KR100691924B1 - 재료 가공 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 블라인드 바이어 천공을 위한 워크피이스(PCB, PWB 등) 가공용 재료 가공 시스템은 서로 분리된 이산 가공빔(22a,22b)을 제공하기 위한 레이저 공급시스템(20,26,30)을 포함하고, 편향장치(28,32)는 워크피이스상의 작동 필드내 복수의 위치에서 다중 독립 빔을 생성하기 위해 이산 가공빔 각각을 편향하기 위해 제공되며, 상기 편향장치로부터 다중 독립 빔을 수신하도록 구성된 입사동공을 갖는 스캔렌즈(34)는 상기 스캔렌즈의 입사동공 부근에 제공되고, 상기 작동 필드내 적어도 하나의 좌표 방향에서 다중 독립 빔의 각각의 위치를 변경하도록 상기 편향장치를 제어하기 위해 컴퓨터가 사용되며, 상기 편향장치는 상기 스캔렌즈의 입사동공에서 검류계/거울 쌍을 포함하고, 이것은 상기 스캔렌즈가 비교적 큰 입사동공을 갖고 상기 거울부분이 작기 때문에 가능하며, 이러한 구성의 이점은 워크피이스상의 전체 작업계(일반적으로 2×2인치)에 모든 빔이 접근할 수 있어서, 고효율의 레이저 파워 사용을 실현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

재료 가공 장치 및 방법{A MATERIAL MACHINING APPARATUS AND METHOD}
관련출원에 대한 상호참조
본 출원은 1999년 4월 27일 출원된 미국 가특허출원 제60/131,139호의 이익을 청구한다.
본 출원은 레이저빔을 이용한 재료처리분야에 관한 것이다.
레이저빔을 이용한 전자구성요소(프린트 배선 회로판-PCB(printed circuit board), 프린트 배선 와이어판-PWB(printed wire board) 등)의 재료 가공은 유연하고 단단한 재료에 첨예한 구멍을 생성하기 위해 사용된다. 전자구성요소의 밀도 요구가 급속도로 증가되고 있고, (PWB 또는 PCB에 대한) 물적 재산의 사용 또한 증가하고 있다. 소형 관통구멍은 생산 비용이 고가이고, 산업분야에서의 수신이 줄어들었다. 블라인드 구멍 또는 바이어(즉, 다층 PWB를 완전히 통과하지 않는 구멍)는 PWB 물적 재산을 좀더 효율적으로 사용하도록 하지만, 생산 비용이 고가이다.
1997년 10월 14일에 발행된 미국특허 제5,676,866호는 레이저빔 천공 공정을 개시하고 있다. 상기 레이저빔은 각각이 거울소자에 부딪히고 단일 집속렌즈를 통해 워크피이스상으로 향하는 복수 빔으로 공간 분할된다. 특정 거울소자는 렌즈가 렌즈필드에 대해 일부 빔경로를 블로킹하기 위한 물리적인 애퍼처로 작용하기 때문에 상기 렌즈필드 영역의 모든 부분으로 레이저빔을 보낼 수는 없다.
상기 빔은 실제 천공 공정동안 움직이지 않는다(즉, 트리패닝(trepanning) 공정이 아니라 충격식(percussion) 공정이다). 미국특허 제5,676,866호는 하나의 필드에서 모든 소자의 동시 처리를 실시하여 샘플을 다음 필드로 이동시키기 위해 광역 빔을 복수의 빔렛(beamlet)으로 분할하는 기술에 대해 개시하고 있다.
이것은 각각의 구멍을 천공하기 위한 에너지가 적은 경우 많은 구멍을 동시에 가공하기 위해 고펄스 에너지를 갖는 레이저로부터 빔을 효율적으로 이용하기 위한 일반적인 구성이다.
본 발명의 목적은 단일 스캔렌즈를 통해 다중 레이저빔을 집속하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일 렌즈를 통해 서로 다른 멀티빔을 통과시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 병렬처리 지원을 제공하기 위해 복수의 서로 다른 렌즈를 통해 멀티빔을 통과시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 멀티빔을 생성하기 위한 빔 분할방법 및 에너지 균형법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 빔 위치조정 검류계를 이용하는 빔 셔터링(shuttering)방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경로길이 균형법을 이용하는 멀티빔 영상시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특징 품질을 개선하기 위해 서로 다른 각도로부터 빔을 교대로 발생하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 빔 각도에서 발생하는 빔 위치에러를 수정하기 위해 워크피이스 두께 변화의 보상방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적과 관련하여 본 발명은 워크피이스(12) 상의 작동 필드(field of operation : 38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하며, 서로 분리된 복수의 이산 가공빔(a plurality of discrete machining beams : 22a, 22b)을 공급하는 공급수단(20, 24, 26, 30)을 갖는 재료 가공 장치(10)에 있어서, 상기 복수의 이산 가공빔들의 각각에 대해 하나씩 대응하고, 상기 가공빔들을 편향시켜 다수의 독립 빔(multiple independent beams : 22c, 22d)을 생성하는 편향장치들(28, 32)과, 상기 편향장치(28, 32)에서 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 모두가 상기 작동 필드(38)의 모든 부분을 동시에 엑세스할 수 있도록 하며, 복수의 개별 렌즈(60a - 60e)를 포함하는 스캔렌즈(34) - 여기서, 상기 스캔렌즈(34)는 입사동공(entrance pupil : 62)를 가지며, 상기 입사동공은 상기 스캔렌즈(34)의 후방 및 상기 스캔렌즈(34)의 입사동공(62)의 평면 또는 그것에 가능한 가까운 곳에 위치한 상기 편향장치들(28, 32)로부터 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)를 수신함 - 와, 상기 편향장치들(28, 32)을 적절한 타이밍 간격으로 동시에 제어하여 상기 작동 필드 내에서 적어도 하나의 좌표방향으로 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 각각의 위치를 변경시키는 제어수단(40)을 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
