CN102262358A - 一种内层板双面对位装置和方法 - Google Patents

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何少锋
蒋兴华
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本发明公开了一种内层板双面对位装置和方法，适用于激光直接成像系统(LDI)。为了减少对位所需的时间，采用至少两套图像采集装置同时测量对位标记，其中一个图像采集装置安装在载物台的上方，另一个图像采集装置安装在载物台的下方。为了能满足不同尺寸的内层板的快速对位的需求，使一个图像采集装置固定，另外一个图像采集装置安装在单轴移动的移动平台上。用图像处理的方法，提取内层板拐角处的特征点，用于双面对位。

Description

一种内层板双面对位装置和方法
技术领域
本发明涉及电路板制造和图像处理领域，具体为应用于激光直接成像系统的一种内层板双面对位装置和方法。 
背景技术
激光直接成像技术(Laser direct imaging，LDI)，是利用CAM工作站输出的数据直接驱动激光直接成像装置，并在涂覆有光致抗蚀剂的电路板基底上进行图像成像(类似于激光光绘机在聚酯基底片上进行的图形成像)，接着进行显影便得到所要去的图形了，然后再进行蚀刻、去膜(除去剩下的光致抗蚀剂)，则得到在电路板所要求的铜导体图形了。显然，LDI不仅减少了底片制造和应用与保存维护等很多工序并使工艺简化的问题，而更重要的是消除了由于底片图像转移带来的PCB尺寸精度和误差问题。 
在电路板制造中，对位问题包括单面对位、双面对位(side-to-side)和层间对位。其中双面对位的目的是为了使曝光在同一片电路板两面的图形对齐。通常外层板上打有很多通孔，因此可以利用这些通孔方便地实现双面对位。而内层板基底通常没有通孔。为了实现双面对位，以色列Orbotech公司设计了一种UV-Marker。但是用UV-Marker的方式，UV-Marker对干膜的适用性有限制，它只能针对个别干膜，并且不同的干膜对位的精度差异较大。利用钻孔机对内层板在曝光前先钻孔，增加工艺流程，增加成本。普通的机械靠边定位器的方式，一般机械定位的对准精度不能做到200u以内，远远不能满足10u左右定位精度的要求。 
发明内容
本发明的目的是提供一种内层板双面对位装置和方法，只需要在载物台下方安装一套图像采集装置，以解决现有技术中电路板内层双面定位需要打孔，并增加UV-Marker装置的问题。 
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为： 
一种内层板双面对位装置，其特征在于：包括有精密X-Y移动平台、载物台、沿X方向移动的一维移动平台、控制处理单元，所述载物台安装在精密X-Y移动平台上随精密X-Y移动平台在X-Y坐标面内移动，载物台台面边沿的拐角处沿X方向、Y方向分别设置有定位条，位于安装有定位条的载物台拐角处还开有检测通孔，所述一维移动平台设置在安装有定位条的载物台台面边沿的上方，一维移动平台上安装有上图像采集装置，所述上图像采集装置的采集部件以垂直于载物台的角度对准所述载物台，所述精密X-Y移动平台的检测通孔下方设置有下图像采集装置，所述下图像采集装置的采集部件以垂直于载物台的角度对准所述载物台的检测通孔，所述控制处理单元输出端分别与精密X-Y移动平台、一维移动平台的控制端连接，以控制精密X-Y移动平台、一维移动平台的移动，所述控制处理单元的数据输入端分别与所述上、下图像采集装置的数据输出端连接，以接收上、下图像采集装置的输出数据。 
所述的一种内层板双面对位装置，其特征在于：所述上、下图像采集装置均由相机、镜头、光源、图形采集卡构成，所述上、下图像采集装置分别有一个或多个。 
所述的一种内层板双面对位装置，其特征在于：所述控制处理单元采用工控机，或者是DSP。 
一种内层板双面对位方法，其特征在于：包括如下步骤： 
