KR101425566B1

KR101425566B1 - Pcb용 코어보드의 비아홀 가공방법

Info

Publication number: KR101425566B1
Application number: KR1020130164282A
Authority: KR
Inventors: 조형용
Original assignee: 대원이노베이션 주식회사
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-08-01

Abstract

본 발명은 PCB용 코어보드의 비아홀 가공방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 먼저 PCB의 코어보드(core board)를 산화막 처리 한 후에 레이저 드릴을 이용하여 가이드홀(guide hole)과 블라인드 비아홀(blind via hole)을 연이어 가공함으로써, 기계적 드릴로 가이드홀을 천공하고 산화막을 처리한 후에 레이저 드릴로 비아홀을 가공하는 종래 방법에 비해, 전체적인 공정을 단축시키고 나아가 회로 불량의 발생요인을 사전에 배제시킬 수 있는 새로운 비아홀 가공방법에 관한 것이다.

Description

PCB용 코어보드의 비아홀 가공방법{A process for forming via hole of core board for PCB}

전자 산업의 급속한 발달과 함께 대부분의 전자기기들이 경박단소(輕薄短小)화 및 고기능화 되면서 이들 전자기기에 장착되는 인쇄회로기판(PCB) 역시 점점 고집적화 및 초박막화 되고 있으며, 이러한 추세에 따라 최근에는 마이크로 비아홀(micro-via hole)이나, 빌드 업(build-up) 기법 등의 신기술을 통해 기판의 회로설계 자유도를 증진시키려는 다양한 노력들이 진행되고 있다.

그리고 MLB(multi layer board) PCB의 경우는 전층을 통과하는 스루 비아홀(through via hole)로만 이루어지지만, 빌드 업 PCB의 경우에는 더욱 세밀한 고밀도 배선이 요구되기 때문에 선택적인 층간 도통이 가능한 블라인드 비아홀(blind via hole)이 각광받고 있다.

지금까지 PCB에 비아홀을 형성하는 방법은 기계적 드릴링 공법, 플라즈마 에칭 공법, 포토비아 공법 및 레이저 공법 등이 알려져 있으며, 이러한 기술들은 국내 등록특허 제10-0351923호(등록일자 2002년 08월 26일), 제10-0610234호(등록일자 2006년 08월 01일), 제10-0866440호(등록일자 2008년 10월 27일), 등록특허 제10-1003391호(등록일자 2010년 12월 16일) 등에 소개되어 있다.

이중에서 레이저 공법은 현재 PCB의 블라인드 비아홀을 형성하기 위하여 가장 널리 사용되는 방법으로서 엑시머, Nd : YAG, 및 CO₂ 타입의 레이저 드릴을 이용한 공법 등이 있으며, 통상적으로 150㎛ 이하의 깊이 및 250㎛ 이하의 지름을 갖는 블라인드 비아홀의 가공에 적합하다.

종래에 레이저를 이용한 PCB 비아홀 가공방법을 간략하게 요약해 보면, 먼저 절연수지층에 동박(copper foil)을 라미네이팅하여 동박적층판(copper clad laminate)을 제조하는 단계와, 상기 동박적층판을 소정의 규격으로 재단하여 PCB용 코어보드(cord board)를 제조하는 단계와, 기계적 드릴(mechanical drill)을 이용하여 상기 코어보드에 가이드홀(guide hole)을 천공하는 단계, 상기 코어보드에 산화막을 처리하는 단계, 그리고 레이저 드릴을 이용하여 비아홀을 형성하는 단계로 이루어진다.

이때, 상기 가이드홀은 비아홀을 가공할 때 그 위치를 잡아주는 기준이 되는 동시에 프리프레그(preprege)를 적층할 때 상기 비아홀의 위치가 서로 어긋나지 않도록 정렬해 주는 기능을 한다. 그리고, 상기 산화막은 레이저 가공의 전처리 공정으로서, 주로 브라운 옥사이드(brown oxide)나 블랙 옥사이드(black oxide)를 처리한다.

등록특허 제10-0351923호(등록일자 2002년 08월 26일) 등록특허 제10-0610234호(등록일자 2006년 08월 01일) 등록특허 제10-0674316호(등록일자 2007년 01월 18일) 등록특허 제10-1003391호(등록일자 2010년 12월 16일)

상기와 같은 종래의 비아홀 가공방법에서는 가이드홀을 가공할 때 기계적 드릴링 과정에서 배출되는 버(burr) 또는 칩(chip)으로 인해서, 또한 산화막 처리과정에서 상기 가이드홀의 스케일(scale)에 편차가 발생함으로 인해서 비아홀 가공시 상기 가이드홀을 위치를 인식하는데 상당한 오차가 발생할 수 있고, 이러한 오차는 결국 PCB의 회로 불량을 유발하는 원인이 된다.

