KR100553640B1 - 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템에 관하여 개시한다. 개시된 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템은, 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 각각의 작업대상물로 조사하는 마스터 레이저 헤드 및 슬레이브 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드에 배치되어서 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 상기 작업대상물의 소정 위치로 주사하는 갈바노 스캐너와, 상기 레이저 헤드의 일측에 부착된 레이저 빔 덤퍼를 구비하며, 상기 빔 덤퍼는 상기 갈바노 스캐너로 사용되지 않는 레이저 빔이 덤핑되는 장소로 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템{Dual head laser system having high speed shutter}

도 1은 종래의 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다.

도 2는 기계적 셔터의 고속화를 위한 일 예를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 마스터 레이저 헤드 및/또는 슬레이브 레이저 헤드에 장착되는 레이저 빔 덤퍼의 일 예를 도시한 사시도이

도 5는 도 4의 일 측면도이다.

도 6a 내지 도 6c는 갈바노 스캐너 및 f-쎄타 렌즈 등에 의한 왜곡현상을 보여주는 설명도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

10: 레이저 발진기 12: 콜리메이터

14: 조리개 16: 하프미러

18: 반사미러 21,22: 기계적 셔터

30: 마스터 레이저 헤드 31,41: 갈바노 스캐너

32,42: x 미러 33,43: y 미러

35,45: f-세타 렌즈 39,49: 작업대상물

40: 슬레이브 레이저 헤드 60: 레이저 빔 덤퍼

61: 연결부재 62: 볼 스크류

63: 지지부재 64: 덤핑 플레이트

65: 홀 66: 볼트

67: 너트 68: 놉 스위치

69: 고정볼트

본 발명은 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템에서 마스터 레이저 헤드 및 슬레이브 레이저 헤드로 드릴링하는 작업대상물의 가공수가 차이가 날 때 일측의 레이저 헤드롤 차단하는 장치에 관한 것이다.

레이저 드릴링 시스템은 다층기판의 전자기기에서 각 층간의 연결을 위하여 작은 홀 및 특수 비아홀(via hole)을 레이저 광을 이용하여 천공하는 장치이다. 다층 PCB(Printed Circuit Board)의 층간 연결 통로에 해당되는 비아홀을 가공하기 위해서 종래에는 기계적 드릴(Mechanical Drill)을 사용하하였으나 회로의 미세화로 인해 홀의 구경이 작아지면서 이로 인한 가공비의 증가와 미세홀 가공의 한계로 인해 레이저를 이용한 가공방식이 대안으로 사용되게 되었다.

도 1은 종래의 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 레이저 발진기(10)로부터 발진된 레이저 빔은 콜리메이터(12) 및 조리개(14)를 거쳐서 빔스프리터인 하프미러(16)로 입사된다. 하프미러(16)로 입사된 레이서 빔은 대략 50 %는 반사되어서 하방의 기계적 셔터(31)를 통과하여 마스터 레이저 헤드(30)로 진입하고, 나머지 레이저 빔은 하프미러(16)를 통과하여 반사미러(18)에서 반사되어 기계적 셔터(32)를 거쳐서 슬레이브 레이저 헤드(40)로 진입한다.

마스터 레이저 헤드(30) 및 슬레이브 레이저 헤드(40)로 진입된 각 레이저 빔은 각각 갈바노 스캐너(31,41)에 의해서 광의 방향이 제어된 후 f-쎄타 렌즈(35,45)를 거쳐서 작업대상물(39,49)에 비아홀을 형성한다. 갈바노 스캐너(31,41)는 x 미러(32,42) 및 y 미러(33,43)로 구성되어 있으며, 각 미러는 제어장치(미도시)로 그 각도가 조절된다.

상기 기계적 셔터(21,22)는 AC 서보 모터, 솔레노이드, 에어 실린더 등이 액츄에이터로 사용된다. 펄스 레이저 또는 Q-스위치에 의해 펄스화된 레이저는 대략 2 ~4 kHz 주파수를 이용하며, 이때 250~500 ㎲ 의 타이밍으로 레이저 펄스를 발생하는 데, AC 서보 모터는 최대 속도로 가동되어도 펄스 레이저의 온, 오프 타이밍을 따라가지 못한다.

