KR20100016102A

KR20100016102A - 테이퍼진 미세 구멍을 가공하는 방법

Info

Publication number: KR20100016102A
Application number: KR1020097022798A
Authority: KR
Inventors: 마흐메트 이 알파이; 제프리 호워튼; 마이클 내쉬너; 링 웬
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2010-02-12
Also published as: TWI414388B; CN101678505B; JP2013223885A; US8481887B2; US20080272095A1; TW200909116A; WO2008137455A1; CN101678505A; JP2010525951A

Abstract

본 발명은 거의 균질한 박형 재료에 원하는 형상의 단면 요건을 갖는 미세 관통 구멍을 레이저 가공하는 방법에 관한 것이다.

레이저 가공, 드릴링

Description

테이퍼진 미세 구멍을 가공하는 방법{METHOD FOR MACHINING TAPERED MICRO HOLES}

본 발명은 일반적으로 미세 박형(micro-thin) 재료에 미세 구멍을 가공(machining) 또는 드릴링(drilling)하는 것에 관한 것이다.

최근, 인쇄 회로 기판 층들 사이에 통로를 형성하기 위해서 미세 구멍(마이크로 비아라고 함)을 박층 재료에 드릴링하기 위한 레이저 미세 가공 시스템에 대한 기술 투자 및 발전이 이루어지고 있다. 이러한 프로세스에서, 구멍 드릴링 공정은 층들 사이의 전기 접속 또는 전도성을 형성하기 위해서 전형적으로 마이크로 비아의 도금(plating) 공정 이전에 이루어진다. 이런 유형의 드릴링에서, 마이크로 비아 단면 형상, 즉 비아 상부 및 하부의 구멍 직경 및 비아 측벽의 경사도 또는 테이퍼는 특별히 요구되지 않거나, 도금된 비아의 전기적 성능이 영향을 받지 않는 한 변경할 수 있는 것이 일반적이다. 예를 들어, 도금된 비아의 전기적 성능은 주로 이 비아의 상부 및 하부 직경에 의해 결정되는 것이 통상적이고, 비아 공동 내부로의 비교적 큰 돌출부가 도금 공정을 방해할 수 있기 때문에, 중요한 고려사항은 비아 벽(wall)의 조도(roughness)였다. 비아 형상에 관하여, 그러한 어플리케이션을 위한 전형적인 세부 요건은 비아 벽의 경사도 또는 거칠기에 단순히 편 중되어 있다.

전술한 드릴링 및 가공 공정은, 테이퍼진 관통 구멍의 특정 형상이 요구되는 경우, 예를 들어 특정 입구 및 출구 구멍의 직경이 요구되거나 요청되는 경우를 의도하지 않거나, 및/또는 그런 경우에 적용 가능하지 않거나 유용하지 않기 때문에, 관통 구멍의 그러한 가공을 위한 파라메터를 설정하기 위한 요구 및 원하는 또는 특정 형상을 갖는 그러한 구멍을 드릴링하는 특정 공정에 대한 요구가 존재한다. 특정 입구 및 출구 개구 크기를 갖고 이로써 측벽의 테이퍼 또는 각도를 형성하는 미세 관통 구멍을 드릴링하는 능력은, 관통 구멍이 박형 재료를 관통하는 광 투과에 이용되는 경우에 특히 유용하다. 광 투과 어플리케이션에서, 제어된 크기의 입구 및 출구 개구를 갖는 마이크로 관통 구멍을 드릴링함으로써, 출구 개구를 통한 출력 빔의 발산 광 특성은 물론 광 투과량도 특정 상업 어플리케이션을 위하여 제어되고 최적화될 수 있다. 예를 들어, 미세 관통 구멍 측벽이 매우 가파른 경우(재료의 출구 개구측의 표면으로부터 가장 가까운 측벽까지 90도 각도에 근접하는 경우), 그 구멍을 통해서는 일반적으로 많은 광 투과가 있으나, 사용자로 하여금 그 투과된 광을 출구 구멍에서 직접 보도록 요구하는 비교적 불량한 광 발산이 있다. 이와 반대로, 만일 미세 관통 구멍 측벽이 충분히 가파르지 않은 경우(재료의 출구 개구측의 표면으로부터 가장 가까운 측벽까지 비교적 거의 90도 각도 미만인 경우), 보다 큰 구멍 개구를 갖는 측(전형적으로 입구측)으로부터 그 구멍이 조사(照射)될 때 미세 관통 구멍을 통한 광 투과 능력은 현저하게 감소되는 결과를 가져온다.

