KR20230030343A - 레이저 드릴링 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 드릴링 방법이 개시된다. 개시된 레이저 드릴링 방법은, 절연층 및 도전층이 순차적으로 적층된 다층 구조의 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여, 상기 가공 대상물의 상기 절연층 및 상기 도전층에 홀을 형성하는 방법으로서, 자외선 영역의 파장으로 이루어진 레이저 빔을 상기 도전층에 조사하여, 상기 도전층에 제1 홀을 형성하는 단계; 및 상기 레이저 빔을 상기 제1 홀을 관통하여 상기 절연층에 조사하여, 상기 절연층에 제1 홀과 연통하는 제2 홀을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서는, 상기 홀의 직경보다 작은 스폿 직경을 가지는 레이저 빔을 상기 홀의 형상에 기초하여 2차원 이동시키며, 상기 제1 홀을 형성하는 단계에서 상기 도전층에 조사되는 레이저 빔은 제1 펄스 에너지를 가지며, 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서 상기 절연층에 조사되는 레이저 빔은 상기 제1 펄스 에너지와 다른 제2 펄스 에너지를 가질 수 있다.

Description

레이저 드릴링 방법{Laser drilling method}
본 발명은 레이저 드릴링 방법에 관한 것이다.
레이저 드릴링 방법은 레이저를 이용하여 가공 대상물에 홀을 가공하는 방법이다. 레이저 드릴링 방법이 사용되는 가공 대상물은 그 종류가 다양할 수 있으며, 이 중에는 다층 구조의 인쇄회로기판이 있다.
기존에는 다층 구조의 인쇄회로기판에 대한 홀 가공을 위하여 기체 레이저, 예를 들어, 이산화탄소 레이저를 이용하였다. 그러나, 다층 구조의 인쇄회로기판이 사용되는 전자 장치는 그 크기가 작아지는 반면 요구되는 기능은 늘어나고 있다. 그에 따라, 인쇄회로기판에 형성되는 홀 역시 미세화 및 소형화가 요구되고 있다.
그러나, 기존에 사용하는 기체 레이저는 레이저 빔의 파장이 약 9 um ~ 11 um 이며, 이러한 파장 특성으로 인해 가공 가능한 홀의 최소 직경을 줄이는 데 한계가 있었다. 즉, 기존에 다층 구조의 가공 대상물에 사용하는 레이저 드릴링 방법으로는, 최근 요구되는 작은 직경의 홀 가공이 어려웠다.
본 발명은, 다층 구조의 가공 대상물에 작은 직경의 홀을 형성하기 위하여 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저 빔을 사용하면서도, 홀의 양호한 가공 상태를 구현하기 위하여 레이저 빔의 스폿 직경을 홀의 직경보다 작은 상태에서 레이저 빔이 2차원 이동하도록 설정하고, 각 층마다 조사되는 레이저 빔의 펄스 에너지를 달리하는 레이저 드릴링 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저 드릴링 방법은,
절연층 및 도전층이 순차적으로 적층된 다층 구조의 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여, 상기 가공 대상물의 상기 절연층 및 상기 도전층에 홀을 형성하는 방법으로서,
자외선 영역의 파장으로 이루어진 레이저 빔을 상기 도전층에 조사하여, 상기 도전층에 제1 홀을 형성하는 단계; 및
상기 레이저 빔을 상기 제1 홀을 관통하여 상기 절연층에 조사하여, 상기 절연층에 제1 홀과 연통하는 제2 홀을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 홀 및 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서는, 상기 홀의 직경보다 작은 스폿 직경을 가지는 레이저 빔을 상기 홀의 형상에 기초하여 2차원 이동시키며,
상기 제1 홀을 형성하는 단계에서 상기 도전층에 조사되는 레이저 빔은 제1 펄스 에너지를 가지며, 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서 상기 절연층에 조사되는 레이저 빔은 상기 제1 펄스 에너지와 다른 제2 펄스 에너지를 가질 수 있다.
상기 레이저 빔의 스폿 직경은 상기 홀의 직경의 1/3 이하일 수 있다.
상기 제1 홀을 형성하는 단계에서의 상기 레이저 빔의 초점 거리는, 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서의 상기 레이저 빔의 초점 거리와 동일할 수 있다.
