더크 뮐러(Dirk Muller) 박사
코히런트(Coherent Inc.) 마케팅책임

레이저가 PCB 제조 비아(Via) 드릴링 공정에 활용된지는 오래 되었지만 여전히 기계로 드릴링하는 비율이 상당히 높다. 그러나, 다양한 첨단 패키징 기술이 진보함에 따라 비아(Via) 직경이 작아지면서, 기계적 드릴링의 비용은 상대적으로 올라가고 결국 기술적 타당성도 떨어지게 된다. 이제, 다양한 레이저 기술이 생산용 비아(Via) 드릴링을 마이크론 수준까지 확대 적용되기 위해 준비태세를 갖추고 있다. 본문에서는 도입이 확대되고 있는 최신 패키징 기술을 지원하는 다양한 레이저 소스를 살펴보고 각 소스의 특성과 역량을 설명한다.

CO2 레이저(CO2 Lasers)
 
이산화탄소(CO2) 레이저는 20년 이상 PCB 비아(Via) 드릴링에 사용되었으며 현재 시장 점유율은 약 20% 이다. 시장 점유율이 비교적 낮은 이유는 간단하다. CO2 레이저가 비접촉 방식으로 빈번한 툴 교체가 필요 없긴 하지만, Sweet spot의 홀 직경이 100 um 이하이기 때문이다. 업계가 더 작은 비아(Via) 생성 방향으로 전환하면서, 기계적 드릴링으로 대체하는 비용이 기하급수적으로 증가하게 되고 더욱 작은 마이크로 비아(Via)에 대한 수요가 늘어남에 따라 CO2 레이저 사용이 크게 확대될 전망이다.
CO2 레이저는 열 상호작용을 통해 비아(Via) 홀을 드릴링한다. 즉, 재료가 CO2 레이저에서 방출하는 적외선을 흡수하고 증발할 때까지 재료를 가열한다. 많은 유전체가 원적외선에서 흡수가 잘되는 반면, 대부분의 금속은 CO2 파장대에서 고반사성을 띄게된다. 그 결과 CO2 레이저로 드릴링시 구리층이 자연적인 방어막으로 작용한다. 구리가 피복되어 있는 표층을 드릴링 하려면 먼저 산화를 통해 레이저광을 흡수하는 녹청(Dark patina)을 생성하여야 한다.
CO2 레이저는, 기계적 드릴링과 비교하면, 더 작은 비아(Via)를 쉽게 생성할 수 있지만 적용가능한 최소 비아(Via) 직경에는 한계는 있다. 한가지 원인은 광회절이다. 구체적으로 보면 레이저 빔 집중이 가능한 최소 초점 부위의 크기는 파장대와 직접적으로 관련이 있다. 파장이 긴 경우(원적외선 등) 가시광선이나 자외선 파장만큼 포커스가 정밀하지는 못하다. 또한 광/재료 상호작용의 열 특성에 따라 드릴링 홀 주변에 작은 열영향부(HAZ)가 생성되는데, 이에 따라 타 형상근접가능 정도가 제한된다. 그 결과 CO2 레이저의 실질적인 최소 직경은 약 70 um가 된다. 그렇다면 홀 직경이 70 um보다 작은 경우는 어떻게 하면 될까?
 
CO 레이저(CO Laser)
 