도 2는 기계적 셔터의 고속화를 위한 일 예를 도시한 평면도이다.

도 2를 참조하면, 셔터의 고속 가동효율을 높이기 위해서 AC 서보 모터(미도시)로 구동되는 회전 플레이트를 사용하였다. 회전 플레이트에는 6개의 홀이 동심원에서 등 간격으로 형성되어 있으며, 각 홀은 레이저 가공시 사용하고, 레이저 가공을 하지 않을 경우에는 회전 플레이트를 움직여서 홀이 형성되지 않은 부분에 레이저가 닿게 하여 셔터 역할을 하는 것이다. 레이저 빔이 홀 A를 통과하고 있을 때, 회전 테이블을 회전하여 셔터로 사용시 AC 서보모터로 회전테이블을 회전시켜서 B지점 또는 C지점으로 이동을 해야 한다. 예를 들어 5000 rpm(분당 회전수)인 서보모터는 초당 약 83.3 회전한다. 한 회전에는 1/83.3초, 약 12 ms가 걸린다. 따라서, 레이저 빔이 홀 A를 지나서 B지점 또는 C지점으로 이동시, 전체 회전에서 1/12 만 움직이면 된다. 즉, 이때 필요한 시간은 1 ms 가 된다. 결과적으로 AC 서보모터는 펄스 레이저의 on, off 타이밍을 못 따라감을 알 수 있다. 따라서, 이러한 기계적 셔터의 움직임이 레이저 속도를 못 따라가는 것은 레이저 시스템의 생산 속도를 저하시키는 문제를 야기한다.

본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 펄스 레이저의 온,오프 타이밍을 따라 가는 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템은,

레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 각각의 작업대상물로 조사하는 마스터 레이저 헤드 및 슬레이브 레이저 헤드;

상기 레이저 헤드에 배치되어서 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 상기 작업대상물의 소정 위치로 주사하는 갈바노 스캐너; 및

상기 레이저 헤드의 일측에 부착된 레이저 빔 덤퍼;를 구비하며,

상기 빔 덤퍼는 상기 갈바노 스캐너로 사용되지 않는 레이저 빔이 조사되는 장소로 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 국면에 따르면 상기 빔 덤퍼는,

상기 레이저 헤드의 일측에 부착된 연결 부재; 및

상기 연결부재에 부착되어서 상기 레이저 헤드로부터 레이저 빔이 닿는 곳에 배치되는 덤핑 플레이트;을 구비한다.

상기 빔 덤퍼는,

상기 덤핑 플레이트 및 상기 연결부재를 연결하며, 상기 덤핑 플레이트의 위치를 조정하도록 상기 덤핑 플레이트를 직선운동시키는 직선이동부재;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 직선이동부재는 볼 스크류인 것이 바람직하다.

또한, 상기 ,

상기 직선이동부재에 연결된 지지부재 위에 배치되어서 상기 지지부재로부터 착탈가능하게 설치된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이며, 종래의 발명과 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템은 레이저 발진장치(10)와, 상기 레이저 발진장치(10)로부터 발진된 레이저 빔을 평행광으로 확대하는 콜리메이터(12)와, 상기 콜리메이터(12)를 통과한 레이저 빔의 크기를 조정하는 조리개(14)와, 상기 조리개(14)를 통과하여 입사된 레이저 빔 중 대략 50%는 반사시키는 하프미러(16)와, 상기 하프미러(16)를 통과한 레이저 빔을 일방향으로 반사시키는 반사미러(18)와, 상기 하프미러(16)에서 반사된 레이저 빔을 이용하여 제1 작업대상물(39)에 레이저 빔을 주사하는 마스퍼 레이저 헤드(30)와, 상기 반사미러(18로부터 반사된 레이저 빔을 이용하여 제2 작업대상물(49)에 레이저 빔을 주사하는 슬레이브 레이저 헤드(40)를 구비한다.