상기 제1 홀 및 상기 제2 홀을 형성하는 단계 모두에서, 상기 레이저 빔의 초점은 상기 도전층에 맞춰질 수 있다.
작은 스폿 직경을 가지는 상기 레이저 빔의 에너지 밀도는, 3.2 X 105 W/cm2 ~ 2.5 X 106 W /cm2 일 수 있다.
상기 레이저 빔의 2차원 이동 경로는 상기 홀의 테두리 형상을 따라 이동하는 경로를 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔의 2차원 이동 경로는 상기 홀의 반경 내에서 나선형으로 이동하는 경로를 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔은 음향 광학 편향기에 의해 2차원 이동될 수 있다.
상기 레이저 빔의 이동 속도는, 0.5 m/s ~ 2.0 m/s일 수 있다.
가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 에너지 밀도는 50 J/cm2~ 100 J/cm2 일 수 있다.
상기 제1 펄스 에너지가 상기 제2 펄스 에너지보다 클 수 있다.
상기 절연층은 유리 섬유와 수지를 포함할 수 있다.
상기 제1 홀의 직경과 상기 제2 홀의 직경의 차이는 제2 홀의 직경의 20% 이하일 수 있다.
상기 레이저 빔은 고체 레이저에 의해 생성되며, 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 각각의 직경은 50 um 이하일 수 있다.
상기 레이저 빔의 펄스 폭은 피코 초 단위 또는 나노 초 단위일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법은, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔으로 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저 빔을 사용함으로써 작은 직경의 홀을 형성하면서도, 레이저 빔의 스폿 직경을 홀의 직경보다 작게 함으로써 높은 파워 밀도를 통해 양호한 가공 상태를 확보할 수 있다. 더불어, 각 층마다 조사되는 레이저 빔의 펄스 에너지를 달리함으로써, 다층 구조의 가공 대상물에 가공 상태가 양호한 홀을 형성할 수 있다.
도 1은 다층 구조의 가공 대상물에 대한 레이저 드릴링 과정의 일 예를 설명하기 위한 도면이며,
도 2는 다층 구조의 가공 대상물에 요구되는 홀의 직경이 작아진 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 다층 구조의 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도만을 증가시켰을 때, 절연층의 가공 형태를 나타내는 도면 및 실제 모습을 나타낸다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 가공 대상물에 레이저 빔의 조사 위치를 2차원으로 이동시키는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 가공 대상물에 레이저 빔의 조사 위치를 2차원으로 이동시키는 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 사용되는 펄스 에너지의 변화의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 의해 제1 홀이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 의해 제2 홀이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 사용되는 펄스 에너지의 변화의 다른 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서 레이저 빔을 2차원 이동시키는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 따라 가공된 가공 대상물의 모습을 나타낸 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 따라 가공된 홀을 상부 모습을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다
도 1은 다층 구조의 가공 대상물(10)에 대한 레이저 드릴링 과정의 일 예를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 다층 구조의 가공 대상물(10)에 요구되는 홀의 직경이 작아진 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가공 대상물(10)은 다층 구조를 가질 수 있다. 가공 대상물(10)은 상면 및 하면에 도전층(11, 12)이 배치된 인쇄회로기판일 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물(10)은 하부 도전층(12), 절연층(20), 상부 도전층(11)이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다.
이러한 다층 구조의 가공 대상물(10)의 상부 도전층(11) 및 절연층(20)에 레이저 빔(L)을 조사하여, 소정 크기의 직경을 가지는 홀(H)을 형성하는 레이저 드릴링 공정이 진행될 수 있다. 도시하지 않았으나, 이후 단계에서 상부 도전층(11)과 하부 도전층(12)은 메탈 도금에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
하부 도전층(12), 상부 도전층(11)은 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 도전층(12) 및 상부 도전층(11)은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 다만, 하부 도전층(12) 및 상부 도전층(11)의 재질은 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변형될 수 있다. 상부 도전층(11)의 두께는 1 um~ 3 um일 수 있다. 하부 도전층(12)의 두께는 5 um ~ 20 um일 수 있다.