또한, 가이드홀은 회로 패턴이 적층되지 않은 영역, 즉 절연층만 적층된 영역에 드릴링하게 되는데, 상기 절연층은 통상 점성이 있는 레진으로 형성되기 때문에 이를 드릴링하는 과정에서 드릴비트가 상당한 스트레스를 받게 된다. 그래서 가이드홀 주변의 레진이 드릴비트에 의해 밖으로 밀리거나 가공 영역이 손상을 입어서 홀의 경계가 정확하게 형성되지 못할 우려가 있고, 이로 인해서 역시 PCB 회로의 불량률이 놓아지는 문제점이 있었다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적 드릴을 이용하여 가이드홀을 천공하는 과정에서 발생하는 여러 가지 불량발생 요인들을 사전에 배제할 수 있고, 나아가 전체적인 공정을 대폭 축소하여 생산성 향상을 도모할 수 있는 새로운 비아홀 가공방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 PCB용 코어보드의 비아홀 가공방법은, A) 동박적층판(copper clad laminate)을 소정의 규격으로 재단하여 빌드업(build-up) PCB용 코어보드(core board)를 제조하는 단계와; B) 상기 코어보드의 양면에 산화막을 처리하는 단계와; C) 상기 코어보드의 네 모서리 부위에 가이드홀(guide hole)의 위치를 결정하고, 레이저 드릴을 이용하여 트레파닝(trepanning) 드릴링 공법으로 각각 가이드홀(guide hole)을 천공하는 단계와; D) 상기 가이드홀을 기준으로 위치를 잡아서 상기 코어보드의 내부에 레이저 드릴로 브라인드 비아홀(blind via hole)을 가공하는 단계; 를 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 C) 단계에서 가이드홀(guide hole)의 위치를 결정하는 방법은, C-1) 레이저 드릴링 머신의 작업 프로그램에 미리 결정된 코어보드의 규격을 입력하고, 상기 A)단계에서 재단한 코어보드를 장착한 다음, 그 이미지를 스캐닝 하여 상기 코어보드의 X축 방향 및 Y축 방향에서 각각 네 모서리 점의 좌표를 인식하는 단계와; C-2) 상기 코어보드의 네 모서리 점에 대하여 각각 X축 방향 좌표와 Y축 방향 좌표의 중간 값을 산출하고, 상기 중간 값에 대응하는 좌표를 서로 대각선 방향으로 연결하여 그 교차점을 상기 코어보드의 중심좌표로 인식하는 단계와; C-3) 상기 C-1) 단계에서 작업 프로그램에 미리 입력시킨 코어보드의 중심좌표와, 상기 C-2) 단계에서 인식한 코어보드의 중심좌표를 일치 시킨 후, 상기 중심좌표에서 네 모서리 방향으로 동일한 거리에 있는 네 좌표를 각각 가이드홀의 중심좌표로 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 먼저 PCB의 코어보드(core board)에 산화막을 처리 한 후에 레이저 드릴을 이용하여 가이드홀과 비아홀을 연이어 가공하기 때문에, 산화막 처리 이전에 기계적 드릴을 이용하여 가이드홀을 천공하던 종래의 가공방법에 비해 전체적인 공정을 단축시킬 수 있고, 공정 도중에 상기 코어보드를 기계적 드릴링 설비에서 레이저 드릴링 설비로 이송해야 하는 번거러움이 없어서 결과적으로 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 공정 도중에 상기 코어보드를 이송하는 과정에서 발생할 수 있는 각종 불량 요인은 물론, 기계적 드릴링 과정에서 배출되는 버(burr) 또는 칩(chip)으로 인한 불량요인이나, 산화막 처리과정에서 발생되는 가이드홀의 스케일 편차로 인한 불량 요인 등을 모두 사전에 배제할 수 있기 때문에 결과적으로 PCB의 회로 불량률을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 비아홀 가공방법에 대한 순서도,
도 2는 본 발명의 비아홀 가공방법을 각 공정별로 나타낸 설명도,
도 3은 본 발명에서 트레파닝(trepanning) 기법을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 시험예에서 산화막 처리로 인해 발생되는 가이드홀의 X축 방향 스케일 편차를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 시험예에서 산화막 처리로 인해 발생되는 가이드홀의 Y축 방향 스케일 편차를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 공지 기술에 속하거나 종래 기술로부터 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있는 기술에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 PCB용 코어보드의 비아홀 가공방법은, 도 1에서 보는 바와 같이 코어보드 제조단계(100)와, 산화막 처리단계(200), 가이드홀 천공단계(300), 및 비아홀 가공단계(400)를 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 한다. 이중에서 코어보드 제조단계(100)와 산화막 처리단계(200)는 종래의 비아홀 가공방법과 동일하다.

