최근 레이저를 이용하여 전자 소자 및 모듈을 절단하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 레이저를 이용하여 LED 모듈을 초고속 절단하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 특히 기존의 다이싱(dicing) saw의 절단 속도를 훨씬 능가하는 100 mm/s의 초고속 레이저 절단의 가능성을 검토하였다. 이를 위하여 LED 모듈의 구성 재료인 copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판을 제작하여 레이저 절단 후, 절단면의 표면 특성, 표면조도, 굽힘 강도를 다이싱 saw를 이용하여 절단한 샘플과 비교하였다. 복합 기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 찾기 위하여, 세라믹 및 구리 단일 기판의 레이저 절단을 통하여 다양한 레이저 공정 조건들에 대한 영향 검토하였다. 절단면의 표면 특성이 가장 좋은 최적의 레이저 절단 조건은 Ar 보조 가스의 사용, 높은 레이저 파워 및 높은 보조 가스의 압력이었다. Copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판에 대하여 레이저 절단과 다이싱 saw로 절단한 기판의 절단면을 비교한 결과, 레이저로 절단된 기판이 다이싱 saw 절단에 비하여 표면이 거칠고 표면 특성이 약간 나쁘다. 레이저 절단면의 평균 표면조도는 약 $9{\mu}m$ 이며, 다이싱 saw로 절단된 절단면의 표면조도는 약 $4{\mu}m$ 이었다. 그러나 다이싱 절단의 절단 속도(3 mm/s)를 고려하면 레이저 절단면의 표면 morphology가 비교적 균일하고, 표면조도도 다이싱 절단의 경우와 큰 차이가 없기 때문에 어느 정도 만족할 만한 결과를 얻었다고 판단된다. 또한 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도가 다이싱으로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 동등하거나 약간 열세이었다. 그러나 향후 레이저의 절단 조건이 좀 더 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 레이저 절단이 가능할 것으로 판단된다.
최근 레이저를 이용하여 전자 소자 및 모듈을 절단하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 레이저를 이용하여 LED 모듈을 초고속 절단하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 특히 기존의 다이싱(dicing) saw의 절단 속도를 훨씬 능가하는 100 mm/s의 초고속 레이저 절단의 가능성을 검토하였다. 이를 위하여 LED 모듈의 구성 재료인 copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판을 제작하여 레이저 절단 후, 절단면의 표면 특성, 표면조도, 굽힘 강도를 다이싱 saw를 이용하여 절단한 샘플과 비교하였다. 복합 기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 찾기 위하여, 세라믹 및 구리 단일 기판의 레이저 절단을 통하여 다양한 레이저 공정 조건들에 대한 영향 검토하였다. 절단면의 표면 특성이 가장 좋은 최적의 레이저 절단 조건은 Ar 보조 가스의 사용, 높은 레이저 파워 및 높은 보조 가스의 압력이었다. Copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판에 대하여 레이저 절단과 다이싱 saw로 절단한 기판의 절단면을 비교한 결과, 레이저로 절단된 기판이 다이싱 saw 절단에 비하여 표면이 거칠고 표면 특성이 약간 나쁘다. 레이저 절단면의 평균 표면조도는 약 $9{\mu}m$ 이며, 다이싱 saw로 절단된 절단면의 표면조도는 약 $4{\mu}m$ 이었다. 그러나 다이싱 절단의 절단 속도(3 mm/s)를 고려하면 레이저 절단면의 표면 morphology가 비교적 균일하고, 표면조도도 다이싱 절단의 경우와 큰 차이가 없기 때문에 어느 정도 만족할 만한 결과를 얻었다고 판단된다. 또한 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도가 다이싱으로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 동등하거나 약간 열세이었다. 그러나 향후 레이저의 절단 조건이 좀 더 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 레이저 절단이 가능할 것으로 판단된다.
In this study, we conducted the preliminary research for high speed laser cutting of LED module. In particular, the feasibility of ultra-high speed laser cutting of 100 mm/s which exceeds the cutting speed of conventional dicing saw was examined. For this, copper/ceramic and silicone/ceramic hybrid ...
