전자동박과 액정 폴리머의 레이저 복합 용접

동박은 전도성, 열전도성 및 연성이 우수하여 인쇄회로기판에 널리 사용되고 있다. 액정 폴리머(LCP)는 종래의 폴리머보다 전기적 특성이 우수하여 플렉시블 인쇄회로기판, 특히 비접착성 2층 플렉시블 동판에 많이 사용되고 있다. 전자와 정보기술의 급속한 발전으로 전자제품의 기능이 날로 강력해지고 신호전송주파수가 점점 높아짐에 따라 종래의 인쇄회로기판 제조방법은 더 이상 고속 고주파 통신기술의 발전요구를 충족시킬 수 없게 되었다.

 

현재 플렉시블 구리 코팅판은 크게 3층 플렉시블 구리 코팅판(3L-FCCL)과 2층 플렉시블 구리 코팅판(2F-FCCL)의 두 가지 범주로 나뉜다. 3L-FCCL은 비교적 성숙하게 개발되었지만 제조 과정에서 접합 층으로 접착제를 첨가하여 적용 범위가 크게 제한되었다. 2L-FCCL은 주로 코팅법, 라미네이트법 및 스퍼터링법을 사용하여 제조되며 일반적으로 제조 공정이 복잡하고 생산 비용이 높다는 단점이 있다.

 

레이저는 환경친화적이고 조작이 간단하며 고효율 가공이 가능하다는 장점이 있으며 레이저 가공 기술은 많은 분야에서 큰 돌파구를 마련했다. 레이저 임팩트 임프린팅 기술은 금속 표면에 복잡한 구조를 만들 수 있고, 보조 가열에 의해 성형체의 성형 깊이, 성형 정밀도 및 성형 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다. 레이저 임팩트 레벨링은 고주파 신호의 전송과 인쇄회로기판의 가공을 크게 촉진하는 고성능의 프로파일리스 동박을 가공할 수 있다.

레이저 용접 티타늄과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 성공은 이종 재료의 레이저 용접 기술에 대한 지침을 제공한다. 레이저 투과 용접은 폴리락트산과 알루미늄 박막의 직접 연결을 실현하여 식품 포장 산업에 서광을 가져왔다. 동박과 폴리머에 대한 용접 연구를 진행해 어느 정도 돌파구를 마련한 학자도 있다.

 

그러나, 현재 동박과 고분자의 레이저 용접에 있어서는 초박형 동박과 첨단 기능성 고분자 LCP에 대한 연구가 부족한 실정이며, 기존의 플렉시블 동박 제조기술에 기반한 연구는 비교적 두꺼운 동박의 접합에 머물러 있으며, 그에 따른 조면화 공정을 기반으로 0.1mm 두께 동박 표면에 구현되는 표면 거칠기는 수백 나노미터에 달하며, 최적화 공정을 통해 0.02mm 두께 동박 표면을 조면화하더라도 표면 거칠기는 100nm에 가깝다.

 

이와 같은 기술로는 0.01mm와 같은 더 얇은 동박을 가공할 수 없다는 것은 현재의 초박형 집적 전자제품의 발전 추세와 분명히 맞지 않는다. 한 연구진은 레이저 평탄화 기술, 레이저 임프린트 기술, 레이저 용접 기술을 통합해 스킨십 효과의 영향을 줄였다고 보고하였는데, 먼저 동박 표면을 평탄화시킨 후 나노몰드를 이용하여 평탄화 어닐링 동박 표면에 나노구조를 가공하고, 마지막으로 레이저 용접에 의해 평탄화 어닐링 동박을 LCP와 용접한다. 용접이 완료된 후 미세인장시험을 이용하여 서로 다른 조건에서 처리된 동박과 LCP의 결합강도를 시험하고 원자력현미경(AFM), 광학현미경, 주사전자현미경(SEM) 등을 통해 시료의 표면형태를 관찰하여 평탄화, 임프린트 및 용접기전을 확인한다.

 

실험에 사용된 재료는 상업용 T2 자동박과 일본 콜라레이사가 생산한 LCP이다. 용접 과정에서 레이저가 LCP에 직접 작용하여 소식을 일으키는 것을 방지하기 위해 두 가지를 각각 절단하고 절단 후의 크기는 각각 25mm×7mm×0.01mm 및 25mm×6mm×0.02mm이다. 시험 전 시료 표면을 무수 에탄올로 부드럽게 닦아 시료 표면의 얼룩을 제거하고, 닦아낸 시료는 공기 건조 후 후속 시험을 진행한다.

 

연구진은 동박과 LCP의 직접 결합을 실현하기 위해 다양한 방법을 사용하였는데, 주로 다음의 절차로 진행된다.

1) 펄스 레이저(Hercules-1000-TH)를 이용하여 동박 표면을 충격하고, 공정 파라미터를 최적화함으로써 동박의 완전성을 보장한 상태에서 동박 표면의 평탄화를 실현한다. 이 단계를 통하여 동박 표면의 거칠기를 크게 저감할 수 있고, 고주파 고속 신호 전송의 저손실 요구에 부응할 수 있다.

2) 표면처리(평탄화)된 동박을 450℃에서 진공 어닐링 처리하였으며, 어닐링 시간은 2h로 동박 내부의 잔류 응력을 제거하여 후기 임프린트를 준비하였다.

