Laser: perfekte Dünnbrettbohrer!
Laserstrukturierte Leiterplatten auf Dünnglasbasis bieten eine erhöhte Funktionssicherheit für die Luft- und Raumfahrttechnik.
In der Leiterplattenherstellung sind Polymere als elektrisch isolierende Basismaterialien etabliert. Doch die häufig verwendeten Epoxidharzglasfasergewebe und Polyamide stoßen bei fortschreitender Miniaturisierung und extremer Beanspruchung der Platinen an ihre Leistungsgrenzen. Insbesondere hohe Temperaturen führen dazu, dass sich die Kunststoffe verformen und Risse bilden. In Hochtemperaturbereichen über 250 °C könnte Dünnglas jetzt die herkömmlichen Polymere als Basismaterial in den Platinen ersetzen, da es eine hohe chemische Beständigkeit sowie einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Ein interessantes Anwendungsfeld der neuen Dünnglas-Leiterplatten liegt in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Abb.: Beispiel einer Laserstrukturierung von metallbeschichtetem Dünnglas. (Bild: LZH)
Das Laser Zentrum Hannover entwickelt im Rahmen des Projektes „GlasPCB“ die Fertigungsprozesse für Mehrlagen-Leiterplatten auf Basis von Dünnglas mit 145 µm Dicke. Der Trend zu Miniaturisierung und erhöhter Prozessgeschwindigkeit in der PCB-Industrie stellt hier eine besondere Herausforderung an den Fertigungsprozess dar. Die Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung von zwei verschiedenen Laserprozessen für die Bearbeitung der speziellen Materialien. Sie setzen den Laser einerseits zum Strukturieren der Metallschichten ein und erzeugen entsprechend einem vorgegebenen Platinen-Layout Leiterbahnen. Dabei trägt der Laser die überschüssige Metallschicht vom Dünnglas ab. Die Vorteile der Laserbearbeitung zeigen sich hier besonders in einer Ablation mit extrem feinen Strukturauflösungen ohne Schädigung des empfindlichen Materials.
Anderseits dient der Laser zur Erzeugung der Bohrungen (Vias), die es ermöglichen, Verbindungen zwischen den verschiedenen Leiterplattenebenen herzustellen oder konventionelle Bauteile zu verknüpfen. Dazu werden am LZH geeignete Laserparameter ermittelt, die das Material ohne thermische Schädigung vollständig durchbohren sowie eine hohe Qualität der Bohrungen bei kleiner Prozesszeit erzielen. Für ein optimales Ergebnis werden mehrere parallele Schnittpfade durch den Glasverbund geführt. Die von der Materialdicke und dem Platinenlayout abhängige Prozesszeit beträgt derzeit für die Bohrung eines Microvias von 0,2 mm Durchmesser durch 170 µm dickes Material zirka zwei Sekunden – Tendenz sinkend.
Vergleichende Untersuchungen des Projektpartners TU Berlin zeigen zudem, dass das neue Materialsystem auf Dünnglasbasis einen Lasereinsatz für die Herstellung der Vias erfordert, da hier das derzeit übliche mechanische Bohren unerwünschte Mikrorisse erzeugt.
Insgesamt sind am Kooperationsprojekt „GlasPCB – Entwicklung einer Mehrlagenleiterplatte auf Dünnglasbasis“ drei wissenschaftliche Einrichtungen und vier Unternehmen beteiligt.
LZH / AH
