Vortrag Hagen - Swissphotonics

Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“
Laserstrukturierung grünkeramischer Folien der Hybridtechnik
Dr. Gunter Hagen
Dr
Gunter Hagen
KMS Technology Center GmbH
Dresden / Germany
G. Hagen #1
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Gliederung
1) Einführung
Vorstellung des Unternehmens
Vorstellung
des Unternehmens
Motivation zur Teilnahme am Workshop
Vorstellung der keramischen Hybridtechnik 2) St kt i
2) Strukturierung grünkeramischer Folien
ü k
i h F li
Anforderungen, Verfahren
Eignung verschiedener Laser
g
g
ausgewählte Aspekte der Laserbearbeitung grünkeramischer Folien
Bearbeitung grünkeramischer Folien mit Ultrakurzpulslasern
3) Zusammenfassung Schlussfolgerungen Ausblick
3) Zusammenfassung, Schlussfolgerungen, Ausblick
G. Hagen #2
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
Vorstellung des Unternehmens
KMS Automation GmbH (Schramberg / Germany)
o mittelständisches Unternehmen, im Sondermaschinenbau tätig
itt l tä di h U t
h
i S d
hi
b täti
o Geschäftsfelder:
¾
¾
¾
¾
g
Maschinen und Ausrüstungen für die Elektronik‐Industrie
(hauptsächlich Hybridfertigung / LTCC)
Montageautomatisierung in der Automobilzulieferindustrie
Vorrichtungsbau
allgemeine Automatisierungstechnik
KMS Technology Center GmbH (Dresden / Germany)
KMS Technology Center GmbH (Dresden / Germany)
o Tochterunternehmen der KMS Automation GmbH
o Durchführung von Forschungs‐ und Entwicklungsprojekten
¾
¾
G. Hagen #3
technologische Weiterentwicklung
z.B. Verbesserung / Ausloten der Grenzen der Stanztechnik
z B Laserstrukturierung
z.B. Laserstrukturierung
Erschließung neuer Geschäftsfelder
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
Unternehmensgeschichte
bis 04/2008 …
„precision is not enough“
Schwäbisch Gmünd
G. Hagen #4
Bad Mergentheim-Apfelbach
high
g precision
p
customized
solid carbide tools
Schwäbisch Gmünd
micro-drills, routers
Zuhai City (China)
micro-drills
Lotzwil (CH)
Schwäbisch Gmünd
carbide sinter materials
Karlsruhe
ínspection
p
systems
y
Schramberg-Waldmössingen
special machines,
production automation
Dresden
research & development
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
keramische Hybridtechnik
Hybridtechnik:
• Kombination
Kombination von in Schichttechnik (Dickschicht, Dünnschicht) erzeugten Leiterbahnen mit von in Schichttechnik (Dickschicht Dünnschicht) erzeugten Leiterbahnen mit
diskreten oder integrierten Bauelementen auf einem meist keramischen Trägersubstrat
• Mehrebenenschaltungen (Multilayer) werden realisiert mit:
a) Mehrschichttechnik: ¾ gedruckte Schichten auf einem bereits gesinterten Träger
b) Mehrlagentechnik:
¾ Lagenaufbau aus Folien
ungesinterter („grüner“) Keramik, ¾ heutzutage meist:
Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC)
Low Temperature Cofired
Ceramics (LTCC)
Engine Control Unit (Bosch)
G. Hagen #5
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
keramische Hybridtechnik
Prozess Mehrlagenkeramik (LTCC)
„Grünfolienbearbeitung“
„Grünfolienbearbeitung
Tape Casting
→ Foil
A
Assembly
bl
Contour,
Vias, Cavities
Alignment holes
P tfi i P
Postfiring
Processes
Viafilling
Debindering
D
bi d i
Sintering
Screen printing of single layers
