레이저는 PCB 제조 분야에서 30년 이상 중요한 역할을 해왔다. 이와 동시에 전자 장치의 크기가 급격히 작아진 것은 우연의 일치가 아니다. 레이저 빔을 기계 공구보다 훨씬 작은 초점으로 맞출 수 있게 됨으로써 밀도가 높고 크기가 작은 회로를 제작할 수 있게 됐다. 또한 천공 및 경로 비트 등의 소모품을 사용하지 않게 되어 제조비용을 절감할 수 있게 됐다.

수 년간 개발된 작업용 레이저는 이산화탄소(CO2) 레이저로서 제조업체에게 다양한 활용 분야에서 신뢰성 있고 비용 효율적인 레이저를 제공해왔다. PCB 제조 과정 가운데 가장 눈에 띄는 레이저 공정은 비아 천공(via drilling)이라고 하는 공정으로, 구리 기판에 전기적으로 절연된 유전체 레이어를 통해 레이저로 구멍을 뚫는 과정이다. 

일반적으로 기판이 손상되지 않은 경우라면 해당 구멍을 블라인드 비아(blind via)라고 한다. 구멍을 뚫게 되면 관통 비아(through via)가 된다. 지름이 150μm 정도인 매우 작은 구멍을 보통 마이크로 바이어스(microvias)라고 한다. 구리 도금 공정을 충분히 수행한 후, 유전체 레이어를 통한 전기적 상호 연결이 형성된다. 이러한 바이어스를 다양한 2차원 구성으로 배열하고 추가적인 구축, 천공 및 도금 과정을 실시해 3차원으로 만들어, 고밀도 상호연결(HDI) 및 패키징을 위해선 현재 강력하지만 아직은 소형화되지 않은 전자 장치의 필요성이 충족됐다.

더욱 작게 만들기

소형화에 대한 요구는 항상 존재한다. 그 예로 더 작은 휴대용 장치, 더 작은 마이크로칩, 더 작은 전자 패키지, 더 작은 상호 연결 바이어스 등이 있다. CO2 레이저로 구멍을 뚫은 바이어스의 경우 보통 지름이 60μm~80μm 정도로 제한되는데, 빛의 파장이 길기 때문이다(~10μm). 이로 인해 작은 빔의 초점을 어떻게 맞추는가에 대해 직접 베어링을 실시하게 된다. 기술적으로는 더 작은 비아 크기를 확보할 수 있지만, 전반적으로 보다 높은 공정 복잡도(그리고 이에 따른 비용)로 인해 활용은 이루어지지 않고 있다.

보다 파장이 짧은 펄스형 자외선(UV) 다이오드-펌프 고체(DPSS) 레이저 기술이 적용되는 분야다. CO2의 파장에 비해 30배가 짧은 단파장 UV는 훨씬 작은 규모의 마이크로 바이어스 제작에 필요한 충분히 작은 크기에 쉽게 초점을 맞출 수 있다. 1990년대 중반부터 나노 초(ns) 펄스(pulse)의 UV DPSS 레이저를 산업용/OEM용으로 상용 활용할 수 있게 됐다. 

기술 도입 초반에는 상대적으로 비용이 높고 신뢰성에 문제가 있어 그 활용이 제한됐지만 현재의 제품은 두 가지 모두에서 괄목할 만한 진전을 가져왔다. 사실상 지난 10년간, 이러한 레이저의 와트 당 비용은 진폭 수준으로 감소했으며 제품의 수명 주기는 괄목할 수준으로 개선됐다. 몇몇 제품의 경우 고출력에서 2만 운영 시간을 초과하는 경우도 있었다.

현재의 UV DPSS 레이저 기술

일반적으로 UV DPSS 레이저는 기본 자외선(IR)의 파장이 1mm 근처인 고출력 레이저 소스에서 시작하며 비선형 광학 결정에 초점을 맞춰 UV 출력을 생성하며 이러한 현상을 고조파 변환(harmonic conversion)이라고 한다. IR에서 UV로의 변환 효율은 무엇보다도 IR 펄스 에너지에 의존한다. 펄스 에너지는 펄스 주파수 또는 펄스 반복 주파수(PRF)로 레이저의 평균 에너지를 나눈 값이다.