절연층(20)은 하부 도전층(12) 및 상부 도전층(11)보다 전도성이 작은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층(20)은 수지(resin)와 유리 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층(20)은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에 사용되는 프리프레그(prepreg)일 수 있다. 유리 섬유의 중량은 절연층(20)의 전체 중량의 20% 이하일 수 있다. 절연층(20)의 두께는 15 um ~ 30 um 일 수 있다.
물질 특성이 서로 다른 상부 도전층(11)(이하, '도전층(11)'이라 한다) 및 절연층(20)에 홀(H)을 형성하기 위하여, 마이크로 단위 수준의 파장을 가지는 레이저 빔(L)을 생성하는 기체 레이저의 사용을 고려할 수 있다. 예를 들어, 파장이 약 9 um ~ 11 um인 레이저 빔(L)을 생성하는 이산화탄소(CO2) 레이저의 사용을 고려할 수 있다.
그러나, 가공 대상물(10)에 형성 가능한 홀(H)의 직경(W)은 레이저 빔(L)의 파장에 관련된다. 파장이 긴 레이저 빔(L)은, 파장이 짧은 레이저 빔(L)에 비해, 가공 대상물(10)에 형성 가능한 홀(H)의 최소 직경이 커진다. 그에 따라, 마이크로 단위 수준의 상대적으로 긴 파장을 가지는 레이저 빔(L)으로는, 가공 대상물(10)에 홀(H)의 직경(W)을 줄이는데 한계가 있다. 예를 들어, 이산화탄소 레이저는, 도 2와 같이 홀(H)의 직경(W)이 50 um 이하로 요구되는 가공 대상물(10)에 대한 레이저 드릴링 공정에는 사용하기 어려울 수 있다.
실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는, 작은 직경(W)을 가지는 홀(H)을 형성하기 위하여, 파장이 상대적으로 짧은 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저를 이용할 수 있다.
자외선 영역의 파장을 가지는 레이저의 예로서, 고체 레이저를 사용할 수 있다. 자외선 영역의 파장은 10 nm~ 400 nm의 파장일 수 있다. 일 예로서, 자외선 영역의 파장은 300 nm~ 400 nm의 파장일 수 있다.
다만, 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저 빔(L)은 상대적으로 긴 파장을 가지는 레이저 빔(L)에 비해, 가공 대상물(10)의 물질 특성에 민감할 수 있다.
예를 들어, 가공 대상물(10)의 절연층(20)이 복수의 물질을 포함하는 경우, 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저 빔(L)과 복수의 물질 간의 흡수율 차이로 인해, 레이저 빔(L)에 의한 절연층(20)의 가공 상태가 만족스럽지 못할 수 있다. 예를 들어, 절연층(20)이 유리 섬유와 수지로 구성된 경우, 유리 섬유의 자외선 흡수율이 수지의 자외선 흡수율보다 작기 때문에, 자외선 영역의 파장을 가지는 레이저 빔(L)이 절연층(20)에 조사될 때, 절연층(20)의 가공 부위에 존재하는 수지는 대부분 제거되나 일부 유리 섬유가 제거되지 않고 남는 현상이 발생할 수 있다.
유리 섬유가 남는 현상을 방지하기 위하여, 가공 대상물(10)에 조사하는 레이저 빔(L)의 에너지 밀도를 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물(10)에 조사된 레이저 빔(L)의 에너지 밀도는 50 J/cm2~ 100 J/cm2일 수 있다.
다만, 레이저 빔(L)의 에너지 밀도 만을 단순히 증가시켰을 경우, 절연층(20)에 형성되는 홀(H)의 단면 형태가 의도치 않은 형상으로 나타날 수 있다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b와 같이, 절연층(20)에 형성된 홀(201)(이하, '제2 홀(201)'이라 한다)의 단면 형태가 볼록한 항아리 형태를 가질 수 있다. 이러한 항아리 형태의 제2 홀(201)의 단면 구조는, 높은 에너지 밀도로 인해, 절연층(20)의 가공 부위에서 유리 섬유가 제거되는 과정에서 수지가 유리 섬유보다 더 많이 제거되어 나타나는 현상으로 추측된다.
