Kontakt, Via, Laser

© Foto | TRUMPF

Die Leiterplatte der Zukunft stellt hohe Anforderungen an die Fertigung der Microvias. Der Ultrakurzpulslaser erfüllt sie schon heute

Das dünnste Smartphone ist 6,2 Millimeter dick. Zumindest war das Ende August 2013 so. 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 Wireless LAN. Es gibt die Speicherchips und natürlich die CPU. Damit ist der Bauch voll. Die Frage ist nur: Wo fließen denn nun zwischen den ganzen Elektronikbauteilen eigentlich noch die Elektronen?

Mehr zum Thema

Laserbohren

Beim Laser-Bohren mit Ultrakurzpulslasern im Pikosekundenbereich wird das Material durch Sublimation direkt ohne Materialaufschmelzung aus dem festen Zustand verdampft – das Bauteil wird dabei nicht erwärmt. Im einfachsten Fall erzeugt ein einzelner Laserpuls mit vergleichsweise hoher Pulsenergie die Bohrung. Auf diese Weise lassen sich sehr schnell viele Löcher erzeugen.

Der Laser

Die Laser der TruMicro Serie 5000 sind Ultrakurzpulslaser mit Laserleistungen von bis zu 100 Watt und Pulsenergien bis zu 250 Mikrojoule. Die extrem kurzen Pulse von weniger als 10 Pikosekunden verdampfen nahezu jedes Material so schnell, dass keine Wärmeeinflusszone erkennbar ist. Diese Laser ermöglichen Mikrobearbeitung mit einer optimalen Kombination aus Qualität, Produktivität und Rentabilität.

Artikel zum Thema

Elektronikboom  Nicht nur, dass sich Laser aus der Elektronikfertigung nicht mehr wegdenken lassen. Viele Produkte wären ohne sie kaum machbar.  weiterlesen…

Puls: Spitze Ein neuer Ultrakurzpulslaser erzielt eine bisher unerreichte Ausgangsleistung.  weiterlesen…

 

Die Leiterplatte der Zukunft ist sehr dünn, hat trotzdem mehrere Schichten mit dicht gepackten Leiterbahnen, um auf engem Raum sehr komplexe Schaltungen herstellen zu können. 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 Hundert Mikrometern Dicke die Schichten ausreichend voneinander isolieren. Neue Werkstoffe wie Bismaleinimid-Triazin – kurz 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 Mikrovias. 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 ziemlich eng mit einem neuen Zukunftswerkzeug zusammen: Dem Ultrakurzpulslaser.

Laser ist nicht gleich Laser

Heute gibt es zwei Wege, diese Mikrovias herzustellen: Tatsächliches mechanisches Bohren und Laserverfahren. Der große Vorteil mechanischer Bohrer ist, dass ihnen das komplexe Werkstoffgemisch relativ egal ist. Sie kommen aber nicht unter einen Durchmesser von einem zehntel Millimeter, schaffen etwa 20 Vias pro Sekunde 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-Mikrometer-Bohrungen ermöglichen. Ihre Ausgangsleistung ist jedoch gering und die Glasfaserverbundkunststoffe in vielen Leiterplatten machen ihnen Probleme. CO2-Laser dagegen schaffen weit über 1.000 Mikrovias pro Sekunde, kommen aber nicht unter 75 Mikrometer Via-Durchmesser.

Außerdem ist das hoch reflektive 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.

laser-single-shot-drilling

Zoom in die Bohrungen in drei Bildern (Galerie)

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.

Alle Löcher, alle Werkstoffe

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

Perkussionsbohren ist das „Regelverfahren“, wenn es um lasergebohrte Mikrovias geht. Dabei feuert der Laser mehre 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 erreichen dabei im Vergleich zum CO2-Laser ähnliche oder höhere Prozessgeschwindigkeiten.

laser-pcb-drilling-percussi

Beim Perkussionsbohren trägt der Laser den Werkstoff mit mehreren Pulsen ab. Der Durchmesser des Lochs entspricht dem Fokusdurchmesser.

In 200 Mikrometer dicken und beidseitig mit Kupfer beschichteten Leiterplatten erzielen diese Ultrakurzpulslaser mit 50 Watt mittlerer Leistung 1.200 Durchgangslöcher pro Sekunde. Mit einer mittleren Leistung von 100 Watt 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 Mikrometern.

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 pro Sekunde erreichen lässt.

Die Tiefenfrage

Für CO2-Laser ist diese 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 sogenannte Top-Hat DOE – das Kürzel DOE steht für Diffraktives Optisches Element – 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. Und das funktioniert bei den TruMicro Lasern tatsächlich, weil die von TRUMPF 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 ist das ein großer Vorteil. 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. In Summe: ein fast perfektes Loch nach den Maßstäben der Leiterplattenindustrie.

Trepanieren

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.

laser-pcb-drilling-trepanin

Beim Trepanieren kreist der Fokus um die Mittelachse des Lochs und trägt den Werkstoff dabei ab.

Der TruMicro Laser trepaniert im Vergleich zu UV-Nanosekundenlasern etwa doppelt so schnell – rund 40 Sacklöcher pro Sekunde. Und diese Grenze setzt nur die aktuell verfügbare Scannertechnik, nicht der Laser. Aber 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.

Schneiden

Der Unterschied zwischen Trepanieren und Schneiden ist ohnehin 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 und 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.

laser-pcb-TruMicro-Series-5

Im Herz des TruMicro 5000. Seine extrem kurzen, extrem energieintensiven Pulse ändern die Regeln, nach denen der Werkstoff das Licht absorbiert. Es kommt zur Multiphotonenabsorption, die das Material im Fokus sublimieren und verdampfen lässt, ohne Wärme in das Werkstück einzubringen.

Werkzeug für die Zukunft

Leistungsstarke, industrietaugliche Ultrakurzpulslaser sind ein neues und extrem vielversprechendes Werkzeug. Eine Tatsache, die dem Kooperationsprojekt, aus dem die Ultrakurzpulslaser von TRUMPF hervorgingen, die Nominierung für den Zukunftspreis des Bundespräsidenten eingetragen hat.

Die ersten Anlagen für das Bohren von Leiterplatten sind mittlerweile auch auf dem Markt. Sie arbeiten mit der aktuellen, industriell erprobten Generation von TruMicro Pikosekundenlasern, die eine mittlere Leistung von 100 Watt und eine Pulsspitzenleistung von 40 Megawatt liefern. Strahlquellen mit einer mittleren Leistung von 150 Watt sind bereits auf dem Markt und die TruMicro 5000 Femto Edition bietet als erste industrielle Strahlquelle Pulse im Femtosekundenbereich. Die Zukunft der Leiterplatte hat erst begonnen.

Bitte füllen Sie folgende Felder aus: Kommentar, Name & E-Mail-Adresse (Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht).