KR100752829B1 - 적층물을 레이저로 천공하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 금속층 및 유기 물질로 구성된 적어도 하나의 유전층을 포함하는 적층물을 레이저로 천공하기 위하여, 다음과 같은 레이저 파라미터를 가지는 2배 주파수 Nd 바나듐산염 레이저가 사용된다:
- 펄스 폭 < 40ns
- 펄스 주파수 ≥금속층에 대해 30kHz
≥유전층에 대해 20kHz
- 파장 = 532nm

Description

적층물을 레이저로 천공하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR LASER DRILLING LAMINATES}
본 발명은 적층물을 레이저로 천공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
엑시머 레이저를 이용하여 금속-유전체-금속 등의 일련의 층을 포함하는 적층물에 블라인드(blind) 구멍을 형성하는 것이 EP-A-0 164 564로부터 공지된다. 이 경우에 적층물의 상부 금속층은 천공된 마스크로서 사용되고, 상기 천공된 패턴은 포토리소그라피로 전사된 후에 에칭에 의해 형성된다. 다음으로, 하부 금속층에 도달되어 재료 제거 공정이 종료될 때까지 마스크의 홀 부분에서 커버되지 않은 유전체는 엑시머 레이저를 사용하여 제거된다. 상기 공지된 방법은 특히 다중층 회로 기판의 제조 동안 블라인드 구멍의 형태로서 요구되는 스루-콘택 홀을 형성하는데 사용된다.
독일 간행물 "Feinwerktechnik & Messtechnik 91"(1983) 2, pp. 56-58에는 스루-콘택으로서 사용되는 블라인드 구멍이 CO2 레이저를 이용하여 형성되는 다중층 회로 기판의 제조를 위한 유사한 방법이 개시되어 있다. 이 경우에도, 상부 구리 포일(foil)이 천공된 마스크로서 사용되는데, 레이저 빔에 의해 홀이 형성되는 부분에는 어디에나 구리가 에칭된다.
DE-A-197 19 700에도 약 266nm 내지 1064nm 범위의 파장을 갖는 제 1 레이저가 금속층을 천공하는데 사용되고, 약 1064nm 내지 10600nm 범위의 파장을 갖는 제 2 레이저가 유전층을 천공하는데 사용되는, 적층물을 레이저로 천공하기 위한 장치가 개시되어 있다.
US-A-5 593 606에는 금속층 및 유전층을 천공하기 위해 400nm 이하의 파장과 100ns 이하의 펄스 폭을 가지는 단일 UV 레이저가 사용되는, 적층물을 레이저로 천공하기 위한 방법이 개시되어 있다. 따라서, 엑시머 레이저가 사용되지 않는 조건에서, 금속 및 유기 물질은 동일한 UV 레이저를 사용하여 천공된다.
DE-A-198 24 225에는 금속층 및 유전층을 천공하기 위하여 예를 들어, 532nm의 파장을 갖는 SHG(제 2 고조파 발생) YAG 레이저 또는 355nm의 파장을 갖는 THG(제 3 고조파 발생) YAG 레이저가 사용될 수 있는 적층물을 레이저로 천공하기 위한 다른 방법이 개시되어 있다.
유기 물질을 레이저로 천공하기 위하여 UV 레이저, 즉, 400nm 미만의 파장을 갖는 레이저가 사용될 때, 유기 물질이 광화학적으로 분해된다는 것이 기본적으로 언급될 수 있다. 따라서, 연소는 발생되지 않으며, 극히 낮은 열 부하로 인해 적층물을 위해 사용될 때 박편화(delamination)는 발생되지 않는다. 반대로, 유기 물질을 레이저로 천공하기 위해 CO2 레이저가 사용될 때, 유기 물질의 열적 분해가 발생된다(즉, 적층물의 경우에 연소가 발생하여 박편화 위험이 존재한다). 그러나, UV 레이저와 비교할 때, CO2 레이저는 유기 물질을 천공할 때 상당히 짧은 처리 시간을 얻을 수 있다.
