WO2006100202A1 - Method for laser microstructuring a material using a protective layer with a threshold intensity defined by reflection and absorption characteristics - Google Patents

Method for laser microstructuring a material using a protective layer with a threshold intensity defined by reflection and absorption characteristics Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for microstructuring using a laser radiation, in which a material removal takes place.
  • the microstructuring is preferably carried out on multi-component composite systems, in particular on unfired ceramic films, with a focused laser.
  • the machining accuracy during microstructuring can be improved with this method.
  • Microstructuring is known to those skilled in the introduction of microscopically resolvable topographic structures in a solid. Microstructures can generally be introduced by different methods. For the purposes of the present invention, this involves surface processing in the micrometer range with the aid of high-energy radiation, in particular laser radiation, in which material is removed from the composite material system. The microstructuring is used to introduce surface sections or through holes, for example, to form electrical conductor structures or attach openings in the material.
  • unfired ceramic films can be processed both mechanically (e.g., by stamping or milling) and by laser.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • HTCC High Temperature Cofired Ceramics
  • the prior art also discloses the microstructuring of unfired ceramic foils with a focused laser.
  • lasers with different wavelengths from the infrared to the ultraviolet laser
  • Infrared lasers generally provide greater power, but are not as well focused, ie the focal spot diameter is usually 50 microns or more.
  • Ultraviolet- Laser allow focal spot diameter of 20 microns and less, but usually their performance and depth of field are lower. They make a largely cold removal of material possible, because the short wavelength of the UV laser is usually strongly absorbed by the material.
  • the above-mentioned unfired ceramic films are also referred to as green bodies or green films and are usually multicomponent composite systems consisting of ceramic particles, glass particles and organic binders.
  • the individual material components react differently to the introduced laser energy, since they have different threshold intensities. This means that some constituents evaporate already at low energy density of the laser beam, as occurs in its edge regions. Therefore, and due to the Gaussian intensity distribution over the beam cross section of the laser beam, the marginal areas of the processing zones are damaged. Unwanted glazings and discoloration occur in the margins of the drilled holes or the kerfs that adversely affect the machining accuracy.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for the microstructuring of multi-component composite systems, in particular unfired ceramic films, with a focused laser which avoids the disadvantages of the prior art and with which the marginal areas of the laser bores or laser cuts are protected and where defined requirements be adhered to a minimum structure size and defined excavation depth.
  • the advantages of the invention are, in particular, that the lateral dimensions of the kerfs or borehole diameter can be reduced in a very simple and inexpensive manner and high-precision cavities, recesses and microvias can be produced on the green ceramic foils.
  • a multi-material composite system to be processed is preferably structured with laser light in the ultraviolet range (UV).
  • UV ultraviolet range
  • a focused pulsed load beam preferably radiating in the UV range, is used.
  • the multi-material composite system to be processed is preferably an unfired ceramic film.
  • unfired ceramic film it being clear to the person skilled in the art that other material mixtures with substances of different threshold intensity which are suitable for laser processing can also be processed or structured with the method according to the invention.
  • the materials to be structured are heated in layers, melted and evaporated.
  • a protective layer is applied to the unfired ceramic sheet to be patterned before the patterning process, wherein the material comprising this protective layer at least partially reflects or absorbs the laser pulses used.
  • the threshold intensity determined by the reflection and absorption properties of the protective layer is matched to the laser radiation so that the protective layer can be vaporized only in the region of the increased intensity of the laser beam and protects the underlying ceramic film in the edge regions.
  • This coordination between protective layer and laser radiation can be carried out so precisely that the region of increased intensity is smaller than the focal spot of a focused laser beam.
  • the intensity profile in the beam cross-section approximates to a Gaussian distribution or a comparable non-linear distribution, so that in the Center of the beam cross-section a significantly higher energy intensity prevails than at the edge regions.
  • Suitable materials for the protective layer are those in which the threshold for material removal is relatively pronounced. This means that until a threshold intensity is reached, the laser power is largely reflected by the protective layer, while the protective layer evaporates when the threshold intensity is reached. Once the protective layer has evaporated, the underlying material can also be removed.
  • the threshold intensity of the protective layer is in the range of the intensity of the laser beam in focus and above the lowest threshold intensity of the underlying under the protective layer material components of the ceramic film.
  • the protective layer only transmits the laser energy from this threshold intensity to the material to be structured, in which case all material constituents evaporate only in the region released by the protective layer.
