光束的材料加工由于激光技術的迅速發展變得越來越重要。在電子制造領域內，由于元件的不斷小型化，對印刷電路板或基片以及電子元件的激光加工變成一種不可缺少的工具，以便盡可能緊湊地組裝電子組件。其中，借助激光光束，在多層基片上鉆出穿孔，其中，所述穿孔的直徑與用傳統的機械鉆孔方法鉆出的穿孔直徑相比明顯更小。在這樣的前提下，與基片相應的激光光束的激光功率精確地已知，不僅能夠鉆出通孔而且還能鉆出盲孔。例如，能夠在多層印刷電路板上鉆出盲孔，其中多個金屬層通過介電的中間層不導電地彼此分離。通過接著對一盲孔的進行金屬化，特定的金屬層能夠彼此觸點接通。以這種方式，電子電路不僅能夠兩維地、而且能夠三維地構成，與僅僅具有一金屬層或兩個金屬層的基片相比，電子組件的集成密度明顯提高。
在一多層印刷電路板上鉆出穿孔的一個問題在于，對金屬和介電層的去除特性差別巨大，使得一有效的鉆孔過程無法僅僅憑借具有特定激光參數的唯一的激光光束完成。
從EP1169893B1中已知一種用于穿過觸點接通的穿孔插入一在兩側設有金屬層的電絕緣基本材料的方法。其中，在要鉆的穿孔區域內，通常由銅組成的金屬外層借助于一化學腐蝕過程被去移除。接著，借助一在紅外線光譜范圍內發射的CO2激光在介電的基本材料上鉆出穿孔。
對于多層基片的激光鉆孔還已知純激光鉆孔方法，該激光鉆孔方法在避免一濕化學的腐蝕過程中使在電子的電路基片上確定地鉆出微孔成為可能。已知的是，金屬層對于紅外線(IR)輻射具有較高的反射性，使得借助一CO2激光僅僅在一非常高的熱負荷下能夠對多層印刷電路板進行鉆孔。出于這個原因，借助兩個不同的過程步驟實現多層基片的純激光鉆孔。在一個過程步驟中，借助一在紫外線(UV)光譜范圍內的激光光束將金屬層局部地移除。在另一過程步驟中，借助于一紅外線激光光束將介電中間層去除，該紅外線激光光束通常由一CO2激光器產生。出于這個原因，為了在多層基片上鉆孔，經常使用所謂的組合激光加工機，該組合激光加工機具有兩個不同的激光光源，一紫外線激光光源例如一個倍頻的Nd:YAG激光器和一紅外線激光光源特別是一CO2激光器。
由US5,126,532已知這樣一種組合激光加工機，其具有一紫外線激光器和紅外線激光器。由所述激光光源產生的兩激光光束借助于可旋轉支承的反射鏡交替地轉到要鉆出穿孔的位置，從而首先可以通過紫外線激光光束去除金屬層，并且然后通過紅外線激光光束去除介電層。
由于在紫外線光譜范圍內發射的激光光源的輸出功率通常不足以內憑借一個或多個激光脈沖將在全部穿孔橫截面的金屬層去除，一金屬層的去除常常是借助于所謂的環鉆(Trepanieren)實現。其中在金屬層上的激光光束聚焦在一直徑上，該直徑與要鉆的穿孔的直徑相比明顯更小。接著，激光光束借助一由兩個可移動支承的反射鏡組成的偏轉單元在一圓形軌道上沿著要鉆的穿孔的邊緣被引導，使得金屬層沿著該圓形線路去除。通常，至少在多次完全的圓周貫穿之后，由金屬層產生的蓋會自動彈出。或者，環鉆過程能夠以不同的半徑進行，或者激光光束能夠在一螺旋軌道上在要鉆的穿孔橫截面內被引導。對多層電子電路基片的純激光鉆孔的問題在于，常見的紫外線激光光源的激光功率明顯小于CO2激光光源的功率。這會導致，對金屬層的去除過程步驟明顯慢于隨后對介電層鉆孔的過程步驟。由此，金屬層鉆孔的速度便會決定整個鉆孔過程的速度并且由此也決定產量，就是說單位時間能夠鉆出的穿孔的最大數量。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種用于在多層結構工件上進行激光鉆孔的方法，該方法實現對金屬層的快速鉆孔、并由此在整體上實現一種較高的鉆孔速度。