청구항 제 1항 및 제 13항에 기술된 본 발명은 적어도 하나의 금속층 및 유기 물질을 갖는 적어도 하나의 유전층을 포함하는 적층물을 손상시키지 않고 레이저로 천공하는 동안, 블라인드 구멍 또는 스루-홀(through-hole)이 빠르게 형성된다는 문제점을 기초로 한다.
본 발명은 금속층 및 유전층 둘 다를 효과적으로 처리하기 위해 40ns 미만의 짧은 펄스 폭 및 532nm의 파장을 갖는 2배 주파수(frequency-doubled) Nd 바나듐산염 레이저가 사용된다는 것을 바탕으로 한다.
이 경우에, 레이저로 금속층을 천공하기 위하여 30kHz 이상의 펄스 주파수가 선택되는 반면, 레이저로 유전층을 천공하기 위하여 20kHz 이상의 펄스 주파수가 선택된다. 유기 물질을 처리하기 위해 비교적 높은 펄스 주파수가 선택됨으로써 두 타입의 물질 모두가 레이저에 의해 효과적으로 처리된다. 유기 물질의 레이저 처리로 인해 UV 레이저와 비교하여 달성될 처리 시간이 더 짧고, CO2 레이저와 비교하여 상당히 높은 열 부하를 방지하는 광화학적 및 열적 분해의 조합이 초래된다.
적층물을 천공하는 본 발명에 따라 선택된 2배 주파수 Nd 바나듐산염 레이저는 40ns 미만의 낮은 펄스 폭에서 100kHz를 초과할 수도 있는 매우 높은 펄스 주파수를 허용한다. 높은 펄스 주파수는 적층물의 신속하고 효과적인 처리를 가능하게 하는 반면, 짧은 펄스 폭은 매우 낮은 열 부하를 초래한다. 높은 펄스 주파수 및 짧은 펄스 폭의 이러한 조합은 유사하거나 동일한 파장으로 동작하는 다른 레이저로는 달성될 수 없다. 예를 들어, DE-A-198 24 225로부터 공지된 SHG YAG 레이저의 경우에, 상당히 높은 펄스 주파수에서 70 내지 80ns의 펄스 폭이 달성될 가능성이 가장 높다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성은 청구항 제 2항 내지 제 12항에서 나타난다.
30ns 미만의 펄스 폭을 사용함으로써 청구항 제 2항에 기술된 구성은 레이저 천공 동안 적층물의 열 부하를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
청구항 제 3항에 따라 10㎛ 내지 100㎛의 스폿 직경을 가진 포커싱된 레이저 빔을 사용할 때, 금속 및 유기 물질을 레이저로 처리하는 것이 효과적이다. 청구항 제 4항에 따라 20㎛ 내지 50㎛의 스폿 직경을 사용할 때, 두 물질을 레이저로 처리하는 것이 훨씬 더 효과적일 수 있다.
유기 물질에서의 레이저 빔에 대한 높은 흡수율로 인해, 청구항 제 5항에 기술된 구성은 처리 비율을 상당히 증가시킬 수 있다. 첨가물은 532nm의 파장을 갖는 레이저 빔에 대해 순수 유기 물질보다 훨씬 높은 흡수율을 가져야 한다.
청구항 제 6항에 기술된 개선예에 의해 유기 물질의 흡수율이 아주 간단하고 경제적으로 증가될 수 있다.
적색 첨가물의 선택으로 인해, 청구항 제 7항에 기술된 구성은 최적화된 흡수율을 가능하게 하는데, 이는 532nm 파장의 녹색 광이 보색인 적색에 의해 특히 잘 흡수되기 때문이다.
청구항 제 8항에 기술된 개선예는 첨가물인 색소를 혼합하는 동안, 다른 특성에 손상을 주지 않고 흡수율을 증가시키는데 특히 성공적이라고 입증된 양적 범위를 제공한다. 청구항 제 9항에서 제공된 보다 좁은 양적 범위가 최적으로 간주된다.
