Beim Bohren von Leiterplatten im Bereich der Elektronikferti- gung stellt die Form der gebohrten Löcher einen wichtigen Faktor für die Qualität der auf den Leiterplatten ausgebilde- ten elektronischen Baugruppen dar. Mit immer größeren zur Verfügung stehenden Laserleistungen können inzwischen für verschiedene Leiterplattenmaterialien die Löcher über sog.

Punchen gebohrt werden. Darunter versteht man das Bohren ei- nes Loches, wobei der Materialabtrag durch Laserstrahlpulse realisiert wird, die an ein und dieselbe Stelle auftreffen.

Um beim Punchen Löcher zu bohren, welche einen gegenüber dem minimalen Fokusdurchmesser größeren Lochdurchmesser aufwei- sen, kann nicht einfach nur die Fokusbreite des Laserstrahls vergrößert werden, da dies zur Folge hätte, dass die Flanken- steilheit des gebohrten Loches aufgrund der Gauß'schen Strah- lenform des Laserstrahls zu flach werden würde. Abgesehen da- von reicht in vielen Fällen die Laserleistung nicht aus, um bei einem vergrößerten Fokus eine Leistungsdichte zu reali- sieren, die über der Abtragungsschwelle vieler für Leiter- platten verwendeter Materialien liegt.

Gemäß dem Stand der Technik werden zur Verbesserung der Flan- kensteilheit der Bohrlöcher so genannte Strahlformungselemen- te eingesetzt, die in den Strahlengang des Laserstrahls ein- gebracht werden und den Laserstrahl so formen, dass auch bei größeren Fokusdurchmessern der auf die Leiterplatte auftref- fende Laserstrahl ein Profil mit steilen Flanken und einem möglichst flachen Plateau aufweist. In einem in der Praxis nicht erreichbaren Idealfall hätte das Profil der transversa- len Intensitätsverteilung nach dem Durchgang durch ein per- fektes Strahlformungselement die Form eines Rechtecks. In der Realität weist die transversale Intensitätsverteilung eines geformten Laserstrahls insbesondere ein welliges Plateau auf.

Figur 1 zeigt eine derartige transversale Intensitätsvertei- lung 100, welche in einem Koordinatensystem aufgetragen ist, bei dem auf der Abszisse der Abstand d vom Zentrum des ge- bohrten Loches und auf der Ordinate die Intensität I des ge- formten Laserstrahls aufgetragen ist. Der Kurvenverlauf und insbesondere das Plateau sind nicht symmetrisch zur Ordinate.

Beim Punchen, bei dem die Laserpulse immer auf die gleiche Stelle platziert werden, addiert sich somit die durch die Welligkeit der transversalen Intensitätsverteilung hervorge- rufene lokale Intensitätsverteilung und kann dadurch lokal zu stark unterschiedlichen Materialabtragungen führen. Dies wie- derum führt dazu, dass die Qualität der gebohrten Löcher im Vergleich zu der Qualität, die man mit einem perfekt geform- ten Laserstrahl erreichen würde, reduziert ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls anzugeben, bei dem sich die Welligkeit eines geformten Laserstrahls nicht in dem Materi- alabtrag wiederspiegelt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Laserbearbeitungsverfahren zu schaffen, bei dem das Verfahren zum Formen eines Laserstrahls in vor- teilhafter Weise eingesetzt wird.

Die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.

Gemäß der Erfindung wird ein erster Laserstrahl mit einer ersten transversalen Intensitätsverteilung auf ein Strahlfor- mungselement gerichtet, wodurch der erste Laserstrahl in ei- nen zweiten Laserstrahl mit einer zweiten transversalen In- tensitätsverteilung umgewandelt wird. Die zweite Intensitäts- verteilung weist eine Asymmetrie mit einer Vorzugsrichtung senkrecht zu der optischen Achse des Laserstrahls auf. Durch einen geeigneten Betrieb des Strahlformungselements kann er- reicht werden, dass sich die Vorzugsrichtung der zweiten In- tensitätsverteilung um die optische Achse des Laserstrahls dreht. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Materialabtrag mittels Punchen, bei dem eine Mehrzahl von La- serpulsen immer auf die gleiche Stelle gesetzt wird, die durch die nicht symmetrische Welligkeit eines geformten La- serstrahls hervorgerufene lokale Intensitätsverteilung durch eine Drehung einer asymmetrischen Intensitätsverteilung her- ausgemittelt werden kann. Als Strahlformungselement kann bei- spielsweise ein diffraktives oder auch ein refraktives opti- sches Element verwendet werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß der Erfindung jede In- tensitätsverteilung, die von einer rotationssymmetrischen In- tensitätsverteilung wie beispielsweise eine Gauß'schen Ver- teilung abweicht, zumindest eine Vorzugsrichtung aufweist.

