KR101291381B1 - 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

낮은 출력으로 버와 경사진 격벽의 발생을 최소화하고 갈바노 위치 조절기를 사용하지 않는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 제시한다. 그 장치는 집속렌즈를 거친 레이저 빔의 초점을 형성하는 초점렌즈와 일정한 거리만큼 떨어져 위치하고 레이저 빔이 입사하는 면이 경사진 프리즘을 회전시켜 레이저 빔이 광축에 대하여 원추형 궤적을 형성하도록 하는 회전모터 및 프리즘을 초점렌즈에 대하여 왕복운동하게 하는 서보모터를 포함한다.

Description

레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치{Apparatus of manufacturing substrate using laser drilling}

본 발명은 인쇄회로기판과 같은 기판의 제조 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 드릴링(drilling)을 이용하여 인쇄회로기판, 특히 다층 인쇄회로기판과 같은 기판을 자르거나 홀(hole)을 형성하는 데 사용하는 기판의 제조 장치에 관한 것이다.

레이저 드릴링은 상대적으로 안정적인 레이저(laser)를 이용하여 기판을 자르거나 홀을 형성하는 것이다. 상기 드릴링은 비접촉식 가공이며, 재료에 대한 입열량이 낮고, 다양한 재료에 드릴링 할 수 있으며, 정확하고 일정한 제품을 얻을 수 있다. 또한, 서브마이크로(sub-micro) 크기의 홀과 어스펙비(aspect ratio)가 큰 가공, 경사진 형태의 드릴링 등이 가능하다.

특히, 파이버(fiber) 레이저를 사용하면 10~20㎛ 만큼 초점 크기를 만들 수 있고, 짧은 펄스폭의 높은 첨두 출력(peak power)과 완벽한 단일모드 가우시안 빔(Gaussian beam) 및 그리고 높은 피크 출력과 폭이 좁은 광 펄스를 얻는 데 이용되는 Q-스위칭 방식의 적용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로, 파이버 레이저를 이용하여 박판, 세라믹, 실리콘 등을 효과적으로 드릴링 할 수 있다. 또한, 광학부품의 구성을 변경하여 다양한 지름의 구멍을 드릴링 할 수 있는 초점 크기를 만들 수 있다. 고출력 레이저는 바위에 구멍을 뚫는 용도와 석유 및 가스 탐사 산업 등에 사용할 수 있으므로, 레이저의 높은 첨두 출력(peak power)과 펄스 당 에너지를 사용해서 두꺼운 금속을 드릴링 할 수 있다.

한편, 종래의 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치는 상대적으로 높은 출력으로 크기가 고정된 초점을 가지며, 하나의 수직한 광축을 가진 레이저 드릴링 장치를 사용한다. 그런데, 종래의 장치에 의해 가공된 기판은 그 표면에 용융된 물질이 잔존하는 버(Burr)가 발생하고, 레이저 에너지의 밀도 차이에 의해 가공된 격벽이 경사지게 된다. 상기 버는 예를 들어, 동박에 형성되는 Hole 주위의 동박이 연성에 의해 깨끗하게 절단되지 않고 늘어나 띠 모양으로 돌출된 형태를 말한다. 이러한 버와 경사진 격벽은 기판, 특히 다층 인쇄회로기판의 특성을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 드릴링 위치를 정하기 위한 갈바노(Galvano) 위치 조절기를 사용하여 장치의 가격이 비싸다는 단점이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 낮은 출력으로 버와 경사진 격벽의 발생을 최소화하고 갈바노 위치 조절기를 사용하지 않는 간소화된 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치는 레이저 빔을 집속하기 위한 집속렌즈 광학계 및 상기 집속렌즈 광학계와 일정한 거리만큼 떨어져 위치하고, 상기 광학계를 거친 상기 레이저 빔의 초점을 형성하는 초점렌즈를 포함한다. 또한 상기 초점렌즈와 일정한 거리만큼 떨어져 위치하고, 상기 레이저 빔이 입사되거나 출사되는 면의 적어도 하나의 어느 면이 상기 초점렌즈의 중심축인 광축에 대하여 경사진 경사각을 가지고 상기 중심축에 대하여 회전을 하는 프리즘 및 상기 프리즘을 회전하여 상기 레이저 빔이 상기 광축에 대하여 원추형 궤적을 형성하도록 하는 회전모터를 포함한다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 레이저 빔이 상기 기판의 두께 방향으로 입사됨에 따라 상기 프리즘의 경사각을 작게 하여 상기 레이저 궤적의 직경을 상기 기판의 표면에 형성된 상기 레이저 궤적의 직경으로 유지시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 프리즘이 내재한 경통을 상기 초점렌즈에 대하여 왕복운동하게 하는 서보모터를 더 포함할 수 있고, 상기 서보모터에 의해 상기 경통은 상기 초점렌즈의 초점거리 범위에서 왕복운동을 할 수 있다. 또한, 상기 서보모터에 의해 상기 기판의 표면에 형성되는 상기 레이저 궤적의 직경을 변경시킬 수 있다.