청구항 제 10항에 따라 첨가물을 혼합함으로써 유기 물질의 흡수율이 적어도 50%까지 증가되면, 유기 물질의 처리 비율은 이미 상당히 증가되었다. 흡수율이 청구항 제 11항에 따라 적어도 60%까지 또는 청구항 제 12항에 따라 적어도 80%까지 증가되면, 유기 물질을 레이저로 천공하는 처리 시간은 그에 대응하는 정도로 추가로 감소될 수 있다.
다음 형태의 레이저는 이하 기술되는 실시예에 사용된다.
레이저 Ⅰ:
미국 캘리포니아 마운틴 뷰 스펙트라 피직스 사(Spectra Physics, Mountain View, California, US)에 의해 제조된 다이오드-펌핑 2배 주파수 Nd 바나듐산염 레이저.
명칭 : T80-YHP40-532QW
파장 : 532nm
전력 : 약 8.5W
동작 모드 : 모노모드 TEMoo
펄스 폭 : 10kHz의 펄스 주파수에서 20ns
펄스 주파수 : 최대 200kHz
필드 크기 :100×100mm2
레이저 Ⅱ :
독일 쉬렘버그 하스-레이저 게엠베하(Haas-Laser GmbH, Schramberg, DE)에 의해 제조된 다이오드 덤핑 2배 주파수 Nd 바나듐산염 레이저
명칭 : 없음(이것은 시제품이기 때문)
파장 : 532nm
전력 : 약 4.0W
동작 모드 : 모노모드 TEMoo
펄스 폭 : 10kHz의 펄스 주파수에서 25ns
펄스 주파수 : 최대 200kHz
필드 크기 :100×100mm2
다음 물질은 레이저 Ⅰ 및 Ⅱ를 사용하여 처리된다.
물질 Ⅰ :
RCC 물질(RCC=Resin Coated Copper Foil: 수지가 코팅된 구리 포일)은 양 측이 구리 포일로 코팅된 유리 섬유-강화 FR4 물질(FR4=level 4 fire retardant epoxy-glass composition: 레벨 4의 내화성 에폭시-유리 조성물) 상으로 적층된다. 그 결과 12㎛ 두께의 구리 포일, 60㎛ 두께의 비강화 에폭시 물질층, 16㎛ 두께의 구리 포일, 1mm 두께의 유리 섬유-강화 에폭시 물질층 및 16㎛ 두께의 구리 포일을 포함하는 층열이 얻어진다.
물질 Ⅱ :
12㎛ 두께의 구리 포일은 60㎛ 두께의 FR4 물질의 양측에 적층된다.
전술한 바와 같은 물질 Ⅰ 및 Ⅱ를 변형시키기 위해 다음의 첨가물이 이용될 수 있다.
첨가물 Ⅰ :
중국 헤베이 성 셴초우 시 씨진밍 사(Xijinming Shenzhou City, Hebei Province, P.R. China)에 의해 제조된 "1501 FAST RED"(C. I. 적색 색소(Pigment Red) 48:1)이라는 명칭의 유기 적색 색소. 이것은 바륨 염에 기초한 아조(azo) 염료이다.
첨가물 Ⅱ :
독일 바이어 아게 사(Bayer AG, DE)에 의해 제조된 "BayferroxTM"(C.I. 적색 색소 101)로 공지된 무기 적색 색소. 이것은 산화철 적색 색소이다.
첨가물 Ⅲ :
중국 시바게이기 아게 사(CIBA-Geigy AG, CH)에 의해 제조된 "OracetTM Yellow GHS"(C.I. 황색 용액 163)로 공지된 중합체-용해가능 안트라퀴논(anthraquinone) 염료.
첨가물 Ⅳ :
조성물 Na2O-ZnO-4SiO2의 베이스 유리에 2% 중량의 셀레늄, 1% 중량의 카드뮴 설파이드(sulfide), 1% 중량의 삼산화비소 및 0.5% 중량의 탄소를 첨가함으로써 제조된 루비 유리 섬유.