In this study, we conducted the preliminary research for high speed laser cutting of LED module. In particular, the feasibility of ultra-high speed laser cutting of 100 mm/s which exceeds the cutting speed of conventional dicing saw was examined. For this, copper/ceramic and silicone/ceramic hybrid substrates, which are the components of the LED module, were fabricated, and the surface morphology, surface roughness and flexural strength of the laser-cut samples were investigate and compared with the dicing-cut samples. To investigate optimal laser cutting conditions for hybrid substrates, the effects of various laser cutting conditions on cutting surface characteristics were studied using single ceramic and copper substrate. Optimal laser cutting conditions of the hybrid substrates were the use of Ar assist gas, high laser power and high assist gas pressure. Comparing the cutting surface of the hybrid substrates, the surface characteristics of the laser-cut samples are slightly inferior to those of the dicing-cut samples. The average surface roughness of the laser-cut samples was about $9{\mu}m$, and that of the dicing-cut samples was about $4{\mu}m$. However, considering very low cutting speed (3 mm/s) of the dicing saw, the surface morphology of the laser-cut sample was relatively uniform, and the surface roughness was not much different from that of the dicing-cut sample. The flexural strength of the laser-cut samples was equivalent to or slightly inferior to the flexural strength of dicing-cut samples. However, if the laser processing conditions are sufficiently optimized, the ultra-high speed laser cutting of the LED module will be possible.
In this study, we conducted the preliminary research for high speed laser cutting of LED module. In particular, the feasibility of ultra-high speed laser cutting of 100 mm/s which exceeds the cutting speed of conventional dicing saw was examined. For this, copper/ceramic and silicone/ceramic hybrid substrates, which are the components of the LED module, were fabricated, and the surface morphology, surface roughness and flexural strength of the laser-cut samples were investigate and compared with the dicing-cut samples. To investigate optimal laser cutting conditions for hybrid substrates, the effects of various laser cutting conditions on cutting surface characteristics were studied using single ceramic and copper substrate. Optimal laser cutting conditions of the hybrid substrates were the use of Ar assist gas, high laser power and high assist gas pressure. Comparing the cutting surface of the hybrid substrates, the surface characteristics of the laser-cut samples are slightly inferior to those of the dicing-cut samples. The average surface roughness of the laser-cut samples was about $9{\mu}m$, and that of the dicing-cut samples was about $4{\mu}m$. However, considering very low cutting speed (3 mm/s) of the dicing saw, the surface morphology of the laser-cut sample was relatively uniform, and the surface roughness was not much different from that of the dicing-cut sample. The flexural strength of the laser-cut samples was equivalent to or slightly inferior to the flexural strength of dicing-cut samples. However, if the laser processing conditions are sufficiently optimized, the ultra-high speed laser cutting of the LED module will be possible.
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문제 정의
다음에는 구리 단일 기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 찾기 위한 실험을 수행하였다. 전술한 바와 같이 본 연구에서 사용된 복합 기판에서는 구리 층의 두께가 세라믹 기판에 비하여 훨씬 얇기 때문에 구리 기판 절단을 위한 최적 조건을 찾기 보다는 세라믹 기판의 최적 절단 조건을 기반으로 하여, 그 중에서 레이저 펄스 반복률과 보조 가스의 종류가 구리 기판 절단 특성에 미치는 영향을 파악하였다.
세라믹 기판의 재료는 alumina(Al2O3)이다 따라서 이러한 3개의 다른 물질로 구성된 이종 복합 기판을 레이저로 초고속 절단을 위해서는 각각의 단일 재료에 대한 최적의 절단 조건을 찾은 후, 3개의 층으로 이루어진 복합 기판의 절단 공정을 다시 최적화해야하기 때문에 매우 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 LED 모듈의 절단을 위한 기초 연구로서 우선 copper/ceramic 기판 및 silicone/ceramic의 2 종류의 이종 복합 기판에 대해서 각각 레이저 절단을 수행하였다. 각 기판은 세라믹 기판 위에 구리와 실리콘이 각각 증착된 형태이다.
복합 기판의 레이저 절단을 수행하기에 앞서 각 재료들에 대한 레이저 절단의 최적 조건이 필요하다. 따라서 세라믹 단일 기판과 구리 단일 기판을 별도로 제작하여 세라믹과 구리 재질의 레이저 절단을 최적 절단 조건을 연구하였다. 세라믹과 구리 단일 기판의 두께는 각각 900 μm이었다.
특히 레이저 절단 시의 공정 조건으로 중요하다고 판단되는 인자들에 대한 레이저 절단 특성을 분석하였다. 레이저 절단에 영향을 주는 인자들은 여러 가지가 있을 수 있지만, 본 논문에서는 초고속 레이저 절단을 위하여 중요하다고 생각되는 4개의 인자, 즉 레이저 파워, 보조 가스(assist gas)의 종류, 보조 가스의 압력 및 절단 속도에 대해서 그 영향을 파악하였다. 레이저 절단의 기본 조건은 Table 2와 같이 레이저 파워는 300 W, 보조 가스의 압력은 9 bar, 절단 속도는 50 mm/s이였다.
본 연구에서는 LED 모듈을 IR 레이저를 사용하여 초고속 절단하기 위한 기초 연구로서 copper/ceramic 및 silicone/ceramic으로 이루어진 복합 기판에 대한 레이저 절단 특성을 연구하였다. 100 mm/s의 고속으로 레이저 절단된 복합 기판의 절단 특성을 절단면의 표면 morphology, 표면조도 및 3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강도의 측정을 통하여 다이싱 saw로 절단된 기판과 비교하였다.