  • the protective layer thus has the effect that the peripheral areas of the processing zones are covered on the unfired ceramic film and thus protected from the unwanted influence of the laser pulse energy outside the focus (Gaussian distribution of the laser energy in the focused laser beam).
  • the cross-section of the focused laser energy applied to the green ceramic sheets is thus restricted by the protective layer, thereby increasing the quality of drilling or cutting and reducing the diameter of the holes or cutting widths.
  • metals in the form of films or vapor-deposited layers are used for the protective layer.
  • metal-containing pastes e.g., silver
  • the protective layer of the present invention are suitable for use as the protective layer of the present invention.
  • the protective layer is left on the ceramic sheet.
  • the e.g. Screen-printed metal-containing protective layer serve as a conductive compound (e.g., ground plane) and are prepared with commercially available thick-film conductive pastes.
  • the protective layer can also be a metallized plastic film, which is already applied in the production process of the ceramic film.
  • a metallized plastic film which is already applied in the production process of the ceramic film.
  • this mylar layer is used simultaneously as a protective layer, for which purpose it is metallized in the manner described. After microstructuring, the mylar layer may then be removed, thereby also eliminating the edge contaminants that occurred during patterning, without requiring a separate cleaning step.
  • an unfired ceramic film is provided as a multi-material composite system according to the methods known per se.
  • the protective layer is removed by suitable methods, e.g. Laminating, screen printing or vapor deposition or sputtering applied to the unfired ceramic films. This can take place immediately before structuring or may already be integrated in the production process of the ceramic films.
  • the protective layer may initially remain unstructured, in which case the protective layer and the ceramic film are simultaneously pierced or cut by the laser in the subsequent structuring step.
  • the protective layer can also be patterned before or after application to the ceramic film by means of suitable methods (laser cutting, photolithography).
  • the protective layer can be removed mechanically, thermally or using suitable chemicals from the ceramic foil.

Abstract

The invention relates to a method for microstructuring a material, whereby, during a structuring step, material is removed by means of a laser beam comprising a region with increased intensity in the beam cross-section thereof. According to the invention, a protective layer is applied to the surface to be structured before the structuring step is carried out. The threshold intensity defined by the reflection and absorption characteristics is adapted to the laser radiation such that the protective layer only evaporates in the region of the increased intensity during a pre-determined irradiation period, in order to release the material surface below for the structuring.

Description

VERFAHREN ZUR LASER-MIKROSTRUKTURIERUNG EINES MATERIALS UNTER VERWENDUNG EINER MIT REFLEXIONS- UND ABSORPTIONSEIGENSCHAFTEN BESTIMMTEN SCHWELLINTENSITÄT AUFWEISENDEN SCHUTZSCHICHTMETHOD FOR THE LASER MICROSTRUCTURING OF A MATERIAL USING A PROTECTIVE LAYER PROVIDED WITH REFLECTION AND ABSORPTION CHARACTERISTICS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mikro- strukturieren mithilfe einer Laserstrahlung, bei welchem ein Materialabtrag erfolgt. Die Mikrostrukturierung erfolgt vorzugsweise an Mehrstoffverbundsystemen, insbesondere an ungebrannten Keramikfolien, mit einem fokussierten Laser. Mit diesem Verfahren lässt sich insbesondere die Bearbeitungsgenauigkeit während der Mikrostrukturierung verbessern.The present invention relates to a method for microstructuring using a laser radiation, in which a material removal takes place. The microstructuring is preferably carried out on multi-component composite systems, in particular on unfired ceramic films, with a focused laser. In particular, the machining accuracy during microstructuring can be improved with this method.
Unter Mikrostrukturierung ist dem Fachmann das Einbringen mikroskopisch auflösbarer topographischer Strukturen in einen Festkörper bekannt. Mikrostrukturen können generell mit unterschiedlichen Methoden eingebracht werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung geht es dabei um die Oberflächenbearbeitung im Mikrometerbereich mithilfe von energiereicher Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, bei welcher am Mehr- stoffverbundsystem ein Materialabtrag erfolgt. Die Mikrostrukturierung dient der Einbringung von Oberflächenschnitten oder Durchgangsbohrungen, beispielsweise um elektrische Leiterstrukturen auszubilden oder Durchbrüche im Material anzubringen .Microstructuring is known to those skilled in the introduction of microscopically resolvable topographic structures in a solid. Microstructures can generally be introduced by different methods. For the purposes of the present invention, this involves surface processing in the micrometer range with the aid of high-energy radiation, in particular laser radiation, in which material is removed from the composite material system. The microstructuring is used to introduce surface sections or through holes, for example, to form electrical conductor structures or attach openings in the material.
