KR101372437B1 - 단펄스, 고체 상태 ｕｖ 레이저를 이용한 마이크로 기계 가공 - Google Patents

단펄스, 고체 상태 ｕｖ 레이저를 이용한 마이크로 기계 가공 Download PDF

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글렌 시멘슨
히사시 마츠모또
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Abstract

일부 실시예에서, 400 마이크론 보다 더 짧은 파장을 갖고, 1,000 피코초 보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 적어도 하나의 레이저 펄스(32)를 포함하는 레이저 출력은 비아의 바닥 표면 또는 솔더 패드의 표면을 크리닝하기 위해 사용된 펄스의 개수(SN)가 프로세스 처리량을 증가시키는 것을 허용한다. 증폭 모듈(16)과 협동하여 발진기 모듈(12)이 사용되어 레이저 출력을 발생시킬 수 있다.
솔더, 비아, 기판, 마이크로 기계 가공, 드릴링, 레이저

Description

단펄스, 고체 상태 ＵＶ 레이저를 이용한 마이크로 기계 가공{MICROMACHINING WITH SHORT-PULSED, SOLID-STATE UV LASER}
본 발명은 레이저 마이크로 기계 가공에 관한 것으로서, 특히 단펄스 레이저를 이용한 레이저 마이크로 기계 가공 응용에 관한 것이다.
Q-스위칭된 고체 상태 레이저는 잘 알려져 있으며, 많은 레이저 마이크로 기계 가공 응용에 대하여 성공적으로 예시해오고 있다. 그러나, 이 레이저의 파장(근 적외선으로부터 강한 자외선까지의 범위), 펄스폭, 펄스 에너지, 및 펄스 반복율을 포함하여, Q-스위칭된 레이저를 위한 마이크로 기계 가공 파라메터는 여전히 세척(cleanness), 측벽 테이퍼, 구형, 및 반복능력과 같은 처리량 및 가공 품질에 대하여 층으로된 유기, 무기, 및 금속성 마이크로일렉트로닉 물질 구성 중 어떤 종류에는 완전하지 않다.
인쇄 배선 기판(PWB: Printed Wiring Board) 산업에서 주로 사용되는 이러한 종류의 물질은 전도성 금속층, 일반적으로 구리층 사이에 샌드위치된 하나 이상의 유기 폴리머 수지로 채워진 유리 섬유(glass cloth)를 포함한다. 이 물질 구성은 "FR4" 또는 "BT"로 알려져 있다.
고성능 집적 회로를 위한 팩키징 물질로서 흔히 사용되는 다른 종류는 불화성, "그린" 세라믹 물질을 포함한다. 이들 세라믹 기판은 산화 알루미늄(Al2O3) 또는 질화 알루미늄(AlN)과 같은 공통 세라믹 분말의 고압 압축에 의해 형성된다. 마이크론 또는 마이크론 이하 크기의 입자는 가령 비아 드릴링과 같은 가공 동작에 충분한 기계적 무결성을 제공하는 유기성 "바인더"와 함께 유지된다. 이후, 그린 물질은 고온에서 연소되어, 이는 이 바인더를 날려버리고 마이크로 입자를 대단히 강하고, 내구적인, 고온 기판으로 함께 융합 또는 소결한다(sintering).
Owen 등의 미국특허번호 제5,593,606호 및 제5,841,099호는 FR4를 포함하여, 다중층 디바이스에서 적어도 2개 타입의 층을 통하여 쓰루홀(through-hole) 또는 블라인드 비아(blind via)를 형성하기 위해 유리한 파라메터 내에서 레이저 출력 펄스를 생성하기 위해 Q-스위칭된 UV 레이저 시스템을 사용하기 위한 기술 및 이점을 기술한다. 이들 특허는 이들 디바이스, 이들을 가공하기 위한 파라메터 및 레이저를 논의한다. 이들 파라메터는 일반적으로 100 나노초(ns) 보다 짧은 시간적 펄스폭, 100 마이크론(㎛) 미만의 스폿 직경을 갖는 스폿 에리어, 및 200 헤르쯔(Hz)보다 큰 반복 속도로 스폿 에리어에 걸려 100 밀리와트(mW) 보다 큰 평균 세기 또는 방사도를 갖는 논엑시머(nonexcimer) 출력 펄스를 포함한다.
Dunsky 등의 미국특허번호 제6,784,399호는 스파이크 및 테일(tail)이 벌크 비아 물질의 이종의 증발 온도 또는 녹는점을 다루도록 제어될 수 있는 레이저 펄 스의 버스트(burst of laser pulse)를 생성하기 위해 Q-스위칭된 이산화탄소 레이저 사용을 공개한다.
Mourou 등의 미국특허번호 제5,656,186호는 일반적으로 10 피코초(ps) 보다 더 짧은 고반복 속도 초고속 레이저 펄스에 의한 수개 파장에서의 레이저 유도 브레이크다운 및 애블레이션(ablation)의 일반적 방법을 공개하고, 회절 제한된 스폿 사이즈 보다 작은 기계 가공된 특징의 생성을 예시한다.
Rieger 등의 미국특허번호 제5,742,634호는 다이오드 펌핑을 이용하여 동시 Q-스위칭되고 모드-락된(mode-locked) 네오디뮴 레이저 디바이스를 공개한다. 이 레이저는 일련의 펄스를 방출하는데, 각각의 펄스는 100ns 시간 지속기간 하에서, 60 - 300ps 시간 지속기간을 갖는다.
Sun 등의 미국특허번호 제6,574,250호는 적어도 2개 레이저 펄스를 이용하여 동작중에 링크를 처리하는 방법을 최초로 개시한다. 일실시예는 25 피코초(ps) 보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 펄스를 사용한다.
Kafka 등의 미국특허번호 제6,734,387호는 폴리머막 내에 선을 넣거나 또는 새기기 위해 모드-락된(mode-locked) 의사 연속파(cw) 레이저 시스템으로부터 출력된 UV 피코초 레이저의 사용을 공개한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 마이크로일렉트로닉 제조 물질의 레이저 마이크로 기계 가공을 위한 처리량을 증가시키는 레이저 및/또는 방법을 제공하는 것이다.
일부 바람직한 실시예는 피코초 펄스폭 고체상태 UV 레이저를 이용하여, 금속판 피복(metal cladding)을 갈거나 또는 이 금속판 피복 없이, 균일 막, 미립물질 충진 수지, 폴리이미드(polyimides), 섬유 강화 폴리머와 같은 전자 물질의 비아 드릴링 및/또는 애블레이션에 관한 것이다.
일부 바람직한 실시예는 그린 세라믹의 가공, 솔더 패드 크리닝, 또는 감광 물질 제거에 관한 것이다.
일부 예시적인 실시예에서, 밑바닦 패드를 크리닝하기 위해 사용된 펄스의 개수는 상당히 감소되고, 가장 바람직한 경우에서 단지 하나만의 펄스가 크리닝을 위해 사용된다.