본 논문의 레이저 절단을 위하여 사용된 레이저는 파이버 레이저(IPG Photonics 사)로서 레이저의 파장은 1064 nm, 펄스반복 속도(pulse repetition rates)는 5 kHz, 펄스 지속시간(pulse duration)은 10 msec, 최대 펄스 에너지는 30 J이었으며, 최대 출력은 300 W 이었다. 본 연구에서는 PW(pulsed wave) 모드를 사용하였는데, PW 모드는 에너지를 증폭 후 순간적으로 레이저 빔을 출사시키기 때문에 continuous wave 모드에 비해 발생하는 가공 후의 열 손상이 적기 때문이다. 파이버 코어의 직경은 50 μm이며, 레이저 빔의 집적을 위하여 집속렌즈(focus lens) (Fiber Mini, Laser Mech사)를 사용하였으며, 초점 거리(focal length)는 100 mm, collimation lens의 직경은 35 mm 이다.
본 연구에서는 chip-on-board(COB) 형태로 패키징된 LED 모듈을 레이저로 초고속 절단하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 특히 기존의 다이싱 saw의 절단 속도를 훨씬 능가하는 100 mm/s로 절단하여, 절단 후의 절단면의 표면 관찰 및 3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강도 등의 측정을 통하여 초고속 레이저 절단의 적용 가능성을 검토하였다.
제안 방법
본 연구에서는 LED 모듈을 IR 레이저를 사용하여 초고속 절단하기 위한 기초 연구로서 copper/ceramic 및 silicone/ceramic으로 이루어진 복합 기판에 대한 레이저 절단 특성을 연구하였다. 100 mm/s의 고속으로 레이저 절단된 복합 기판의 절단 특성을 절단면의 표면 morphology, 표면조도 및 3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강도의 측정을 통하여 다이싱 saw로 절단된 기판과 비교하였다. 우선 LED 모듈 기판의 대부분을 차지하고 있는 세라믹 단일기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 분석한 결과, 보조 가스로 Ar 가스의 사용, 레이저 파워가 높을수록, 보조 가스의 압력이 높을수록 절단면의 표면특성이 좋음을 알 수 있었다.
Copper/ceramic 기판과 silicone/ceramic 복합 기판을 다이싱 saw 및 레이저를 사용하여 절단한 후 기판의 굽힘 강도를 비교하였다. 레이저 절단의 경우 절단속도를 20 mm/s와 100 mm/s로 하여 굽힘 강도를 비교 평가하였다.
본 실험에서 L은 60 mm, b는 20 mm, h는 1 mm이었다. 굽힘 강도 측정은 6개의 샘플에 대해서 각각 시험을 하여 평균을 하였다. 특히 레이저 절단의 경우 절단 속도를 20 mm/s와 100 mm/s로 각각 진행하여 절단 속도에 따른 굽힘 강도의 변화를 분석하였다.
다음으로 레이저 파워를 변화시키면서 보조 가스의 종류에 따른 절단 후의 세라믹 기판의 절단면을 관찰하였다. Fig.
전술한 바와 같이 본 연구에서 사용된 복합 기판에서는 구리 층의 두께가 세라믹 기판에 비하여 훨씬 얇기 때문에 구리 기판 절단을 위한 최적 조건을 찾기 보다는 세라믹 기판의 최적 절단 조건을 기반으로 하여, 그 중에서 레이저 펄스 반복률과 보조 가스의 종류가 구리 기판 절단 특성에 미치는 영향을 파악하였다. 따라서 Table 2의 세라믹 기판을 절단하기 위한 기본적인 조건에서 레이저 펄스 반복률 및 보조 가스를 변화시키면서 구리 절단면의 특성을 분석하였다. Fig.
복합 기판 중 세라믹 기판이 기판의 대부분을 차지하고 있으며, 세라믹 기판의 절단의 특성은 이종기판의 절단 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 세라믹 기판의 레이저 절단에 초점을 맞춰 중점적으로 분석하였다. 특히 레이저 절단 시의 공정 조건으로 중요하다고 판단되는 인자들에 대한 레이저 절단 특성을 분석하였다.
또한 표면조도 값으로 평균표면조도 Ra(average roughness) 및 Rq(root mean square roughness)을 각각 측정하였다. 또한 광학현미경 및 field emission scanning electron microscope(FESEM) (S4800, Hitach)를 이용하여 표면의 morphology를 분석하였다. 절단된 샘플에 대한 강도 평가를 위하여 3점 굽힘 시험(3-point bending test)을 수행하였으며, 시험은 만능시험기(LR30K, Lloyd instruments)를 이용하여 crosshead speed를 1 mm/min으로 설정하여 시험하였다.