또한 본 발명은 복수의 이산 가공빔을 생성하는 레이저(20)를 사용하여, 워크피이스(12) 상의 작동 필드(38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하는 재료 가공 방법에 있어서, (a) 다수의 독립 빔(22c, 22d)을 생성하기 위하여 상기 복수의 이산 가공빔의 각각을 편향시키는 단계와, (b) 상기 편향 단계에서 생성된 상기 다수의 독립 빔을 스캔렌즈(34)의 입사동공(62)에서 수신하는 단계 - 여기서, 상기 스캔렌즈(34)는 상기 편향 단계로부터 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 모두가 상기 작동 필드(38)의 모든 부분을 동시에 엑세스할 수 있도록 함 - 와, (c) 상기 작동 필드(38) 내에서 적어도 하나의 좌표방향으로 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 각각의 위치를 적절한 타이밍 간격으로 변경시키기 위해 상기 편향 단계를 제어하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한 본 발명은 파장 λ1에서 동작하며 제 1 소스빔을 생성하는 제 1 레이저 소스(82)와 파장 λ2에서 동작하며 제 2 소스빔을 생성하는 제 2 레이저 소스(84)를 사용하여 워크피이스(12) 상의 작동 필드(38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하는 재료 가공 장치(80)에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각을 각도 분할하여 상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각에 연관된 복수의 빔렛(beamlets)을 생성함으로써 각각의 빔렛이 저강도로 상기 각각의 소스빔과 대략 매칭하도록 하는 수단(24, 26, 30)과, 상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각의 상기 빔렛을 집속(focusing)하여 상기 빔렛의 각각이 상기 작동 필드의 모든 부분을 동시에 액세스할 수 있도록 하는 수단(86, 88)과, 상기 제 1 및 제 2 소스빔 각각의 집속된 빔렛의 각각을 분리 제어하여 상기 워크피이스 내의 관통구멍(via)으로 상기 집속된 빔렛을 동시에 스캔하는 수단(28, 32, 40)을 포함하고, 이로써 상기 빔렛들 중의 하나가 제 1 위치에서의 처리를 완료한 경우 또 다른 위치로 이동할 수 있는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한 본 발명은 제 1 독립 레이저빔(22c) 및 제 2 독립 레이저빔(22d)을 사용하여 워크피이스(12)에 피처(feature)를 가공하는 방법 - 여기서, 제 1 독립 레이저빔과 제 2 독립 레이저빔은 워크피이스(12)의 표면에 수직하지 않은 여각(complementary angles)을 갖는 유사한 빔이고, 상기 제 1 및 제 2 독립 빔을 수신하는 스캔렌즈의 후방에 위치하는 입사동공(62)을 갖는 하나의 스캔렌즈(34)를 통하여 하나의 처리필드(process field : 38)의 모든 부분을 동시에 액세스함 - 에 있어서, 피처의 가공 중 적절한 간격으로 상기 빔들의 교체 배치(alternating placement)를 명령하는 단계와, 상기 피처가 상기 워크피이스 상에 가공될 때까지 상기 제 1 독립 레이저빔과 제 2 독립 레이저빔을 교대로 펄싱(pulse)하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
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본 발명은 첨부한 도면과 관련하여 설명될 것이다:
도 1A는 본 발명의 한 실시예에 따른 1 스캔렌즈를 이용하는 재료처리장치의 개략도,
도 1B는 도 1의 장치를 이용하여 블라인드 바이어(via)가 천공된 다층 PWB의 측단면도,
도 2A는 본 발명에 따른 도 1에 도시된 검류계의 개략도,
도 2B는 도 1에 도시된 스캔렌즈의 개략도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2개 스캔렌즈를 이용하는 재료처리장치의 개략도,
도 4A-4B는 멀티빔을 이용하는 재료처리단계를 설명하는 플로우차트 및 공정도,
도 5A는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 장치와 연관되어 사용되는 파워 균형장치의 개략도,
도 5B는 빔 스프리터 반사율 대 편광각의 도면,
도 6은 도 1에 도시된 레이저 덤프 모듈의 상세도,
도 7은 도 1에 도시된 초점기반장치에 대한 변형으로서 사용되는 경로길이 균형을 이용하는 영상모드기기의 개략도,
도 8A는 워크피이스에 바이어를 생성하기 위해 서로 다른 각도로부터의 교대 빔을 이용하는 방법의 개략도,
도 8B는 (a)수직빔, (b)단일 앵글빔(angled beam) 및 (c)다중 교대 앵글빔을 이용한 바이어가 있는 워크피이스 (a)-(c)의 여러 개략적 단면도,
도 9A는 도 1에 도시된 워크피이스 높이 센서의 동작의 상세도, 및
도 9B는 다중 레벨을 갖는 워크피이스 측면도이다.
도 1A는 본 발명의 한 실시예에 따른 재료처리장치(10)를 나타낸다. 상기 장치(10)는 전자산업분야에서 다층 적층된 PCB/PWB에 블라인드 바이어를 천공하기 위해 사용된다.