inspection
St ki
Stacking,
Lamination
Source: M. Luniak / TU Dresden IAVT
G. Hagen #6
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
keramische Hybridtechnik
Eigenschaften und Anwendung von Hybridbaugruppen:
• mechanisch und thermisch belastbar
) Elektronik für hohe Zuverlässigkeitsanforderungen und rauhe Umgebungsbedingungen
• gute Hochfrequenzeigenschaften
) Hoch‐
Hoch und Höchstfrequenzschaltungen
und Höchstfrequen schaltungen
¾ Baugruppen mit Anforderungen, die mit konventionellen Verdrahtungsträgern (PCB) nicht abgedeckt werden können
• Potential für die Integration weiterer Funktionen (Mikrosysteme)
aktive und passive
elektrische und
fluidische Bauelemente
dreidimensionale
Oberflächenstrukturen
Engine Control Unit (Bosch)
G. Hagen #7
miniaturized UMTS‐Multiplexer (Epcos)
vergrabene Funktionsschichten
vergrabene Kanalstrukturen
3D‐Mikrofluidiksystem (TU Dresden)
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Einführung
keramische Hybridtechnik
Beispiele keramischer Mikrosysteme in MLC (LTCC) ‐ Technologie:
• Sensoren
– Kraft / Beschleunigung, Beschleunigung
– Druck
Fraunhofer IKTS
• mikrofluidische Systeme
– chemische Analysesysteme, Mikroreaktoren
• Mikroenergiesysteme
– Mikrobrennstoffzellen
• miniaturisierte elektromechanische Systeme (MEMS)
z B in Kombination mit Piezokeramik
z.B. in Kombination mit Piezokeramik
¾ flexible Fertigungsverfahren benötigt
G. Hagen #8
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
TU Wien
Fraunhofer IKTS
Strukturierung grünkeramischer Folien
Anforderungen
Anforderungen an Verfahren zur Grünfolienbearbeitung:
1) derzeit
1)
derzeit
• Bohren von Löchern für Durchkontaktierungen (Vias)
– Durchmesser 100 … 150 µm → 80 µm → 50 … 60 µm ( → 30 µm)
– X.000 … X0.000 … >100.000 auf einem 8“ x 8“ Sheet
• Herstellung von Formen
– rechteckige Öffnungenfür
rechteckige Öffnungenfür die Chip
die Chip‐Integration
Integration
• Randbedingungen
– keine / minimale (thermische) Schädigung der Folie
– hohe Positionsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit
h h
k
d
d
b k
– hohe Produktivität
¾ Fokus auf dem Laserbohren (Perkussion)
Fokus auf dem Laserbohren (Perkussion)
2) zukünftig
• zunehmend auch komplexere Formen
– Kanalstrukturen, Kammern, …
– in Kombination mit elektrischen Schaltungen, d.h. Vias
G. Hagen #9
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strukturierung grünkeramischer Folien
Laserüberblick
¾ es existiert eine Vielfalt zur Strukturierung keramischer Grünfolien geeigneter Laser, „die Laserwelt wird artenreicher“ …
¾ kein Laser ist für alle Anforderungen gleichermaßen geeignet
gas laser
CO2-laser
λ = 10,6 µm
λ = 9,4 µm
excimer-laser
solid state laser
principle
rod
different laser active
materials (Nd, Yb, Tm)
fiber
disc
wavelength
different glasses, crystals
((YAG,, YLF,, YVO4)
λ = 1064 nm
λ = 532 nm
Trend towards
shorter wavelengths
λ = 355 nm
puls duration
ns (q
(q-switched)
switched)
ps, (fs) (mode locked)
G. Hagen #10
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Trend towards
ultra short pulses
Strukturierung grünkeramischer Folien
Eignung verschiedener Laser
Strahleintritt
CO2‐Laser
+ Laser traditionell für diesen Zweck eingesetzt
