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공정 활용도를 높여주는 Coherent의 새로운 레이저 기반 PCB 패널 분리 방식
PCB의 재료, 두께 및 구성에 대한 기술 변화로 인해 기존의 기계적 절단 및 절곡 방식이 레이저 기반 공정으로 전환되고 있습니다. 그러나 PCB 패널 분리 방식을 위한 레이저 결과물이 모두 동일한 것은 아닙니다. 절단 특성과 품질, 특히 열영향부(HAZ) 측면에서 다양한 레이저 간에는 상당한 차이가 있습니다. 이는 회로를 PCB에 얼마나 가깝게 배치할 수 있는지를 결정하고 회로 기능 및 방수 또는 EMI 차폐와 같은 다운스트림 공정에도 영향을 미칠 수 있으므로 공정 활용도에 영향을 미칩니다. 이 문서에서는 현재 사용 가능한 다른 제품에 비해 HAZ를 크게 줄여 레이저 PCB 패널 분리를 수행할 수 있는 Coherent Inc.에서 개발한 새로운 나노초 레이저 및 관련 절단 공정을 소개합니다.
레이저 패널 분리에 대한 수요 증가
스마트폰, 다양한 웨어러블 기기, VR 장치, 자동차 센서, 홈 자동화 장비 등 소형화된 전자 장치의 지속적인 시장 성장은 더욱 밀도 높은 고성능 PCB에 대한 필요성으로 직접 이어집니다. 이전 세대의 마이크로일렉트로닉스에 비해 이러한 장치가 물리적으로 더 작고 더 복잡해졌을 뿐 아니라 소비자들은 보다 에너지 효율적이고(배터리 수명 연장을 위해) 더 저렴한 장치를 요구하고 있습니다.
PCB 기술 측면에서 이는 여러 가지 트렌드를 이끌었습니다. 그중에는 더 얇은 기존 보드의 사용, 플렉스 회로의 광범위한 구현, 더 두꺼운 전도성 층, 저-κ 유전체의 활용도 증가(후자는 특히 5G 기술의 경우)가 있습니다. 또한 비용에 대한 고려로 인해 공정 활용도 개선이 필요해졌습니다. 이를 위해서는 특히 보드를 패널에 더 가깝게 배치해 수율을 높여야 합니다.
패널 분리 측면에서 볼 때, 이 모든 것을 구현하려면 절단 공정에서 커프 폭이 점점 더 좁아지고 치수 정확도가 높아져야 합니다. 또한 PCB의 기능 영역에 절단이 물리적으로 더 근접하다는 것은 절단 공정이 기계적 응력이나 열로 인해 주변 재료나 회로에 영향을 주어서는 안 된다는 것을 의미합니다. 후속 청소 단계가 필요할 수 있는 잔여물 생성을 최소화하는 것도 또 다른 요구 사항입니다.
이러한 모든 제약으로 인해 라우터, 톱, 다이 절단, 펀칭, 스코어링, 피자 절단 등을 포함한 기존의 기계식 PCB 패널 분리 방법은 실용성과 비용 효율성이 떨어집니다. 이는 이전에 언급한 거의 모든 영역에서 상당한 이점을 제공하는 레이저 절단으로의 전환을 촉진하지만 일반적으로 절단 속도가 감소합니다.
레이저 절단 이해
물론 레이저 패널 분리는 한동안 사용되어 왔습니다. 그러나 다양한 레이저 기반 기술을 이해하고 구별하는 것이 중요합니다. 원래의 구현 방식은 원적외선을 방출하는 CO2 레이저를 활용하는 것이었습니다. 이 기술은 벌크 재료를 가열하여 절단하므로 상당한 HAZ가 발생합니다. 또한 더 짧은 UV 파장에 비해 이 긴 파장은 작은 스폿 크기로 초점을 맞출 수 없으므로 커프 폭이 더 큽니다.
10년 전 다이오드 펌프식 고체 상태(DPSS), 나노초 펄스 폭, 주파수 3배 레이저가 PCB 패널 분리에 효과적인 소스로 등장했습니다. 이는 상대적으로 "저온" 절제 공정을 통해 재료를 제거할 수 있을 만큼 충분한 펄스 에너지로 자외선(355nm) 출력을 제공합니다. 즉, CO2 레이저보다 HAZ가 훨씬 작고(그럼에도 눈에 띔) 잔여물 및 재주조 재료의 생성도 상당히 적습니다. 상업적으로 이용 가능한 소스의 펄스 에너지와 반복률 덕분에 CO2 레이저만큼 빠르지는 않지만 경제적으로 실행 가능한 공급 속도로 절단이 가능합니다. 이 기술의 주요 이점은 표에 요약되어 있습니다.