일부 실시예에서, 레이저 출력은 증폭 모듈과 협동하여 발진기 모듈에 의해 발생된다. 일부 바람직한 실시예에서, 발진기 모듈은 다이오드-펌핑된 고체 상태(DPSS: Diode-Pumped, Solid-State) 마스터 발진기를 포함한다. 일부 바람직한 실시예에서, 발진기 모듈은 피코초 펄스를 방출하는 펄스된 반도체 레이저를 포함한다. 일부 실시예에서, 발진기 모듈은 펄스된 섬유 마스터 발진기를 포함한다. 일부 바람직한 실시예에서, 펄스된 섬유 마스터 발진기는 반도체 포화가능-흡수 미러(SESAM: SEmiconductor Saturable-Absorbing Mirror)을 사용하는 다이오드-펌핑된, 희토류 도핑된(rare-earth-doped) 유리 섬유 마스터 발진기를 포함한다. 일부 실시예에서, 유리 섬유 마스터 발진기는 희토류원소 도핑된, 융합 실리카 섬유를 포함한다. 이 희토류 도펀트는 바람직하게는 Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm, 또는 Cr를 포함한다.
일부 바람직한 실시예에서, 증폭 모듈은 단일 패쓰, 다중 패쓰, 또는 재생식 DPSS 증폭기를 포함한다. 일부 실시예에서, 증폭 모듈은 Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:유리, 또는 Nd:YAG 이득 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 증폭 모듈은 희토류로 도핑된 유리 섬유 파워 증폭기를 포함한다. 일부 실시예에서, 희토류 도핑된 유리 섬유 파워 증폭기는 희토류 도핑된 융합 실리카 섬유 파워 증폭기를 포함한다. 이 희토류 도펀트는 바람직하게는 Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm, 및 Cr으로부터 선택된다.
일부 예시적인 실시예에서, 1,000 ps보다 더 짧은 하나 이상의 펄스를 갖는 이미징된 UV 레이저 출력이 사용되어 패드-크리닝 프로세스를 수행한다.
일부 실시예에서, 레이저 출력은 증폭 모듈로부터 방출된 펄스열(pulse train)으로부터 선택된 복수의 독립적으로 트리거된 펄스 또는 펄스의 버스트를 포함한다.
본 발명의 추가 목적 및 이점은 이의 바람직한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이며, 이 설명은 첨부된 도면을 참조하여 진행된다.
도 1은 예시적인 비아 드릴링을 위한 애블레이션 깊이 대 펄스 개수의 그래픽 표현을 보여주는 도면.
도 2는 파라메터(L)의 상이한 값을 위한 δN 대 F/
Figure 112008080415774-pct00001
의 그래픽 표현을 보여주는 도면.
도 3a 및 도 3b는 각 작고 큰 열영향을 받은 존을 나타내는 직물 강화 수지로 드릴링된 비아의 단면도를 보여주는 광학적 현미경 사진.
도 4a 및 도 4b는 솔더 마스크를 제거하기 위해 사용된 레이저 빔과 대략 동일한 크기인 패드로부터 솔더 마스크를 제거하기 위한 프로세스의 결과를 보여주는 광학적 현미경 사진.
도 5는 기판 상에 지지되는 낮은-k 유전성 물질을 처리하기 위한 예시적인 레이저 시스템의 간략화된 개략도.
도 6은 예시적인 빔-위치지정 시스템의 일부 콤포넌트를 보여주는 도 5의 레이저 시스템의 간략화된 부분적으로 그림이고 부분적으로 개략도인 도면.
도 7은 예시적인 레이저 시스템에서 사용될 수 있는 선택적 이미징된 광학계 모듈의 간략화된 도면.
바람직한 실시예는 금속판 피복(metal cladding)을 가지고, 또는 이를 가지지 않고서도 균일 막, 미립물질 충진 수지, 폴리이미드(polyimides), 또는 섬유 강화 폴리머와 같은 전자 회로 물질의 비아 드릴링 및 애블레이션을 수행하기 위한 고체 상태 UV 레이저의 사용을 수반한다. Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc.,(일본, 가와사끼)에 의해 제조된 아지노모토 빌드업 막(ABF(등록상표)) 회로기판 유전성 물질은 비아 드릴링 동작이 수행될 수 있는 타깃 물질을 대표한다. 일부 예시적인 작업물은 ABF(등록상표)SH-9K, ABF(등록상표)GX-3, ABF(등록상표)GX-13, 또는 다른 회사에 의해 제조된 유사 제품을 포함하지만, 그러나 다른 비아 드릴링 타깃 물질(고밀도 인쇄 배선 기판 및 집적 회로 칩 팩키지에서 사용된 것과 같은 다중층, 박판 기판을 포함하나, 이에 한정되지 않음)이 또한 여기에 기술된 예시적인 실시예에 따른 처리에 적합하다.
비아 드릴링을 위해 의도된 작업물은 일반적으로는 이 작업물의 상측 또는 바닥 표면상에 위치될 수 있는 전도성 피복층(cladding layer)을 포함한다. 이들 층은 예를 들면, 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 은, 티타늄, 텅스텐, 질화 금속, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 종래 금속층은 5과 36㎛ 사이의 두께에서 다양하지만(여기서, 금속의 7.8 x 10-3kg은 약 9㎛의 두께와 같다), 그러나 더 얇을 수 있거나, 또는 72㎛와 같은 두께가 될 수 있다. 상단 및 바닥 전도층은 일반적으로는 동일한 물질로 만들어진다.
전도층 사이에 위치된 유전성 매트릭스 또는 층은 벤조시클로부탄(BCB), 비스말레이미드 트리아진(BT:Bismaleimide Triazine), 카드보드, 시안산염 에스테르, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에트라플루오르에틸렌(PTFE: PolyTetraFluorEthylene), 다양한 폴리머 합금, 또는 이들의 조합과 같은 표준 유기 유전성 물질을 포함할 수 있다. 종래의 유기 유전층은 두께에서 상당히 다양하지만, 일반적으로는 전도층보다 훨씬 두껍다. 이 유기 유전층을 위한 예시적인 두께 범위는 약 30 내지 400㎛이다.
유전층은 섬유 매트(fiber matte), 또는 예를 들면 아라미드 섬유, 세라믹의 분산 입자, 또는 이 유기 유전층 전체에 짜여지거나 또는 분산된 유리가 될 수 있고, 거의 같은 그 두께를 포함할 수 있는 표준 강화 성분을 또한 포함할 수도 있다. 종래 강화 성분은 일반적으로는 약 1 내지 10㎛의 개별 필라민트 또는 입자, 및/또는 10㎛ 내지 수백 마이크론의 직물 번들이다. 당업자라면 이 강화 성분이 분말로 유기 유전체로 도입될 수 있고 비연속(noncontiguous)이고 비균일(nonuniform)할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 합성 또는 강화 유전층은 일반적으로는 비강화된 층을 애블레션할(ablate) 필요가 있는 더 높은 플루언스(fluence)에서 레이저 처리를 요구하지만, 그러나 일부 입자 충진 수지는 비강화층과 유사한 플루언스에서 처리될 수 있다.
일부 예시적인 실시예는 블라인드 비아 드릴링, 특히 균일 또는 충진된 수지에서 블라인드 비아 드릴링에 속한다. 이러한 블라인드 비아 드릴링은 보통 펀칭 프로세스로 이루어지며, 여기서 연속적인 레이저 펄스는 바닥 구리층이 노출되도록 원하는 깊이가 달성될 때까지 작업물상의 단일 타깃 위치로 향하게 된다.