이때 필요한 것이 바로 CO 레이저이다. CO 레이저는 약 50년전에 최초로 개발되었으나 수명과 신뢰성 문제로 인해 상용화되지 못하였다. 그러나 지난해 코히런트는 신기술 개발을 통해 CO 레이저를 실용화하였다. 즉, 수명을 수천 시간대로 늘리고, 효율적으로 사용가능한 고출력 CO 레이저 제품을 출시했다. CO 레이저가 관심을 끄는 이유는 CO2 레이저의 파장이 10.6 um인 반면, CO 레이저는 그 절반 수준인 스펙트럼 범위 5 um ~ 6 um를 방출하여 더 작은 포커스 스폿(Focused spot)을 생성할 수 있기 때문이다.
비아(Via) 드릴링 공정에서 CO 레이저의 짧은 파장은 많은 장점을 제공한다. 예를 들어 파장이 짧기 때문에(회절로 인해) 최소 비아(Via) 직경을 35 um까지 축소할 수 있다. 또한 이보다 직경이 큰 비아(Via)를 생성하는 경우에도 CO 레이저는 CO2에 비해 강점이 있다. 특히 CO 레이저 사용시 비아(Via) 직경을 70 um로 축소하는데 사용하는 초점 렌즈는 동일한 직경을 만들기 위해 필요한 CO2 레이저의 렌즈에 비해 초점 거리가 2배 길다. 파장이 짧은 CO 레이저 사용시 초점 거리가 길고 심도가 높기 때문에 스캐닝속도가 증가하고 그에 따라 비아(Via) 생성 속도도 빨라진다.
CO 레이저는 더 작은 스폿에 초점을 맞출 수 있기 때문에 동일출력의 파장이 긴 CO2 레이저보다 출력밀도를 높이기가 쉽다.(CO 레이저의 파장이 CO2 레이저의 약 절반가량이므로 생성하는 스폿도 절반 크기가 된다. 따라서 CO 레이저는 CO2 레이저에 비해 면적으로는 4분의 1 가공공간을 차지하거나, 출력 밀도로는 4배의 가공효과를 낸다) 반대로 일정한 출력 밀도를 달성하기 위해 필요한 총출력 전력이 CO 레이저의 경우 CO2 레이저의 4분의 1 수준인 것이다. 특정한 비아(Via) 드릴링 작업은 정확한 매개변수에 따라서 특정 공정에서 훨씬 낮은 출력의 CO 레이저를 사용하는것도 가능하다. 이 경우 레이저 비용과 전기사용량이 절감되고 프로세스상의 탄소 배출량이 감소된다.
광학적 장점에 더하여 파장대가 짧은 경우에는 광흡수에도 차이가 있다. 적외선 흡수 스펙트럼의 피크점이 다량 존재하는 고분자 물질의 경우가 특히 그렇다. 일부 고분자 물질은 10.6 um에서 높은 흡수성을 보이고 5 um ~ 6 um 대에서는 흡수성이 훨씬 낮으며 그 반대의 성향을 보이는 물질도 있다.
10.6 um와 5 um에서 판이한 흡수성질을 보이는 또 다른 중요한 물질은 유리이다. 유리는 현재 2.5D와 3D 첨단패키징 기술인 인터포저(Interposers) 적용의 측면에서 큰 관심을 끌고 있다. 특히 유리는 짧은 파장의 경우 흡수성이 현저히 낮기는 하지만 짧은 파장을 사용할 경우 실제로 탁월한 결과를 산출한다. 그 이유는 흡수성이 낮아 CO 레이저 빔이 재료에 더 깊이 침투할 수 있기 때문이다. 여기에 5 um 파장의 탁월한 초점 능력까지 더해지면 유리에 고형상비(High aspect ratios)의 초소형 홀을 정확한 심도제어를 통해 뚫을 수 있다. [그림 1]은 코히런트 애플리케이션 실험실에서 유리에 뚫은 직경 35 um의 비아(Via)이다. CO2 레이저로는 이 정도 크기와 품질의 비아(Via)를 유리에 뚫는 것이 불가능하다.

  [그림 1] CO 레이저로 연속 펄스를 사용하여 50 um 두께의 유리기판을 뚫을 수 있다는 것은 CO 레이저가 유리 인터포저를 드릴링할 수 있음을 보여준다. 본 유리재료에 CO2 드릴링시 일반적으로 열로 인한 크랙이 발생한다.

UV 고체레이저(UV Solid State Lasers)
 