절연층(20)의 제2 홀(201)의 단면 구조가 항아리 형태로 나타나는 현상을 방지하기 위하여, 레이저 빔(L)의 파워 밀도(power density)를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 파워 밀도는 3.2 X 105 W/cm2 이상일 수 있다. 다만, 레이저 빔(L)의 파워 밀도는 2.5 X 106 W/cm2 이하일 수 있다. 레이저 빔(L)의 파워 밀도를 증가시킴으로써, 절연층(20)에서 수지와 유리 섬유의 제거 속도의 차이를 줄일 수 있다. 그에 따라, 절연층(20)에서 유리 섬유의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
레이저 빔(L)의 파워 밀도를 높이기 위하여, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는, 레이저 빔(L)의 스폿(S; 도 5 참조) 직경은 가공하고자 하는 홀(H)의 직경보다 작게 설정할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 스폿 직경은 홀(H)의 직경의 1/3 이하일 수 있다. (레이저 빔(L)의 스폿 직경은 홀(H)의 직경의 1/20 이상, 바람직하게는 홀(H)의 직경의 1/6 이상일 수 있다.) 레이저 빔(L)의 스폿 직경은 가공하고자 하는 제1 홀(101) 및 제2 홀(201) 각각의 직경보다 작을 수 있다. 가공 대상물(10)에 조사된 레이저 빔(L)의 스폿 당 에너지 밀도는 2.5 J/cm2 ~ 10 J/cm2 일 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법을 나타낸 순서도이다. 도 5는 가공 대상물(10)에 레이저 빔(L)의 조사 위치를 2차원으로 이동시키는 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 가공 대상물(10)에 레이저 빔(L)의 조사 위치를 2차원으로 이동시키는 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 사용되는 펄스 에너지의 변화의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다. 도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 의해 제1 홀(101)이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 9a 및 도 9b는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 의해 제2 홀(201)이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스폿(S) 직경이 작은 레이저 빔(L)을 이용하여 홀(H)을 형성하기 위하여, 형성하고자 하는 홀(H)의 형상에 기초하여, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 2차원으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 제1 홀(101)의 형상에 기초하여 2차원으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 제2 홀(201)의 형상에 기초하여 2차원으로 이동시킬 수 있다. 레이저 빔(L)이 2차원 이동하는 과정에서, 레이저 빔(L)의 스폿(S)은 부분적으로 중첩될 수 있다. 스폿(S)의 중첩 면적은 레이저 빔(L)의 이동 속도에 의해 결정된다.
도 5를 참조하면, 레이저 빔(L)을 홀(H)의 테두리 형상을 따라 이동시킬 수 있다. 레이저 빔(L)의 2차원 이동 경로는 홀(H)의 테두리 형상을 따라 이동하는 경로를 포함한다. 홀(H)의 형상이 원형인 경우, 레이저 빔(L)을 홀(H)의 테두리를 따라 이동시키다가 점차 홀(H)의 중심으로 접근하도록 이동시킬 수 있다. 레이저 빔(L)의 2차원 이동 경로는 홀(H)의 반경 내에서 나선형으로 이동하는 경로를 포함할 수 있다. 다만, 레이저 빔(L)의 이동 경로는 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 6과 같이, 레이저 빔(L)을 홀(H)의 중심으로부터 테두리를 향해 나선형 경로를 따라 이동시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 레이저 빔(L)의 파워 밀도를 높여 2차원 이동시킴으로써, 절연층(20)에서 유리 섬유에 대한 제거 효율을 높인다 하더라도, 도전층(11)과 절연층(20)의 물질 특성에 따른 영향이 나타날 수 있다. 그에 따라, 도전층(11)과 절연층(20)의 물질 특성 차이로 인해, 제1 홀(101)과 제2 홀(201)의 직경 차이가 발생할 수 있다. 다시 말해, 레이저 드릴링 과정에서, 도전층(11)이 절연층(20)에 비해 상대적으로 적게 제거되어, 절연층(20)에 형성된 제2 홀(201)이 도전층(11)에 중첩될 수 있다.