블라인드 비아 드릴링 및 유사한 레이저 가공 처리에서, 적정한 비아를 형성하기 위해 사용된 펄스의 총 개수(N)는 벌크 물질 제거를 위한 벌크 제거 펄스의 벌크 개수(No), 및 비아의 바닥 (금속) 표면 또는 패드를 크리닝하기 위해 사용된 크리닝 펄스의 바닥 표면 크리닝 개수(δN)를 포함한다. 바닥 금속 패드를 크리닝하기 위한 펄스의 개수는 만일 레이저 펄스폭이 수십의 나노초만큼 길다면 이 블라 인드 비아를 드릴링하기 위해 요구된 펄스의 총개수 중 상당 부분을 취할 수 있다. 벌크 물질 제거 및 바닥 크리닝은 다른 레이저/물질 상호작용 메커니즘을 수반한다. 따라서, 비아 드릴링 시간을 감소시키기 위한 한 가지 효율적인 방식은 여하튼 벌크 물질 제거 프로세스에 악영향을 미치지 않으면서 레이저 파라메터를 조정함으로써 바닥 금속 패드 크리닝을 위해 사용된 펄스의 바닥 표면 크리닝 개수(8N)를 검소시키는 것이다.
도 1은 펄스의 총개수(N)가 벌크 제거 펄스의 벌크 개수(No)와 크리닝 펄스의 바닥 표면 크리닝 개수(δN)로 분할되도록 이미지된 UV빔을 사용하여 예시적인 비아 드릴링 펀칭 프로세스를 위한 애블레이션 깊이 대 펄스의 개수에 대한 그래픽적 표현이다. 도 1은 사용중인 응용 및 고체 상태 UV 레이저 소스에 의존하면서, 바닥 패드 크리닝을 위한 펄스의 크리닝 개수(δN)가 δN1, δN2, δN3 등과 상당히 다를 수 있다는 것을 도시한다. 일부 응용의 경우, δN 대 No의 비율은 1보다 클 수 있는데, 이는 더 많은 시간이 벌크 물질 제거를 위해서 보다 바닥 패드를 크리닝하는데 소모되는 것을 의미한다. 따라서, 비아 당 총 드릴링 시간을 감소시키기 위해 δN를 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 불필요한 열적 손상을 피하기 위해 패드 내로 들어간 에너지 양을 감소시키기 위해 8N을 감소시키는 것이 바람직하다.
비아 드릴링 프로세스를 제어하는 종래 방법은 주어진 프로세스를 위한 펄스 에너지를 제어하는 것을 수반한다. 주어진 프로세스를 수행할 때 사용을 위한 펄스 에너지(Ep)는 이 프로세스를 위해 원해지는 플루언스(F)에 의해 결정된다. 단위가 J/cm2인 플루언스는 다음식으로서 계산된다.
Figure 112008080415774-pct00002
여기서 Ep는 J단위의 펄스 에너지이고, D는 cm 단위의 빔 스폿 직경이다. 출원인은 상이한 펄스폭을 가지는 레이저로 동일한 플루언스 레벨에서 동일한 물질을 드릴링하는 것은 결국 타깃 시료의 바닥 구리 피복층에 대하여 상이한 품질이 됨을 발견하였다. 출원인은 블라이드 비아를 위한 바닥 구리 피복 품질을 예측하기 위한 더 적당한 파라메터가 다음과 같음을 결정하였다.
Figure 112008080415774-pct00003
여기서, F는 J/cm2 단위의 펄스 플루언스이고, τ는 나노초에서의 레이저 펄스폭이다.
전술의 관점으로, 출원인은 파라메터 L에 의존하는 패드 피복을 위해 사용된 펄스의 개수를 양으로 표시하기 위한 모델을 개발하였으며, 이 L 파라메터는 레이저 펄스 반복 속도(f) 및 레이저 펄스폭(τ)의 함수이다. δN, F/
Figure 112008080415774-pct00004
, 및 L 사이의 일부 관계는 다음식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008080415774-pct00005
Figure 112008080415774-pct00006
여기서, C1 및 C2는 금속 (패드) 성질(가령 광학, 열적, 및/또는 기계적 성질)과 관련된 계수이고, 여기서 Tm 및 To은 금속 패드의 녹는 온도 및 초기 온도이다.
도 2는 이미징된 UV 빔을 이용하여 예시적인 비아 드릴링 펀칭 프로세스를 위한 파라메터 L의 상이한 값을 위한 δN 대 F/
Figure 112008080415774-pct00007
의 그래픽적 표현이다. 도 2는 항 F/
Figure 112008080415774-pct00008
가 충분히 큰 경우, δN가 1로 최소화될 수 있음을 보여준다.
전술한 공개에 기초하여, δN는 상이한 레이저 파라메터를 위해 예측될 수 있다. 예를 들면, 58㎛의 빔직경을 가지는 비아를 드릴링하기 위해 50 킬로헤르쯔(kHz)의 작업 표면(work surface)에서 1.35 와트의 이용가능한 레이저 파워를 가지는 고체 상태 UV 레이저는 1.02J/cm2의 작업 표면에서의 플루언스를 제공한다. τ = 75ns와 같은 나노초 펄스폭에서, F/
Figure 112008080415774-pct00009
=0.12J/cm2ns-1/2이고 L=0.030647이면, δN=20이다. 그러나, τ = 10ps와 같은 피코초 펄스폭에서, F/
Figure 112008080415774-pct00010
=10.22J/cm2ns-1/2이고 L=0.000354이면, 이 조건에서, δN=1임을 거의 확신할 수 있다.
이들 예시는 피코초 펄스폭의 고체 상태 UV 레이저를 사용함으로써 획득될 수 있는 비아 드릴링 프로세스에서 개선된 효율성을 예시한다. 피코초 펄스폭 기간(1ps로부터 1,000ps까지)에서 레이저 출력을 가지는 고체 상태 UV 레이저는 벌크 물질의 계면 및 비아의 타깃 패드 물질에서 더 가파른 온도 경사를 생성함으로써 그 예시적인 δN=1 처리를 허용할 수 있게 되므로, 이는 결국 타깃 패드 상의 마지막 남은 물질의 더 효율적인 크리닝이 된다. 타깃 패드로 입력된 더 낮은 에너지는 작은 격리된 타깃 패드를 위한 열적 손상의 기회를 감소시키며, 격리된 타깃 패드는 직접적으로 회로 트레이스(circuit trace)에 가해지지 않으며, 따라서 회로 트레이스를 통하여 초과 에너지를 소모하지 않을 수 있다. 일부 바람직한 실시예가 1,000ps 보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 UV 레이저 펄스를 사용하는 반면에, 일부 실시예는 500ps 보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 UV 레이저 펄스를 사용하고, 일부 실시예는 100ps 보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 UV 레이저 펄스를 사용한다. 1ps 보다 더 짧고 특히 10-15초 기간에 있는 펄스폭도 또한 사용될 수 있다.
위에 제시된 벌크 물질 제거 및 패드 크리닝 실시예에 더하여, 특히 흥미로운 또 다른 프로세스가 FR4 및 BT 수지에서의 비아 드릴링, 즉 블라인드 비아 또는 쓰루홀 드릴링이다. FR4는 여러 이유때문에 레이저 가공하기 어려울 수 있다. 먼 저, 이 물질은 특히 녹는 온도 및 증발 온도와 같은 레이저 애벌레이션 특성을 지배하는 성질에 대해, 매우 이종적이다. 특히, 짜여진(woven) 유리 강화 및 폴리머 수지 매트릭스의 증발 온도는 대단히 다르다. 순수한 산화 실리콘은 각 1,970 켈빈온도(K) 및 2,503K의 녹는 온도와 증발 온도를 갖는데, 반면에 에폭시와 같은 일반적인 유기 수지는 약 500 내지 700K의 훨씬 낮은 온도에서 증발된다. 이러한 불일치는 개별 유리 섬유를 둘러싸거나 또는 섬유 번들에 바로 근접한 영역에서 수지의 너무 많은 것의 애블레이션(ablation)을 피하면서 유리 성분을 레이저 애블레이션하는(ablate) 것을 어렵게 한다.