(A) 코어보드 제조단계

먼저 통상적인 동박적층판(copper clad laminate)을 소정의 규격으로 재단하여 빌드업 PCB의 최내층에 배치되는 코어보드(core board)를 제조한다.

상기 코어보드(10)는 도 2a에서 보는 바와 같이 절연수지층(11)의 양면에 두께가 12㎛ 정도인 동박(12)이 라미네이팅 된 것으로, 종래에는 주로 레진을 사용한 RCC(resin coating copper) 자재를 사용하였으나, 기계적 강도가 불충분하고 온도에 의한 치수변화가 많은 단점이 있어서 최근에는 절연층에 유리섬유를 보강기재로 적층한 프리프레그(prepreg)를 사용하는 경우가 늘고 있다.

상기 코어보드(10)는 완제품이 될 때까지 반복적인 건식 및 습식 가공을 거쳐야 하기 때문에 공정 조건에 따른 치수 안정성이 매우 중요한 물성 요인이 되며, 아울러 상하면 회로간의 간섭을 극소화 할 수 있는 전기 절연성이 요구된다.

상기 코어보드(10)는 장차 PCB를 장착할 제품에 따라 미리 결정된 소정의 규격을 가지며, 통상적으로 작업용 보드는 공정의 특성에 맞도록 적절한 사이즈의 사각형 구조로 절단하여 사용한다.

(B) 산화막 처리단계

다음은 도 2b와 같이 상기 코어보드(10)의 양면에 갈색 혹은 흑색의 산화막(20)을 코팅한다. 상기 산화막(20)은 다음 공정에서 레이저빔의 반사를 줄이고 흡수율을 증가시켜서 가공된 비아홀의 진원도(眞圓度, out of roundness)를 향상시켜 주고, 레이저 설비의 에너지 소모를 절감시켜 주며, 나아가 프리프레그 와의 밀착력을 증진시키는 기능을 한다.

상기 산화막(20)의 코팅방법은 통상적인 산화막 코팅액에 상기 코어보드(10)를 침적하는 방법으로 실시된다. 이때 사용되는 코팅액은 브라운 옥사이드와 블랙 옥사이드가 있으나 브라운 옥사이드가 주로 사용된다. 상기 브라운 옥사이드 코팅액은 예컨대 황산과 과산화수소수, 그리고 실란(Silane) 등을 포함하는 혼합용액으로 이루어진다.

상기 코어보드(10)를 상기 산화막 코팅액에 침적하면, 먼저 황산 용액에 의해서 동박(12) 표면이 1~2㎛ 정도 에칭되고, 그 위에 실란을 포함하는 유기물이 수Å 정도의 두께로 코팅된다.

(C) 가이드홀 가공단계

다음은 도 2c에서 보는 바와 같이, 산화막(20)이 처리된 코어보드(10a)의 네 모서리 부위에 가이드홀(30)을 천공한다. 본 발명의 특징 중 하나는 상기 가이드홀(30)을 트레파닝(trepanning) 드릴링 공법으로 천공한다는 것이다.

본 발명에서 트레파닝 기법이라 함은 도 3에서 보는 바와 같이, 가이드홀(30)의 중심(C)을 남기고 원주 방향을 따라 레이저빔을 조사하되, 작은 원(C1)을 그리면서 원주 방향을 따라 연속적으로 레이저빔을 조사하여 가이드홀(30)을 천공하는 기법이다. 이때, 상기 레이저빔의 동선이 형성하는 원(C1)의 지름(R2)은 0.1 ~ 0.15mm이고, 이러한 레이저빔에 의해서 천공되는 가이드홀(30)의 지름(R1)은 1.0 ~ 5.0mm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 가이드홀(30)의 위치를 결정하는 방법은, 먼저 레이저 드릴링 머신의 작업 프로그램에다 미리 결정된 코어보드(10a)의 규격을 입력하고, 상기 A) 단계에서 재단한 코어보드(10a)를 장착한 다음, 상기 드릴링 머신에 설치되어 있는 카메라를 이용하여 상기 코어보드(10a)의 이미지를 스캐닝 한다.