該目的通過具有獨立權利要求1的特征的方法實現。按本發明，借助第一激光輸出，僅僅在要鉆的穿孔橫截面面積的一部分區域內移除第一層，使得在穿孔區域內，保留第一層的一部分。借助第二激光輸出，在要鉆的穿孔的全部橫截面面積內，將第二層被移除，其中在去除第二層時也同時將第一層保留的部分移除。
本發明基于這樣的認識，即使在不完全移除第一層時，保留的部分在去除第二層時被自動移除。由于借助第一激光輸出，第一層僅僅被部分地移除，所以，與在全部穿孔區域內完全地移除第一層相比，該步驟明顯更快。由此，如果由于兩層材料的去除性能不同，移除第一層比移除第二層耗時更長，那么按本發明用于激光鉆孔的方法特別導致一種明顯更快的速度。本發明既適于鉆出盲孔，而且也適于鉆出通孔，并由此在對多層結構的電路基片進行激光鉆孔的范圍內能夠普遍地使用。要指出的是，在鉆處通孔時，從加工激光光束的看最下方的金屬層在傳統鉆孔方法后必須被去除，因為在該層下面不再有任何介電層。
按權利要求2，借助第一激光輸出，沿橫截面面積的邊緣，第一層的材料被額外地去除。特別是在第一層中，沿要鉆的穿孔邊緣能夠形成一通道(Schneise)或一溝槽，其優選地可延伸到第二層或者僅僅在第一層表面附近區域內延伸。通過一具有穿孔作用的此類結構，在全部移除第一層時，通過第二激光輸出，保證一清潔確定的穿孔邊緣，使得能夠產生高質量的穿孔。
按權利要求3，第一激光輸出包括一條在可見或在接近紫外線光譜范圍內的激光光束。由于在金屬層上的短波激光輻射與紅外線激光輻射相比反射相對較小，紫外線輻射特別適于去除金屬材料。在此，紅外線輻射的熱負荷明顯減小，由于借助紫外線輻射，各個原子或分子之間的原子鍵或金屬鍵在金屬層中能夠直接斷裂。
按權利要求4，第一激光輸出由一固體激光器，特別是一倍頻激光器產生。有效的激光介質例如為Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF，它們能夠以1064nm的基波波長產生激光輻射。固體激光器的泵浦優選地在使用半導體二極管情況下完成。它們能夠設置在有效的激光介質周圍，使得一相應的固體激光器能夠在一緊湊的結構形式中實現，而不需要一外部的泵光源。為產生紫外線激光輻射，一激光光源額外具有一用于倍頻的光學上非線形的介質。在激光技術中普遍已知的此類光學上非線形的介質能夠在諧振器內部和外部定位。在上述的具有1064nm基波的激光類型中，人們會獲得波長為532nm、355nm和266nm的倍頻輻射。一種此類倍頻，其中基波波長減半、變為三分之一或四分之一，僅僅能夠被看作示范性的。因數為5、6或者更多的倍頻特別是通過現代的、功率極其強大的激光系統同樣可以想像。倍頻的優點在于，人們能夠以簡單的方式在可見或在紫外線光譜范圍內產生激光輻射，該輻射特別適于去除金屬層例如銅。
按權利要求5，第二激光輸出在紅外線光譜范圍內產生。相應的激光輻射優選地由CO2激光器產生，并由于較高的可支配的激光功率使快速去除第二介電層成為可能。
按權利要求6，使用脈沖激光輻射的優點在于，在激光脈沖之間存在的冷卻時間過程中，材料去除導致要鉆孔的工件的相對較小的熱負荷。
按權利要求7，第一層的部分區域通過環鉆移除，其中激光光束在部分區域邊緣導引，其中沿該部分區域的整個邊緣產生一結構，該結構的深度一直延伸到第二層。由此產生一放在第二層上的薄片，該薄片通常自動從穿孔區域內彈出。如果產生的薄片與期望相反留在第二層上，第一激光輸出能夠額外地借助一次或者多次圍繞部分區域邊緣導引或者也指向薄片內部區域，使得產生的薄片由于較高的能量輸入以較高可靠性地從穿孔區域內移除。
按權利要求8，第二層通過環鉆或者通過沖壓去除。在環鉆時需要注意，第二激光輸出首先在移出的穿孔區域內在穿孔橫截面面積內直接指向第二層。由此會保證，在第二激光輸出指向穿孔橫截面面積范圍之前，通過直接向第二層的能量輸入，將通過第一激光輸出還未移除的第一層保留的部分移除。