대부분의 FR4 유리 옷감은 또한 개별 유리 필라멘트의 번들 또는 "얀(yarn)"으로부터 짜여질 수 있다. 필라멘트는 일반적으로 4 내지 7㎛의 직경이고, 얀은 약 50㎛으로부터 수백 마이크론까지의 직경 범위를 갖는다. 이 얀은 일반적으로는 오픈-위브(open-weave) 패턴으로 짜여지는데, 이는 결국 얀이 서로를 교차하고, 근접한 번들 사이에서와 같은 낮은 또는 영의 유리 밀도의 영역을 초래한다. 비아의 위치는 선험적으로 위브 패턴에 대하여 선택될 수 없기 때문에, 바람직한 비아의 위치는 유리 밀도에 따라 변동할 것이다. 따라서, 기판의 높은 및 낮은 유리 밀도 영역 둘 다에서 동일하게 잘 동작하는 레이저 마이크로 기계 가공 프로세스 파라메터가 바람직하다. 고밀도 영역에서 모든 유리를 깨끗하게 증발하기 위해 충분히 "공격적(aggressive)"이고 동시에 너무 많은 수지를 오버 에칭 또는 제거하는 것을 피하거나, 또는 낮은 밀도 영역에서 과도한 패드 손상의 야기를 피하도록 충분히 "온화(mild)"한 프로세스 상황은 대부분의 종래 레이저 처리로 달성하기 어려웠다.
짜여진 강화 수지에서 비아 드릴링의 경우, 피코초 펄스폭 고체 상태 UV 레이저는 더 작은 열영향을 받은 존으로 이 물질을 처리할 수 있고, 결국 더 좋은 측벽 품질을 갖는 비아가 될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 각 작고 큰 열영향을 받은 존을 보여주는 짜여진 강화 수지에서 드릴링된 쓰루홀 비아의 단면도를 보여준다. 피코초 펄스폭 파라메터로 드릴링된 비아는 도 3a에 도시된 것과 유사한 더 작은 열영향을 받은 존을 보여줄 수 있으며, 비아의 측벽상의 더 적은 섬유 돌출부를 가질 수 있다. 이 품질은 이 피코초 펄스폭 기간에 이 물질에서 블라인드 비아 및 쓰루홀 둘 다를 드릴링하는 경우 기대될 것이다. 도 3b에 보여진 증가된 섬유 돌출부는 십 나노초 펄스폭 기간을 사용하는 파라메터에 의해 생성될 수 있는 것과 같은 열영향을 받은 큰 존의 결과일 수 있다.
짜여진 강화 섬유 블라인드 비아 및 쓰루홀 비아 드릴링의 경우, 피코초 펄스폭 고체상태 UV 레이저 프로세스는 비아의 측벽으로 열의 열적 확산을 감소시켜 결국 개선된 비아 측벽 품질이 될 수 있다. 유사하게는, 상단 금속층에 대해 물질을 관통하여 비아 드릴링하는 경우, 피코초 펄스폭 고체 상태 UV 레이저는 금속층으로의 열의 열적 확산을 감소시켜, 결국 이 금속층, 특히 얇은 금속층에 대한 더 좋은 품질 커팅 및 열적 손실의 더 적은 기회가 될 수 있다.
비록 일부 실시예 및 예시가 비아 드릴링에 대한 것일 지라도, 기술들이 또한 그린 세라믹의 가공, 솔더 패드 크리닝, 또는 감광 물질의 제거와 같은 물질 제거의 다른 응용에 적용가능하다.
레이저 가공 그린 세라믹은 FR4를 처리하기 위한 것과 유사한 관심을 취하는 데, 왜냐하면 유기 바인더 및 세라믹 마이크로입자의 열적 성질차 때문이다. 바인더의 증발온도(다시, 약 500K) 및 세라믹의 증발 온도(Al2O3의 경우 3,800K) 사이에서의 불일치는 물질이 레이저 드릴링 동안 제거된 방식에 영향을 미친다. 세라믹이 높은 증발 온도를 가지기 때문에, 마이크로입자의 증발 또는 직접 용해(Al2O3의 경우 2,340K에서)를 통하여 그린 세라믹을 제거하는 것이 상당히 어렵다.
대신에 바람직한 레이저 마이크로 기계 가공 프로세스는 이 마이크로입자를 결합시키고 있는 바인더 물질의 폭발성 증발에 의존한다. 레이저 펄스에 노출된 경우, 바인더는 세라믹보다 훨씬 더 쉽게 증발하며, 유기 증기는 대단히 높은 가열 속도로 고온에 도달하게 되는데, 이는 마이크로입자 사이의 공간에서 국소화된 고압력 가스 영역을 생성한다. 이후, 고압 가스는 급속히 팽창하여, 그린 세라믹 물질을 분해하게 된다. 따라서, 그린 세라믹 물질은 각 레이저 펄스를 갖는 그 고체상태 동안, 그 직접적인 증발에 의해 획득될 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 제거 속도로 제거될 수 있을 것이다.
바인더의 폭발성 증발에 의한 물질 제거는 그린 세라믹을 레이저 마이크로 기계 가공함에 있어 유리할 수도 또는 불리할 수도 있다. 만일 유기 증기압이 너무 넓은 영역에 걸쳐 너무 높거나 또는 확산되었다면, 칩핑(chipping) 또는 마크로그랙킹(microcracking)과 같은 바람직하지 않은 효과가 발생할 수 있다. 만일 고압 영역이 너무 국소화되거나 또는 충분히 뜨겁지 않으면, 불량한 물질-제거 속도가 결과적으로 생성될 것이다. 이 피코초 펄스폭 고체 상태 UV 레이저 프로세스는 비 아의 측벽으로의 열의 열적 확산을 감소시켜, 결국 그린 세라믹 물질에서의 개선된 비아 측벽 품질이 될 수 있을 것이다.
블라인드 비아 드릴링 및 보호 폴리머 커버의 애블레이션 둘 다에 관한 실시예에 다시 참조하면, 또 다른 중요한 관심사는 만일 패드가 너무 많은 레이저 에너지를 흡수하면 격리된 패드가 리프팅될 수 있다는 점이며, 이는 이 프로세스와 이렇게 형성된 비아를 부적당한 것으로 만든다(disqualify). 종래의 프로세스는 이러한 패드 리프팅 효과(lifting effect)를 받기 쉬운데, 왜냐하면 특징의 크기가 애블레이션을 하는 빔의 크기에 관련하여 감소되기 때문이다. 드릴링된 비아 직경보다 2배 더 작은 직경을 갖고, 일반적으로 약 18㎛ 미만의 두께를 갖는 패드와 같은 이러한 더 작은 특징의 경우, 패드로 들어가는 에너지를 최소화시키기 위해 벌크 물질이 제거된 이후, 패드-크리닝 펄스의 개수(δN)를 감소시키는 것이 특히 바람직하다. 이러한 패드 리프팅 효과는 특징 크기가 장래에 계속 줄어드므로, 훨씬 더 큰 관심사가 될 것으로 기대된다.
