KR101309803B1 - 레이저 드릴링 장치 및 레이저 드릴링 방법 - Google Patents

레이저 드릴링 장치 및 레이저 드릴링 방법 Download PDF

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Abstract

기판에 레이저를 이용하여 관통공들을 형성하는 천공작업을 수행하는 레이저 드릴링 장치가 개시된다. 개시된 레이저 드릴링 장치는, 기판의 천공 예정부들을 가열하기 위한 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기와, 열빔에 의해 기판의 가열된 천공 예정부들에 관통공들을 형성하기 위한 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기와, 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔과 제2 레이저 발진기부터 출사되는 가공빔을 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하는 한 쌍의 제1 및 제2 스캐너를 포함하며, 상기 열빔은 상기 열빔 및 가공빔의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 천공 예정부들에 조사된다.

Description

레이저 드릴링 장치 및 레이저 드릴링 방법{Laser drilling apparatus and laser drilling method}
본 발명은 레이저 드릴링에 관한 것으로, 상세하게는 하이브리드 레이저를 이용하여 두꺼운 기판을 천공하는 레이저 드릴링 장치 및 레이저 드릴링 방법에 관한 것이다.
두꺼운 세라믹 기판 등을 천공하는데 종래에는 물리적 접촉에 의한 기계적 드릴링 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 기계적 드릴링 방법은 기판의 드릴링 가공 중에 치핑(chipping)이나 크랙(crack) 등이 발생될 염려가 있다. 따라서, 최근에는 이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 최근에는 레이저를 이용하여 기판을 천공하는 레이저 드릴링 방법이 활발하게 개발되고 있다. 이러한 레이저 드릴링 방법은 기판에 물리적 및 기계적인 손상을 주지 않고 가공할 수 있다는 장점 있다. 다만, 두꺼운 두께의 기판을 천공하는 경우에는 고출력 레이저가 요구되고, 또한 가공 시간도 길어져 가공 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예는 하이브리드 레이저를 이용하여 두꺼운 기판을 천공하는 레이저 드릴링 장치 및 이를 이용한 레이저 드릴링 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
기판에 레이저를 이용하여 관통공들을 형성하는 천공작업을 수행하는 레이저 드릴링 장치에 있어서,
상기 기판의 천공 예정부들을 가열하기 위한 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기;
상기 열빔에 의해 상기 기판의 가열된 천공 예정부들에 관통공들을 형성하기 위한 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기; 및
상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔과 상기 제2 레이저 발진기부터 출사되는 가공빔을 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하는 한 쌍의 제1 및 제2 스캐너;를 포함하고,
상기 열빔은 상기 열빔 및 가공빔의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 천공 예정부들에 조사되는 레이저 드릴링 장치가 제공된다.
상기 레이저 드릴링 장치는, 상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔을 반사시키는 반사미러; 상기 반사미러로부터 입사되는 열빔을 상기 제1 및 제2 스캐너 쪽으로 반사시키는 것으로, 회전 가능하게 설치되는 회전 미러; 및 상기 제1 및 제2 스캐너와 상기 기판 사이에 배치되는 스캔 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
상기 회전 미러의 회전에 의해 상기 기판 상에 조사되는 열빔과 가공빔 사이의 간격이 조절될 수 있다. 상기 스캔 렌즈는 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스캐너는 상기 열빔 및 가공빔이 순차적으로 이동하면서 상기 기판의 천공 예정부들에 조사될 수 있도록 상기 열빔 및 가공빔을 상기 기판 상에서 제1 및 제2 방향으로 조절할 수 있다.
상기 레이저 드릴링 장치는 상기 회전미러로부터 반사되는 열빔을 흡수하는 빔 덤퍼(beam dumper)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저 발진기은 CO2 연속파형 레이저의 열빔을 출사하며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 출사할 수 있다. 여기서, 상기 열빔 및 가공빔은 예를 들면 대략 0.8 ~ 11㎛의 파장을 가질 수 있다. 그리고, 상기 가공빔은 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond)의 펄스폭을 가질 수 있다.
상기 기판은 열흡수 재질을 포함하고, 10mm 이상의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
상기한 레이저 드릴링 장치를 이용하여 기판을 천공하는 방법에 있어서,
상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 상기 제1 및 제2 스캐너를 통해 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하여 가열하는 단계; 및
상기 제2 레이저 발진기로부터 출사된 가공빔을 상기 제1 및 제2 스캐너를 상기 기판의 가열된 천공 예정부들에 조사하여 기판의 천공 작업을 수행하는 단계;를 포함하고,
