KR101067078B1 - 레이저 빔으로 기판, 특히 전기 회로 기판에 홀을 천공하는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 빔으로 기판(10), 바람직하게는 인쇄 회로 기판에 홀(14, 15)을 천공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따라, 새로운 천공 홀을 생성하기 위해, 빔 축선은 먼저 홀의 중심점(M)을 향해 지향되고, 그 후에 원형 궤도(K) 상에 배치되어, 원주 이동으로 홀을 천공한다. 본 발명의 목적은 홀의 중심의 점프 방향과 원형 경로를 향하는 미리 프로그램된 변위 사이에서 홀의 중심의 방향에 있어서의 급작스런 전환을 피하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 대응하는 천공 프로그램과 연관하여 미리 정해진 개수의 변위 방향(V1 내지 V8)이 미리 결정되며, 이로 부터, 인입 빔의 이동 방향과 관련하여 최소의 전환을 갖는 방향이 선택된다. 이런 방식으로, 보다 높은 처리 속도(이동 속도 및 원형 궤도 상의 천공 속도)를 얻을 수 있으며, 동일하고 보다 개선된 홀의 천공 양호도, 및 편향 유닛(2)의 갈보 모터의 보다 연장된 제품 수명을 얻을 수 있다.

Description

레이저 빔으로 기판, 특히 전기 회로 기판에 홀을 천공하는 방법 {METHOD FOR BORING HOLES IN A SUBSTRATE, ESPECIALLY IN AN ELECTRICAL CIRCUIT SUBSTRATE, BY MEANS OF A LASER BEAM}

본 발명은 기판, 특히 전기 회로 기판에 홀을 레이저 천공하는 방법에 관한 것이며, 천공될 홀의 직경보다 작은 스폿(spot) 직경을 갖는 레이저 빔은 각각의 경우에 천공될 홀의 영역에서 하나 이상의 원형 궤도를 따라 이동된다.

US 5 593 606 호는 상기 유형의 방법을 개시하며, 이러한 방법에 의해, 홀 영역 내의 동심원 내에서 또는 나선형 경로를 따라 내향(inward) 또는 외향(outward)으로 레이저 빔을 이동시킴으로써, 레이저의 빔 직경보다 큰 직경을 갖는 홀이 형성된다.

회로 기판 또는 이와 유사한 회로 기판의 천공을 위해, 최적화 이후에, 이용된 특정 편향 유닛이 차례로 천공될 홀 위치로 이동되며, 홀의 형상 및 프로세싱 또는 기계가공은 프로그램(소위 천공 공구)에 의해 편리하게 미리 설정된다. 이러한 프로그램을 이용하여, 각각의 홀은 동일한 방식으로 기계가공된다. 적절한 방식으로, 특히 정확하고 신속한 천공을 위해, 레이저 빔은 초기 위치, 예를 들어 앞서 천공된 홀로부터 천공될 새로운 홀의 중심으로 점프하도록 프로그램되며, 상기 홀의 중심으로부터 항상 동일하게 설정된 각도 방향으로 제 1 원형 궤도를 향해 횡단한다. 상기 제 1 원형 궤도를 완료한 후에, 필요하다면 빔은 다른 원형 궤도로 횡단될 수 있다. 만약, 상기 홀 중심으로부터 제 1 원형 궤도로의 횡단 방향이 미리 설정된 각도로 고정되고, 각각의 경우에 상이한 개시점(천공된 홀)으로부터 이전의 점프 방향이 매우 상이한 각도를 취하게 된다면, 이는 대다수의 모든 홀에 대해, 홀 중심으로의 점프와 원형 궤도로의 횡단 이동 사이에 180°까지의 방향 전환이 요구된다는 것을 의미한다. 점프 방향과 횡단 방향 사이의 이러한 방향 변화가 크면 클수록, 편향 유닛[일반적으로 갈보 미러(galvo mirror)]의 급작스런 위치 전환에 대한 필요성도 커진다. 방향의 각도 전환은 항상 시간 손실을 의미하게 되는데, 이러한 시간 손실은, 비교적 높은 피크 전류의 유동으로 인한 갈보 모터에 대한 스트레스 인자(stress factor)뿐 아니라 이동 후 상기 미러에 필요한 복구 시간(recovery time)으로 인해 발생하게 되며, 이것은 제품의 수명에 부정적인 영향을 미친다. 미러 복구 시간을 없애면, 이는 홀 양호도(quality)에 부정적인 영향, 즉 비-원형(non-circular) 홀이 얻어지게 된다. 추가로, 특히 이동 방향에 있어 180°반전의 경우에, 먼저 정지 단계가 필요하며 그 후에 재-가속(re-accelerate) 단계가 요구되는데, 이는 신규한 갈보 모터 지연 오차(lag-error)가 발생하는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 우수한 홀 양호도, 즉 우수한 홀 원형성을 유지함과 동시에 고속 처리 속도가 달성되는 방식으로 기판 내에 홀을 천공하는 전술된 방법을 개선하는 것이다. 동시에, 편향 유닛은 가해지는 부하가 감소하여, 특히 갈보 모터가 보다 긴 제품 수명을 갖도록 해야 한다.