도 1B에 도시된 일반적인 다층 PCB(12)는 금속, 대개 구리(14a,14b) 및 유전체(16a,16b)의 다중 교대층으로 구성되고, 여기서 상기 유전체는 일반적으로 에폭시, 유리섬유, 테플론, 폴리이미드, BT와 같은 필터로 포화된 에폭시, 또는 다른 선택된 적당한 유전체재료가 된다. 상기 층(14,16)은 함께 압축되고 온도경화된다, 즉 일반적으로 접착제층이 없다. 블라인드 바이어 천공공정에서는 상위 구리(14a) 및 유전체(16a)의 제 1 층을 통과하고 제 2(블라인드) 구리층(14b)에서 중단되는 바이어(18)를 만든다. 상기 보드를 뒤집어서 상기 보드의 반대측에서도 동일한 공정이 대개 수행되지만, 두꺼운 중간층(16b)은 천공되지 않는다. 이어지는 단계에는 천공 바이어(18)의 세척단계 및 상위 구리층(14a)으로부터 제 2 구리층(14b)까지 금속(솔더)으로 도금하는 단계가 포함된다.
도 1A를 참조하면, 장치(10)는 단일 레이저빔(22)을 생성하기 위해 (예를 들어 자외선(UV), 가시광, 또는 적외선(IR)에서 동작하는) 소스 레이저(20)를 포함한다. 2개 성분(22a,22b)으로 분할하기 위해 빔(22)은 편광 회전장치 또는 필터(24)(일반적으로 편광 수정기라고 함), 예를 들어 λ/2 플레이트를 통해 빔 스프리터(26)로 통과된다. 빔(22a)은 빔 스프리터(26)로부터 제 1 검류계(galvo) 쌍(28)으로 통과하고, 빔(22b)은 빔 스프리터(26)를 통해 회전거울(30)을 지나 제 2 검류계 쌍(32)으로 통과한다.
각각의 검류계 쌍(28,32)은 표준 X-Y 테이블(36)에 장착된 워크피이스(12)에 바이어(18)를 천공하기 위해 사용되는 한쌍의 출력빔(22c,22d)을 생성하기 위해 스캔렌즈(34)를 통해 각각의 빔(22a,22b)을 보내고, 상기 테이블은 서보(servo) 등으로 알려진 산업기술을 이용하여 이동한다. 단 2개 출력빔(22c,22d)만이 스캔렌즈(34)를 통해 생성된다는 점에 유의해야 하고, 작동 필드(38)내 레이저 유효범위를 도시하기 위해 상기 빔(22c,22d)의 다중 위치가 도 1에 도시되어 있다.
상기 장치(10)는 또한 (a)위에 장착된 워크피이스(12)의 이동을 제어하기 위한 X-Y 테이블(36), (b)레이저 동작을 제어하기 위한 레이저(20), (c)작동 필드(38)내 빔(22c,22d) 위치를 제어하기 위한 검류계 쌍(28,32), (d)출력빔(22c,22d) 각도에 대해 적절한 조정을 하기 위해 검류계(28,32)를 제어하기 위한 천공동안 워크피이스(12)의 높이/종단면 변화를 모니터하는 워크피이스 높이/종단면 센서(42), 및 (e)워크피이스(12)로부터 원치않는 출력빔(22c,22d)을 덤프하거나 되돌려보내기 위해 사용되는 레이저 덤프(43)과 연결된 제어모듈(40)을 포함한다.
2개 검류계 쌍(28,32)의 상세도가 도 2A에 도시되어 있다. 각각의 검류계 쌍(28,32)은 2개 분리된 검류계로 구성된다. 간단하게 하기 위해 각각의 쌍에서 단 하나의 검류계(28a,32a)만이 도 2A에 도시되어 있다. 각각의 검류계(28a,32a)는 회전팔 또는 이동자석과 같은, 구동코일(54)을 갖는 이동소자(52)에 장착된 거울(50) 및 명령된 입력신호에 따라 상기 거울의 각도가 정밀하게 제어되도록 밀폐루프 서보장치내에 각도 피드백회로를 포함한다.
검류계(28a,32a)는 빔(22a,22b)의 각도를 하나 이상의 평면내 스캔렌즈(34)를 향해 조정하기 위해 제어모듈(40)에 의해 제어된다. 상기 스캔렌즈(34)는 각각의 빔(22c,22d)의 초점이 워크피이스(12)에 배치된 작동 필드(38)에 대해 가능한 한 가깝게 있고 스캔렌즈(34)의 축(39)에 대한 빔(22c,22d)의 각도와는 독립적으로 놓이도록 설계된다. 또한, 스캔렌즈(34)는 스캔렌즈(34)전에 전달되는 빔의 각도가 스캔렌즈(34)뒤에 워크피이스(12)에서 하나 이상의 축에서의 변위로 변환되도록 설계된다.
스캔렌즈(34)의 상세도가 도 2B에 도시되어 있다. 상기 스캔렌즈(34)는 일련의 각각의 렌즈(60a-60e)로 구성된다. 상기 스캔렌즈(34)는 스캔렌즈(34) 너머 에 배치되고 스캔렌즈(34)의 입사동공(62) 평면에 가능한 한 가깝게 배치되는 분리된 다중 검류계(28,32)로부터 멀티빔을 받아들이기 위해 입사동공(62)을 갖도록 설계된다.
상기 스캔렌즈(34)는 (검류계(28,32)로부터 생성된) 모든 빔들이 전체 작동 필드(38)에 동시에 접근할 수 있도록 하여, 가능한 최고효율 레이저 파워 사용이 실현된다.
