[논문]레이저를 이용한 FPCB의 고속절단공정

신동식; 이제훈; 남기중; 손현기; 백병만

문제 정의

본 논문에서는 레이저 가공의 문제점인 R-FPCB에서의 낮은 생산성과 열영향을 보완하기 위한 실험내용을 다루고 있으며 극초단펄스 레이저와 일반 UV레이저를 이용하여 FPCB의 기반재료인 FCCL(Flexible Copper Clad Laminate)를 절단하며 생산성 및 열영향을 비교하고 있다.
본 실험은 R-FPCB의 레이저 가공시 발생했던 문제점인 낮은 생산성과 열영향을 개선하기 위한 새로운 공정에 대한 시도로서 UV레이저 및 피코초 레이저의 가공공정비교에 초점을 맞추고 있다. FPCB의 가공시 열적영향을 최소화하기 위해서 본 실험에서는 피코초레이저(RAPID, Lumeralaser GmbH)를 사용하였으며 12X10^-12초의 펄스폭으로서 355 nm 파장의 UV레이저 빔을 최대 평균출력 2W(첨두출력: 수 TW/cm²)까지 조사가 가능하다.

제안 방법

본 실험은 R-FPCB의 레이저 가공시 발생했던 문제점인 낮은 생산성과 열영향을 개선하기 위한 새로운 공정에 대한 시도로서 UV레이저 및 피코초 레이저의 가공공정비교에 초점을 맞추고 있다. FPCB의 가공시 열적영향을 최소화하기 위해서 본 실험에서는 피코초레이저(RAPID, Lumeralaser GmbH)를 사용하였으며 12X10^-12초의 펄스폭으로서 355 nm 파장의 UV레이저 빔을 최대 평균출력 2W(첨두출력: 수 TW/cm²)까지 조사가 가능하다. 또한 나노초 UV레이저로서는 JDSU사 Q302-HB를 사용하였으며 80X10^-9초의 펄스폭으로서 피코초레이저에 비해 펄스폭이 긴단점이 있으나 평균출력을 최대 10 W 까지 조사 가능한 레이저를 사용하였다.
본 실험에서는 피코초 레이저와 나노초 레이저 그리고 355nm와 532nm의 파장에 따른 생산성 및 열영향을 비교 하고 있다. 피코초와 나노초레이저의 비교에서 동일한 첨두출력을 형성시키기 불가능하며 동일한 평균출력을 맞추기 위해 나노초레이저의 출력을 낮출경우 가공이 되지 않는 문제가 있어 각 레이저의 최고출력에서 비교실험을 진행하였다.
본 실험에서는 피코초 레이저와 나노초 레이저 그리고 355nm와 532nm의 파장에 따른 생산성 및 열영향을 비교 하고 있다. 피코초와 나노초레이저의 비교에서 동일한 첨두출력을 형성시키기 불가능하며 동일한 평균출력을 맞추기 위해 나노초레이저의 출력을 낮출경우 가공이 되지 않는 문제가 있어 각 레이저의 최고출력에서 비교실험을 진행하였다.

대상 데이터

FPCB의 가공시 열적영향을 최소화하기 위해서 본 실험에서는 피코초레이저(RAPID, Lumeralaser GmbH)를 사용하였으며 12X10^-12초의 펄스폭으로서 355 nm 파장의 UV레이저 빔을 최대 평균출력 2W(첨두출력: 수 TW/cm²)까지 조사가 가능하다. 또한 나노초 UV레이저로서는 JDSU사 Q302-HB를 사용하였으며 80X10^-9초의 펄스폭으로서 피코초레이저에 비해 펄스폭이 긴단점이 있으나 평균출력을 최대 10 W 까지 조사 가능한 레이저를 사용하였다. 사용된 실험재료로서는 FCCL로서 FPCB를 구성하고 있는 주요 구성 재료이다.
또한 나노초 UV레이저로서는 JDSU사 Q302-HB를 사용하였으며 80X10^-9초의 펄스폭으로서 피코초레이저에 비해 펄스폭이 긴단점이 있으나 평균출력을 최대 10 W 까지 조사 가능한 레이저를 사용하였다. 사용된 실험재료로서는 FCCL로서 FPCB를 구성하고 있는 주요 구성 재료이다. 연성동박적층필름(FCCL:Flexible Copper Clad Layer)은 휴대폰·LCD 등에 주로 쓰이는 연성회로기관(FPCB)의 핵심 소재로서 FCCL에 에칭 등을 통해 필요한 회로를 형성하면 FPCB가 된다.
일반 PCB에 쓰이는 동박적층판(CCL)과 달리 두께가 얇고 유연해 소형·경박단소화 추세의 디지털 기기를 중심으로 사용이 늘고 있다. 원재료인 폴리이미드(PI)필름과 동박을 점착층을 사이에 두고 붙이는 3층 FCCL로 구성된다.

성능/효과

Fig.4와 Fig. 5는 피코초 355nm, 532nm(0.6~4.4W)와 나노초 355nm(8W)의 단위길이당 주입에너지 및 절단속도를 비교하고 있는 그래프로서 실험결과 실험결과: 피코초 532nm(8W)에 비해 3배의 단위길이당 에너지를 필요하고 나노초 355nm(8W)에 비해 가공속도는 약 7배 늦어지는 현상이 발견되었다. 그러나 가공품질 측면에서는 피코초 532nm(1.
4W)와 나노초 355nm(8W)의 단위길이당 주입에너지 및 절단속도를 비교하고 있는 그래프로서 실험결과 실험결과: 피코초 532nm(8W)에 비해 3배의 단위길이당 에너지를 필요하고 나노초 355nm(8W)에 비해 가공속도는 약 7배 늦어지는 현상이 발견되었다. 그러나 가공품질 측면에서는 피코초 532nm(1.8~3.9W)를 이용하여 FCCL을 절단하는 경우 355nm(0.6W)에 비해 가공속도는 약 3배 빨라진다는 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험에서 내릴 수 있는 결론은 나노초 레이저는 피코초 레이저의 경우에 비해 가공속도가 빨라 상품화에 적합하여 현공정에는 적합하다. 피코초 레이저는 나노초 레이저에 비해 용융물이 적게 발생하여 다층/고집적화에 적합하나 출력이 낮은 단점이 있어 차세대 공정으로 적합하다고 판단된다.
실험결과 단위길이당 주입엔지는 나노초레이저(8W)의 경우 피코초레이저(0.6W)에 비해 적은 에너지가 주입되었고 절단 속 도는 나노초레이저(8W)는 피코초 (0.6W)에 비해 15배 빠른 절단시간을 가진다는 것을 알 수 있었다. 그렇지만 열영향에 있어서는 피코초 레이저의 경우 나노초의 경우에 비해 열적 영향이 적어 정밀전단에 유리하다는 것을 보여주고 있다.

후속연구

피코초 레이저는 나노초 레이저에 비해 용융물이 적게 발생하여 다층/고집적화에 적합하나 출력이 낮은 단점이 있어 차세대 공정으로 적합하다고 판단된다. 그렇지만 향후 10W이상의 고출력 피코초 레이저가 도입된다면 다층기관에 적용 하여 생산성을 충분히 높일 수 있을 것으로 판단한다.

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