用於在聚合物基底上產生溝狀結構的方法

2023-05-31 23:00:46

專利名稱：用於在聚合物基底上產生溝狀結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在一個聚合物基底表面上利用一個給定波長的雷射通過輻射來產生溝狀結構的方法。
由WO 00/16443已知一種在印製電路板上產生孔結構和溝狀結構的方法，其中這種溝狀結構例如可以用於在印製電路板上形成屏蔽的線路結構。在那裡提到，作為用於在一個印製電路板上產生這種溝的方法除了等離子腐蝕以外一般也使用雷射。
但是在使用雷射輻射去除聚合物材料時存在一個源自該實事的問題在雷射輻射內部的能量分布不是均勻的，而是產生一個高斯分布。這意味著，在雷射輻射的邊緣區域對基底發出的能量密度比在其中心區發出的能量密度低。其後果是，例如在加工一個溝狀結構時不能以所期望的陡度產生溝的側面。對於基底產生一個附加的問題，其中聚合物材料通過玻璃纖維或類似物質進行強化，其中去除這些強化材料比去除聚合物材料本身需要更高的能量密度。這導致在這樣加工的溝邊緣區域中玻璃纖維只部分地熔化，但是沒有被去除並以滴狀或球形粘附在側壁上。因為這種玻璃球不能經濟地機械地去除或通過化學腐蝕地去除，這產生一個嚴重的問題，因為它們幹擾溝壁的表面並妨礙接著的塗敷。
因此本發明的目的是，提供一種方法，通過該方法能夠在聚合物基底、尤其是在這種用玻璃纖維加強的聚合物基底中實現一個具有乾淨側壁和一個可接受的陡度的溝狀結構。
按照本發明這一點通過下面的工藝步驟實現-在基底表面上設置一種由反射雷射輻射的材料製成的正形掩膜，該掩膜具有對應於要產生的溝狀結構的凹槽，-然後將雷射輻射導引穿過掩膜的凹槽，其中雷射輻射至少一次分別如此重疊地導引穿過每個凹槽的邊界稜邊，使得在聚合物表面上產生的雷射輻射分量的雷射密度在每個點上位於一個可以完全去除基底材料的閾值之上。
對於按照本發明的方法，藉助於一個正形掩膜分別在要產生溝的邊緣處切去通過掩膜反射的雷射輻射的那個本來就不足以完全去除基底材料的分量。
本發明可以特別有利地用於在一個用玻璃纖維強化的基底上產生溝狀結構，其中通過掩膜屏蔽雷射輻射的那個邊緣區域該部位位於要蒸發玻璃纖維材料所需的能量閾值以下，該閾值例如根據材料對於峰值功率密度達到約1-10MW/cm2，最好是6-7MW/cm2。
為了產生溝狀結構最好使用雷射，其波長在最好由銅或銅合金製成的掩膜層上強烈反射。在這種情況下雷射輻射可以直接聚焦在基底表面上。最好使用波長為9μm至11μm的雷射，尤其是一個品質轉換的CO2雷射(guetegeschalter CO2Laser)，其脈衝頻率為10至200kHz、最好是接近100kHz，而脈衝寬度為50至500ns、最好接近150ns。但是也可以使用高頻激勵的(RF excited)脈衝化的CO2雷射，其脈衝頻率在1至15kHz之間、最好是3至5kHz之間，而脈衝寬度在1至20μs之間、最好在3至5μs之間。
在另一優選的改進方案中也可以使用TEA-CO2雷射(橫向激勵大氣雷射Transversly Excited Atmospheric Laser)，其脈衝頻率在1至15kHz之間，而脈衝寬度在50至100ns之間、最好約70ns。
代替CO2雷射也可以使用其它雷射。甚至也可以使用一個紫外輻射雷射(UV-Laser)，如果這樣一種雷射具有足夠的功率和可接受的工作速度供使用的話。但是因為這種紫外輻射雷射例如只能被銅製掩膜層較少地反射，因此它不能直接聚焦在掩膜或基底表面的平面上。
對於本發明所使用的掩膜是一個塗覆到基底表面上的金屬層，它如所述那樣最好由銅或銅合金製成。這個金屬層可以通過化學或電鍍沉積到基底表面上地構成，其中凹槽藉助於化學腐蝕工藝或機械分離工藝局部去除這個金屬層而產生。
在特別有利的改進方案中所述掩膜也通過金屬層結構化藉助於雷射形成，其中為此使用另一種與在基底上產生溝狀結構不同的雷射。因此在此最好使用一種雷射，其波長被掩膜材料良好地吸收；為此考慮一種雷射，其波長在250至1100nm之間，例如一個波長為266或355nm的紫外輻射雷射。在此可以是一個通過二極體或通過閃光燈泵浦的固體雷射，它具有鄰接的頻率倍增器，該雷射以高於1kHz直至200kHz的脈衝頻率和1ns至200ns、最好在10至60ns之間的脈衝寬度工作。