Gemäß Anspruch 2 kann der erste Laserstrahl eine zu der opti- schen Achse des Laserstrahls symmetrische Intensitätsvertei- lung aufweisen. Damit eignet sich das erfindungsgemäße Ver- fahren für die Strahlformung von beliebigen Lasertypen, d. h. auch mit Lasertypen, die einen Laserstrahl mit einer symmet- rischen Mode, beispielsweise einer TEM°°-Mode emittieren.

Das Verfahren nach Anspruch 3 hat den Vorteil, dass die Strahlformung zu einer Reduzierung des Strahlquerschnitts ge- nutzt werden kann und somit auf vorteilhafte Weise zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führen kann, die gegebenenfalls über dem Schwellenwert für die Materialabtragung eines zu be- arbeitenden Materials liegt. Eine derartige Erhöhung der E- nergiedichte setzt voraus, dass während der Zeitdauer eines Laserpulses die Drehung der Vorzugsrichtung so klein ist, dass ein durch die Drehung erfolgtes Verschmieren der zweiten Intensitätsverteilung im Vergleich zu der effektiven Fläche der Intensitätsverteilung vernachlässigbar ist.

Das Verfahren nach Anspruch 4 hat den Vorteil, dass ein zeit- liches Mittel über eine Vielzahl von Laserpulsen stets eine optimale Glättung der gemittelten transversalen Intensitäts- verteilung bewirkt.

Das Verfahren nach Anspruch 5 hat den Vorteil, dass in dem Bereich der Materialabtragung die auf jedes Flächenelement auftreffende Laserenergie bereits im Vorfeld genau bestimmbar ist.

Das Verfahren nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass statische Strahlformungselemente verwendbar sind, welche vergleichswei- se einfach aufgebaut und zudem relativ billig sind.

Die Verwendung eines dynamischen Strahlformungssystems gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, dass sich eine mechanische Rota- tion des Strahlformungselements vermeiden lässt. Ein dynami- sches Strahlformungssystem ermöglicht ein selektives Umschal- ten der Struktur des Strahlformungselements, so dass im Prin- zip ein frei wählbarer Strahlquerschnitt mit einer frei wähl- baren lokalen Intensitätsverteilung mit einer frei wählbaren Schaltfrequenz erzeugt werden kann. Als dynamisch ansteuerba- res Strahlformungselement eignen sich beispielsweise Lichtmo- dulatoren auf LCD-Basis. Als dynamisch ansteuerbare Strahl- formungselemente eignen sich ferner insbesondere bei höheren Laserstrahlintensitäten sog. Membran-Spiegel, Spiegel-Arrays oder andere optisch adaptive Elemente. Die Verwendung eines dynamischen Strahlformungssystems hat den Vorteil, dass die transversale Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls durch eine entsprechende Ansteuerung des dynamischen Systems direkt beeinflusst werden kann, so dass im Prinzip jeder Puls eines ersten Laserstrahls individuell geformt werden kann.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 wird eine aus zwei Teilflä- chen zusammensetzte Querschnittsform für den zweiten Laser- strahls verwendet. Bevorzugt sind die beiden Teilflächen Dreiecke oder Kreissegmente und die Querschnittsform weist eine Punktsymmetrie auf.

Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 9, bei dem ein gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 geformter Laser- strahl auf ein zu bearbeitendes Objekt gerichtet wird.