각 마스터 레이저 헤드(30) 및 슬레이브 레이저 헤드(40)는, 레이저 빔을 작업대상물(39,49)의 소정 영역에 X-Y 방향으로 주사시키는 갈바노 스캐너(31,41)와, 입사된 레이저 빔이 가공 영역의 전체에 대해 동일한 크기의 초점을 형성시키는 f-세타렌즈(35,45)를 구비한다. 참조번호 32,42 및 33,43은 각각 x 및 y 미러로서 입사되는 레이저 빔을 반사시키며, 각각의 미러는 구동드라이버(미도시)에 연결되어서 입력되는 명령에 따라서 그 각도를 변경한다.

각 레이저 헤드(30,40)의 일측에는 사용되지 않는 레이저 빔을 받는 레이저 빔 덤퍼(laser beam dumper)(60)가 설치되어 있다. 상기 레이저 빔을 빔 덤퍼(60)로 보냄으로써 종래의 고속 기계적 셔터를 대체하며, 보다 빠른 속도로 셔터 역할을 수행하는 것은 갈바노 스캐너의 기능을 이용하기 때문이다. 일반적으로 갈바노 스캐너는 175~800 ㎲의 속도를 가지기 때문에 갈바노 스캐너를 이용한다면 펄스 레이저의 타이밍을 따라 갈 수 있다. 또한, 기존의 레이저 헤드에 장착 되어있는 갈바노 스캐너를 이용하여 기존의 기계적 셔터를 대체할 경우 추가 비용과 복잡한 기구 설치가 필요없는 장점이 있다. 또한, 펄스 레이저의 타이밍에 맞출 수 있는 고효율의 고속 셔터를 제공할 수 있게 된다.

도 4는 마스터 레이저 헤드 및/또는 슬레이브 레이저 헤드에 장착되는 레이저 빔 덤퍼의 일 예를 도시한 사시도이며, 도 5는 도 4의 일 측면도이다.

도 4 및 도 5을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 빔 덤퍼(60)는, 듀얼 헤드인 마스터 레이저 헤드(30) 및 슬레이브 레이저 헤드(40)의 일측에 각각 부착되는 연장부재(61), 상기 연장부재(61)에 고정된 직선이동부재, 예컨대 볼 스크류(62) 및 상기 볼 스크류(62)에 의해서 일방향으로 이동되는 덤핑부재를 구비한다.

상기 덤핑부재는 상기 볼 스크류(62)의 일단에 연결된 지지부재(63)와 상기 지지부재(63)에 착탈가능한 덤핑 플레이트(64)을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 덤핑 플레이트(64)의 가장자리에는 다수의 홀(65)이 형성되어 있으며, 지지부재(63)에도 상기 홀(65)에 대응하는 홀들(미도시)이 형성되어서 덤핑 플레이트(64) 및 지지부재(63)는 도시된 볼트 및 너트에 의해 나사결합된다. 상기 덤핑 플레이트(64)은 오래 사용하여 파손되는 경우 상기 나사결합을 해체한 후 교체가 가능하다.

상기 볼 스크류(62)의 일단에는 상기 덤핑부재의 이동을 위한 놉 스위치(68)가 배치되어 있으며, 상기 볼스크류(62)의 일측에는 고정볼트(69)가 설치되어서 상기 볼스크류(62)를 고정시킨다.

상기 덤핑 플레이트(64)은 레이저 빔이 직접 부딪히는 영역으로 열전도가 잘 되는 물질이 주로 사용된다. 이러한 열전도성이 우수한 물질로는 알류미늄이 사용될 수 있다. 또한 상기 알루미늄 플레이트 위에 코롬 산화물 코팅을 하여 레이저 빔으로부터의 손상을 방지할 수도 있다.