예를 들어, 자외선 영역의 레이저 빔(L)에 대해, 도전층(11)은 레이저 빔(L)을 잘 흡수하는 편이나, 전도율이 크기 때문에 흡수된 에너지가 쉽게 발산될 수 있다. 그에 따라, 상대적으로 가공 속도가 느릴 수 있다. 반면, 절연층(20)의 수지는 레이저 빔(L)을 잘 흡수하는 편이며 도전층(11)에 비해 흡수된 열이 쉽게 발산되지 않기 때문에, 도전층(11)에 비해 가공 속도가 빠를 수 있다. 만일 도전층(11) 및 절연층(20)에 동일한 펄스 에너지를 가지는 레이저 빔(L)을 조사할 경우, 도전층(11)에 형성된 제1 홀(101)보다 절연층(20)에 형성된 제2 홀(201)이 커지는 오버행 구조로 나타날 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는, 자외선 영역의 레이저 빔(L)에 대한 도전층(11)과 절연층(20)의 가공 속도의 차이를 고려하여, 제1 펄스 에너지(E1)와 제2 펄스 에너지(E2)를 조절할 수 있다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 가공 대상물(10)의 상부에 위치한 도전층(11)에 자외선 영역의 파장으로 이루어지며 제1 펄스 에너지(E1)를 가지는 레이저 빔(L)을 2차원 이동시키면서 조사한다(S10). 도전층(11)에 조사되는 레이저 빔(L)의 제1 펄스 에너지(E1)를 절연층(20)에 조사되는 레이저 빔(L)의 제2 펄스 에너지(E2)보다 크게 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 펄스 에너지(E1)는 제2 펄스 에너지(E2)의 1.5배 ~ 4.5배일 수 있다.
도 5, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 레이저 빔(L)을 조사할 때, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 제1 홀(101)의 형상에 기초하여 2차원으로 이동시킨다. 도전층(11)에 레이저 빔(L)을 조사할 때, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 나선형으로 이동시킴으로써, 도전층(11)에 제1 홀(101)을 형성할 수 있다. 제1 홀(101)을 통해, 절연층(20)의 일부가 노출될 수 있다. 도전층(11)에 제1 홀(101)을 형성하는 과정에서, 제1 홀(101)의 하부에 위치한 절연층(20)의 일부가 제거될 수 있다. 제1 홀(101)의 직경은 50 um 이하일 수 있다. 제1 홀(101)의 크기를 조절하기 위하여, 도전층(11)에 조사하는 레이저 빔(L)의 조사 위치 및 제1 펄스 에너지(E1)의 크기 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
도 4 및 도 7을 다시 참조하면, 가공 대상물(10)의 도전층(11)에 제1 홀(101)이 형성된 상태에서, 절연층(20)에 자외선 영역의 파장으로 이루어지며 제1 펄스 에너지(E1)와 다른 제2 펄스 에너지(E2)를 가지는 레이저 빔(L)을 2차원 이동시키면서 조사한다(S20).
제2 펄스 에너지(E2)가 제1 펄스 에너지(E1)보다 작을 수 있다. 제2 펄스 에너지(E2)가 제1 펄스 에너지(E1)보다 작기 때문에, 도전층(11)의 가공 속도는 절연층(20)의 가공 속도보다 느리게 나타난다. 그에 따라, 제2 펄스 에너지(E2)를 가지는 레이저 빔(L)에 의해, 도전층(11)은 제1 홀(101)의 크기 변화가 크게 나타나지 않으면서, 절연층(20)은 깊이 방향으로 가공되어 제2 홀(201)이 형성될 수 있다.
도 5, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제2 펄스 에너지(E2)를 가지는 레이저 빔(L)을 절연층(20)에 대하여 2차원 이동시키면서 조사함으로써, 절연층(20)에 제1 홀(101)과 연통하는 제2 홀(201)이 형성될 수 있다. 제2 홀(201)의 직경은 50 um 이하일 수 있다. 제2 홀(201)의 직경이 높이에 따라 달라지는 경우, 최대 직경일 수 있다. 제2 홀(201)의 크기를 조절하기 위하여, 절연층(20)에 조사하는 레이저 빔(L)의 조사 위치 및 제2 펄스 에너지(E2) 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
상술한 실시예에서는, 제1 펄스 에너지(E1)가 제2 펄스 에너지(E2)보다 큰 예를 중심으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 도 10과 같이, 제1 펄스 에너지(E11)가 제2 펄스 에너지(E21)보다 작을 수도 있다.