Gemäß Anspruch 10 wird der Laserstrahl durch das Strahlfor- mungselement derart geformt, dass die Intensität des zweiten Laserstrahls größer ist als die Intensität des ersten Laser- strahls. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Form der Querschnittsfläche des Laserstrahls derart verändert wird, dass die Laserstrahlung, welche im ersten Laserstrahl durch Flächenelemente nahe der optischen Achse dringt in an- dere Flächenelemente gelenkt wird, die von der optischen Ach- se weiter beabstandet sind. Somit kann die Querschnittsfläche insgesamt durch die Strahlformung reduziert werden, wobei die maximale räumliche Ausdehnung der Querschnittfläche in einer Richtung auf Kosten einer Einschnürung in einer anderen, zu der einen Richtung winkligen oder bevorzugt senkrechten Rich- tung, vergrößert wird. Auch wenn die Leistungs-bzw. Energie- dichte des ungeformten Laserstrahls unterhalb einer Material- abtragungsschwelle liegt, kann somit die Leistungs-bzw. E- nergiedichte des geformten Laserstrahls über der Materialab- tragungsschwelle liegen. Auf diese Weise kann durch ein Dre- hen dieser zumindest teilweise asymmetrischen Querschnitts- fläche durch aufeinanderfolgende Laserpulse eine Fläche bear- beitet werden, die größer ist als die Fläche, die mit einem ungeformten Laserstrahl bearbeitet werden könnte. Somit kann auf vorteilhafte Weise bei vielen Anwendungsfällen auf eine Ablenkeinheit zum sukzessiven Lenken eines Laserstahls auf eine im Vergleich zu der Querschnittsfläche des ersten Laser- strahls größeren Bearbeitungsfläche verzichtet werden bzw. im Verlauf der Materialbearbeitung kann die Ablenkeinheit je- weils auf feste Positionen eingestellt werden. Als Strahlform für den zweiten Laserstrahl eignet sich beispielsweise eine längliche Rechteckform.

Beim Laserbohren gemäß Anspruch 11 kann die Erhöhung der ver- fügbaren Laserleistungsdichte bzw. Laserenergiedichte auf be- sonders vorteilhafte Weise zum Bohren von Löchern mittels Punchen eingesetzt werden. Dabei können Löcher gebohrt wer- den, welche einen Lochdurchmesser aufweisen, der größer ist als der maximale Lochdurchmesser, welcher aufgrund der be- grenzten Pulsenergie mit einem ungeformten Strahl gebohrt werden kann. Somit kann auf vorteilhafte Weise insbesondere beim Bohren von größeren Löchern auf die Methode des sog.

Trepanierens verzichtet werden, bei der die Löcher durch eine Aneinanderreihung von einer Vielzahl von Bohrpositionen, wel- che sich bevorzugt auf einer Kreisbahn befinden, gebohrt wer- den. Damit muss beim Bohren eines Loches die Ablenkeinheit nur noch so angesteuert werden, dass der Laserstrahl auf die Lochmitte positioniert wird und somit durch die Ablenkeinheit keine kleinen Kreise um das Zentrum des zu bohrenden Loches angefahren werden müssen. Dadurch kann die Ablenkung mittels der Ablenkeinheit hinsichtlich einer Sprungbewegung hin zu verschiedenen zu bohrenden Löchern unter Vermeidung einer zu- sätzlichen anzusteuernden Kreisbewegung optimiert werden.

Besonders vorteilhaft erweist sich, wenn das. Strahlprofil des zweiten Laserstrahls eine durch zwei Teilflächen, insbesonde- re zwei Dreiecke oder zwei Kreissegmente, gebildete symmetri- sche Form aufweist, wobei sich die beiden Teilflächen jeweils an einer Ecke berühren. Ein derartiges Strahlprofil wird dann, wenn eine Folge von Laserpulsen erzeugt wird, um die Symmetrieachse gedreht. Damit erreicht man eine durch die Ro- tationsgeschwindigkeit der Vorzugsrichtung und durch die Re- petitionsrate des Laserstrahls bestimmten räumlichen Abstand der gesetzten geformten Pulse. Die durch die zwei sich berüh- renden Teilflächen beschriebene Strahlform ermöglicht auch bei mehreren aufeinanderfolgenden Laserpulsen eine im Bereich des zu bohrenden Loches homogenen Energieeintrag, so dass ei- ne hohe Lochqualität gewährleistet werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er- geben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung ei- ner derzeit bevorzugten Ausführungsform.