요컨대, 검류계(28,32) 각각은 단일 스캔렌즈(34)를 통해 하나의 빔(22a,22b)을 보낸다. 다른 평면에서 작용하는 다중 검류계 쌍(28,32)은 워크피이스(12)상에 다차원 처리필드를 생성하기 위해 각각의 빔을 여러 축에 배치하도록 사용될 수 있다. 단일 스캔렌즈(34)를 갖는 다중 검류계(28,32)와 멀티빔(22a,22b)의 시스템을 결합함으로써, 처리필드(38)는 다중 처리빔(22c,22d)에 의해 그 전체 영역상에서 동시에 접근될 수 있다. 단일 렌즈(34)를 통해 다중 특징을 동시에 처리할 수 있는 이점은: (a)랜덤 패턴의 병렬처리의 효율 증가 및 (b)다중 렌즈에 반대되는 저가의 단일 렌즈라는 점에 있다.
높은 생산율을 위해서, 각각이 멀티빔을 처리하는 하나 이상의 스캔렌즈는 워크피이스(12)의 추가적인 병렬 처리가 실현될 수 있도록 상기 장치(10)에 포함될 수 있다. 멀티-스캔렌즈 시스템(80)이 도 3에 도시되어 있다. 상기 시스템(80)은 파장(λ1)으로 동작하는 제 1 레이저 소스(82), 파장(λ2)으로 동작하는 제 2 레이저 소스(84), 레이저(82)로부터 생성된 빔을 수신하기 위한 제 1 스캔렌즈(86), 및 레이저(84)로부터 생성된 빔을 수신하기 위한 제 2 스캔렌즈(88)를 포함한다.
상기 레이저(82,84)는 도 1에서 설명된 바와 같이 소자(24,26,30), 검류계(28,32), 및 각각의 스캔렌즈(86,88)를 통해 각각 처리되는 레이저빔을 생성한다. 상기 제어모듈(40), 워크피이스 높이/종단면 센서(42), 및 레이저 덤프(43)는 상기 장치(80)의 일부가 되지만, 간단하게 하기 위해 도 3에는 도시하지 않는다.
추가적인 대안으로서, 단일 레이저 소스는 서브빔(sub-beam)이 상기한 바와 유사한 방법으로 적어도 2개 렌즈를 이용하여 재료를 처리하기 위해 사용되도록 서브빔으로 분할되는 레이저빔을 제공할 수 있다.
상기 장치(80)는 서로 다른 파장(즉, λ1≠λ2)뿐만 아니라 서로 다른 공간 및 시간 종단면의 빔에 의한 동시 처리를 가능하게 한다. 단일 워크피이스(12)상에서 동시에 서로 다른 처리를 수행하고 높은 시간 중첩효율로 연속적인 처리를 수행하는 능력이 장점이다.
동시에 다중 특징을 처리하는 멀티빔을 동시에 제어하기 위한 처리방법이 도 4A의 플로우차트 및 도 4B의 처리도에 도시되어 있다.
일반적으로, 처리 좌표는 하나의 특징에 대해 단 하나의 레퍼런스만을 포함하는 순차 리스트 또는 테이블의 형태로 시스템(80)에 제공된다. 이러한 예로 워크피이스(12)(PWB 또는 PCB)상에 천공될 구멍의 중심위치를 나타내는 적절한 측정장치내에 XY 좌표의 데이터베이스가 있다.
다중 특징을 용이하게 병렬처리하기 위해서, 포인터의 어레이는 다중 처리 스레드(thread)를 이용하는 제어모듈(40)내 메모리 구조로 초기화된다. 좌표 데이터는 좌표로 표시된 검류계 이동 스텝을 전송하기 위해 액세스되는 병렬 버퍼 및 정밀한 타이밍 간격으로 트리거하는 레이저로 전달된다. 이러한 기술은 멀티빔을 이용하는 동일한 특징에 대한 처리 태스크의 동적 지정을 촉진한다. 이러한 예로는 특정 재료 또는 공정에 적합한 서로 다른 파장의 레이저를 이용하는 구리 클래드(clad) PWB 유전체 적층과 같은 유사하지 않은 재료층의 순차 처리가 있다. 순차 공정이 다중 특징 위치에서 다른 순차 공정과 함께 병렬 발생할 수도 있어서, 공정 태스크의 효율적인 시간 중첩을 할 수 있다는 것이 장점이다.
특히 도 4A를 참조하면, 다중 특징을 처리하는 멀티빔을 동시에 제어하기 위한 공정(100)에서는 제어모듈(40)내 좌표 파일을 로드하고 단계(102)에서 테이블(36) 상에 워크피이스(또는 패널)(12)를 로드함으로써 시작된다. 상기 워크피이스(12)는 정렬되고, 정렬 변형은 본 발명의 해당 분야에서 공지된 기술을 이용하여 단계(104)에서 계산된다.
상기 구리층(14a)은 천공되고, (스캔렌즈(86)와 관련된-도 3 참조) 제 1 및 제 2 검류계 쌍에 대해 수정된 x,y 좌표는 단계(106)에서 계산된다. 만일 제 2 스캔렌즈(88)가 활성이면, 단계(108)에서의 결정에 따라 처리는 단계(11)로 간다. 만일 제 2 스캔렌즈(88)가 활성이 아니면, 처리는 단계(106a)로 돌아간다. 단계(110)에서 유전체층(16a)은 천공되고, (스캔렌즈(88)와 관련된-도 3 참조) 제 3 및 제 4 검류계 쌍에 대해 수정된 x,y 좌표가 계산된다. 제 1 및 제 2 검류계 세트에서와 동일한 보드 정렬 변형이 사용되고, 상기 제 1 및 제 2 검류계 세트를 이용하여 구리가 계속 천공된다.