본 발명의 상기 서보모터에 의해 상기 초점렌즈와 상기 프리즘의 입사면 사이의 거리를 작게 할수록 상기 기판의 표면에 형성되는 상기 레이저 궤적의 직경이 커질 수 있으며, 상기 레이저 빔이 상기 기판의 두께 방향으로 입사됨에 따라 상기 서보모터에 의해 상기 초점렌즈와 상기 프리즘의 입사면의 사이의 거리를 크게 하여 상기 레이저 궤적의 직경을 상기 기판의 표면에 형성된 상기 레이저 궤적의 직경으로 유지시킬 수 있다.

본 발명의 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치에 의하면, 회전 광축을 가진 레이저 드릴링을 이용함으로써, 낮은 출력으로 버와 경사진 격벽의 발생을 최소화하고갈바노 위치 조절기를 사용하지 않아 장치가 간소화 된다. 이때, 레이저 빔이 기판의 두께 방향으로 입사됨에 따라 프리즘의 경사각의 변경 또는 서보모터에 의해 레이저 궤적의 직경을 상기 기판의 표면에 형성된 상기 레이저 궤적의 직경으로 유지시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 의해 기판에 홀을 형성하는 레이저 드릴링을 나타내는 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 기판에 형성되는 스폿의 형태를 보여주는 평면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 회전 광축을 가진 레이저 드릴링을 이용함으로써, 낮은 출력으로 버와 경사진 격벽의 발생을 최소화하고 갈바노 위치 조절기를 사용하지 않는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 제시한다. 이를 위해, 레이저 드릴링에 있어서 회전 광축이 발생하는 원리를 설명하고, 갈바노 위치 조절기가 없이 가공되는 홀의 직경을 변경시키는 방법을 상세하게 살펴본다. 이를 통하여, 본 발명의 레이저 드릴링에 제조된 홀에서 버의 발생이 줄어들고 수직한 격벽을 이루는 과정을 제시한다.

일반적으로, 레이저 드릴링을 통하여 기판에 바이아 홀(via hole)과 같은 구멍을 형성하거나, 일정한 크기로 기판을 자를 수 있다. 구멍을 형성하는 방법은 펀치(punch), 트레판(trepan), 스파이럴(spiral) 등이 있고, 자르는 방법은 루트(rout) 기술로 잘 알려져 있다. 여기서는 설명의 편의를 위하여, 구멍을 형성하는 방법을 중심으로 살펴보기로 한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 의한 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이때, 각각은 레이저 빔에 의해 기판에 형성되는 홀의 직경의 크기에 따라 구분된다. 즉, 도 1a는 홀의 직경(D1)이 가장 작은 경우이고, 도 1b는 홀의 직경(D2)이 D1보다 큰 경우이며, 도 1c는 홀의 직경(D3)이 D2보다 큰 경우를 나타낸다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 각각의 초점거리가 상이한 집속렌즈들이 복수 개 설치되는 집속렌즈 광학계(10)를 거친 레이저 빔은 빔 확장자(20)에 의해 확장되어 광축을 따라 초점렌즈(30)를 지나 본 발명의 특징인 일면이 경사진 프리즘(60)에 입사된다. 경사진 프리즘(60)에 입사된 레이저 빔은 프리즘(60)에 의해 광축에 대하여 일정한 반경을 가지는 레이저 궤적을 이루면서 기판(80)에 조사된다. 경사진 프리즘(60)은 프리즘 지지체(62)에 의해 고정되며, 레이저 궤적은 광축에 대하여 원형의 단면을 이루며, 입사된 레이저 빔이 기판(80)의 표면에서 초점을 이루도록 한다.

