고속 고정밀 PCB제조를 위한 진보된 UV 레이저

 

고속 고정밀 PCB제조를 위한 진보된 UV 레이저

Advanced UV Lasers for Fast and High-Precision PCB Manufacturing

by Jim Bovatsek of Spectra-Physics, The PCB Magazine • November 2016

 

 

UV 레이저 개요 Introduction

30년 이상, 레이저는 PCB 제조에 중요한 역할을 담당해 왔다. 전자 장치가 점점 소형화되는 것은 우연이 아니다. 기계적 도구보다 훨씬 작은 레이저 광선을 딱 맞게 초점을 맞출 수 있는 능력은 이러한 조밀하고 컴팩트한 회로의 원동력이었다. 드릴링 및 라우팅 비트와 같은 소모품을 제거하면 제조 비용이 절감된다.

For more than 30 years, lasers have played a significant role in the manufacturing of PCBs. It is not a coincidence that electronic devices have, at the same time, become increasingly miniaturized. The ability to tightly focus a laser beam much smaller than a mechanical tool has been an enabler of such dense, compact circuitry; and the elimination of consumables such as drilling and routing bits has reduced manufacturing costs.

 

수년에 걸친 주력 레이저 기술은 CO2 레이저로, 다양한 적용 분야에 안정적이고 비용 효율적인 파워를 제공했다. PCB 제조에서 가장 눈에 띄는 레이저 공정은 구리 기판의 전기적으로 절연된 유전체 층을 관통하는 홀을 레이저로 드릴링하는 비아 드릴링 (via drilling)이다.

The workhorse laser technology over the years has been the carbon dioxide (CO2) laser, which has provided manufacturers with reliable, cost-effective power for various applications. The most identifiable laser process in PCB manufacturing is what is referred to as via drilling, which involves laser drilling a hole through an electrically insulating dielectric layer on a copper substrate.

 

 일반적으로, 기판의 내층에 형성되는, 홀은 블라인드-비아이고; 또한 홀을 뚫은 경우 관통-비아 이다. 약 150um 이하의 직경을 갖는 매우 작은 홀은 일반적으로 마이크로-비아 (micro-vias)라고 불린다. 후속 공정에서 구리 도금 단계 이후에, 유전층을 통한 전기적 상호 접속이 형성된다. 이러한 비아-홀들은 다양한 2차원 구성으로 배치하고 3차원을 도입하기 위한 추가 빌드-업, 드릴링 및 도금 단계를 구현함으로써 오늘날의 강력한 소형 전자 장치의 고밀도 인터커넥트 (HDI) 및 패키징 기판의 요구를 충족시킨다.

Generally, if the substrate is left intact, the hole is a blind-via; if it is also drilled through, it is a through via. Very small holes having diameters below about 150micrometers are commonly referred to as micro-vias. After a subsequent copper plating step, an electrical interconnection through the dielectric layer is formed. By arranging these vias in various two-dimensional configurations and by implementing additional build-up, drilling, and plating steps to introduce a third dimension, the high-density interconnect (HDI) and packaging needs of today’s powerful yet compact electronic devices are satisfied.

 

소형화 Making it Smaller

언제나 그렇듯이, 소형 모바일 기기, 소형 마이크로 칩, 소형 전자 제품 패키지 등에는 상호 연결시키는 마이크로 비아가 필요하다. CO2 레이저로 드릴된 비아는 일반적으로 광선의 파장이 길기 때문에 빔이 얼마나 집중 될 수 있는지에 직접적인 영향을 미치기 때문에 일반적으로 직경이 60~80μm 이상으로 제한된다. 더 작은 비아 크기가 기술적으로 달성 될 수는 있지만 전반적인 프로세스 복잡성 (따라서 비용)이 높아 지므로 비즈니스 기회는 빠르게 사라진다.

As always there is a mandate for smaller: smaller mobile devices, smaller microchips, smaller electronics packages, and smaller interconnect vias. Vias drilled with CO2 lasers are generally limited to diameters of 60~80μm or larger due to the long (~10μm) wavelength of the light, which has a direct bearing on how small the beam can be focused. While smaller via sizes can technically be achieved, the business case quickly vanishes due to higher overall process complexity (and therefore cost).