CO2 레이저와 더불어 355 nm 파장대의 다이오드펌프고체(Diode-pumped, solid-state/DPSS) 레이저도 마이크로비아(Microvia) 드릴링에 주로 사용되는 소스로, 웨이퍼 및 마이크로 SD 카드 싱귤레이션(Singulation) 등, 마이크로 제조 작업에서 활용되고 있다. 고체 UV 레이저는 마이크로비아(Via) 드릴링 애플리케이션에 있어 두 가지 중요한 장점이 있다. 첫째, 파장이 CO2 및 CO 레이저에 비해 10배 이상 짧고 빔 품질이 탁월하기 때문에 UV 고체 레이저는 더 작은 크기의 스폿에 초점을 맞출 수 있다. 둘째, 파장대가 짧을 경우 금속, 유전체를 포함한 대부분의 물질이 적외선을 더욱 강력하게 흡수한다. 그러나 UV 파장은 가공중 주변물질에 깊이 침투하지 않기 때문에 제거 물질의 심도를 더욱 정확하게 제어할 수 있으며 열영향부(HAZ)의 면적도 크게 줄어든다. 
이러한 장점을 종합하여 보았을때 UV DPSS 레이저는 직경 25 um ~ 35 um의 마이크로비아(Microvia)를 생산하기 위한 최상의 선택이라 할 수 있다. 구리와 Composite layers를 모두 드릴링할 수 있는 것도 UV 레이저의 또다른 장점이다. UV 레이저는 통상적으로 적외선(CO 및 CO2) 레이저에 비해 유지보수 비용(Cost of ownership)이 높기 때문에 일반적으로 약 70 um 이상의 비아(Via)에는 사용하지 않는다.
UV DPSS 레이저의 전반적인 수명과 서비스 빈도에 있어 한가지 주요한 한계요소는 Tripling Crystal(THG) 사용빈도이다. 특히 이것은 고체레이저 원래의 근자외선 방출을 UV로 전환시키는 비선형 광학소자(보통 약 1 um 파장)이다. 이 결정체를 사용할 수 있는 기본 구성은 두가지가 있다. 레이저 공진기의 내부에 설치하거나 외부에 설치한다. 내부에 설치시 외부설치에 비해 고광출력파워 전달이 더 수월하다. 그러나 결정체를 공진기 내부에서 광출력에 노출할 경우 수명이 크게 줄어들고 특정 전격용량(Power rating)에 대한 서비스 빈도가 늘어나게 된다. 그래서 마이크로비아(Microvia) 드릴링용 코히런트 UV DPSS 레이저는 가능한 높은 신뢰성 확보를 위해 Tripling Crystal 공진기 외부설치를 적용하고 있다. 이 접근 방식을 통해 코히런트는 결정체 교체없이 최대 40 W에서 10,000 시간 이상 가동할 수 있는 UV 레이저를 공급할 수 있게 되었으며, 이는 현재의 마이크로프로세싱 작업 수행요건을 충족하고도 남는 수준이다.
 
엑시머 레이저(Excimer Lasers)
 
엑시머 레이저는, 더 깊은 비아(Via) 가공이 가능한, UV 소스(보통 308 nm 또는 248 nm)로, DPSS UV 레이저와는 확연히 다른 방출 특성 때문에 매우 다른 방식으로 마이크로비아(Microvia) 드릴링에 적용되고 있다. 일반적으로, DPSS UV 레이저에서 나오는 연필모양의 빔은 보통 드릴(Drill), 스텝(Step), 반복(Repeat) 모드에서 활용한다. 이 모드에서 초점을 맞춘 레이저 빔은 원하는 홀 위치로 옮겨지고 레이저가 홀을 드릴링 한다. 드릴링이 끝나면 레이저 빔은 다음 드릴링 위치로 옮겨지며 순차적으로 작동한다. 본 접근방식에서 처리량은 드릴링하는 비아(Via)의 개수에 선형적으로 비례하게 된다.
반대로 엑시머 레이저는 마스크 기반 라이팅프로세스에 사용하기에 이상적인 대형 직사각형 빔을 생성한다. 여기서 패널의 비아(Via) 패턴을 저장하고 있는 포토마스크, 또는 패널의 한 부분을 레이저로 비춘다. 그런 다음 포토마스크를 작업표면에 재조명하여 빔 섹션내에 있는 모든 홀을 동시에 드릴링 한다.

