PCB 제조공정에서 UV 레이저 드릴의 기술 개선

UV 레이저 드릴의 기술 개선: PCB 제조 공정

ULTRAVIOLET LASERS: UV laser's drilling improves PCB manufacturing processes

11/01/2012

 

고 밀도, 초소형을 향해가는 PCB 디자인의 추세는 첨단 가전 제품에 대해 빠르게 성장하는 시장을 지원하기 위해 필수적이며, 결과적으로 가장 진보된 UV DPSS 레이저 시스템에 의해 충족하는 새로운 레이저 처리 능력을 필요로 한다.

인쇄 회로 기판 (PCB)의 디자인은 각종 성능과 소형화를 촉진하기 위해 전기적인 성능의 한계를 밀고 있는 장치인 스마트 폰, 태블릿 및 GPS 장치들과 같은 소비자 전자 제품에 대한 특정 집적 회로 (IC) 제조의 지속적인 발전으로, 장치와 연결에 필요한 접속 핀 수와 집적 밀도가 지속적으로 증가하고 있다.

이러한 경향은 작은 직경의 마이크로 비아 고밀도 상호 접속 (HDI) 패턴을 포함하여, 작고 조밀한 PCB 기능에 대한 필요성을 증가시킨다. 또한, 볼 그리드 어레이 (BGA) 및 칩 스케일 패키징 (CSP)에서 멀티 칩 모듈 (MCM) Package 진보는 웨이퍼 레벨 처리로 크기의 감소가 계속되고 있다.

이러한 설계의 재질 처리 요구 사항을 충족하기 위해, 자외선 (UV) 레이저는 증가하는 응용을 찾을 가능성이 높다. UV 레이저의 에너지는 광자 흡수에 의해 깨끗하게 다양한 물질을 어블레이션하고, 단파장을 집광하는 미세 기능과 높은 강도는 모든 가공에서 유용하다.

 

레이저 비아 홀 드릴 Laser via drilling

PCB 제조에서 비아 홀 드릴은 레이저 응용의 관문이다. 1980년 후반에서 1990년 전반에 구현된, 레이저의 기능은 급속하게 "블라인드 비아" - PCB에서 미리 정의된 길이에서 끝나는 - PCB 제조를 위한 붐을 이루었다. 적층된 빌드 업 공정 진행과 결합하여, 상기 수축 반도체 디바이스의 다층 PCB 아키텍처를 가능하게 하는 제조 기술은 계속 필요했다.

고밀도 패키징 애플리케이션을 위한 작은 직경 블라인드 비아에 대한 필요성이 증가하여, 레이저는 빠르게 성장하는 시장을 만들었다. 관통 비아는 두꺼운 PCB를 전형적으로 기계적으로 드릴되고, CO2 레이저는 큰 직경의 블라인드 비아에 사용되지만, 가장 진보된 PCB 구조에서 작은 직경의 마이크로 비아는 나노초 펄스, Q switched 다이오드 펌프 고체 (DPSS) 자외선 레이저 (355nm) 파장으로 생성된다.

통상, 블라인드 비아 드릴링 애플리케이션은 빌드업 수지의 수십 ㎛을 제거하는 것을 포함 (예를 들어, 아지노모토 ABF 또는 빌드업 막) 하부 구리 층을 노출시킨다.

CO2 레이저 ~ 10μm의 파장은 상당히 밀접하게 집중하는 능력에 대하여 도전하고, 비교적 큰 용융으로 추가 과제를 제시 할 수 있다. 이에 비하여, 50~60μm의 이하 비아의 경우, 깨끗한 광 커팅은 고품질 355nm의 짧은 나노초 Q switched 펄스로 용융 없는 미세 가공 (도. 1 참조)을 할 수 있다.

 

 

FIGURE 1. ABF 표면 보기 (a) 구리 기판 보기 (B) GX 시리즈 축적 필름에 ~60μm 직경 블라인드 비아. 짧은 나노초 펄스와 최적화 된 공정은 도금에 적합한 구리 표면을 남긴다.