 

여기서 단파장 펄스 UV (UV) 다이오드 펌핑 고체 상태 (DPSS) 레이저 기술은 그림과 같이 보여준다. 짧은 UV 파장 - CO2 파장에 비해 약 30배 짧은 - 점점 더 작은 마이크로 비아의 제조에 필요한 작은 크기에 집중할 수 있다. 1990년대 중반 이후 나노초 (ns)의 펄스 지속 시간을 갖는 펄스형 UV DPSS 레이저는 산업/OEM을 위해 상업적으로 이용 가능하다. 기술 초기에는 상대적으로 높은 비용과 신뢰성 문제로 인해 호소력이 제한적이었지만, 오늘날의 제품은 두 영역 모두에서 크게 개선되었다. 사실 지난 10년 동안 이러한 레이저의 와트 당 비용은 몇 배 떨어졌으며 제품 수명이 극적으로 향상되었으며, 경우에 따라 고출력 수준에서 2만시간을 초과했다.

Here is where shorter-wavelength pulsed ultraviolet (UV) diode-pumped solid-state (DPSS) laser technology enters the picture. The short UV wavelength—about 30 times shorter compared to CO2 wavelengths—can easily be focused to the small sizes necessary for the fabrication of increasingly small micro-vias. Since the mid-1990s, pulsed UV DPSS lasers with nanosecond (ns) pulse durations have been commercially available for industrial/OEM use. While during the early days of the technology the relatively high cost and troubling reliability issues limited their appeal, today’s products are vastly improved in both areas. Indeed, over the past decade, the cost per Watt for such lasers has fallen by an order of magnitude, and product lifetimes have improved dramatically, in some cases surpassing 20,000 operating hours at high power levels.

 

현재의 UV DPSS 레이저 기술 Today’s UV DPSS Laser Technology

일반적으로 UV DPSS 레이저는 ~ 1mm의 기본 적외선 (IR) 파장에서 고출력 레이저 소스로 시작하여 비선형 광학 결정에 초점을 맞추어 고조파 변환으로 알려진 UV 출력을 생성한다. IR 대 UV 변환 효율은 다른 요인들 중에서도 IR 펄스 에너지에 의존한다. 펄스 에너지는 레이저의 평균 파워를 펄스 주파수 또는 펄스 반복 주파수 (PRF)로 나눈 것과 같다. 적외선 파장의 경우 평균 파워는 특정 주파수보다 상대적으로 일정하므로 PRF가 높으면 펄스 에너지가 낮아지고 그 반대의 경우도 마찬가지다. 변환된 UV에 관해서, 최대 평균 파워는 레이저의 설계에 의해 특정 값이 결정되는 소정의 공칭 주파수 PRFnom에서 달성된다. IR 펄스 에너지, 따라서 IR 대 UV 변환 효율이 감소하기 때문에, 더 높은 PRF에서의 작동으로 UV 파장에서의 평균 파워는 감소한다.

Typically, a UV DPSS laser begins with a high power laser source at a fundamental infrared (IR) wavelength of ~1mm which is focused into nonlinear optical crystals to generate the UV output, a phenomenon known as harmonic conversion. The IR to UV conversion efficiency is dependent on the IR pulse energy, among other factors. The pulse energy is equal to the laser’s average power divided by the pulsing frequency or pulse repetition frequency (PRF). For IR wavelengths, the average power is relatively constant above some particular frequency, and therefore higher PRFs result in lower pulse energies, and vice-versa. As for the converted UV light, the maximum average power is achieved at some nominal frequency, PRFnom, the specific value of which is determined by the design of the laser. The average power at the UV wavelength decreases with operation at higher PRFs since the IR pulse energy, and hence the IR to UV conversion efficiency, diminishes.

 

면밀한 레이저 설계 고려 사항을 통해 넓은 범위의 작동 PRF에 대해 높은 UV 출력 수준을 유지할 수 있다면 최종 사용자에게 높은 수준의 가공 유연성을 제공한다. 높은 에너지를 사용하여 큰 피처 및 깊은 절삭을 가공 할 수 있지만 정밀 드릴링, 절삭 및 미세 가공에 보다 낮은 에너지가 필요한 경우 높은 PRF 레벨에서의 작업을 사용하여 처리량을 비례 적으로 조정할 수 있다. 요컨대, 확장된 PRF 범위에 대해 상대적으로 높은 출력 레벨을 갖는 능력은 큰 적용 공간을 가진 매우 유연한 공구를 만들 것이다. 그리고 하나의 레이저가 이 연속체에서 작동 할 수 있다면 툴 빌더는 단일 장비 인터페이스 (기계, 전기, 광학, 통신)와 단일 장비 공급 업체 (대량 주문으로 유닛 당 비용 절감)를 모두 갖춘 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

If elevated UV power levels can be maintained for a wide range of operating PRFs through a careful laser design consideration then this offers a high level of machining flexibility for the end user. Higher energies can be used to machine large features and deep cuts, but if lower energies are required for precision drilling, cutting and micromachining, operation at higher PRF levels can be used to proportionally scale up throughput. In short, the ability to have relatively high power levels for an extended PRF range would make for a highly flexible tool with a large application space. And if one laser can operate across this continuum, then tool builders can reap the cost savings inherent in having both a single equipment interface (mechanical, electrical, optical, communication) and a single equipment supplier (higher volume orders reducing cost per unit).