상기 열빔은 상기 열빔과 가공빔의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하는 레이저 드릴링 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명의 실시예에 의하면, 제1 레이저 발진기를 이용하여 기판의 천공 예정부들에 미리 열빔을 조사하여 가열시킨 후, 이렇게 가열된 기판의 천공 예정부들에 제2 레이저 발진기를 이용하여 천공용 가공빔을 조사하여 천공 작업을 수행함으로써 두꺼운 기판을 천공하는 가공 시간을 줄일 수 있고 가공 효율도 향상시킬 수 있다. 또한, 고품질의 천공 작업이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 드릴링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 드릴링 장치를 이용하여 기판을 천공하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 드릴링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 레이저 드릴링 장치를 이용하여 절단하고자 하는 기판(W)은 높은 열흡수율을 가지는 재질, 예를 들면, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판(W)은 비교적 두꺼운 두께, 예를 들면 10mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상기 기판(W)의 재질 및 두께는 다양하게 변형될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 드릴링 장치는 열빔(115)을 출사시키는 제1 레이저 발진기(110), 천공용 가공빔(125)을 출사시키는 제2 레이저 발진기(120), 상기 제1 및 제2 레이저 발진기(110,120)로부터 출사된 열빔(115) 및 가공빔(125)을 천공하고자 하는 기판(W)에 조사하는 한 쌍의 제1 및 제2 스캐너(150)를 구비한다.
상기 제1 레이저 발진기(110)는 기판(W) 상에 설정된 천공 예정부들을 가열시키기 위한 열빔(115)을 출사시킨다. 이러한 제1 레이저 발진기(110)는 예를 들면 CO2 연속파형 레이저(continuous wave laser)에 따른 열빔(115)을 출사시킬 수 있다. 이러한 열빔(115)의 파장은 예를 들면, 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 제2 레이저 발진기(120)는 상기 제1 레이저 발진기(110)의 열빔(115)에 의해 가열된 기판(W)의 절단 예정부들에 천공 작업을 수행하기 위한 천공용 가공빔(125)을 출사시킨다. 이러한 제2 레이저 발진기(120)는 예를 들면, 펄스형 레이저(pulse laser)에 따른 가공빔(125)을 출사시킬 수 있다. 여기서, 상기 가공빔(125)은 예를 들면, 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond) 범위의 펄스폭을 가질 수 있다. 예시적으로, 상기 가공빔(125)으로 DPSS(diode pumped solid state) IR-PICO 레이저가 사용될 수 있다. 또한, 상기 가공빔(125)의 파장은 전술한 열빔(115)과 마찬가지로, 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 제1 및 제2 레이저 발진기(110,120)로부터 출사되는 열빔(115) 및 가공빔(125)은 한 쌍의 제1 및 제2 스캐너(151,152)에 의해 소정 각도로 반사되어 가공하고자 하는 기판(W)의 천공 예정부들에 조사될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 스캐너(151,152)에 의해 열빔(115) 및 가공빔(125)은 기판(W) 상에서 제1 방향 및 제2 방향(예를 들면, 도 1에서의 x방향 및 y방향)으로 이동하면서 상기 기판(W)의 천공 예정부들에 천공 작업을 수행하게 된다. 여기서, 상기 열빔(115)은 상기 열빔(115)과 가공빔(125)의 이동방향을 따라 가공빔(125) 보다 항상 앞선 위치에 포커싱될 수 있다. 상기 제1 및 제2 스캐너(151,152)는 각각 예를 들면 0.8 ~ 11㎛ 정도의 파장을 가지는 레이저를 대략 95% 이상 반사시킬 수 있는 미러가 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 제1 레이저 발진기(110)와 상기 제1 및 제2 스캐너(151,152) 사이의 열빔(115)이 진행하는 광경로 상에는 반사미러(130)와 회전미러(140)가 배치될 수 있다. 이러한 반사 미러(130) 및 회전 미러(140)로는 예를 들면, 열빔(115)의 손실을 최소화할 수 있도록 고반사 미러가 사용될 수 있다. 상기 반사 미러(130)는 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115)을 회전 미러(140) 쪽으로 반사시킨다. 그리고, 상기 반사 미러(130)에 의해 반사된 열빔(115)은 회전 미러(140)에 입사되고, 이 회전 미러(140)는 열빔(115)을 제1 및 제2 스캐너(151,152) 쪽으로 반사시키게 된다. 상기 회전 미러(140)는 회전 가능하게 설치되어 상기 제1 및 제2 스캐너(151,152) 쪽으로 입사되는 열빔(115)의 입사각도를 조절할 수 있다. 상기 회전 미러(140)는 예를 들면 도 1에서 y방향을 회전축으로 하는 1축 회전미러가 될 수 있다. 이와 같이, 회전 미러(140)가 회전하게 되면, 열빔(115)이 상기 제1 스캐너(151)에 입사되는 각도가 변화하게 되고, 이에 따라 상기 제1 스캐너(151)에 입사되는 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 입사각도(θ)를 조절할 수 있게 된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 회전 미러(140)로부터 반사되는 열빔(115)을 흡수하는 빔 덤퍼(beam dumper,170)가 더 마련될 수 있다. 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115)이 기판(W)을 가열시킬 필요가 없는 경우에 상기 회전 미러(140)는 소정 각도로 회전하고, 이렇게 회전된 회전 미러(140)로부터 반사되는 열빔(115)은 빔 덤퍼(170)에 흡수되게 된다.
