KR100853254B1 - 콰자이-ｃｗ 다이오드-펌핑, 고체 ｕｖ 레이저 시스템 및이 시스템을 사용하는 방법 - Google Patents

콰자이-ｃｗ 다이오드-펌핑, 고체 ｕｖ 레이저 시스템 및이 시스템을 사용하는 방법 Download PDF

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Abstract

콰자이(quasi)-CW 다이오드- 또는 램프-펌핑, A-O Q-스위칭 고체 UV 레이저 시스템(10)은, 위치지정 시스템(36)이 높은 처리율로 기판에서 다수의 비아(via)를 형성하도록 하나의 목표 영역(31)에서 그 다음 목표 영역(31)까지 이동하는 동안에 펌핑을 줄이기 위해 콰자이-CW 펌핑의 타이밍을 위치지정 시스템(36)의 이동과 동기화시킨다. 따라서, 비아 형성을 위한 이용 가능한 UV 출력은, 비록 레이저 매체(16)로의 평균 펌핑 출력과 레이저 펌핑 다이오드(14)의 열 부하(thermal loading)가 종래에 이용 가능한 레이저 펌핑 다이오드(14)를 통한 종래의 CW 펌핑에 현재 이용 가능한 평균 펌핑 출력 및 열 부하와 동일하다할 지라도, 더 높다. 콰자이-CW 펌핑 전류 프로파일은 바람직한 UV 펄스 진폭 프로파일을 실현하도록 추가로 변경될 수 있다.

Description

콰자이-ＣＷ 다이오드-펌핑, 고체 ＵＶ 레이저 시스템 및 이 시스템을 사용하는 방법{QUASI-CW DIODE PUMPED, SOLID-STATE UV LASER SYSTEM AND METHOD EMPLOYING SAME}
본 특허 출원은 2001년 3월 12일에 출원된 미국 가출원 제 60/275,246호를 우선권으로 청구한다.
ⓒ 2001 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈 인코포레이티드. 본 특허 문서의 개시 부분은 저작권 보호를 받게되는 내용을 포함한다. 저작권자는 미국 특허청 특허 파일 또는 레코드에 있는 대로의 특허 문서 또는 특허 개시에 대한 임의의 사람의 팩스 복사(facsimile reproduction)는 거부하지 않지만, 그렇지 아니한 경우 어떠한 종류든지 간에 모든 저작권을 보유한다. 37 CFR§1.71(d).
본 발명은 다이오드-펌핑(diode-pumped), 고체 레이저에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 콰자이-CW 다이오드-펌핑 UV 레이저 시스템 및 회로 보드에 비아를 형성하기 위한 것과 같은 이들 시스템을 사용하는 처리 방법에 관한 것이다.
다양한 종류의 레이저 시스템은 인쇄회로 기판(PCB)과 같은 작업물 또는 전자 디바이스 상의 포인트-투-포인트(point-to-point) 목표 영역에서 비아(via)에 구멍을 뚫기 위해 사용되어 왔다. 다음에는 예컨대 다이오드-펌핑, 고체 자외선(UV) 레이저 시스템 및 작업 목표물에 대해서만 여기서 논의되며, 이러한 논의는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
라이트 웨이브 일렉트로닉스(Light Wave Electronics)(LWE) 모델 210 레이저를 포함하는 일렉트로 사이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드(ESI)의 모델 5200과 같은, 음향-광학(acousto-optically)(A-O) Q-스위칭, 연속-파(CW) 다이오드-펌핑(DP), 고체(SS) 레이저 시스템이 비아를 생성하는데 사용될 때, 펌핑 다이오드(들)는 계속해서 활성 상태를 유지한다. 레이저 방출은, 위치지정 시스템이 작업물 상의 새로운 목표 영역으로 방향이 정해질 때마다 Q-스위치를 닫음으로써 차단된다. 위치지정 시스템이 새로운 목표 영역으로 정렬된 이후, 레이저 시스템은 사전에 결정된 반복률로 Q-스위치를 개방함으로써 하나 이상의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 출력을 가한다.
LWE 모델 210은 펌핑을 위해 두 개의 20 Watt(W) CW-다이오드를 사용하고, 10kHz 반복률로 3 W의 UV 출력 전력을 생성한다. 다이오드에 대한 CW 펌핑 전류는 다이오드의 열 부하에 의해 제한된다. 만약 응용이 더 큰 UV 출력 전력을 보증한다면, 두 개의 30W 다이오드 레이저 바(bar)나 4개의 20W 다이오드 레이저 바와 같은 더 많은 다이오드나 더 높은 전류/전력을 갖는 다이오드가 사용되어야 한다. 대략 8W의 UV 출력 전력이 이러한 디자인을 통해 예상될 수 있다. 그러나, 만약 더 높은 펌핑 전력이 사용된다면, 고체 레이저 매체 상의 열 부하는 증가한다. 레이저 매체 상의 열 부하는 레이저 매체를 영구적으로 손상시킬 수 있거나, 또는 레이저 빔의 품질을 상당히 저하시킬 수 있고 이용 가능한 전력을 제한할 수 있다. 이러한 제한 으로 인해 레이저 시스템 디자인과 제조에는 상당한 공학적인 요구가 따른다.