3) 동일한 펄스 레이저를 이용하여 어닐링된 동박을 레이저 충격 임프린트 시험을 실시하여 어닐링된 표면에 규칙적인 나노구조를 제조한다.

4) 표면에 나노구조가 있는 동박을 광섬유 결합 반도체 연속레이저(HWLR1500W)로 전처리된 LCP와 용접해 동박과 LCP의 직접 결합을 실현한다. 동박과 LCP 연결의 신뢰성을 검증하기 위해 용접 후 샘플에 대해 미세 인장 테스트 플랫폼을 통해 미세 인장 테스트를 수행한다.

 

동박의 레이저 평탄화 처리 장치는 주로 펄스 레이저 시스템, 테스트용 4mm 두께의 초백색 유리 및 맞춤형 지그를 포함한다. 시험 전 무수에탄올로 알루미늄박과 동박의 표면을 부드럽게 닦아 표면의 얼룩을 제거한 후, 닦아낸 알루미늄박과 동박의 시료를 자연조건에서 자연건조하고, 공기건조 후 시료를 준비한다. 장치 아래 4mm 두께의 초백색 유리를 플레이트로 하고, 플레이트에 10μm 두께의 동박과 80μm 두께의 알루미늄박을 순차적으로 배치한다. 알루미늄 호일은 시험 과정에서 흡수층(소성층)으로 사용되며, 그 위에는 4mm 두께의 초백색 유리가 구속층으로 선택된다. 전체 장치는 맞춤형 지그에 의해 함께 조립되는데, 가공 효율을 높이기 위해 동박 한쪽 6mm×7mm 영역에서만 평탄 가공을 한다. 시험 중 펄스 레이저는 경로를 따라 이동하고 스폿 직경은 1mm이다. 스폿 접합 속도와 레이저 펄스 에너지를 변경하여 레이저 충격 평탄화 공정을 최적화한다.

이 과정의 시험원리는 펄스레이저빔이 상부구속층을 투과하여 흡수층(알루미늄박)에 작용하고, 알루미늄박이 레이저 에너지를 흡수하여 폭발하여 플라즈마를 발생시키며, 플라즈마 충격파가 상부구속층의 작용으로 빠르게 아래로 전파되고, 충격파 압력이 동박에 작용하면 동박과 하부 플레이트가 클램프력에 의해 서로 압착된다. 이 과정에서 동박의 표면이 평평하게 눌려진다. 구속층은 플라즈마 충격파가 위로 전달되는 것을 제한하는 역할을 해 에너지의 활용도를 높일 수 있다. 어블레이션 층은 테스트 과정에서 주로 펄스 레이저와 작용한 후 폭발하여 플라즈마를 생성하고 레이저가 동박 표면에 직접 작용하여 동박 표면을 파괴하는 두 가지 역할을 한다.

 

평탄화 처리 후 동박 내부의 잔류 응력을 줄이고 임프린트 품질을 향상시키기 위해 임프린트 처리 전에 평탄화 동박을 진공 어닐링하고 가열 속도는 10℃/min, 어닐링 온도는 450℃, 어닐링 시간은 2시간이며 오븐과 함께 실온으로 냉각된다.

임프린트 시험 장치는 주로 펄스 레이저 시스템인데, 레이저 충격 임프린트 공정은 펄스 레이저가 상부 구속층을 투과하여 소성층에 작용하고, 소성층이 레이저 에너지를 흡수하여 폭발하여 플라즈마 충격파를 발생시키고, 플라즈마 충격파는 상부 구속층의 제한하에 동박 표면으로 하방으로 전파되며, 충격파 압력이 동박의 동적 항복강도를 초과하면 동박 표면이 미세구조 깊이를 따라 변형되고, 표면은 나노구조로 복형된다. 임프린트 공정에서 펄스 레이저의 이동 경로는 동박의 평탄화 공정과 동일하다. 펄스 광 에너지는 스폿 중심을 따라 가우스 분포를 나타내므로 임프린트 효과를 높이고 가공 효율을 향상시키기 위해 50% 스폿 접합률을 선택하여 임프린트 테스트를 수행한다.

 

레이저 용접 시험의 개략도는 그림 4와 같다. 테스트 장치는 주로 연속 레이저 시스템, 구속층(3mm 두께의 석영 유리), 압인 동박, LCP, 패드 블록, 바닥판 및 클램프 등으로 구성된다. 고에너지 레이저가 LCP 표면에 직접 작용해 어블레이션이 발생하므로 금속측 레이저를 조사 용접하는 방식이다. 용접 전에 상부의 동박이 하부의 맞대기 부분의 LCP를 완전히 덮도록 하고, 레이저 이동경로는 그림에서 4(b), (c)와 같이 동박 표면 전체를 포함한다.레 이저 용접시험 미세공정 : 연속레이저는 구속층을 거쳐 동박 표면에 작용하고 처리된 동박 표면은 레이저 에너지의 일부를 흡수하여 빠르게 승온하며 열전도성이 우수한 동박은 열을 빠르게 사방으로 전도하고, 동박 하면과 접촉하는 LCP의 온도가 그 용융온도에 도달하면 LCP가 용융유동하기 시작하여 클램프력의 작용으로 동박 표면의 미세공극으로 유입되어 냉각 및 응고 후 용접을 완료한다.