재료를 관통하고 특정 단면 형상을 갖는 미세 구멍의 레이저 가공을 위한 본 발명의 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 이것으로 제한되는 것이 아니라, 거의 균질한 조성을 갖는 단일층 재료의 경우에 특히 유용하다. 예시적인 어플리케이션은, 박형 재료 및 미세 구멍이 광 투과에 이용되는 경우이다.

상기 방법은 가공할 재료에서 재료를 제거하는 데 요구되는 레이저 출력 및 레이저 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency)값을 포함하는 드릴링 파라미터를 설정하는 단계를 포함한다. 다른 파라메터는, 툴링 궤적(tooing trajectory)을 따라서 재료가 제거되는 툴링 속도는 물론, 미세 구멍을 형성하기 위하여 재료를 제거하는 데 레이저가 따르는 적어도 하나의 툴링 궤적 또는 경로를 포함한다.

일례에서, 툴링 궤적은 미세 구멍의 제1 개구를 형성하는 제1 궤적, 제1 미세 구멍의 테이퍼진 내부 벽을 형성하는 제2 궤적, 및 미세 구멍의 제1 개구 반대측의 제2 개구를 형성하는 제3 궤적을 포함하는, 3상(3-phase) 궤적 경로를 포함한다.

다른 예에서, 제1 레이저 궤적은 미세 구멍의 종축을 중심으로 하는 적어도 하나의 동심 순환(revolution)을 포함한다. 제2 궤적은 종축을 중심으로 반경 길이가 감소하는 동심 순환의 개방 경로를 포함한다. 제3 궤적은 종축을 중심으로 하는 적어도 하나의 동심 순환을 포함한다.

첨부 도면과 관련한 아래의 설명을 읽어보면 본 발명의 다른 어플리케이션이 당업자에게 명확해질 것이다.

본 명세서의 설명은 첨부 도면을 참고하며, 복수의 도면에 있어서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 지칭한다.

도 1은 박형 재료에 예시적은 미세 구멍을 드릴링하기 위한 3상 툴링 궤적의 예를 보여주는 도면이다.

도 2는 도 1의 제1 상 궤적으로부터 유래된 누적 영향 분포를 작업 표면 상의 위치의 함수로서 나타낸 그래프이다.

도 3은 도 1의 제2 상 궤적으로부터 유래된 누적 영향 분포를 작업 표면 상의 위치의 함수로서 나타낸 그래프이다.

도 4는 도 1에 도시한 바와 같은 제3 상 궤적으로부터 유래된 누적 영향 분포를 작업 표면 상의 위치의 함수로서 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 2 내지 4에 도시한 개별 궤적으로부터 유래된 누적 영향 분포를 작업 표면 상의 위치의 함수로서 나타낸 편집 그래프이다.

도 6은 도 1 내지 도 5에 도시한 예시적인 3상 툴링 궤적으로부터 유래된 미세 구멍의 예시적인 SEM 사진이다.

도 1 내지 도 6을 참고하면, 관통 구멍이라고 칭하는 미세 구멍을 박형 기판 또는 재료를 관통하게 드릴링하거나 가공하는 방법이 개시된다. 이하에 기술되는 실험을 통해서, 원하는 또는 특정의 구멍 형상을 얻기 위해서는 복수의 공정 파라 메터가 유용하다는 것과, 미세 관통 구멍의 드릴링에 있어서 복수의 공정 파라메터를 고려해야 한다는 것이 일반적으로 확인되었다.

구멍을 드릴링하는데 사용되는 특정 레이저와 관련하여 고려해야 하는 제1 파라메터는 미세 구멍을 드릴링하거나 가공하기 위한 레이저의 출력과 레이저의 펄스 반복 주파수이다. 도 6에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 직경이 90㎛인 입구 개구(5) 및 직경이 30㎛인 출구 개구(7)를 갖고 두께(15)가 400㎛인 알루미늄 합금 재료(3)에 미세 관통 구멍(1)을 드릴링하기 위한 실험을 통해서, 532 nm DPSS Nd:YAG 레이저가 적당하다. 전술한 구멍(1)을 드릴링하는 성공적인 실험은 전술한 재료(3) 작업 표면 상에 10Khz로 전달되는 4.5W의 평균 레이저 출력으로 수행되었다. 전술한 상기 성공적인 가공 공정은 28㎛의 집중 가우시안 빔 스팟을 작업 표면(12) 상에 생성하는 광 토폴로지(topology)로 레이저 초점 평면에서 수행되었다. 본 발명을 벗어나지 않고 상기 실험과는 상이한 당업자에게 알려진 다른 레이저, 레이저 출력 및 펄스 반복 주파수를 사용할 수 있음은 물론이다. 또한, 다른 재료 및 두께를 사용할 수 있음은 물론이다.