절단면의 표면조도는 레이저를 이용한 비접촉 3차원 측정기(non-contact 3D measuring system) (INSISAF, Insia)를 이용하여 측정하였으며, 주로 절단면의 중간 부분의 4점을 측정하여 평균을 내었다. 또한 표면조도 값으로 평균표면조도 Ra(average roughness) 및 Rq(root mean square roughness)을 각각 측정하였다. 또한 광학현미경 및 field emission scanning electron microscope(FESEM) (S4800, Hitach)를 이용하여 표면의 morphology를 분석하였다.
Copper/ceramic 기판과 silicone/ceramic 복합 기판을 다이싱 saw 및 레이저를 사용하여 절단한 후 기판의 굽힘 강도를 비교하였다. 레이저 절단의 경우 절단속도를 20 mm/s와 100 mm/s로 하여 굽힘 강도를 비교 평가하였다. 3점 굽힘 시험을 이용하여 기판의 굽힘 강도를 측정하였다.
7은 보조 가스의 압력 변화에 따른 세라믹 기판의 절단면의 SEM 사진이다. 보조 가스 압력을 각각 2, 5, 9 bar로 하여 절단을 수행하였다. 보조 가스가 O2, N2 가스일 때 표면의 특성이 좋지 않은 반면, Ar 가스일 때 표면 특성이 가장 우수하였으며, 특히 보조 가스의 압력이 9 bar일 때 표면의 특성이 가장 좋은 절단면을 얻을 수 있었다.
앞서 진행한 단일 기판의 실험을 통하여 각 인자들이 기판의 절단에 미치는 영향을 개략적으로 알 수 있었으며, 이를 통하여 복합 기판의 절단을 위한 레이저 절단의 최적 조건을 설정하여 이종 복합 기판의 레이저 절단을 진행하였다. Table 8은 단일 기판의 절단 특성 평가를 통해 결정된 레이저 절단 공정의 최적 조건을 나타내고 있다.
우선 보조 가스의 종류(Ar, N2, O2)에 따른 영향을 관찰하였으며, 보조 가스의 종류에 따라 절단 속도의 변화를 주면서 세라믹 기판의 절단면을 관찰하였다. Fig.
이종 복합 기판에 대한 레이저 절단 특성을 관찰하기에 앞서 단일 기판에 대한 레이저 절단 특성을 먼저 분석하였다. 복합 기판 중 세라믹 기판이 기판의 대부분을 차지하고 있으며, 세라믹 기판의 절단의 특성은 이종기판의 절단 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
다음에는 구리 단일 기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 찾기 위한 실험을 수행하였다. 전술한 바와 같이 본 연구에서 사용된 복합 기판에서는 구리 층의 두께가 세라믹 기판에 비하여 훨씬 얇기 때문에 구리 기판 절단을 위한 최적 조건을 찾기 보다는 세라믹 기판의 최적 절단 조건을 기반으로 하여, 그 중에서 레이저 펄스 반복률과 보조 가스의 종류가 구리 기판 절단 특성에 미치는 영향을 파악하였다. 따라서 Table 2의 세라믹 기판을 절단하기 위한 기본적인 조건에서 레이저 펄스 반복률 및 보조 가스를 변화시키면서 구리 절단면의 특성을 분석하였다.
또한 광학현미경 및 field emission scanning electron microscope(FESEM) (S4800, Hitach)를 이용하여 표면의 morphology를 분석하였다. 절단된 샘플에 대한 강도 평가를 위하여 3점 굽힘 시험(3-point bending test)을 수행하였으며, 시험은 만능시험기(LR30K, Lloyd instruments)를 이용하여 crosshead speed를 1 mm/min으로 설정하여 시험하였다.
제작된 샘플은 다이싱 saw 및 레이저를 이용하여 각각 절단한 후 절단면의 표면조도 및 표면 morphology를 분석하였다. 절단면의 표면조도는 레이저를 이용한 비접촉 3차원 측정기(non-contact 3D measuring system) (INSISAF, Insia)를 이용하여 측정하였으며, 주로 절단면의 중간 부분의 4점을 측정하여 평균을 내었다. 또한 표면조도 값으로 평균표면조도 Ra(average roughness) 및 Rq(root mean square roughness)을 각각 측정하였다.
제작된 샘플은 다이싱 saw 및 레이저를 이용하여 각각 절단한 후 절단면의 표면조도 및 표면 morphology를 분석하였다. 절단면의 표면조도는 레이저를 이용한 비접촉 3차원 측정기(non-contact 3D measuring system) (INSISAF, Insia)를 이용하여 측정하였으며, 주로 절단면의 중간 부분의 4점을 측정하여 평균을 내었다.