 

점차 그러한 첨단 디자인 및 UV 변환 기술 (Spectra-Physics의 최신 산업용 UV 레이저 포함)을 통합한 레이저가 시장에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이러한 성능을 달성하기 위한 정확한 기술은 일반적으로 독점적이며 면밀히 보호되지만, 일반적으로 향상된 광학 코팅 기술에 대한 액세스는 물론 고조파 변환 방법에 대한 강한 전문 지식이 필요하다.

Increasingly, lasers incorporating such advanced design and UV conversion technology (including Spectra-Physics’ latest industrial UV lasers) are becoming available on the marketplace. While the exact techniques for achieving this performance are generally proprietary and closely guarded, they typically require strong expertise in harmonic conversion methods as well as access to advanced optical coating technology.

 

Figure 1: Advanced UV light conversion leads to high power and high-pulse energy stability well beyond the nominal pulse frequency.

 

새로운 고조파 변환 기술을 통해 다른 UV DPSS 나노 초 레이저 (Spectra-Physics의 구 세대 기술 포함)와 비교하여 PRFnom을 훨씬 능가하는 확장된 PRF 범위에서 높은 파워 레벨을 유지할 수 있다 (그림1 참조). 실제로, 3 × PRFnom을 초과하면 파워 출력의 이점이 2의 제곱에 근접한다. 또한 펄스 에너지는 5 × PRFnom에서 현저하게 안정적이다 (5% 미만). 보다 일반적인 UV 레이저 기술은 기술적으로 높은 PRF 값에서 작동 할 수 있지만 PRFnom의 약 2~3배 이상에서는 펄스 에너지 안정성이 매우 빠르게 저하된다.

Compared to other UV DPSS nanosecond lasers (including Spectra-Physics’ older generation technology), the new harmonic conversion technologies allow elevated power levels to be maintained at an extended range of PRFs — well beyond PRFnom — as shown in Figure 1. Indeed, going beyond 3× PRFnom, the power output advantage approaches a factor of 2. Furthermore, the pulse energy remains remarkably stable (well below 5%) out to 5× PRFnom. More conventional UV laser technologies technically do allow operation at such higher PRF values, but beyond about 2~3× the PRFnom, the pulse energy stability degrades very rapidly.

 

PCB Micro-via Drilling with UV Lasers

드릴링 적용을 통한 일반적인 레이저는 Ajinomoto Build-up 필름 코팅 박막 경질 구리 피복 기판의 마이크로 비아 형성이다. 목표는 최소한의 구리 손상과 작고 제어된 양의 측벽 테이퍼 각으로 신속하고 깨끗하게 재질을 제거하는 것이다.

A common laser via drilling application is micro-via formation in Ajinomoto Build-up Film-coated thin-rigid copper-clad substrate. The goal is to quickly and cleanly remove the material with minimal copper damage and with a small, controlled amount of sidewall taper angle.

 

고효율 flat-top 빔 형성 광학 장치와 결합된 펄스형 나노초 UV 레이저를 사용하여 다양한 평균 파워 수준에서 드릴링 처리량을 결정하기 위한 실험이 수행되었다. ABF형은 두께가 30μm인 GX13이었고, 목표 직경은 50~60μm 범위였다. 출력은 100kHz의 고정 PRF로 2~7W 범위 내에서 변화되어 20~70μJ의 펄스 에너지 창을 발생시켰다. 조사 펄스의 수는 각각의 파워 레벨에 대해 변화되고, 구리 기판을 청정하게 노광하는데 필요한 최소 카운트가 주목되었다. 이 수를 100kHz PRF로 나누면 vias/second의 이론적인 최대 드릴링 속도를 생성한다.

Using a pulsed nanosecond UV laser combined with high-efficiency flattop beam-shaping optics, experiments were performed to determine drilling throughput at varying average power levels. The ABF type was GX13 with a thickness of 30μm, and the targeted via-diameter was in the 50~60μm range. The power was varied within the range 2~7W with a fixed PRF of 100kHz, resulting in a pulse energy window of 20~70μJ. The number of irradiating pulses was varied for each power level, and the minimum count required to cleanly expose the copper substrate was noted. Dividing this number into the 100kHz PRF generates the maximum theoretical drilling rate in vias per second.