실시예 1 :
레이저 Ⅰ은 물질 Ⅰ의 비강화 에폭시 물질을 포함하는 상부의 12㎛ 두께의 구리 포일 및 60㎛ 두께의 유전층에 직경 125㎛의 블라인드 구멍을 제공하는데 사 용된다. 펄스 주파수는 구리층 천공을 위한 45kHz 및 유전층 천공을 위한 25kHz이다. 펄스 길이는 30ns이다.
x 방향 및 y 방향으로 레이저 빔을 전환하기 위하여 2개의 검류계 거울(galvanometer mirror)을 사용할 때, 10㎝×10㎝의 면적이 처리된다. 약 25㎛의 포커싱된 레이저 빔의 스폿 직경으로, 레이저 빔은 구리를 천공하기 위하여 홀의 외부 영역의 소수의 중심 원에서 이동되며, 그 후에 구리 포일의 내부 영역이 자동으로 제거된다. 외부 중심 원의 직경은 110㎛이다. 레이저 빔의 선형 속도는 900mm/s이다. 에폭시 물질을 천공하기 위하여, 레이저 빔은 포커스(OOF)에서 1.6mm 벗어나도록 설정되지만, 이 경우에는 너무 많은 중심 원이 기술된다. 에폭시 물질이 천공된 후에, 그 하부에 있는 구리 포일은 약간만 손상된다.
구리 포일의 천공은 초당 289홀의 비율로 발생하지만, 에폭시 물질의 천공은 초당 220홀의 비율로 발생한다. 따라서, 블라인드 구멍을 적층물에 도입하는 것은 초당 120홀의 비율로 발생한다.
실시예 2 :
실시예 1과의 차이점은 동일한 레이저 파라미터를 가진 레이저 Ⅱ가 사용된다는 것이다. 이 경우에, 구리 포일의 천공은 초당 145홀의 비율로 발생되는 반면, 에폭시 물질의 천공은 초당 122홀의 비율로 발생된다. 따라서, 블라인드 구멍은 초당 65홀의 비율로 적층물에 제공된다.
실시예 3 :
실시예 1과의 차이점은 블라인드 구멍이 물질 Ⅱ에 제공된다는 것이다. 그 결과는 유사하다.
실시예 4 :
실시예 2와의 차이점은 블라인드 구멍이 물질 Ⅱ에 제공된다는 것이다. 그 결과는 유사하다.
실시예 5 :
실시예 1과의 차이점은 100㎛ 직경의 블라인드 구멍이 형성된다는 것이다. 구리 포일은 초당 398홀의 비율로 천공되는 반면, 에폭시 물질은 초당 382홀의 비율로 천공된다. 따라서, 블라인드 구멍은 초당 183홀의 비율로 적층물에 제공된다.
실시예 6 :
실시예 2와의 차이점은 100㎛ 직경의 블라인드 구멍이 형성된다는 것이다. 구리 포일은 초당 199홀의 비율로 천공되는 반면, 에폭시 물질은 초당 212홀의 비율로 천공된다. 따라서, 적층물에 블라인드 구멍은 초당 99홀의 비율로 제공된다.
실시예 7 :
실시예 1과의 차이점은 75㎛ 직경의 블라인드 구멍이 형성된다는 것이다. 구리 포일은 초당 750홀의 비율로 천공되는 반면, 에폭시 물질은 초당 800홀의 비율로 천공된다. 따라서, 블라인드 구멍은 초당 300홀의 비율로 적층물에 제공된다.
실시예 8 :
실시예 2와의 차이점은 75㎛ 직경의 블라인드 구멍이 형성된다는 것이다. 구리 포일은 초당 370홀의 비율로 천공되는 반면, 에폭시 물질은 초당 400홀의 비율로 천공된다. 따라서, 블라인드 구멍은 초당 150홀의 비율로 적층물에 제공된다.
실시예 9 :
실시예 1과의 차이점은 변형된 물질 Ⅰ이 사용된다는 것인데, 여기서 약 1.5% 중량의 첨가물 Ⅰ은 비강화 에폭시 물질과 혼합된다. 레이저 방사의 개선된 흡수는 에폭시 물질이 천공되는 비율이 초당 550홀의 비율로 증가되게 한다. 약 180홀에 약 50%에 의해 적층물에 블라인드 구멍이 제공되는 비율을 증가시킬 수 있다.
