KR20120000073A - 취성 재료의 향상된 처리를 위한 방법 - Google Patents

Abstract

유리(8)와 같은 취성 재료에서 형상부를 레이저 미세 기계 가공하기 위한 향상된 방법이 제시되고, 여기서 비-인접 레이저 펄스(12)를 사용하여 형상부를 레이저 기계 가공하는데 얼마나 많은 수의 패스가 요구되는지를 결정하기 위해 형상부에 관련된 공구 경로(10)가 분석된다. 후속하는 패스 동안 인가되는 레이저 펄스(12)는 사전 결정된, 겹친 양만큼 이전의 레이저 스폿의 위치를 겹치기 위해 위치된다. 이러한 방식에서, 어떠한 단일 스폿도 이전의 펄스 위치에 인접하게 적용되고, 바로 후속하는 레이저 펄스(12)에 의해 야기된 과도한 레이저 방사를 받지 않는다.

Description

취성 재료의 향상된 처리를 위한 방법{METHOD FOR IMPROVED BRITTLE MATERIALS PROCESSING}

본 발명은 유리와 같은 취성 재료를 레이저 처리하기 위한 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 응력 분열(fracture) 및 부서짐을 회피하고, 수용할 수 있는 시스템의 처리량을 유지하면서, 유리 또는 유사한 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 방법에 관한 것이다.

유리 커팅은 유리를 스크라이빙(scribe)하고, 기계적 절단 단계가 후속하는 기계 톱(saw)을 사용함으로써 전통적으로 실현되었다. 최근에, 레이저 기술은 냉각 노즐이 수반되는지에 관계없이, 일반적으로 국부적인 가열 소스로서 레이저를 사용하는 유리 커팅에 채택되어, 궤적에 따라 응력 및 미소 균열을 생성하여 유리를 커팅한다. 이러한 결과적인 응력 및 미소 균열은 유리의 분열을 초래하고, 설계된 괘도를 따라 분리하는데 충분할 수 있거나, 후속적인 절단 단계가 유리를 분리시키도록 요구할 수 있다. 냉각 소스 없이 레이저만을 활용하는 기존의 기술은 MLBA(Multiple Laser Beam Absorption, 다중 레이저 빔 흡수)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는데, 이 MLBA는 발명의 명칭이 "DEVICE FOR SEPARTIVE MACHINING OF COMPONENTS MADE FROM BRITTLE MATERIAL WTH STRESS-FREE COMPONENT MOUNTING"이고, 발명자 미카엘 하세(Michael Haase) 및 올리버 홉트(Oliver Haupt)에 의해 2007년 2월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제2007/0039932호와, 발명의 명칭이 "METHOD AND DEVICE FOR CUTTING THROUGH SEMICONDUCTOR MATERIALS"이고, 발명자 올리버 홉트 및 번드 레인지(Bernd Lange)에 의해 2007년 7월 26일에 출원된 미국 특허 출원 제2007/0170162호에 서술되어 있는데, 이 MLBA는 분리될 경로를 따라 유리에서 광자 에너지의 흡수량을 최대화하기 위해, 반사 거울의 쌍과 협력하는 근 적외선 레이저 소스를 사용하여, 생성된 충분한 열응력이 존재하여 추가적인 힘을 인가할 필요 없이 부품을 절단하게 된다. 하지만, 이러한 기술은 초기 기계적 노치(notch)가 사전-균열로서의 기능을 할 것을 요구한다. 레이저로 생성된 응력은 초기 균열이 전파되어 분리를 형성하도록 한다. Fonon Technology International(플로리다 32746, 레이크 매리)의 ZWLDT®(Zero-Width Laser Dicing Technology®)는 CO₂ 소스를 사용하여 유리를 가열시키고, 냉각 노즐을 거쳐 응력을 생성하여, 커팅 경로를 따라 미소 균열을 개시하고, 후에 유리를 분리시키기 위해 기계적 분리 단계를 적용한다. 이들 전술한 접근법 모두는 이들 처리에 관련된 절단 자국의(kerf) 폭이 거의 0이기 때문에, 균열의 전파 방향을 정확히 제어하는데 어려움에 기인하여 괘도가 둥근 모퉁이 또는 구부려진 경로를 수반하는 상황에 적용하는 것은 매우 어렵다. 심지어, 기계적 절단 단계를 적용하는 경우에도, 대부분의 유리로부터 상당한 부서짐 또는 균열을 초래하는 것 없이 부분을 정확히 분리하는 것은 여전히 매우 어렵다.