在所謂的沖壓時，激光光束借助一個或多個相繼的脈沖指向要鉆孔的工件的同一位置。通過使用一相應的鏡組，第二激光輸出在工件上的光斑大小適應不同的穿孔直徑。
按權利要求9，部分區域位于穿孔中心和穿孔邊緣之間。以首先指向穿孔中心的第一個激光光束為出發點，實現激光光束向穿孔邊緣快速的啟動。由于由此一引導激光光束且始終具有某種機械慣性的偏轉單元總共只需進行一相對較短的運動，所述兩個加工步驟即形成一沿穿孔邊緣的通道和移除在部分區域內的第一層能夠順利地完成。
部分區域優選地為一圓形面積，該圓形面積具有一與整個穿孔直徑相比一半大的直徑。由此，第一激光輸出圍繞部分區域的運行路徑也是圍繞整個穿孔的運行路徑的一半，與此相反，第一層要移除的面積相當于整個穿孔橫截面面積的四分之一。這導致，單位要移除的面積的能量輸入相應變大，使得在通過第一激光輸出一次性繞行部分區域中，保證可靠地移除第一層切割的蓋。此外，整個鉆孔過程由于第一激光輸出的全部較短的運行路徑在第一層上能夠迅速進行。
本發明的其它優點和特點由一目前優選的實施例的下述示范性說明得出。
在附圖中示出示意圖圖1示出用于鉆孔的激光加工機；圖2示出一鉆出的盲孔的橫截面圖；圖3示出按本發明的一優選的實施例第一激光輸出的運行運動。
具體實施例方式
在這個地方需要說明，在附圖中，與附圖標記相互相應的部分僅僅在其第一個數字上有區別。
在圖1中示出的激光加工機100包括一激光光源110，該激光光源發射一在紫外線光譜范圍內的激光光束111。激光光源110是一二極管泵浦的固體激光器，特別是一Nd:YLF激光器，該激光器通過圍繞有效的激光介質設置的半導體二極管光學泵浦。紫外線激光輻射111以已知的方式中通過倍頻借助一光學上非線性的晶體產生。
激光光束111射在偏轉單元130上，該偏轉單元以傳統的方式由電鏡構成。通過偏轉單元130偏轉的激光光束經由一成像鏡組140例如一F-Theta鏡組作為加工激光光束141引向要加工的基片150上。
基片150包括一介電層151，該介電層在上側和下側分別被一金屬層152覆蓋。金屬層以未示出的方式的構造用于形成印制導線。為了在兩個金屬層152之間產生電子連接，鉆出一微孔153，其隔板可以以已知的方式能夠進行金屬化。為了產生微孔153，加工激光光束141分別借助一跳躍運動155在一鉆孔位置154上定心，然后借助一通過成像鏡組140調節的光斑大小F在鉆孔位置154的區域內以圓周運動運行，使得分別產生一微孔。微孔153的產生下面借助圖3說明。
不同的層通常以不同的激光加工機加工。為了在金屬層鉆孔，設置一具有紫外線激光光源的激光加工機，為了在介電層鉆孔，設置一具有紅外線激光光源的激光加工機。替代使用兩個激光加工機，也能夠使用所謂的組合激光加工機，該激光加工機具有兩個不同的激光光源。
圖2示出一在多層基片250上鉆出的微孔253的橫截面圖。微孔253是一盲孔，其中只有上部金屬層252和一介電中間層251被去除。通過接著對盲孔253進行金屬化，兩個金屬層252能夠彼此導電地相連接。
圖3示出指向上部金屬層252的加工激光光束141的運行運動，該激光光束來自紫外線激光光束111。為了更好地理解本發明，首先說明一用于移除上部金屬層252的至今使用的鉆孔過程照此，激光光束首先以要鉆的微孔253的中點M為出發點在圓形軌道360上借助非常小的激紫外線光功率朝要鉆的微孔253邊緣上的點A運行。在激光光束沿半圓360的運動中，激光光源110被如此控制，使得發射出一沒有脈沖的所謂cw激光光束(連續波激光光束)。在達到點A之后，通過對激光光源110的相應控制，提高紫外線激光光束111的功率，其中調節通常為20kHz的一重復頻率被調節。然后，激光光束在外軌道上沿著要鉆的微孔253的邊緣被引導。其中，根據給定的條件(上部金屬層的材料和厚度，激光功率，激光波長等等)，激光光束在一次環繞中或者通常在多次連續的環繞中沿外軌道370被引導。沿著外軌道370的運動進行這么長時間，直到一在上部金屬層252中產生的環形蓋被移除。此后，激光光束重新在較小的激光功率下在連續模塊下沿第二個半圓380一直運行到中點M。