 

Figure 2: Via drilling rate and efficiency with increasing average power at a fixed PRF.

NOTE: This data is at a condition of non-optimized system configuration and process parameter set.

 

연구 결과는 그림2에 요약되어 있다. 드릴링 속도는 왼쪽 축에 표시되고 레이저 파워의 단위 와트 당 드릴 속도 (효율 측정 기준)는 오른쪽 축에 있다. 파워와 펄스 에너지가 증가함에 따라 드릴링 속도는 처음에는 급격하게 상승하여, 초당 3,000홀에 접근한다. 그러나, 40~50μJ의 에너지 이상에서는 포화 상태가 발생하고 드릴 율은 떨어지며 이로 인해 드릴 효율이 저하된다. 이 포화 현상은 재질 내에서 지수적인 빛의 소멸 특성에 기인한다. 특정 플루언스 (단위 면적당 에너지) 수준을 초과하면 플루언스의 큰 증가에도 불구하고 절삭 깊이의 한계 증가까지만 달성 할 수 있다. UV이 강하게 흡수되는 고분자 재질로 인해 이러한 변화는 매우 급격 할 수 있다. 이 현상의 결과는 그림2에 설명되어 있다. 25μJ에서 50μJ까지의 펄스 에너지를 두 배로 증가 시키면 1.4배 빠른 드릴링/절삭 비율로 기대했던 2배보다 훨씬 낮아졌다.

Results of the study are summarized in Figure 2. The rate of drilling is plotted on the left hand axis and the drill rate per unit Watt of laser power, a measure of efficiency, is on the right hand axis. As the power and hence pulse energy increases, the drilling rate initially climbs rapidly, approaching 3,000 holes per second. Above ~40–50μJ of energy, however, a saturation regime is encountered and the drilling rate levels off which results in the downtrend in drilling efficiency.

This saturation phenomenon is caused by the exponential nature of light extinction in the material, whereby beyond certain fluence (energy per unit area) levels, only marginal increases in ablation depths can be achieved even with large increases in fluence. With UV light and strongly absorbing polymeric materials, this transition can be quite abrupt. A consequence of this phenomenon is illustrated in Figure 2: A doubling of pulse energy from 25μJ to 50μJ only resulted in a 1.4× faster drilling/ablation rate, much lower than the 2× one might have expected.

 

Figure 3: Top ABF surface (a) and bottom copper surface (b) views of a blind micro-via drilled with a pulsed UV laser at high PRF with 3,300 holes/sec throughputs.

 

시험에 사용된 레이저는 높은 PRF에서 높은 파워를 유지하기 때문에 공정에 사용되는 PRF를 증가시킴으로써 쉽게 3,000vias/초를 초과하는 드릴 속도를 달성 할 수 있다. 그림3에서 직경이 ~50μm인 레이저로 홀을 뚫은 현미경 이미지는 ABF가 고품질로 드릴링되고 밑에 있는 구리가 손상되지 않았음을 보여준다. 이 비아의 경우 150kHz PRF에서 45pulses가 사용되었으며 이는 3,300vias/sec의 드릴링 속도와 같다.

Since the laser used for the tests maintains high power at high PRFs, drilling rates easily exceeding 3,000vias/sec could be achieved simply by increasing the PRF used for the process. In Figure 3, microscope images of a ~50μm diameter laser-drilled via show that the ABF is drilled with high quality and with minimal damage to the underlying copper. For this via, 45pulses at 150kHz PRF were used, which equates to a drill rate of 3,300vias per second.

 

작은 마이크로 비아는 빔 집중력으로 인해 에너지가 적기 때문에, 시스템을 설계하고 오늘날의 고출력 UV 소스를 효율적으로 사용할 수 있는 프로세스를 정의하는 것이 어려울 수 있다. 대부분의 경우 작동하도록 설계되었다. 낮은 PRF 및 높은 펄스 에너지 (즉, 최대 출력 파워로)에서, 처리량을 극대화하는 간단한 방법 중 하나는 펄스 에너지와 펄스 반복률의 최적 조합이 적용될 때까지 레이저의 PRF를 증가시켜 가장 효율적인 처리 및 최대 처리량을 얻는 것이다.

 

Since small micro-vias require less energy due to the higher concentration of the beam, it can be a challenge to design a system and define a process that can make efficient use of today’s higher power UV sources, which in many cases are designed to operate nominally (i.e., with maximum output power) at lower PRFs and higher pulse energies. one simple way to maximize throughput is to increase the laser’s PRF until the optimal combination of pulse energy and pulse rate is en-countered, resulting in the most efficient processing and maximum throughput.