이와 같이, 파워 밀도를 높인 레이저 빔(L)을 2차원으로 이동시키되, 물질 특성이 다른 도전층(11)과 절연층(20)에 조사된 레이저 빔(L)의 펄스 에너지를 달리함에 따라, 제1 홀(101)과 제2 홀(201)의 직경(W1, W2) 차이를 줄일 수 있다. 예를 들어, 제1 홀(101)의 직경(W1)과 제2 홀(201)의 직경(W2)의 차이는 제1 홀(101)의 직경(W1)의 20% 이하일 수 있다. 제2 홀(201)의 직경(W2)에 대한 제1 홀(101)의 직경(W1)의 비(=W1/W2)는 0.8 이상일 수 있다. 여기서, 제2 홀(201)의 직경(W2)은 절연층(20)의 중간 높이에서의 직경일 수 있다.
다만, 파워 밀도를 높인 레이저 빔(L)을 2차원으로 이동시키는 과정은, 가공 품질을 향상시키는 데 유리할 수 있으나, 레이저 빔(L)의 2차원 이동 시간으로 인해 가공 시간이 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는 가공 시간을 줄이기 위한 방법이 포함 또는 추가될 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서 레이저 빔(L)을 2차원 이동시키는 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는, 레이저 빔(L)은 음향 광학 편향기(30)에 의해 2차원 이동된다. 음향 광학 편향기(30)는 제1 방향으로 방향 전환을 위한 제1 음향 광학 편향기(31)와 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 방향 전환을 위한 제2 음향 광학 편향기(32)를 포함할 수 있다. 제1 음향 광학 편향기(31)를 이용하여 레이저 빔(L)의 제1 방향으로 이동을 제어하며, 제2 음향 광학 편향기(32)를 이용하여 레이저 빔(L)의 제2 방향으로 이동을 제어한다.
이와 같이, 음향 광학 편향기(30)를 이용하여, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 이동시킴으로써, 홀(H)의 가공 속도를 향상시킬 수 있다. 만일 레이저 빔(L)의 조사 위치를 이동시키기 위하여, 갈바노미터 스캐너 등 회전을 위한 기구적인 구성을 이용할 경우, 기구적인 동작으로 인한 물리적인 시간이 소요되며, 그로 인해, 가공 속도가 저하될 수 있다. 반면, 레이저 빔(L)의 조사 위치를 이동시키기 위하여 상술한 음향 광학 편향기(30)가 이용될 경우, 인가되는 전기신호의 주파수에 따라 레이저 빔(L)을 빠르게 편향시킬 수 있으며, 이를 통해 레이저 빔(L)의 이동 속도를 소정 크기 이상으로 확보할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 이동 속도는 0.5 m/s ~ 2.0 m/s 일 수 있다.
더불어, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는, 가공 시간을 줄이기 위하여 레이저 빔(L)의 초점 거리(f)를 일정하게 유지할 수 있다. 다시 8a 내지 도 9b를 참조하면, 다층 구조의 가공 대상물(10)에 홀(H)을 형성하는 과정에서, 레이저 빔(L)의 초점 거리(f)를 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들어, 도전층(11)에 제1 홀(101)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 초점 거리(f)와 절연층(20)에 제2 홀(201)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 초점 거리(f)가 동일할 수 있다. 다시 말해서, 다층 구조의 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔(L)의 초점(F) 높이는 일정할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)은 도전층(11)에 초점(F)이 맞춰진 상태에서, 가공 대상물(10)의 제1 홀(101) 및 제2 홀(201)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 홀(101) 및 제2 홀(201)을 형성하는 동안, 레이저 빔(L)의 초점(F)은 도전층(11)의 상면에 맞춰질 수 있다. 다시 말해서, 도전층(11)에 제1 홀(101)을 형성할 때에 레이저 빔(L)의 초점(F)은 도전층(11)에 상면에 맞춰질 뿐만 아니라, 절연층(20)에 제2 홀(201)을 형성할 때에도 레이저 빔(L)의 초점(F)은 도전층(11)의 상면에 맞춰질 수 있다.