그러나, 펄스 펌핑 및 콰자이-CW 펌핑과 같은 다른 펌핑 방식이 레이저 디자인에 이용될 수 있다. 람다 피직스(Lambda Physics) UV "게이터(Gator)" 모델의 초기 버전과 같은 전자-광학(E-O) Q-스위칭 펄스 DPSS UV 레이저는 더 높은 레이저 펄스 전력을 그러나 낮은 펄스 반복률로 제공한다. 각 펌핑 펄스에 대해, 단 하나의 UV 레이저 펄스가 생성된다. 펌핑 지속 시간(duration time)은 수백 마이크로초(㎲)로 제한되어, 레이저 출력 펄스 반복률은 전형적으로는 2kHz 이하로 제한된다. 이러한 펌핑 방식은 비아를 뚫는데 바람직하지 않으며, 이는 이것이 뚫기 처리량(drilling throughput)에 악영향을 미치기 때문이다.
전통적인 콰자이-CW 펌핑은 펄스 펌핑과 유사하지만, 더 낮은 피크 펌핑 전력에서 더 오랜 펌핑 지속시간을 나타낸다. 펌핑 방식은 대략 1 내지 2kHz의 펌핑 반복률을 나타낼 수 있고, 펌핑 지속시간은 반복률 및 사용된 다이오드의 듀티 사이클에 기초하여 수백 ㎲에서 수 ms까지일 수 있다. 펌핑 방식은 펌핑이 CW 펌핑 보다 더 높은 레벨로 되게 하며, 이는 펌핑이 오프될 때마다 다이오드가 "휴지상태에 들어가기 때문이다(rest)"( 그리고 열 로딩은 감소하거나 정지하기 때문이다). 그러므로, 레이저 출력 전력은 비슷한 CW 펌핑 레이저의 출력 전력에 비해서 펌핑 시간 기간 동안에 더 높을 수 있다. 레이저 출력은 다이오드(들)로의 전류를 조절함으로써 제어된다. 이러한 펌핑 방식의 펌핑 반복률은 그러나 여전히 상당한 결점이다. 콰자이-CW 펌핑에 대한 전형적인 응용은 레이저 접착(bonding) 및 용접(welding)과 같은 긴 레이저 펄스 폭과 적당한 피크 전력을 사용하는 응용을 포함한다.
그러므로, 뚫기 처리량을 증가시키기 위해 더 높은 전력과 더 빠른 반복률 둘 모두를 용이하게 하는 펌핑 방식을 포함하는 레이저 시스템이 바람직하다.
종래의 UV 레이저 비아 드릴링 시스템은 IR 영역의 레이저 기본 파장을 UV로 변환하기 위해 표준 주파수 변환 방식을 사용한다. 바람직하게, 이러한 시스템은 높은 처리율의 비아 형성을 얻기 위해 높은 UV 전력과 높은 펄스 반복률을 사용하며, 그리하여 A-O, Q-스위칭 DPSS 레이저 시스템은 이제 비아를 뚫는데 바람직하게 되었다.
상업적으로 바람직한 시스템은 비아를 뚫는데 드는 시간을 감소시키기 위해 더 높은 UV 전력을 더 원하거나, 구리 및 FR4와 같은 일부 "뚫기 어려운" 재료에 허용 가능한 비아를 만드는 것을 더 원할 것이다. 따라서, 높은 펄스 반복률(수 kHz 내지 수 십 kHz)에서 높은 UV 출력 전력(5 내지 15W)이 더 나을 것이다.
또한, 상업적으로 유용하게 되기 위해, 예컨대 PCB 상의 비아 형성은 초당 300 내지 400개의 비아를 만들 수 있는 레이저 시스템을 요구한다. 따라서, 레이저 위치지정 시스템은 매 초당 300 내지 400개의 새로운 위치로 이동해야 한다. 전형적으로, 레이저 시스템이 하나의 비아를 뚫는데는 1ms 미만이 걸리지만, 어떤 경우에는 그 다음 비아를 위한 새로운 위치로 이동하기 위해 1ms보다 더 걸린다. 그러므로, 레이저가 ON되는데 드는 시간은 레이저가 OFF되는데 드는 시간보다 실제로 더 짧으며, 이로 인해 레이저의 사용이 상당히 비효율적이게 된다.
본 발명은, 위치지정 시스템이 한 목표 영역에서 그 다음 목표 영역으로 이 동하고 있는 동안에 펌핑을 피하거나 줄이기 위해 및 비아를 뚫고 있는 동안 CW 펌핑 레벨을 초과하여 펌핑 레벨을 증가시키기 위해 콰자이-CW 펌핑의 타이밍을 동기화하는 콰자이-CW 다이오드- 또는 램프-펌핑, A-O, Q-스위칭 고체 UV 레이저를 제공한다. 따라서, 비아 형성을 위해 이용 가능한 UV 전력은, 비록 레이저 매체로의 평균 펌핑 전력과 펌핑 다이오드의 열 부하가 종래의 이용 가능한 레이저 다이오드를 통한 종래의 CW 펌핑에 대해 동일하게 유지할 지라도 더 높다. 콰자이-CW 펌핑 전류 프로파일은 바람직한 UV 펄스 진폭 프로파일을 실현하도록 더 변경될 수 있다.
이러한 콰자이-CW 다이오드- 또는 램프-펌핑, A-O Q-스위칭, 고체 UV 레이저는 새로운 것이며; 빔 스캐닝을 통한 콰자이-CW 펌핑의 동기화는 새로운 것이며; 비아를 형성하기 위해 이러한 레이저 시스템을 사용하는 것은 새로운 것이다.
본 발명의 추가적인 목적 및 장점은 수반하는 도면을 참조하여 진행되는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1은 인트라-캐버티(intra-cavity) 3중 주파수 변환을 갖는 콰자이-CW 다이오드-펌핑 A-O Q-스위칭 레이저의 일실시예에 대한 간략화된 개략도.