이러한 목적은 본 발명에 따라 아래와 같이 달성된다 : 레이저 빔이 새로운 홀에 배향될 때, 빔 축선은 먼저 빔 위치에 의해 미리 설정된 점프 방향으로 천공될 홀의 중심으로 지향된 다음, 설정된 반경 방향으로의 횡단 이동에 있어서 상기 중심으로부터 멀어져 설정된 원형 궤도상으로 지향되며, 횡단 이동의 각도 방향은 중심에서 빔 축선의 방향 전환이 미리 설정된 최대 각도 범위를 초과하지 않거나 이상적으로는 상기 방향이 유지되는 방식으로, 점프 방향의 함수로 설정된다.

본 발명에 따른 방법으로, 상기 홀 중심으로부터 멀어지는 이동은 방향의 급작스런 전환, 예를 들어 225°이상의 전환을 방지하는 방식으로 각각의 경우에 최종 홀로부터 점프 방향의 함수로서 선택된다.

본 발명에 따른 방법에 대한 제 1 실시예에서, 이는 각각의 경우에 홀에 대한 미리 설정된 천공 프로그램을 변화시켜 횡단 이동의 각도 방향이 입사(incoming) 레이저 빔의 점프 방향과 매칭되게 함으로써 얻어질 수 있다. 비록, 이러한 경우에 홀 중심에서의 방향 전환이 없거나 혹은 실질적으로 없게 되지만, 이러한 유형의 해결책은 매우 많은 비용이 든다.

대다수의 적용예에 대해, 본 발명에 따른 방법의 유리한 실시예는, 입사 점프 방향에 대해 각도 범위가 각각 할당된 다수의 각도 방향이, 미리 설정된 최대 각도 범위에 따라 횡단 이동을 위해 미리 설정된다는 점이며, 관련된 횡단 방향과 함께 관련 천공 프로그램이 점프 방향이 위치하는 각도 범위에 따라서 선택가능하게 된다. 만약, 예를 들어 중심에서 방향 전환에 대한 허용 가능한 최대 각도 범위가 45°인 경우, 각각의 경우에 입사 점프 방향에 대해 관련 천공 프로그램과 함께 외향의 횡단 방향이 할당되는 각각 45°의 8개의 각도 범위가 정해진다. 그 후, 입사 레이저 빔의 점프 방향에 종속하여 관련 천공 프로그램이 선택되고 실행된다.

이제, 본 발명은 첨부 도면 및 예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 다중층 기판에서 홀을 천공하기 위한 레이저 장치를 개략적으로 도시하며,

도 2는 중심에서 각도 전환 없이, 천공될 홀의 영역에서 입사 레이저 빔의 빔 축선 경로를 도시하며,

도 3은 중심에서 최대 각도 전환을 보이는, 천공될 홀의 영역에서 입사 레이저 빔의 경로를 도시하며,

도 4 내지 11은 입사 빔의 상이한 점프 방향에 있어서, 본 발명에 따른 방법을 이용하여 천공될 홀의 영역에서 레이저 빔의 축선 경로를 도시한다.