IR 파장의 경우, 평균 출력은 상대적으로 몇몇 특정 주파수에 대해 일정하게 나타나기 때문에 펄스 에너지가 낮아지면 PRF가 높아지며 역의 경우도 성립한다. 변환된 UV광의 경우, 최대 평균 에너지는 몇몇 공칭 주파수에서 나타나며 레이저 설계에 따라 결정되는 특정값인 PRFnom에서 확인된다. UV 파장에서 평균 출력은 PRF가 높아지면서 운영 간 감소하는데 그 이유는 IR 펄스 에너지, 그리고 IR의 UV 변환 효율이 감소하기 때문이다.

상승한 UV 출력 수준을 주의깊은 레이저 설계를 고려해 PRF를 폭넓게 고려하는 과정에서 유지할 수 있다면 최종 사용자를 위해 높은 수준의 기계적 유연성을 제공할 수 있게 된다. 더욱 높은 에너지를 사용하면 커다란 기계에 대해 절삭 깊이를 깊게 사용할 수 있지만 정밀 천공 작업을 위해 낮은 에너지가 필요한 경우, 절단 및 마이크로 머시닝, 그리고 높은 PRF 수준에서의 작동을 사용해 비율에 따라 출력을 높일 수 있다. 

즉, 확장된 PRF 범위에서 상대적으로 높은 에너지를 가질 수 있으면 더 큰 활용 범위에서 보다 유연성이 큰 장치를 사용할 수 있게 된다는 것이다. 그리고 레이저를 이러한 연속체 전반에서 사용할 수 있게 되면, 도구 제작자는 단일 장비 인터페이스(기계, 전기, 광학, 통신) 및 단일 장비 공급업체(주문량이 많아지면서 단위당 비용 감소) 모두에 있어 괄목할 수준으로 비용을 절감할 수 있다.

또한, 이렇게 발전한 설계와 UV 변환 기술(Spectra-Physics의 최신 산업용 UV 레이저를 포함)을 결합한 레이저를 시장에서 사용할 수 있게 된다. 이러한 성능을 확보하기 위한 정확한 기법이 보통 독점적으로 사용되고 철저히 보호되는 반면 일반적으로 고조 변환 기법에 대한 높은 전문성과 고급 광학 코팅 기술에 대한 접근을 필요로 한다.

기타 UV DPSS 나노 초 레이저와 비교할 때(Spectra-Physics의 기존 기술을 포함), 새로운 고조파 변환 기술을 통해 출력 수준을 높임으로써 그림 1에서와 같이 PRFnom보다 훨씬 큰 확장된 범위에서 PRF를 유지할 수 있게 된다. 사실, 3x PRFnom을 넘는 출력 이점은 2에 접근한다. 

이에 더해, 펄스 에너지는 여전히 5x PRFnom 정도로 높은 안정성을 유지한다(5%보다 훨씬 이하). 보다 이전에 사용한 UV 레이저 기술은 기술적으로 볼 때 이렇게 높은 PRF에서의 작동을 허용하지만 PRFnom의 2배~3배가 넘을 경우 펄스 에너지의 안정성은 매우 빠르게 낮아진다.

▲ 그림 1. 향상된 UV광 변환을 통해 기존의 공칭 펄스 주파수보다 훨씬 높은

고출력 및 고펄스 에너지 안정성을 추구한다.

UV 레이저 활용한 PCB 마이크로 비아 천공

일반적인 레이저 비아 천공 활용은 아지노모토 빌드 업 필름-코팅이 된 얇은 강체 구리-클래드 기판에 있는 마이크로 비아 구성이다. 구리의 손상을 최소화한 상태로 자재를 신속하고 깨끗하게 제거해 측면 테이퍼 각도를 작게, 제한된 양만큼 제거하는 게 목표이다. 