도 2a는 콰자이-CW 펌핑 다이오드 전류의 예시적인 파형을 간략하게 도시한 그래프.
도 2b는 도 2a에 도시된 콰자이-펌핑 다이오드 전류에 중첩된 예시적인 A-O Q-스위칭 레이저 펄스를 간략하게 도시한 그래프.
도 1은 높은 처리율(throughput rate)로 비아를 형성하기 위해 동기화되어 목표지정, 펌핑 및 발사되는 콰자이-CW, 다이오드-펌핑, A-O Q-스위칭, 고체 UV 레이저 시스템(10)의 바람직한 실시예에 대한 간략한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 레이저 시스템(10)의 레이저 공진기(12)는 한쪽 측면에서부터 다이오드(14), 펌핑 레이저 매체(16)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 당업자는 공진기(12)가 접힐 수 있고, 펌핑 방식이 "엔드 펌핑(end pumping)"될 수 있거나 레이저 시스템(10)이 다른 가능한 잘 알려진 구성을 사용할 수 있음을 인식할 것이다. 예시적인 다이오드(14)는 캘리포니아주 산호세 소재 SDL, Inc. 사에 의해 판매되는 모델 SDL-3200 시리즈 100W 콰자이-CW 어레이 및 960 W 높은 듀티 인자 스택 어레이를 포함하나 이것으로 제한되지는 않는다. 예시적인 고체 레이저 매체(16)는 YAG, YLF 및 YVO4 혼합물을 갖는 레이저 매체를 포함한다. IR-반사 미러(18)와 UV(제 3 고조파)-투과 출력 결합기(20) 사이에서, 공진기(12)는 또한 그 광축(22)을 따라서, 음향-광학(A-O) Q-스위치(24), 주파수 더블러(doubler)(26) 및 인트라-캐버티 주파수 변환을 위한 주파수 트리플러(tripler)(28)를 포함한다. 당업자는 주파수 변환이 공진기(12) 외부에서 달성될 수 있음을 인식할 것이다.
도 2a 및 도 2b(집합적으로 도 2)는 콰자이-CW-펌핑 다이오드 전류 펄스 또는 간격(50a, 50b 및 50c){일반적으로 전류 간격(50)} 및 도 2a에 도시된 콰자이-CW-펌핑 다이오드 전류 파형에 중첩되는 예시적인 A-O Q-스위칭 레이저 펄스(60a, 60b 및 60c){일반적으로 레이저 펄스(60)}의 예시적인 파형을 각각 간략하게 도시한 그래프이다. 도 1 및 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 레이저 시스템(10)이 작업물(30) 상의 제 1 목표 영역(31)에 하나의 비아를 만드는 것을 종료할 때, 중앙 처리 유닛(CPU)(32)은 다이오드 펌핑을 정지하거나(다이오드 전류를 0이 되게 함) 전력 공급원(34)을 제어하여 사전에 결정된 낮은 전류 레벨로 다이오드 펌핑을 감소시키도록 레이저 시스템의 동작은 동기화된다. 예시적인 전력 공급원(34)은 10㎲ 전류 전이 시간을 갖는 10-15 amp CW 레이저 다이오드 구동기를 위한 모델 SDL-820과; 대략 50 amp CW 레이저 구동기를 위한 모델 SDL-830과; 또는 대략 150 amp 피크 콰자이-CW 레이저 다이오드 어레이 구동기를 위한 모델 SDL-928을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는다. 이들 모두는 캘리포니아주 산호세 소재 SDL, Inc.에서 판매된다.
그러면, 위치지정 시스템(36)은 빔 출력 위치를 새로운 목표 영역(31)으로 이동시킨다. 바람직하게, 빔 위치지정 시스템(36)은 동일한 또는 다른 작업물(30) 상의 목표 영역(31) 사이에서 빠른 이동을 허용하는 적어도 두 개의 횡단 스테이지를 사용하는 이동(translation) 스테이지 위치지정기를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 이동 스테이지 위치지정기는 분할(split)-축 시스템이며, 여기서 Y 스테이지는 작업물(30)을 이동하며, X-스테이지는 고속 빔 위치지정기 및 관련 집속 렌즈(들)를 이동시킨다. X 스테이지와 Y 스테이지 사이의 Z 크기가 또한 조정될 수도 있다. 위치지정 미러는 레이저 공진기(12)와 고속 빔 위치지정기 사이에서 임의의 회전(turn)을 통해 광 경로(22)를 정렬한다. 고속 빔 위치지정기는 제공된 테스트 또는 디자인 데이터에 기초하여 고유한 또는 반복적인 처리 동작을 수행할 수 있는 높은 해상도의 리니어 모터(linear motor) 및/또는 한 쌍의 검류계(galvanometer) 미러를 사용할 수 있다. 스테이지 및 위치지정기는 제어되고 독립적으로 이동되거나 함께 이동하도록 조정될 수 있다.
빔 위치지정 시스템(36)은 대물 렌즈를 통해 또는 축을 벗어나서 별도의 카메라와 함께 작동하고 당업자에게 잘 알려져 있는 정렬 시스템을 작동하기 위해 종래의 비전(vision) 또는 빔을 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 일렉트로 사이언티픽 인더스트리이즈, 인코포레이티드 사에 의해 판매되는 위치지정 시스템(36)에서 프리덤 라이브러리(Freedom Library) 소프트웨어를 사용하는 HRVX 비전 박스가 레이저 공진기(12)와 작업물(30) 상의 목표 영역(31) 사이에 정렬을 수행하기 위해 사용된다. 다른 적절한 정렬 시스템이 상업적으로 이용 가능하다.