이와 같이, 홀(H)을 형성하는 동안 레이저 빔(L)의 초점 거리(f)를 동일하게 함으로써, 초점 거리(f)의 조절을 위해 소요되는 시간을 제거하거나 줄일 수 있으며, 그에 따라 레이저 드릴링 속도를 향상시킬 수 있다.
레이저 빔(L)의 초점 거리(f)가 동일하더라도, 도전층(11) 및 절연층(20)에 조사되는 레이저 빔(L)의 에너지는 거의 동일할 수 있다. 예를 들어, 제2 홀(201)을 형성하는 단계에서 절연층(20)에 조사되는 레이저 빔(L)의 스폿(S) 직경은 제1 홀(101)을 형성하는 단계에서 도전층(11)에 조사되는 레이저 빔(L)의 스폿(S) 직경의 95% 이상일 수 있다.
한편, 다층 구조의 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔(L)은 이동 속도가 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 홀(101)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 이동 속도는 제2 홀(201)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 이동 속도가 다를 수 있다. 예를 들어, 도전층(11)에 조사되는 레이저 빔(L)의 이동 속도가 절연층(20)에 조사되는 레이저 빔(L)의 이동 속도보다 빠를 수 있다. 다만, 레이저 빔(L)의 이동 속도의 변화는 선택적일 수 있으며, 필요에 따라 레이저 빔(L)의 이동 속도를 일정하게 유지할 수도 있다.
실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에는 피코 레이저가 사용될 수 있다. 레이저 빔(L)의 펄스 폭은 피코초(pico second) 단위일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 펄스 폭은 1 피코초 ~ 990 피코초일 수 있다. 펄스 폭이 피코초 단위인 레이저를 사용함으로써, 홀(H)의 가공 품질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 홀(H)의 가공 단면을 역사다리꼴 형상에 가깝도록 가공할 수 있으며, 절연층(20)의 유리 섬유를 안정적으로 제거할 수 있다. 다만, 레이저 드릴링에 사용되는 레이저는 이에 한정되지 아니하며, 나노 레이저일 수도 있다. 레이저 빔(L)의 펄스 폭은 나노초 단위일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(L)의 펄스 폭은 1 나노초~ 990 나노초일 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 따라 가공된 가공 대상물(10)의 모습을 나타낸 도면이다. 도 13a 내지 도 13c는 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에 따라 가공된 홀(H)을 상부 모습을 나타낸 도면으로, 도 13a는 홀(H)의 입구 부분에 초점을 맞추어 촬영한 것이며, 도 13b는 홀(H)의 중간 부분에 초점을 맞추어 촬영한 것이며, 도 13c는 홀(H)의 바닥 부분에 초점을 맞추어 촬영한 것이다.
실시예에 따른 레이저 드릴링 방법에서는 가공 대상물(10)로서, 도전층(11) 은 구리층이며, 절연층(20)은 유리 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그를 사용하였다. 레이저 드릴링 방법에서는, 레이저로 400 kHz 주파수를 가지는 피코초 레이저를 사용하였으며, 제1 펄스 에너지로 13.2 uJ, 제2 펄스 에너지로 3.3 uJ로 설정하였으며, 홀(H)이 형성될 가공 대상물(10)의 가공 영역에는 레이저 빔(L)이 85 J/cm2 의 에너지 밀도(fluence)로 조사되었다. 가공하고자 하는 홀(H)의 직경은 35 um로 설정하고, 레이저 빔(L)의 스폿(S) 직경은 15 um로 설정하였다. 레이저 빔(L)의 2차원 이동은 음향 광학 편향기(30)를 이용하였으며, 제1 홀(101)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 이동 속도는 2.0 m/s로, 제2 홀(201)을 형성하는 단계에서 레이저 빔(L)의 이동 속도는 0.5 m/s로 설정하였다.