(1)上板：把待曝光的电路板放在所述载物台上，以电路板一面作为A面，另一面作为B面，且电路板的A面朝上，B面朝下，用载物台上的定位条对电路板拐角进行粗定位； 
(2)调整上、下图像采集装置的间距：根据电路板的宽度，通过控制处理单元控制一维移动平台带动上图像采集装置在X方向移动，使上、下图像采集装置的间距与电路板的宽度大致相等； 
(3)采集图像：通过所述控制处理单元控制所述精密X-Y移动平台带动载物台移动，使上、下图像采集装置分别对应电路板两端，并可以采集到载物台上电路板的拐角，通过下图像采集装置透过检测通孔采集电路板一端B面位于检测通孔上的拐角处的图像，通过上图像采集装置采集电路板另一端A面的拐角处的图像； 
(4)特征提取：在控制处理单元中利用图像处理的方法，从步骤(3)上、下图像采集装置所采集的电路板拐角处的图像中提取出亚像素精度的特征点，并计算出所述特征点所对应的精密X-Y移动平台坐标； 
(5)电路板的A面曝光：根据电路板的尺寸，把设计好的矢量图形通过扫描的方式曝在电路板上，并计算出矢量图形坐标系和步骤(4)得到的特征点在坐标系中的映射关系。 
(6)翻板：电路板A面曝光结束后，把电路板翻转180度，B面朝上，A面朝下，并再次通过定位条对电路板粗定位； 
(7)二次采集图像：通过所述下图像采集装置采集电路板一端A面位于检测通孔上的拐角的图像，通过所述上图像采集装置采集电路板另一端B面拐角的图像； 
(8)二次特征提取：在控制处理单元中利用图像处理的方法，从步骤(7)上、下图像采集装置所采集的电路板拐角图像中提取出亚像素精度的特征点，并计算出所述特征点所对应的精密X-Y移动平台坐标； 
(9)双面对位：由步骤(8)得到的翻板后的特征点坐标，结合步骤(5)得到的映射关系，确定出B面曝光矢量图形所需变换，实现A、B面的双面对位。 
所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，上图像采集装置运动后需重新标定。 
所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(4)、步骤(8)中，特征提取不限于边缘线交点特征提取方法，也可以是其他的特征提取方法。 
所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(9)中，电路板的B面曝光矢量图形所需变换包括旋转和平移。 
本发明方法简单，易于实现，不需要打孔，也不需要增加UV-Marker装置，只需要在载物台下方安装一套图像采集装置即可实现电路板内层双面对位，降低了生产成本，简化了电路板生产工艺流程，同时也有效地提高了电路板对位精度。 
附图说明
图1为本发明双面对位装置的结构示意图。 
图2为两个图像采集装置安装在载物台的上方的布局图，其中： 
图2a为电路板翻板前的布局图，图2b为电路板翻板后的布局图。 
图3为本发明图像采集装置的布局图，其中 
图3a为电路板翻版前的布局图，图3b为电路板翻板后的布局图。 
图4为本发明双面对位方法的流程图。 
具体实施方式
如图1所示，本发明内层板双面对位装置，包括：载物台4，由左侧定位条6a、下侧定位条6b构成的粗定位装置6，由X方向的运动副2a和Y方向的运动副2b构成的精密X-Y移动平台2，下图像采集装置5，上图像采集装置8、一维移动平台3，检测通孔7，控制处理单元(图1中未示)。 
载物台4用于放置待曝光的电路板1，采用真空吸附使电路板1紧密地附在载物台4上。 
定位条6a、6b互相垂直，处于同一平面上，安装在载物台4上，用于对电路板1进行定位。 
精密X-Y移动平台2用于载着电路板1移动到指定位置，包括X方向的运动副2a和Y方向的运动副2b。 
下图像采集装置5和上图像采集装置8分别由相机、镜头、光源、图像采集卡构成。下图像采集装置5和上图像采集装置8的相机均为同一型号的相机，安装在同一水平线上。上图像采集装置8安装在载物台4的上方，用于采集电路板1上表面右下拐角处的图像。下图像采集装置5安装在载物台4的下方，通过载物台4上的检测通孔7采集电路板1下表面左下拐角处的图像。 