게다가, 빔 위치지정 시스템(36)은 또한 바람직하게는 리니어 스케일 인코더 또는 레이저 간섭계(interferometer)와 같은 온-축 위치 지시기에 의해 지시되지 않는 피치(pitch), 요잉(yaw) 또는 롤링(roll)으로 인한 애베이(Abbe) 에러를 결정하기 위해 비접촉, 작은-변위 센서를 사용한다. 애베이 에러 정정 시스템은 정밀한 참조 표준에 대하여 교정될 수 있어서 정정은 센서 판독 값의 작은 변화를 감지하는 것에만 의존하고, 센서 판독 값의 절대 정확도에는 의존하지 않는다. 이러한 애베이 에러 정정 시스템은 2001년 7월 19일에 공개된 국제 공보 제 WO 01/52004 A1과 2001년 10월 18일에 공개된 U.S. 공보 제 2001-0029674 A1에 상세하게 기술되어 있다. Cut1er의 대응 U.S. 특허 출원 제 09/755,950호의 개시의 관련 부분이 참조로서 여기에서 병합된다.
위치지정 시스템(36)의 많은 변형은 당업자에게 잘 알려져 있고, 위치지정 시스템(36)의 일부 실시예가 Cutler 등의 U.S. 특허 제 5,751,585호에 상세하게 기술되어 있다. 오레곤주, 포틀랜드 소재 일렉트로 사이언티픽 인더스트리이즈, 인코포레이티드 사로부터 이용 가능한 ESI 모델 5320 마이크로비아 드릴링 시스템은 위치지정 시스템(36)의 바람직한 구현이며, 전자업계에서 합성수지 코팅된 구리 패키지의 레이저 드릴링에 사용되어 왔다. 오레곤주, 포틀랜드 소재 일렉트로 사이언티픽 인더스트리이즈, 인코포레이티드 사에 의해 제조된 모델 일련 번호 27xx, 43xx, 44xx 또는 53xx와 같은 다른 바람직한 위치지정 시스템이 또한 사용될 수 있다. 당업자는 또한, 빔 위치지정을 위해 고정 빔 위치 및/또는 스테이셔너리(stationary) 검류계를 통해 작업물을 위치지정하기 위한 단일 X-Y 스테이지를 갖는 시스템이 대안적으로 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자는, 주기적 또는 비주기적일 수 있는 다양한 종류의 유용한 패턴을 생성하기 위해 고속으로 집속된 UV 레이저 시스템 출력 펄스(40)를 다이내믹하게 위치지정하는 툴패쓰(toolpath) 파일을 사용하도록 이러한 시스템이 프로그램될 수 있음을 이해할 것이다.
CPU(32)는, 위치지정 시스템(36)이 새로운 즉 제 2 목표 영역(31)에 도달하거나 이제 막 도달하려할 때 또는 연이은 사전에 결정된 시간 간격 및 다이오드 펌핑의 억제 또는 감소 시에 전류가 다이오드(14)에 인가 또는 다이오드(14)로 증가되게 한다. CPU(32)는 제 2 비아가 만들어질 때까지 사전에 결정된 반복률로 레이저 펄스(60)를 전달하도록 하기 위해 Q-스위치(24)를 열도록 Q-스위치 제어기(38) 에 지시한다.
펌핑 전류 간격(50)의 프로파일은 콰자이-CW 펌핑 동안에 평평한 모양(flat)과 같이 레이저 펄스(60)의 피크 전력 프로파일의 모양을 (도 2a에 도시된) 낮은 곳에서 높은 곳으로 또는 상기 기간 동안에 높은 곳에서 낮은 곳으로 제어하도록 조정될 수 있다. 더나아가, 전류 프로파일은 다양한 진폭을 갖도록 조정될 수 있으며, 따라서 예컨대 높은 피크 전력이 금속 층을 뚫기 위해 사용될 수 있고, 낮은 피크 전력은 바람직한 경우 유전 층을 뚫는데 사용될 수 있다. 유사하게, 전류 펌핑 간격(50)에 대한 시간 기간은 더 큰 직경의 비아를 위한 더 긴 전류 간격(50)과 같이 처리될 비아의 크기, 깊이 및 재료에 맞추도록 조정될 수 있다. 도 2a 및 도 2b는, 듀티 사이클이 동일하게 유지될 수 있는 동안에 레이저 시스템(10)이 전류 펌핑 간격(50)의 가변 기간 및 전류 펌핑 간격(50) 사이의 가변 기간을 허용하지만 이러한 가변 기간을 필요로 하지는 않음을 증명하고 있다. 그러나, 듀티 사이클은 바람직한 경우 레이저 출력 프로파일을 위해 또한 변경될 수 있다.
콰자이-CW 펌핑 반복률은 쉽게 2kHz만큼 높게 만들어질 수 있다. 레이저 펌핑 다이오드(14) 및/또는 레이저 매체(16)로의 평균 열 부하가 비교적 일정하게 또는 열 손상 레벨 이하로 유지하는 한, 콰자이-CW 펌핑 사이의 시간 간격은 일정할 필요는 없다.
