더 빠른 가공 속도의 비결, 새로운 고출력 CO2 레이저 변조기
고유한 전기 광학 변조기와 고출력 CO2 레이저가 짝을 이루어 많은 절단, 드릴링 및 조각 작업의 혁명을 일으키는 속도와 정밀도를 달성합니다.
2024년 10월 14일, Coherent
최근 Coherent의 획기적인 레이저 변조기 기술 발전으로 인해 마이크로일렉트로닉스 생산, 의료 기기 제조 등의 분야에서 가장 까다롭고 대량으로 처리되는 일부 재료 가공 작업에서 처리량이 증가하고 그에 따라 비용도 절감되었습니다. 특히, 새로운 Coherent CO₂ 레이저 전기 광학 스위치를 사용하면 더 높은 레이저 출력(최대 1kW)으로 폴리머, 복합재, 유기물, 세라믹 같은 비금속을 다루는 여러 드릴링, 절단 및 조각 공정을 고속으로 처리할 수 있습니다.
변조기의 작동 방법을 알아보고 이 새로운 기술이 많은 제조업체의 비용을 어떻게 극적으로 절감할 수 있는지 살펴보겠습니다.
변조기의 이해
광 변조기는 적용된 전기 신호에 따라 레이저의 시간적 모양 및/또는 출력을 제어할 때 사용되는 장치입니다. 가장 간단하게 구현하면 연속파(일정 출력) 레이저 빔이 가변 전송 수준으로 요구에 따라 차단되거나 전송될 수 있습니다.
이 목적으로 가장 널리 사용되는 두 가지 기술은 음향 광학 변조기(AOM)와 전기 광학 변조기(EOM)입니다. AOM에는 압전 변환기가 부착된 투명한 결정이 들어 있습니다. 변환기에 무선 주파수 신호를 가하면 결정 내에서 음파(또는 음향)가 생성됩니다. 이는 다시 재료의 굴절률에 주기적인 변이를 일으키며 회절 격자처럼 작용합니다.
입력 신호를 변경하면 음향파의 진폭이 바뀝니다. 이로 인해 주 빔에서 회절 차수로 더 많거나 적은 빛이 회절됩니다. 이런 방식으로 변조가 이루어집니다.
EOM은 전기 광학 결정을 사용합니다. 광학 결정은 전압이 인가되면 입력된 선형 편광 레이저 광의 편광 평면을 회전시키는 재료입니다. 결정의 출력단에 선형 편광기를 배치하면, 인가된 전압이 변할 때 빔 변조가 이루어집니다.
AOM과 EOM은 작동 및 실제 특성 측면에서 차이가 있습니다. 이러한 특성이 각 기술을 특정 용도에 가장 적합하게 만듭니다. 고처리량 재료 가공과 관련된 주요 매개변수는 다음과 같습니다.
고출력 작동 |
EOM은 벌크 재료의 높은 열 안정성과 견고한 냉각 구성 때문에 더 높은 출력의 레이저 빔을 이용할 수 있습니다. |
상승 시간 |
변조기가 빔을 완전히 차단하는 것에서 완전히 전송하는 것으로 얼마나 빨리 처리할 수 있는지를 나타냅니다. EOM은 AOM보다 최대 20배 더 빠른 상승 시간을 가질 수 있습니다. |
변조 주파수 |
변조기를 얼마나 빨리 켜고 끌 수 있는지를 나타냅니다. AOM은 일반적으로 빔을 변조할 때 훨씬 낮은 전압이 필요하므로 더 쉽게 높은 변조율을 지원합니다. EOM의 최대 변조 주파수는 최첨단 고전압 스위칭 기술로 제어됩니다. |
EOM이 AOM보다 상승 시간은 빠르지만 변조 속도가 낮을 수 있다는 사실은 이해하기 어려울 수 있습니다. 다음 그림에서 용어의 정의를 명확하게 확인할 수 있습니다.
변조기의 주요 출력 매개변수 정의. 보시다시피 상승 시간과 하강 시간은 변조 속도와 직접 관련이 없습니다.