만일 구리 천공공정이 완료되면, 단계(112)에서 결정된 바와 같이 단계(114)로 처리가 이동한다. 만일 구리 천공공정이 완료되지 않으면, 처리는 단계(110)로 돌아간다. 단계(114)에서, 제 3 및 제 4 검류계 세트만을 이용하여 천공이 계속된다. 일단 완료되면, 워크피이스(12)가 언로드되는 경우 단계(116)로 이동한다. 따라서, 처리는 단 하나의 정렬 단계(104)에서 4개 기기(제 1-제 4 검류계 세트)를 이용하여 완료되었다.
특정 공정예가 도 4B에 제공되어 있다. 도시할 목적으로 일반적인 레이저 동작 파라미터의 예로는:
레이저 82: IR 레이저
- 펄스 에너지 100mJ
- 평균 파워 50W
- 펄스길이 1000㎱
- 반복율 500펄스/초
- 유전체에 집속된 스폿크기 400㎛ 직경
레이저 84: UV 레이저
- 펄스 에너지 0.5mJ
- 평균 파워 3W
- 펄스길이 100㎱
- 반복율 6000펄스/초
- 유전체에 집속된 스폿크기 25㎛ 직경
상기 4개 검류계 쌍(도 3에서 1-4)이 메인프레임에 고정되고 서로에 대해 고정되기 때문에, 상기 공정은 UV 처리만을 이용하여 워크피이스(12)의 좌측으로부터 시작된다(약간 어두운 블럭). X-Y 테이블(36)상의 워크피이스(12)는 워크피이스(12)의 2×2인치 영역(필드(39))을 연속적으로 어드레스하기 위해 X-Y 테이블(36)에 의해 이동된다. 일반적으로, 상기 공정은 다음 단계과 관련된다: 2개 UV 검류계(제 3과 제 4 쌍)하에서 위치((0,0)-개시)로 X-Y 테이블(36)을 이동시키는 단계; UV 검류계가 구리층(14a)에 구멍을 천공하는 단계; X-Y 테이블(36)이 2개 UV 검류계하에서 위치((0,2)-위치 2)로 이동하는 단계; UV 검류계가 상기 구리층(14a)에 구멍을 천공하는 단계; 2개 UV 검류계하에서 X-Y 테이블(36)이 위치((0,4)-위치 3)로 이동하는 단계; 및 전체 워크피이스(12)에서 계속하는 단계.
상기 UV 검류계가 제 1의 3개 2인치 와이드컬럼을 처리한 후, IR 검류계(제 1과 제 2 쌍)는 상기 UV 검류계가 앞의 컬럼을 어드레스하는 동안 제 1 컬럼을 어드레스하기 위한 위치(도 4B에서 위치 4)에 있게 된다. 이 시점에서, 컬럼(1)에 완성된 바이어(18)를 형성하기 위해 UV 레이저(84)가 컬럼(4)에 구리 구멍을 천공하는 동안 IR 레이저(82)가 컬럼(1)에서 구리 구멍으로부터 유전체를 제거하는 것과 동시에 양쪽 레이저(82,84)는 바이어(18)를 처리한다.
X-Y 테이블(36)은 UV 검류계가 더 이상 우측-위치 6에서 워크피이스(12)상에 있지 않을 때까지 단계별 공정에서 워크피이스(12)를 2인치 스텝에서 계속 이동한 다. 우측상의 마지막 3 컬럼은 바이어(18)가 모두 완료된 위치(FINISH)에 있을 때까지 아이들(idle)인 UV 검류계와 함께 IR 검류계에 의해 처리된다. 2개 측면 보드에서, 상기 제 1 면이 완료된 후, 워크피이스(12)가 제거되고, 뒤집어지며, 처리를 위해 X-Y 테이블(36)상에 배치된다.
도 5A는 도 1의 장치(10)와 관련하여 사용되는 파워 균형화 장치의 개략도를 나타낸다. 상기 장치(10)에서, 각각의 빔은 단일 레이저 소스(20)의 출력을 2개 이상의 빔으로 분할하여 생성된다. 상기 분할은 빔의 공간성분이 상기한 바와 같은 반사 또는 굴절 광학장치에 의해 분리되는 구성을 이용하여 실현될 수 있다. 상기 분할은 또한 상기 빔의 에너지를 분리된 빔에 나누는 부분적 반사 또는 전송 광학장치를 이용하여 실현될 수 있다. 이러한 예로는 부분적 반사성 다층 유전체 코팅이 있다. 한쪽의 경우, 상기 분할빔 각각에 포함된 관련 에너지는 상기 빔 스프리터의 설계에 의해 조정될 수 있다.
상기 빔 스프리터의 분할율이 빔 편광에 종속되는 경우, 상기 분할빔에 포함된 관련 에너지는 상기 입력빔(22)의 경로내에 배치된 편광 회전장치(24)의 수단에 의해 조정된다. 상기 조정의 목적은 상기 워크피이스(12)에서 빔의 에너지 강도를 한정하는 것이다. 상기 편광 회전장치(24)는 고정되거나 조정가능할 수 있고, 원한다면, 상기 스캔렌즈(34)로부터 출력된 빔(22c,22d) 각각에서 에너지(P1,P2)를 측정하는 파워 미터(132) 또는 광검출기로부터의 피드백에 기초한 편광 제어모듈(130)을 이용하여 자동으로 제어될 수도 있다. 이러한 구성은 상기 분할빔의 관련 에너지를 조정하고 일반적인 빔 스프리터에 공통적인 분할율 에러를 보상하는 능력을 제공한다.