+ gute Absorption der Laserstrahlung + gute Absorption der Laserstrahlung
in Polymeren
+ hohe Leistung, Pulsenergie und
Bearbeitungsgeschwindigkeit
+ geeignet zum Bohren kleiner und größerer Bohrungen
(elektrische und thermische Vias)
(elektrische und thermische Vias)
+ sehr ökonomische Variante
‐ (minimale) Fokusgröße limitiert (
(80 … 100µm)
)
‐ Präzision limitiert
G. Hagen #11
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strahlaustritt
Strukturierung grünkeramischer Folien
Eignung verschiedener Laser
Strahleintritt
diodengepumpte Festkörperlaser
((gütegeschaltet, ns‐Pulse)
üt
h lt t
P l )
@ 1.064 nm + weit
+ weit verbreitete Laser
verbreitete Laser
(Materialbearbeitung, Markieren)
+ luftgekühlte Faserlaser z.B. sehr gut in Maschine zu integrieren
sehr gut in Maschine zu integrieren
+ ökonomisch
+ gute Strahlqualität
+ kleine Laserspots erzielbar
‐ schlechtere Bearbeitbarkeit von Polymeren und von Glas
(geringe Absorption)
‐ maximale Bohrungsgröße limitiert
G. Hagen #12
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strahlaustritt
Strukturierung grünkeramischer Folien
Eignung verschiedener Laser
Strahleintritt
diodengepumpte Festkörperlaser ((gütegeschaltet, ns‐Pulse)
üt
h lt t
P l )
frequenzkonvertiert
@ 355 nm / @ 532 nm
+ höhere Absorption in vielen Materialien *
+ kleinere Spots (10..20µm) + kleinere Spots (10 20µm) *
‐ geringere Leistung *
‐ Equipment kostenintensiver *
‐ noch immer hoher Wärmeeintrag **
‐ maximale Bohrungsgröße limitiert
* verglichen mit Grundwellenlänge
** abhängig von Bohrstrategie
G. Hagen #13
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strahlaustritt
Strukturierung grünkeramischer Folien
Eignung verschiedener Laser
Strahleintritt
diodengepumpte Festkörperlaser
((ps‐Pulse)
P l )
@ 1.030 nm + beste
beste bisher erzielte Qualität und bisher erzielte Qualität und
Reproduzierbarkeit (materialabhängig)
+ präziser Materialabtrag
+ präziser Materialabtrag
+ „nebenwirkungsarme“ Bearbeitung
(geringer Wärmeeintrag)
+ hohe Produktivität
h h P d ki iä
(250µJ @ 200 kHz = 50W verfügbar)
‐ Equipment kostenintensiv
‐ maximale Bohrungsgröße limitiert
G. Hagen #14
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strahlaustritt
Strukturierung grünkeramischer Folien
Aspekte der Laserbearbeitung
¾ der Materialabtrag bei der Laserbearbeitung resultiert aus der Wechselwirkung der absorbierten Laserstrahlung mit dem Material
Wechselwirkung der absorbierten Laserstrahlung mit dem Material • erzeugte Geometrie ist laser‐ und materialabhängig
g
Q
• Laserbohrungen haben einen konischen Querschnitt
• es treten Schwankungen in der Geometrie auf
• thermische Nebeneffekte sind nicht völlig zu vermeiden
Größe von Laserbohrungen
in Abhängigkeit von der Pulsenergie
70…110 Pulse @ 100 µJ
Größe von Laserbohrungen
in Abhängigkeit von der Pulsenergie
80 Pulse @ 100…250 µJ
Strahleintritt Keramikseite
Strahleintritt Keramikseite
115
80x 100µJ
µ
80x 150µJ
80x 200µJ
80x 250µJ
0
-50 -40 -30 -20 -10
G. Hagen #15
0
10
20
Bohrungsradius [µm]
30
40
50
Sheetdicke [µ
µm]
Sheetdicke [[µm]
115
70x 100µJ
80x 100µJ
90x 100µJ
100x 100µJ
110x 100µJ
0
-50
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
-40 -30
-20 -10
0
10
20
Bohrungsradius [µm ]
30
