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Lasertechnik in der Leiterplattenfertigung

Bachelorarbeit 2007 39 Seiten

Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfas sung

Abstract

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel der Arbeit

2 Leiterplatten
2.1 Basismaterial
2.1.1 Kupferfolien
2.1.2 Dielektrikum

3 Materialbearbeitung mit Lasern

4 Laserbohren
4.1 Prozessbeschreibung
4.1.1 Perkussionsbohren
4.1.2 Trepanierbohren
4.1.3 Wendelbohren
4.2 Laserbohrtechnologien
4.2.1 Laserbohren mit reinen CO2 Lasersystemen
4.2.2 Laserbohren mit reinen Nd:YAG Lasersystemen
4.2.3 Laserbohren mit Hybridlasersystemen

5 Laserdirektbelichten

6 Laserdirektstrukturieren
6.1 Leiterbilddirektstrukturieren
6.1.1 Pattern Plating Verfahren
6.1.2 Zinn Resist Verfahren
6.2 Lötstoppdirektstrukturieren

7 Laserstrahlfeinschneiden

8 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Kurzfassung

Durch die fortschreitende Miniaturisierung technischer Produkte stoßen immer mehr konventionelle Fertigungsverfahren an ihre Grenzen. Diese Arbeit beschreibt die Möglichkeiten der Lasertechnik in der Fertigung von Leiterplatten, um konventionelle Fertigungsverfahren zu ergänzen bzw. zu ersetzen. In der Arbeit wird zuerst generell die Materialbearbeitung mittels Laser dargestellt. Als nächster Punkt wird die Herstellung von Mikrolöchern unter Verwendung von verschiedenen Laserarten und Herstellprozessen beschrieben. Danach werden sowohl Methoden zur Erstellung des Leiterbildes, wie das Laserdirektbelichten und Laserdirektstrukturieren, als auch das Strukturieren von Lötstoppmasken mittels Lasertechnik erklärt. Im letzten Teil wird auf das Laserschneiden von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten eingegangen. Diese Arbeit soll weiters den Umstand verdeutlichen, dass eine fortschreitende Miniaturisierung in der Herstellung von technologisch hochwertigen Leiterplatten den Einsatz von Lasertechnik verlangt, da nur mit Hilfe von Lasertechnik die dafür notwenigen, feinsten Strukturen hergestellt werden können.

Abstract

The miniaturization of technical products has led to an increasing number of conventional manufacturing processes of printed circuit boards being taken to their limits. This paper will describe some possibilities of the use of a laser in the manufacturing of printed circuit boards, in order to supplement and replace conventional manufacturing processes. First, the processing of materials by means of laser-light will be dealt with. Secondly, the manufacturing of micro-vias by means of different types of lasers and processes will be discussed, after which both methods of imaging (such as laser-direct-imaging and laserdirect-pattern) and solder-resist-structuring by means of laser-technology will be described. Finally, the laser-cutting of flexibleand rigid-flexible boards will be treated. This paper should further demonstrate that progressive miniaturization is connected with the usage of laser technology in the manufacturing of high tech circuit boards laser-technology enables the manufacture of minimum structures.

Abbildungsverzeichnis

3-1 Absorptionsspektum verschiedener Werkstoffe in Abhängigkeit der Wellenlänge (Quelle: In Anlehnung an: Poprawe (2005), Seite 351)

4-1 Lochtypen und Kombinationen (Quelle: In Anlehnung an: de Buhr und Rook (2004), Seite 533)

4-2 Laserstrahlbohrverfahren (Quelle: Poprawe (2005), Seite 306)

4-3 Du rchmesser-Bohrzeitdiagramm (Quelle: de Buhr und Rook (2004), Seite 221)

4-4 Problem e mit Glasfasern bei UV-Laserbearbeitung (Quelle: de Buhr und Rook (2004), Seite 211)

4-5 öffnen der obersten Kupferschicht mittels Nd:YAG Laser (Quelle: de Buhr und Rook (2004), Seite 213)

4-6 Entfernen des Dielektrikums mittels CO 2 Laser (Quelle: de Buhr und Rook (2004), Seite 214)