편광빔(22)의 경우에서, 상기 편광 회전장치(24)(예를 들어 1/2 파장판-λ/2)는 빔 스프리터(26)에 앞서 빔(22)에 삽입된다. 상기 회전장치(24)를 조정함으로써 레이저 편광의 각도를 조정하면 빔 스프리터(26)의 정밀 구성 및 속성에 독립적인 빔 스프리터(26)의 반사율(도 5B의 그래프 참조-빔 스프리터 반사율 대 편광각)의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
도 6은 도 1에 도시된 레이저 덤프(43)의 확장된 개략도를 나타낸다. 상기 덤프(43)는 빔 위치조정 검류계(28,32)를 이용한 고속 빔 셔터링 시스템이다. 상기 덤프(43)는 워크피이스(12)에 부딪히지 않도록 스캔렌즈(34)로부터 원치않는 레이저빔(140)을 돌려보내기 위해 사용된다. 상기 덤프(43)는 반사장치(142) 및 흡수장치(144)를 포함한다. 상기 제어모듈(40)은 원치않는 빔(140)이 흡수장치(144)로의 최종 재반송을 위해 반사장치(140)로 보내지도록 검류계 쌍(28,32)을 제어한다.
특히, 멀티빔이 단일 레이저 소스의 빔으로부터 분할되는 경우, 일부를 중단하는 것이 종종 바람직하지만, 처리필드(38)에 도달하는 모든 빔은 아니다. 특히, 만일 처리될 특징의 수가 처리필드(38)를 처리하는 분할빔의 수의 적분 배수가 아닌 경우, 처리필드(38)에서의 바람직하지 않은 과잉 처리는 워크피이스(12)에 손상을 입힐 수 있다.
하나 이상의 빔 블럭위치는 공칭 처리필드(12) 외부에 제공되고, 바람직하지 않은 초과빔이 검류계(28,32)를 이용하여 이들 위치에 배치될 수 있도록 스캔렌즈(34)를 향해 배치된다. 상기 흡수장치(144)는 상당한 에너지가 워크피이스(12)에 도달하도록 하지 않고서 빔(들)의 전체 강도를 견딜 수 있는 재료로 만들어진다. 상기 빔 덤프(43)는 다음의 이점을 제공한다: (a) 현존하는 빔 취급장치를 이용하여 가격이 저렴하고 복잡하지 않음; (b)고속 검류계를 이용한 고속 빔 스위칭; 및 (c)파워 처리요구는 이동 셔터가 고속 스위칭을 대해 비실용적이 되도록 한다.
도 1-6에서의 가공 공정의 설명은 스캔되고 집속된 스폿 가공에 관한 것이다. 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 경로 균형화를 이용한 가공용 영상모드의 예를 나타낸다.
영상모드로 동작하는 상기한 멀티빔 광학시스템(10,80)의 경우, 이미지 초점과 배율이 모든 빔에 대해 동일하게 되는 것이 바람직하다. 이러한 요구를 실현하기 위해, 객체면(150)으로부터 스캔렌즈(34)로의 빔 각각에 대한 경로길이(Ai,Bi)는 빔 스프리터(26)뒤에 스캔렌즈(34)를 향해 배치된 적당한 반사 회전거울(30)의 배치에 의해 동일하게 된다(즉,
Figure 112006073095363-pct00001
). 단일 객체, 예를 들어 애퍼처 마스크(155)는 멀티빔으로 이미지를 형성하기 위한 객체로서 이용될 수 있어서, (a)우수한 빔간 종단면 균일성 및 (b) 저가 객체(마스크)변경장치를 얻을 수 있다.
워크피이스(12)의 표면에 평행 또는 수직인 특징을 형성하기 위해 가능한 한 수직에 가깝게 워크피이스(12)에 부딪히는 빔의 각도를 만드는 것이 종종 바람직하다. 하나 이상의 유사한 빔이 단일 스캔렌즈(34)를 통해 단일 처리필드(38)에 접 근하는 경우, 렌즈(34)의 광학 설계 및 검류계 거울(28,32)의 위치는 빔이 워크피이스(12)의 표면에 수직이 아닌 결과를 가져올 수 있다.
처리된 특징의 기하구조는 도 8A-8B에 도시된 바와 같이 컴플리먼트(complimentary) 각도의 빔으로부터 펄스를 교대로 함으로써 크게 개선될 수 있다. 상기 검류계(28,32)는 임의의 특정 특징의 처리동안 적절한 간격으로 이들 빔의 교대 배치를 명령할 수 있다.
도 8B의 (a)는 수직빔(160)을 이용하여 천공된 바이어(18a)를 나타낸다. 결과적인 바이어(18a)는 형태면에서 "이상적"인 것으로 간주된다. 도 8B의 (b)는 단일 앵글빔(22c)을 이용하여 천공된 바이어(18b)를 나타낸다. 결과적인 바이어(18b)는 바이어(18b)내 불규칙적인 테이퍼(taper)에 의해 도시된 바와 같이 약간 밑이 잘린다. 도 8B의 (c)는 빔(22c,22d)간의 교대 배치를 이용하여 천공된 바이어(18c)를 나타낸다(즉, 22c 천공, 22d 천공, 22c 천공 등). 빔(22c,22d)의 경로의 상세도를 보기 위해 도 8A 참조. 결과적인 바이어(18c)는 바이어(18a)의 "이상적"인 형상과 유사하다.
상기 스캔렌즈(34)의 장착에 대해 평평하지 않은 워크피이스(12) 처리인 경우, 그리고 빔(22c,22d)이 표면에 대해 정확하게 수직인 워크피이스(12)의 표면상에 부딪히지 않는 경우, 워크피이스(12)상의 빔 위치의 위치적 정확성은 (a)스캔렌즈(34)로부터 워크피이스(12)까지의 거리를 수정하거나; 또는 (b)워크피이스 종단면(170)(도 9B에 도시됨)의 사상(mapping)에 기초한 검류계 각도 위치를 조정하여 보상함으로써 개선된다.
