PCB 디패널링

PCB의 소재, 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 Coherent에서 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.
 

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 Coherent의 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.