[논문]인쇄회로기판의 미세 신호 연결 홀 형성을 위한 레이저 드릴링 시스템

조광우; 박홍진

인쇄회로기판의 미세 신호 연결 홀 형성을 위한 레이저 드릴링 시스템
Laser Drilling System for Fabrication of Micro via Hole of PCB 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.27 no.10, 2010년, pp.14 - 22

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The most costly and time-consuming process in the fabrication of today's multi-layer circuit board is drilling interconnection holes between adjacent layers and via holes within a layer. Decreasing size of via holes being demanded and growing number of via holes per panel increase drilling costs. Component density and electronic functionality of today's multi-layer circuit boards can be improved with the introduction of cost-effective, variable depth laser drilled blind micro via holes, and interconnection holes. Laser technology is being quickly adopted into the circuit board industry but can be accelerated with the introduction of a true production laser drilling system. In order to get optimized condition for drilling to FPCB (Flexible Printed Circuit Board), we use various drill pattern as drill step. For productivity, we investigate drill path optimization method. And for the precise drilling the thermal drift of scanner and temperature change of scan system are tested.

주제어

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문제 정의

그러나 이러한 최종제품 생산을 든든히 지원해야 할 제조설비 및 원자재 분야에서는 국산화율이 현저히 떨어지는 현실을 돌아보면, 연성회로기판 설비 국산화의 핵심 중 하나인 UV 레이저 비아홀 드릴링 장비 개발은 상징적인 의미가 크다 할 수 있다. 광학적인 운용기술, 전자제어적인 기술 등 필요한 요소기술 확보와 개발 인력 양성 그리고 향후 시장에서 필요한 심화기술의 선점까지를 목표로 현재 개발이 진행 중이며, 수년 이내로 국산장비의 해외수출까지 기대해본다.
따라서 온도변화에 따른 위치정밀도 변화를 파악하기 위한 실험을 진행하였다.

제안 방법

1차 실험에서는 가공 중 집속된 레이저 빔의 초점을 변화시키지 않고 진행하였으며, 2차 실험에서는 가공 시 빔 초점을 defocus 시키는 step 을 추가하여, 그 결과를 1 단계 실험과 비교하였다. 이용된 레이저 빔의 최소 초점 직경은 약 25pm 였다.
K-means 가 현재로서는 가장 적합하고 단순하며, 연산시간이 짧은 알고리즘으로 판단, 이에 대한 실험을 진행하였다.
이렇게 영역을 작게 했을 경우, 분할가공 위치마다 스테이지 이동횟수가 증가하여, 생산시간이 증가함에도 불구하고' 이러한 방식을 적용하는 것은 FPCB 에 드릴링 시 상당한 정밀도가 요구되며, 스캔영역이 넓은 렌즈를 사용했을 때, 이러한 정밀도 요구를 만족하기 어렵다는 것을 말해준다. Table 1에 대표적인 UV 레이저 비아홀 드릴링 장비 제조사인 E 사와 H 사의 장비의 성능 비교를 해 보았다.
비젼(Vision)과 구동 스테이지를 이용한 보정 (calibration)을 통해 lOjun 이하의 오차를 확보한 시스템에서 24시간 이상의 시간이 경과하면서 스캐너 가공위치에 발생하는 변화를 추적하였다. 사용한 스캐너 시스템은 S 사의 제품으로 초점거리 254mm, 스캔영역 180mm x 180mm 정도의 비교적 넓은 영역의 가공에 사용되는 시스템이었다.
우선 random 하게 18 개의 가상의 가공 point 를 채택하여 K-means 를 이용하여 군집화 및 최적 가공 중심점을 탐색하였다. 그 결과 단 2 번의 iteration 을 통해서 최적의 가공 중심점 및 군집을 찾아낼 수가 있었다.
궤적 최적화에 있다. 이를 위하여 가공 위치에 따른 최소거리이동을 위한 궤적생성 알고리즘을 비교, 최적화를 적용하였다. 경로 최적화는 K-means method 등의 알고리 즘 이용하여 가공의 중심점을 이동하면서 반복된 계산에 의해 중심점 위치를 최적화하는 것으로 레이저드릴에서 가공 중심점이란 스캐너를 탑재한 가공헤드의 위치로 생각할 수 있다.
최적화 실험의 초기에는 Fig. 11의 세가지 패턴을 모두 2 차원의 동일 평면상에서 적용한 가공을 하였으나, 바닥면의 동박에 생기는 손상(damage)과 바닥 면 절연층(resin) 미가공의 두 가지 문제의 해결을 위해 다음과 같은 3 단계의 드릴링 방식으로 변경하였다. 먼저 집속된 레이 저 빔의 Just Focus 위치에서 Fig.

대상 데이터

동박과. 강화 절연층의 적층 구조를 가진 복층(double layer) 기판을 사용하였으며, 12mm 정도 두께의 동박과 60pm 정도 두께의 절연층을 천공하여 다시 동박이 깨끗하게 드러나게 하는 과정을 수행하였다.
사용된 레이저는 355nm 파장을 가진 UV 레이저로서, 미국의 Coherent 사 AV1A 모델을 용하였고, 광학계를 거쳐서 실제 가공에 사용된 출력은 약 12W, 레이저 반복률은 약 60kHz 정도로 최적화시 켰다.
사용한 스캐너 시스템은 S 사의 제품으로 초점거리 254mm, 스캔영역 180mm x 180mm 정도의 비교적 넓은 영역의 가공에 사용되는 시스템이었다.