5-1 Gegenüberstellung Filmtechnik - Laserdirekttechnik (Quelle: Eigene Darstellung)

6-1 Lasers trukt uriertes St anda rd-T rockenresis t (Patte rn Plating V er fahren) (Quelle: Fa. LPKF, Laser und Electronics (2007))

6-2 Lasers trukt uriertes che m. Z inn (Zinn-R esis t Verfahren) (Quelle: Fa. LPKF, Laser und Electronics (2007))

6-3 Gelaserte O¨ ffnung in Polyimidfolie (Quelle: Fa. LPKF, Laser und Elektronics (2007))

Kapitel 1 Einleitung

1.1 Motivation

Erweiterung des Funktionsumfanges bei gleichzeitiger Reduktion von Größe und Gewicht ist der Trend bei technischen Produkten. Besonders deutlich ist dies im Handheltsektor zu beobachten, wo immer mehr Funktionen auf immer weniger Raum gebündelt werden müssen. Dies impliziert eine fortschreitende Verkleinerung des Geräteinnenlebens - dh. der Leiterplatte. Mit der HDI - Technologie (High Desity Interconnection) wurde Ende der 90er

Jahre die wesentlichste A¨nderung der letzten Jahre in den Aufbauten von Leiterplatten eingeführt. Dazu wurde erstmals Lasertechnologie für das Bohren von Verbindungen (den sog. Microvias) von einer Lage zur nächsten eingesetzt, wodurch sich die Packungsdichte signifikant erhöhen ließ. Die Microviatechnik ist auch hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften für schnelle Digitalschaltungen aufgrund ihrer kurzen Wege und der kapazitätsarmen Microvias ideal. Microvias sind per Definition Löcher mit einem Durchmesser, kleiner als 150 µ m ” und/oder Lochdichten von mehr als 1000 Bohrungen/dm2“.[1]

Es werden auch immer neue Anforderungen an Basismaterialien hinsichtlich thermischer und mechanischer Leistungsfähigkeit sowie niedriger Verlustfaktoren und Dielektrizitätszahlen gestellt. Herkömmliche mechanische Fertigungsprozesse stoßen hierbei nach technischen oder wirtschaftlichen Kriterien zunehmend an ihre Grenzen. Durch Lasertechnik lassen sich feinste Strukturen und Bohrungen im Mikro-Bereich herstellen, die sich durch konventionelle Verfahren, wie beispielsweise Bohren mit Hartmetallspiralbohrern nicht mehr realisieren lassen.

1.2 Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeiten und Vorteile der Lasertechnik in der Herstellung von Leiterplatten überall dort darzustellen, wo konventionelle Herstellverfahren in technischer oder wirtschaftlicher Hinsicht an ihre Grenzen stoßen. Sowohl die einzelnen Prozesse, bei denen Lasertechnik zunehmend konventionelle Verfahren ablöst, als auch die dort eingesetzten Laserquellen sollen in der Arbeit dargestellt werden. Weiters soll die Notwendigkeit des Einsatzes von Lasertechnik und ihre Korrelation mit der aktuellen Entwicklung verdeutlicht werden.

Kapitel 2 Lei te rpl atten

Grundsätzlich können Leiterplatten durch Subtraktivoder Additivtechnik hergestellt werden. Bei der Subtraktivtechnik wird ein kupferkaschiertes Basismaterial verwendet und das Leiterbild durch Abtragen (in der Regel A¨tzen) erzeugt. Im additiven Verfahren wird unkaschiertes Basismaterial verwendet und das Leiterbild durch Auftragen (Metallabscheidung) erzeugt. Welches Herstellverfahren dabei zum Einsatz kommt, hängt von der Anwendung, der Aufbautechnik, der geforderten Qualität und insbesondere von den Kosten ab.[2] Je nach Aufbautechnik der Leiterplatte unterscheidet man:

- Einseitige Leiterplatten (Monolayer)
- Doppelseitige Leiterplatten (Bilayer)
- Doppelseitig, durchkontaktierte Leiterplatten (DK-Bilayer)
- Mehrlagige Leiterplatten (Multilayer)
- Hochdichte Mehrlagenaufbauten (HDI = High Density Interconnection)

Weiters unterscheidet man nach der Technologie der Leiterplatte:

