LPKF, PCB를 정확하게 드릴링 하기 위한 레이저 기술

아주 작은 다층 PCB에 대한 수요로 PCB 드릴링 작업이 복잡해졌다. 점점 늘어나는 다층으로 인해 기존의 소자 관통홀(PTH)보다 블라인드 비아(BVH) 드릴링이 중요하다. 오늘날 PCB의 콤팩트하고 복잡한 구조로 인해 블라인드 비아 홀의 품질 요건이 까다롭다. 여기에 고주파 어플리케이션은 특수한 기재를 필요로 하며, 이러한 물질은 정확하게 맞추어진 가공법을 요구하여, 최소 직경의 마이크로 비아홀은 기계적으로 구현하기 어렵다. 따라서 레이저 기술의 정확도와 유연성이 PCB를 드릴링 하는 목적에 적합하다.

그림1: 블라인드 비아의 레이저 유입측, 직경75µmFCCL, 18µm Cu, 25µm PI, 18µm Cu

SMT 부품은 현대식 PCB에서 패드에 배치되어 실장 된다. 이 기술로 인해 공간이 절감되고 가공 프로세스 관리가 가능하다. 실장 되는 outer lead(소자의 다리)를 꽂기 위한 관통 홀이 필요 없으며, 이러한 소자를 복잡하게 조립할 필요도 없다. 현대적인 적용 기술에서 전체 재료를 관통하는 홀은 거의 전적으로 PCB 조립에만 사용된다. 하지만 PCB의 다양한 레이어들 간에 도체 경로를 연결하기 위해 홀 가공은 불가피하다. 이러한 홀의 직경은 매우 작아 이를 마이크로 비아 홀이라 한다. 이 마이크로 홀은 외층에서 출발하는 블라인드 비아 및 내층에서 연장되는 베리드 비아와 구분된다. 기계적 홀 가공 시스템은 마이크로 비아를 안정적으로 가공할 수 없기 때문에 대체적으로 레이저 시스템을 사용한다. 이 레이저 시스템은 50µm, 75µm, 100µm, 150µm의 홀 직경이 미세한 경우에 적합하며 성능 면에서 탁월하다.

품질이 결정적이다

그림2: 블라인드 비아 측면, 100µm FCCL, 35µm Cu, 25µm PI, 35µm Cu

마이크로 비아는 홀의 품질이 아주 중요한 변수이다. 레이저를 이용한 드릴링에서 위치 정확도, 드릴링 직경의 반복 정확도, 가공 홀의 진원도 그리고 홀 형상(테이퍼)도 품질 평가에 아주 중요한 항목들이다.

홀 위치의 정확한 배치는 PCB의 정밀한 구조에서 미세한 홀 직경과 하부 층과 안전한 연결을 위해 필수적이다. 이를 위해 전체 홀 직경이 도체 층과 연결되어야 한다. 디지털로 제어되는 현대식 레이저 시스템은 고도로 정밀하게 작업하고 재료 가공 과정에서 큰 질량이 움직이지 않아도 되기 때문에, 위치 정확도와 재현성 같은 까다로운 요건을 충족할 수 있다. 레이저 드릴링에 특화된 LPKF 레이저 장비의 위치 정확도는 ±20µm ~ ±25µm이며, 정확하게 설정된 매개변수(setting parameters)는 홀의 최적의 진원도를 보장한다.

이 레이저 공정의 결과로 형성되는 것이 이른바 테이퍼이며 바로 원뿔 형태의 레이저 홀이다. PCB 제조사는 대체로 홀의 상부 직경과 하부 직경 간에 85%의 비율을 요구하는데, 이는 레이저 드릴링 시스템으로 가공이 가능하다.

LPKF 레이저 시스템은 의도적인 승화 시 홀의 코어에서 레이저에 의해 기재가 뒤로 밀리지 않도록 레이저 빔을 적절히 구성되어 언더 에칭(에칭 부족)이 방지된다. 만일 언더 에칭이 방지되지 않는다면 이후의 세척작업과 금속화 단계에서 위험해질 수 있다.

또 다른 품질 기준은 하부 구리 층의 노출이다. 하부 구리 층은 가공 damage 없이 노출되어야 하며 손상되어서는 안 된다. 하지만 이는 매우 어려운 과제이다. MicroX와 PicoX 시리즈의 LPKF 레이저 시스템은 시스템 소프트웨어와 하드웨어를 정확하게 조정하는 것이 가능하다. 특히 레이저에서 프로세스 매개변수(patameter)의 간단한 설정만으로 홀 가공을 최상으로 구현할 수 있다. 이 레이저 시스템은 진원도와 테이퍼 측면에서 최적의 결과뿐만 아니라 정확한 가공 깊이를 보장한다.