 

 

 

As an example,

 

이 최적 조합이 PRFnom이 100kHz인 레이저에 대해 200kHz에서 발생하는 경우를 고려한다. 평균 파워 및 펄스 에너지 모두 PRFnom보다 낮지만 동일한 수의 펄스가 시간의 절반으로 방출된다. 펄스 에너지는 더 낮고 펄스 당 제거율은 더 낮지만 그림2의 데이터는 2배만큼 낮아지지 않음을 나타낸다. 따라서 프로세스 처리량의 순 향상이 달성된다. 레이저의 설계 포인트와 특정 애플리케이션의 요구가 일치하지 않는 매우 일반적인 시나리오에서 PRF의 확장된 범위에 대해 높은 파워 레벨을 갖는 레이저가 매우 유리하다.

 

Consider the case where this optimal combination happens to occur at 200kHz for a laser having PRFnom of 100kHz. Both the average power and pulse energy are lower than at PRFnom, but the same number of pulses are emitted in half the time; and although the pulse energy is lower and the per-pulse ablation rate will therefore be lower, the data in Figure 2 indicate it will not be lower by a factor of 2. Hence, a net improvement in the process throughput will be realized. In this fairly common scenario — a mismatch between the design point of a laser and the needs of a specific application — lasers with elevated power levels for an extended range of PRFs are highly advantageous.

 

오늘날의 고출력 UV 레이저의 잠재력을 극대화하는 다른 방법이 있다. 효율적인 프로세싱을 위한 최적의 에너지가 최대 레이저 평균 파워를 위해 설계된 PRFnom에서의 에너지보다 현저히 낮으면 빔을 여러 개의 낮은 에너지 빔으로 분할하고 여러 프로세싱 헤드로 라우팅하는 것이 좋다 (그림 4a ). 이러한 구성을 사용하여, 단순히 PRF를 증가시키는 전술한 접근법에 비해 처리 레이저의 유효 처리량이 더욱 개선 될 수 있다.

There are other ways to maximize the potential of today’s higher-power UV lasers. If the optimal energy for efficient processing is significantly lower than the energy at the designed PRFnom for maximum laser average power, then it may make sense to split the beam into multiple lower energy beams and route them to multiple processing heads (as shown in Figure 4a). Using such a configuration, the effective throughput of the processing laser can be further improved compared to the above described approach of simply increasing the PRF.

 

처리량 이점은 더 작은 에너지를 필요로 하므로 더 작은 비아에 대해 더 크며, 따라서 더 많은 수의 빔 분할이 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 그림 4b는 15W UV 레이저 시스템을 사용하여 직경 50 및 100μm의 ABF 블라인드 비아를 드릴링하기 위한 단일 빔 / 높은 PRF 대 스플릿 빔 구성의 경우에 대한 비아 드릴링 속도를 보여주는 표 이다. 최신 30W 버전의 레이저로 처리량은 15W 모델의 약 2배가 된다.

The throughput advantage is greater for smaller vias since they require lower energy and therefore a larger number of beam splits can be made. As an example, Figure 4b contains a table demonstrating the effective via drilling rate for the case of a single beam / high PRF vs. a split beam configuration for drilling ABF blind-vias of diameters 50 and 100μm which using a 15W UV laser system. With the latest 30W version of the laser, the throughputs would be about double that of the 15W model.

 

플레시블 PCB 가공 Laser Processing for Flex PCB Manufacturing

패키징이 점점 작아지는 것은 물론, 필요에 따라 더욱 유연해지고 있다. 장치의 소형화는 신용 카드, 여권, 의류 (웨어러블), 심지어 종이와 같은 매우 얇은 항목에 모듈을 통합 할 수 있는 지점에 도달했으며 상호 연결 및 패키징 체계는 이를 수용해야 한다. 또한 플렉스 PCB는 휴대용 장치 내에서 보다 다양하고 컴팩트한 배치를 가능하게 하여 폼 팩터 감소, 기능 향상 및 설계 유연성을 제공한다. 이러한 추진력으로 플렉스 PCB의 제조는 수년 동안 급속한 성장을 거듭했으며 앞으로도 계속 될 것이다.

Not only is packaging becoming smaller, it is by necessity becoming increasingly flexible. Device miniaturization has reached the point where modules can be integrated into very thin items — credit cards, passports, clothing (wearables), even paper — and interconnection and packaging schemes must accommodate the same. In addition, the flex PCBs allow for more versatile and compact arrangements within portable devices, leading to reduced form factors, increased functionality, and design flexibility. With such driving forces, manufacturing of flex PCBs has experienced rapid growth for several years and this is likely to continue.