이어서 X축(가로) 방향에서 상기 코어보드(10a)의 상하좌우 네 모서리 점의 좌표를 인식하고, 동시에 Y축(세로) 방향에서 상하좌우 네 모서리 점의 좌표를 인식한 다음, 각 모서리 점에 대하여 X축 방향에서 인식한 좌표와 Y축 방향에서 인식한 좌표의 중간값을 산출한다. 이어서 네 모서리 점의 중간 값에 대응하는 좌표를 서로 대각선 방향으로 연결하여 그 교차점을 상기 코어보드(10a)의 중심좌표로 설정한다.

그리고 상기 드릴링 머신의 작업 프로그램에 미리 입력된 코어보드(10a)의 중심좌표와, 상기 드릴링 머신이 측정하여 설정한 코어보드(10a)의 중심좌표를 일치 시킨 후, 상기 중심좌표에서 네 모서리 방향으로 동일한 거리에 있는 네 좌표를 설정한 다음, 이 좌표를 각각 가이드홀(30)의 중심좌표로 하여 트레파닝 공법으로 4개의 가이드홀(30)을 천공한다.

이렇게 하여 천공된 가이드홀(30)은 통상 코어보드(10a) 상에서 회로 패턴의 외곽으로부터 3 ~ 10mm 정도 이격된 곳에 위치하게 되며, 보다 구체적인 위치는 회로 패턴을 설계할 때 작업자가 미리 설정하여 프로그램 상에 입력한다.

(D) 비아홀 가공단계

마지막 비아홀 가공단계에서는 도 2d에서 보는 바와 같이, 상기 (C) 단계에서 천공된 가이드홀(30)을 기준으로 위치를 잡아서 상기 코어보드(10a)에다 레이저 드릴로 브라인드 비아홀(40)을 가공한다.

상기 브라인드 비어홀(40)의 가공방법은 산화막(20)이 처리된 코어보드(10a)의 일면에 레이저 빔(raiser beam)을 조사하여 동박(12)의 표면과 절연수지층(11)을 용융시키고, 이 과정에서 발생되는 용융물을 증발 및 집진하는 과정으로 이루어진다. 이때 상기 레이저 빔은 예컨대 이산화탄소가 충진되어 있는 발진기에 전기 에너지를 가하여 기저 상태인 전자를 여기(excitation) 시켜서 유도 방출된 빛을 증폭한 것이다.

이러한 방법으로 가공되는 브라인드 비아홀(40)은 상기 코어보드(10a)가 완전히 관통된 스루 비아홀(through via hole) 보다 회로 밀집도를 훨씬 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명자들은 종래의 방법대로 코어보드(10a)에 먼저 가이드홀(30)을 천공한 후에 산화막(20)을 처리할 경우, 상기 가이드홀(30)의 스케일이 어떻게 변하는지 알아보기 위하여 다음과 같은 시험을 실시하였다.

< 시험예 >

EMC사가 제조한 동박적층판(모델명; EM285)을 사용하여 두께가 0.06mm 이고, 가로 및 세로 규격이 510mm x 610mm인 코어보드 시료 5개를 제조하였다.

출원인 회사인 (주)대원이노베이션의 레이저 드릴링 머신 SHI 제1 호기의 Z-2 축에다 상기 코어보드 시료를 장착하고, 본 발명의 청구항 제2항과 동일한 방법으로 네 모서리 부위에 각각 가이드홀의 중심좌표를 결정한 다음, 직경이 3.0mm인 가이드홀을 천공하고, X축 방향 및 Y축 방향으로 각각 양쪽 가이드홀 사이의 간격을 측정하였다.

다음으로 상기 코어보드 시료들을 산 또는 알카리 세정제에 침적하여 표면에 묻어있는 지문이나 오일 등의 흔적을 제거하고, 브라운 옥사이드 코팅액에 15분 정도 침적하여 산화막을 코팅한 다음, 약 1 시간 동안 냉각하여 다시 X축 방향 및 Y축 방향으로 각각 양쪽 가이드홀 사이의 간격을 측정하였다.

