Geregeltes Laserbohren von Microvias

Werkstoffe 09. 06. 2024
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Bei der Fertigung von Leiterplatten werden mikrometerfeine Durchkontaktierungen, sogenannte Microvias, in mehrlagige Leiterplatten gebohrt. Laserbohrer bewältigen diese Strukturierung mit hohem Durchsatz und einer Präzision von wenigen Mikrometern. Ein Messverfahren auf der Basis von laserinduzierter Plasmaspektroskopie soll dabei in Zukunft die Qualität der Bohrungen inline prüfen und den Prozess regeln.

Die Produktion moderner Leiterplatten mit hoher Leiter- und Bauteildichte ist extrem anspruchsvoll. Die Verbindungen zwischen den Schichten werden mithilfe von Lasern gebohrt. Diese Microvias haben Durchmesser von weniger als 200 Mikrometer. Der Bohrprozess muss schnell, kostengünstig, flexibel und vor allem präzise sein, denn die Bohrungen bilden nach der Metallisierung die elektrischen Kontakte zwischen den ­Metalllagen der Leiterplatte. Der vollständige Abtrag des Isolationsmaterials im Zuge der ­Bohrungen ist für eine gute Kontaktierung zwingend notwendig und entscheidet über Funktion und Langlebigkeit der Elektronik. Die Qualitätsprüfung der Microvias erfolgt heute nachgelagert, zum Teil mit zerstörenden Verfahren wie Querschliffen oder elektrischer Funktionsprüfung – und häufig nur stichprobenhaft, was für sicherheitskritische Anwendungen nicht ausreicht.

Im Forschungsprojekt HILaM (Hochdynamische Inline-Regelung des Laserbohrens von Mikrovias) entwickelt das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM gemeinsam mit dem Chemnitzer Spezialisten für Lasermikrobearbeitung 3D-Micromac AG und der Berliner Andus Elektronik GmbH ein ­optisches Verfahren, mit dem sich die Qualität von Microvia-Bohrungen durch Ultrakurzpuls-Laser (UKP) im Prozess prüfen und der Bohrprozess automatisch regeln lassen, berichtet das Fraunhofer IPM. In jüngster Zeit werden für die Strukturierung von Leiterplatten zunehmend UKP-Laser genutzt, da sie Bohrungen mit sehr kleinen Durchmessern in anspruchsvollen Materialien mit kleinen Abständen zwischen den Vias ermöglichen. UKP-Laser sind jedoch nicht materialselektiv und benötigen daher eine Regelung, denn Dicke und Homogenität der Isolationsschichten schwanken.

Die Forschenden setzen auf laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS, Laser Induced Breakdown Spectroscopy), um den Ablationsprozess pulsaufgelöst zu analysieren und zu regeln – selektiv und ortsaufgelöst innerhalb eines Lochs. Der LIBS-Sensor wird koaxial zum Ablationslaser in das System eingebunden und nimmt die materialspezifische Plasmaemission auf, die beim Materialabtrag entsteht. Aus dem Spektrum lässt sich ableiten, welches Material abgetragen wurde. Zeigt das Plasmaspektrum Kupfer an, so bedeutet dies, dass die Isolationsschicht an der entsprechenden Stelle ausreichend abgetragen wurde. In diesem Fall entscheidet der Regelalgorithmus, dass der Laser innerhalb des Bohrlochs auf die nächste Position ausgerichtet wird. Damit soll eine 100-prozentige Inline-Qualitätskontrolle möglich werden.

Text zum Titelbild: Mikrometerfeine Durchkontaktierungen in Leiterplatten müssen sehr präzise gebohrt werden. Ein neues Messverfahren soll es in Zukunft ermöglichen, den Laserbohrprozess von Mikrovias zu regeln (Bild: 3D-Micromac AG)

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