- Starre Leiterplatten (RPC = Rigid Printed Circuits)
- Flexible Leiterplatten (FPC = Flexible Printed Circuits)
- Starr-flexible Leiterplatten (RFPC = Rigid-Flex Printed Circuits)

2.1 Basismaterial

Ausgangsmaterial von Leiterplatten sind Verbundwerkstoffe, die aus einem Dielektrikum mit oder ohne Kupferkaschierung aufgebaut sind. Je nach Leiterplattentechnologie, Aufbau, sowie den physikalischen und chemischen Anforderungen an das Basismaterial werden unterschiedliche Basismaterialarten eingesetzt.[3]

2.1.1 Kupferfolien

Kupferkaschierungen für die Leiterplattenfertigung werden hauptsächlich galvanisch hergestellt. Hierbei erfolgt die galvanische Abscheidung von Kupfer auf eine zylindrische Trommel, welche sich ca. zur Hälfte in eine Schwefelsäure-Kupferlösung getaucht dreht. Die Dicke der Kupferfolie wird durch die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel gesteuert. Durch dieses Verfahren lassen sich Kupferfolien von 9 µ m bis 210 µ m Dicke herstellen. Die hierbei hergestellte Kupferfolie hat eine glatte und eine matte Seite. Die glatte Seite wird durch die Trommeloberfläche vorgegeben und wird als Cu-Oberseite des Basismaterials eingesetzt. Die matte, mikroraue Seite ist die Wachstumsseite, welche nach einem weiteren elektrochemischen Prozess mit einer sogenannten Treatmentschicht zur optimalen Haftung auf dem Dielektrikum versehen wird. Beim Treatmentprozess wird durch abwechselndes Aufbauen und Verfestigen von Kupfer eine dendritische und sphärische Oberfläche erzeugt, die sich durch hochdichte und gleichmäßig verteilte Mikrostrukturen auszeichnet und eine optimale Haftung auf dem Dielektrikum ermöglicht.[4]

Typische Nenndicken von Kupferkaschierungen sind 17.5 µ m, 35 µ m und 70 µ m, wobei der Trend zu immer dünneren Foliendicken geht, um feinste Geometrien (< 100 µ m) herstellen zu können. Bei sehr dünnen Kaschierungen ( 7 µ m, 5 µ m ) scheiden die Hersteller meist eine weitere Cu-Schicht über der eigentlichen Kaschierung ab, um das Handling zu erleichtern und die Kaschierung vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Diese sogenannte Carrierschicht ist durch eine Trennschicht vom Basiskupfer getrennt, damit sie nach der Verpressung und dem Bohren leichter abgezogen werden kann und dient gleichzeitig als Oberflächenschutz vor Oxidation. Ultradünne Kupferkaschierungen haben weiters den Vorteil, sowohl für Nd:YAG- als auch für CO2 Laser bearbeitbar zu sein. Damit das Kupfer für den CO2 Laser bearbeitbar ist, muss es eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche das Laserlicht des CO2 Lasers großteils nicht reflektiert.[5]

2.1.2 Dielektrikum

Die wichtigsten Dielektrika sind Standard-Epoxiy-Laminate, Materialbezeichnung FR4, die aus, in Epoxydharz getränkten, Glasgewebematten aufgebaut sind. Weiters werden zunehmend auch sogenannte grüne Laminate, welche halogenfreies Flammschutzmittel enthalten, thermostabile Laminate mit hoher Glasübergangstemperatur (Hoch-Tg) aus höherwertigen Kunststoffen wie Teflon, Cyanatester oder Keramik, sowie Hochfrequenzmaterialien, die sich durch einen sehr niedrigen Verlustfaktor sowie eine niedrige Dielektrizitätszahl auszeichnen, verwendet. Für flexible und starrflexible Leiterplatten wird weitgehend Polyimid und Polyester verwendet. Zunehmend werden auch Materialien mit Metallkernen (z.B. Aluminium) als mechanischer Träger und/oder zur Wärmeableitung eingesetzt.[6][7]