도 1에 확대되어 개략적으로 도시된 장치는 편향 유닛(deflector unit, 2) 및 광학 영상 유닛(3)을 갖춘 레이저(1)를 도시하며, 레이저 빔(4)은 상기 유닛(3)을 통해 기판(10), 바람직하게는 회로 기판으로 지향된다. 도시된 예에서, 이러한 기판(10)은 상부 제 1 금속층(예를 들어, 구리층; 11) 및 하부 제 2 금속층(12)을 구비하며, 상기 금속층들(11, 12) 사이에 유전층(13)이 배치된다. 이러한 유전층은 예를 들어, FR4와 같은 유리섬유 강화 폴리머재(woven glass reinforced polymer material) 또는 RCC와 같은 폴리머재로 구성된다. 일반적으로 구리로 구성되는 금속층들은 프로세싱 또는 전도에 대해 유전체와는 상이한 에너지량을 요구한다. 따라서, 레이저 빔의 상이한 초점화 및 상이한 펄스 반복율뿐 아니라 상이한 레이저 설정 역시 선택 가능하다.

도 1에 도시된 것처럼, 직경(D1)을 갖는 막힌 비아 홀 또는 관통 비아 홀(15)이 기판(10)에 천공된다. 이를 위해, 예를 들어 레이저의 제 1 설정에 따라 홀(14)이 구리층(11)을 통과해 천공될 수 있으며, 그 후 막힌 비아 홀(15)이 또 다른 레이저 설정을 사용하여 유전층(13)에 형성될 수 있다. 천공되는 재료와 상관없이, 레이저 빔(4)은 재료가 관련 홀(14 또는 15)로부터 완전히 제거될 때까지 천공될 홀 영역에서 동심원을 그리며 촛점(F1)을 이동시키는 것으로 가정한다. 각각의 홀은 차례로 처리되어, 점프(jump)동안 저 에너지(예를 들어, CW 모드에서 355 nm UV로)로 작동되거나 스위치오프(deactivate)되는 레이저 빔의 광학 축선 또는 레이저 빔이 하나의 홀 영역으로부터 다음 홀 영역으로 점프된다.

도 1에서, 하나의 홀로부터 다른 홀로의 이러한 점프 방향은 각각의 경우에 있어 화살표(S)로 표시된다. 따라서, 이전 홀의 출발점으로부터, 예를 들어 둘레 지점 또는 홀 중심의 천공 작업의 완료 후에, 천공될 후속 홀의 중심까지 대략 직선으로 진행한다. 이러한 중심점(M)으로부터, 미리 설정된 천공 프로그램이 개시되며, 레이저 빔의 축선은 고정된 횡 방향(V)으로, 또는 선택적으로 원의 중심으로부터 출발하여 원형 궤도상으로 지향된다. 원형 궤도에 도달할 때, 레이저가 스위치온되며, 레이저 빔은 기판 재료, 홀 깊이, 레이저의 유형 및 에너지 밀도와 같은 특정 요구사항에 따라 1회 이상 상기 원형 궤도를 따라 이동한다. 홀의 크기가 레이저의 복수의 동심 경로를 요구한다면, 제 1 원형 궤도를 따라 1회 이상 이동한 후에 상기 레이저 빔은 또 다른 원형 궤도를 가로지른다. 실상, 레이저 빔 또는 스위치오프된 레이저의 빔 축선은 초기에만 횡단 방향(V)으로 중심점(M)으로부터 이동되며, 이후에는 원호(arc)(B ; 도 2 참조)로 도시된 소정의 원형 궤도(K)에 점진적으로 근접하게 되는 방식으로 정략적으로 제어된다.

전술된 것처럼, 중심점(M)으로의 점프 방향(S)의 각도는, 일반적으로 앞서 천공된 홀인 관련 개시점(A)에 종속한다. 가공될 홀의 순서 및 배열에 따라, 점프 방향(S)은 소정의 각도를 취한다. 그러나, 횡단 방향(V)의 각도가 고정식으로 미리 프로그램화되기 때문에, 각도에 있어 다소 큰 변화가 중심점(M)에서 발생한다. 이상적인 경우가 도 2에 도시되며, 개시점(A)은 점프 방향(S)이 X축선에 대해 0°를 취하고 있는 횡단 방향(V)과 거의 동일하도록 위치된다. 따라서, 레이저 빔의 축선은 중심점(M)을 통하여 중단되지 않고 더 이동되어, 편향 유닛이 연속적인 이동을 수행할 수 있다. 따라서, 레이저 빔은 원형 궤도를 향해 횡단 방향(V)으로 이동되며, 그 후에 파선 원호(B)를 따라 또는 선택적으로 횡단 방향(V)으로 원형 궤도(K)로 진입하며 파선 원형 궤도(K)를 따라 천공 작업을 수행한다.