如图2所示。由于电路板1的内层板在裁板时，可能会在裁切边缘处产生毛刺，也有可能使得切割面与板面不垂直。如果图像采集装置都安装在载物台的上方，如图2所示，在图2a中，两个图像采集装置测量的是电路板1的A面，左侧图像采集装置会看见双边缘。在图2b中，电路板1翻转了180度，两个图像采集装置测量的是电路板1的B面，此时右侧图像采集装置只能看见单边缘，这就导致了翻板前后测量对象的不一致，使得双面对位的精度得不到保证。 
如图3所示。当把一个图像采集装置安装在载物台的下方时，翻板后下图像采集装置采集的位置与翻版前上图像采集装置采集的位置是相同的，翻板后上图像采集装置采集的位置与翻板前下图像采集装置采集的位置也是相同的，这样就巧妙地避免了翻板前后测量对象不一致的问题。 
一维移动平台3为一个单自由度的运动平台，仅能在X方向运动。当上、下图像采集装置的间距与电路板1的宽度相差较大时，上、下图像采集装置不能看见电路板1的拐角。一维移动平台3在这种情况下，会带着上图像采集装置8移动，直至上、下图像采集装置的间距与电路板1的宽度大致相等，使得上、下图像采集装置能看见电路板1的拐角。 
控制处理单元9采用工控机，负责控制精密X-Y移动平台2、一维移动平台3的移动，控制图像的采集，对图像进行处理、提取特征，计算矢量图的变换(旋转、平移)，对矢量图进行变换等。 
如图4所示，本发明的对位方法，适用于LDI内层板快速、精确地双面对位，包括如下步骤： 
步骤(101)上板，把待曝光的电路板1放在载物台4上，A面朝上，使电路板1的左边缘和下边缘分别与左侧定位条6b和下侧定位条6a对齐。 
步骤(102)检测上、下图像采集装置的间距与电路板1的宽度是否大致相等。 
步骤(103)如果上、下图像采集装置的间距相差较大，上、下图像采集装置有可能不能看见电路板1的拐角，则控制一维移动平台3移动，调整上、下图像采集装置的间距，直至大致相等，使得上、下图像采集装置能同时看见电路板1的拐角。 
步骤(104)重新标定位置发生变化的上图像采集装置8。 
步骤(105)下图像采集装置5通过载物台4上的方形的检测通孔7采集左下B面拐角处的图像，此时B面在电路板1的下表面。上图像采集装置8采集右上A面拐角处的图像，此时A面在电路板1的上表面。 
步骤(106)从步骤(105)采集的2幅图像中，用Canny边缘检测的方法提取出电路板1的边缘并进行亚像素定位，用两条直线拟合每幅图像中的两条边缘，两条直线的交点作为特征点。也可采用其他的特征提取方式，如角点特征、SIFT特征等。从两幅图像中各得到一个特征点，计算特征点对应的平台坐标。 
步骤(107)根据内层电路板1的尺寸和粗定位装置6的位置确定A面曝光的位置，并进行A面曝光。计算出曝光位置与2个特征点位置之间的映射关系。 
步骤(108)A面曝光结束后，翻面，此时B面在上，A面在下。使电路板 1的左边缘和下边缘分别与左侧定位条6b和下侧定位条6a对齐。 
步骤(109)下图像采集装置5通过载物台4上的检测通孔7采集左下A面拐角处的图像，此时A面在电路板1的下表面。上图像采集装置8采集右上B面拐角处的图像，此时B面在电路板1的上表面。 
步骤(110)从步骤(109)采集的2幅图像中，用Canny边缘检测的方法提取出电路板1的边缘并进行亚像素定位，用两条直线拟合每幅图像中的两条边缘，两条直线的交点作为特征点。也可采用其他的特征提取方式，如角点特征、SIFT特征等。从两幅图像中各得到一个特征点，计算特征点对应的平台坐标。 
步骤(111)根据步骤(107)中计算出的映射关系和步骤(110)中的两个特征点的平台坐标，计算出在B面曝光的矢量图形需做的变换，该变换包括旋转和平移，其中，旋转在矢量图形中完成，平移由精密X-Y移动平台2的移动来实现。 
步骤(112)根据步骤(111)计算出来的变换关系对矢量图形进行变换后，进行B面曝光。 