根據基底中要產生的溝的寬度並取決於雷射輻射的光斑寬度可以利用雷射在掩膜凹槽上的一個唯一行程產生溝狀結構，或者使雷射以多個相鄰的軌跡導引穿過掩膜凹槽。這些雷射加工軌跡可以在溝的縱向方向上延伸，或者也可以橫向於溝的線性膨脹部位蜿蜒地導引。
通過按照本發明使用掩膜此外還可以實現被去除溝的深度與寬度的不同比例。通常1∶1(深＝寬)的比例(縱橫比)是有意義的，但是也可以實現其它的比例，例如1∶3或更大，或者3∶1或更大，其中也可以實現一個較寬而較淺的或者一個較窄而較深的溝。
下面藉助於附圖的實施例詳細描述本發明。附圖示出

圖1一種雷射輻射的能量分布和該雷射輻射對在一個基底上所要產生的溝的作用的簡圖，圖2按照本發明方法的一個雷射輻射的能量分布和該能量分布對在一個基底上的溝狀結構的作用，圖3、4和5按照本發明產生一個掩膜和一個溝狀結構的相互銜接的工藝狀態，圖6以多次行程相鄰導引的、用於產生一個比圖2所示更寬的溝的雷射輻射的能量分布，圖7一個雷射輻射在多次縱向軌跡中導引的簡圖，圖8一個雷射輻射在一個蜿蜒軌跡中導引的簡圖。
圖1示出一種雷射輻射的能量密度FL的一般高斯分布。在此可以看出，能量密度只在一個閾值FG以上才足以蒸發例如玻璃纖維。因此在一個配有一個位於底面上的金屬層2的基底1中進行對於玻璃纖維強化的基底材料的完全蒸發，為的是只在一個寬度為D的中心區4內部形成一個溝3，在該中心區所述能量密度在一個閾值FG以上。在側面區域5中能量密度不足以完全蒸發玻璃纖維材料。因此出現一個平緩的溝邊緣7，在該邊緣上形成且粘附玻璃球8(在附圖中超大示出)。
圖2示出按照本發明的用於解決上述問題的方案。在基底1上設置一個由銅或銅合金製成的掩膜層10，它具有一個在對應於所期望的溝3的尺寸上的凹槽11。在這種情況下所述溝寬、或者說凹槽11的寬度等於能量分布FL中心區4的寬度D。通過掩膜10保證只有位於閾值FG以上的雷射能量分量才能到達基底，並在所期望的溝處也完全去除包括玻璃纖維強化物在內的基底。
在圖3至5中示出通過兩種不同的雷射在產生一個掩膜並接著產生一個溝狀結構時的工藝過程。玻璃纖維強化的基底1在其底面上具有所述金屬層2，而在其頂面上具有一個金屬層12，其中應該由金屬層12構成掩膜10。為此利用一個由於其波長而被金屬層良好地吸收的雷射輻射13產生一個對應於在該基底中所期望的溝狀結構的凹槽14。該雷射輻射在這種情況下最好是一個波長例如為355nm的紫外輻射-雷射輻射。這樣產生的凹槽14在圖4中示出。
然後利用一個雷射輻射15、最好是9250nm的CO2雷射輻射如此來產生所期望的溝狀結構該雷射輻射15穿過凹槽14對準基底1，直到產生溝16(見圖5)。如上所述，在此必需根據要產生的溝16的寬度和所使用的雷射輻射的光斑寬度、使雷射輻射一次或多次穿過凹槽14移動。在此重要的是，所述雷射輻射15至少要一次如此靠近地沿著凹槽14的邊緣導引，使雷射輻射的那個有效能量密度不足以完全去除玻璃纖維強化的基底材料的邊緣範圍被掩膜10反射。只有這樣才能保證溝16產生乾淨的、無玻璃球的、具有可接受斜度的側壁。
如上所述，為了產生比雷射輻射光斑寬度更寬的溝就要求在相鄰的軌跡中多次地輻射基底。圖6示出例如三個相鄰的雷射輻射軌跡在具有一個掩膜20的基底1上的能量分布的疊加，該掩膜具有一個相對較寬的凹槽21，因此產生一個相應寬度的溝22。分別具有相同能量分布F1L，F2L，F3L的相鄰雷射輻射軌跡起到使一個位於閾值FG以上的能量密度作用於要產生的溝的每個點上的作用。
按照圖7，所述不同的雷射輻射軌跡、例如23、24和25可以在掩膜-凹槽21的縱向上移動。但是也可以使一個蜿蜒移動的軌跡26按照圖8在凹槽21的邊緣之間往復導引。
權利要求