이론/모형

가공 경로 최적화를 위한 알고리즘에 대한 검색을 통하여 K-means 와 EM 두 가지 방법을 적용하였다. K-means 같은 경우에는 초기 중심 좌표 (centroid)를 이용하여 각 개체간의 거리를 결정하여 최소거리에 있는 중심좌표를 다시금 재설정하여 새로운 중심좌표를 중심으로 재 군집화하는 과정을 반복하여 진행한다.

성능/효과

가공 결과 경사각도는 Fig. 16 과 같이 90% 정도로 양호하였으며, 85% 이상의 진원도가 가능하였다.
결과적으로 최상층의 동박을 가공하기 위해서는 구리의 가공 임계치 (threshold)가 높으므로 초점위치의 레이저 빔을 이용하여 홀 크기로 외곽부를 trepanning 하는 궤적이 필요하며, 이후에 폴리머계열의 절연물질 가공을 위해서는 새로이 드러나는 하부 동박 위에 절연물질이 잔존하지 않도록 하기 위해 defocus 된 레이저 빔으로 넓은 영역을 중복해서 클리닝(cleaning)하는 효과를 준다.
동박층 위에 천공된 홀의 사이즈를 3차원 측정기를 사용하여 분석한 결과로 가로직경 24.9mm, 세로 직경 26.4mm 의 홀직경을 확인하였으며, 열 영향을 배제한 광학적인 빔크기는 그 이하로 생각할 수 있다.
제어기술의 척도라고도 볼 수 있다. 본 실험에서 절연중 직접 드릴링(resin direct drilling) 방식으로 얻어진 홀 드릴링 속도는 하나의 가공 헤드를 사용했을 때, 약 초당 600홀 이였다.
마지막 단계에서는 추가로 200|im 정도의 defocus 를 주어 확대된 빔 크기에 의해 가공 임계치가 낮은 절연물질이 깨끗하게 제거되도록 2nd 패턴을 한번 더 적용한다. 이렇게 3 단계로 가공함으로써 Defocus 된 레이저 빔을 통하여 동박층의 손상 발생을 억제하고 큰 빔에 의해 효율적인 절연층 제거를 할 수 있었다.
나타내었다. 표면에서의 홀 사이즈가 HOem, 바닥면에서의 홀 사이즈가 90gm 로서 약 80%의 경사각도(taper) 정도를 나타내고 있고 가공된 홀의 진원도는 Fig. 14 에서 85% 이상의 결과를 확인할 수 있다.

후속연구

존재하고 있는 상황이다. 그러나, 기존의 CO2 레이저 드릴링 장비에 비해, UV 레이저 드릴링 장비는 아직도 시장이 형성되고 있는 단계이므로, 본 연구와 같은 국내 연구개발을 통하여 일본 및 미국장비와의 기술격차를 극복하는 것이 가능하며, 향후의 기술 경쟁력 확보 및 기술선도가 가능하다고 생각된다. 최근 스마트 폰을 포함한 국산 휴대폰이 전세계적으로 채택되고 있고, 태양전지 산업이나 각종 휴대용(mobile) 기기에서도 유연한 구조의 인쇄회로기판과 기능재료의 중요성 이날로 높아지고 있다.
일반적으로 갈바노 스캐너를 고속운용 시에는 가공해야 할 위치 간에 고속으로 jump 이동을 한 후, 스캐너 미러 (mirror)의 움직임이 안정화 (settling) 되도록 일정시간을 지연한 후, 레이저 빔을 조사하는 jump delay 등 스캐너 움직임과 레이저 펄스 간 최적의 연동을 감안한 파라미터가 존재한다. 본 실험에서는 이러한 여러 가지의 조건의 tuning 을 통한 가공시간 최소화를 진행하였고, 향후 가공성 향상을 위해 더욱 세밀한 최적화가 진행될 예정이다.

참고문헌 (9)

www.optech-consulting.com, "The market of industrial laser system in PCB, Semiconductor, electronic part fabrication,"
Capers, C., "Cost-Effective Use of Microvias," Printed Circuit Design, pp. 14-16, 2003.
Dunsky, C., "High-Speed Microvia Formation with UV Solid-State Lasers," Proceeding of the IEEE, Vol. 90, No. 10, pp. 1670-1680, 2000.
Zhang, C., Salama, I. A., Quick, N. R. and Kar, A., "Modelling of Microvia Drilling with a Nd:YAG Laser," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 39, No. 17, pp. 3910-3918, 2006.

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Oh, J. Y. and Shin, B. S., "Photothermal and Photochemical Investigation on Laser Ablation of the Polyimide by 355nm UV Laser Processing," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 24, No. 4, pp. 147-152, 2007.

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Oh, J. Y. and Shin, B. S., " A Study on Laser Ablation of Copper Thin Foil by 355nm UV Laser Processing," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 134-139, 2007.

원문보기 상세보기
Anderson, D. A., Tannehill, J. C. and Pletcher R. H., "Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer," Hemisphere, p. 166, 1984.
Strombeck, P. and Kar, A., "Self-focusing and beam attenuation in laser materials processing," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 31, No. 12, pp. 1438-1448, 1998.

상세보기
Zhang, C., Salama, I. A., Quick, N. R. and Kar, A., "One-Dimensional Transient Analysis of Volumetric Heating for Laser Drilling," J. Appl. Phys., Vol. 99, No. 11, Paper No. 113530, 2006.

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