Bohren kleinster Durchmesser in dünne Leiterplatten

Mitte 2013 war das dünnste Smartphone 6,2 mm dick. Zieht man Display, Gläser und Gehäusewand ab, bleibt in seinem Inneren gerade genug Raum für einen konservativ eingeschenkten Scotch oder drei Tütchen Zucker. Den größten Teil dieses Raums verbraucht der Akku. Dann sind da die SIM-Card-Aufnahme, Lautsprecher, Mikrophon, Kamera, Buchsen für Kopfhörer, sowie Netzgerät und die verschiedenen Antennen für GSM, LTE, NFC, Bluetooth und WLAN. Es gibt die Speicherchips und natürlich die CPU. Damit ist das Gehäuse voll. Und wo fließen zwischen den ganzen Elektronikbauteilen nun eigentlich noch die Elektronen?

Die Leiterplatte der Zukunft ist sehr dünn, hat trotzdem mehrere Schichten mit dicht gepackten Leiterbahnen, um auf engem Raum sehr komplexe Schaltungen zu ermöglichen. Sie ist flexibel, um Bewegungen mitzumachen oder um sich in gekrümmte oder flexible Geräte einzufügen. Sie besteht aus Hochleistungskunststoffen wie Polyimiden, die schon bei wenigen 100 µm Dicke die Schichten ausreichend voneinander isolieren. Neue Werkstoffe wie Bismaleinimid-Triazin (BT), Teflon, Keramik und Glas kommen hinzu, um neuen Anforderungen wie hochfrequenten Signalen gerecht zu werden. Die Leiterplatten der Zukunft stellen damit die Werkzeuge von heute vor wachsende Herausforderungen. Das zeigt kaum etwas so deutlich, wie die Microvias. Die mit Kupfer galvanisierten Bohrlöcher kontaktieren in modernen mehrschichtigen Leiterplatten die leitenden Ebenen untereinander. Je feiner sie werden, umso feiner können die Leiterbahnen werden, die sie verbinden und umso dichtere Schaltbilder werden möglich. Ihre Zukunft hängt eng mit einem neuen Werkzeug zusammen: Dem Ultrakurzpulslaser.

Laser ist nicht gleich Laser

Heute gibt es zwei Wege, diese Microvias herzustellen: Tatsächliches mechanisches Bohren und Laserverfahren. Der große Vorteil mechanischer Bohrer ist, dass diesen das komplexe Werkstoffgemisch relativ egal ist. Sie kommen aber nicht unter einen Durchmesser von einem zehntel Millimeter, schaffen etwa 20 Vias/s und verschleißen innerhalb von Minuten. Deshalb arbeiten die Hersteller schon lange mit UV- und CO2-Lasern. UV-Nanosekundenlaser lassen sich so fein fokussieren, dass sie sogar 50-µm-Bohrungen ermöglichen. Ihre Ausgangsleistung ist jedoch gering und die Glasfaserverbundkunststoffe in vielen Leiterplatten machen ihnen Probleme. CO2-Laser dagegen schaffen weit über 1000 Microvias/s, kommen aber nicht unter 75 µm Via-Durchmesser. Außerdem ist das hochreflektive Kupfer auf und zwischen den Kunststoffschichten eine natürliche Barriere für ihr Licht. So werden beide Lasertypen für die Bearbeitung oft zusammengespannt, um im Wechsel Kunststoff und Kupferschichten zu durchbohren.

Ultrakurzpulslaser kennen diese Einschränkungen nicht. Sie verändern die Regeln der Absorption. Mit ihren extrem energieintensiven, ultrakurzen Laserblitzen zwingen sie die Moleküle oder Atome des Werkstoffs, mehr als ein Photon auf einmal aufzunehmen. Diese Multiphotonenabsorption führt zur fast idealen Aufnahme des einfallenden Laserlichts. In wenigen Billionstel einer Sekunde schluckt der Werkstoff so die Energie des Pulses, ohne dass ihm die Zeit bliebe, mehr als verschwindende Bruchteile davon als Wärme zu verteilen. Er sublimiert und verdampft schlagartig, unabhängig davon, ob es sich um Kunststoff, Glas, Keramik oder Kupfer handelt. So lassen sich prinzipiell mit nur einem Strahlquellentyp und in einem Prozessschritt praktisch alle für die Leiterplattenherstellung in Frage kommenden Werkstoffe bearbeiten. Zugleich decken Ultrakurzpulslaser alle Laserbearbeitungsverfahren ab: das Perkussionsbohren und Trepanieren, aber auch das Schneiden von Konturen und größeren Aussparungen oder das Kerben und Zerteilen von größeren Nutzen.