장점 |
설명 |
기계적 정밀도 |
절단은 좁은 커프 폭은 물론 매우 높은 치수 정확도와 정밀도로 수행됩니다. 이는 PCB의 활성 부품 근처를 절단하는 능력을 향상시킵니다. |
무응력 |
절단 공정 자체에는 진동과 마찰이 없으며 PCB의 기계적 변형이나 박리 또는 잔류 응력이 발생하지 않습니다. 따라서 절단 공정을 통해 후속 실패 메커니즘이 유입되는 것을 방지할 수 있습니다. |
낮은 HAZ |
UV 레이저 제거 공정의 본질적인 "저온" 특성은 기판의 대량 변경을 방지하고 단락으로 이어질 수 있는 회로 트레이스가 녹는 것을 방지합니다. 공정 중 잔여물 생성이 최소화되므로 후속 청소 단계가 필요하지 않으며 이후 회로의 고장 가능성도 최소화됩니다. 심지어 조립된 보드의 패널 분리도 허용합니다. |
운영 유연성 |
레이저 빔은 컴퓨터 제어에 따라 이동하고 출력이 빠르게 변할 수 있는 관성 없는 도구입니다. 이는 여러 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 거의 모든 모양을 절단할 수 있으므로 PCB 설계자는 기존 절단 방법으로 인한 폼 팩터 제한에서 벗어날 수 있습니다. 다음으로, 소프트웨어 제어를 통해 절단 패턴을 다양화할 수 있어 생산의 신속한 전환이 가능하고 단기 제조 비용도 효율적입니다. 마지막으로 다양한 레이저 출력을 통해 단일 도구로 절단 작업 외에도 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 여기에는 마킹/조각 및 금속 절제가 포함될 수 있습니다. |
재료 독립 |
자외선은 거의 모든 PCB 재료에 강하게 흡수됩니다. 이는 전통적인 구리 피복 플렉스 라미네이트, 플렉스 재료(더 두꺼운 전도성 층을 포함하는 재료도 포함) 및 다양한 저-κ 유전체를 포함한 거의 모든 PCB 구성과 공정이 호환되도록 합니다. |
표 1. UV 레이저 기반 PCB 절단의 주요 특징 및 장점
AVIA LX와 Coherent의 최신 레이저 패널 분리 기술
레이저 패널 분리는 분명히 수많은 이점을 제공하지만, PCB 제조업체는 처음에 언급한 시장 압력이 제시하는 점점 더 엄격한 크기, 재료 및 비용 문제를 해결하기 위해 이미 이 기술을 한계까지 밀어붙이고 있습니다. 특히 활발하게 개발되고 있는 영역은 HAZ 및 잔여물 형성을 더욱 감소시키고, 나노초 펄스 폭 UV DPSS 레이저로 얻은 절단 품질을 향상시키는 것입니다.
이러한 노력을 돕기 위해 Coherent Inc.의 응용 연구에서는 다양한 PCB 재료 및 재료 조합을 절단하기 위해 나노초 펄스 폭, 높은 펄스 에너지, UV DPSS 레이저(AVIA LX)를 사용하는 결과와 공정 공간을 조사했습니다. 이 작업을 기반으로 Coherent 팀은 HAZ 감소, 절단 가장자리 품질 향상, 커프 폭 감소 및 생산 처리량 증가를 제공한다고 입증된 새로운 PCB 절단 방법을 개발했습니다.
이 기술의 핵심 요소 중 하나는 열 축적을 방지하는 방식으로 작업 표면에 전달되는 레이저 펄스의 타이밍과 공간적 위치를 제어하는 독점적인 방법입니다. 이 접근 방식에서는 열 손상이 없기 때문에 두꺼운 재료(1mm 이상)를 절단할 때 훨씬 더 높은 펄스 에너지를 가진 레이저를 활용하는 것이 가능합니다.
더 높은 펄스 에너지의 장점은 더 두꺼운 재료를 절단하는 데 사용되는 전통적인 방식을 사용할 필요가 없다는 것입니다. 특히 여기에는 "V 홈"을 생성하기 위해 측면 변위한 일련의 스크라이브를 만드는 작업이 포함됩니다. 높은 종횡비 절단을 할 때는 빔이 재료 속으로 더 깊이 침투하므로 빔이 잘리는 것을 방지하려면 "V 홈" 형상이 필요합니다. 이는 그 힘을 감소시켜 절제 효율성을 제한합니다. 그러나 이 새로운 펄스 타이밍 접근 방식과 결합된 AVIA LX는 최대 400μJ의 높은 펄스 에너지를 활용하여 동일한 라인을 따라 반복적으로 스크라이브할 수 있습니다(측면 변위 또는 "v-홈" 없음). 그 결과 절단 속도가 빨라지고 커프 폭이 크게 줄어듭니다.