본 가공 방법에서 고려해야 할 다른 파라메터는 미세 구멍(1)의 드릴링에서 레이저가 따르게 되는 툴링 궤적 또는 경로이다. 도 1 내지 도 5에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 미세 관통 구멍을 드릴링하기 위한 3상 툴링 궤적(20)이 특정의 또는 특유의 구멍 형상이 요구되는 드릴링에서 특히 유용하다는 것이 실험을 통해서 확인되었다. 바람직한 3상 툴링 궤적은 제1 궤적(또는 제1 상)(30), 제2 궤적(또는 제2 상)(40) 및 제3 궤적(또는 제3 상)(50)을 포함한다.

도 1, 도 2 및 도 6을 참고하면, 바람직한 3상 툴링 궤적(20)의 바람직한 제1 툴링 궤적(30)이 도시되었다. 재료(3)의 제1 표면(12)을 가로지르는 제1 궤적(30)이 미세 구멍(1)의 제1 개구(5) 또는 상부(입구) 직경을 형성하는 데 유용하다는 것이 실험을 통해 결정되었다. 바람직한 제1 툴링 궤적(30)에서, 폐경로(closed path) 원형 궤적이 도 6에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 제1 재료 표면(12)에 제1 개구(5)를 형성하는 데 적절하다. 도 1에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 종축(25)을 중심으로 하는 적어도 하나의 완전한 순환을 구성하는 원형 궤적(30)이 사용되었다. 바람직한 예에서, 종축(25)을 중심으로 하는 복수의 완전한 원형 순환(30)은 일부 벌크 재료(3)를 제거하면서도 제1 개구(5)를 생성하기에 충분하였다.

28㎛의 집중 가우시안 빔 스팟을 이용하여, 직경이 90㎛인 제1 개구(5) 및 직경이 30㎛인 제2 출구 개구(7)를 두께가 400㎛인 알루미늄에 드릴링하는 실험을 통해서, 제1 궤적(30)은 73mm/sec의 컷팅 속도로 직경이 60㎛인 중축(25)을 중심으로 하는 5개의 원형 순환으로 구성된다.

바람직한 3상 툴링 궤적(20)의 제2 상 또는 궤적(40)에서, 제1 궤적을 따르는 위치에서 시작하여 제3 궤적(50)을 따르는 위치에서 끝나며 종축(25)으로부터의 반경 거리 또는 길이가 점점 줄어드는 동심원으로 구성된 개방 경로(40)는 내부 벽(10)을 갖는 원하는 비아(1)를 드릴링하기에 적합하다.

전술한 구멍 형상을 드릴링하는 실험을 통해서, 제2 궤적(40)은 73 mm/sec의 컷팅 속도로 제1 궤적이 60㎛의 외측 드릴링 직경에서 시작하여 10㎛의 직경[제3 궤적(50)](7)으로 끝나는 일순환당 10 밀리미터(mm/rev)의 반경 피치 또는 반경이 감소되는 종축(25)을 중심으로 하는 5개의 개방 나선형 순환을 포함한다.

바람직한 제3 툴링 상 또는 궤적(50)에서, 종축(25)을 중심으로 하는 적어도 하나의 동심 순환(50)의 폐궤적 경로가 사용된다. 바람직한 예에서, 종축(25)을 중심으로 하는 원형 경로 상의 다수의 폐순환이 사용되었다.

전술한 구멍(1)을 드릴링하는 실험을 통해서, 제3 궤적(50)은 73 mm/sec의 컷팅 속도로 10㎛의 직경(7)을 갖는, 종축(25)을 중심으로 하는 5개의 완전한 원형 순환을 포함한다.

재료(3)에 전술한 구멍(1)을 드릴링하기 위한 전술한 실험이 3개의 개별 궤적을 이용하여 특정의 방식으로 기술되었지만, 당업자에게 공지된 파라메터 및 궤적의 변경이 본 발명을 벗어나지 않고 이용될 수 있음은 물론이다.

또한, 제1 궤적(30), 제2 궤적(40) 및 제3 궤적(50)을 포함하는 바람직한 3상 툴링 궤적(20)이 단속적인 개별 궤적으로서 기술되었지만, 제1 궤적(30), 제2 궤적(40) 및 제3 궤적(50)은 끊김이 없거나 또는 연속적인 비단속적인 공정으로 수행될 수 있음은 물론이다. 또한, 추가적인 또는 적은 양의 툴링 상 및 궤적이 당업자에게 공지된 바와 같은, 본 명세서에서 논의한 재료(3) 및 다른 파라메터에 따라 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 도 6에 도시된 특정 형상을 갖는 전술한 실험적인 구멍(1)은 예시일 뿐이며, 재료(3)에 제1 개구(5), 제2 개구(7) 및 테이퍼진 내부 벽(10)과 연관된 다른 크기 및 형상의 구멍이 본 발명을 벗어나지 않고 본 발명의 방법을 통해서 만들어질 수 있음은 물론이다.