본 연구에서는 chip-on-board(COB) 형태로 패키징된 LED 모듈을 레이저로 초고속 절단하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 특히 기존의 다이싱 saw의 절단 속도를 훨씬 능가하는 100 mm/s로 절단하여, 절단 후의 절단면의 표면 관찰 및 3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강도 등의 측정을 통하여 초고속 레이저 절단의 적용 가능성을 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 세라믹 기판의 레이저 절단에 초점을 맞춰 중점적으로 분석하였다. 특히 레이저 절단 시의 공정 조건으로 중요하다고 판단되는 인자들에 대한 레이저 절단 특성을 분석하였다. 레이저 절단에 영향을 주는 인자들은 여러 가지가 있을 수 있지만, 본 논문에서는 초고속 레이저 절단을 위하여 중요하다고 생각되는 4개의 인자, 즉 레이저 파워, 보조 가스(assist gas)의 종류, 보조 가스의 압력 및 절단 속도에 대해서 그 영향을 파악하였다.
굽힘 강도 측정은 6개의 샘플에 대해서 각각 시험을 하여 평균을 하였다. 특히 레이저 절단의 경우 절단 속도를 20 mm/s와 100 mm/s로 각각 진행하여 절단 속도에 따른 굽힘 강도의 변화를 분석하였다.
대상 데이터
Table 8은 단일 기판의 절단 특성 평가를 통해 결정된 레이저 절단 공정의 최적 조건을 나타내고 있다. 복합 기판으로 copper/ceramic, silicone/ceramic 기판을 각각 사용하였다. 한편 레이저 절단 속도는 본 연구의 목표인 100 mm/s로 설정하였다.
복합 기판의 총 두께는 1 mm이며 그 중 구리 층의 두께는 100 μm, 세라믹 기판의 두께는 900 μm 이다.
본 논문의 레이저 절단을 위하여 사용된 레이저는 파이버 레이저(IPG Photonics 사)로서 레이저의 파장은 1064 nm, 펄스반복 속도(pulse repetition rates)는 5 kHz, 펄스 지속시간(pulse duration)은 10 msec, 최대 펄스 에너지는 30 J이었으며, 최대 출력은 300 W 이었다. 본 연구에서는 PW(pulsed wave) 모드를 사용하였는데, PW 모드는 에너지를 증폭 후 순간적으로 레이저 빔을 출사시키기 때문에 continuous wave 모드에 비해 발생하는 가공 후의 열 손상이 적기 때문이다.
복합 기판의 총 두께는 1 mm이며 그 중 구리 층의 두께는 100 μm, 세라믹 기판의 두께는 900 μm 이다. 샘플의 길이는 100 mm이며, 폭은 20 mm 이다. Silicone/ceramic 기판도 같은 구성으로 되어있으며, silicone층의 두께는 100 μm, 세라믹 기판의 기판은 900 μm 이다.
파이버 코어의 직경은 50 μm이며, 레이저 빔의 집적을 위하여 집속렌즈(focus lens) (Fiber Mini, Laser Mech사)를 사용하였으며, 초점 거리(focal length)는 100 mm, collimation lens의 직경은 35 mm 이다.
성능/효과
그러나 다이싱 절단의 경우 절단 속도가 3 mm/s로 레이저 절단에 비하여 매우 느리고, 레이저 절단면의 표면 morphology가 비교적 균일하고, 표면조도가 다이싱 절단의 경우와 크게 차이가 않기 때문에 어느 정도 만족할 만한 결과를 얻었다고 판단된다. 3점 굽힘 시험을 이용하여 굽힘 강도를 비교한 결과, 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도가 다이싱으로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 동등하거나 약간 열세이었다. 특히 굽힘 강도의 분포가 커서 아직 레이저 공정 조건이 불안정하거나 최적화되지 않았음을 알 수 있다.
특히 O2 가스를 사용한 경우 기판 상부 부분만 레이저 절단되었으며, 하부 절반은 레이저 절단이 되지 않은 상태에서 열응력에 의하여 기판이 깨진 것으로 판단된다. 결론적으로 보조 가스가 O2 일 때에 비하여 Ar, N2 를 사용하였을 때 절단면의 상태가 더 좋은 것을 알 수 있었으며, 그 중에 Ar 가스를 사용하였을 경우가 절단면이 가장 좋음을 알 수 있었다. Table 3은 절단된 세라믹 시편의 표면조도 측정 결과를 나타낸 것이다.
15는 silicone/ceramic 복합 기판에 대한 굽힘 강도를 나타내고 있다. 다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도는 평균 271 MPa이며, 20 mm/s의 속도로 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도는 180 MPa, 100 mm/s의 속도로 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도는 165 MPa이였다. Silicone/ceramic 기판의 경우 레이저 절단된 샘플이 다이싱 saw로 절단된 샘플 보다 굽힘 강도가 낮음을 알 수 있다.