도 4a 및 도 4b는 솔더 마스크를 제거하기 위해 사용된 레이저 빔과 대략 동일한 크기인 패드로부터 솔더 마스크를 제거하기 위한 프로세스의 결과를 보여주는 광학 현미경 사진이다. 솔더 마스크는 일반적으로 정렬 제약(alignment constraint)을 겪거나 또는 화학적 에칭 프로세스를 겪을 수 있는 시간 소모적 리쏘그래픽 프로세스를 통하여 제거되며, 일반적 고체 상태 레이저 기술로 프로세스하기 어려울 수 있다. 2가지 타입의 솔더 마스크 물질, 즉 액체 포토 이미지화가 가능한 솔더 마스크(LPISM: Liquid PhotoImageable Solder Mask) 및 건성 막 솔더 마스크(DFSM: Dry Film Solder Mask)가 있다. 일반적인 이용가능한 액체 포토 이미지화가 가능한 솔더 마스크(LPISM)는 Coats ImageCure XV501T & XV501TSM, Coates ImageFlex(유연성 솔더 마스크) SV 601T, Enthone DSR 3241 및 DSR 3241 GM, Rogers Rflex 8080LP1 및 Rflex 8080 LP3(유연함), Taiyo PSR 4000 BN 및 4000 AUS5, Taiyo PSR 9000(유연함), 또는 Vantico Probimer 77 LP1 솔더 마스크를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 일반적인 이용가능한 건성 막 솔더 마스크(DFSM: Dry Film Solder Mask)는 Dupont VACREL 8100, Dupont Flexible Photoimageable Coverlay(PIC) 1000 및 2000, Shipley (Dynachem) DynaMASK 5000, 또는 Shipley ConforMASK 2500을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
도 4a에 도시된 작업물의 패드는 처리 중에 너무 많은 에너지를 받고 패널로부터 층분리된다(delaminated). 도 4b에 도시된 작업물의 패드는 처리로부터 과다한 에너지를 받지않게 되므로, 층분리는 발생하기 않고 결과는 수용가능하다. 피코초 펄스폭 고체 상태 UV 레이저 및 δN = 1 프로세스로 패드에서 더 가파른 온도 기울기를 가지게 됨으로써, 처리 동안 패드에 들어간 에너지양은 감소될 수 있으며, 패드 층분리의 기회가 감소된다.
솔더 마스크 물질의 제거에 덧붙여, UV 피코초 레이저 가공 기술이 사용되어 감광제을 이용하거나 또는 이용하지 않거나 어떤 저항 물질도 제거할 수 있다. 종래의 포토레지스트 물질은 일반적으로는 광에 노출되는 곳에서 용해되는 포지티브 포토레지스트와, 광에 노출되는 곳에서 중합되는(용해되지 않는) 네거티브 포토레지스트를 포함한다. 포토레지스트 물질은 폴리이소프렌 또는 폴리메틸이소프로페닐 케톤과 같은 Novolak(M 크레졸 포름알데히드) 또는 에칭-저항성 폴리 코팅을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 5는 비아 형성 또는 솔더 패드 크리닝을 위한 예시적인 레이저 시스템(10)의 간략화된 개략도이다. 도 5를 참조하면, 레이저 시스템(10)은 바람직하게는 고 평균 파워로 펄스된 피코초 레이저 서브시스템(14)을 사용하는데, 이 서브시스템은 동적 레이저 펄스 생성기 또는 발진기 모듈(12)과, DPSS 파워 증폭기와 같은 증폭 모듈(16)을 포함한다.
동적 레이저 펄스 생성기 또는 발진기 모듈(12)은 바람직하게는 다이오드로 펌핑된 마스터 발진기를 사용하여, 266nm, 351nm, 또는 355nm 또는 다른 종래에 이용가능한 고체상태 또는 섬유 레이저 UV 고조파장과 같은 약 400 나노미터(nm) 보다 더 작은 파장에서, 약 1,000ps 보다 더 짧은, 바람직하게는 500ps보다 더 짧으며, 더 바람직하게는 100ps보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 발진기 출력 펄스를 방출한다. 발진기 출력 펄스는 증폭 모듈(16) 내로 향하게 된다. 증폭 모듈(16)은 단일 패쓰, 다중 패쓰, 또는 반복적 DPSS 증폭기일 수 있다. 대안적으로는, 증폭 모듈(16)은 다이오드 펌핑된 희토류로 도핑된 실리카 섬유 파워 증폭기일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 증폭 모듈(16)은 다이오드 펌핑된 희토류로 도핑된 실리카 광자 결정 섬유 파워 증폭기일 수 있다.
발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은 바람직하게는 이득 물질로서 Nd 도핑된 레이저 매질(lasant)을 사용한다. 선호되는 Nd로 도핑된 레이저 매질은 Nd:GdVO4이 지만, 그러나 대안적인 Nd로 도핑된 레이저 매질은 Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:유리, 및 Nd:YAG를 포함하지만, 그러나 이에 한정되지 않는다. 발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은 동일 또는 다른 도핑 농도를 가지는 동일 또는 다른 레이저 매질을 포함할 수 있다. 발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은 또한 바람직하게는 원하는 파장에서 선호적으로 이득을 생성하기 위해, 주파수-선택 구성요소, 프리즘, 필터, 에탈론(etalon), 및/또는 당업자에게 잘 알려진 구성요소를 사용한다.
예시적인 실시예에서, 음향-광 변조기(AOM:Acoustic-Optic Modulator) 또는 전기-광 변조기(EOM: Electro-Optic Modulator)와 같은 광 변조기(18)가 트리거되어, 단일 펄스, 복수의 독립적으로 트리거된 펄스, 또는 피코초 레이저 서브시스템(14)의 증폭 모듈(16)로부터 방출된 펄스열로부터 선택된 펄스의 버스트를 포함할 수 있는 레이저 출력(20a)을 제공할 수 있다. 레이저 출력(20a)의 레이저 펄스는 고 평균 파워를 갖는다. 이 광 변조기(18)는 당업자에게 알려진 바와 같이, 시스템 제어 컴퓨터(22), 서브시스템 인터페이스 전자회로(24), 및/또는 변조기 제어 서플라이(26)에 의해 직접 또는 간접적으로 트리거될 수 있다. 트리거 타이밍은 만일 바람직하다면, 시스템 제어 컴퓨터(22) 및/또는 서브시스템 인터페이스 전자회로(24)에 의해 직접 또는 간접적으로 레이저 파워 서플라이(28)의 제어와 조화될 수 있다(coordinated). 당업자라면 유용한 AOM 변조 기술이 Johnson의 미국특허번호 제7,019,891호에서 공개되고 많은 실시예에서 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 미국특허번호 제7,019,891호는 참조로 여기에 병합된다.