Figur 1 zeigt eine mittels eines bekannten Strahlformungsele- ments erzeugte transversale Intensitätsverteilung, Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem dyna- misch ansteuerbaren Strahlformungselement und Figur 3A und 3B zeigen die Verwendung eines speziell geform- ten Laserstrahls zum Bohren von großen Löchern.

Die in Figur 2 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 200 um- fasst eine Laserlichtquelle 210, welche einen ersten Laser- strahl 211 aussendet. Der erste Laserstrahl 211, welcher ein gepulster Laserstrahl ist, weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein transversales Strahlprofil auf, wel- ches in guter Näherung durch eine Gaußsche Intensitätsver- teilung beschrieben werden kann. Der erste Laserstrahl 211 trifft auf ein Strahlformungselement 215, welches die trans- versale Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls 211 in eine geänderte transversale Intensitätsverteilung eines zwei- ten Laserstrahls 216 umwandelt. Die Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls 216 ist derart asymmetrisch, dass die Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls 216 eine Vor- zugsrichtung senkrecht zur optischen Achse des zweiten Laser- strahls 216 aufweist. Das Strahlformungselement 215 ist mit einer Steuereinrichtung 250 gekoppelt, mittels welcher das Strahlformungselement 215 derart ansteuerbar ist, dass die Vorzugsrichtung der Intensitätsverteilung des zweiten Laser- strahls 216 eine Drehbewegung um die optische Achse des zwei- ten Laserstrahls 216 ausführt. Um diese Drehbewegung bei Be- darf mit der Pulsfolge des von der Laserlichtquelle 210 aus- gesandten ersten Laserstrahls 211 zu synchronisieren, ist die Steuereinrichtung 250 außerdem mit der Laserlichtquelle 210 gekoppelt.

Der zweite Laserstrahl 216 trifft in eine Ablenkeinheit 220, wo er in der Regel über zwei Spiegel-Ablenkelemente um zwei zueinander senkrechte Achsen abgelenkt wird. Über eine Abbil- dungsoptik 230, in der Regel eine F-Theta-Linse, wird der Strahl dann auf eine Zielposition auf ein zu bearbeitendes Objekt 240 gelenkt.

Figur 3A zeigt den Querschnitt eines geformten Laserstrahls 310, welcher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt zum Bohren von Löchern durch so genanntes Punchen geeignet ist. Der geformte Laserstrahl 310 weist eine Quer- schnittsfläche auf, welche annäherungsweise eine Schmetter- lingsform aufweist. Bei dieser Form berühren sich die Ecken zweier Teilflächen. Die Teilflächen sind insbesondere zwei Dreiecke bzw. zwei Kreissegmente. Der geformte Laserstrahl 310 resultiert aus der Formung eines ursprünglich gaußförmi- gen Laserstrahls mit einem kreisförmigen Strahlquerschnitt, wobei dieser erste Laserstrahl eine Pulsleistungsdichte bzw.

Pulsenergiedichte, d. h. eine Pulsleistung bzw. Pulsenergie pro Fläche, aufweist, die gerade dem Schwellenwert für eine Materialabtragung entspricht. Somit kann mit dem ungeformten Laserstrahl ein Loch 300 mit einer maximalen Bohrlochgröße rmax gebohrt werden.

Bei einer Rotation des geformten Laserstrahls 310 um seinen Mittelpunkt M kann nun durch eine Reihe von aufeinanderfol- genden Laserpulsen ein Loch gebohrt werden, welches ohne eine Erhöhung der Leistungsdichte des ursprünglichen Laserstrahls ein Bohren eines Loches mit einem Radius Rmax erlaubt. Der Öffnungswinkel a, der gewünschte Überlapp zwischen aufeinan- derfolgenden geformten Laserstrahlpulsen sowie die Pulsfre- quenz des Laserstrahls bestimmen dann die Rotationsfrequenz des Strahlformungselementes.