 

마이크로 비아는 355 nm 파장의 강한 흡수 때문에, 이 애플리케이션은 아주 높은 펄스 에너지를 필요로 하지 않는다; 단지 수 마이크로 주울 만으로 충분하다. 그러나, 최적화되지 않은 프로세스는 후속 도금에 적합하지 않은 구리 표면을 남기는 불량한 결과를 얻을 수 있다. 최상의 드릴 품질은 짧은 나노초 레이저 펄스와 탑햇 빔으로 구리 도금 층의 밀착성을 보장하는 것이 중요하다 모두 노출된 구리 표면과 최소한의 측벽 테이퍼로 최소한의 손상/산화의 결과로 사용된다.

도1은 고품질의 마이크로 비아 [50㎑의 펄스 반복 주파수 (PRF)에서 5W]을 스펙트라 피직스 355-5 레이저는 약 500holes/ sec의 처리량을 달성하며, 드릴링 도구를 사용할 수 있는 높은 파워 UV 레이저 Pulseo 355 20W는 비아 직경 수지의 두께에 따라 2,000holes/sec 이상의 처리량에 접근한다.

블라인드 마이크로 비아 드릴링을 위하여 355nm의 Q switched DPSS 레이저의 기본 비아 드릴링 적용하지만, 높은 파워 UV 레이저의 최근 발전은 두껍고 강성 PCB에 더 큰 직경의 비아에 대한 가능성을 보이고 있다. 이 자료는 종종 에폭시 수지와 함께 유리 섬유, 너무 높은 펄스 에너지와 짧은 펄스 폭이 유용이 포함되어 있다. 예를 들어, 355-20 Pulseo UV 레이저가 최근에 2.3mm 두께의 Cu FR4 재질에 200μm 직경의 비아 드릴링을 위해 사용 하였다 (도(2) 참조).

 

 

FIGURE 2. 입구(a),  출구(b), 높은 종횡비, 200μm의 직경, 2.3 mm 두께의 Cu FR4 보드 관통 레이저 드릴; 드릴 속도는 10 비아/sec이다.

 

도 (2)는 10vias/초 이상의 속도로 고객의 요구보다 2.5× 빠르게 드릴했다. 또한 달성된 높은 종횡비는 2.3mm 두께 위에 불과 5μm 차이인 출구 대 입구 구멍 직경 차이로, 89.93° 의 측벽 각도로 통해 거의 완벽한 원통형으로 형성된다.

높은 처리량 대 구경 낮은 테이퍼 구멍을 달성하기 위해, 다중 스캔 Trepan 루틴은 2 축 스캐너 갈바 시스템 및 짧은 초점 길이 F-Theta 렌즈를 사용하였다. 또한, 정밀한 포커스 위치 제어부는 절단 공정에 걸쳐 위치를 결정하는 고 부하 베아링 선형 스테이지는 뉴포트 IMS-V 시리즈가 제공되었다.

 

레이저 직접 패터닝 고밀도 회로 Laser-direct patterning for HDI

UV DPSS 드릴링은 PCB 제조에서 작고 조밀한 마이크로 배선 패턴을 형성을 지원하고있다. 이러한 목적을 위해, UV 레이저의 정밀 기계 가공 성능은 배선의 직접 패턴이 활용되고 있다. 현재 기술은 상대적으로 낮은 파워와 펄스 에너지의 레이저로 후속 화학적 에칭을 위한 레지스트 재료 상에 배선 패턴을 노광하는 레이저 직접 묘화 (LDI) (4)를 포함한다.

가 이제 더 추가 에칭 프로세스가 없다 [도 레이저 직접 절제 (LDA)이라고도] LDP에서 차세대 HDI의 제조. 레이저 직접 패터닝 (LDP)에 높은 파워의 UV 레이저 적용에 노력을 증가하여; 오히려, 높은 세기의 레이저 펄스는 실제로 연속적인 구리 증착에 적합한 깊이와 폭으로 수지 재료의 홈 어블레이션에 사용된다. LDP 처리는 용이하며, 거리, 폭, 미래 수축 가능성이 20㎛ 이하 (도3 참조) -a 번호 배선 간격을 생성 할 수 있다.

 

FIGURE 3. 20μm의 크기 (폭, 깊이, 피치)와 수지의 레이저 직접 패터닝 홈의 예 (a)는 광학 현미경 및 (b) 3차원 광학 프로파일 측정 및 분석.