또 다른 실시예에서, 발진기 모듈(12)은 피코초 펄스를 방출하는 펄스된 반도체 레이저를 포함할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 발진기 모듈(12)은 펄스된 섬유 마스터 발진기를 포함할 수 있다. 예시적인 펄스된 섬유 마스터 발진기는 SESAM을 이용하는, 다이오드 펌핑되고, Nd도핑 또는 Yb도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기일 수 있다. 당업자라면 다른 희토류로 도핑된 섬유가 대안적으로 사용될 수 있고, 다른 모드-락킹 구성요소가 대안적으로 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 증폭 모듈(16)은 다이오드 펌핑되고, Yb 도핑된 실리카 섬유 마스터 증폭기일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 증폭기 모듈(16)은 다이오드 펌핑되고, Nd 도핑된 실리카 섬유 파워 증폭기일 수 있다. 당업자라면 다른 희토류로 도핑된 섬유가 대안적으로 증폭 모듈(16)을 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자라면 편광 유지 구성요소를 병합하는 언덕형(step index profile), 또는 공기 갭형(air gap profile)을 사용하는 섬유가 이용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 6을 참조하면, 광학 경로(20)를 따라 전파되는 레이저 출력(20a)은 선택적으로 다양한 알려진 확산 및/또는 시준 광학계(42)를 통과하고, 빔-위치 지정 시스템(30)에 의해 PWB와 같은 작업물(52)상의 원하는 레이저 타깃 위치(34)에 레이저 시스템 출력 펄스(들)(32)에 영향을 미치도록 조종된다. 예시적인 빔-위치 지정 시스템(30)은 예를 들면 X, Y, 및/또는 Z 위지 지정 미러(44)를 지지하고 동일 또는 다른 작업물(52)상의 타깃 위치(34) 사이에서 신속한 이동을 허용하는 적어도 2 개의 횡단 스테이지(36 및 38)를 이용할 수 있는 병진 이동(translation) 스테이지 포지셔너를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 병진 이동 스테이지 포지셔너는 분할축 시스템이며, 이 경우 일반적으로 선형 모터에 의해 레일(46)을 따라 움직이는 Y 스테이지(36)는 작업물(52)을 지지하고 이동시키며, 일반적으로 선형 모터에 의해 레일(48)을 따라 움직이는 X 스테이지(38)는 고속 포지셔너(50)와 같은 빔-위치 지정 광학계 및 해당 포커싱 렌즈(들) 및/또는 다른 광학계를 지지하고 이동시킨다. X 스테이지(38) 및 Y 스테이지(36) 사이의 Z 치수도 또한 조정가능할 수 있다. 위치 지정 미러(44)는 레이저 서브시스템(14)과 고속 포지셔너(50) 사이에서 임의 회전에 의해 통해 광학 경로(20)를 조정하며, 광학 경로(20)를 따라 위치된다. 고속 포지셔너(50)는 예를 들면, 고분해능(high-resolution) 선형 모터, 하나 이상의 갈바노미터 미러, 고속-조향 미러, 및/또는 제공된 시험 또는 설계 데이터에 기초하여 특유한 또는 반복적인 처리 동작에 영향을 미칠 수 있는 음향-광 조향 기술을 이용할 수 있다. Y 및 X 스테이지(36 및 38)와 고속 포지셔너(50)는 독립적으로 제어 및 움직일 수 있거나, 또는 정해지거(panelized)나 정해지지 않은(unpanelized) 데이터에 응답하여 함께 움직일 수 있도록 조정될 수 있다.
고속 포지셔너(50)는 또한 작업물(52) 표면상의 하나 이상 기준점에 따라 정렬될 수 있는 비전 시스템을 포함하거나 또는 이 시스템에 연관될 수 있다. 빔 위치 지정 시스템(30)은 공유 대물 렌즈를 통하여, 또는 축을 벗어나 별도 카메라로 동작하고, 당업자에게 잘 알려진 종래 비전 또는 빔-투-워크(beam-to-work) 정렬 시스템을 이용할 수 있다. 일실시예에서, 오리곤 포트랜드에 있는 Electro Scientific Industires사에 의해 판매되는 빔-위치 지정 시스템(30) 내에 있는 Freedom Library software를 이용하는 HRVX 비전 박스는 레이저 서브시스템(14)과 작업물(52)상의 타깃 위치(34) 사이에 정렬을 수행하기 위해 사용된다. 다른 적합한 정열 시스템은 상업적으로 이용가능하다. 예시적인 정열 시스템은 특히 랩핑된(lapped) 또는 연마된(polished) 웨이퍼와 같은 거울같이 반사하는 작업물을 위해 브라이트-필드, 축상 조명을 이용할 수 있지만, 그러나 다크-필드 조명 또는 다크-필드 조명과 브라이트-필드 조명의 조합이 이용될 수 있다. 덧붙여, 빔 위치 지정 시스템(30)은 또한 Cutler의 미국특허번호 제6,430,465호에 상세하게 기술된 앱비 에러 정정(Abbe error-correction) 시스템을 이용할 수 있으며, 이에 대한 관련 부분은 참조로 여기에 병합된다.
빔 위치 지정 시스템(30)의 많은 변형예는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 빔 위치 지정 시스템(30)의 일부 실시예는 Cutler 등의 미국특허번호 제5,751,585호에 상세하게 기술되어 있다. 오리곤 포트랜드에 있는 Electro Scientific Industires사로부터 입수가능한 ESI Model 2700 또는 5320 마이크로 기계 가공 시스템은 빔 위치 지정 시스템(30)의 예시적인 구현예이다. 오리곤 포트랜드에 있는 Electro Scientific Industires사에 의해 제조된 모델 시리즈 번호 27xx, 43xx, 44xx 또는 53xx, 55xx, 56xx와 같은 다른 예시적인 위치 지정 시스템이 또한 사용될 수 있다. 당업자라면 고속으로 레이저 시스템 출력 펄스(32)를 동적으로 위치시켜 폭넓은 다양한 유용 비아 드릴링 패턴을 생성하게 되는 툴패쓰 파일을 이용하도록 프로그래 밍될 수 있음을 인식할 것이며, 이는 주기적 또는 비주기적이 될 수 있다. 당업자라면 또한 미국특허번호 제7,019,891호에서 공개된 AOM 빔 조향 기술이 고속 포지셔너(50) 및/또는 빔 위치 지정 시스템(30)과 결합하여 또는 이를 대체하기 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
레이저 출력(20a)은 또한 추가적인 종래 시스템 광학 구성요소를 통하여 조종될 수 있으며, 이 광학 구성요소는 비선형 변환 광학계(56), 선택적 정정 광학계(58), 및/또는 선택적 이미지화된 광학계 모듈(62)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 이는 출력 파워를 제어하기 위해 이용될 수 있고 타깃 또는 작업물 표면에서 수신된 레이저 펄스의 빔 프로파일을 성형하기 위해 이용될 수 있다. 공통 기본 파장을 제 2, 제 3, 제 4, 또는 제 5의 고조파장으로 변환하기 위해 종래의 비선형 변환 광학계(56)를 이용하는 고조파 변환 기술은 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 7을 참조하면, 선택적 이미지화 광학계 모듈(62)은 광학 구성요소(64), 렌즈(66), 및 광학 구성요소(64)에 의해 생성된 빔 웨이스트(beam waist)에 또는 이 빔 웨이스트 근처에 놓여 정확하게 성형된 스폿 프로파일이 후속적으로 작업물 표면상에 이미징되도록 이 빔의 임의 바람직하지 않은 사이드 로브 및 주변부를 차단하도록 하는 개구 마스크(68)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광학 구성요소(64)는 회절 디바이스 또는 렌즈가 되고, 렌즈(66)는 레이저 시스템(10)의 구성에 유연성을 더하도록 하는 시준 렌즈이다.