1.用於在一個聚合物—基底(1)的表面中通過以一個給定波長的雷射的輻射來產生一個溝狀結構的方法，該方法具有下列步驟—在基底(1)的表面上設置一個由一種對於雷射輻射進行反射的材料所製成的正形掩膜(10；20)，該掩膜具有對應於要產生的溝狀結構(3；16；22)的凹槽(11；21)，—然後將雷射輻射(15)導引穿過掩膜(10；20)的凹槽，其中雷射輻射至少分別有一次重疊地這樣導引穿過每個凹槽(11；14；21)的邊界稜邊，使得在聚合物表面上出現的雷射輻射(15)分量的能量密度在每個點上位於一個可以完全去除基底材料的閾值(FG)之上。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述基底由一種通過玻璃纖維強化了的聚合物材料製成。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，為了產生溝狀結構(3；16；22)使用一種波長在9至11μm之間的雷射、尤其是一種CO2雷射。
4.如權利要求3所述的方法，其中，使用一個品質轉換的CO2雷射，其波長在9μm至11μm之間，脈衝頻率為10至200kHz、最好是接近100kHz，而脈衝寬度為50至5000ns、最好接近150ns。
5.如權利要求3所述的方法，其中，使用一個高頻激勵的(RF激勵的)脈衝的CO2雷射，其波長在9μm至11μm之間，脈衝頻率在1至15kHz之間、最好是3至5kHz之間，而脈衝寬度在1至20μs之間、最好在3至5μs之間。
6.如權利要求3所述的方法，其中，使用一個TEA-CO2雷射(橫向激勵大氣雷射)，其波長在9μm至11μm之間，脈衝頻率在1至15kHz之間，而脈衝寬度在50至100ns之間、最好約70ns。
7.如權利要求3至6中任一項所述的方法，其中，所述雷射輻射在掩膜(10；20)的凹槽(11；14；21)中如此導引，使一個對應於脈衝峰值功率達到約1-10MW/cm2、最好是6-7MW/cm2的能量密度分別作用於凹槽內部中的每個點上。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，所述掩膜通過一個塗覆到基底(1)表面上的、最好是由銅或銅合金製成的金屬層(12)構成。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述金屬層(12)通過化學或電鍍沉積到基底(1)的表面上，其中凹槽(11；14；21)分別通過藉助於化學腐蝕工藝或機械分離工藝局部地去除所述金屬層而產生。
10.如權利要求8所述的方法，其中，在金屬層中的所述凹槽(11；14；21)通過使用另一雷射(13)的輻射而產生，其波長被掩膜(10)的材料良好地吸收，其波長最好在250至1100nm之間。
11.如權利要求10所述的方法，其中，使用一個通過二極體或通過閃光燈泵浦的紫外輻射雷射作為另一雷射，其脈衝頻率在1kHz以上，而脈衝寬度在1ns至200ns之間、最好在10ns至60ns之間。
12.如權利要求1至11中任一項所述的方法，其中，所述雷射輻射(15)為了產生溝狀結構在多個相鄰的且相互間這樣重疊的軌跡(23，24，25；26)中導引穿過凹槽，使有效的能量密度在凹槽處的每個點上位於閾值(FG)以上。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述雷射輻射在多個相鄰的軌跡(23，24，25)中在溝(3；16；22)的縱向上導引。
14.如權利要求12所述的方法，其中，所述雷射輻射在凹槽(21)的部位處分別蜿蜒地橫向於要產生的溝(22)的縱向進行導引。
全文摘要
為了在一個尤其由玻璃纖維強化的基底(1)中產生一個具有陡峭且無殘渣的側壁的溝狀結構，使所述基底配有一個正形掩膜(10)，該掩膜具有對應於要產生的溝狀結構(3)的凹槽。在此雷射輻射(15)如此穿過掩膜的凹槽進行導引，使得雷射輻射(F
文檔編號H05K3/00GK1650678SQ03809854
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月1日 優先權日2002年4月30日
發明者S·勒斯亞克, H·德施託伊爾, 潘偉 申請人:西門子公司