Nach dem Stand der Technik können beispielsweise ungebrannte Keramikfolien (Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder High Temperature Cofired Ceramics (HTCC) ) sowohl mechanisch (z.B. durch Stanzen oder Fräsen) als auch mittels Laser bearbeitet werden.For example, in the prior art, unfired ceramic films (Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) or High Temperature Cofired Ceramics (HTCC)) can be processed both mechanically (e.g., by stamping or milling) and by laser.
Bei der Laserbearbeitung der Keramikfolien unterscheidet man zwischen der Bearbeitung der Keramikfolien mit Excimer-Lasern oder mit fokussierten Lasern. So ist aus der DE 102 12 639 z.B. ein Verfahren zur Strukturierung von Funktionspolymeren unter Verwendung eines Excimer-Lasers bekannt. Da der Querschnitt eines Excimer- Lasers im Verhältnis zu einem fokussierten Laser sehr groß ist, kann mit ihm nur eine flächenhafte Abtragung des Materials realisiert werden, wobei die Abtragungstiefe sehr präzise steuerbar ist. Nachteilig wirkt sich bei der Verwendung von Excimer-Lasern jedoch die aufgrund seines großen Querschnitts geringe Leistungsdichte aus. Dadurch ist die Abtragungstiefe eines Excimer-Laserpulses deutlich geringer als die Abtragungstiefe, die bei Verwendung eines fokussierten Laserpulses erreicht wird. Dies bewirkt wiederum, dass bei der Verwendung eines Excimer-Lasers die Bearbeitungszeit des gesamten Mikro- strukturierungsprozesses unter Umständen deutlich größer ist als bei der Verwendung von fokussierten Lasern.In the laser processing of ceramic films, a distinction is made between the processing of the ceramic films with excimer lasers or with focused lasers. For example, DE 102 12 639 discloses a process for structuring functional polymers using an excimer laser. Since the cross-section of an excimer laser is very large in relation to a focused laser, only an areal removal of the material can be realized with it, wherein the Abtragungstiefe is very precisely controlled. However, a disadvantage of the use of excimer lasers is the low power density due to its large cross-section. As a result, the ablation depth of an excimer laser pulse is significantly lower than the ablation depth, which is achieved when using a focused laser pulse. This, in turn, causes the processing time of the entire microstructuring process to be significantly greater when using an excimer laser than with the use of focused lasers.
Aus der DE 38 35 794 Al ist es bekannt, eine strukturierte Keramikfolie durch direktes Schreiben mit einem Laserstrahl oder durch optische Projektion einer Maske mittels Laserlichtes auf die Oberfläche der ungebrannten Folie (Grünfolie) herzustellen. Die Maske weist Durchbrüche auf, durch die die Lasereinstrahlung auf das Objekt erfolgt. Vorzugsweise kommen hier gepulste Excimer-Laser und gepulste Cθ2~Laser zum Einsatz .From DE 38 35 794 Al it is known to produce a structured ceramic film by direct writing with a laser beam or by optical projection of a mask by means of laser light on the surface of the green sheet. The mask has openings through which the laser irradiation takes place on the object. Preferably, pulsed excimer lasers and pulsed CO 2 lasers are used here.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Mikrostrukturie- rung von ungebrannten Keramikfolien mit einem fokussierten Laser bekannt. Hierbei kommen Laser mit unterschiedlicher Wellenlänge (vom Infrarot- bis zum Ultraviolett-Laser) zum Einsatz. Infrarot-Laser liefern im allgemeinen größere Leistungen, sind aber nicht so gut fokussierbar, d.h. der Brennfleckdurchmesser beträgt meist 50 μm oder mehr. Ultraviolett- Laser erlauben Brennfleckdurchmesser von 20 μm und weniger, dafür sind meist ihre Leistung und ihre Tiefenschärfe geringer. Sie machen einen weitgehend kalten Abtrag von Material möglich, weil die kurze Wellenlänge des UV-Lasers vom Material meist stark absorbiert wird.The prior art also discloses the microstructuring of unfired ceramic foils with a focused laser. In this case, lasers with different wavelengths (from the infrared to the ultraviolet laser) are used. Infrared lasers generally provide greater power, but are not as well focused, ie the focal spot diameter is usually 50 microns or more. Ultraviolet- Laser allow focal spot diameter of 20 microns and less, but usually their performance and depth of field are lower. They make a largely cold removal of material possible, because the short wavelength of the UV laser is usually strongly absorbed by the material.