接下來的對介電層251的移除通常在另一激光加工機中優選地借助沖壓實現，也就是說借助一紅外線激光光束對一橫截面面積重復地施加影響，該橫截面與整個微孔253的橫截面面積相應。在鉆孔過程結束后，偏轉單元130借助一跳躍運動引向下一個要鉆的微孔的中心。
按本發明的一優選的實施例，一有脈沖的紫外線激光光束從要鉆的微孔153的中心以全部功率沿第一個半圓360被引導到點A。此后，激光光束沿外軌道370在一完整的圓周上重新被引導到點A。由此在上部金屬層252上構成一溝槽或一溝狀結構，其隨后使上部金屬層252在微孔253整個直徑內的脫離容易。由優選地一個或在例外情況下由多個沿外軌道370的圓周運動產生的溝槽結構導致材料移除優選地直至介電層251。通過運行速度和/或激光功率的匹配，所期望的材料去除能夠在外軌道370上實現。無論如何必須保證，在穿孔區域內保留的金屬層252繼而在去除位于其下方的介電層251時被完全移除。
此后，紫外線激光光束沿第二個半圓380以全部功率重新被引導到中點M。如果材料去除沿兩個半圓360、380已經直到介電層251進行，那么由此產生的切割的蓋在上部金屬層252中以一個與點A和點M之間距離相應的直徑自動彈出。如果在兩個半圓上施加的激光能量不足以在通過兩個半圓360、380表示的部分區域390中的金屬層移除，那么紫外線激光光束會重新沿內圓周被引導，直到部分區域390完全移走。必要時，紫外線激光光束也能夠在具有一較小半徑的其它圓形軌道上被引導，以便保證可靠地移除在部分區域390內的上部的金屬層。
在部分區域390移走之后，將基片150轉移到另一激光加工機上，該激光加工機具有一CO2激光光源。然后，由此產生的紅外線激光光束借助一與要鉆的微孔153的直徑相應的光斑大小F與中點M同心地指向基片250。由此，特別在部分區域390內部，實現將此類的較大的能量轉移到介電層251上，使得在穿孔橫截面內部保留的金屬層252自動移除。此前通過紫外線激光光束運動產生的沿外軌道370的溝槽結構現在導致，上部金屬層252沿一沿外軌道370延伸的干凈的斷裂邊緣從介電層251上移除。在穿孔橫截面395內的上部金屬層252完全移除后，介電層251的材料去除以已知的方式借助紅外線激光光束完成。
由于在上部金屬層252中的材料去除借助紫外線激光光束111僅僅在一與全部穿孔橫截面395相比減小的部分區域390中完成，在第一個過程步驟中，即借助紫外線激光光束111相對于上述傳統的方法的材料去除明顯更快，其中，第一個過程步驟包括在整個穿孔區域內完全移除金屬層252。由于借助紅外線激光光束對介電層251的材料去除與第一個過程步驟相比能夠更快地完成(可支配的激光功率在紅外線光譜范圍內明顯大于在紫外線光譜范圍內)，所以，整個鉆孔過程相對于至今的鉆孔方法明顯更快。
要指出，兩個過程步驟也能夠通過一個唯一的所謂組合鉆孔機完成，該鉆孔機既具有紫外線激光光源，也具有紅外線激光光源。
要指出的是，本發明自然也可以用于在不僅具有兩個、而且原則上在任意多的金屬層的工件上進行鉆孔，其中兩個相鄰的金屬層分別通過一電絕緣的介電層彼此分開。由此，在此類多層工件上，能夠產生任意深度的盲孔，其中金屬層以與按圖3說明的方法去除。
