Grüne Laser für die Leiterplattenbearbeitung

Moderne Leiterplatten sind mehrlagig aufgebaut und somit besonders kompakt. Leiterplattensubstrate bestehen entweder aus organischem Material, verstärkt durch Glasfasern für maximale mechanische Stabilität, oder aus flexiblen Polyimid-Folien. Feinste Löcher durch die verschiedenen Materialien zu bohren ist alles andere als trivial. Bei diesen Anforderungen stoßen etablierte Produktionsverfahren an ihre Grenzen. 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.

Die Trumicro-Serie 5000 bohrt bis zu 1.000 Löcher/s – und zwar ohne Randaufwurf und 30 µm klein im Durchmesser. Hier eine REM Aufnahme.Trumpf

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.

Einstieg in die kalte Bearbeitung

Mit Laserpulsen von wenigen Piko- und Femtosekunden lassen sich Materialien praktisch ohne thermische und mechanische Beeinflussung effizient bearbeiten. Dafür muss der Laserpuls – und damit die Dauer des Energieeintrags – kurz genug sein, um einen Temperaturausgleich zwischen Elektronen und zugehörigen Atomen zu vermeiden. Das Material verdampft abrupt. Die Wärme gelangt nicht in das umgebende Material, thermische Spannungsrisse werden vermieden. Man spricht von „kalter Bearbeitung“. Für Metalle und viele weitere Materialien liegen die idealen Pulsdauern hierfür zwischen 1 und 10 ps. Bei Pulsdauern im Nanosekundenbereich findet dagegen ein Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Atomen statt. Das Material heizt sich dabei lokal weit über den Schmelzpunkt auf. Erhitztes Material verdampft und um die bearbeitete Stelle herum entsteht Schmelze, die anschließend wieder erstarrt.

Trumpf hat nun sein Portfolio an Kurzpuls- und Ultrakurzpulslasern für die Mikromaterialbearbeitung um sechs weitere Strahlquellen im Pikosekundenbereich erweitert. Die neuartige Trumicro Serie 2000 bietet einen wirtschaftlich attraktiven Einstieg in die Mikromaterialbearbeitung. Die Pikosekundenlaser mit einer Pulsdauer von nur 20 ps verfügen über eine Pulsenergie von 10 µJ und eine mittlere Leistung von 10 W bei hoher Brillanz. Mit einer Strahlqualität von M2 weniger als 1,3 eignen sie sich zum hochpräzisen Trennen und Strukturieren. So gelingt mit der Trumicro-Serie 2000 ein Abtragen von nur 100 nm dünnen Schichten beispielsweise bei flexiblen Leiterplattenfolien. Eine Steuerung überwacht jeden einzelnen Pikosekundenpuls vom Pulsaufbau bis hin zur Pulsausbeugung über den externen Modulator. So wird die Leistung und Pulsenergie unabhängig von äußeren Einflüssen exakt auf dem benötigten Niveau gehalten.

Das Zusammenspiel der einzelnen Steuerungen ist patentiert und bei Trumpf unter dem Namen Doublefeedback-Loop bekannt. Die kleinen und leichten Laser zeichnen sich außerdem durch einen kompakten Aufbau und vielfältige Ansteuerungsoptionen aus, was für eine einfache Integration in Fertigungsanlagen sorgt. Eine Variante mit infraroter und eine mit grüner Wellenlänge lassen dem Anwender die Wahl bei der Fokussierbarkeit und den benötigten Absorptionseigenschaften. Seine Qualitäten stellt der Trumicro 2220 live auf dem Messestand mit Schneiden von dünnen Polyimidfolien unter Beweis. Aufgrund der flexiblen Struktur dieser Folien kommen diese bei der Verschaltung von portablen Geräten wie Smartphones oder Tablet PCs zum Einsatz.

