PCB에서 LPKF 레이저 가공의 여러 가지 장점

일반적으로 디패널링에 자주 사용하는 가공 방법은 밀링 가공이다. PCB 제조업체 대부분은 과거의 경험을 통해, 레이저 시스템은 가공 속도가 느리고 깨끗하지 않은 절단면과 가공 잔류물이 남는다는 생각을 가지고 있다. 레이저 가공 기술과 LPKF의 CleanCut 기술의 지속적인 발전으로 이러한 레이저가 가지고 있는 단점들이 많이 보완되었다. 이제 레이저 시스템은 많은 응용 분야에서 밀링 머신보다 훨씬 우수하다는 것이 입증되었다.

원자재 가격이 지속적으로 상승하고 있어 재료를 절약할 수 있는 것은 laser 가공에 있어서 매우 중요한 장점이 된다. 단순히 가공 변수를 조정하여 광범위한 재료를 처리할 수 있는 유연성을 생각하면, 레이저 가공을 선택하는 것이 유리하다고 할 수 있다.

재료 절약의 이점

일반적인 디패널링의 방법으로 PCB 제조사들은 탭을 제거하기 위해 직경 2~3mm 밀링 공구를 사용한다. PCB는 추가적인 생산 공정 및 조립공정을 위해 몇 개의 탭으로 panel에 고정되어 있다.

이러한 탭은 PCB를 한 장의 Panel에 가로방향과 세로방향으로 수십 개의 pcb를 array 할 수 있게 하고, panel의 안정성을 보장하게 한다. EMS 공급자는 PCB 조립 후 밀링 설비로 탭을 제거하여 PCB를 PANEL에서 분리한다.

다른 한편으로, 레이저 커팅으로 디패널링하기 위해, EMS 서비스 공급자가 PCB 조립 후 회로 기판을 패널에서 분리할 수 있다. 레이저 가공방법으로 사용하면 회로 기판과 회로 기판 사이에 공간을 최소화하면서 PCB를 Panel에 배치할 수 있다. 특히 소형 PCB의 경우, 레이저가공과 밀링 가공 시 필요한 공간의 차이는 상당히 크다.

더 많은 보드를 한 패널에 수용할 수 있기 때문에, 레이저가공 방법을 사용하면, 재료를 최대 30% 이상 줄일 수 있다. 또한 PCB를 한 번에 패널에서 절단하므로, 전체 프로세스를 생략할 수도 있다. 직접 비교를 통해 차이점을 살펴보자.

1a(왼쪽): 밀링용 PCB 패널, 1b(오른쪽): 레이저용 PCB.
이 디패널링 방법을 사용하면 절단에 필요한 공간을 줄여 재료를 절약할 수 있다. 위 예시의 경우는 대략 30%의 재료가 절약된다. 또한 가장자리 가까이 회로기판을 배치할 수 있다.

깨끗한 Cutting edge의 이점

LPKF CleanCut은 이전에 레이저 절단의 단점으로 간주되었던 절단면 품질을 개선했다. FR4 밀링을 하면 절단된 모서리가 하얗게 보이고, 처음에는 깨끗하지만 모서리의 백색은 유리 섬유를 밀링 공정으로 절단하면서 생기는 유리 단편의 반사에 의한 것으로, 실제는 먼지로 덮여 있는 것이다. 이러한 현상은 레이저 가공에서는 전혀 발생하지 않는다. 다른 한편으로, 이전의 레이저 절단 기술은 절단면에 미량의 탄화 잔류물이 남아 일부 적용 사례에 단점이 될 수 있다. LPKF는 새로운 CleanCut 기술을 통해 레이저 절단의 품질을 크게 개선하였다. 모서리에 탄화물이 잔존하지 않으며, 밀링 공정보다 훨씬 깔끔하고 깨끗하다. 회로 기판의 모서리에 있는 유리 섬유는 밀링 공정의 울퉁불퉁한 유리섬유 단면과 달리, 레이저 공정에서는 융합되어 균일한 단면을 형성하고, 재료의 특성도 손상되지 않는다. 또한 레이저의 품질은 항상 동일하지만, 밀링에서는 공구 마모로 인해 지속적으로 하락한다.