레이저 빔의 안내에 대한 최악의 경우가 도 3에 도시된다. 이러한 경우에 있어, 레이저 빔의 축선은 미리 설정된 횡단 방향(V)에 대해 180°각도를 이루는 점프 방향에 도달한다. 따라서, 빔 축선은 중심점(M)에서 180°방향 반전을 실행해야 한다. 이를 달성하기 위해, 편향 유닛은 우선 멈추었다가 새로운 방향으로 가속되어야 한다.

천공될 홀의 중심에서 방향의 큰 변화에 의해 야기되는 이러한 지연을 회피하기 위해, 본 발명에 따르면 횡단 방향은 각도의 관점에서 상기 점프 방향(S)에 가능한한 근접하게 매칭된다. 각 방향에 대한 이상적인 경우(도 2에 따른)를 달성하기 위해, 천공 프로그램의 채택이 매우 복잡하고/비용이 많이 소요되기 때문에, 소정수의 천공 프로그램이 고정적으로 설정되고, 점프 방향에 따라서, 그때마다 점프 방향과 횡단 방향 사이의 최소 편차를 가지는 프로그램이 선택된다. 본원에 개시된 예에서, 각각 45°만큼 오프셋된 횡단 방향(V1 내지 V8)을 갖는 8개의 프로그램이 미리 설정되며, 각각의 횡단 방향은 입사 점프 방향에 대한 각도 범위가 할당된다. 점프 방향과 횡단 방향의 이러한 미리 설정된 8개의 조합이 도 4 내지 도 11에 도시된다. 상기 8개의 미리 프로그래밍된 횡단 방향(V1 내지 V8)은 각각 각도 범위(W1 내지 W8)에 연결되어, 점프 방향(S1 내지 S8)이 들어가는 상기 각도 범위(W1 내지 W8)에 따라, 연관된 천공 프로그램이 횡단 방향(V1 내지 V8)으로 자동적으로 초기화됨으로써, 중심에서 점프 방향과 횡단 방향간의 22.5°의 최대 각도 변화를 야기한다. 홀 중심으로부터의 방향은 각각의 경우에 있어 대향하고 있는 입사 각도 범위의 이등분으로 주어진다. 만약, 이러한 각도 범위가 45°이면, 각 범위 당 최대 각도 변화는 최대 22.5°이다(도 4 참조).

기판 또는 회로 기판 상에 천공될 홀의 가공 순서 및 위치가 일반적으로 공지되어 있기 때문에, 프로세서 전력이 부족하여 발생되는 시간 손실이 없도록 관련 천공 프로그램이 천공될 각각의 홀을 위해 미리 설정될 수 있다. 추가로, 고정적으로 정해지는 횡단 방향의 개수는 전술된 예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 개수의 미리 설정된 횡단 방향 및 관련 천공 프로그램이 제공될 수 있으며, 또는 이상적으로는 상기 방향이 온라인으로 고려될 수 있다.

Claims (5)

1. 레이저 빔을 이용하여, 기판, 특히 전기 회로 기판(10)에 홀을 천공하는 방법으로서, 상기 레이저 빔은 천공될 홀의 직경보다 작은 빔 스폿 직경(F1)으로, 적어도 하나의 원형 궤도(K)를 따라 이동되는 방법에 있어서,

   레이저 빔(4)을 신규 천공될 홀(14, 15)의 쪽으로 배향할 때, 빔 축선은 먼저, 상기 빔 축선의 개시 위치(A)에 의해 설정되는 점프 방향(S)으로, 상기 천공될 홀의 중심점(M) 쪽으로 이동시키며, 그리고 나서 중단되지 않고, 상기 정해진 중심점을 출발하여, 정해진 반경 방향으로의 횡단 이동(V)으로부터 정해진 원형 궤도(K) 쪽으로 이동하는 것이며,

   상기 중심점(M)에 관하여 360°를 등분(等分)한 각도 범위(W)를 설정하고,

   각각의 각도 범위(W)의 각도를 반분(半分)으로 하는 방향이며 또한 대향하는 방향으로 각각의 상기 횡단 이동(V)의 각도 방향을 설정하고,

   상기 점프 방향(S)이 어떠한 각도 범위(W)에 들어가는지에 따라서 대응하는 횡단 이동(V)의 각도 방향을 선정하는 것을 특징으로 하는,

   기판에 홀을 천공하는 방법.
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