[논문]무수축 기판 상에 UV 레이저 가공에 의한 Taper 현상

안익준; 여동훈; 신효순; 심광보

doi:10.6111/jkcgct.2015.25.6.285

초록
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프로브카드의 소형화, 고기능화. 고집화에 따라 고강도 무수축 기판에 레이저 가공 공정을 이용한 미세 홀 천공에 대한 관심이 높아지고 있다. 그린 상태에서 레이저 펀처로 미세 홀을 천공 시 테이퍼 현상이 중요한 공정 문제가 되고 있다. Entrance hole과 exit hole의 크기 차이는 홀 크기가 작을수록 커지고, 홀 크기가 커질수록 작아지는 경향을 나타내었다. 테이퍼 현상을 개선하기 위해 second hole 가공 공정을 적용하였다. 기판의 두께가 $380{\mu}m$인 기판 상에 $80{\mu}m$ 홀 천공시 최적의 second hole 크기를 찾기 위해 $70{\sim}79{\mu}m$ 홀을 천공하였을 경우 $76{\mu}m$와 $77{\mu}m$에서 테이퍼는 11.9 %로 가장 낮게 나타났다. 천공된 무수축 기판을 소결한 후에는 테이퍼가 7 %로 개선되었다. First hole 크기와 비교하였을 때 second hole 크기는 first hole 크기의 약 95~97 % 일 때 테이퍼가 가장 적었다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the miniaturization with both high functionality and high integrity of the probe cards, the highly precise laser punching on the zero-shrinkage high strength substrate has attracted more attention recently. Taper occurrence during laser-punching on green sheets appears as a problem in process. ...

With the miniaturization with both high functionality and high integrity of the probe cards, the highly precise laser punching on the zero-shrinkage high strength substrate has attracted more attention recently. Taper occurrence during laser-punching on green sheets appears as a problem in process. The size (diameter) difference between the entrance hole and the exit hole in tapered holes appeared to be inversely proportional to the hole size itself. To suppress taper occurrence, two-stage punching was adopted as the size of second hole was varied from $70{\mu}m$ to $79{\mu}m$ when punching $80{\mu}m$ via holes on the substrate with thickness of $380{\mu}m$. The minimal taper ratio of 11.9 % appeared with second hole size between 70 to $79{\mu}m$ before sintering. Taper ratio reduced to 7 % after zero-shrinkage sintering. The size difference between first hole and second hole appeared minimal when the size of second hole was 95~97 % to that of first hole.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

분말을 혼합 사용하여 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 그린시트를 제조한 후 알루미나 그린 시트와 교대 적층하여 무수축 기판을 제작하였다. 제조된 무수축 기판 상에 UV-레이저를 이용하여 홀을 천공하는 공정에서 발생하는 테이퍼 현상을 개선하기 위하여 최적의 미세 홀 천공을 위한 조건을 고찰하고자 하였다.

제안 방법

Al₂O₃와 LTCC 파우더를 comma coater를 이용하여 40 µm, 10 µm 두께의 그린시트로 각각 제작한 후 적층 및 압착하여 무수축 기판을 제작하였다. 무수축 기판 상에 레이저를 이용하여 미세 홀 천공과정에서 발생하는 테이퍼 현상을 개선하기 위해 second hole을 적용하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
와 LTCC 파우더를 comma coater를 이용하여 40 µm, 10 µm 두께의 그린시트로 각각 제작한 후 적층 및 압착하여 무수축 기판을 제작하였다. 무수축 기판 상에 레이저를 이용하여 미세 홀 천공과정에서 발생하는 테이퍼 현상을 개선하기 위해 second hole을 적용하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 anorthite 결정화 유리(glass-ceramics)와 Al₂O₃ 분말을 혼합 사용하여 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 그린시트를 제조한 후 알루미나 그린 시트와 교대 적층하여 무수축 기판을 제작하였다. 제조된 무수축 기판 상에 UV-레이저를 이용하여 홀을 천공하는 공정에서 발생하는 테이퍼 현상을 개선하기 위하여 최적의 미세 홀 천공을 위한 조건을 고찰하고자 하였다.
천공된 무수축 기판을 탈바인더(burn-out)을 위하여 600℃까지 4시간 승온 후 1시간 유지하였으며, 875℃에서 2시간 소결을 진행하였다. 소결된 무수축 기판은 천공된 홀의 테이퍼 발생 정도를 확인하기 위하여 기판 단면을 연마한 후 camscope(SOME TECH, Korea)를 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