40
50
Strukturierung grünkeramischer Folien
Aspekte der Laserbearbeitung
mögliche Effekte: Abplatzungen an der Lochwandung
•
•
•
mit längeren Pulsen stärker
aber auch bei ps (materialabhängig)
vermutlich auf geringen tli h f
i
Materialzusammenhalt zurückzuführen
Yb:Faserlaser
G. Hagen #16
Yb:Faserlaser
ps-Laser
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strukturierung grünkeramischer Folien
Aspekte der Laserbearbeitung
Effekte: thermische Nebenwirkung, Glasperlenbildung im Bohrloch
•
in Randbereichen der Bohrung Energieeintrag unterhalb der Ablationsschwelle
der Ablationsschwelle
100µJ
µ
30 Pulse
60 Pulse
ps-Laser
120 Pulse
150 Pulse
180 Pulse
210 Pulse
240 Pulse
G. Hagen #17
CO2-Laser
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strukturierung grünkeramischer Folien
Aspekte der Laserbearbeitung
Effekte: Stufenbohrung
•
•
unterschiedliche Absorption / unterschiedlicher Materialabtrag führen zu stufenförmiger Bohrung in geschichtetem Materialverbund
in geschichtetem Materialverbund
prinzipiell bei allen Lasern zu beobachten
Yb:Faserlaser / Mylarseite
G. Hagen #18
ps-Laser / Mylarseite
ps-Laser / Keramikseite
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strukturierung grünkeramischer Folien
Einfluss der Pulsdauer
Pulsdauer Ù Wärmeeintrag in die Bohrungsumgebung •
kürzere Pulse bringen einen geringeren Wärmeeintrag und damit eine geringere thermische Schädigung der Bohrlochumgebung mit sich
Bohrlochumgebung mit sich
Pulslänge 100ns
Pulslänge 25ns
Pulslänge 5ps
Yb:Faserlaser / Austrittseite
Yb:Faserlaser / Austrittseite
ps-Laser (1030 nm) / Austrittseite
G. Hagen #19
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Strukturierung grünkeramischer Folien
Einfluss der Pulsdauer
Pulsdauer Ù Präzision der Bearbeitung (Rundheit von Laserbohrungen)
•
mit kürzeren Pulsen ausgeführte Bohrungen weisen eine bessere Rundheit und Uniformität auf (bei vergleichbarer Strahlqualität)
Pulslänge 100ns
G. Hagen #20
Pulslänge 25ns
Pulslänge 5ps
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Zusammenfassung, Schlussfolgerungen
o Laser werden zunehmend zur Strukturierung grünkeramischer Folien e geset t.
eingesetzt. o Die Laserauswahl wird bestimmt durch:
Ö die geforderte Qualität und Produktivität
g
Q
Ö wirtschaftliche Randbedingungen
o Die Nutzung von Ultrakurzpulslasern zur Materialbearbeitung bietet Vorteile hinsichtlich
Ö der Qualität (Präzision) der erzeugten Strukturen
Ö der minimierung unerwünschter thermischer Nebeneffekte
der minimierung unerwünschter thermischer Nebeneffekte
o Anforderungen an Ultrakurzpulslaser zur Materialbearbeitung in der keramischen Hybridtechnik
− für die geforderte Produktivität ausreichende Leistung bzw. Pulsenergie
− erforderliche Robustheit für industriellen Dauereinsatz (für ps‐Laser gegeben?)
(für ps‐Laser gegeben?)
− Wirtschaftlichkeit (insbesondere im Vergleich mit anderen Laservarianten)
G. Hagen #21
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008
Vi l D k fü Ih A f
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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k i !
G. Hagen #22
Workshop „Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen“ Burgdorf, 28.08.2008