한편, 레이저 빔의 파장은 기판(80)의 종류에 따라 다르게 결정될 수 있다. 예를 들어, 고분자 물질로 이루어진 경우는 자외선, 가시광선 및 적외선 중에서 선택된 어느 하나의 파장을 이용할 수 있고, 금속 구리(Cu)로 이루어진 경우는 자외선이 바람직하다. 또한, 유리의 경우는 자외선 또는 원적외선이 본 발명에 적용되는 레이저 빔의 파장으로 바람직하다.

한편, 본 발명의 프리즘(60)은 굴절률이 큰 물질(예, Fused silica)을 만들어 지며, 원기둥의 입사면(60a)을 경사지게 하고 출사면(60b)은 광축에 직각으로 연마하여 제조한 것이다. 구체적으로, 기판(80)에 대하여 일정한 간격으로 떨어져 위치하며, 초점렌즈(30)를 향하는 입사면(60a)은 광축에 수직한 면에 대하여 소정의 경사각(θ)만큼 경사지고 평탄한 면이며, 기판(80)을 향하는 출사면(60b)은 광축과 직각이고 평탄한 면이다. 입사면(60a)의 경사각(θ)은 상기 광축과 직각인 면에 대하여 1도 내지 45도로 경사지어 있으며, 이때 45도는 본 발명에 의한 굴절을 얻기 위한 임계각이다.

일반적으로 레이저 빔이 본 발명의 실시예에 적용된 프리즘(60)의 입사면(60a)에 입사하게 되면, 입사된 레이저 빔은 프리즘(60)을 관통한 후에 출사면(60b)에서 프리즘(60)의 두께가 두꺼운 방향으로 굴절하게 된다. 그런데, 도시된 것과 같이, 프리즘(60)을 관통하여 출사면(60b)에서 굴절되는 레이저 빔은 초점이 프리즘(60)의 중심축에서 프리즘(60)의 두께가 두꺼운 방향으로 멀어지며 맺히게 된다. 또한, 초점렌즈(30)와 기판(80) 사이에 쐐기 형태의 프리즘(60)을 배열한 상태에서 프리즘(60)을 회전모터(70)에 의해 회전시키면, 굴절되는 레이저 궤적은 프리즘(60)의 중심축에 대해서 콘각(cone angle; δ)을 가진 원추형 궤적을 형성하게 된다. 이에 따라, 레이저 빔은 기판(80)에 대해서 수직이 아닌 조사각(90-δ)만큼 비스듬하게 조사된다.

경사각(θ)이 커지면 콘각(δ)이 커지며, 기판(80)에 조사되는 조사각(90-δ)이 작아져서 더욱 비스듬하게 조사된다. 이때, 레이저 빔은 광축에서 일정한 거리만큼 떨어져 기판(80)의 표면에 초점을 맺으면서 기판(80)에 레이저 빔에 의해 용융되는 스폿을 만든다. 상기 스폿은 레이저 궤적을 따라 기판(80)에 형성된다. 이에 따라, 콘각(δ)의 크기, 또는 경사각(θ)의 크기를 크게 하면 홀의 직경이 커진다. 이와 같이, 경사각(θ)의 크기를 조절하여, 기판(80)의 두께에 관계없이 항상 일정한 직경을 가진 레이저 궤적을 구현할 수 있다. 도시되지 않았지만, 이를 위해 프리즘(60)의 경사각(θ)을 조절할 수 있는 별도의 장치를 더 구비할 수 있다.

도면에서는 나타내지는 않았지만, 본 발명의 콘각(δ)은 다양한 방법을 통하여 구현할 수 있다. 구체적으로, 도면에서는 프리즘(60)의 경사면이 초점렌즈(30) 방향에 형성되었으나, 필요에 따라 프리즘(60)의 경사면이 기판(80)을 향할 수도 있고, 상기 경사면이 초점렌즈(30) 및 기판(80) 방향으로 형성될 수도 있다. 다시 말해, 프리즘(60)의 경사면은 레이저 빔이 입사되고 출사되는 면의 적어도 어느 하나의 면일 수 있다.