 

도3은 초당 미터 처리 속도의 결과로, 스캔, 단단히 집중 가우시안 빔을 직접 절제 하였다. 이 방법은 높은 PRF에서 고출력 레이저는 예 250-500 ㎑의 PRF, 높은 파워 및 펄스 에너지 안정성을 제공 Pulseo 355 터보 레이저는 좋은 해결책이다.

구성 및 병렬 분할 빔 처리의 가능성을 고려하여 빔 전달 시스템에 따라 등 - 20W의 출력 파워는 5m/s 이상의 속도로 20μm의 치수 LDP 기능을 처리 할 수 있다. 이상의 축합 빔이 이용 될 수 있기 때문에 더 적은 에너지가 같은 에너지 밀도를 달성하기 위해 요구되도록 미래의 작은 피처 크기에 대하여, 상당히 높은 속도가 가능하다.

 

레이저 커팅 인쇄 회로 낱개 분리 PCB de-paneling

자외선 레이저는 백엔드 PCB 처리에 사용된다. 특히 PCB 패널-작업에서 알려져 있는 마무리 작업은 디-패널이다. 종래의 방법들은 기계적인 라우팅 비트를 사용하는 것이다. 그러나, 제조자는 디 패널링 처리량을 증가시키고 소모품의 비용을 감소하고자 한다. (도. 4 참조)

 

 

FIGURE 4. 개별 보드와 PCB 패널이 함께 연결된, 레이저 de-paneling 프로세스.

 

CO2 레이저는 어떤 역 패널링 작업에 적합하지만, 종종 탄화 또는 절단면의 탄화로 상당량을 남긴다. 많은 애플리케이션의 경우, 이것은 받아 들일 수 없는 것이다. 카본은 제품에 전성 흡습 할 수 있기 때문에 예를 들어, 성능의 관점에서 문제점이 장치 오류의 결과로 발생한다. 휴대폰 핸즈프리 블루투스 등 - 또한, 탄소 화합물은 제품이 사용자의 얼굴 가까이 있는 애플리케이션에는 적합하지 않다.

최근, 얇은 경질 PCB 재질의​해제 패널을 포함하여, 다양한 PCB 프로세스에 대하여, 녹색(532㎚) 파장 Q switched DPSS 레이저는 좋은 능력을 증명하고 있다.

그러나, 두꺼운 PCB의 최고 품질의 결과를 위해, 툴 공급 업체는 355nm의 Q-switched DPSS 레이저를 찾고 있다. 이러한 레이저는 현재 파워 레벨 및 대량 PCB 생산의 요구에 부합되는 안정성 및 가격으로 제공되고 있다. 이러한 레이저는 주의 깊은 공정 최적화로 탄소 부산물의 형성을 최소화 하거나 완전히 회피할 수 있다. (도. 5 참조)

 

 

FIGURE 5. 부적절한 처리 수율 심한 탄화 (a), 매우 깨끗한 컷 최고 품질의 결과를 위한 프로세스를 최적화 (b).

 

도5의 디-패널링 예는 온도와 습도 극한의 종종 가혹한 환경에서 작동해야 하는 자동차 응용 분야이다. PCB의 디바이스 기판은 Pulseo 355-20 레이저로 디-패널 하였다. 레이저의 짧은 나노초 펄스 폭과 가변 펄스 주파수는 재질 내로 제어 된 열 입력을 허용한다. 많은 응용 프로그램과 마찬가지로, 처리량과 품질 사이의 트레이드 오프가 있다. 최고의 처리량, 지속적인 빠른 스캔 몇 초에서 링크를 통하지만 증가되는 탄화 (그림. 5A 참조)로 절단된다.

한편, 가장 좋은 품질의 절단을 원하는 경우, 프로세스는 더 낮은 처리량으로 탄화 산출 냉각 지연을 도입함으로써 감소된다 (도 5 참조.도 5b).

결과가 특정 애플리케이션의 요구에 따라 고품질 대 처리량의 스펙트럼을 따라 원하는 위치로 하강되도록 355 파장 짧은 나노 - 초의 펄스 폭을 갖는 최종 사용자는 조정 처리를 하는 기능을 갖는다.

 

본 문서는 스펙트라 피직스의 자료이며, PCB 제조 공정에서의 UV 레이저 기술 개선을 소개할 목적으로 번역한 것임.

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