따라서, 요구되는 것은 수용할 수 없는 부서짐 또는 균열을 초래하는 것 없이, 유리와 같은 취성 재료를 레이저를 이용하여 수용할 수 있는 속도로, 둥근 모퉁이 또는 구부려진 경로를 수반하는 궤적을 따라 커팅하는 방법이다.

본 발명의 양상은 비싼 추가적인 장비를 요구하거나 시스템 처리량에 대한 상당한 감소를 야기하는 것 없이, 형상부를 둘러싸는 영역에서 향상된 과도한 열에 관련된 재료에서 부서짐 및 균열을 회피하는 유리와 같은 취성 재료에서의 복잡한 궤적을 레이저 기계 가공하는 방법이다. 영역에서 형성된 과도한 열은 형상부가 기계 가공될 때 레이저 펄스를 이격시킴으로써 회피될 수 있어서, 연속적인 레이저 펄스는 이전의 펄스와 동일한 위치에 겹치지 않게 된다. 원하는 펄스의 겹침(overlap) 및 단(step) 크기가 주어진다면, 형상부를 작업물에 레이저 기계 가공하는데 얼마나 많은 패스가 요구되는지를 결정하기 위해. 본 발명의 실시예는 형상부에 관련된 공구 경로를 분석한다. 공구 경로는 관련된 형상부를 기계 가공하기 위해 레이저 펄스가 유도될 곳을 지시하는 작업물에서의 일련의 위치이다. 형상부는 사용되는 레이저 파라미터에 따라 다수의 가능한 공구 경로를 가질 수 있고, 여전히 동일한 형상부를 생성할 수 있다. 이러한 실시예는 공구 경로 상에서 선택된 지점에 하나 이상의 레이저 펄스를 유도한다. 따라서, 원하는 겹침을 달성하기 위해 레이저를 초점 스폿의 거리의 부분만큼 이동시키고, 다른 펄스를 작업물에 유도하는 것이 아닌, 시스템은 공구 경로 상에서 계산된 개수의 잠정적 펄스 위치 위로 이동하고, 후에 레이저 펄스를 작업물에 유도한다. 그런 후에, 시스템은 공구 경로를 따라 움직이고, 공구 경로가 끝날 때까지(exhausted), 계산된 개수의 잠정적인 펄스 위치만큼 분리된 작업물에 레이저 펄스를 유도한다. 그런 후에, 시스템은 레이저 펄스의 스폿 거리의 부분만큼 제 1 레이저 펄스 위치로부터 벗어난 위치의 작업물에 레이저 펄스를 유도하고, 이로 인해 과도한 가열을 초래하는 것 없이 펄스 겹침을 달성한다. 그런 후에, 시스템은 계산된 단의 크기를 통해 다음의 위치를 색인하는데, 이 위치는 동일한 겹치는 부분의 오프셋만큼 바로 전의 레이저 펄스와 겹친다. 처리는 전체 형상부가 기계 가공될 때까지 지속한다.

본 명세서에서 구현되고 폭넓게 서술되는 본 발명의 목적에 따른 전술한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위한 방법 및 장치가 개시된다.

본 발명은 유리와 같은 취성 재료를 레이저 처리하는데 있어서, 종래 기술과는 다르게 이 재료를 잘 파손시키지 않는다는 장점을 갖는다.