일실시예에서, CW 펌핑 5W UV 레이저 시스템(10)의 다이오드(14) 및 전력 공급원(34)은 가변 전류 펌핑에 도움이 되도록 변경된다. 결과적인 레이저 시스템(10)은 500Hz에서 2대1의 듀티 사이클로 운행할 수 있다. 다이오드(14)는, 이들이 또 다른 1ms 동안 정지하기 이전에 1ms 동안에 레이저 매체(16)를 펌핑한다. 따라서, 펌핑 기간 동안에, 많게는 대략 두 배의 전류가 {다이오드(14)나 레이저 매체(16) 상의 평균 열 부하에 악영향을 미치지 않고} 다이오드(14)에 인가될 수 있다. 따라서, 상기 1ms 펌핑 기간 동안에 레이저 전력은 (특히 비선형 주파수 변환 이후에) 비슷한 CW 펌핑 레이저의 전력보다 많게는 두 배이상일 수 있다. 레이저 공진기(12)에 사용된 A-O Q-스위치(24)는 예컨대 10kHz 또는 50kHz에 이르는 사전에 결정된 반복률로 레이저 펄스(60)를 전달하도록 반복적으로 스위칭된다.
작업물(30)은 예컨대 IC 칩 패키지, MCM, 커패시터, 회로 보드, 저항 또는 혼합물 또는 반도체 마이크로회로일 수 있다. 편의상 작업물(30)은 네 개의 층만을 갖는 것으로 아래에서 기술된다. 상부 및 하부 도체 층은 예컨대 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐(palladium), 백금, 은, 티타늄, 텅스텐, 메탈 니트라이드(metal nitride) 또는 이들의 혼합물과 같은 표준 금속을 포함할 수 있다. 종래의 금속 층은 그 두께가 전형적으로 9 내지 36㎛로 다양하지만, 더 얇거나 더 두꺼울 수 있다. 도체 층은 전형적으로 상기 재료로 만들어진다.
유전 매트릭스 또는 층은 도체 층 사이에 삽입되며, 예컨대, 벤조시클로부탄(benzocyclobutane: BCB), 비스말레이미드 트리아진(bismaleimide triazine: BT), 카드보드(cardboard), 시아네이트 에스테르(cyanate esters), 에폭시(epoxies), 페놀릭(phenolics), 폴리이미드(polyimides), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluorethylene: PTFE), 여러 폴리머 합금 또는 그 혼합물과 같은 표준 유기 유전물을 포함할 수 있다. 종래의 유기 유전 층은 그 두께가 상당히 다양 하지만 전형적으로는 금속 층 보다 훨씬 더 두껍다. 유기 유전 층에 대한 예시적인 두께 범위는 대략 30 내지 400㎛이다.
유전 층은 표준 강화 성분을 또한 포함할 수 있으며, 이러한 성분은 예컨대 섬유 매트(fiber matte), 유기 유전물에 걸쳐 직조된 또는 분산된 애러미드 섬유(aramid fibers), 세라믹 또는 유리의 분산된 파티클을 포함할 수 있다. 종래의 강화 성분은 전형적으로 대략 1 내지 10㎛ 크기의 개별 필라멘트(filament)나 파티클 및/또는 10㎛ 내지 수백 ㎛의 직조된 번들(bundle)이다. 당업자는, 강화 성분이 유기 유전물에 분말로 삽입될 수 있으며, 인접하지 않고(noncontiguous) 균일하지 않을(nonuniform) 수 있음을 인식할 것이다. 이러한 복합 또는 강화된 유전 층은 전형적으로 비강화 유전 층을 제거하는데 필요한 것보다 더 높은 플루언스(fluence)의 레이저 처리를 필요로 한다. 당업자는 또한 이들 여러 층이 내부적으로 인접하지 않고, 균일하지 않으며 평평하지 않을(nonlevel) 수 있음을 이해할 것이다. 금속, 유전물 및 강화 물질로 된 여러 층을 갖는 스택(stack)은 2mm보다 더 두꺼울 수 있다.
비아 직경은 바람직하게는 25 내지 300㎛의 범위이지만, 레이저 시스템(10)은 대략 5 내지 25㎛ 만큼 작은 또는 1mm보다 더 큰 직경을 갖는 비아를 생성할 수 있다. 레이저 펄스(60)의 바람직하게 제거된 스폿 크기는 그 직경이 대략 25 내지 75㎛이며, 25㎛보다도 더 큰 비아는 트리패닝(trepanning), 컨센트릭 서클 처리(concentric circle processing) 또는 스피럴(spiral) 처리에 의해 생성될 수 있다. 당업자는, 비아가 정사각형, 직사각형, 타원형, 슬롯형 또는 기타 표면 기하 학적 모양과 같은 원형이 아닐 수 있음을 인식할 것이다.
관통-홀 비아(through-hole via)는 작업물(30)의 모든 층 및 물질을 깨끗하고 평탄하게 관통하며, 바람직하게는 비아의 상단에서 비아의 하단까지 무시할 정도로 테이퍼 모양(taper)을 나타낸다. 블라인드 비아(blind via)는 모든 층 및/또는 물질을 관통하지 않으며, 전형적으로는 하부 또는 하단의 도체 층에서 정지한다. 레이저 파라미터를 적절하게 선택하면, 비록 하부 또는 하단의 도체 층이 상단 금속 층과 동일한 금속 성분(들)을 포함하더라도 이러한 하부 또는 하단의 도체 층은 손상되지 않고 유지될 수 있다.