可以概括地確定本發明提供一用于在一多層工件150、250上激光鉆出穿孔153、253的方法，其中借助第一激光輸出111在要鉆的穿孔153、253的橫截面面積的一部分區域390內，將第一層152、252移除，使得在橫截面面積內，保留第一層152、252的一部分。借助第二激光輸出，在要鉆的穿孔153、253的全部橫截面面積395內，將第二層151、251移除，其中在去除第二層151、251時，同時去除第一層152、252的保留部分。第一層152、252沿一確定的分界線370的干凈的材料去除通過沿穿孔邊緣的部分的材料移除實現。優選地為了去除第一金屬層152、252，使用一紫外線激光光束111，為了移除第二介電層151、251，使用一紅外線激光光束。
權利要求
1.用于在多層結構工件上特別是在多層結構的電路基片(150，250)上激光鉆出一具有預先規定的橫截面面積的穿孔(153，253)方法，該基片具有一個第一金屬層和至少一個第二金屬層(152，252)，并分別具有一設置在兩金屬層(152，252)之間的介電層(151，251)，其特征在于借助第一激光輸出(111)，在要鉆的穿孔(153、253)的橫截面面積的一部分區域(390)內將第一層(152、252)移除，其中在所述橫截面面積內保留第一層(152、252)的一部分，借助第二激光輸出，在要鉆的穿孔(153、253)的整個橫截面面積(395)內將第二層(151、251)去除，其中在去除第二層(151、251)時，同時將第一層(152、252)的保留部分移除。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，借助第一激光輸出(111)，沿所述橫截面面積的邊緣(370)額外地將第一層(152，252)的材料移除。
3.按權利要求1至2任一項所述的方法，其特征在于，第一激光輸出包括一可見的或在接近紫外線光譜范圍內的激光光束(111)。
4.按權利要求3所述的方法，其特征在于，第一激光輸出由一固體激光器(110)特別是倍頻激光器和/或二極管泵浦固體激光器產生。
5.按權利要求1至4任一項所述的方法，其特征在于，第二激光輸出在紅外線光譜范圍內的激光光束。
6.按權利要求1至5任一項所述的方法，其特征在于，第一激光輸出(111)和/或第二激光輸出包括脈沖的激光光束。
7.按權利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，第一層(152，252)的部分區域(390)通過環鉆移除。
8.按權利要求1至7任一項所述的方法，其特征在于，第二層(151，251)通過環鉆或者通過沖壓去除。
9.按權利要求1至8任一項所述的方法，其特征在于，所述部分區域(390)位于穿孔中心(M)和穿孔邊緣(A)之間。
全文摘要
用于在多層結構工件5上激光鉆孔的方法。本發明提供用于在一多層結構工件(150，250)上激光鉆出一穿孔(153，253)方法，其中借助第一激光輸出(111)在要鉆的穿孔(153、253)的橫截面面積的一部分區域(390)內將第一層(152、252)去除，從而在所述橫截面面積內保留第一層(152、252)的一部分。借助第二激光輸出，在要鉆的穿孔(153、253)的整個橫截面面積(395)內，將第二層(151、251)去除，其中在第二層(151、251)去除時，同時將第一層(152、252)的保留部分去除。第一層(152、252)沿一確定的界線(370)的干凈的材料去除通過沿穿孔邊緣的部分的材料移除實現。優選地為了去除第一金屬層(152、252)，使用一紫外線激光光束(111)，為了去除第二介電層(151、251)，使用一紅外線激光光束。
文檔編號H05K3/00GK1997482SQ200580019239
公開日2007年7月11日 申請日期2005年7月29日 優先權日2004年8月18日
發明者T·普里爾, U·梅特卡 申請人:日立比亞機械股份有限公司