고효율 플랫 톱 빔-성형 광항 기술을 활용한 펄스 나노 초 UV 레이저를 이용해 실험을 수행해 다양한 평균 출력 수준에서 천공 출력을 결정했다. ABF 타입은 두께가 30μm인 GX13이며 해당 비아 지름은 50μm~60μm 사이다. 출력은 100kHz로 고정된 상태에서 2W~7W 사이에서 변화를 시키며 그 결과 펄스 에너지 폭은 20μJ~70μJ의 폭으로 변화했다. 방사 펄스의 수는 각 출력 레벨별로 상이하며 구리 기반을 깔끔하게 노출시키는데 필요한 최소 수량을 기록했다. 이 수치를 100kHz PRF로 나누면 초당 바이어스의 최대 이론적 천공률이 된다.

연구 결과를 그림 2에 요약했다. 천공률을 왼쪽 축에, 효율을 측정하는 레이저 출력 단위 와트당 천공률을 오른쪽 축에 기재한다. 출력, 그리고 펄스 에너지가 증가하면서 천공률이 처음에 빠르게 증가하며 초당 3,000구멍에 다다랐다. 그러나 40μJ~50μJ 이상의 에너지에서는 포화 영역에 도달하게 되며 천공률이 정체되면서 효율이 떨어지게 된다. 

이러한 포화 현상은 물질 내 빛 소멸의 기하급수적 현상으로 인해 발생하며 특정 선속 이상의 경우(단위 면적당 에너지) 선속이 크게 증가하더라도 융삭 깊이는 약간만 증가하게 된다. UV 광과 강력한 흡수 고분자 물질을 사용하는 경우 이러한 전이는 상당히 급작스럽게 발생할 수 있다. 이러한 현상의 결과가 그림 2에 나와 있다. 25μJ에서 50μJ로 펄스 에너지가 두 배로 증가하는 경우 천공/융삭율이 1.4배 증가에 그치게 되는데 이는 2배로 높아지는 경우 예상할 수 있는 비율보다 훨씬 낮은 것이다.

▲ 그림 2. 비아 천공율 및 고정된 PRF에서 평균 출력이 증가하는 효율. 

주: 해당 데이터는 최적화가 되지 않은 시스템 구성 및 처리 파라미터

집합에서의 조건이다.

시험에 사용한 레이저가 높은 PRF에서 고출력을 유지하기 때문에 초당 3,000바이어스를 쉽게 초과하는 천공률은 해당 공정에 사용하는 PRF를 높임으로써 쉽게 얻을 수 있다. 그림 3에서 지름이 50μm 정도인 레이저 천공 비아의 현미경 이미지는 ABF를 고품질로 천공하고 회로상 구리 손상을 최소화한 상태로 실시했음을 의미한다. 해당 비아의 경우, 150kHz PRF에서 45펄스를 사용했으며 이는 초당 3,300바이어스 천공률과 동일하다.

▲ 그림 3. 상단의 ABF 표면 (a) 및 하단의 구리 표면 (b), 3,300 구멍/초의

처리량으로 높은 PRF에서 펄스 UV 레이저를 가해 천공한 블라인드 마이크로 비아

소형 마이크로 바이어스의 경우, 빔의 높은 집중도로 인해 더 적은 에너지를 필요로 하기 때문에 시스템 설계 및 오늘날의 고출력 UV 소스를 효율적으로 사용할 수 있는 프로세스를 정의하는 과정에서 도전과제가 될 수 있으며, 다수의 경우 낮은 PRF와 높은 펄스 에너지에서 명목상 작동하도록 설계된다(예: 최대 출력). 

처리량을 극대화하는 한 가지 간단한 방법은 펄스 에너지와 펄스율이 만나는 시점까지 레이저 PRF를 증가시키는 것이며 이렇게 하면 가장 효율적인 처리와 최대 처리량을 얻을 수 있다. 