후자의 보상구조는 도 9A에 도시되어 있다. 특히, 실제 워크피이스 높이(170)와 공칭 워크피이스 높이(172) 사이에 차이가 있는 경우, 레이저빔의 광점(174)은 워크피이스상에 정확하게 배치되지 않는다. 이것을 수정하기위해, 검류계 각도위치는 상기 제어모듈(40)로부터의 피드백에 기초하여 수정된다. 상기 조정된 광점은 정확한 위치(176)에서 워크피이스(12)를 천공할 것이다.
멀티빔 스캔렌즈 시스템의 광학적 설계가 처리필드상에서의 빔의 각도 변화를 발생시키는 경우, 특징에서 특징으로의 빔 각도 변화를 최소화하도록 처리필드내 그 위치에 의해 처리될 특징들을 그룹화하는 것이 바람직하다. 특히, 스캔렌즈에 의해 덮힌 처리필드내 그 각각의 처리영역의 범위를 제한함으로써 워크피이스에 대해 처리 빔을 거의 수직 입사로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 워크피이스에 대해 처리 빔을 거의 수직 입사로 유지함으로써, 워크피이스상의 위치 정확성은 표면 종단면 변화와 빔 각도의 결합에 의해 발생된 에러에 대해 덜 민감하게 된다. 이것을 실현하기 위해서, 상기 제어모듈(40)은 그 적절한 서브필드내에서만 동작하는 각각의 빔에 대해 처리될 특징들을 지정한다. 상기 특징들을 상기 처리필드내 그 좌표위치에 의해 한정된 서브그룹으로 적절하게 분류함으로써, 상기 이점이 실현될 수 있다.
최고속 처리 및 사용가능한 레이저 파워의 가장 효율적인 사용을 실현하기 위해서, 상기 제어모듈(40)은 검류계를 동시에 이동시키고 적절한 타이밍 간격으로 레이저를 트리거하도록 설계된다. 멀티빔을 보내기 위한 다중 세트의 검류계의 병렬 제어에서, 그리고 수 ㎐ ~ 수십 ㎑에서 동작하는 높은 반복율 펄스 레이저를 이용하는 경우, 제어모듈(40)에 의해 상당한 처리 태스크가 수행되어야 한다. 이러한 태스크의 범위는 빔 위치 비선형성에 대한 동적 수정과 같은 계산인 경우 더 확장되고, 다른 정렬 수정은 펄스 단위로 한 펄스에 적용될 필요가 있다.
다중 특징을 동시에 고속으로 처리하기 위해서, 디지털 시그널 프로세서(DSP; Digital Signal Processor)와 같은 고성능 컴퓨터 프로세서가 검류계 및 레이저를 제어하기 위해 사용된다. 일반적인 DSP구조는 병렬 명령 및 계산의 초고속 실행을 위한 커패시티로 인해 이러한 응용에 특히 적당하다. 이러한 고속 병렬처리의 이점은 계산 오버헤드를 감소시킴으로써 상기 시스템의 효율을 개선하여 좀더 사용가능한 레이저 파워을 이용하는 능력이다.
본 발명의 상기 방법 및 장치는 예를 들어 PCB 제조와 같은 재료 레이저 처리산업에 적용가능하다.

Claims (30)

  1. 워크피이스(12) 상의 작동 필드(field of operation : 38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하며, 서로 분리된 복수의 이산 가공빔(a plurality of discrete machining beams : 22a, 22b)을 공급하는 공급수단(20, 24, 26, 30)을 갖는 재료 가공 장치(10)에 있어서,
    상기 복수의 이산 가공빔들의 각각에 대해 하나씩 대응하고, 상기 가공빔들을 편향시켜 다수의 독립 빔(multiple independent beams : 22c, 22d)을 생성하는 편향장치들(28, 32)과,
    상기 편향장치(28, 32)에서 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 모두가 상기 작동 필드(38)의 모든 부분을 동시에 엑세스할 수 있도록 하며, 복수의 개별 렌즈(60a - 60e)를 포함하는 스캔렌즈(34) - 여기서, 상기 스캔렌즈(34)는 입사동공(entrance pupil : 62)를 가지며, 상기 입사동공은 상기 스캔렌즈(34)의 후방 및 상기 스캔렌즈(34)의 입사동공(62)의 평면 또는 그것에 가능한 가까운 곳에 위치한 상기 편향장치들(28, 32)로부터 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)를 수신함 - 와,
    상기 편향장치들(28, 32)을 적절한 타이밍 간격으로 동시에 제어하여 상기 작동 필드 내에서 적어도 하나의 좌표방향으로 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 각각의 위치를 변경시키는 제어수단(40)을
    포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급수단은
    소스빔(22)을 제공하는 소스 레이저(20)와,
    상기 소스빔을 수신하여 처리하는 편광 수정기(polarization modifier : 24)와,
    상기 편광 수정기로부터의 출력을 수신하여 상기 이산 가공빔(22a, 22b)을 생성하는 빔 스프리터(26)와,
    상기 이산 가공빔(22a, 22b) 중의 하나를 상기 편향장치(28, 32) 중의 하나로 유도하는 회전거울(30)을
    포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소스 레이저는 자외선, 가시광선, 적외선으로 구성된 그룹에서 선택된 파장으로 동작하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 수정기는 반파장 플레이트(half wave plate)를 갖는 회전장치(rotator)인 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향장치들의 각각은 한 쌍의 검류계(galvanometer : 28a, 32a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 검류계의 각각은 이동소자(moving element : 52)에 장착된 거울(50)을 포함하며, 상기 이동소자는 구동코일(54)에 의해 구동되어 상기 거울의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캔렌즈는 축으로 정렬된 복수의 개별 렌즈(a plurality of axially aligned individual lens : 60a - 60e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    레이저 덤프(laser dump : 43)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 덤프는