 

 Figure 4: Splitting a laser’s high-power beam (a) allows higher overall drilling rates (b), especially for smaller diameter vias which require less pulse energy.

 

플렉스 PCB 제조에 ​​일반적으로 사용되는 재질은 구리/폴리이미드/구리 적층이다. 적층 내의 호일 두께는 현재 구리 및 폴리이미드 층이 각각 10 및 13μm 이하로 감소하면서 시간이 지남에 따라 줄어들었고 여전히 얇은 경향이 있다. 일반적인 플렉스 PCB 레이저 공정에는 프로파일 절단과 블라인드 및 관통 비아 드릴링이 포함된다. 드릴링을 통한 ABF 레진-온-구리 비아 드릴링에 비해 굴곡 PCB는 2개의 매우 다른 재질 - 구리 및 폴리이미드 - 이 동일한 레이저 소스로 이상적으로 처리되어야 한다는 추가 요건이 있다. 결과적으로 원적외선 (~10μm) 파장의 CO2 레이저는 장파장 빛이 구리에 강하게 반사되기 때문에 적합하지 않다. 따라서 UV DPSS 레이저는 플렉스 PCB 제조에 ​​많이 사용된다.

A commonly used material in flex PCB manufacturing is the copper/polyimide/copper laminate. The foil thicknesses within the laminates have shrunk over time, with copper and polyimide layers currently down to below 10 and 13μm, respectively, and likely to trend thinner still. Common flex PCB laser processes include profile cutting and both blind and through via drilling. Compared to ABF resin-on-copper via drilling, flex PCB via drilling has the additional requirement that two very different materials — copper and polyimide — must be processed, ideally with the same laser source. As it turns out, CO2 lasers, with their far infrared (~10μm) wavelengths, are not suitable because the long wavelength light is strongly reflected by the copper. Hence, UV DPSS lasers are used heavily in flex PCB manufacturing.

 

 고출력 30W UV 레이저를 사용하여 블라인드 및 관통-비아 모두를 드릴링하는 공정이 개발되어 드릴링 처리량에 대해 특성화되었다. 플렉스 PCB 적층은 1mil 두께의 폴리이미드와 양면에 ½-mil 동박으로 적층되어 구성된다. 재질이 매우 얇기 때문에 직경이 25μm 이하인 매우 작은 비아는 매우 작은 초점을 사용하여 타격 할 수 있다. 작은 스폿 크기와 구리 및 폴리이미드 모두에 대한 UV의 강한 결합은 상대적으로 낮은 에너지 레벨로 처리 할 수 있으며 이는 레이저를 매우 높은 PRF에서 작동시켜 높은 드릴 속도를 달성 할 수 있음을 의미한다. 더 큰 비아가 필요한 경우 더 큰 초점 스폿을 사용하여 타격 드릴 할 수 있으며 (레이저의 펄스 당 더 많은 에너지로), 그보다 더 큰 비아의 경우 고속 빔 스캐닝 광학을 사용하여 단단히 집속된 빔을 원형 패턴으로 빠르게 이동시킬 수 있다. 이 레이저 기술은 재질을 제거하는 동안 트레파닝 (trepanning)이라고 알려진 프로세스 기술을 사용한다.

Using a high-power 30W UV laser, processes for drilling both blind and through vias have been developed and characterized for drilling throughput. The flex PCB laminate consisted of 1mil thick polyimide laminated on both sides with ½-mil copper foil. Since the materials are fairly thin, very small vias of 25μm diameter or below can be percussion drilled using a very small focus spot. The small spot size and strong coupling of the UV light to both the copper and the polyimide allows for processing with relatively low energy levels, which means the laser can be operated at very high PRFs, thereby achieving high drilling rates. If larger vias are required, a larger focus spot could be used (with more energy per pulse from the laser) and for yet larger vias, high speed beam scanning optics can be employed to rapidly move the tightly focused beam in a circular pattern — a process technique known as trepanning — while the laser is ablating the material.

 

전형적으로, 작은 원 트레파닝 프로세스는 스캐닝 광학의 속도에 의해 제한되며, 때때로 매우 높은 PRF에서 레이저를 작동시키는 것은 바람직하지 않은 열 영향을 초래할 수 있다. 이러한 경우 빔 스캐닝 장비의 속도를 맞추기 위해 PRF가 낮은 (따라서 평균 출력이 낮은) 레이저가 가장 적합하므로 최상의 품질을 보장 할 수 있다.