예를 들어, 100kHz의 PRFnom을 갖는 레이저에 대해 이러한 광학적 결합이 200kHz에서 발생하는 경우를 살펴보자. 평균 출력 및 펄스 에너지 모두 PRFnom보다 낮지만 동일 수의 펄스를 원래 시간의 1/2에서 배출할 수 있다. 그리고 펄스 에너지가 낮고 펄스당 융삭 비율이 이에 따라 낮아지더라도 그림 2에 있는 데이터는 2정도 낮아지지 않게 된다. 

그러므로 공정간 처리량의 순증가를 실현하게 된다. 위와 같이 상당히 공통적인 시나리오(레이저의 설계 지점과 특정 활용 요구 사이의 미스 매치)에서 확장된 PRF 범위에서의 상승된 출력 레벨을 갖는 레이저가 상당히 유용하다.

현재 고출력 UV 레이저의 잠재력을 극대화하는 여러 방법이 있다. 효율적인 처리를 위한 최적의 에너지가 최대 레이저 평균 출력에 대해 설계된 PRFnom에서의 에너지보다 훨씬 낮은 경우, 빔을 다수의 저 에너지빔으로 나누어 이들을 다중 프로세스 헤드로 보내는 게 타당할 수 있다(그림 4a에서와 같이). 

이러한 구성을 사용하면 프로세스 레이저의 효율적인 처리량을 위에 설명한 바와 같이 단순히 PRF를 높이는 방식과 비교할 때 훨씬 높은 수준으로 개선이 가능하다. 처리량 평균이 작은 바이어스에서 더욱 높아지는데 그 이유는 더 낮은 에너지를 필요로 하기 때문이며 그 결과 다수의 빔을 분할할 수 있다. 

예를 들면, 그림 4b는 단일 빔/높은 PRF 대 50W UV 레이저 시스템을 사용하는 지름이 50μm~100μm인 ABF 블라인드 바이어스 천공에 대한 분할 빔 구성 사이에서 효과적인 비아 천공률을 나타내는 표를 포함하고 있다. 최근 30W 버전의 레이저에서 처리량은 15W 모델과 비교할 때 거의 두 배로 늘어났다.

▲ 그림 4. 고출력 레이저 빔을 분산시키면 (a) 더 높은 전반적인 천공율을 확보할 수 있으며

(b) 특히 낮은 펄스 에너지를 필요로 하는 작은 바이어스 지름에 유용하다.

Flex PCB 제조용 레이저 가공

패키징 크기가 줄어든 것은 물론 상당히 유연해야 한다는 필요성이 대두되고 있다. 장치의 소형화 수준은 모듈을 아주 얇은 물품(신용카드, 여권, 옷(웨어러블), 심지어는 종이) 수준으로 얇게 만들 수 있는 수준에 도달했으며 상호 연결 및 패키징 개념 또한 동일한 수준으로 수용해야 한다. 

또한, Flex PCB를 통해 보다 다양하고 소형화된 배열을 휴대용 장치 내에 적용할 수 있으며 이를 통해 폼 팩터가 줄어들고, 기능성이 높아지며 설계 유연성이 증가하게 됐다. 이러한 동력을 활용해, Flex PCB의 제조는 지난 수년간 빠른 속도로 증가했으며 증가세는 계속될 것으로 예상된다.

Flex PCB 제조에서 일반적으로 사용하는 물질은 구리, 폴리마이드, 구리 라미네이트다. 라미네이트 내부의 호일 두께는 시간이 지나며 감소하게 됐다. 현재 구리 및 폴리마이드 레이어의 두께는 각각 10μm, 13μm 수준으로 감소했으며 이러한 추세가 지속될 것으로 보인다. 