Es wird darauf hingewiesen, dass unter realen Bedingungen durch die oben beschriebene Überlagerung mehrerer Pulse von geformten Laserstrahlen 310 lokale Intensitätsüberhöhungen auftreten können, welche durch eine entsprechende Intensi- tätsanpassung innerhalb des Strahlquerschnitts des geformten Laserstrahls 310 kompensiert werden. Insbesondere wird die dargestellte Schmetterlingsform in der Mitte M eine beugungs- begrenzte Breite haben und demzufolge nicht exakt punktförmig sein, so dass im Bereich der Mitte M durch eine entsprechende Ansteuerung des Strahlformungselementes eine Intensitätsab- senkung realisiert werden muss.

Im folgenden wird anhand eines konkreten Beispiels die Dimen- sionierung wichtiger Parameter angegeben : Bei einem Öffnungs- winkel a des schmetterlingsförmigen Laserstrahls 310 von 40° und einem gewünschten Überlapp von 25 % zwischen zwei aufein- anderfolgenden geformten Laserpulsen muss sich das optische Element zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen um 30° weiterdrehen. Dies bedeutet, dass man genau zwölf Pulse benö- tigt, um eine Umdrehung von 360° zu erreichen. Wenn eine Pulsfrequenz von 50 kHz gewählt wird, dann muss die Rotati- onsfrequenz des geformten Laserstrahls 310 genau 4167 Hz betragen. Die erwähnten Parameter Öffnungswinkel, Überlapp und Pulsfrequenz können selbstverständlich bei gegenseitiger Anpassung frei gewählt werden.

In diesem Zusammenhang wird noch einmal darauf hingewiesen, dass eine Drehung des geformten Laserstrahls 310 sowohl durch eine mechanische Rotation eines Strahlformungselementes rea- lisiert als auch durch eine entsprechende Ansteuerung eines dynamischen Strahlformungssystems realisiert werden kann. Im Falle eines dynamischen Strahlformungssystems kann die Dre- hung des geformten Laserstrahls 310 auch nicht exakt kontinu- ierlich erfolgen. In diesem Fall erfolgt die Drehung durch ein sukzessives Weiterschalten zwischen einer Mehrzahl von diskreten Winkelstellungen.

Figur 3B zeigt den Querschnitt eines geformten Laserstrahls 320 mit einem Öffnungswinkel a von 90°, welcher größer ist als der in Figur 3A dargestellte Öffnungswinkel. Unter der Annahme, dass die zur Verfügung stehende Laserleistung für den geformten Laserstrahl 320 die gleiche ist wie für den in Figur 3A dargestellten geformten Laserstrahl 310, kann auf- grund des größeren Öffnungswinkels a bei gleichbleibendem Materialabtragungs-Schwellenwert lediglich ein Loch mit dem in Figur 3B dargestellten Radius Rmax gebohrt werden.

Zusammenfassend bleibt festzustellen : Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, bei dem ein ers- ter Laserstrahl 211 mit einer ersten transversalen Intensi- tätsverteilung auf ein Strahlformungselement 215 gerichtet wird und der erste Laserstrahl 211 mittels des Strahlfor- mungselements 215 in einen zweiten Laserstrahl 216 mit einer zweiten transversalen Intensitätsverteilung umgewandelt wird.

Gemäß der Erfindung weist die zweite Intensitätsverteilung eine Vorzugsrichtung senkrecht zur optischen Achse des zwei- ten Laserstrahls 216 auf und das Strahlformungselement 215 wird derart betrieben, dass sich die Vorzugsrichtung um die optische Achse dreht. Das Strahlformungselement 215 kann ein optisches Element sein, welches mittels einer mechanischen Bewegung um die optische Achse des ersten Laserstrahls 211 dreht. Bevorzugt wird das Strahlformungselement 215 jedoch mittels eines dynamischen Systems realisiert, welches bei Vermeidung einer mechanischen Rotation durch eine entspre- chende Ansteuerung nahezu beliebige Strahlquerschnitte des zweiten Laserstrahls 216 mit einer beliebigen Intensitätsver- teilung ermöglicht. Die Erfindung schafft ferner ein Laserbe- arbeitungsverfahren, bei dem das Verfahren zum Formen eines Laserstrahls auf vorteilhafte Weise für eine Laser- Materialbearbeitung angewendet wird.