광학 구성요소(64)의 성질을 매칭하기 위해 개구의 크기를 변동시키는 것은 스폿 프로파일의 에지 샤프니스(edge sharpness)를 제어하여, 정렬 정확도를 향성시켜야 하는 사이즈 지정, 더 샤프한 에지의 세기 프로파일을 생성할 수 있다. 덧붙여, 이러한 배열을 이용하여, 개구의 형상은 정확하게 원형이 될 수 있거나, 또는 커팅 방향에 평행 또는 수직하게 배열될 수 있는 사각형, 타원형, 또는 다른 비원형 형상으로 변경될 수 있다. 개구 마스크(68)는 선택적으로 그 광출구측에서 바깥쪽으로 나팔꽃 모양으로 벌어질 수 있다(flared). UV 레이저 응용의 경우, 이미지화 광학계 모듈(62)에서의 개구 마스크(68)는 바람직하게는 사파이어를 포함한다. 당업자라면 개구 마스크(68)는 광학 구성요소(64) 및 렌즈(66)없이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
대안적인 실시예에서, 광학 구성요소(64)는 로우 가우시안 방사 프로파일(raw Gaussian irradiance profile)을 가지는 레이저 펄스를 광학 구성요소(64)의 아래쪽에 있는 개구 마스크(68)의 부근에 거의 균일한 "톱 햇(top hat)" 프로파일, 또는 특히 슈퍼 가우시안 방사 프로파일을 가지는 성형(및 포커싱된) 펄스로 변환하는 하나 이상의 빔 성형 콤포넌트를 포함한다. 이러한 빔-성형 콤포넌트는 비구면 광학계 또는 회절 광학계를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 렌즈(66)는 빔 사이즈 및 발산을 제어하기에 유용한 이미징 광학계를 포함한다. 당업자라면 단일 이미징 렌즈 콤포넌트 또는 복수의 렌즈 콤포넌트가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자라면 또한 성형된 레이저 출력이 개구 마스크(68)를 사용하지 않고도 이용될 수 있음 이해할 것이고, 이것이 선호된다.
일실시예에서, 빔 성형 콤포넌트는 고 효율성 및 정확도를 가지고 복잡한 빔 성형을 수행할 수 있는 회절 광학 구성요소(DOE: Diffractive Optic Element)를 포함한다. 이 빔-성형 콤포넌트는 가우스 방사 프로파일을 거의 균일한 방사 프로파일로 변환할 뿐만 아니라 결정가능하거나 또는 특정된 스폿 사이즈로 이 형성된 출력을 포커싱할 수 있다. 비록 단일 구성요소 DOE가 선호될지라도, 당업자라면 Dickey 등의 미국특허번호 제5,864,430호에서 공개된 위상판, 및 변환 구성요소와 같은 복수의 별도 구성요소를 포함할 수 있으며, 이 특허는 또한 빔 성형을 목적으로 DOE를 설계하기 위한 기술을 공개한다. 위에 논의된 성형 및 이미징 기술은 미국특허번호 제6,433,301호에 상세하게 기술되어 있고, 이의 해당 부분은 참고로 여기에 병합된다.
레이저 파워 제어 모듈(70)은 변조 방법을 사용하여 레이저 펄스 파워 제어를 달성하도록 이용될 수 있으며, 이 방법은 다이오드 펌프 변조 또는 외부 변조(가령, 외부 레이저 파워 제어기(60)를 이용하며, 이 외부 레이저 파워 제어기는 AOM 또는 EOM 또는 광학 경로(20)를 따라 위치된 모터화된 편광 회전 광학계를 포함하나, 이에 한정되지 않음) 또는 이의 조합을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 덧붙여, 포토다이오드와 같은 하나 이상의 빔-검출기(54)는 레이저 출력(20a)의 파장에 부분적으로 투과되도록 적응된 위치 지정 미러(44)와 정렬되는 것과 같은, 레이저 파워 제어기(60)의 아래쪽에 있을 수 있다. 빔 검출 광학계 및 전자회로는 레이저 파워 제어 모듈(70)과 직접 또는 간접적으로 연관될 수 있고/있거나, 시스템 제어 컴퓨터(22) 및/또는 서브시스템 인터페이스 전자회로(24)와 직접 또는 간접적으로 통신상태에 있고/있거나, 변조된 레이저 출력(20a)을 샘플링하고 이 변조기 및/또는 다른 시스템 광학 구성요소에 대한 정정 신호를 발생시켜 작업물(52)을 처리하기 위해 적절한 파라메터를 가지는 안정한 변조 출력을 생성할 수 있다. 종래 파워 제어 기술은 당업자에게 알려져 있다. 일부 예시적인 AOM 파워 제어 기술이 미국특허번호 제7,019,891호에서 공개된다.
선호되는 사용 펄스 반복 주파수는 50kHz - 10메가헤르쯔(MHz)의 범위이다. 많은 경우에서, 1MHz보다 작은 펄스 반복 주파수가 선호된다. 그러나, 일부 응용은 10MHz - 100MHz의 범위에 있는 펄스 반복 주파수를 사용할 수 있다. 사용된 일반적인 포커싱된 스폿 사이즈는 10 ㎛ - 100 ㎛의 범위이다. 그러나, 일부 응용은 1.5㎛ - 10㎛의 범위에 있는 스폿 사이즈를 이용할 수 있다.
당업자라면 패드 크리닝을 위해 사용된 레이저 파라메터가 또한 벌크 처리를 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 대안적으로는, 패드 크리닝을 위한 레이저 파라메터는 벌크 크리닝을 위해 사용된 것과 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 벌크 제거를 위해 사용된 플루언스는 패드 크리닝을 위한 약 그 값에서 유지되지만, 그러나 패드 크리닝을 위한 펄스폭은 패드 크리닝을 위해 사용된 펄스 개수를 감소시키고 시간양을 증가시키기 위해 변경된다(상당히 감소됨). 다른 레이저 파라메터도 벌크 처리와 패드 크리닝 단계 사이에서 만찬가지로 변경될 수 있다. 이러한 파라메터는 파장, 펄스당 에너지, 반복 속도, 또는 스폿 사이즈를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
더욱이, 당업자라면 Owen 등의 미국특허번호 제5,841,099호 및 Dunsky 등의 미국특허번호 제6,407,363호가 상단(overlying) 금속층을 처리하기 위한 제 1 레이 저 파라메터 세트 및 벌크 재료를 처리하기 위한 제 2 레이저 파라메터 세트를 이용함으로써 블라인드 비아와 쓰루홀 비아의 2 단계, 단일 패쓰 처리를 위한 기술을 공개하고 있음을 회상할 수 있을 것이며, 이들 특허는 참고로 여기에 병합되어 있다. 특히, Owen 등의 미국특허번호 제5,841,099호는 벌크 물질이 효과적으로 상단 금속층보다 더 적은 펄스당 에너지를 받도록 상단 금속층의 처리 이후 반복 속도를 변경(증가시킴) 및/또는 스폿 사이즈를 변경(증가시킴)하는 것을 공개한다.
유사하게, Dunsky 등의 미국특허번호 제6,407,363호는 비아 품질을 향상시키기 위해 비아를 형성하는데 사용된 방사를 제어하기 위해 뿐만 아니라 금속층을 처리하고 이후 벌크 물질을 처리하기 위한 단일 패쓰 2 단계 방법을 제공하기 위해 사용된 포커스 및 스폿 사이즈 변경 기술을 공개한다. 이 기술은 변형 가능한 미러의 사용으로 달성될 수 있지만, 그러나 또한 AOM의 사용으로 달성될 수도 있다.
당업자라면 공개된 기술이 3 단계 비아 드릴링 프로세스를 구현하도록 사용되어 다른 레이저 파라메터가 상단 금속층을 처리하고, 벌크 물질을 제거하고, 패드를 크리닝하기 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 금속층은 제 1 파라메터 세트에서 처리될 수 있고, 반복 속도 및/또는 스폿 사이즈는 금속층이 제거된 이후 변경되어 제 2 파라메터 세트를 제공할 수 있으며, 이후 펄스폭은 감소되어 패드 물질을 크리닝하기 위한 제 3 파라메터 세트를 제공할 수 있다. 추가적으로, 다른 파장이 단계 중 어느 하나를 위해 사용될 수 있다. 이들 변경은 단일 레이저 또는 2개 이상의 레이저에 의해 구현될 수 있다.