도 1은 레이저 처리의 한 번의 패스를 갖는 공구 경로.
도 2는 레이저 처리의 다섯 번의 패스를 갖는 공구 경로.
도 3은 완료된 레이저 처리를 도시하는 공구 경로.

본 발명의 실시예는 레이저 처리 시스템을 이용하여 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법이다. 이러한 레이저 처리 시스템은 관련된 형상부를 기계 가공하기 위해, 공구 경로, 또는 레이저 펄스가 유도될 곳을 나타내는 작업물 상의 일련의 위치를 갖는다. 본 발명을 구현하는데 채택될 수 있는 예시적인 레이저 처리 시스템은 Electro Scientific Industries, Inc.(오리건주 97229, 포틀랜드)에 의해 제조된 MM5800이다. 이러한 시스템은 2개의 레이저를 사용하는데, 이들 레이저 중 하나 또는 모두는 30 내지 70 KHz의 펄스 반복 주파수에서 약 1064 ㎛로부터 약 255 ㎛ 까지의 파장으로 동작하고, 30 KHz의 펄스 반복률에서 약 5.7 W 보다 높은 평균 전력을 갖는 다이오드-펌핑된 고체 상태의 Q-스위치된 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4 레이저일 수 있다.

본 발명의 실시예는 그 전체가 본 명세서에 포함되는 발명의 명칭이 "METHODS FOR PROCESSING HOLES BY MOVING PRECISELY TIME LASER PULSES IN CIRCULAR AND SPIRAL TRAJECTORIES"이고, 발명자 로버트 M. 페일토프(Robert M. Pailthorp), 웨이솅 레이(Weisheng Lei), 히사시 마츠모토(Hisashi Matsumoto), 글렌 시몬손(Glenn Simonson), 데이비드 A. 와트(David A. Watt), 마크 A. 언래스(Mark A. Unrath), 및 윌리엄 J. 조던(William J. Jordens)에 의해, 2007년 8월 21에 출원된 미국 특허 제7,259,354호에 개시된 기술의 새로운 응용을 나타내고, 여기서, 홀은 드릴링 되는 홀보다 작은 레이저 빔의 스폿 크기를 사용하여 재료에서 드릴링되고, 레이저 펄스가 원형의 또는 나선 형태의 공구 경로에서 이동되도록 요청한다. 원주 주위의 레이저 펄스를 이격시키는 것은 더 좋은 품질의 홀을 제공한다는 것이 증명되었다. 본 발명은 이러한 개시물의 연장이고, 여기서 취성 재료를 레이저 기계 가공하는 것의 품질 및 처리량은 취성 작업물 상에서 임의의 공구 경로에 적용되는 레이저 펄스의 이격 및 타이밍을 계산함으로써 증가될 수 있다. 형상부가 기계 가공될 때, 공구 경로를 따른 시간과 공간 모두에서 서로로부터 레이저 펄스를 이격시킴으로써, 임의의 특정 영역에서 형성된 과도한 열이 회피되고, 이에 따라 커팅의 품질을 증가시킨다. 본 발명의 실시예에 따라 레이저를 펄싱함으로써, 펄싱된 위치는 인접한 위치가 펄싱되기 전에 냉각되는 것이 허용되어, 이로 인해 나머지의 손상에 대해 걱정할 필요 없이, 레이저 펄스가 펄스당 제거되는 재료의 양을 최대화하는 것을 허용한다. 이는 전체 처리가 품질을 유지하면서 처리량을 증가시키도록 최적화되게 한다.