펄스 에너지가 높을수록 작업 표면의 레이저 초점 허용 오차도 늘어납니다. 특히, 낮은 펄스 에너지 레이저를 사용하는 경우 재료가 관통될 때 빔의 초점을 이동하여 절단이 발생하는 깊이에서 최소 초점 크기가 항상 정확하게 유지되도록 해야 합니다. 이는 재료 절제 임계값을 초과할 만큼 충분한 레이저 플루언스를 달성하기 위해 필요합니다. 그러나 실제 이 작업 시에는 PCB를 물리적으로 위로 이동하여 공정 속도를 늦추거나 3축 스캐너(초점 기능이 있는 스캐너)를 사용하므로 장비 비용과 복잡성이 증가합니다.
AVIA LX의 더 높은 펄스 에너지를 사용하면 PCB 중간 지점에 레이저의 초점을 맞추기만 하고 절단을 수행할 수 있습니다. 이는 레이저의 완벽한 초점에서 벗어나더라도 절제를 위한 충분한 레이저 플루언스가 있기 때문입니다. 장점은 절단 속도가 빨라지고 시스템 복잡성이 줄어드는 것입니다.
개선 사항의 예가 아래 사진에 나와 있습니다. 사진은 구리 트레이스가 있는 1.6mm 두께의 PCB 절단면으로, 현재 이 응용 분야에서 상업적으로 이용되는 UV DPSS 레이저 유형을 사용하여 절단한 것과 AVIA LX 및 새로운 접근 방식을 사용해 동일한 재료를 가공한 것을 비교한 것입니다. 이 기술로 가공된 보드는 절단 가장자리가 더 깨끗하며 구리 트레이스의 절단 가장자리도 크게 개선되었습니다.
그림 1. 경쟁사의 UV DPSS 레이저(왼쪽)와 새로운 Coherent 절단 공정을 사용하는 고펄스 에너지 UV DPSS 레이저(AVIA LX)(오른쪽)를 사용하여 절단한 1.6mm 두께의 PCB 단면. 후자는 가장자리 품질이 더 우수하고 구리 트레이스가 훨씬 더 깨끗하게 절단되어 있습니다.
다음 이미지들은 Coherent 방법을 활용하여 달성한 커프 폭의 감소를 보여줍니다.
그림 2. 경쟁사의 UV DPSS 레이저(왼쪽)와 더 좁고 일관된 커프를 생성하는 고펄스 에너지 UV DPSS 레이저(AVIA LX)(오른쪽)를 사용하여 절단한 0.95mm 두께의 PCB 절단 평면도.
다음 사진들에서는 AVIA LX로 잔여물을 최소화하고 트렌치 폭을 좁히며 HAZ를 크게 줄이면서 다층 PCB(유리 섬유층 포함)를 절단한 결과를 볼 수 있습니다.
그림 3. 경쟁사의 UV DPSS 레이저(왼쪽)와 새로운 Coherent 방식을 활용한 고펄스 에너지 UV DPSS 레이저(AVIA LX)(오른쪽)를 사용하여 절단한 1.6mm 두께의 다층 PCB 단면(유리 섬유층 포함). 이 새로운 방식은 더 좁은 트렌치 채널과 더 작은 HAZ를 제공합니다.
과거에는 폴리이미드 및 EMI 차폐 포일을 레이저 절단할 때 넓은 HAZ로 인해 절단선에서 약간의 박리가 발생했습니다. 이 경우 재료 손상을 방지하려면 더 낮은 펄스 에너지를 사용해야 합니다. 그러나 동일한 펄스 접근 방식을 사용하면 열축적을 제거하면서도 HAZ 및 커프 폭 감소라는 동일한 이점을 얻을 수 있습니다. 이는 결과적으로 다운스트림 생산 공정을 통해 더 높은 수율을 달성함으로써 생산 비용을 절감합니다.
그림 4. 100μm 두께의 폴리이미드 포일 평면도로 왼쪽의 경쟁사 UV DPSS 레이저를 활용한 절단 결과에서는 넓은 절단 커프와 상당한 크기의 열영향부(HAZ)를 볼 수 있습니다. Avia LX UV DPSS 레이저를 사용하여 오른쪽의 절단 결과를 얻었습니다. 이 방식은 더 좁은 트렌치 채널과 더 작은 HAZ를 제공합니다.