고려해야 할 4번째 공정 파라메터는 재료(3)를 제거하기 위하여 재료(3)를 따라 레이저가 이동하는 툴링 속도 또는 비율(rate)이다. 실험을 통해서, 전술한 실험적 파라메터 하에서, 73mm/sec가 원하는 형상을 갖는 만족스러운 비아를 형성하기 위한 적절한 툴링 속도라는 것이 확인되었다. 당업자에게 공지된 다른 툴링 속도가 본 발명을 벗어나지 않고 사용될 수 있음은 물론이다.

전술한 실험은 본 발명을 쉽게 이해하도록 기술되었으며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 속하는 다양한 변경과 균등물을 포함하도록 의도되며, 청구 범위는 법이 허용하는 범위에서 모든 변경사항과 균등 구조를 포함하도록 가장 넓게 해석된다.

Claims

종축을 중심으로 하는 미리 정해진 단면 형상을 갖는 미세 구멍을 박형 재료를 관통하도록 레이저 가공하는 미세 구멍 레이저 가공 방법으로서,

상기 박형 재료에서 재료를 제거하기 위해 요구되는 레이저 출력 및 레이저 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency)값을 설정하고,

요구되는 상기 미세 구멍의 단면 형상을 형성하기 위해 적어도 하나의 툴링 궤적(tooling trajectory)을 설정하며,

상기 재료가 툴링 궤적을 따라서 제거되는 툴링 속도를 설정하는 것

을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 툴링 궤적을 설정하는 것은

상기 구멍의 제1 개구를 형성하도록 제1 툴링 궤적을 따라 이동하고,

상기 구멍의 테이퍼진(tapered) 내부 벽을 형성하도록 제2 툴링 궤적을 따라 이동하 며,

상기 구멍의 제1 개구의 반대측에 있는 구멍의 제2 개구를 형성하도록 제3 툴링 궤적을 따라 이동하는 것

을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 있어서, 상기 제1 툴링 궤적은 종축을 중심으로 하는 적어도 하나의 동심 순환(concentric revolution)의 폐경로(closed path)인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 툴링 궤적은 종축을 중심으로 반경 길이가 감소하는 동심 순환의 개방 경로(open path)인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제4항에 있어서, 상기 동심 순환의 개방 경로는 원형의 나선형인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 툴링 궤적은 종축을 중심으로 한 소정 반경 길이에서의 적어도 하나의 순환의 폐경로인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제3항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 툴링 궤적의 폐경로 및/또는 제3 툴링 궤적의 폐경로는 원형인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 내지 제7항 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍의 제1 개구는 구멍의 제2 개구보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 툴링 궤적, 제2 툴링 궤적 및 제3 툴링 궤적은 하나의 연속적인 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박형 재료는 거의 균질한 단일층인 것을 특징으로 하는 미세 구멍 레이저 가공 방법.
박형(薄形) 재료를 관통하여 광을 투과시키는 데 사용하기 위한 미세 관통 구멍을 가공하는 미세 관통 구멍 가공 방법으로서,

가공할 상기 박형 재료의 두께를 결정하고,

상기 미세 관통 구멍의 테이퍼진 측벽을 형성하는 상기 미세 관통 구멍의 입구 개구 및 출구 개구의 크기를 결정하며,

상기 재료를 제거하도록 툴링 궤적을 따라 이동하여, 입구 개구, 테이퍼진 측벽 및 출구 개구를 형성하는 것

을 포함하는 미세 관통 구멍 가공 방법.
제11항에 있어서, 상기 툴링 궤적을 따른 이동은

종축을 중심으로 하는 제1 툴링 궤적을 따라 이동하여 상기 입구 개구를 형성하고,

종축을 중심으로 하는 제2 툴링 궤적을 따라 이동하여 상기 테이퍼진 측벽을 형성하며,

상기 출구 개구를 형성 종축을 중심으로 하는 제3 툴링 궤적을 따라 이동하여 상기 출구 개구를 형성하는 것

을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 관통 구멍 가공 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 툴링 궤적 및 제3 툴링 궤적은 폐쇄 원형 궤적이고, 상기 제2 툴링 궤적은 개방 나선형의 원형 궤적인 것을 특징으로 하는 미세 관통 구멍 가공 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박형 재료로부터 재료를 제거하기 위한 툴링 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 미세 관통 구멍 가공 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 개구 및 출구 개구의 크기를 결정하는 것은 박형 재료를 통한 원하는 광 투과도 및 상기 출구 개구를 통한 광 발산을 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 관통 구멍 가공 방법.