Aus der DE 21 42 535 C3 ist die Strukturierung der Oberfläche einer Grünfolie mittels Laserstrahlung bekannt, wobei eine oder mehrere Masken mit einem vorbestimmten Muster an Öffnungen dem Laserstrahl ausgesetzt werden. Durchgangslöcher und Leiterbahnmusterbereiche müssen in der Maske vorgesehen sein und entstehen in der Keramikfolie bei der Bearbeitung mit dem Laser gleichzeitig. Das Material für die hier verwendeten Masken darf durch die Strahlung, welche zur Strukturierung der Keramikfolie verwendet wird, nicht beeinflusst werden. Die Herstellung der Öffnungen in der Maske entsteht durch eine aufwendige Bearbeitung beispielsweise mit einem Elektronenstrahl. Zur Bearbeitung der Keramikfolien können Excimer- Laser oder fokussierte Laser verwendet werden.From DE 21 42 535 C3, the structuring of the surface of a green sheet by means of laser radiation is known, wherein one or more masks are exposed to the laser beam with a predetermined pattern of openings. Through holes and trace pattern areas must be provided in the mask and are formed in the ceramic sheet simultaneously with laser processing. The material used for the masks used here must not be affected by the radiation used to structure the ceramic foil. The production of the openings in the mask is formed by a complex processing, for example with an electron beam. For processing the ceramic films, excimer lasers or focused lasers can be used.
Die genannten ungebrannten Keramikfolien werden auch als Grünkörper oder Grünfolien bezeichnet und sind in der Regel Mehrstoffverbundsysteme, die aus Keramikpartikeln, Glasteilchen und organischen Bindern bestehen. Die einzelnen Materialbestandteile reagieren unterschiedlich auf die eingebrachte Laserenergie, da sie unterschiedliche Schwellintensitäten aufweisen. Das heißt, dass einige Bestandteile bereits bei niedriger Energiedichte des Laserstrahls, wie sie in dessen Randbereichen auftritt, verdampfen. Deshalb und aufgrund der gaußschen Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des Laserstrahles werden die Randbezirke der Bearbeitungszonen geschädigt. Es entstehen ungewollte Verglasungen und Verfärbungen in den Randzonen der Bohrlöcher oder der Schnittspalten, die die Bearbeitungsgenauigkeit negativ beeinflussen.The above-mentioned unfired ceramic films are also referred to as green bodies or green films and are usually multicomponent composite systems consisting of ceramic particles, glass particles and organic binders. The individual material components react differently to the introduced laser energy, since they have different threshold intensities. This means that some constituents evaporate already at low energy density of the laser beam, as occurs in its edge regions. Therefore, and due to the Gaussian intensity distribution over the beam cross section of the laser beam, the marginal areas of the processing zones are damaged. Unwanted glazings and discoloration occur in the margins of the drilled holes or the kerfs that adversely affect the machining accuracy.
Besonders beim Einsatz von UV-Lasern bewirkt dies, dass der Vorteil der geringeren Brennfleckgröße für diese Keramikfolien (im Gegensatz z.B. zu Metallen) nicht unmittelbar genutzt werden kann und die Schnittspalte bzw. Bohrlochdurchmesser in der Praxis größer sind, als die angegebenen Brennfleckdurchmesser [„2004 International Symposium on Microelectronics" der IMAPS in Long Beach im November 2004] .Especially when using UV lasers, this means that the advantage of the smaller focal spot size for these ceramic films (as opposed to metals, for example) can not be used directly and the kerfs or borehole diameters are larger in practice than the specified focal spot diameters ["2004 International Symposium on Microelectronics "of the IMAPS in Long Beach in November 2004].