실시예 10:
실시예 9와의 차이점은 약 1.5% 중량의 첨가물 Ⅱ가 비강화 에폭시 물질과 혼합된다는 것이다. 그 결과는 유사하다.
실시예 11:
실시예 9와의 차이점은 약 1.5% 중량의 첨가물 Ⅲ이 비강화 에폭시 물질과 혼합된다는 것이다. 에폭시 물질이 천공되는 비율의 증가는 이 경우에 약간 낮다.
실시예 12:
실시예 9와의 차이점은 동일한 레이저 파라미터를 갖는 레이저 Ⅱ가 사용된다는 것이다. 에폭시 물질이 천공되는 비율을 초당 306홀로 증가시킬 수 있다.
실시예 13:
실시예 9와의 차이점은 100㎛ 직경을 가진 블라인드 구멍이 형성된다는 것이 다. 에폭시 물질이 천공되는 비율은 초당 956홀이다.
실시예 14:
실시예 12와의 차이점은 100㎛ 직경을 가진 블라인드 구멍이 형성된다는 것이다. 에폭시 물질이 천공되는 비율은 초당 531홀이다.
실시예 15:
실시예 3과의 차이점은 변형된 물질 Ⅱ가 사용된다는 것인데, 여기서, 표준 강화 유리 섬유 대신에 첨가물 Ⅳ의 약 50%의 섬유 중량으로 강화된 FR4 물질이 에폭시 물질로서 형성된다. 이러한 에폭시 물질이 천공되는 비율을 2 내지 2.5의 계수로 증가시킬 수 있다.
물론, 실시예 1 내지 15에서 기술된 블라인드 구멍 대신에 스루-홀을 형성할 수도 있다. 이 경우에, 하부 구리 포일은 상부 구리 포일을 천공하기 위한 동일한 조건하에서 그리고 동일한 시간으로 천공된다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 금속층 및 유기 물질을 포함하는 적어도 하나의 유전층을 가지는 적층물을 레이저로 천공하는 방법으로서,
    - 펄스 폭 < 40ns
    - 펄스 주파수 ≥금속층에 대해 30kHz
    ≥유전층에 대해 20kHz
    - 파장 = 532nm
    의 레이저 파라미터를 갖는 2배 주파수(frequency-doubled) Nd 바나듐산염 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 30ns 미만의 펄스 폭이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 10㎛ 내지 100㎛의 스폿 직경을 가진 포커싱된 레이저 빔이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 20㎛ 내지 40㎛의 스폿 직경을 가진 포커싱된 레이저 빔이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 532nm 파장을 갖는 레이저 빔에 대해 우수한 흡수율을 갖는 첨가물이 유기 물질과 혼합되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 적어도 하나의 무기 또는 유기 색소 또는 적어도 하나의 중합체-가용성 염료 또는 적어도 하나의 섬유 충전재(fibrous filler)가 첨가물로서 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 적어도 하나의 무기 적색 색소 또는 유기 적색 색소 또는 중합체-가용성 적색 염료가 첨가물로서 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 0.1 중량% 내지 50 중량%의 색소가 상기 유기 물질과 혼합되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 1 중량% 내지 2 중량%의 색소가 상기 유기 물질과 혼합되는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 혼합된 첨가물로 인해, 상기 유기 물질은 532nm 파장의 레이저 방사선에 대해 적어도 50%의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 혼합된 첨가물로 인해, 상기 유기 물질은 532nm 파장의 레이저 방사선에 대해 적어도 60%의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 혼합된 첨가물로 인해, 상기 유기 물질은 532nm 파장의 레이저 방사선에 대해 적어도 80%의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 방법.
  13. 적어도 하나의 금속층 및 유기 물질을 포함하는 적어도 하나의 유전층을 가지는 적층물을 레이저로 천공하는 장치로서,
    - 펄스 폭 < 40ns
    - 펄스 주파수 ≥금속층에 대해 30kHz
    ≥유전층에 대해 20kHz
    - 파장 = 532nm
    의 레이저 파라미터를 갖는 2배 주파수 Nd 바나듐산염 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 장치.
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