타격 드릴링 (그림 5a, b)의 경우 드릴 작업에 필요한 움직이는 부품이 없기 때문에 처리량이 매우 높을 수 있으며 초점 스팟이 작아 에너지 요구량이 줄어들어 레이저가 매우 높은 PRF에서 작동 할 수 있다. 그림5의 타격으로 뚫린 블라인드-비아는 약 9,000vias/sec의 레이저 가능 드릴 속도로 드릴링 되었지만, 관통-비아의 드릴 속도는 5,500vias/sec 이상 이었다.

Typically, the small-circle trepanning process is limited by the speed of the scanning optics, and sometimes operating the laser at very high PRFs can result in undesired heat affects. In such cases, a laser with a lower PRF (and therefore lower average power) is preferred in order to match the speed of the beam scanning equipment, thereby ensuring best quality.

For percussion drilling (Figure 5 a, b), throughputs can be very high because there are no moving parts required to drill, and the laser can be operated at a very high PRF since the focus spot is small and therefore energy requirements are reduced. The percussion drilled blind vias in Figure 5 were drilled with a laser-capable drill rate of about 9,000vias/sec, while the drill rate for the through vias was more than 5,500vias/sec.

 

Figure 5: Optical photomicrographs of blind-via (a) and through-via (b), trepanned through-via in Cu/PI/Cu laminate (c), and surface topology of trepanned-via (d) was generated with pulsed UV lasers.

 

두 드릴 과정 모두 300kHz의 더 높은 레이저 PRF를 사용했다. 그림 5c에서 홀을 뚫은 트레판은 타원형 박리에 비해 본래 느린 접근 방식인 작은 원형 모션으로 빔을 편향시킨 2축 스캐닝 갈바노미터 프로세싱 헤드를 사용했다. 이 경우, 200mm/sec에서 3회의 반복 스캔을 사용하여 >250vias/sec의 효과적인 드릴링 속도를 보였다. 이 경우, 레이저 스캐닝 장비의 속도를 맞추기 위해 레이저 PRF는 60kHz보다 훨씬 더 낮다. 그림 5d의 3D 광학 프로파일로미터 데이터 플롯은 신중한 공정 최적화로 달성 할 수 있는 고품질로, 원하는 매우 낮은 에지 버링을 보여준다. 이 경우 2~4μm 엣지 버는 구리 호일의 고유 거칠기보다 그다지 크지 않다.

Both drill processes used a higher laser PRF of 300kHz. The trepan drilled via in Figure 5c involved a 2-axis scanning galvanometer processing head that deflected the beam with small circular motion — an approach that is inherently slower compared to percussion ablation. In this case, three repeat scans at 200mm/s were used, which resulted in an effective drill rate of >250vias/sec. In this case, the laser PRF was much lower at 60kHz in order to match the speed of the beam scanning equipment. The 3D optical profilometer data plot in Figure 5d shows the high-quality, much desired, very low edge burring that can be achieved with careful process optimization. In this case, the 2~4μm edge burr is not much larger than the native roughness of the copper foil.

 

Coverlay Patterning

플렉시블 PCB 제조에서, 커버레이 패터닝은 얇은 폴리이미드 시트에서 다양한 기하학적 형상을 절단하기 위한 중요한 공정이며, 이것은 종이 이형지에 느슨하게 접착되어 있다.

In flex PCB manufacturing, coverlay patterning is an important process for cutting various geometric shapes in a thin polyimide sheet which may be loosely adhered to a paper backing.

 

Figure 6: Coverlay patterning — high-speed cutting of thin polyimide, can benefit greatly from a split-beam system configuration.

 

커버레이 자체는 플렉스 회로에 보호 층으로 부착되며, 그 목적은 리지드 PCB의 솔더 마스크와 기능적으로 유사하다. 어떤 경우에는 폴리이미드와 접착제가 이형지에 붙어 있기 때문에 종이를 태우는 것을 피하기 위해 UV 레이저 소스로 비 열적으로 제거하는 것이 중요하다. 재질을 절단하기 위해서는 시트가 매우 얇아서 매우 작은 초점 스폿을 사용할 수 있기 때문에 높은 에너지 레벨이 반드시 필요하지 않다 (작은 초점 스폿이 더 발산하여 더 두꺼운 재질을 절단하기에 적합하지 않다). 이 에너지가 매우 높은 PRF에서 인가 될 수 있다면, 높은 패터닝 속도가 그에 따라 달성 될 수 있다. UV 레이저 출력이 6W 이상에서 30W까지 다양하기 때문에 단일 빔, 높은 PRF 접근법 또는 보다 발전된 빔 분할 도구 설계로 다양한 패터닝 속도를 얻을 수 있다.