도 12 및 도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 도전층(11)에는 약 34.5 um~ 36.4 um의 제1 홀(101)이 형성되었으며, 절연층(20)에는 상부의 직경보다 하부의 직경이 작은 제2 홀(201)이 형성되었으며, 제2 홀(201)의 상부 직경은 제1 홀(101)의 직경과 유사하며, 하부 직경은 약 27 um ~ 30.5 um로 제1 홀(101)의 직경보다 작다는 점을 확인하였다. 이로부터, 레이저 드릴링 방법에 의해, 제2 홀(201)의 단면 형상이 전체적으로 역사다리꼴 형상을 가지는 점을 확인하였다.
나아가, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법이 적용된 가공 대상물(10)의 가공 상태로부터, 절연층(20)의 제2 홀(201)의 내부에 유리 섬유가 거의 남지 않는 점도 확인할 수 있었다.
한편, 상술한 실시예에서는, 실시예에 따른 레이저 드릴링 방법이 하부 도전층(12), 절연층(20), 상부 도전층(11)이 적층된 3층 구조의 가공 대상물(10)에 적용된 예를 중심으로 설명하였으나, 레이저 드릴링 방법이 적용되는 가공 대상물(10)의 구조는 반드시 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 레이저 드릴링 방법은 실시예에 따른 4층 이상의 다층 구조, 예를 들어, 5층 구조, 7층 구조 등의 가공 대상물(10)에도 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
1 : 가공 대상물
11, 12 : 도전층
20 : 절연층
201 : 제2 홀
30 : 음향 광학 변조기

Claims (15)

  1. 절연층 및 도전층이 순차적으로 적층된 다층 구조의 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여, 상기 가공 대상물의 상기 절연층 및 상기 도전층에 홀을 형성하는 레이저 드릴링 방법으로서,
    자외선 영역의 파장으로 이루어진 레이저 빔을 상기 도전층에 조사하여, 상기 도전층에 제1 홀을 형성하는 단계; 및
    상기 레이저 빔을 상기 제1 홀을 관통하여 상기 절연층에 조사하여, 상기 절연층에 제1 홀과 연통하는 제2 홀을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 홀 및 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서는, 상기 홀의 직경보다 작은 스폿 직경을 가지는 레이저 빔을 상기 홀의 형상에 기초하여 2차원 이동시키며,
    상기 제1 홀을 형성하는 단계에서 상기 도전층에 조사되는 레이저 빔은 제1 펄스 에너지를 가지며, 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서 상기 절연층에 조사되는 레이저 빔은 상기 제1 펄스 에너지와 다른 제2 펄스 에너지를 가지는, 레이저 드릴링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 스폿 직경은 상기 홀의 직경의 1/3 이하인, 레이저 드릴링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀을 형성하는 단계에서의 상기 레이저 빔의 초점 거리는, 상기 제2 홀을 형성하는 단계에서의 상기 레이저 빔의 초점 거리와 동일한, 레이저 드릴링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 홀 및 상기 제2 홀을 형성하는 단계 모두에서, 상기 레이저 빔의 초점은 상기 도전층에 맞춰지는, 레이저 드릴링 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    작은 스폿 직경을 가지는 상기 레이저 빔의 파워 밀도는, 3.2 X 105 W/cm2 ~ 2.5 X 106 W/cm2 인, 레이저 드릴링 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 2차원 이동 경로는 상기 홀의 테두리 형상을 따라 이동하는 경로를 포함하는, 레이저 드릴링 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 2차원 이동 경로는 상기 홀의 반경 내에서 나선형으로 이동하는 경로를 포함하는, 레이저 드릴링 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 음향 광학 편향기에 의해 2차원 이동되는, 레이저 드릴링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 이동 속도는, 0.5 m/s ~ 2.0 m/s인, 레이저 드릴링 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 에너지 밀도는 50 J/cm2~ 100 J/cm2 인, 레이저 드릴링 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펄스 에너지가 상기 제2 펄스 에너지보다 큰, 레이저 드릴링 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 유리 섬유와 수지를 포함하는, 레이저 드릴링 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀의 직경과 상기 제2 홀의 직경의 차이는 제2 홀의 직경의 20% 이하인, 레이저 드릴링 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 고체 레이저에 의해 생성되며,
    상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 각각의 직경은 50 um 이하인, 레이저 드릴링 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 펄스 폭은 피코 초 단위 또는 나노 초 단위인, 레이저 드릴링 방법.
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