제작한 두 종류의 시트는 Fig. 1과 같이 Al₂O₃/LTCC/Al₂O₃ 구조로 알루미나 시트 9장, LTCC 시트 8장을 적층한 후 WIP(warm isostatic press)를 사용하여 32 MPa 압력으로 70℃에서 압착하였다. 압착된 그린 바를 절단하여 두께가 380 µm, 크기는 50 × 50 mm인 무수축 기판을 제작하였다.
LTCC 그린시트를 제작하기 위하여 사용된 anorthite 결정화 글라스 조성은 CaO(27.4), SiO₂(60.8), Al₂O₃(11.8) (괄호안은 wt%)이며, 평균입도는 4.6 µm이다. 결정화 글라스와 Al₂O₃(AES-11, Sumitomo, Japan) 파우더를 6.
6 µm이다. 결정화 글라스와 Al₂O₃(AES-11, Sumitomo, Japan) 파우더를 6.5 : 3.5 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 분산제 BYK-111(BYK Chemical, Germany)을 0.
이때 PVB 바인더는 톨루엔과 에탄올을 6 : 4의 비율로 혼합한 용매에 녹여 사용하였다[10, 11]. 무수축 공정을 실현하기 위한 Al₂O₃ 시트는 Al₂O₃(AES-11, Sumitomo, Japan) 파우더를 사용하였으며, PVB 바인더 함량을 40 vol% 첨가하였고 그 외의 조건은 LTCC 슬러리 배치 조건과 동일하였다. 그린시트는 comma의 갭에 의해 시트두께를 제어하는 comma coater(Coating machine, INNOSYM, Korea)를 사용하여 성형속도를 2 m/min으로 LTCC 시트는 두께 40 µm, Al₂O₃ 시트는 두께 10 µm 로 각각 성형하였다.
1과 같이 Al₂O₃/LTCC/Al₂O₃ 구조로 알루미나 시트 9장, LTCC 시트 8장을 적층한 후 WIP(warm isostatic press)를 사용하여 32 MPa 압력으로 70℃에서 압착하였다. 압착된 그린 바를 절단하여 두께가 380 µm, 크기는 50 × 50 mm인 무수축 기판을 제작하였다. 제작한 무수축 기판에 355 nm 파장의 UV-레이저(Model 5330HE, ESI, USA)를 사용하여 미세 홀을 천공하였으며, 천공방식은 레이저를 홀의 내부에서 바깥쪽으로 회전함으로써 기판의 한 부분에 레이저가 장시간 조사되는 영역을 최소화 하는 소위 ‘circle type’ 방식으로 진행하였다.
압착된 그린 바를 절단하여 두께가 380 µm, 크기는 50 × 50 mm인 무수축 기판을 제작하였다. 제작한 무수축 기판에 355 nm 파장의 UV-레이저(Model 5330HE, ESI, USA)를 사용하여 미세 홀을 천공하였으며, 천공방식은 레이저를 홀의 내부에서 바깥쪽으로 회전함으로써 기판의 한 부분에 레이저가 장시간 조사되는 영역을 최소화 하는 소위 ‘circle type’ 방식으로 진행하였다. 미세 홀을 천공하기 위하여 레이저 빔의 출력을 1~5 watt로 변화하면서 천공하였으며, 천공하고자 하는 홀은 반복적으로 회전하여 천공하였으며, 반복되는 횟수를 revolution으로 표기하였다.