Die Herstellung von Leiterplatten mit hoher Integrationsdichte (HDI) erfordert speziell auf die Lasertechnik abgestimmte Dielektrika. Solche glasverstärkten Basismaterialien charakterisieren sich durch leichte Glasgewebekonstruktionen und Glasvliese mit definierter Filamentgeometrie.[8]

Kapitel 3 Materialbearbeitung mit Lasern

Trifft ein Laserstrahl auf ein Material, wird er abhängig von den wellenlängenabhängigen Materialeigenschaften und der Topografie der Materialoberfläche zum Teil absorbiert und zum Teil reflektiert. Die absorbierte Laserstrahlung erwärmt das Material, was bei höherer absorbierter Energie zum Schmelzen und schließlich zum Verdampfen des Materials führt. Diese thermischen Prozesse werden zur Materialbearbeitung genutzt. Erwärmen wird zum Härten und für Oberflächenmodifikationen, Schmelzen für Schweissen, Auflegieren und Verdampfen für Bohrund Schneidprozesse genutzt.[9][10]

Die Absorption hängt weiters von den physikalischen Eigenschaften des Laserstrahls (Wellenlänge, Polarisation, etc.), den Umgebungsbedingungen (Prozessgase, das Werkstück umgebende Materialien), der Geometrie des Werkstücks (Dicke des Werkstücks etc.) und von Veränderungen des Werkstückes bzw. dessen Umgebung (lokale Aufheizung, Phasenumwandlungen, laserinduziertes Plasma) ab.[11] Abbildung 3-1 zeigt das Absorptionsspekrum für unterschiedliche Werkstoffe in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

’”Die Reflektivität eines Materials definiert den Anteil des einfallenden Lichts, das absorbiert wird und somit zur Erwärmung des Materials beiträgt. Daher ist die Reflektivität eine dimensionslose Zahl zuwischen 0 und 1“.[12]

Der Anteil des Lichtes, welcher von einer metallischen Oberfläche absorbiert wird, ist proportional 1 - R, wobei R die Reflektivität ist. Bei CO2 Laserquellen, welche eine Wellenlänge von 10.6 µ m besitzen und wenn die Reflektivität des Materials knapp unter 1 ist, ist der An-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-1: Absorptionsspektum verschiedener Werkstoffe in Abhängigkeit der Wellenlänge

(Quelle: In Anlehnung an: Poprawe (2005), Seite 351)

teil der absorbierten Energie sehr gering. Das bedeutet, dass Materialien wie beispielsweise Kupfer oder Silber sehr schwierig mit langen Wellenlängen bearbeitbar sind. Bei kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise beim dreifach frequenzvervielfachten Nd:YAG Laser, der üblicherweise bei 355nm betrieben wird, ist der Faktor 1 - R viel höher als bei dem langwelligem Licht des CO2 Lasers.[13]

Bei steigender Temperatur nimmt die Absorption zu. Dies ist auf die, von der Temperatur abhängigen Elektronen-Gitterbewegungen sowie die entstehenden Prozessgase zurückzuführen.[14]

Für die Auswahl des richtigen Lasers, speziell bei materialabtragender Bearbeitung, sind unbedingt die Materialeigenschaften in Abhängigkeit zur Wellenlänge bezüglich der Absorption zu berücksichtigen.[15]

Kapitel 4 Laserbohren

Sehr lange hat das mechanisch gebohrte Loch mittels Spiralbohrer den Anforderungen der Leiterplatte genügt und ist auch heute noch eine kostengünstige Methode zu Erzeugung von Bohrungen. In Großserien werden heute Durchmesser 200 µ m mechanisch gebohrt, wobei in kleineren Serien auch Bohrdurchmesser von 100 und sogar 50 µ m möglich sind. Jedoch sind sie technisch sehr aufwendig und unsicher herzustellen, da solch dünne Werkzeuge sehr leicht brechen. Solche sogenannten Microvias werden heutzutage in Großserien speziell für die HDI-Leiterplatte überwiegend mittels Lasertechnik hergestellt. Somit ist das Laserbohren eine der wichtigsten Laseranwendungen in der Leiterplattenfertigung.[16]

Microvias sind sogenannte Durchkontaktierungen, dh. gebohrte und anschließend metallisierte Bohrungen, die einzelne Signallagen miteinander verbinden.[17] In Abbildung 4-1 sind Lochtypen und Kombinationen dargestellt, wie sie bei HDI-Leiterplatten für gewöhnlich zum Einsatz kommen.