그림 2a와 2b는 밀링한 재료의 절단 가장자리와 레이저 컷 FR4 재료의 가장자리를 보여준다. 위에서 언급한 밀링 공정 이후 open 구조를 III. 2a에서 확실하게 확인할 수 있으며, III 2b의 레이저 커팅 후 close 구조와 비교할 수 있다.

2a: 밀링한 단면, 2b: 레이저로 커팅한 단면

다양한 재료에 적용할 수 있는 이점

PCB 분야의 기술 발전은 광범위한 영향을 미친다. 회로 기판 구조는 점점 정교해지고 복잡해질 뿐만 아니라, 더 높은 주파수의 가공을 견딜 수 있어야 한다. 예를 들어, 5G 모바일 네트워크에서는 3.3 ~ 5GHz의 주파수를 사용하지만, 표준 기판 FR4는 많은 고주파 응용 분야에서 더 이상 사용할 수 없다. 세라믹 기반 라미네이트 재료인 PTFE 또는 기타 특수 재료를 선호하거나 심지어 새로운 재료들이 개발되었지만 이러한 재료들은 민감하고 까다롭기 때문에, FR4보다 가공하기가 훨씬 어렵다. 레이저 시스템은 다양한 기재에 맞추어 적합하게 설정하고 재료들을 유연하게 선택할 수 있다. 다른 재료를 가공하려면 사용자 가공 변수를 통해 시스템 가공 변수를 조정하면 된다. 이것은 추가 도구나 특별한 전용 시스템이 필요 없으며, 하나의 레이저 시스템에서 다양한 재료를 처리할 수 ​​있다는 의미이다.

연성 PCB의 사용도 점점 늘고 있다. 연성 PCB의 유연성은 폴리이미드 재료의 밀링을 어렵게 한다. 레이저 시스템의 비접촉 가공은 Flexible한 PCB의 윤곽을 그리는데 매우 적합하다. 특히 매우 복잡한 선은 레이저 시스템에서는 전혀 문제가 되지 않는다. 비접촉 가공인 레이저 공정은 가용성 재료를 복잡하게 고정할 필요가 없고, PCB는 진공을 통해 정확하고 부드럽게 안착된다.

비접촉 가공(Stress-free)의 장점

PCB 설계에서 공간을 절약하고 재료 비용을 줄이기 위해 구성요소와 도체 트랙을 가능한 한 PCB 가장자리에 배치하며, 이러한 배치는 레이저 시스템으로 구현이 가능하다. 이는 레이저 시스템이 비접촉식 가공으로 기계적인 스트레스를 일으키지 않기 때문이다. 기계적 디패널링 방법은 이야기가 다르다. 예를 들어 밀링 공정에서 발생하는 기계적 stress는 솔더 포인트에 압력을 가하여 오작동을 일으킬 수 있다. 재료의 유전 특성은 또한 절단 공정에 의해 근본적으로 영향을 받을 수 있고, 부품의 기능에 악영향을 미친다. LPKF는 다양한 재료 시험을 포함한 광범위한 테스트를 통해 유전체 특성과 열 효과에 대한 레이저 프로세스의 영향을 연구하고 개발했으며, 적절한 레이저 가공 변수를 선택하는 것만으로 레이저의 무해한 효과를 달성하였다. 따라서 피코초 레이저가 장착된 레이저 시스템을 사용하더라도 열 부하가 적으며 재료의 유전특성도 변하지 않는다. 물론, 스트레스 없는 공정의 장점을 밀링과 조합하여 사용할 수도 있다. 사전 밀링으로 제작된 회로 기판의 탭을 레이저로 자르면, 이 시점의 낮은 기계적 stress로 인해 레이저 절단 공정에서 손상될 위험 없이 패드와 회로를 기판 가장자리까지 배치할 수 있다.