본 발명의 양상은 도 1에 도시되는데, 여기서 작업물(8) 상의 복잡한 공구 경로(10)가 도시된다. 이 공구 경로는 부서짐 및 균열을 초래하는 것 없이 커팅하는데 어려운 굴곡진 섹션을 포함한다. 참조 번호 12로 나타나는 것 중 하나인 원은 하나의 패스에서 작업물에 유도된 레이저 펄스를 나타낸다. 일단 이 패스가 완료되면, 패턴은 하나의 단의 크기로 색인되고 반복될 것이다. 도 2는 다섯 번의 패스 이후에, 작업물(8) 상의 공구 경로(10) 상의 펄스의 이러한 패턴(14)을 도시한다. 도 3은 작업물(8) 상의 공구 경로(10)에 의해 서술된 형상부를 완전히 기계 가공하는 레이저 펄스(16)를 도시한다.

레이저 비아 드릴링 응용에서, 천공기가 둘레에서 다수의 반복으로 드릴링할 때, 주사 속도와 반복률을 미세 조정하여, 펄스가 홀의 둘레 주위에 균일하게 분포되게 하는 것은 바람직한데, 이는 균일한 재료의 제거를 달성하고, 비아의 품질을 위해 더 양호한 비아 간 일관성을 얻는다. 펄스 간 위치의 증분은 동일하고 최소화되어야 한다. 새로운 양이 한정되는데, 이 양은 제 1 회전에서 전달되는 제 1 펄스와 제 2 회전에서 전달되는 제 1 펄스 사이의 둘레를 따른 거리인 가상 바이트 크기이다. 툴의 속도를 조정하는 알고리즘이 상술되는데, 이 알고리즘은 가상 바이트 크기를 설정하여, 펄스의 이격이 균일하고, 가능한 미세하게 분포되도록 최적화시킨다. 또한, 의도된 공구 경로에 의해 요구된 타이밍으로 모든 펄스를 동기화시키기 위해, Q-스위치된 레이저 명령의 시기를 정하는 방법 또한 존재한다.

당업자라면, 본 발명의 기초가 되는 원리를 벗어나지 않고, 본 발명의 상술된 실시예의 세부사항에 대한 다수의 변경이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러므로 본 발명의 범주는 오직 다음의 청구항만으로 결정되어야 한다.

8 : 작업물 10 : 공구 경로
14 : 패턴 16 : 레이저 펄스

Claims (8)

1. 공구 경로를 갖는 레이저 처리 시스템을 통해 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법으로서,
   상기 취성 재료를 레이저 기계 가공하기 위해 작용하는 레이저 펄스 및 레이저 펄스 파라미터를 갖는 레이저를 제공하는 단계,
   상기 공구 경로를 기초로 상기 레이저 펄스 파라미터를 계산하는 단계로서, 각 레이저 펄스의 수 및 위치는 상기 공구 경로 상의 각 위치에 대해 사전 결정된 펄스 겹침 및 타이밍을 제공하기 위해 계산되는, 레이저 펄스 파라미터를 계산하는 단계, 및
   상기 계산된 레이저 펄스 파라미터에 따라, 상기 레이저를 유도하여 상기 레이저 펄스를 상기 취성 재료에 입사하도록 방출하게 하여, 상기 취성 재료에서 상기 형상부를 기계 가공하는, 유도 및 기계 가공 단계를
   포함하는, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 사전 결정된 펄스의 겹침 및 타이밍은 상기 레이저 펄스 사이의 이격을 제공하기 위해 선택되는, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 파라미터는 펄스 반복률, 주사 속도, 스폿 크기, 바이트 크기 및 패스의 수를 포함하는, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 펄스 반복률은 약 1KHz 내지 1MHz인, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 주사 속도는 약 100mm/s 내지 5000mm/s인, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
6. 제 2항에 있어서, 상기 스폿 크기는 약 10㎛ 내지 500㎛인, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
7. 제 2항에 있어서, 상기 바이트 크기는 약 10㎛ 내지 500㎛인, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
8. 제 2항에 있어서, 상기 패스의 개수는 약 1 내지 약 100인, 취성 재료에서의 형상부를 레이저 기계 가공하는 향상된 방법.
   

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