 [그림 2] 레이저 비아(Via) 드릴링 공법 중 디렉트라이트와 마스크 기반 라이팅 간의 차이점을 묘사한 도식

마스크 기반 라이팅에서는 레이저 Energy density(fluence)과 펄스 빈도수가 한번에 노출가능한 최대 필드 크기를 결정하지만 해당 필드안에 생성할 수 있는 홀의 총 개수를 결정하지는 않는다. 따라서 피치 크기가 감소할수록(또한 일정 면적에서 생성하는 홀의 개수가 증가할수록) 동시에 작업하는 마스크 기반 드릴링의 효율성이 갈수록 증가한다. 사실 동시드릴링률은 피치 크기의 제곱에 비례하여 증가한다. 이러한 특성 때문에 엑시머 레이저는 형상 크기와 간격이 감소할수록 매력적인 대안이 되며 비아(Via) 직경과 피치가 시간이 갈수록 줄어들기 때문에 “미래 경쟁력 강화형” 기술의 성격을 띈다. 엑시머 레이저의 초기 구매비용이 상대적으로 높기 때문에 이러한 제품은 보통 생산량이 시간당 50~100 패널 이상이거나 목표 형상크기가 5 um ~ 10 um일 경우 경제성이 있다.
짧은 파장방출의 특성 때문에 엑시머 레이저는 UV DPSS 레이저와 프로세싱 특성이 유사하다. 특히 금속과 유전체를 포함한 대부분의 물질이 강력한 흡수성을 보이며 마이크론 수준의 가공시 HAZ이 0에 근접하여 열영향이 거의 없다고 할 수 있다.
코히런트 애플리케이션 실험실에서는 엑시머 레이저를 사용한 유리 인터포저 비아(Via) 드릴링도 시험하였다. 본 테스트에서는 피치(홀간 간격) 50 um의 직경 25 um 홀을 두께 100 um ~ 300 um의 유리기판에 생성하였다. 레이저 파장 193 nm, 펄스 에너지 600 mJ를 작업표면 플루언스 7 J/cm²를 생성하는 마스크 기반 프로세스에 적용하였다. 파장을 193 nm로 정한 이유는 해당 파장에서 유리의 흡수성이 강해지기 때문이다.

 [그림 3] 유리에 드릴링 한 엑시머 레이저(193 nm) 비아(Via). A) 개구 홀(Entrance hole) 직경 25 um, B) 출구 홀(Exit hole), C) 단면.

총 700 펄스 이하를 사용하여 시험한 결과 모든 두께에서 깨끗하고 둥근 균형잡힌 비아(Via)를 성공적으로 생성하였다. 두께가 큰 경우 홀 넓이 감소(Hole taper)가 관측되었으나 유리 양쪽에서 연속 드릴링하여 본 효과를 크게 감소시켰다. 이 작업은 비교적 쉬운데, 그 이유는 유리가 투명하므로 유리 한쪽면에 기점 마크를 표시하고 뒤집어서 다른쪽 면에서 드릴링을 하기가 수월하기 때문이다. 전반적으로 본 테스트를 통해 최소 직경 5 um 까지 성공적으로 생성할 수 있음을 알 수 있었다.
이에 더하여 마스크 기반 엑시머 레이저 어블레이션을 통해 형상깊이와 벽 각도의 탁월한 제어가 가능하다. 3개의 레이저 펄스만을 사용하는 CO2 레이저 드릴링과는 달리 엑시머 레이저는 수많은 펄스를 활용하며 각 펄스가 적은 양의 재료만을 제거한다. 따라서 적용하는 레이저 펄스의 개수를 다양하게 조정하면서 비아(Via) 깊이를 정확하게 제어할 수 있다. 벽 각도는 레이저 플루언스가 크게 좌우하므로 본 매개변수 또한 조정을 통해 원하는 결과물을 정확하게 생산할 수 있다.

  [그림 4] 레이저 플루언스 조정으로 형상의 측벽 각도 조종. 후속 침전 단계에서 중요한 과정일 수 있음.

결론적으로 현재 적용하고 있거나 점차 인기를 끌고 있는 대부분의 첨단 패키징 기술은 기계적 드릴링의 역량을 벗어나는 마이크로비아(Microvia)를 필요로 한다. 이러한 필요를 충족하기 위하여 레이저 제조업체들은 오늘날의 첨단 패키지를 위한 차세대 PCB, 기판, 인터포저를 최적으로 지원하는 다양한 툴을 이미 개발하였으며, 이에 따라 가까운 미래에 모든 분야에서 예상되는 소형화 트랜드에 맞는 성능을 제공하고 있다.

관련문의 / 코히런트(COHERENT)
본 글 관련 문의는 코히런트 코리아 영업부로 연락하시기 바랍니다.
Tel. 02-460-7900
E-mail. sailes.korea@coherent.com
www.coherent.com