공통 Flex PCB 레이저 공정은 프로필 절단 및 블라인드 및 관통 비아 천공을 포함한다. ABF 구리상 수지 비아 천공과 비교할 때, Flex PCB 비아 천공은 특성이 상당히 다른 두 가지 물질인 구리와 폴리마이드를 이상적으로는 동일 레이저 소스로 처리해야 한다는 추가 요건이 발생한다. 밝혀졌듯, 적외선 파장(~10μm)의 CO2 레이저가 적절하지 않은 이유는 긴 파장은 구리의 영향을 크게 받기 때문이다. 그러므로 Flex PCB 제조에서 UV DPSS 레이저를 많이 사용한다.

고출력 30W UV 레이저를 사용해 블라인드 및 관통 비아 모두에 대한 천공 공정을 개발했으며 천공 처리량에 대해 규정했다. Flex PCB 라미네이트는 양쪽에 1/2mil 구리 호일을 도포한 1mil 두께의 폴리마이드로 구성된다. 재료가 충분히 얇기 때문에 25μm 지름 이하의 아주 작은 비아를 아주 작은 초점을 사용해 천공할 수 있다. 

작은 점의 크기와 UV광을 구리 및 폴리마이드와 강력히 결함시킴으로써 상대적으로 낮은 에너지 수준에서 처리가 가능하며 이는 매우 높은 PRF에서 레이저 사용이 가능하기 때문에 높은 천공률을 얻을 수 있음을 의미한다. 더 큰 바이어스가 필요한 경우, 큰 초점을 사용할 수 있으며(레이저에서 발생하는 펄스당 에너지도 높아짐) 더 큰 바이어스에서도, 고속 빔 스캐닝 광학 기술을 사용해 높은 밀도의 초점으로 된 빔을 원형으로 빠르게 이동시킬 수 있으며(도려내기 기법) 동시에 레이저는 융삭을 실시한다. 

일반적으로 작은 원을 그리는 도려내기 공정은 스캐닝 광학 속도에 의해 제한되며 가끔은 아주 높은 PRF에서 레이저가 작동하기 때문에 의도하지 않은 열의 영향이 발생할 수 있다. 이러한 경우, 낮은 PRF를 갖는 레이저(이에 따라 낮은 평균 에너지)를 사용해 빔 스캐닝 장치의 속도에 맞추도록 해 최상의 품질을 보장한다.

충격식 천공을 사용하는 경우(그림 5의 a, b) 처리량이 급증할 수 있는데 그 이유는 천공에 필요한 이동 부품이 없기 때문에 레이저가 아주 높은 PRF에서 작동할 수 있는 이유는 초점의 크기가 작고, 이로 인해 에너지 요건이 감소하기 때문이다. 그림 5에 있는 충격식 천공 블라인드 바이어스를 초당 9,000바이어스 정도의 천공률을 갖는 레이저로 천공하는 반면, 관통 바이어스에 대한 천공률은 초당 5,500바이어스 이상이 된다. 

두 가지 천공 공정 모두 300kHz의 높은 레이저 PRF를 사용한다. 그림 5c에 있는 원형 천공 비아는 작은 원운동으로 빔의 방향을 굽힌 2축 스캐닝 검류계 처리 헤드를 사용하며, 이 경우 충격식 융삭과 비교할 때 접근 속도는 필연적으로 느려진다. 이 경우, 200mm/s로 세 번 스캔을 반복하며 그 결과 >250바이어스/초라는 효과적인 천공률을 얻게 됐다. 

이 경우 레이저 PRF는 60kHz보다 훨씬 낮으며 이를 통해 빔 스캐닝 장치의 속도를 맞출 수 있다. 그림 5d에 나와 있는 3D 광학 조면계 데이터 곡선은 조심스럽게 실시한 공정 최적화를 통해 확보할 수 있는 고품질의 원하는 수준의 아주 낮은 모서리 버링(burring) 가공 결과를 보여준다. 이 경우 2μm~4μm의 모서리 버링 가공은 구리 호일의 원래 조도보다 훨씬 높진 않다.