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Mehrstoffverbundsystemen, insbesondere von ungebrannten Keramikfolien, mit einem fokussierten Laser bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und mit dem die Randbezirke der Laserbohrungen bzw. Laserschnitte geschützt werden und wobei definierte Forderungen an eine minimale Strukturgröße und definierte Abtragstiefe eingehalten werden.The object of the present invention is therefore to provide a method for the microstructuring of multi-component composite systems, in particular unfired ceramic films, with a focused laser which avoids the disadvantages of the prior art and with which the marginal areas of the laser bores or laser cuts are protected and where defined requirements be adhered to a minimum structure size and defined excavation depth.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.According to the invention, the solution to this problem succeeds with the features of claim 1.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die lateralen Abmaße der Schnittspalten bzw. Bohrlochdurchmesser auf sehr einfache und preiswerte Art reduziert und hochpräzise Kavitäten, Ausnehmungen und Microvias auf den ungebrannten Keramikfolien erzeugt werden können.The advantages of the invention are, in particular, that the lateral dimensions of the kerfs or borehole diameter can be reduced in a very simple and inexpensive manner and high-precision cavities, recesses and microvias can be produced on the green ceramic foils.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein zu bearbeitendes Mehrstoffverbundsystem wird vorzugsweise mit Laserlicht im ultravioletten Bereich (UV) strukturiert. Dazu wird ein fokussierter gepulster Lasterstrahl, vorzugsweise im UV-Bereich strahlend, verwendet.Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the subclaims. A multi-material composite system to be processed is preferably structured with laser light in the ultraviolet range (UV). For this purpose, a focused pulsed load beam, preferably radiating in the UV range, is used.
Das zu bearbeitende Mehrstoffverbundsystem ist vorzugsweise eine ungebrannte Keramikfolie. In der folgenden Beschreibung wird daher auf die ungebrannte Keramikfolie Bezug genommen, wobei dem Fachmann klar ist, dass auch andere Materialgemische mit Stoffen unterschiedlicher Schwellintensität, welche zur Laserbearbeitung geeignet sind, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet bzw. strukturiert werden können.The multi-material composite system to be processed is preferably an unfired ceramic film. In the following description, reference is therefore made to the unfired ceramic film, it being clear to the person skilled in the art that other material mixtures with substances of different threshold intensity which are suitable for laser processing can also be processed or structured with the method according to the invention.
Während der Einwirkzeit eines Laserpulses werden die zu strukturierenden Materialien (Keramikfolien) schichtweise erwärmt, geschmolzen und verdampft.During the exposure time of a laser pulse, the materials to be structured (ceramic films) are heated in layers, melted and evaporated.
Erfindungsgemäß wird auf die zu strukturierende ungebrannte Keramikfolie vor dem Strukturierungsprozess eine Schutzschicht aufgebracht, wobei das Material, aus dem diese Schutzschicht besteht, die verwendeten Laserpulse zumindest teilweise reflektiert oder absorbiert. Die durch die Reflexions- und Absorptionseigenschaften der Schutzschicht bestimmte Schwellintensität ist auf die Laserstrahlung so abgestimmt, dass die Schutzschicht nur im Bereich der erhöhten Intensität des Laserstrahls verdampft werden kann und in den Randbereichen die darunter liegende Keramikfolie schützt. Diese Abstimmung zwischen Schutzschicht und Laserstrahlung lässt sich so präzise vornehmen, dass der Bereich der erhöhten Intensität kleiner als der Brennfleck eines fokussierten Laserstrahls ist. Üblicherweise ist der Intensitätsverlauf im Strahlquerschnitt an eine gaußsche Verteilung oder eine vergleichbare nicht-lineare Verteilung angenähert, so dass im Zentrum des Strahlquerschnitts eine deutlich höhere Energieintensität als an den Randbereichen vorherrscht.According to the invention, a protective layer is applied to the unfired ceramic sheet to be patterned before the patterning process, wherein the material comprising this protective layer at least partially reflects or absorbs the laser pulses used. The threshold intensity determined by the reflection and absorption properties of the protective layer is matched to the laser radiation so that the protective layer can be vaporized only in the region of the increased intensity of the laser beam and protects the underlying ceramic film in the edge regions. This coordination between protective layer and laser radiation can be carried out so precisely that the region of increased intensity is smaller than the focal spot of a focused laser beam. Usually, the intensity profile in the beam cross-section approximates to a Gaussian distribution or a comparable non-linear distribution, so that in the Center of the beam cross-section a significantly higher energy intensity prevails than at the edge regions.