보다 정밀한 가공 형상의 이점

레이저 시스템은 포지셔닝 측면에서 매우 유리하며 복잡한 윤곽을 쉽게 가공할 수 있다. 최소 반경과 최소 탭 너비 모두 준수할 필요가 없다. 컷 아웃의 프리 커팅도 문제가 없으며, 기하학적 자유도는 더 많은 디자인 가능성을 가능하게 하며, 절단, 패턴닝, 드릴링이 가능하다. 따라서 PCB를 설계 단계부터 간결하고 결과 지향적으로 설계할 수 있다.

세정 공정의 이점

세정 공정은 회로 기판의 장기적인 안정성에서 중요한 역할을 한다. 표면 저항은 청결도의 척도이며, SIR 테스트를 통해 테스트할 수 있다. 예를 들어 소자 아래에 남아있는 회로 기판의 잔류물은 돌기 형성을 유발할 수 있다. 이처럼 돌기는 결정 구조를 키워 단락을 초래하며 결과적으로 회로 기판의 오작동을 유발한다. LPKF CleanCut 기술을 사용하는 레이저 커팅은 dust가 없는 공정으로 회로 기판에 잔류물이 남지 않아 후속 세정도 필요 없기 때문에, 레이저 시스템은 기술 청결을 지원하고 결과적으로 신뢰성을 높인다.

3: FR4 절단면, 레이저 입사면, 어떠한 후속 세척 공정이 필요 없는 레이저 진입 면의 깔끔한 절단면을 보여준다.

유지 보수의 이점

레이저 시스템은 작동 시 마모가 없어, 도구를 변경할 필요가 없기 때문에 비용과 추가적인 개입이 줄어들고, 마모가 없다는 것은 일관된 높은 수준의 품질을 의미한다. 레이저 프로세스를 사용하면 공구가 파손되거나 회로 보드가 손상될 위험도 없다.

다양성의 이점

레이저 시스템은 다양한 재료를 가공할 수 있다. 일반적인 PCB가 공 외 다른 재료의 제조 공정에도 사용할 수 있고, 다양한 재료를 드릴링할 수도 있다. 또한 회로 보드를 스트럭처링하는 데도 사용할 수 있다. 어블레이션(ablation)을 통해 구리 표면이 제거되고 사전 정의된 레이아웃에 따라 회로와 패드가 생성된다. 최신 PCB 생산에서 솔더레지스트가 커버층으로 점차 대체되고 있다. 이 얇은 폴리이미드 필름을 처리하기 위한 요건은 매우 까다롭다. 매우 미세한 구조의 공차 한계가 매우 작으며, 후속 납땜 공정을 위해 커버 층에 Burr를 완전히 없애야 한다. 레이저는 커버층을 완벽하게 처리할 수 있어 적합하다. 또한 Roll to roll 공정에서 매우 비용 효율적으로 cover layer를 가공할 수 있다.

자동 load/unloader 시스템을 갖춘 LPKF PicoLine 3000 Ci 레이저 시스템

LPKF의 레이저 시스템은 사용자 친화적이며 사용자 개입이 최소화할 수 있도록 최적화하였다. 또한 Industry 4.0 생산 환경에서 최적으로 사용할 수 있다. 레이저 절단은 많은 장점을 가지고 있으며 밀링 가공에 비해 절대적으로 유리하다. 레이저 가공 기술의 개발 덕분에 기술적인 측면뿐만 아니라 비용 측면에서도 밀링 공정보다 우수하다는 것이 입증되었다. 특히 첨단 응용 분야에서는 PCB 분리를 위한 우수한 레이저 성능과 효율성을 무시할 수 없게 되었다.