▲ 그림 5. 블라인드의 광학 현미경사진 (a) 및 Cu/PI/Cu층 내에서의 (b) 관통

바이어스, (c) 회전 비아 및 펄스 UV 레이저로 생성된 회전 비아의 표면 위상 (d).

커버레이 패턴

Flex PCB 제조에서 커버레이 패턴은 종이 뒤판에 느슨히 부착할 수 있는 얇은 폴리마이드 시트를 다양한 모양으로 절삭하기 위한 중요한 공정이다. 커버레이 그 자체를 그 후 보호 레이어로 플렉스 회로에 부착하며 이는 강체 PCB에 사용할 납땜 마스크와 기능적으로 유사하다. 

몇몇 경우, 폴리마이드와 접착제가 종이에 부착되며 종이가 타는 것을 방지하기 위해 UV 레이저 소스의 비열 융삭에 있어 중요하다. 자재 절단을 위해 높은 에너지 수준이 꼭 필요한 것은 아니다. 시트가 상당히 얇아서 아주 작은 초점을 사용할 수 있기 때문이다(그림 6). 

초점이 작아지면 발산 정도가 높아지기 때문에 두꺼운 물질을 절단하는 경우 적절하지 않다. 이러한 에너지를 아주 높은 PRF에서 적용할 수 있으면 이에 따른 높은 패턴 속력을 얻을 수 있다. UV 레이저 출력이 6W에서 최대 30W 사이에서 변화하기 때문에 여러 패턴 속력을 단일 빔, 고 PRF 접근 방식이나 보다 향상된 빔 분할 도구 설계 중 하나로 확보할 수 있다.

▲ 그림 6. 커버레이 패턴 – 얇은 폴리마이드를 고속으로 절단하며 분산 빔 시스템 구성에서 큰

이점을 확보할 수 있다.

저출력 수준에서 공정 속도는 평균 출력 증가와 함께 선형으로 증가한다. 그러나 20W UV로 전환하는 경우 보다 높은 평균 처리량을 실현할 수 있다. 이는 20W UV 이상의 레이저가 일반적으로 더 높은 PRFnom에 대해 설계가 됐기 때문이며(100kHz 대 50kHz) 이는 상당히 높은 PRF에서 보다 높은 에너지를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 빔 분할의 이점이 크게 높아진다. 필요한 펄스 에너지 중 다수를 더 높은 출력에서 사용할 수 있기 때문이다. 고출력 레벨을 통해 20W에서 2x의 빔, 30W에서 3x의 빔 등 더 많은 빔의 분할이 가능하다.

결론

펄스가 있는 ns UV DPSS 레이저는 수년간 대용량, 고급, 고밀도 PCB 제조에 있어 빠른 속도로 도입됐으며 보다 얇고, 유연한 PCB 제조 공정 구현 추세를 가속화 또는 유지하고 있는 것으로 보인다. 그러나 시장에서 사용하는 대부분의 레이저 제품의 경우, 작은 범위의 펄스 출력 주파수에 대해서만 충분히 높으며 이로 인해 레이저의 유연성을 제한해 응용 공간을 제약하게 된다. 

최근에는 새로운 UV 레이저 기술을 활용해 활용 분야를 상당히 확장시켰다. 높은 PRF에서 높은 출력 수준을 유지할 수 있었기 때문이다. 또한 사용 가능한 활용 영역을 차후 확장시킬 수 있는 저비용 제조법을 유도했다. UV DPSS 레이저의 지속적인 기술 발전과 함께 더 높은 출력, 낮은 비용, 믿을 수 있는 레이저 제품, 전자 회로와 패키징의 소형화 가능성이 보다 커지게 되어, 현재 전자장치의 개선은 물론 웨어러블 장치의 제조와 같이 최근에 등장한 산업 분야 발전을 가속화시킬 수 있을 것으로 예상된다.

짐 보바첵(Jim Bovatsek) SPECTRA-PHYSICS