성능/효과

9 %로 가장 낮았으며, 천공된 무수축 기판을 소결한 후에는 테이퍼 값이 7 %로 줄었다. First hole 크기와 비교하여 second hole 크기는 first hole 크기의 약 95~97 % 일 때 테이퍼가 가장 적게 나타났다.
레이저 출력이 높을수록 상부 홀과 하부 홀 간의 편차가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 출력 변화에 따른 하부 홀 크기는 변화가 거의 없었으나 상부 홀 크기는 출력이 높아짐에 따라 천공되는 홀 크기가 증가하였다.
테이퍼 현상을 개선하기 위해 second hole 공정을 적용하여 80 µm 홀을 천공시 최적의 second 홀 크기를 찾기 위해 70~79 µm 홀을 천공하였을 경우 76 µm와 77 µm에서 테이퍼% 값이 11.9 %로 가장 낮았으며, 천공된 무수축 기판을 소결한 후에는 테이퍼 값이 7 %로 줄었다. First hole 크기와 비교하여 second hole 크기는 first hole 크기의 약 95~97 % 일 때 테이퍼가 가장 적게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그린시트의 기계적 가공은 어떻게 진행하는 것인가?	현재까지 그린시트의 가공은 기계적 가공과 레이저 가공 공정이 적용되고 있는데, 기계적 가공의 경우, 그린시트에 초경 소재의 펀칭 핀(punching pin)을 이용하여 기계적인 방법으로 비아 홀(via hole)이나 가이드 홀(guide hole) 가공을 진행하는 것이다. 그러나 기계적 가공 방법은 80 µm보다 작은 홀은 가공이 불가능한 단점이 있다.
	현재까지 그린시트의 가공은 어떤 공정이 적용되었는가?	현재까지 그린시트의 가공은 기계적 가공과 레이저 가공 공정이 적용되고 있는데, 기계적 가공의 경우, 그린시트에 초경 소재의 펀칭 핀(punching pin)을 이용하여 기계적인 방법으로 비아 홀(via hole)이나 가이드 홀(guide hole) 가공을 진행하는 것이다. 그러나 기계적 가공 방법은 80 µm보다 작은 홀은 가공이 불가능한 단점이 있다.
	최근 수직형 브로브카드의 홀 크기가 점점 작아지고 있어 레이저 가공 공정을 적용하는 사례가 증가하는 이유는?	현재까지 그린시트의 가공은 기계적 가공과 레이저 가공 공정이 적용되고 있는데, 기계적 가공의 경우, 그린시트에 초경 소재의 펀칭 핀(punching pin)을 이용하여 기계적인 방법으로 비아 홀(via hole)이나 가이드 홀(guide hole) 가공을 진행하는 것이다. 그러나 기계적 가공 방법은 80 µm보다 작은 홀은 가공이 불가능한 단점이 있다. 그러므로 최근 수직형 브로브카드의 홀 크기가 점점 작아지고 있어 레이저 가공 공정을 적용하는 사례가 증가하고 있다[3].

참고문헌 (11)

H. Sohn, D.-S. Shin and J. Choi, "Characteristics of direct laser micromachining of IC substrates using a nanosecond UV laer", J of KSLP 15 (2012) 7.
B. Adelmann and R. Hellmann, "Rapid micro hole laser drilling in ceramic substrates using single mode fiber laser", J. Mater. Process. Technol. 221 (2015) 80.

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Y. Zhang, Y.Q. Wang, J.Z. Zhang, Y.S. Liu, X.J. Yang and Q. Zhang, "Micromachining features of TiC ceramic by femtosecond pulsed laser, Ceramics International 41 (2015) 6525.

상세보기
T.-J. Jo and D.-H. Yeo, "Control of De-lamination phenomena in LTCC zero-shrinkage by glass infiltration method", Trans. Electr. Electron. Mater. 12 (2012) 23.
T. Rabe, W.A. Schiller, T. Hochheimer, C. Modes and A. Kipka, "Zero shrinkage of LTCC by self-constrained sintering", J. Appl. Ceram. Technol. 2 (2005) 374.

상세보기
S. Mishra and V. Yadava, "Modelling of hole taper and heat affected zone due to laser beam percussion drilling", Machi. Sci. Technol. 17 (2013) 270.
Y.Z. Yan, L.F. Ji, Y. Bao and Y.J. Jiang, "An experimental and numerical study on laser percussion drilling of thick-section alumina", J. Mater. Process. Technol. 212 (2012) 1257.

상세보기
J.G. Kim, W.S. Chang, B.S. Shin, J.W. Chang and K.H. Whang, "Blind via hole Drilling Using DPSS UV laser", J. of KSLP 6 (2013) 9.
S. Mishra and V. Yadava, "Finite element (FE) simulation to investigate the effect of sheet thickness on hole taper and heat affected zone (HAZ) during laser beam percussion drilling of thin aluminium sheet", Lasers in Eng. 30 (2015) 341.
A. Tabari and A. Ahmad, "A semicontinuous approach for heterogeneous azeotropic distillation processes", Comput. Chem. Eng. 73 (2015) 183.

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Z.Y. Zhu, L. Wang, Y.X. Ma, W.L. Wang and Y.L. Wang, "Separating an azeotropic mixture of toluene and ethanol via heat integration pressure swing distillation", Comput. Chem. Eng. 76 (2015) 137.

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