다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도는 평균 173 MPa이며, 20 mm/s의 속도로 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도는 200 MPa, 100 mm/s의 속도로 레이저 절단한 기판의 굽힘 강도는 166 MPa 이다. 다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도와 레이저로 절단된 기판의 굽힘 강도는 크게 차이 나지 않음을 알 수 있었다. 오히려 20 mm/s의 속도로 레이저 절단된 샘플의 굽힘 강도가 다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 높음을 알 수 있었다.
레이저 가공은 비접촉 가공 방식으로서 재료의 강성이나 경도와 무관하게 가공 할 수 있으며, 열 영향을 받는 극소의 부위를 제외하고는 재질 변형에 영향이 거의 없으며, 공구의 마모나 관성에 의한 가공 오차, 소음 등이 발생하지 않는다. 또한 가공 프로그램 작성에서 가공에 이르기까지 자동 조절이 가능하여 생산성을 겸비한 자동화 장비로의 구성이 자유롭고, 가공 중에도 출력, 펄스, 가공 속도 등의 레이저 자체의 성질을 제어 할 수 있다는 장점이 있다.
우선 LED 모듈 기판의 대부분을 차지하고 있는 세라믹 단일기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 분석한 결과, 보조 가스로 Ar 가스의 사용, 레이저 파워가 높을수록, 보조 가스의 압력이 높을수록 절단면의 표면특성이 좋음을 알 수 있었다. 레이저의 절단 조건을 최적화한 후, copper/ceramic 및 silicone/ceramic 복합 기판에 대하여 레이저 절단과 다이싱 saw로 절단한 기판의 절단면을 각각 비교한 결과 레이저로 절단된 기판이 다이싱 saw 절단에 비하여 표면이 거칠고 표면 특성이 좋지는 않다. 레이저 절단면의 평균 표면조도는 약 9 μm 이며, 다이싱 saw로 절단된 절단면의 표면조도는 약 4 μm 이었다.
보조 가스 압력을 각각 2, 5, 9 bar로 하여 절단을 수행하였다. 보조 가스가 O2, N2 가스일 때 표면의 특성이 좋지 않은 반면, Ar 가스일 때 표면 특성이 가장 우수하였으며, 특히 보조 가스의 압력이 9 bar일 때 표면의 특성이 가장 좋은 절단면을 얻을 수 있었다. 이는 Table 5의 표면조도 측정을 통해서도 잘 나타나 있다.
다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도와 레이저로 절단된 기판의 굽힘 강도는 크게 차이 나지 않음을 알 수 있었다. 오히려 20 mm/s의 속도로 레이저 절단된 샘플의 굽힘 강도가 다이싱 saw로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 높음을 알 수 있었다. 즉 레이저의 속도가 낮은 경우 시편에 레이저의 열이 충분히 전달됨으로써 절단 표면 특성이 좋고, 이에 따라 다이싱 saw 절단의 경우 보다 굽힘 강도가 약간 높은 것으로 판단된다.
100 mm/s의 고속으로 레이저 절단된 복합 기판의 절단 특성을 절단면의 표면 morphology, 표면조도 및 3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강도의 측정을 통하여 다이싱 saw로 절단된 기판과 비교하였다. 우선 LED 모듈 기판의 대부분을 차지하고 있는 세라믹 단일기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 분석한 결과, 보조 가스로 Ar 가스의 사용, 레이저 파워가 높을수록, 보조 가스의 압력이 높을수록 절단면의 표면특성이 좋음을 알 수 있었다. 레이저의 절단 조건을 최적화한 후, copper/ceramic 및 silicone/ceramic 복합 기판에 대하여 레이저 절단과 다이싱 saw로 절단한 기판의 절단면을 각각 비교한 결과 레이저로 절단된 기판이 다이싱 saw 절단에 비하여 표면이 거칠고 표면 특성이 좋지는 않다.
위의 결과를 요약하며 copper/ceramic 복합 기판에 대하여 굽힘 강도를 비교한 결과, 레이저 절단한 샘플이 다이싱 saw로 다이싱한 샘플에 비하여 굽힘 강도가 동등하거나, 약간 낮은 수준이었다. 그러나 silicone/ceramic 복합 기판의 경우는 레이저 절단한 샘플이 다이싱한 샘플에 비하여 굽힘 강도가 약간 열세하였다.
8 μm 이었다. 전술한 실험의 결과를 요약하면, 레이저의 절단 정도, 표면 morphology, 표면조도 및 striation 등을 고려할 때 비교적 좋은 절단성을 보여주는 인자의 조건은 보조 가스가 Ar일 때, 레이저 파워가 높을수록(300 W), 보조 가스의 압력이 높을 경우(9 bar) 이었다. 한편 레이저 절단 속도가 느릴 경우가 더 좋은 절단 특성을 보여주었다.