UV 또는 가시 광에 반응하여 서로 다른 광 흡수도, 제거 임계치, 또는 기타 특징을 나타낼 수 있는 광범위하게 다양한 금속성, 유전성 및 기타 물질의 목표에서 상당히 깨끗한 순차적 드릴링, 즉 비아 형성을 용이하게 하도록 레이저 출력(40)의 파라미터는 선택된다. 레이저 시스템 출력(40)의 파라미터는, 바람직하게는 200
Figure 112007018436418-pct00001
보다 더 큰 작업 표면에서 측정된 대략 120
Figure 112007018436418-pct00002
이상의 펄스 당 평균 에너지와; 바람직하게는 대략 1 내지 50㎛인 대략 50㎛ 미만의 스폿 크기 직경 즉 공간 주요 축(spatial major axes)과; 대략 1kHz보다도 더 큰, 바람직하게는 대략 5kHz보다더 훨씬 더 큰 및 가장 바람직하게는 20kHz보다도 훨씬 더 높은 반복률과; 대략 190nm 내지 532nm 사이이며, 가장 바람직하게는 대략 250nm 내지 400nm 사이인 파장을 포함한다. 특정 바람직한 파장은 1064nm, 532nm, 355nm, 349nm 또는 266nm을 포함하며, 이것으로 제한되지 않는다.
레이저 출력(40)의 바람직한 파라미터는, 대략 150ns보다더 짧고 바람직하게 는 대략 40ns 내지 90ns나 이보다 더 낮은 시간 펄스 폭을 사용함으로써 특정한 열 손상 효과를 회피하고자 선택된다. 당업자는 또한 레이저 펄스(60)의 스폿 영역이 일반적으로 원형이지만, 약간은 타원형일 수 도 있음을 이해할 것이다. 바람직한 UV 레이저 드릴링 파라미터는 U.S. 특허 제 5,593,606호 및 제 5,841,099호에 개시되어 있다.
블라인드 비아 및 큰 직경을 갖는 특정한 블라인드 비아는 두 개의 통과 공정에 의해 생성되며, 여기서 모든 목표 영역을 위한 도체 층이 제 1 통과 시에 제거되고, 그런 다음 모든 목표 영역을 위한 유전 층은 제 2 통과 동안에 제거되며 이때 레이저 출력의 플루언스는 도체 층 제거 임계치 미만이다. 모든 목표 영역의 상단 도체 층이 제거된 후, 제 2 통과 동안에 레이저 출력에 대한 플루언스는, 레이저 스폿의 집속을 해제함으로써 및/또는 반복률을 증가시킴으로써 및 레이저 펌핑 다이오드(14)로의 전류를 감소시킴으로써 감소될 수 있다.
블라인드 비아가 또한 단일 통과 공정에서 생성될 수 있으며, 여기서 위치지정 시스템(36)이 후속 목표 영역(31)으로 이동하기 이전에 각 목표 영역의 도체 및 유전 층 둘 모두가 제거됨을 당업자는 인식할 것이다. 단일 통과 처리는 더 작은 직경의 비아를 만드는데 바람직하다. 단일 통과 공정에서, 레이저 펄스(60)가 유전 층을 제거하기 시작할 때 상당히 높은 플루언스를 유지하는 것이 좀더 효과적일 것이지만, 레이저 펄스(60)가 유전 층을 완전히 제거하고, 하부 도체 층을 노광하여, 레이저 출력(40)으로부터 열을 흡수하기 시작할 때, 하단 도체 층에 대한 손상은 더 낮은 플루언스를 사용함으로써 감소될 수 있다. 따라서, 레이저 스폿의 점진적 인 집속 해제 또는 유전물 제거 동안의 펌핑 전류의 감소는 더 빠르고 좀더 효과적이며, 유전물 제거를 위해 단일 풀루언스를 사용하는 것보다 더 양호하게 하단 금속 층을 보호할 것이다. 비아 드릴링 공정을 위한 이들 및 기타 레이저 출력 프로파일 기법은 2001년 11월 29일에 공개된 U.S. 특허 공개 번호 제 US2001-0045419호와 U.S. 특허 출원 제 09/823,922호에서 상세하게 기술되어 있다. U.S. 특허 출원 제 09/823,922의 상세한 설명 및 도면이 여기에서 참조로써 병합된다.
본 발명의 근본 원리에서 벗어나지 않는다면 많은 변경이 본 발명의 상술한 실시예의 상세 사항에서 이루어질 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다음의 청구항에 의해서만 결정되어져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다이오드-펌핑, 고체 레이저, 좀더 상세하게는 콰자이-CW 다이오드-펌핑 UV 레이저 시스템 및 회로 보드에 비아를 형성하기 위한 것과 같은 이들 시스템을 사용하는 처리 방법에 이용된다.