도 6a 내지 도 6c는 갈바노 스캐너 및 f-쎄타 렌즈 등에 의한 왜곡현상을 보여주는 설명도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이 화면내 수직선이 휘거나 모서리 부분 화면이 휘어지는 핀큐션 왜곡(pincushion distortion) 현상이 나타나며, 도 6b에 도시된 바와 같이 상이 시야 가장자리에서 축소되는 선형 왜곡(linear distortion) 현상이 나타나며, 이들이 합성되면 도 6c와 같은 왜곡현상이 나타난다. 도면에서 그리드 내의 영역은 왜곡현상이 없으나 그리드 외곽에서는 왜곡현상이 일어나므로, 이 왜곡영역은 실제 레이저 드릴링 작업에서 사용하지 않는 영역이다. 따라서, 이 왜곡영역에 빔 덤퍼(60)의 덤핑부재를 위치시키면 레이저 가공작업을 방해하지 않고서도 레이저 빔 덤핑작업을 실시할 수 있게 된다.

상기 구조의 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템의 작용을 도면을 참조하여 상 세하게 설명한다.

먼저, 마스터 레이저 헤드(30)와 슬레이브 레이저 헤드(40)를 사용하여 작업물에 대한 드릴링 작업을 동시에 수행한다.

이어서, 슬레이브 레이저 헤드(40)로 하는 작업이 완료된 상태에서 메인 헤드로 할 작업이 남아있는 경우에는 마스터 레이저 헤드(30)로 작업을 계속하면서, 슬레이브 레이저 헤드(40)로 통과하는 레이저 빔을 갈바노 스캐너로 레이저 빔 덤퍼(60)로 향하게 한다. 빔덤퍼(60)로 향한 레이저 빔은 빔 덤퍼(60)의 덤핑 플레이트(64)에 충돌하며, 덤핑 플레이트(64)은 레이저 빔 충돌에 의한 열을 분산한다.

한편, 상기 고정볼트(69)를 릴리스한 상태에서 상기 놉 스위치(68)를 조정하면 상기 덤핑 플레이트(64)을 레이저 빔의 가공영역으로부터 벗어난 왜곡영역에 배치할 수 있다. 이렇게 덤핑 플레이트(64)의 위치가 조정되면 고정볼트(69)를 죄어서 볼 스크류(62)를 고정한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템에 따르면, 듀얼 헤드 중 어느 하나의 헤드가 사용되지 않는 경우 펄스 레이저의 on, off 타이밍에 맞추어 가공 PCB 표면 상에 쏘아지는 레이저 출력을 갈바노 스캐너를 이용하여 on, off 할 수 있으므로 간단하게 고속 셔터장치를 구현할 수 있다. 또한 레이저 on, off 타이밍에 맞출 수 있기 때문에 가공속도의 향상 및 생산성을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 각각의 작업대상물로 조사하는 마스터 레이저 헤드 및 슬레이브 레이저 헤드;

   상기 레이저 헤드에 배치되어서 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 상기 작업대상물의 소정 위치로 주사하는 갈바노 스캐너; 및

   상기 레이저 헤드의 일측에 부착된 레이저 빔 덤퍼;를 구비하며,

   상기 빔 덤퍼는 상기 갈바노 스캐너로 사용되지 않는 레이저 빔이 덤핑되는 장소로 사용되며, 상기 레이저 헤드의 일측에 부착된 연결 부재;

   상기 연결부재에 부착되어서 상기 레이저 헤드로부터 레이저 빔이 닿는 곳에 배치되는 덤핑 플레이트; 및

   상기 덤핑 플레이트 및 상기 연결부재를 연결하며, 상기 덤핑 플레이트의 위치를 조정하도록 상기 덤핑 플레이트를 직선운동시키는 직선이동부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 덤퍼는,

   상기 직선이동부재는 볼 스크류;인 것을 특징으로 하는 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 덤핑 플레이트는,

   상기 직선이동부재에 연결된 지지부재 위에 배치되어서 상기 지지부재로부터 착탈가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 고속 셔터장치를 구비한 듀얼 헤드 레이저 드릴링 시스템.

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