Hohe Produktivität

Bei der Trumicro Serie 5000 ergänzt der Lasersystemehersteller das Portfolio in Richtung höherer Durchschnittsleistungen für optimale Produktivität und Wirtschaftlichkeit in der industriellen Fertigung. Der Trumicro 5080 mit infraroter Wellenlänge erweitert die Leistungsgrenze bei den Pikosekundenlasern auf über 150 W mittlere Leistung. Die auf der Productronica 2013 vorgestellte frequenzverdoppelte Variante mit grüner Wellenlänge, der Trumicro 5280, überschreitet bei der mittleren Leistung ebenfalls die 100-W-Grenze.

Die höhere Leistung erzielen die beiden Ultrakurzpulslaser mit der Trumicro üblichen Strahlqualität mit einem M2 von weniger als 1,3. Dabei bieten die Laser Pulsdauern im Bereich von unter 10 ps. Mit diesen Eigenschaften sind die beiden Trumicro-Modelle 5080 und 5280 für die Fertigung in der Halbleiter- und Elektronikfertigung geeignet. Neueste Anwendungen erstrecken sich auf das Bohren und Schneiden sprödharter Materialien wie Keramik, Saphir und Siliziumcarbid sowie auf das Bohren von Leiterplatten. Hier spielen Ultrakurzpulslaser der Trumicro Serie 5000 ihre Stärken aus. Mit kalter Bearbeitung vermeiden sie spannungsinduzierte Mikrorisse in sprödharten Bauteilen trotz hochproduktiver Bearbeitung mit einer Repetitionsrate von bis zu 800 kHz. Auch bei Leiterplatten, die aus bis zu 40 Lagen bestehen können, schaffen die Laser die geforderte Geschwindigkeit mit bis zu 1.000 Löchern/s mit einem Durchmesser von nur 30 µm. Diese Löcher verbinden mit Kupfer ausgekleidet die Leiterbahnen über die Ebenen hinweg. Dies erfordert höchste Präzision bei Leistung, Pulsenergie und Strahlqualität. Die Doublefeedback-Loop-Regelung macht die genaue Steuerung möglich.

UV-Laser für temperaturempfindliche Materialien

Neu sind ebenfalls die ultravioletten Pikosekundenlaser Trumicro 5350 und der Trumicro 5360 mit einer Standzeit von über 10.000 Stunden. Dem Hersteller gelingt dies ohne Einsatz eines so genannten „micro mover“ zur Kristallbewegung. So sind Sprünge in Strahllage und Qualität von vornherein ausgeschlossen. Die mittlere Leistung beträgt 15 W bei kurzen Pulsen von unter 10 ps. Auch die Pulsenergie von bis zu 50 µJ ist außergewöhnlich. Dies führt zur höchsten industriell verfügbaren Pulsspitzenleistung bei 343 nm Wellenlänge.

Bei der Strahlqualität steht er den infraroten und grünen Varianten mit M2 kleiner 1,3 in nichts nach. Aufgrund seiner Wellenlänge kann er sogar noch präziser fokussiert werden. Proben mit nur 10 µm kleinen Bohrungen im Durchmesser weisen eine äußerst geringe Wärmeeinflusszone ohne Randaufwurf auf. Sehr gut eignen sich der Trumicro 5350 und 5360 für das Low-K-Grooving bei der Herstellung von Computerchips. Low-K-Dielektrika ermöglichen hohe Taktraten von Prozessoren, da sie das Auftreten von parasitären Kapazitäten verhindern. Sie schützen außerdem die empfindlichen Leiterbahnen auf den Wafern. Diese Materialien stören jedoch den Trennvorgang in die einzelnen Chips. Die UV-Laser von Trumpf vermögen die Schicht schnell und präzise zu entfernen, das so genannte Wafer Dicing erfolgt danach störungsfrei. Ihre gute Fokussierbarkeit und Wellenlänge machen die Trumicro 5350 und 5360 außerdem zum geeigneten Werkzeug für die Bearbeitung von temperaturempfindlichen Materialien wie Hochleistungsthermoplasten, Polymeren und PET.

(mrc)