레이저 궤적은 회전모터(70)에 의해 형성되며, 회전모터(70)는 회전체(71)를 구동시키는 제1 모터(72)를 구비하며, 회전체(71)는 프리즘 지지체(62)를 회전시킨다. 프리즘(60), 프리즘 지지체(62) 및 회전체(71)는 경통(40) 내에 설치된다. 경통(40)은, 도시되지는 않았지만, 레이저 빔이 통과할 수 있는 창이 뚫려 있다. 도면에서는 제1 모터(72)는 경통(40)에 부착된 것으로 표현하였으나, 필요에 따라 경통(40)의 외부에 배치될 수도 있다.

한편, 경사각(θ)의 크기를 일정하게 하고, 홀의 직경을 변화시키기 위해 본 발명의 실시예는 경통(40)을 초점렌즈(30)에 대하여 회전 및 왕복운동을 할 수 있는 서보모터(50)를 제시한다. 이때, 회전운동은 드릴링 방법 중 버의 형성을 최소화하고 가공 정밀도를 높이기 위한 트레판닝 드릴링 방법임. 또한 가공 홀의 직경을 변화시키기 위해서 사용한다. 즉, 프리즘(60)이 레이저 광축을 중심으로 회전함으로써 원하는 레이저 드릴링의 사이즈를 결정하고 가공할 수 있기 때문에 레이저 초점을 설정한 직경에 따라 궤적 이동을 하는 것은 고속으로 회전하는 프리즘(60)의 기능에 의한 것이다. 서보모터(50)는 축계부(51)에 구동력을 부여하는 제2 모터(52)를 포함한다. 서보모터(50)는 경통(40)을 초점렌즈(30)의 초점거리 내에서 움직여 기판(80)에 스폿을 형성하는 레이저 궤적의 직경을 변화시킬 수 있다.

구체적으로, 도 1a와 같이 서보모터(50)에 의해 경통(40)을 광축을 기준으로 초점렌즈(30)와 입사면(60a)의 거리가 제1 간격(a1)만큼 떨어지게 하면, 기판(80)의 상면에는 제1 직경(D1)을 가진 레이저 궤적이 형성된다. 또한, 도 1b와 같이 광축을 기준으로 초점렌즈(30)와 입사면(60a)의 거리가 제2 간격(a2)만큼 떨어지게 하면, 레이저 궤적은 제2 직경(D2)을 가진다. 나아가, 도 1c에 의하면, 제3 간격(a3)에 의해 제3 직경(D3)을 이룬다. 이와 같은 방법으로, 일정한 경사각(θ)을 가진 프리즘(60)에 의해 기판(80)에 형성되는 레이저 궤적의 크기를 다양하게 변경할 수 있다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 의해 기판에 홀을 형성하는 레이저 드릴링을 나타내는 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 기판에 형성되는 스폿의 형태를 보여주는 평면도이다. 이때, 레이저 빔은 도 1b를 참조하여 설명한 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치를 참고하기로 한다. 이에 따라, 경사각(θ)은 일정한 값으로 설정된 상태에서 레이저 빔의 궤적은 제2 직경(D2)을 이루도록 프리즘(60)이 입사된 빔의 광축을 중심으로(혹은 중심축을 기준으로) 회전한다.

도 2a에 의하면, 제2 직경(D2)을 가진 홀(82)을 형성하기 위해서, 경통(40)을 광축을 기준으로 초점렌즈(30)와 입사면(60a)의 거리인 제2 간격(a2)을 조절한다. 구체적으로, 먼저 레이저 빔이 기판(80)의 상면에 스폿을 이룰 때, 제2 간격(a2)을 L이라고 가정한다. 레이저 드릴링에 의해 홀(82)을 형성하는 과정에서 레이저 빔이 기판(80)의 안쪽, 즉 홀(82)의 내부에 도달함에 따라, 레이저 빔의 반경은 커져서 원하는 반경인 D2보다 커진다. 이를 보정하기 위하여, 제2 간격을 L보다 넓혀서 레이저 빔 궤적의 반경이 제2 직경(D2)이 되도록 한다. 이와 같은 과정을 홀(82)이 기판(80)의 하면에 다다를 때까지 수행하게 된다.