    상기 작동 필드에 근접하여 위치하며, 상기 다수의 독립 빔으로부터 선택된 원치않는 레이저 빔(unwanted laser beam : 140)를 수신하여 반사하는 반사장치(reflector : 142)와,
    상기 반사장치로부터 반사되는 원치않는 레이저 빔을 수신하는 흡수장치(absorber : 144)를
    포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 이산 가공빔에 대한 배율과 이미지 초점을 매칭시키는 경로균형수단(path balancing means)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 경로균형수단은 상기 빔 스프리터 뒤에 배치된 복수의 회전거울(30)을 포함하고,
    객체면(150)으로부터 상기 스캔렌즈까지의 상기 이산 가공빔들 중 하나의 경로길이(A1)와 상기 이산 가공빔들 중 다른 하나의 경로길이(B1)는 동일한 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    다수 독립 빔의 파워 출력(power output)의 균형을 맞추는 파워균형수단(power balancing means)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 파워균형수단은,
    상기 빔들(22c, 22d)의 에너지를 측정하여 제 1 및 제 2 파워 판독값을 생성하는 파워 미터(power meter : 132)와,
    상기 편광 수정기에 연결된 편광제어모듈(130)을 포함하고,
    상기 편광제어모듈은 상기 파워 미터로부터의 파워 판독값을 수신하고 상기 제 1 파워 판독값과 제 2 파워 판독값을 매칭시키기 위해 상기 편광 수정기를 수정하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 스캔렌즈(34)를 구비하는 복수의 스캔렌즈를 추가로 포함하고,
    각각의 스캔렌즈는 입사동공(entrance pupil)를 가지며, 상기 입사동공은 각각의 스캔렌즈의 후방 및 상기 각각의 스캔렌즈의 입사동공의 평면 또는 그것에 가능한 가까운 곳에 위치한 상기 편향장치들로부터 생성된 상기 다수의 독립 빔을 수신하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  15. 복수의 이산 가공빔을 생성하는 레이저(20)를 사용하여, 워크피이스(12) 상의 작동 필드(38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하는 재료 가공 방법에 있어서,
    (a) 다수의 독립 빔(22c, 22d)을 생성하기 위하여 상기 복수의 이산 가공빔의 각각을 편향시키는 단계와,
    (b) 상기 편향 단계에서 생성된 상기 다수의 독립 빔을 스캔렌즈(34)의 입사동공(62)에서 수신하는 단계 - 여기서, 상기 스캔렌즈(34)는 상기 편향 단계로부터 생성된 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 모두가 상기 작동 필드(38)의 모든 부분을 동시에 엑세스할 수 있도록 함 - 와,
    (c) 상기 작동 필드(38) 내에서 적어도 하나의 좌표방향으로 상기 다수의 독립 빔(22c, 22d)의 각각의 위치를 적절한 타이밍 간격으로 변경시키기 위해 상기 편향 단계를 제어하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스캔렌즈와 상기 워크피이스 간의 거리를 변경함으로써 워크피이스 불규칙(workpiece irregularities)을 보상하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 스캔렌즈의 상기 빔들의 각도 위치를 조정함으로써 워크피이스 불규칙을 보상하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 방법.
  18. 파장 λ1에서 동작하며 제 1 소스빔을 생성하는 제 1 레이저 소스(82)와 파장 λ2에서 동작하며 제 2 소스빔을 생성하는 제 2 레이저 소스(84)를 사용하여 워크피이스(12) 상의 작동 필드(38)에 대해 다차원 가공을 가능하게 하는 재료 가공 장치(80)에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각을 각도 분할하여 상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각에 연관된 복수의 빔렛(beamlets)을 생성함으로써 각각의 빔렛이 저강도로 상기 각각의 소스빔과 대략 매칭하도록 하는 수단(24, 26, 30)과,
    상기 제 1 및 제 2 소스빔의 각각의 상기 빔렛을 집속(focusing)하여 상기 빔렛의 각각이 상기 작동 필드의 모든 부분을 동시에 액세스할 수 있도록 하는 수단(86, 88)과,
    상기 제 1 및 제 2 소스빔 각각의 집속된 빔렛의 각각을 분리 제어하여 상기 워크피이스 내의 관통구멍(via)으로 상기 집속된 빔렛을 동시에 스캔하는 수단(28, 32, 40)을 포함하고,
    이로써 상기 빔렛들 중의 하나가 제 1 위치에서의 처리를 완료한 경우 또 다른 위치로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치.
  19. 제 1 독립 레이저빔(22c) 및 제 2 독립 레이저빔(22d)을 사용하여 워크피이스(12)에 피처(feature)를 가공하는 방법 - 여기서, 제 1 독립 레이저빔과 제 2 독립 레이저빔은 워크피이스(12)의 표면에 수직하지 않은 여각(complementary angles)을 갖는 유사한 빔이고, 상기 제 1 및 제 2 독립 빔을 수신하는 스캔렌즈의 후방에 위치하는 입사동공(62)을 갖는 하나의 스캔렌즈(34)를 통하여 하나의 처리필드(process field : 38)의 모든 부분을 동시에 액세스함 - 에 있어서,
    피처의 가공 중 적절한 간격으로 상기 빔들의 교체 배치(alternating placement)를 명령하는 단계와,
    상기 피처가 상기 워크피이스 상에 가공될 때까지 상기 제 1 독립 레이저빔과 제 2 독립 레이저빔을 교대로 펄싱(pulse)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피처 가공 방법.
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