Als Materialien für die Schutzschicht eignen sich solche, bei denen die Schwelle für den Materialabtrag relativ deutlich ausgeprägt ist. Das heißt, dass bis zum Erreichen einer Schwellintensität die Laserleistung von der Schutzschicht weitgehend reflektiert wird, während die Schutzschicht beim Erreichen der Schwellintensität verdampft. Sobald die Schutzschicht verdampft ist, kann auch das darunter liegende Material abgetragen werden. Vorteilhafterweise liegt die Schwellintensität des Schutzschicht im Bereich der Intensität des Laserstrahl im Fokus und oberhalb der niedrigsten Schwellintensität der unter der Schutzschicht liegenden Materialbestandteile der Keramikfolie.Suitable materials for the protective layer are those in which the threshold for material removal is relatively pronounced. This means that until a threshold intensity is reached, the laser power is largely reflected by the protective layer, while the protective layer evaporates when the threshold intensity is reached. Once the protective layer has evaporated, the underlying material can also be removed. Advantageously, the threshold intensity of the protective layer is in the range of the intensity of the laser beam in focus and above the lowest threshold intensity of the underlying under the protective layer material components of the ceramic film.
Aufgrund der Auswahl des Materials der Schutzschicht wird also quasi eine weitere Fokussierung des Lasers erreicht, da die Schutzschicht die Laserenergie erst ab dieser Schwellintensität zum zu strukturierenden Material durchlässt, wobei dann alle Materialbestandteile nur in dem von der Schutzschicht freigegebenen Bereich verdampfen.As a result of the selection of the material of the protective layer, a further focusing of the laser is virtually achieved, since the protective layer only transmits the laser energy from this threshold intensity to the material to be structured, in which case all material constituents evaporate only in the region released by the protective layer.
Es ist insbesondere möglich, die Leistungsdichte des verwendeten Lasers so auf die Schwellintensität der Schutzschicht abzustimmen, dass nur im Zentrum des Strahls ein Abtrag der Schutzschicht und des darunter liegenden Materials erfolgt, während an der Peripherie des Strahls die auf die Schutzschicht auftreffende Energie reflektiert wird, somit die Schutzschicht und das darunter liegende Material unversehrt bleiben. Die Schutzschicht bewirkt also, dass die Randbezirke der Bearbeitungszonen auf der ungebrannten Keramikfolie abgedeckt und somit vor der ungewollten Einwirkung der Laserpulsenergie außerhalb des Fokus (gaußförmige Verteilung der Laserenergie im fokussierten Laserstrahl) geschützt sind. Der Querschnitt der auf die ungebrannten Keramikfolien einwirkenden fokussierten Laserenergie wird somit durch die Schutzschicht eingeschränkt, wodurch die Bohr- oder Schnittqualität erhöht und die Bohrlochdurchmesser oder die Schnittbreiten reduziert werden.In particular, it is possible to match the power density of the laser used to the threshold intensity of the protective layer such that the protective layer and the underlying material are removed only in the center of the beam, while the energy impinging on the protective layer is reflected at the periphery of the beam, Thus, the protective layer and the underlying material remain intact. The protective layer thus has the effect that the peripheral areas of the processing zones are covered on the unfired ceramic film and thus protected from the unwanted influence of the laser pulse energy outside the focus (Gaussian distribution of the laser energy in the focused laser beam). The cross-section of the focused laser energy applied to the green ceramic sheets is thus restricted by the protective layer, thereby increasing the quality of drilling or cutting and reducing the diameter of the holes or cutting widths.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden für die Schutzschicht Metalle in Form von Folien oder aufgedampften Schichten verwendet. Beispielsweise kommen dafür Aluminium oder Kupfer in Frage. Auch metallhaltige Pasten (z.B. Silber) eignen sich für die Verwendung als erfindungsgemäße Schutzschicht .In a preferred embodiment, metals in the form of films or vapor-deposited layers are used for the protective layer. For example, for aluminum or copper in question. Also, metal-containing pastes (e.g., silver) are suitable for use as the protective layer of the present invention.