Claims (60)

  1. 작업물 상의 다수의 목표 영역에서 목표물질의 층을 레이저 시스템을 통해 관통 가공하기 위한 방법으로서, 상기 레이저 시스템은 레이저 펌핑 다이오드와 고체 레이저를 사용하며, 상기 레이저 펌핑 다이오드는 상기 레이저 펌핑 다이오드가 연장된 시간 기간 동안에 상기 고체 레이저에 전달할 수 있는 펌핑 전력의 양을 제한하는 전류로 인한 누적 펌핑 커패시티(current-induced cumulative pumping capacity)를 가지는, 가공 방법으로서,
    상기 작업물 상의 제 1 목표 영역 쪽으로 빔 위치지정기의 출력 위치를 이동시키는 단계와;
    상기 고체 레이저를 펌핑하기 위해 제 1 더 높은 전류 레벨의 전류를 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급하는 단계와;
    2kHz 이상의 반복률의 복수의 레이저 펄스를 갖는 제 1 레이저 출력을 생성하도록 인트라캐버티 음향-광학(intra-cavity acousto-optic) Q-스위치를 작동하는 단계와;
    상기 제 1 목표 영역으로부터 목표 물질을 제거하기 위해 상기 제 1 레이저 출력을 상기 제 1 목표 영역에 인가하는 단계와;
    상기 레이저 펌핑 다이오드에 대한 부하를 감소시키기 위해 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급된 전류를 더 낮은 전류 레벨로 감소시키는 단계와;
    상기 작업물 상에서 상기 제 1 목표 영역과는 다른 제 2 목표 영역 쪽으로 상기 빔 위치지정기의 출력 위치를 이동시키는 단계와;
    상기 고체 레이저를 펌핑하기 위해 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급된 전류를 제 2 더 높은 전류 레벨로 증가시키는 단계와;
    2kHz 이상의 반복률의 복수의 레이저 펄스를 갖는 제 2 레이저 출력을 생성하도록 상기 Q-스위치를 작동하는 단계와;
    상기 제 2 목표 영역에서 목표 물질을 제거하기 위해 상기 제 2 레이저 출력을 상기 제 2 목표 영역에 인가하는 단계를,
    포함하는 가공 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 1 및 제 3 시간 간격 각각에서 발생하며, 여기서 상기 더 낮은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 2 시간 간격에서 발생하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력은 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급된 전류 레벨의 함수로서 변하는 출력 전력 레벨을 가지며, 여기서 상기 레이저 펌핑 다이오드는 상기 제 1 내지 제 3 시간 간격에 걸쳐서 상기 레이저 다이오드에서 상기 고체 레이저로 전달될 수 있는 펌핑 전력의 양을 제한하는 전류로 인한 누적 펌핑 커패시티를 가져서, 상기 제 2 시간 간격 동안에 공급된 더 낮은 전류 레벨이 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 공급된 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨 중 하나 또는 둘 모두가 상기 제 1 내지 제 3 시간 간격과 같은 CW 시간 간격에 걸쳐서 레이저 다이오드에 대한 최대 CW 전류 레벨을 초과하게 하며, 주어진 펄스 반복률의 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력의 출력 전력 레벨 중 하나 또는 둘 모두가 최대 CW 전류 레벨에서 상기 레이저 펌핑 다이오드에 의해 펌핑될 때 주어진 펄스 반복률의 상기 고체 레이저에 대한 최대 CW-펌핑 레이저 출력을 초과하게 하는, 가공 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 상기 레이저 출력의 출력 전력 레벨의 함수로서 변하는 비아 드릴링 처리량(via drilling throughput)을 가지며, 상기 비아 드릴링 처리량은, 상기 레이저 시스템이 상기 최대 CW-펌핑 레이저 출력에서 작동될 때 발생하는 상기 레이저 시스템에 대한 최대 CW-펌핑 레이저 비아 드릴링 처리량을 초과하는, 가공 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 더 높은 전류 레벨 중 하나는 상기 최대 CW 전류 레벨보다 더 낮은, 가공 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 시간 간격은 동일한 시간양을 나타내는, 가공 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 시간 간격은 서로 다른 시간 양을 나타내는, 가공 방법.
  9. 제 5항 또는 제 8항에 있어서, 동일한 전류량이 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 공급되는, 가공 방법.
  10. 제 5항 또는 제 8항에 있어서, 서로 다른 전류량이 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 공급되는, 가공 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 1 및 제 3 시간 간격 각각에서 발생하며, 여기서 상기 더 낮은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 2 시간 간격에서 발생하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경하며, 상기 제 1 및 제 3 시간 간격은 동일한 시간양을 나타내는, 가공 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 1 및 제 3 시간 간격 각각에서 발생하며, 여기서 상기 더 낮은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 2 시간 간격에서 발생하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경하며, 상기 제 1 및 제 3 시간 간격은 서로 다른 시간양을 나타내는, 가공 방법.
  15. 제 11항 또는 제 14항에 있어서, 동일한 전류량이 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 공급되는, 가공 방법.
  16. 제 11항 또는 제 14항에 있어서, 서로 다른 전류량이 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 공급되는, 가공 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 더 낮은 전류레벨은 무 전류를 포함하는, 가공 방법.
  18. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 더 낮은 전류 레벨은 상기 레이저 펌핑 다이오드로부터 광 출력을 생성하기에 충분한 전류를 포함하는, 가공 방법.
  19. 삭제
  20. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 1 및 제 3 시간 간격 각각에서 발생하며, 여기서 상기 더 낮은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 2 시간 간격에서 발생하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨 각각은 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 각각 동안에 제 1 및 제 2의 서로 다른 전류 레벨값을 포함하는, 가공 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨 각각은 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 각각 동안에 제 1 및 제 2 서로 다른 전류 레벨값을 포함하는, 가공 방법.
  24. 제 20항 또는 제 23항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전류 레벨값은 상기 목표 영역내의 단일 물질층을 처리하는 동안 인가되는, 가공 방법.
  25. 제 20항 또는 제 23항에 있어서, 상기 제 1 전류 레벨값은 상기 제 2 전류 레벨값보다 더 높으며, 상기 제 1 전류 레벨값은 상기 목표 영역 내의 금속 층을 처리하는 동안에 인가되며, 상기 제 2 전류 레벨값은 상기 목표 영역 내의 유전 층을 처리하는 동안에 인가되는, 가공 방법.
  26. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 Q-스위치는 50kHz보다 더 큰 반복률의 레이저 펄스를 생성하는, 가공 방법.
  27. 삭제
  28. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력은 400nm보다 더 짧은 파장을 포함하는, 가공 방법.
  29. 삭제
  30. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력은 YAG, YLF 또는 YV04 레이저에 의해 방출된 파장의 고조파를 포함하며, 이러한 고조파는 532nm, 355nm, 349nm 또는 266nm을 포함하는, 가공 방법.