당업자라면 하단(underlying) 금속층의 적은양의 제거가 수용가능하고 패드 표면이 완전하게 깨끗함을 보장하는 것이 바람직할 수 있기 때문에, 패드 크리닝 파라메터가 일반적인 플루언스 임계값 한계에 의해 제약될 필요가 없음을 이해할 것이다.
당업자라면, 벌크 물질 제거 및 패드 크리닝 프로세스가 Dunsky 등의 미국특허번호 제6,407,363호에 공개된 바와 같이, 비아 사이즈 또는 패드 사이즈가 스폿 사이즈보다 더 큰 때라면 언제든지 바깥쪽 또는 안쪽으로 스파일러링(spiraling) 또는 동심원 처리 기술 또는 루프 파일 처리 기술의 임의 변형예를 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 유사하게는, 트리패닝(trepanning: 심남겨두고 도려내기) 기술이 사용되어 쓰루홀을 생성할 수 있다. 이들 응용의 경우, 일반적인 바이트 사이즈는 약 1nm - 약 15㎛의 범위일 수 있다. 일반적인 스캐닝 속도는 초당 약 10 - 약 1,000 밀리미터의 범위일 수 있다.
다양한 실시예 및 예에 기술된 바와 같이, 다양한 레이저 마이크로 기계 가공 응용의 경우, 피코초 영역대에 펄스폭을 가지는 펄스를 이용하여 UV 이미지로 성형된 레이저 출력을 이용하기 위한 처리량 및 품질 이익 둘 다가 있다. 특히, 피코초 펄스폭 고체 상태 UV 레이저는 타깃 패드 상에 저항 물질, 또는 솔더 마스크, 물질의 마지막으로 남아있는 층을 크리닝하기 위해 적은 에너지를 요구하는 더 급격한 열적 경사를 생성한다. 타깃 패드로의 유입된 더 낮은 에너지는 결국 작은 격리된 타깃 패드를 위하여 더 효율적인 처리가 되고 열적 손상 기회가 적어진다. 짜여진 강화 수지 내로 또는 관통하는 비아 드릴링의 경우, 이들 레이저 출력 파라메터는 비아의 측벽으로 들어가는 열의 열적 확산을 감소시켜, 측벽 품질이 개선된 다. 상단 금속층을 갖는 물질을 관통하는 비아 드릴링의 경우, 피코초 펄스폭 영역대는 금속층으로 열의 열적 확산을 감소시키게 되므로 결국 더 좋은 커팅 품질 및 금속층, 특히 얇은 금속층에 대한 열적 손상 기회가 더 적어질 수 있다.
많은 변경이 본 발명의 주요 원리를 벗어나지 않고서도 본 발명의 위에 기술된 실시예의 상세한 설명에 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 본 QF명의 범위는 그러므로 다음 청구항에서만 결정되어야 한다.
본 발명은 레이저 마이크로 기계 가공에 이용가능하며, 특히 단펄스 레이저를 이용한 레이저 마이크로 기계 가공 응용에 이용가능하다.

Claims (48)

  1. 바람직한 동작 특성을 가지는 비아를 드릴링하기 위해 사용된 펄스의 총개수를 감소시킴으로써 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법으로서,
    펄스의 상기 총 개수(N)는, 벌크 물질을 제거하여 레이저 제거-벌크 물질 상호작용으로 비아를 형성하도록 사용된 벌크 제거 펄스의 벌크 개수(No) 및 레이저 크리닝-물질 상호작용으로 상기 비아의 바닥 표면을 크리닝하기 위해 사용된 바닥 표면 크리닝 펄스의 바닥 표면 크리닝 개수(δN)를 포함하되, 상기 방법은,
    상기 비아의 바닥 표면을 크리닝하기 위한 펄스폭(τ)을 가지는 적어도 하나의 레이저 펄스와 플루언스(fluence)(F)를 가지는 레이저 출력을 생성하는 단계로서, δN는 F/τ1/2에 대한 관계를 가지고, 따라서 δN/No은 1 이하인, 레이저 출력을 생성하는 단계; 및
    비아의 바닥 표면을 크리닝하기 위해 레이저 출력을 타깃 위치로 향하게 하는 단계
    를 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    δN와 F/τ1/2사이의 관계는 다음식:
    Figure 112012037570425-pct00011
    을 만족하며, 여기서
    Figure 112012037570425-pct00012
    이고, f는 반복 속도이고, To은 비아의 바닥 표면에서 금속의 초기 온도이고, Tm는 비아의 바닥 표면에서 금속의 녹는 온도인, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    δN는 L에 대한 관계를 갖으며, 여기서
    Figure 112008080415774-pct00013
    이고, f는 반복 속도인, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 400 나노미터보다 더 짧은 파장을 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 355 나노미터 또는 351 나노미터의 파장을 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 1,000 피코초보다 더 짧은 펄스폭을 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 500 피코초보다 더 짧은 펄스폭을 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력을 성형하기 위해 빔 성형 광학계를 이용하는 단계를 추가로 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 물질은 균일 막, 미립물질 충진 수지, 폴리이미드(polyimides), 또는 섬유 강화 폴리머를 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 벌크 물질은 금속판 피복(metal cladding)을 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속판 피복의 두께는 18 마이크론 미만인, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 고체 상태 레이저 또는 섬유 레이저에 의해 생성되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 레이저 펀칭 프로세스에서 사용되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 물질은 섬유 강화 폴리머를 포함하고, 상기 비아는 최소 섬유 돌출부를 보이는 측벽을 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 50kHz ~ 1 MHz인 반복 속도(repetition rate)를 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 물질 제거 및 바닥 표면 크리닝은 동일한 플루언스지만, 상이한 펄스폭에서 수행되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    바닥 표면 크리닝은 2 마이크론 두께 미만의 물질을 제거하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  21. 삭제
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 비아 드릴링은 트리패닝(trepanning), 스파이럴링(spiraling), 또는 루핑(looping) 프로세스에 의해 성취되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 타깃 위치에서의 작업물은 상단(overlying) 금속층, 상기 상단 금속층 아래에 놓이는 벌크 물질, 및 상기 벌크 물질 아래에 놓이는 하단 금속층 또는 패드를 포함하며, 이 경우 상단 금속층은 제 1 레이저 파라메터 세트로 제거되고, 상기 벌크 물질은 제 2 레이저 파라메터 세트로 제거되며, 상기 하단 금속층은 제 3 레이저 파라메터로 크리닝되고, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3의 파라메터 세트는 서로 다른, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은, 400 나노미터보다 더 짧은 파장을 갖고 500 피코초보다 더 짧은 펄스폭을 가지는 적어도 하나의 레이저 펄스를 갖고;
    상기 레이저 출력을 성형하는데 빔-성형 광학계가 사용되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  25. 제 1 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 비아는 인쇄 배선 기판에서 드릴링되는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  26. 제 1 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 바닥 표면 물질은 금속을 포함하는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  27. 제 1 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 레이저 출력은 50kHz ~ 10 MHz인 반복 속도를 가지는, 레이저 비아 드릴링 처리량을 증가시키는 방법.
  28. 삭제
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 벌크 물질은 저항 물질을 포함하는, 레이저 비아 드릴링 방법.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
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  35. 삭제
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  37. 삭제
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  48. 삭제
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