[논문]특집 : 레이저 기반 초정밀 초고속 가공시스템 - PCB pattern 미세화에 따른 UV laser driller의 개발

박홍진; 서종현

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최근 휴대폰 등 모방일 전자기기 산업에서 차세대 고부가 PCB(MLB, HDI, FPC, 등) 및 고기능 PCB(COF, MOF, SOF)의 급속한 적용 확대로 직경$20{\mu}m$급의 비아홀(viahole) 및 interconnection 홀 가공을 위한 초정밀/초고속 레이저 드릴링 공정 및 장비기술 개발에 대한 시장의 요구가 급증하고 있다. 이에 반해 기존의 CO2 레이저 드릴링은 기술적 한계에 도달하여 시장의 요구에 대응이 불가하며, 선진업체에서는 최근 UV 레이저 드릴링 장비에 대한 시장 점유율을 높여가고 있다. 특히 국내시장은 미국의 ESI사가 독점하고 있어 기술개발 투자를 통한 국산화가 절실한 상황이다. 이에 당사에서는 초고속/초정밀 UV laser 시스템을 이용한 FPC iva hole drilling을 연구과제로 개발을 진행하고 있으며 국산화를 넘어서 세계시장점유를 목표로 공정장비개발을 진행중이다.

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문제 정의

안정적으로 쓸 수 있는 장비, 다목적으로 운용 가능한 장비, 유지보수비가 적게 드는 장비를 국내에서 공급받고자 하는 PCB제조사들의 바람은 이제 기술적으로 충분히 가능하다고 생각된다. 광학적인 운용기술, 전자제어적인 기술 등 필요한 요소기술 확보와 개발인력 양성 그리고 향후 시장에서 필요한 심화기술의 선점까지를 목표로 현재 개발이 진행 중이며, 수년 이내로 국산장비의 해외수출까지기대해본다.
본과제를 통해서 개발하고자 하는 초정말/초고속 UV레이저 드릴링 기술 및 장비는 고기능 모바일 전자기기 산업에서 MLB (Multi-Layer Board), HDI (High Density Intercomection), FPC (Flexible Printed Circuit) 의 비아홀 가공을 목적으로 하며, 기존 CO₂ Laser 천공 장비에 대해 다음과 같이 차별화된다.

제안 방법

1차 실험에서는 가공 중 집속된 레이저빔의 Focus를 변화시키지 않고 진행하였으며, 2차 실험에서는 가공시빔 Focus를 defocus시키는 step을 추가하여 그 결과를 1단계 실험과 비교하였다. 이용된 레이저빔의 최소초점직경은 약 25um 였다.
이렇게 영역을 작게 했을 경우 분할 가공 위치마다 스테이지 이동 횟수가 증가하여, 생산시간이 증가함에도 불구하고, 이러한 방식을 적용하는 것은 연성회로 기판에 direct dialing할 때 상당한 정밀도가 요구되며, 스캔 영역이 넓은 렌즈를 사용했을 때, 이러한 정밀도 요구를 만족하기 어렵다는 것을 말해준다. 아래에 대표적인 UV via driller 제조사인 E사와 H사의 장비에서 낼 수 있는 성능을 비교해 보았다. 두 회사의 장비가 정밀도와 속도에서 차별화되어 있음을 알 수 있다.

대상 데이터

사용된 레이저는 355nm 파장을 가진 UV laser로 미국의 Coherent 사 AVIA 모델을 사용하였고, 광학계를 거쳐서 실제 가공에 사용된 출력은 약 12watt 정도, 레이저 반복률은 약 60kHz 정도로 최적화시켰다.
테스트를 위한 FPC 자재로는 다음 그림과 같은 동박과 Prepreg의 적층 구조를 가진 double layer 기판을 사용하였으며, 12um 정도 두께의 동박과 60um 정도 두께의 절연층을 천공하여 다시 동박이 깨끗하게 드러나게 하는 과정을 수행하였다.

성능/효과

첫 번째로 PCB기판의 고성능화, 회로의 고밀도 화가 진행되면서 보다 작은 blind via hole 및 관통홀이 요구되는 점을 들 수 있다. 기존의 CO₂ Laser로 가능한 via hole size의 영역은 약 50㎛ 이상의 직경을 갖는 경우이며, 현재 요구되는 25㎛ 내외의 via size를 달성하기 위해서는 그림 1의 자료(좌)에서도 볼 수 있듯이 355nm 파장의 UV laser와같은 단파장 레이저를 이용해야만 한다.

후속연구

향후의 시장 주도에 대한 위기감도 존재하고 있는 상황이다. 그러나 기존의 CO2 레이저 드릴링징비에 비해 UV 레이저 드릴링 장비는 아직도 시장이 형성되고 있는 단계이므로, 본과제와 같은 국내 연구개발을 통하여 일본 및 미국 장비와의 기술격차를 극복하는 것이 가능하며, 향후의 기술 경쟁력 확보 및 기술 선도도 가능하다고 생각된다.
일반적으로 갈바노스캐너를 고속운용 시에는 가공해야 할 위치 간에 고속으로 jump이동을 한 후, 스캔미러의 움직 임이 settling 되도록 일정 시간을 지연한 후, laser shot을 가하는 jump delay 등 스캐너 움직임과 레이저 펄스간 최적의 연동을 감안한 파라메타가 존재한다. 본 실험에서는 이러한 여러 가지의 파라메타tuning을 통한 가공시간 최소화를 진행하였으나, 가공성위주의 실험 취지 달성을 목표로 하여 향후 더욱 세밀한 최적화가 진행될 예정 이다.

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