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Schutzschicht nach der Mikrostrukturierung der ungebrannten Keramikfolie mit einem fokussierten UV-Laser auf der Keramikfolie belassen. In diesem Fall kann die z.B. siebgedruckte metallhaltige Schutzschicht als leitende Verbindung (z.B. Masseebene) dienen und mit handelsüblichen Dickschichtleitpasten hergestellt werden.According to an advantageous embodiment, after the microstructuring of the green ceramic sheet with a focused UV laser, the protective layer is left on the ceramic sheet. In this case, the e.g. Screen-printed metal-containing protective layer serve as a conductive compound (e.g., ground plane) and are prepared with commercially available thick-film conductive pastes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Schutzschicht auch eine metallisierte Kunststofffolie sein, welche bereits im Herstellungsprozess der Keramikfolie aufgebracht wird. Bei der Herstellung werden Keramikfolien in bekannter Weise auf ein so genanntes Backing (Träger) aus einer Polyestherfolie (Mylar) gegossen, welche später im technologischen Prozess entfernt wird. Vorteilhafterweise wird diese Mylarschicht gleichzeitig als Schutzschicht verwendet, wozu sie in der beschriebenen Weise metallisiert wird. Nach der Mikrostrukturierung kann die Mylarschicht dann entfernt werden, wodurch auch die während der Strukturierung eingetretenen Randverunreinigungen beseitigt werden, ohne dass ein separater Reinigungsschritt erforderlich wird.In a further preferred embodiment, the protective layer can also be a metallized plastic film, which is already applied in the production process of the ceramic film. In the production of ceramic films are cast in a known manner on a so-called backing (carrier) of a polyester film (Mylar), which is later removed in the technological process. advantageously, For example, this mylar layer is used simultaneously as a protective layer, for which purpose it is metallized in the manner described. After microstructuring, the mylar layer may then be removed, thereby also eliminating the edge contaminants that occurred during patterning, without requiring a separate cleaning step.
Nachfolgend wir eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals schrittweise dargestellt.In the following, an embodiment of the method according to the invention will be shown again step by step.
Im Vorfeld wird eine ungebrannte Keramikfolie als Mehrstoffverbundsystem nach den an sich bekannten Methoden bereitgestellt.In advance, an unfired ceramic film is provided as a multi-material composite system according to the methods known per se.
Die Schutzschicht wird durch geeignete Verfahren, wie z.B. Laminieren, Siebdruck oder Aufdampfen bzw. -sputtern auf die ungebrannten Keramikfolien aufgebracht. Dies kann unmittelbar vor der Strukturierung erfolgen oder bereits in den Herstel- lungsprozess der Keramikfolien integriert sein.The protective layer is removed by suitable methods, e.g. Laminating, screen printing or vapor deposition or sputtering applied to the unfired ceramic films. This can take place immediately before structuring or may already be integrated in the production process of the ceramic films.
Die Schutzschicht kann zunächst unstrukturiert bleiben, wobei in diesem Fall im nachfolgenden Strukturierungsschritt die Schutzschicht und die Keramikfolie vom Laser zeitgleich durchbohrt oder durchschnitten werden.The protective layer may initially remain unstructured, in which case the protective layer and the ceramic film are simultaneously pierced or cut by the laser in the subsequent structuring step.
Alternativ dazu kann die Schutzschicht aber auch vor oder nach dem Aufbringen auf die Keramikfolie mittels geeigneter Verfahren (Laserschneiden, Fotolithografie) strukturiert werden.Alternatively, the protective layer can also be patterned before or after application to the ceramic film by means of suitable methods (laser cutting, photolithography).
Es schließt sich dann die eigentliche Mikrostrukturierung der Keramikfolie mittels Laserstrahlung an. In dieser Phase kommt es durch die Abstimmung der Laserstrahlungsintensität im Fokus auf die Schwellintensität der Schutzschicht zu einer teilweisen Verdampfung der Schutzschicht und zur Strukturierung der dadurch frei gegebenen Bereiche der ungebrannten Keramikfolie .This is followed by the actual microstructuring of the ceramic film by means of laser radiation. In this phase, it comes through the vote of the laser radiation intensity in Focus on the threshold intensity of the protective layer to a partial evaporation of the protective layer and to structure the thereby released areas of the green ceramic sheet.
Nachdem die Mikrostrukturierung der ungebrannten Keramikfolie mit dem fokussierten Laser abgeschlossen ist, kann die Schutzschicht mechanisch, thermisch oder unter Einsatz geeigneter Chemikalien von der Keramikfolie entfernt werden.After the microstructuring of the unfired ceramic foil with the focused laser is completed, the protective layer can be removed mechanically, thermally or using suitable chemicals from the ceramic foil.