Perkussionsbohren: hämmernde Pulse

Perkussionsbohren ist das Regelverfahren, wenn es um lasergebohrte Microvias geht. Dabei feuert der Laser mehrere Pulse auf den gleichen Punkt. Er „hämmert“ sich so mit jedem Puls ein Stückchen tiefer in den Werkstoff. Das fertige Loch entspricht im Durchmesser dem Fokusfleck. So lassen sich mit hoher Pulsfrequenz und hoher Pulsenergie sehr schnell tausende von Löchern bohren. Die Pikosekundenlaser der Trumicro-Serie von Trumpf erreichen dabei im Vergleich zum CO2-Laser ähnliche oder höhere Prozessgeschwindigkeiten. In 200 µm dicken und beidseitig mit Kupfer beschichteten Leiterplatten erzielen diese Ultrakurzpulslaser mit 50 W mittlerer Leistung 1200 Durchgangslöcher/d. Mit einer mittleren Leistung von 100 W werden es sogar über 3.000 Löcher. Dabei bohren sie die Vias direkt durch die Kupferschicht ohne zusätzliche, absorptionsfördernde Lackschichten. Außerdem erreichen sie Durchmesser von nur 30 µm. Auch die hohen Anforderungen an die Genauigkeit lassen sich erfüllen: Bei entsprechend präziser Anlagentechnik weichen die Löcher um weniger als zehn Mikrometer von der Idealposition ab und reichen exakt bis auf die Oberfläche der darunterliegenden Leiterbahn. Doch der Markt fordert sie noch kleiner und schneller: Mit der Einführung von neuen Leiterplattensubstraten (ABF-Film) in Kombination mit innovativen Strahlteilungskonzepten und neuer Scannertechnologie zeichnet sich ab, dass sich mit Pikosekundenlasern die Marke von 10.000 Löchern/s erreichen lassen.

Die Tiefenfrage

Für CO2-Laser ist die exakte Tiefensteuerung relativ einfach. Sie nutzen die sonst störende Bremswirkung des Kupfers als automatischen Stopper. Anders wäre das Bohren der Sacklöcher auch kaum möglich. Denn die Intensitätsverteilung im Strahl würde eigentlich ein spitzes Loch erzeugen. Der Ultrakurzpulslaser hat diesen Autostopp nicht. Dafür verändern so genannte Top-Hat-DOEs (Diffraktive Optische Elemente) das Intensitätsprofil des Strahls und verteilen die Intensität gleichmäßiger über seinen Durchmesser. Damit treibt der Strahl die Bohrung über die ganze Grundfläche gleichmäßig in die Tiefe. Da der Vortrieb bezogen auf den Einzelpuls relativ gering und in den verschiedenen Werkstoffen bekannt ist, genügt es im Prinzip, die Pulse zu zählen, um den Laser auf der richtigen Tiefe zu stoppen.

Bei den Trumicro-Lasern funktioniert das, weil die von dem Unternehmen entwickelte Doublefeedback-Loop-Regelung jeden einzelnen Pikosekundenpuls überwacht und die Leistung und Pulsenergie unabhängig von äußeren Einflüssen exakt auf dem benötigten Niveau hält. Für die Zukunft der Leiterplatten kann dies von Vorteil sein, denn die Branche forscht intensiv an organischen Leiterplatten, die anstelle von Kupfer elektrisch leitende organische Verbindungen einsetzen. Der Autostopp-Effekt fällt damit aus. Das Loch, das so entsteht unterscheidet sich in feinen aber wesentlichen Details von dem des CO2-Lasers. Es gibt keine Schmelzgrate sondern nur eine glatte Kante. Alle Glasfasern, die das Loch durchschneidet, sind sauber bis zur Wand abgetragen. Es weist auch keine hitzebedingte Glasperlenbildung und keine Schmelzspuren am Kupferboden auf. Gemäß den Maßstäben der Leiterplattenindustrie ist das ein fast perfektes Loch.

Trepanieren und Schneiden

Trepanieren ist das andere wesentliche Bohrverfahren. Die Optik lässt dabei den Fokusfleck um die Mittelachse des Lochs kreisen. Bislang war trepanieren in der Leiterplattenbearbeitung eher eine Ausweichlösung für die Arbeit mit UV-Nanosekundenlasern, wenn diese zum Beispiel für den CO2-Laser die Kupferschicht durchstoßen. Der Trumicro-Laser trepaniert im Vergleich zu UV-Nanosekundenlasern etwa doppelt so schnell und erzeugt rund 40 Sacklöcher/s. Und diese Grenze setzt nur die aktuell verfügbare Scannertechnik, nicht der Laser. Doch Trepanieren ist für Ultrakurzpulslaser keine Notlösung mehr, sondern eine Erweiterung der Möglichkeiten. Das Verfahren hilft, alle denkbaren Lochdurchmesser auf einer Leiterplatte abzudecken, von extrem feinen Mikrovias bis zu runden oder länglichen Montagelöchern für Klemmen und Schrauben. Und wenn der Laser schon dabei ist, kann er auch gleich noch Aussparungen und die Konturen der Platte schneiden.

Der Unterschied zwischen Trepanieren und Schneiden ist eher eine Definitionsfrage. In beiden Fällen trägt der Laser entlang einer gedachten Linie gleichmäßig Material ab. Dabei spielt es keine wesentliche Rolle, ob es sich bei diesen Materialien um Polyimide, Metalle, Keramik oder Glas handelt. Das kommt beispielsweise bei der Fertigung von Trägerplatinen für Hochleistungs-LEDs zum Tragen. Diese Platten werden unter anderem aus Keramik gefertigt und auf der Rückseite mit Leiterbahnen versehen. Ultrakurzpulslaser können nun in einem Durchgang die Kontaktlöcher für die LEDs perkussionsbohren, die Montagelöcher trepanieren. Anschließend gravieren sie ein Raster aus feinen Kerben in den Nutzen, an denen entlang sich dieser später in die einzelnen Leiterplatten zerteilen lässt. Das spart nicht nur Bearbeitungsschritte. Wo beim sogenannten Depanneling bislang Diamantsägen Absplitterungen und Mikrorisse hinterlassen, bleibt eine saubere glatte und rissfreie Kante. Damit gibt es zum Beispiel für Hitzespannung im späteren Betrieb keine Angriffspunkte mehr.

(mrc)