  31. 삭제
  32. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 더 높은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 1 및 제 3 시간 간격 각각에서 발생하며, 여기서 상기 더 낮은 전류 레벨로 상기 레이저 펌핑 다이오드에 전류를 공급하는 단계는 제 2 시간 간격에서 발생하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경하며, 여기서 상기 빔 위치지정기는 상기 출력 위치를 상기 제 3 시간 간격 이후에 상기 제 2 시간 간격의 시간양과는 다른 시간양을 나타내는 제 4 시간 간격 동안에 상기 제 2 목표 영역에서 제 3의 분리된(discrete) 목표 영역으로 변경하며, 여기서 상기 레이저 펌핑 다이오드는 상기 제 4 시간 간격 동안에 더 낮은 제 2 전류 레벨을 공급하는, 가공 방법.
  33. 삭제
  34. 제 32항에 있어서, 상기 더 낮은 전류 레벨과 상기 더 낮은 제 2 전류 레벨은 서로 다른, 가공 방법.
  35. 제 32항에 있어서, 상기 더 높은 전류 레벨과 상기 더 높은 제 2 전류 레벨은 서로 다른, 가공 방법.
  36. 제 1항에 있어서, 하나보다 많은 목표 층을 관통하는 비아는 2회-통과 동작으로 형성되는, 가공 방법.
  37. 제 1항에 있어서, 하나보다 많은 목표 층을 관통하는 비아는 1회-통과 동작으로 형성되는, 가공 방법.
  38. 작업물 상의 다수의 분리된 목표 영역에 목표 물질의 층을 가공하기 위한 레이저 시스템으로서,
    광 경로를 따라 출력 위치쪽으로 제 1 및 제 2 레이저 출력을 생성하기 위한 고체 레이저와;
    제 1 및 제 3의 겹치지 않는 시간 간격 동안에 상기 고체 레이저를 펌핑하기 위한 레이저 펌핑 다이오드와;
    더 높은 레벨의 전류를 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급하며, 상기 제 1 시간 간격과 상기 제 3 시간 간격 사이의 제 2 시간 간격 동안에 2kHz 이상의 반복률의 더 낮은 레벨 전류를 공급하기 위한 가변 제어 가능한 전력 공급원과;
    상기 각 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력 각각 내에 복수의 레이저 펄스를 제공하기 위한 인트라캐버티, 음향-광학 Q-스위치와;
    상기 제 1 시간 간격 동안에 제 1 목표 영역 쪽으로 상기 제 1 레이저 출력의 출력 위치를 이동시키고, 상기 제 3 시간 간격 동안에 제 2 목표 영역 쪽으로 상기 제 2 레이저 출력의 출력 위치를 이동시키며, 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경시키기 위한 빔 위치지정기와;
    상기 전력 공급원이, 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력이 생성되고 있을 때는 더 높은 레벨 전류를 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급하며, 상기 출력 위치가 변경되고 있을 때는 더 낮은 레벨의 전류를 상기 제 2 시간 간격 동안에 공급하도록, 상기 빔 위치지정 시스템, 상기 전력 공급원 및 상기 Q-스위치의 동작을 직접 또는 간접적으로 조정하기 위한 인터페이스 제어기를,
    포함하는 레이저 시스템.
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  57. 제1 항 내지 제5 항, 또는 제8 항, 또는 제11 항, 또는 제14 항, 또는 제17 항, 또는 제20 항, 또는 제23 항, 또는 제36항, 또는 제37 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 작업물 상의 다수의 분리된 목표 영역에 목표 물질의 층을 가공하기 위한 레이저 시스템으로서,
    광 경로를 따라 출력 위치쪽으로 제 1 및 제 2 레이저 출력을 생성하기 위한 고체 레이저와;
    제 1 및 제 3의 겹치지 않는 시간 간격 동안에 상기 고체 레이저를 펌핑하기 위한 레이저 펌핑 다이오드와;
    더 높은 레벨의 전류를 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급하며, 상기 제 1 시간 간격과 상기 제 3 시간 간격 사이의 제 2 시간 간격 동안에 2kHz 이상의 반복률의 더 낮은 레벨 전류를 공급하기 위한 가변 제어 가능한 전력 공급원과;
    상기 각 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력 각각 내에 복수의 레이저 펄스를 제공하기 위한 인트라캐버티, 음향-광학 Q-스위치와;
    상기 제 1 시간 간격 동안에 제 1 목표 영역 쪽으로 상기 제 1 레이저 출력의 출력 위치를 이동시키고, 상기 제 3 시간 간격 동안에 제 2 목표 영역 쪽으로 상기 제 2 레이저 출력의 출력 위치를 이동시키며, 상기 출력 위치를 상기 제 2 시간 간격 동안에 상기 제 1 목표 영역에서 상기 제 2 목표 영역으로 변경시키기 위한 빔 위치지정기와;
    상기 전력 공급원이, 상기 제 1 및 제 2 레이저 출력이 생성되고 있을 때는 더 높은 레벨 전류를 상기 제 1 및 제 3 시간 간격 동안에 상기 레이저 펌핑 다이오드에 공급하며, 상기 출력 위치가 변경되고 있을 때는 더 낮은 레벨의 전류를 상기 제 2 시간 간격 동안에 공급하도록, 상기 빔 위치지정 시스템, 상기 전력 공급원 및 상기 Q-스위치의 동작을 직접 또는 간접적으로 조정하기 위한 인터페이스 제어기를,
    포함하는 레이저 시스템.
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