상기 제1 및 제2 스캐너(151,152)와 상기 기판(W) 사이에는 기판(W) 상의 천공 예정부들 상에 열빔(115) 및 가공빔(125)을 포커싱시킬 수 있도록 스캔 렌즈(160)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 스캔 렌즈(160)로는 가공 위치의 정밀도 및 품질 향상을 위해 예를 들면, 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 스캔 렌즈(160)의 재질로 ZnSe를 사용하게 되면 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도의 파장을 가지는 레이저들은 상기 스캔 렌즈(160)에 대한 투과율이 동일한 특성을 가질 수 있다. 상기 스캔 렌즈(160)를 투과한 열빔(115) 및 가공빔(125)은 기판(W) 상에 소정 간격(d) 이격되게 포커싱된다. 이러한 열빔과 가공빔 사이의 간격(d)은 기판(W) 상에 형성된 천공 예정부들 사이의 간격에 해당된다. 상기 기판(W) 상에서 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 간격(d)는 스캔 렌즈(150)와 기판(W) 사이의 초점 거리(f)와 스캔 렌즈(160)에 입사되는 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 입사각도(θ)의 곱으로 표현될 수 있다. 이러한 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 간격(d)는 대략 수mm 이하가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 상기한 레이저 드릴링 장치를 이용하여 기판(W)에 관통홀을 형성하는 천공작업을 수행하는 방법을 설명하기로 한다. 도 2는 도 1에 도시된 레이저 드릴링 장치를 이용하여 기판(W)을 천공하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 한편, 도 2에서는 편의상 기판(W)의 천공 예정부들을 보여주기 위하여 기판(W)의 평면이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115')은 반사 미러(130)에 의해 회전 미러(140) 쪽으로 반사되고, 이렇게 반사되는 열빔(115')은 제1 및 제2 스캐너(151,152)에 의해 반사된 후, 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 천공 예정부들에 포커싱된다. 그리고, 제2 레이저 발진기(120)로부터 출사된 천공용 가공빔(125')은 상기 제1 및 제2 스캐너(151,152)에 의해 반사된 후, 상기 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 천공 예정부들에 포커싱된다. 상기 기판(W) 상에 포커싱되는 열빔(115')과 가공빔(125') 사이의 간격(d1), 즉 상기 기판(W)의 절단 예정부들 사이의 간격은 상기 회전 미러(140)에 의해 제1 스캐너(150)에 입사되는 열빔(115')과 가공빔(125') 사이의 입사각도(θ1)를 조절함으로써 변경할 수 있다.
상기와 같은 구조에서, 상기 열빔(115') 및 가공빔(125')은 상기 제1 및 제2 스캐너(151,152)의 조절에 의하여 기판(W) 상에서 제1 방향 및 제2 방향(예를 들면, 도 2에서의 x방향 및 y방향)으로 이동하면서 상기 기판(W)의 천공 예정부들에 천공 작업을 수행하게 된다. 여기서, 상기 열빔(115')은 상기 열빔(115')과 가공빔(125')의 이동방향을 따라 가공빔(125') 보다 항상 선행하는 위치의 천공 예정부들에 포커싱될 수 있다. 구체적으로, 상기 열빔(115') 및 가공빔(125')이 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이 x 방향으로 이동하는 경우에는 상기 열빔(115')은 x 방향을 따라 상기 가공빔(125') 보다 항상 앞선 위치의 절단 예정부들에 조사되어 절단 예정부들을 가열하게 된다. 그리고, 상기 가공빔(125')이 x 방향으로 소정 간격(d1) 만큼 이동한 다음, 열빔(115')에 의해 가열된 절단 예정부들에 조사됨으로써 천공 작업이 수행된다. 이와 같이 열빔(115') 및 가공빔(125')이 제1 및 제2 스캐너(151,152)에 의해 x방향 및 y방향으로 이동하면서 기판(W) 상의 천공 예정부들에 조사됨으로써 기판(W) 상의 한 스캔 필드에서의 천공 작업이 완료된다. 그리고, 상기 기판(W)이 장착된 스테이지(미도시)가 소정 간격 이동하게 되면 기판(W) 상의 다른 스캔 필드에서의 천공 작업이 진행되게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 기판(W)의 천공 예정부들을 연속파형 레이저에 따른 열빔(115,115')에 의해 먼저 가열한 다음, 가열된 천공 예정부들에 펄스형 레이저에 따른 가공빔(125,125')을 조사하여 천공 작업을 수행함으로써 가공 시간을 줄일 수 있고 가공 효율도 향상시킬 수 있으며, 고품질의 천공도 가능해진다. 그리고, 이러한 하이브리드 레이저를 이용한 레이저 절단 장치는 열흡수 재질을 포함하고 두꺼운 두께를 가지는 기판을 보다 효과적으로 천공할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110... 제1 레이저 발진기 115,115'... 열빔
120... 제2 레이저 발진기 125,125'... 가공빔
130... 반사미러 140... 회전미러
151,152... 제1,제2 스캐너 160... 스캔렌즈
170... 빔 덤퍼 W... 기판