비아 드릴링
EOM의 특성이 이점이 될 수 있는 한 가지 분야는 마이크로일렉트로닉스 제조의 "비아(via)" 드릴링입니다. 비아는 상이한 레이어를 전기적으로 연결해주는 인쇄 회로 기판(PCB)에 만든 작은 구멍입니다.
PCB 보드는 장치를 더 소형화할 수 있도록 축소되고 있습니다. 이는 특히 스마트폰, 5G 트랜시버, 웨어러블과 같은 장치에 해당하는 현상입니다. 이런 고도로 소형화된 장치에는 고밀도 상호 연결(HDI) PCB, IC 기판 같은 고급 패키징 기술이 적용될 때가 많습니다. 이런 장치에 필요한 비아의 크기는 기존 방식으로 만들 수 있는 것보다 훨씬 작지만, 레이저는 이러한 새로운 전자 패키지 유형에 필요한 작은 구멍을 만드는 작업을 탁월하게 해냅니다.
CO₂ 레이저는 FR4, PTFE, 유리 직조 복합재, 세라믹 같은 전자 패키지 재료를 매우 효율적으로 처리하기 때문에 상업용 비아 드릴링 시스템에서 널리 사용됩니다. 또 구리 트레이스 절제 작업도 가능합니다.
CO₂ 레이저는 직경 약 30µm까지 비아를 드릴링할 수 있습니다. AOM을 사용하면 초당 5,000개 이상의 비아를 만들 수 있습니다. 이것도 놀랍지만, 전자 제조업체는 훨씬 더 빠른 작업 속도를 원합니다.
이유는 간단합니다. 처리량 증가는 곧 비용 감소로 이어지기 때문입니다.
비아 드릴링 처리량 증가
일반적인 고속 비아 드릴링 시스템은 레이저 빔을 최대 4개의 개별 빔으로 분할합니다. 이렇게 하면 단일 빔을 사용하는 것보다 전체 처리량이 4배 더 증가합니다.
빔을 훨씬 더 많은 개별 빔으로 분할하면 속도가 더욱 빨라질 수 있습니다. 하지만 빔을 분할하면 레이저 전력도 분할됩니다. 그리고 드릴링을 진행하려면 각 개별 빔에 일정량의 전력이 필요합니다.
명백한 해결책은 레이저 전력을 높이는 것입니다. 그리고 이 점이 대부분의 CO₂ 레이저 비아 드릴링 시스템에 사용되는 AOM이 한계입니다. AOM은 전력이 약 300W가 넘는 CO₂ 레이저에서는 작동할 수 없기 때문입니다. 그리고 300W 빔을 4번 이상 분할하면 드릴링 공정에 필요한 각 빔의 전력이 부족해집니다.
1kW CO₂ 레이저는 빔을 여러 번 분할해도 반도체 제조업체가 필요로 하는 처리량 증가를 달성하기에 충분한 전력을 공급합니다. 하지만 이 접근 방식이 작동하려면 약 1kW의 CO₂ 레이저 전력을 처리할 수 있는 변조기가 있어야 합니다. 이를 수행할 수 있는 AOM 변조기가 없었기 때문에 Coherent는 CO₂ 레이저 전기 광학 스위치에 EOM 기술을 적용했습니다.
모든 분야를 위한 변조기
AOM과 EOM은 각각의 쓰임이 있습니다. 이것이 바로 Coherent가 AOM을 직접 통합하는 DIAMOND Cx-10 및 DIAMOND Cx-10LDE+와 같은 저전력(<50W) CO₂ 레이저를 제공하는 이유입니다. 이런 레이저는 엄청나게 높은 처리량 수준이 필요하지 않거나 비용에 더 민감한 분야에서 사용됩니다. 그리고 이제는 CO₂ 레이저 전기 광학 스위치를 통해 시스템 제작업체는 매우 높은 처리량과 고전력(최대 1000W) 레이저가 모두 필요한 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 이 EOM은 드릴링, 절단 및 마킹 분야에서 금속 스패터 및 파편에 노출되어 자주 청소해야 하는 CO₂ 레이저 광학 장치의 수명을 크게 연장하는 스패터 및 파편 방지 코팅과 같이 Coherent가 제조하는 다른 제품을 통해 추가로 보완됩니다.
Coherent CO₂ 레이저 전기 광학 스위치에 대해 자세히 알아보십시오.