본 발명의 실시예에 의한 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치에 의하면, 기판(80)의 두께에 따라 레이저 빔 궤적의 반경을 일정하게 유지함으로써 형성되는 홀(82)의 격벽을 수직하게 할 수 있다. 이는 종래의 장치에서 레이저 빔의 에너지 밀도의 차이에 의해 불가피하게 만들어지는 경사진 격벽이 나타나지 않게 한다. 다시 말해, 종래의 경우는 고정된 초점의 레이저 빔으로 예컨대 제2 직경(D2)의 홀을 뚫는다고 한다면, 기판의 상면에는 제2 직경(D2)이 되나, 두께 방향으로 내려갈수록 레이저 빔의 에너지 밀도가 작아서 제2 직경(D2)보다 작은 직경의 홀이 형성된다. 이에 비해, 본 발명에서는 두께 방향으로 내려가더라도 레이저 빔의 직경을 제2 직경(D2)이 되도록 유지함으로써 형성되는 홀의 직경이 제2 직경(D2)으로 일정하다.

또한 종래에는 큰 출력의 고정된 초점에 의해 기판(80)의 전체 두께를 드릴링하여야 하므로 용융된 기판 물질이 잔존하나, 본 발명의 경우는 기판(80)의 두께에 따라 용융되는 부분을 실시간으로 조절할 수 있으므로 종래에 비해 상대적은 작은 출력이 필요하며, 이에 따라 잔존하는 용융물질을 크게 줄일 수 있다. 구체적으로, 종래에는 상대적으로 큰 출력으로 단일 광축으로 제2 직경(D2)의 홀을 하나의 스폿으로 형성하나, 본 발명에서는 상대적으로 작은 출력으로 회전에 의해 제2 직경(D2)의 홀을 복수개의 스폿으로 형성한다.

나아가, 본 발명의 제조 장치는 드릴링되는 부분을 초점렌즈(30)와 입사면(60a)의 간격(a2)을 조절하여 결정하므로, 갈바노 위치 조절기를 사용하지 않고 정확한 크기의 홀을 형성할 수 있다. 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치에서 갈바노 위치 조절기가 차지하는 가격의 비중이 크므로, 갈바노 위치 조절기를 사용하지 않으면 레이저 드릴링 장치의 가격을 크게 낮출 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 기판에 형성되는 홀의 직경을 서보모터에 의하여 조절하는 것을 제시하였으나, 프리즘의 경사각을 변화시켜 홀의 직경을 조절할 수 있다.

10; 집속렌즈 광학계 20; 빔 확장자
30; 초점렌즈 40; 경통
50; 서보모터 60; 프리즘
62; 프리즘 지지체 70; 회전모터
80; 기판 82; 홀

Claims (7)

1. 레이저 빔을 집속하기 위한 집속렌즈 광학계;
   상기 집속렌즈 광학계와 일정한 거리만큼 떨어져 위치하고, 상기 광학계를 거친 상기 레이저 빔의 초점을 형성하는 초점렌즈;
   상기 초점렌즈와 일정한 거리만큼 떨어져 위치하고, 상기 레이저 빔이 입사되거나 출사되는 면의 적어도 하나의 어느 면이 상기 초점렌즈의 중심축인 광축에 대하여 경사진 경사각을 가지고 상기 중심축에 대하여 회전을 하는 프리즘; 및
   상기 프리즘을 회전하여 상기 레이저 빔이 상기 광축에 대하여 원추형 궤적을 형성하도록 하는 회전모터를 포함하고,
   상기 레이저 빔이 기판의 두께 방향으로 입사됨에 따라 상기 프리즘의 경사각을 작게 하여 상기 레이저 궤적의 직경을 상기 기판의 표면에 형성된 상기 레이저 궤적의 직경으로 유지시키는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 프리즘이 내재한 경통을 상기 초점렌즈에 대하여 왕복운동하게 하는 서보모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 서보모터에 의해 상기 경통은 상기 초점렌즈의 초점거리 범위에서 왕복운동을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 서보모터에 의해 상기 기판의 표면에 형성되는 상기 레이저 궤적의 직경을 변경시키는 것을 특징으로 하는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 서보모터에 의해 상기 초점렌즈와 상기 프리즘의 입사면 사이의 거리를 작게 할수록 상기 기판의 표면에 형성되는 상기 레이저 궤적의 직경이 커지는 것을 특징으로 하는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 레이저 빔이 상기 기판의 두께 방향으로 입사됨에 따라 상기 서보모터에 의해 상기 초점렌즈와 상기 프리즘의 입사면의 사이의 거리를 크게 하여 상기 레이저 궤적의 직경을 상기 기판의 표면에 형성된 상기 레이저 궤적의 직경으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 레이저 드릴링을 이용한 기판의 제조 장치.

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