O2 가스의 경우 표면이 용융되면서 절단면 표면에 많은 크랙들이 발생하고, 표면이 매우 불규칙한 형상을 보이고 있다. 절단속도가 80 mm/s로 증가되면 보조 가스의 종류에 관계없이 공통적으로 레이저 펄스에 의한 반복적인 레이저 절단 자국이 생성되었으며, 기판 하부에는 레이저 절단이 완전히 진행되지 않았음을 알 수 있다. 특히 O2 가스를 사용한 경우 기판 상부 부분만 레이저 절단되었으며, 하부 절반은 레이저 절단이 되지 않은 상태에서 열응력에 의하여 기판이 깨진 것으로 판단된다.
후속연구
향후 silicon/ceramic 복합 기판에 대한 레이저 절단의 조건을 좀 더 최적화 할 필요가 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 100 mm/s의 고속으로 레이저 절단된 복합 기판의 절단 특성은 절단면의 표면 특성, 표면조도 및 굽힘 강도 등을 비교하였을 때, 다이싱 saw를 사용한 경우보다 약간 열악하지만, 향후 레이저의 절단 조건이 좀 더 최적화되고, 다른 인자들 가령 샘플과 노즐과의 거리, 보조 가스의 유량 등이 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 절단도 가능할 것으로 판단된다.
그 이유는 실리콘은 폴리머로서 레이저 절단 시에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였기 때문이다. 그러나 굽힘 시험의 결과로 판단할 때 silicone/ceramic 기판의 레이저 절단 공정 조건의 최적화도 향후 필요함을 알 수 있었다.
특히 굽힘 강도의 분포가 커서 아직 레이저 공정 조건이 불안정하거나 최적화되지 않았음을 알 수 있다. 그러나 향후 레이저의 공정 조건이 충분히 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 절단도 가능할 것으로 판단된다.
Silicone/ceramic 기판의 경우 레이저 절단된 샘플이 다이싱 saw로 절단된 샘플 보다 굽힘 강도가 낮음을 알 수 있다. 본 연구에서는 silicone/ceramic 복합 기판에 대한 레이저 공정 조건의 최적화를 수행하지는 않았다. 그 이유는 실리콘은 폴리머로서 레이저 절단 시에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였기 때문이다.
반면에 O2 가스를 사용할 경우 표면조도가 매우 높음을 알 수 있었다. 한편 Ar 가스를 사용하였을 경우 표면 특성이 우수한지에 대한 것은 현재로서는 명확하지 않으며 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 silicone/ceramic 복합 기판의 경우는 레이저 절단한 샘플이 다이싱한 샘플에 비하여 굽힘 강도가 약간 열세하였다. 향후 silicon/ceramic 복합 기판에 대한 레이저 절단의 조건을 좀 더 최적화 할 필요가 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 100 mm/s의 고속으로 레이저 절단된 복합 기판의 절단 특성은 절단면의 표면 특성, 표면조도 및 굽힘 강도 등을 비교하였을 때, 다이싱 saw를 사용한 경우보다 약간 열악하지만, 향후 레이저의 절단 조건이 좀 더 최적화되고, 다른 인자들 가령 샘플과 노즐과의 거리, 보조 가스의 유량 등이 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 절단도 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PW 모드의 특징은 무엇인가?
본 논문의 레이저 절단을 위하여 사용된 레이저는 파이버 레이저(IPG Photonics 사)로서 레이저의 파장은 1064 nm, 펄스반복 속도(pulse repetition rates)는 5 kHz, 펄스 지속시간(pulse duration)은 10 msec, 최대 펄스 에너지는 30 J이었으며, 최대 출력은 300 W 이었다. 본 연구에서는 PW(pulsed wave) 모드를 사용하였는데, PW 모드는 에너지를 증폭 후 순간적으로 레이저 빔을 출사시키기 때문에 continuous wave 모드에 비해 발생하는 가공 후의 열 손상이 적기 때문이다. 파이버 코어의 직경은 50 μm이며, 레이저 빔의 집적을 위하여 집속렌즈(focus lens) (Fiber Mini, Laser Mech사)를 사용하였으며, 초점 거리(focal length)는 100 mm, collimation lens의 직경은 35 mm 이다.
레이저 파워와 보조 가스의 종류에 따라 절단 후의 세라믹 기판 절단면은 어떤 모습을 보이는가?
