In the manufacturing of the flexible printed circuit board, laser machining is one of the common methods for the blind via-hole formation through the polyimide layer of the flexible copper clad laminate. Until now, CO2 laser is the most popular laser source for such purpose. However, UV laser is replacing CO2 laser nowadays because it provides smaller beam spot, longer depth of focus, and less thermal damage to polyimide. Nanosecond pulsed laser with 355 nm wavelength - the frequency tripled YAG laser - is the most common UV laser because it has efficient cost performance.
Because UV laser is highly absorbed into both copper and polyimide, it is a challenging task to control the damage to the underlying material, copper. Gaussian laser beam is improper to the percussion drilling of nearly straight-walled blind via-holes without damaging to copper. Spatial beam shaping of UV laser is a promising technology which can control the shape and the depth uniformity of the laser-machined hole. Consequently, the direct irradiation of laser onto the underlying copper layer can be minimized. Beam shaping optics consisting of two aspheric lenses is designed by an approach based on the geometrical optics. The designed optics is fabricated after verification by beam propagation simulation. The fabricated beam shaping optics was installed on an actual laser machining platform, and the applicability of the optics was validated by beam shape measurements and observations on laser-machined specimens.
To predict the laser-machined shape, numerical simulation model for polyimide machining by spatially shaped UV laser is studied in the present research. An adaptive heat source model using ray tracing is developed for fully three-dimensional simulations of laser machining based on the volume-of-fluid method. The model is capable to describe both the ray transmission into the material and the reflection from the material surface. In the computational implementation of the model, a stochastic approach was introduced to avoid the recursive branching of an incident ray into transmitted and reflected rays. Since the ray tracing depends highly on the shape of the target material, proper surface reconstruction method is also considered. For the spatially continuous representation of the free surface of the material, the piecewise linear surface of the volume-of-fluid method was converted into the level set surface reconstructed by the interpolation of the signed distance function. The applicability of the model was validated by example simulations and experiments on polyimide. Finally, the validated model was applied to predict machining, percussion drilling and scribing, by spatially shaped laser and the key feature of laser machining was successfully predicted by the numerical simulation.
연성인쇄회로기판의 제조에서 레이저 가공은 동장 적층판의 폴리이미드층에 블라인드 비아홀을 형성하기 위하여 사용되는 일반적인 방법들 중 하나이다. 현재까지는 이산화탄소 레이저가 이러한 목적에 가장 인기있는 레이저 광원이었으나 최근에는 작은 집속 크기, 긴 초점거리, 폴리이미드에의 적은 열영향 등의 장점을 가진 자외선 레이저가 이를 대체하고 있다. 355 nm 파장을 가진 나노초 펄스레이저는 효율적인 가성비를 갖고 있어 가장 일반적인 자외선 레이저이다.
자외선 레이저는 구리와 폴리이미드 모두에 강하게 흡수되므로 폴리이미드를 제거하면서 하부의 구리층에 손상을 입히지 않도록 제어하는 것은 어려운 작업이다. 가우시안 분포의 레이저 빔은 구리에 손상을 주지 않고 수직에 가까운 벽면 기울기를 갖는 블라인드 비아홀을 천공하는 데에는 부적절하다. 자외선 레이저의 빔 쉐이핑은 레이저 가공된 구멍의 형상과 깊이 균일도를 제어할 수 있는 유망한 기술이다. 결과적으로 하부 구리층이 레이저에 직접 노출되는 것을 최소화할 수 있다. 두 개의 비구면 렌즈로 구성된 빔 쉐이핑 광학계가 기하광학을 기반으로 하는 접근 방식에 의하여 설계되었으며, 빔 전파 시뮬레이션에 의해 검증 후 제작되었다. 제작된 빔 쉐이핑 광학계는 실제의 레이저 가공 플랫폼에 설치되었으며 빔 형상 측정 및 레이저 가공된 시편의 관찰에 의하여 그 적용성을 확인하였다.
본 연구에서는 공간적으로 쉐이핑 된 자외선 레이저에 의한 폴리이미드 가공부의 형상을 예측하기 위한 수치해석 모델을 연구하였다. 유체체적법에 기반하여 레이저 가공을 3차원적으로 해석하기 위하여 광선추적법을 이용한 열원 모델이 개발되었다. 이 광선추적 모델은 레이저가 재료 내부로 침투하는 현상과 재료 표면에서 반사되는 현상을 모두 다룰 수 있다. 하나의 입사 광선이 표면과 만날 때 마다 침투 광선과 반사 광선으로 분기되는 것을 구현하기 위해서 확률적인 접근 방식을 도입하였다. 또한 광선추적법은 표면의 기하학적인 형상에 매우 큰 영향을 받으므로 적절한 표면 형상 재구축 방법 역시 본 연구에서 다루었다. 부드럽게 이어져 있는 표면 형상을 표현하기 위하여, 조각적 연속성을 갖는 유체체적법 상의 표면 조각들은 부호거리함수를 사용한 level set 방법으로 변환하였다. 이 수치해석 모델은 적절하게 구성된 예제 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였으며, 쉐이핑 된 레이저 빔에 의한 가공 또한 성공적으로 예측하였다.