The coverlay itself is then adhered to a flex circuit as a protective layer, and its purpose is functionally analogous to that of solder mask for rigid PCBs. In some cases the polyimide and adhesive are attached to a release paper, and it is important to have non-thermal ablation of a UV laser source to avoid burning the paper. To cut through the materials, high energy levels are not necessarily required because the sheets are very thin which allows a very small focus spot to be used (smaller focus spots are also more divergent and hence less suitable for cutting thicker materials). If this energy can be applied at very high PRFs, then high patterning speeds can be achieved accordingly. As UV laser power is varied from 6W upwards to 30W, different patterning speeds can be achieved with either a single beam, high-PRF approach or a more advanced beam splitting tool design.

 

낮은 파워 레벨에서 처리 속도의 증가는 평균 파워가 증가함에 따라 거의 선형이다. 그러나 20W UV로 전환 할 때 더 높은 처리량 이점이 실현된다. 이것은 20W 이상의 UV 레이저가 일반적으로 높은 PRFnom (100kHz 대 50kHz) 용으로 설계 되었기 때문에, 매우 높은 PRF에서 더 높은 에너지가 여전히 사용 가능하다는 것을 의미한다. 또한, 필요한 펄스 에너지의 배수가 더 높은 파워에서 사용 가능하기 때문에 빔 분할의 이점이 점점 더 중요해지고 있다. 높은 출력 레벨은 20W의 경우 2x 빔과 30W의 경우 3x 빔과 같이 더 많은 빔 분할을 허용한다.

At lower power levels, the increase in processing speed is approximately linear with increasing average power. However, when transitioning to 20W UV a stronger throughput advantage is realized. This is because lasers at 20W UV and higher are typically designed for a higher PRFnom (100 kHz vs. 50 kHz), which means even higher energy is still available at the very high PRFs. Furthermore, the advantage of beam splitting becomes increasingly significant because several multiples of the required pulse energy is available at the higher powers. Higher power levels allow for more beam splits, such as 2× beams for 20W and 3× beams for 30W.

 

Conclusion

펄스형 나노초 UV DPSS 레이저는 수년간 대량생산에서 향상된 고밀도 PCB 제조에

​​빠르게 진출해 왔으며, 추세를 가속화하지 않으면 더 얇고 유연한 PCB에 대한 추진력을 유지할 수 없다. 그러나 시장에서 제공되는 대부분의 레이저 제품의 경우 출력 범위는 레이저의 유연성을 제한하여 적용 범위를 좁히는 작은 범위의 펄스 출력 주파수에서만 충분히 높다. 최근에는, 보다 새로운 UV 레이저 기술로, 높은 PRF에서 높은 파워 레벨을 유지하는 능력으로 인해 적용 범위가 상당히 넓어졌다. 이 기술은 또한 제조 비용을 낮추는데 도움이 되어 서비스가 가능한 적용분야 범위를 더 확장 할 수 있다. 고출력, 저비용, 고 신뢰성 레이저 제품의 가용성을 더욱 높일 것으로 기대되는 UV DPSS 레이저의 지속적인 기술 개발로 인해 전자 회로의 소형화와 패키징은 현재 전자 장치의 개선뿐만 아니라 wearables의 제조와 같은 초기 산업 가속화에 도움이 될 수 있다.

Pulsed ns UV DPSS lasers have been rapidly making inroads into high-volume advanced high-density PCB manufacturing for many years, and the drive to thinner, more flexible PCBs is likely to maintain if not accelerate the trend. For most laser product offerings on the marketplace, however, the output power is sufficiently high for only a small range of pulse output frequencies, which limits the flexibility of the laser and hence narrows its application space. More recently, with new UV laser technology, a substantial broadening of the application space is achieved due to the ability to maintain high power levels at high PRFs. The technology is also conducive to lower cost of manufacturing which can further expand the serviceable application space. With continued technology development for UV DPSS lasers expected to further increase the availability of higher power, low cost, reliable laser products, further miniaturization of electronic circuitry and packaging thereof should lead not only to the improvement of current electronic devices, but may also help accelerate more nascent industries such as the manufacturing of wearables.

 

Acknowledgements

저자는 Robert Sposili와 Andrew Tian의 기술적인 기여에 대하여 그리고 Raj Patel의 편집 지도 및 지원에 감사한다.

The author would like to thank Robert Sposili and Andrew Tian for their technical contributions and Raj Patel for his editorial guidance and support.

Jim Bovatsek is applications engineering manager with Spectra-Physics, a division of MKS Instruments.

 

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