마지막으로, Coherent 펄스 방식을 사용하면 HAZ 감소와 처리량 증가가 가능하지만 플렉스 PCB 가공 시 펄스 에너지가 더 낮아진다는 사실이 다음 사진에서 확인됩니다.
그림 5. 경쟁사의 UV DPSS 레이저(왼쪽)와 고펄스 에너지 UV DPSS 레이저(AVIA LX)(오른쪽)를 사용하여 절단한 0.13mm 두께의 FPCB 평면도. 더 높은 절단 속도(11mm/s 대비 13mm/s)를 사용하여 훨씬 더 작은 HAZ가 생성된 것을 오른쪽 사진에서 확인할 수 있습니다.
실용적인 고펄스 에너지 DPSS UV 레이저
기존의 두꺼운 PCB 재료의 경우 실제로 Coherent 펄스 제어 방법을 구현하려면 이전에 시중에서 판매된 것보다 더 높은 펄스 에너지를 갖는 UV DPSS 레이저 소스가 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 Coherent는 최대 500μJ의 펄스 에너지를 생성할 수 있는 20W(파장 355nm) 고체 나노초 펄스 폭 레이저인 AVIA LX를 개발했습니다.
AVIA LX 레이저는 높은 처리량, 고품질 PCB 패널 분리가 가능하도록 특별히 설계되었습니다. 이 제품은 설계 및 제조 분야의 다양한 기술 발전이 결합된 결과로 높은 신뢰성, 우수한 성능 및 낮은 소유 비용의 탁월한 조합과 함께 높은 에너지 출력을 제공합니다.
AVIA LX는 Coherent의 광범위한 경험을 활용하여 안정적이고 수명이 긴 UV 출력 레이저를 생산합니다. AVIA LX에 사용되는 비선형(주파수 3배) 크리스털은 Coherent 내에서 생산되므로 이 중요한 구성 요소의 품질과 광학 특성을 직접 제어할 수 있으며 수명 연장, 성능 향상, 소유 비용 절감을 달성할 수 있습니다. 레이저의 실제 크리스털 맵과 그 안에 미리 검증된 20개의 3차 고조파 생성 지점(스폿당 수명이 1000시간 이상)의 위치가 포함된 내장 크리스털 시프터를 사용하여 수명이 더욱 극대화됩니다.
광학 부품의 오염은 UV 레이저 수명을 제한하는 주요 요인입니다. AVIA LX 레이저는 클린룸에서 제조되며, UV 광선에 직접 노출되는 내부 광학 장치는 실제 사용 시 오염을 방지하기 위해 PureUV 밀봉 구획 내에 포함되어 있습니다. 이를 통해 수명과 서비스 간격이 극대화됩니다.
또한 AVIA LX는 HASS 및 HALT 테스트를 통해 검증된 매우 견고한 산업 설계를 기반으로 합니다. HALT(High Accelerated Life Testing)에서는 프로토타입을 반복적으로 테스트하여 파괴하고, 재설계하고, 다시 테스트하여 내포될 수 있는 약점을 제거합니다. HASS(Highly Accelerated Stress Screening)는 지정된 운영 환경 이상으로 실제 생산 단위에 부담을 줍니다. 이 프로토콜은 제조 및 포장에서의 결함을 가려냅니다. 그 결과 비교할 수 없는 제품 신뢰성과 수명이 보장됩니다.
또한 AVIA LX는 통합 및 사용 용이성을 염두에 두고 설계되었습니다. 예를 들어, 내장된 제어 전자 장치와 통합된 빔 확장기를 사용하여 통합이 단순화됩니다. 수냉식 사용으로 높은 전력으로 작동할 때에도 수명과 펄스 간 안정성이 극대화됩니다.
결론적으로 Coherent AVIA LX 레이저는 새로운 펄스 제어 기술과 함께 기존 기계 공정은 물론 이전에 사용 가능했던 나노초 펄스 폭 UV DPSS 레이저 소스에 비해 PCB 패널 분리에 대한 탁월한 결과를 입증했습니다. 이 레이저는 기존 PCB 및 플렉스 회로 절단, SiP 절단 및 트렌칭, EMI 차폐 절단을 포함하여 차세대 마이크로 전자 장치에 필요한 다양한 제조 공정에 유용한 소스임을 증명할 것입니다.