이어 산화막 처리 전에 측정한 가이드홀 간격과 산화막 처리 후에 측정한 가이드홀 간격을 각각 상기 드릴링 머신의 작업 프로그램 상에 미리 입력시킨 가이드홀 간격과 대비하여 그 변화량(%)을 다음 표 1에 수록하였다. 그리고, 첨부 도 4 및 도 5는 상기 표 1을 그래프로 나타낸 것이다. 상기 도 5의 그래프에서 시료 3과 시료 5를 나타내는 직선은 하나로 겹쳐 있다.

시료 No.	가로 방향(X축)			세로 방향(Y축)
시료 No.	전(%)	후(%)	변화량	전(%)	후(%)	변화량
1	100.022	100.015	- 0.007	100.013	100.010	- 0.003
2	100.022	100.017	- 0.005	100.014	100.012	- 0.002
3	100.021	100.011	- 0.010	100.012	100.008	- 0.004
4	100.020	100.012	- 0.008	100.012	100.005	- 0.007
5	100.021	100.009	- 0.012	100.012	100.008	- 0.004
평균	100.021	100.013	- 0.008	100.013	100.009	- 0.004

상기 표 1 및 첨부 도 4, 5에서 보는 바와 같이, 종래의 방법대로 가이드홀을 천공한 후에 산화막을 처리할 경우, 산화막 처리과정에서 가이드홀의 스케일이 X축 방향으로 평균 -0.008%, 그리고 Y축 방향으로 평균 -0.004% 각각 축소된 것으로 나타났다. 특히 시료 5의 경우에는 X축 방향으로 -0.012%나 축소된 것으로 나타났는데, 이를 길이로 환산하면 X축 방향의 편차가 61.2㎛(코어보드의 가로 길이 510,000㎛ x 0.012 %)에 이르는 것으로 나타났다.

반면, 본 발명에 따르면, 산화막 처리 이후에 가이드홀을 천공하기 때문에 이러한 가이드홀의 스케일 변화를 원천적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

10,10a; 코어보드(core board) 11; 절연수지층
12; 동박(copper foil) 20; 산화막
30; 가이드홀(guide hole) 40; 비아홀(via hole)

Claims

A) 동박적층판(copper clad laminate)을 소정의 규격으로 재단하여 빌드업(build-up) PCB용 코어보드(core board)를 제조하는 단계와, B) 상기 코어보드의 양면에 산화막을 처리하는 단계와, C) 상기 코어보드의 네 모서리 부위에 가이드홀(guide hole)의 위치를 결정하고, 레이저 드릴을 이용하여 트레파닝(trepanning) 드릴링 공법으로 각각 가이드홀(guide hole)을 천공하는 단계와, D) 상기 가이드홀을 기준으로 위치를 잡아서 상기 코어보드의 내부에 레이저 드릴로 브라인드 비아홀(blind via hole)을 가공하는 단계를 순차적으로 실시하여 PCB용 코어보드의 비어홀을 가공함에 있어서,
상기 C) 단계에서 가이드홀(guide hole)의 위치를 결정하는 방법은,
C-1) 레이저 드릴링 머신의 작업 프로그램에 미리 결정된 코어보드의 규격을 입력하고, 상기 A) 단계에서 재단한 코어보드를 장착한 다음, 그 이미지를 스캐닝 하여 상기 코어보드의 X축 방향 및 Y축 방향에서 각각 네 모서리 점의 좌표를 인식하는 단계와;
C-2) 상기 코어보드의 네 모서리 점에 대하여 각각 X축 방향 좌표와 Y축 방향 좌표의 중간 값을 산출하고, 상기 중간 값에 대응하는 좌표를 서로 대각선 방향으로 연결하여 그 교차점을 상기 코어보드의 중심좌표로 설정하는 단계와;
C-3) 상기 C-1) 단계에서 작업 프로그램에 미리 입력시킨 코어보드의 중심좌표와, 상기 C-2) 단계에서 설정한 코어보드의 중심좌표를 일치 시킨 후, 상기 중심좌표에서 네 모서리 방향으로 동일한 거리에 있는 네 좌표를 각각 가이드홀의 중심좌표로 결정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB용 코어보드의 비어홀 가공방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 C) 단계의 트레파닝(trepanning) 드릴링 공법은,
지름(R1)이 1.0 ~ 5.0mm 인 원주 방향을 따라 지름(R2)이 0.1 ~ 0.15mm인 원(C1)을 그리면서 연속적으로 레이저빔을 조사하여 가이드홀을 천공하는 것을 특징으로 하는 PCB용 코어보드의 비어홀 가공방법.