Inline-Prüfung mit optischen Verfahren „Nicht die Tiefe entscheidet, sondern das Material“

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Beim Microvia-Bohren erzeugt jeder Laserpuls ein kurzlebiges Plasma. Dessen Spektrum verrät, ob gerade Dielektrikum oder Kupfer abgetragen wird. RAPID-LIBS von Fraunhofer IPM nutzt diese Information, um den Bohrvorgang am Pad zu stoppen, anstatt auf eine feste Pulszahl zu setzen.

Microvias verbinden in HDI-Leiterplatten benachbarte Lagen miteinander. Gebohrt werden sie mit gepulsten Lasern, die das Dielektrikum Puls für Puls abtragen, bis das Kupfer-Pad darunter frei liegt. Wann das erreicht ist, erkennt der Laser selbst nicht. Üblich ist deshalb eine feste Pulszahl, die auf die dickste Stelle der Isolierschicht ausgelegt ist.

Fraunhofer IPM geht mit RAPID-LIBS einen anderen Weg, was für laserinduzierte Plasmaspektroskopie steht. Jeder Laserpuls erzeugt ein kurzlebiges Plasma, und dessen Licht verrät, welches Material gerade abgetragen wird. Taucht Kupfer im Spektrum auf, meldet das System dies an die Lasersteuerung. Carl Basler, Projektmanager am Fraunhofer IPM, erklärt, wie das Verfahren funktioniert.

Herr Basler, RAPID-LIBS soll beim Laserbohren erkennen, wann der Laser das Kupfer-Pad erreicht. Was genau misst das System?

LIBS steht für laserinduzierte Plasmaspektroskopie. Das Material, das ins Plasma übergeht, hat ein charakteristisches Spektrum und lässt sich dadurch eindeutig zuordnen. Wir messen einzelne Linien dieses Spektrums und können so bestimmen, ob Kupfer oder FR4 im Plasma vorhanden ist.

Wie viel Zeit vergeht zwischen dem Erreichen des Kupfers und dem Stopp des Lasers? Wie viele Pulse treffen im ungünstigsten Fall noch auf das Pad?

Die Auswertung ist im Wesentlichen durch die Lebensdauer des Plasmas begrenzt, typischerweise 100 ns. Unser System ist auf Pulsraten bis 2 MHz ausgelegt. Das Signal liegt also vor dem nächsten Puls vor, und es trifft kein einziger Puls zu viel auf das Material.

Leiterplatten unterscheiden sich im Dielektrikum, im Glasfaseranteil und in der Schichtdicke. Wo stößt das Verfahren an Grenzen?

Dielektrikum, Glasfaseranteil und Schichtdicke sind unkritisch, weil wir nicht die Tiefe messen, sondern das Material. Grenzfälle gibt es zwei. Am Übergang sind oft beide Materialien gleichzeitig im Plasma, teils über mehrere Pulse hinweg. Hier legt der Anwender fest, wie weit der Abtrag gehen soll. Außerdem trägt man bei flächigem Abtrag an den Kraterwänden immer mehrere Schichten gleichzeitig ab. Diese Pulse lassen sich nicht zuordnen. Sicherstellen lässt sich aber, dass der Bohrgrund in der Mitte des Vias vollständig freigelegt ist.

Was bringt die Regelung im Vergleich zum Bohren mit fester Pulszahl?

Das hängt stark von der Anwendung ab, denn die Hersteller nennen ihren Sicherheitszuschlag nicht. Das Überbohren entfällt komplett. Wichtiger sind oft andere Effekte: Die Ablationsrate muss beim Einrichten nicht mehr unter dem Mikroskop bestimmt werden, der Ausschuss in der Funktionsprüfung sinkt, und der Kunde erhält eine lückenlose Prozessdokumentation. Diese Vorteile überwiegen oft die Einsparung beim Sicherheitszuschlag.

Profitieren auch Entwickler, die Leiterplatten entwerfen, von einem geregelten Bohrprozess?

Ja. Überall, wo zwingend mit Ultrakurzpulslasern gebohrt werden muss, etwa bei sehr kleinen Löchern, profitiert man von einer Regelung. Heute sind Schichtdickenschwankungen von mehr als 10 Prozent üblich, und die Pulszahl muss auf die dickste Stelle ausgelegt werden. Mit Regelung lassen sich größere Schwankungen tolerieren, und das Pad wird weniger belastet. (heh)

Optische Prüfverfahren

Plasmasignal stoppt den Laser am Kupfer-Pad

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