- A = Durchgangsloch (Via)
- B = Vergrabenes Loch (innenliegende Durchkontaktierung, burried via) über zwei Lagen
- C = Vergrabenes Loch (innenliegende Durchkontaktierung, burried via) über mehr als zwei Lagen
- D = Sackloch (blind via) Aspektratio ≥ 1, gedeckeltes Sackloch“, unechtes Sackloch ”
- E = Sackloch (blind via) Aspektratio < 1

Zur Herstellung von Microvias gibt es neben den sequenziellen Verfahren wie mechanisch Bohren und Laserbohren noch simultane Verfahren wie das Plasmaätzen, das Mikroprägen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4-1: Lochtypen und Kombinationen

(Quelle: In Anlehnung an: de Buhr und Rook (2004), Seite 533)

und fotolithografische Prozesse unter Verwendung von fotosensitiven Dielektrika. Diese alternativen Herstellungsverfahren haben sich jedoch wenig verbreitet, da beim Plasmaätzen keine verstärkten Materialien (bspw. glasverstärkt) bearbeitet werden können und bei der fotolithografischen Locherzeugung der Einsatz sehr teurer Materialien notwendig ist. Die Herstellung von Microvias durch Mikroprägeverfahren ist derzeit noch im Versuchsstadium und nicht serientauglich. In der Lasertechnik wurde in den 90er Jahren durch die Entwicklung zweier schrittmotorbetriebener Spiegel, welche den Laserstrahl ablenken, eine Methode geschaffen, bei der alle Löcher innerhalb des Bereiches dieser Spiegel - derzeit ca. 50 mm x 50 mm - ohne Verfahren des Maschinentischs hergestellt werden können. Somit konnte die Laserbohrzeit um ein vielfaches reduziert werden.[18][19][20]

Die Vorteile des Laserbohrens sind das berührungslose Abtragen ohne ein verschleißendes Werkzeug, präzise herstellbare Raster in engsten Abständen ohne die angrenzenden Gebiete zu erhitzen oder zu verunreinigen, was bei mechanisch gebohrten Löchern nicht vermieden werden kann. Weiters ist das Werkstück durch die berührungslose Bearbeitung sehr einfach, meist durch eine Vakuumansaugung am Maschinentisch zu fixieren. Schließlich sind nahezu alle Materialien mittels Laser bearbeitbar, wo mechanische oder chemische Verfahren an ihre Grenzen stoßen.[21]

[...]


[1] Willuweit (2002)

[2] vgl. Keller (2004), Seite 472

[3] vgl. Gemsleben (2004), Seite 99

[4] vgl. Gemsleben (2004), Seite 99ff

[5] vgl. Gemsleben (2004), Seite 109f

[6] vgl. Gemsleben (2004), Seite 473

[7] vgl. ISOLA (2007)

[8] vgl. Willuweit (2002)

[9] vgl. Poprawe (2005), Seite 1f

[10] vgl. Eichler und Eichler (2006), Seite 397

[11] vgl. Poprawe (2005), Seite 14

[12] vgl. Ready (1998), Seite 320

[13] vgl. Ready (1998), Seite 321

[14] vgl. Poprawe (2005), Seite 34

[15] vgl. Ready (1998), Seite 387

[16] vgl. Gerlach und Skrypczinski (2004), Seite 200

[17] vgl. Poprawe (2005), Seite 304

[18] vgl. de Buhr und Rook (2004), Seite 210

[19] vgl. Lehnberger und Oberender (2004), Seite 532

[20] vgl. Pape (2004)

[21] vgl. Ready (1998), Seite 338 und 396

Details

Seiten
39
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783640267835
ISBN (Buch)
9783640267941
Dateigröße
1.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v121928
Institution / Hochschule
Campus02 Fachhochschule der Wirtschaft Graz
Note
1.0
Schlagworte
lasertechnik pcb fcb Leiterplattenfertigung leiterplatten flexible printed circuit

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Titel: Lasertechnik in der Leiterplattenfertigung