또한 기판의 하부는 크랙에 의하여 깨진 형상을 볼 수 있다. Ar, N2 가스일 때는 레이저 파워가 높을수록 표면의 형상이 매끄러운 것을 알 수 있다. 또한 Ar 가스를 사용하였을 경우, N2 가스 보다 표면 특성이 좋은 것을 알 수 있다. 반면 O2 가스를 사용한 경우 전체적으로 표면의 특성이 좋지 않고 레이저 파워 증가에 따른 표면의 특성에는 큰 변화가 없었다. 전체적으로 레이저 파워가 증가함에 따라 레이저 절단이 잘 되고 있는 것을 알 수 있는데 이는 레이저 파워를 증가함으로써 레이저 절단 속도를 향상시킬 수 있다는 기존의 연구 결과14)와 유사한 결과이다. 이러한 특성은 Table 4의 표면조도 측정을 통하여서도 잘 나타나고 있는데, Ar 가스를 사용하고, 레이저 파워 300 W에서 표면조도 값이 가장 적은 것을 알 수 있다.
블레이드를 이용한 다이싱 방법에 요구되는 것은 무엇인가?
현재 반도체, 디스플레이 분야에서는 주로 다이아몬드 saw 블레이드를 이용하는 다이싱(dicing) 방법이 칩을 절단하는데 사용되고 있다. 그러나 블레이드를 이용한 다이싱 방법은 블레이드의 두께에 의한 커팅 마진 (cutting margin)이 요구되고 커팅 시 발생하는 마찰열을 감소시키기 위하여 물 분사를 할 경우, 물 및 오염 물질 등이 가공물에 부착되는 것을 방지하기 위한 캡핑(capping) 등의 보호 장치가 요구된다. 또한 블레이드의 마모로 인한 비용도 무시할 수 없다.
참고문헌 (15)
W. H. Kang, "Micromachining & Optical Properties of $Li_2OA1_2O_3-SiO_2$ Glass System by Laser Treatment", J. Microelectron. Packag. Soc., 8(4), 43 (2001).
J. H Lee, J. T. Moon, W. Y. Kim, and Y. S. Kim, "COG(chipon- glass) Mounting using a Laser Beam Transmitting a Glass Substrate", J. Microelectron. Packag. Soc., 8(4), 1 (2001).
Y. K. Min, and J. W. Byeon, "Evaluation of Flexural Strength of Silicon Die with Thickness by 4 Point Bending Test", J. Microelectron. Packag. Soc., 18(1), 15 (2011).
X. C. Wang, and H. Y. Zheng, "High Quality Laser Cutting of Electronic Printed Circuit Board Substrates", Circuit World, 35(4), 46 (2009).
A. Riveiro, F. Quintero, F. Lusquinos, R. Comesana, and J. Pou, "Parametric Investigation of $CO_2$ Laser Cutting of 2024- T3 Alloy", J. Mater. Proc. Technol., 210(9), 1138 (2010).
D. Araujo, F. J. Carpio, D. Mendez, A. J. Garcia, M. P. Villar, R. Garcia, D. Jimenez, and L. Rubio, "Microstructural Study of $CO_2$ Laser Machined Heat Affected Zone of 2024 Aluminum Alloy", Appl. Surf. Sci., 208-209, 210 (2003).
M. J. Tsai, and C. H. Li, "The Use of Grey Relational Analysis to Determine Laser Cutting Parameters for QFN Packages with Multiple Performance Characteristics", Opt. Laser Technol., 41(8), 914 (2009).
F. Quintero, J. Pou, F. Lusquinos, M. Boutinguiza, R. Soto, and M. Perez-Amor, "Quantitative Evaluation of the Quality of the Cuts Performed on Mullite- alumina by Nd:YAG Laser", Opt. Lasers Eng., 42(3), 327 (2004).
C. Li, S. Nikumb, and F. Wong, "An Optimal Process of Femtosecond Laser Cutting of NiTi Shape Memory Alloy for Fabrication of Miniature Devices", Opt. Lasers Eng., 44(10), 1078 (2006).
C. H. Li, and M. J. Tsai, "Multi-objective Optimization of Laser Cutting For Flash Memory Modules with Special Shapes using Grey Relational Analysis", Opt. Laser Technol., 41(5), 634 (2009).
E. K. Illy, M. Knowles, E. Gu, and M. D. Dawson, "Impact of Laser Scribing for Efficient Device Separation of LED Components", Appl. Surf. Sci., 249(1-4), 354 (2005).
A. Riveiro, F. Quintero, F. Lusquinos, R. Comesana, and J. Pou, "Effects of Processing Parameters on Laser Cutting of Aluminium-copper Alloys using Off-axial Supersonic Nozzles", Appl. Surf. Sci., 257(12), 5393 (2011).
A. Riveiro, F. Quintero, F. Lusquinos, R. Comesana, J. del Val, and J. Pou, "The Role of the Assist Gas Nature in Laser Cutting of Aluminum Alloys", Phys. Procedia., 12, 548, (2011).
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