홀 형태와 관련된 품질 기준 외에 다른 요소들도 중요한 역할을 한다. 예를 들어 상부 구리 층이 개방될 경우 레이저가 기재로부터 인접한 구리를 들어 올리지 않도록 하는 것이 중요하다. 이는 슬리브의 성장과 연결을 방해할 뿐만 아니라, 추후에 PCB의 기능을 위협할 수 있다. 또한 홀 주변의 레이저 가공 잔여물도 방해 요소이다. 드릴링 공정에서 발생할 수 있는 PCB 상의 스패터도 마찬가지이다. 특정 상황에서는 이 두 가지 오염물은 반드시 제거되어야 한다. 많은 응용분야에서 LPKF 장비는 레이저 가공 시 발생되는 잔여물을 잘 제어한다는 점이 입증되었다. 소량의 레이저 가공 잔여물은 대체로 무시할 수 있고, 배출물과 잔류물은 대부분 피할 수 있다. 이러한 것은 LPKF PicoX 레이저 시스템을 통해 LCP의 홀을 촬영한 다음 사진에 잘 나타난다.

속도도 중요하다

그림 3: 반사 현미경 촬영: 홀 영역에 물질 잔재가 없음

가공 설비 선정할 때에 홀 품질이 가장 중요한 요소이지만, 드릴링 속도도 중요한 역할을 한다. 가공 속도는 레이저 시스템의 생산성에 결정적인 역할을 한다. PCB 제조사들의 요건은 많은 홀을 최단 시간에 작업하는 것이다. 이런 측면에서 레이저 시스템은 일반적인 기계 드릴링 가공보다 뛰어난 성능을 가지고 있다. 레이저 빔 가이드를 통해 Z 축 방향으로 제품이 움직일 필요가 없기 때문이다. 또한 레이저 가공 헤드의 무게는 드릴링 헤드의 무게에 비해 가벼워, 레이저 빔을 빠르게 움직일 수 있을 뿐만 아니라 기계 내 진동도 발생시키지 않는다. 따라서 무거운 드릴링 테이블도 필요 없다. 레이저 시스템에서 드릴링 속도는 홀 크기에 따라 다르다. 물론 홀이 작을수록 생산량이 많아진다. 레이저 시스템은 작은 홀을 가공할 경우 가공 속도가 빨라진다. LPKF driling 시스템은 직경 50µm의 홀을 가공할 경우 초당 20,000개 이상의 홀 가공이 가능하다.

다양한 재료를 가공할 수 있는 장점이 있다

그림4: 보어 가장자리에 배출물 없음: LCP 홀SEM촬영

레이저 드릴링 시스템은 기계식 드릴링 시스템에 비해 빠르고 정확하게 홀을 가공할 뿐만 아니라, 다방면에 사용이 가능하다. 동일한 하나의 시스템으로 시스템 매개변수(parameter)만 간단히 조정하여 다양한 재료를 가공할 수 있다. Flexsible PCB를 기계식 가공방법으로 가공하기는 어렵지만, 레이저의 비 접촉 가공 기술로는 전혀 문제가 되지 않는다. 또한 PCB를 가공하기 위해 번거롭게 고정하지 않아도 된다. 레이저는 경도가 높은 고주파 소자의 재료도 빠르고 정확하게 가공하며, 홀 가공 및 윤곽 커팅이 가능하며, PCB 형태 또한 가공이 가능하다.

해법은 레이저 드릴링을 위한 특수 시스템이다.

레이저 시스템 LPKF MicroX 5000 및 LPKF PicoX 5000은 PCB 드릴링을 위해 설계하였다. LPKF 는 개발 당시 이른바 핵심 매개변수인 품질과 속도를 고려하였다. 재료의 가공 성능을 최적화한 레이저를 장착한 시스템은 533 x 610 x 11mm의 가공 면적을 제공하고, 검증된 LPKF 시스템소프트웨어와 함께 납품된다. 이 시스템은 드릴링에 최적화되어 있지만, PCB의 디패널링이나 스트럭처링에도 당연히 사용할 수 있다.