Claims (14)

  1. 기판에 레이저를 이용하여 관통공들을 형성하는 천공작업을 수행하는 레이저 드릴링 장치에 있어서,
    상기 기판의 천공 예정부들을 가열하기 위한 연속파형 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기;
    상기 열빔에 의해 상기 기판의 가열된 천공 예정부들에 관통공들을 형성하기 위한 펄스형 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기;
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔과 상기 제2 레이저 발진기부터 출사되는 가공빔을 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하는 한 쌍의 제1 및 제2 스캐너;
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔을 반사시키는 반사미러;
    회전 가능하게 설치되어 상기 반사미러로부터 입사되는 열빔을 선택적으로 상기 제1 및 제2 스캐너 쪽으로 반사시키거나 또는 빔 덤퍼(beam dumper) 쪽으로 흡수시키는 회전 미러; 및
    상기 제1 및 제2 스캐너와 상기 기판 사이에 배치되는 스캔 렌즈;를 포함하고,
    상기 열빔은 상기 열빔 및 가공빔의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 천공 예정부들에 조사되는 레이저 드릴링 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 미러의 회전에 의해 상기 기판 상에 조사되는 열빔과 가공빔 사이의 간격이 조절되는 레이저 드릴링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)를 포함하는 레이저 드릴링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스캐너는 상기 열빔 및 가공빔이 순차적으로 이동하면서 상기 기판의 천공 예정부들에 조사될 수 있도록 상기 열빔 및 가공빔을 상기 기판 상에서 제1 및 제2 방향으로 조절하는 레이저 드릴링 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전미러로부터 반사되는 열빔을 흡수하는 빔 덤퍼(beam dumper)를 더 포함하는 레이저 드릴링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기은 CO2 연속파형 레이저의 열빔을 출사하며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 출사하는 레이저 드릴링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열빔 및 가공빔은 0.8 ~ 11㎛의 파장을 가지는 레이저 드릴링 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가공빔은 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond)의 펄스폭을 가지는 레이저 드릴링 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 열흡수 재질을 포함하고, 10mm 이상의 두께를 가지는 레이저 드릴링 장치.
  11. 제 1 항에 기재된 레이저 드릴링 장치를 이용하여 기판에 천공작업을 수행하는 방법에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 상기 제1 및 제2 스캐너를 통해 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하여 가열하는 단계; 및
    상기 제2 레이저 발진기로부터 출사된 가공빔을 상기 제1 및 제2 스캐너를 상기 기판의 가열된 천공 예정부들에 조사하여 기판의 천공 작업을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 열빔은 상기 열빔과 가공빔의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 천공 예정부들에 조사하는 레이저 드릴링 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스캐너는 상기 열빔 및 가공빔이 순차적으로 이동하면서 상기 기판의 천공 예정부들에 조사될 수 있도록 상기 열빔 및 가공빔을 상기 기판 상에서 제1 및 제2 방향으로 조절하는 레이저 드릴링 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기는 CO2 연속파형 레이저의 열빔을 출사하며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 출사하는 레이저 드릴링 방법.
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