Dies hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da hiermit auch Verunreinigungen in Form von Niederschlägen des verdampften Materials in der Nähe des Schnittes mit entfernt werden. In abgewandelten Anwendungen können die nicht verdampften Abschnitte der Schutzschicht aber auch auf der Keramikfolie belassen werden.This has proven to be particularly advantageous, as it also impurities in the form of precipitates of the vaporized material in the vicinity of the cut are removed. In modified applications, however, the unevaporated sections of the protective layer can also be left on the ceramic foil.
Das Verfahren wurde für die Verwendung eine gepulsten fokussierten Lasers im UV-Bereich beschrieben, jedoch sind andere Wellenlängen, in denen fokussierten Laser arbeiten, in das erfindungsgemäße Verfahren ausdrücklich eingeschlossen. The method has been described for the use of a pulsed focused laser in the UV range, but other wavelengths in which focused lasers operate are explicitly included in the method of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Mikrostrukturierung eines Materials, bei dem mit einem Laserstrahl, der in seinem Strahlquerschnitt einen Bereich mit erhöhter Intensität aufweist, in einem Strukturierungsschritt ein Materialabtrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strukturierungsschritt eine Schutzschicht auf die zu strukturierende Oberfläche aufgebracht wird, wobei die durch die Reflexions- und Absorptionseigenschaften bestimmte Schwellintensität dieser Schutzschicht so auf die Laserstrahlung abgestimmt ist, dass die Schutzschicht innerhalb einer vorbestimmten Bestrahlungsperiode nur im Bereich der erhöhten Intensität verdampft, um die darunter liegende Materialoberfläche für die Strukturierung freizugeben.1. A method for microstructuring a material, wherein in a laser beam, which has a region of increased intensity in its beam cross section, takes place in a patterning step, a material removal, characterized in that before the patterning step, a protective layer is applied to the surface to be structured, wherein the threshold intensity determined by the reflection and absorption properties of this protective layer is matched to the laser radiation such that the protective layer evaporates within a predetermined irradiation period only in the region of increased intensity in order to release the underlying material surface for structuring.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellintensität der Schutzschicht höher als die Schwellintensität des unter der Schutzschicht liegenden Materials ist, so dass dieses zu strukturierende Material vom Laserstrahl abgetragen wird, sobald die Schutzschicht verdampft .2. The method according to claim 1, characterized in that the threshold intensity of the protective layer is higher than the threshold intensity of the underlying material under the protective layer, so that this material to be structured is removed by the laser beam as soon as the protective layer evaporates.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einem fokussierten und gepulsten Laserstrahl im Bereich der ultravioletten Strahlung erfolgt .3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the structuring takes place with a focused and pulsed laser beam in the ultraviolet radiation.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch Laminieren, Siebdruck, Aufdampfen oder Aufsputtern auf das zu strukturierende Material aufgebracht wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the protective layer is applied by laminating, screen printing, vapor deposition or sputtering on the material to be structured.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu strukturierende Material als Mehrschichtverbundsystem, insbesondere als ungebrannte Keramikfolie erzeugt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the material to be structured is produced as a multi-layer composite system, in particular as a green ceramic sheet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine ungebrannte Keramikfolie auf eine als Träger fungierende Kunststofffolie aufgebracht wird, welche gleichzeitig den Träger für die Schutzsicht bildet.6. The method according to claim 5, characterized in that an unfired ceramic film is applied to a plastic film acting as a carrier, which simultaneously forms the carrier for the protective view.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallhaltige Schutzschicht, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Silberpaste aufgebracht wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a metal-containing protective layer, in particular of aluminum, copper or silver paste is applied.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht vor oder nach dem Aufbringen auf das zu strukturierende Material selbst mikrostrukturiert wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the protective layer is microstructured before or after the application to the material to be structured itself.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht nach dem Struktu- rierungsschritt von dem zu strukturierenden Material entfernt wird oder dauerhaft auf den nicht strukturierten Oberflächenabschnitten des Materials verbleibt. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the protective layer after the structuring step from the material to be structured is removed or remains permanently on the non-structured surface portions of the material.
PCT/EP2006/060773 2005-03-23 2006-03-15 Method for laser microstructuring a material using a protective layer with a threshold intensity defined by reflection and absorption characteristics WO2006100202A1 (en)

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