Claims (7)

1.一种内层板双面对位装置，其特征在于：包括有精密X-Y移动平台、载物台、沿X方向移动的一维移动平台、控制处理单元，所述载物台安装在精密X-Y移动平台上随精密X-Y移动平台在X-Y坐标面内移动，载物台台面边沿的拐角处沿X方向、Y方向分别设置有定位条，位于安装有定位条的载物台拐角处还开有检测通孔，所述一维移动平台设置在安装有定位条的载物台台面边沿的上方，一维移动平台上安装有上图像采集装置，所述上图像采集装置的采集部件以垂直于载物台的角度对准所述载物台，所述精密X-Y移动平台的检测通孔下方设置有下图像采集装置，所述下图像采集装置的采集部件以垂直于载物台的角度对准所述载物台的检测通孔，所述控制处理单元输出端分别与精密X-Y移动平台、一维移动平台的控制端连接，以控制精密X-Y移动平台、一维移动平台的移动，所述控制处理单元的数据输入端分别与所述上、下图像采集装置的数据输出端连接，以接收上、下图像采集装置的输出数据。
2.根据权利要求1所述的一种内层板双面对位装置，其特征在于：所述上、下图像采集装置均由相机、镜头、光源、图形采集卡构成，所述上、下图像采集装置分别有一个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种内层板双面对位装置，其特征在于：所述控制处理单元采用工控机，或者是DSP。
4.基于权利要求1的一种内层板双面对位方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)上板：把待曝光的电路板放在所述载物台上，以电路板一面作为A面，另一面作为B面，且电路板的A面朝上，B面朝下，用载物台上的定位条对电路板拐角进行粗定位；
(2)调整上、下图像采集装置的间距：根据电路板的宽度，通过控制处理单元控制一维移动平台带动上图像采集装置在X方向移动，使上、下图像采集装置的间距与电路板的宽度大致相等；
(3)采集图像：通过所述控制处理单元控制所述精密X-Y移动平台带动载物台移动，使上、下图像采集装置分别对应电路板两端，并可以采集到载物台上电路板的拐角，通过下图像采集装置透过检测通孔采集电路板一端B面位于检 测通孔上的拐角处的图像，通过上图像采集装置采集电路板另一端A面的拐角处的图像；
(4)特征提取：在控制处理单元中利用图像处理的方法，从步骤(3)上、下图像采集装置所采集的电路板拐角处的图像中提取出亚像素精度的特征点，并计算出所述特征点所对应的精密X-Y移动平台坐标；
(5)电路板的A面曝光：根据电路板的尺寸，把设计好的矢量图形通过扫描的方式曝在电路板上，并计算出矢量图形坐标系和步骤(4)得到的特征点在坐标系中的映射关系。
(6)翻板：电路板A面曝光结束后，把电路板翻转180度，B面朝上，A面朝下，并再次通过定位条对电路板粗定位；
(7)二次采集图像：通过所述下图像采集装置采集电路板一端A面位于检测通孔上的拐角的图像，通过所述上图像采集装置采集电路板另一端B面拐角的图像；
(8)二次特征提取：在控制处理单元中利用图像处理的方法，从步骤(7)上、下图像采集装置所采集的电路板拐角图像中提取出亚像素精度的特征点，并计算出所述特征点所对应的精密X-Y移动平台坐标；
(9)双面对位：由步骤(8)得到的翻板后的特征点坐标，结合步骤(5)得到的映射关系，确定出B面曝光矢量图形所需变换，实现A、B面的双面对位。
5.根据权利要求4所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，上图像采集装置运动后需重新标定。
6.根据权利要求4所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(4)、步骤(8)中，特征提取不限于边缘线交点特征提取方法，也可以是其他的特征提取方法。
7.根据权利要求4所述的一种内层板双面对位方法，其特征在于：所述步骤(9)中，电路板的B面曝光矢量图形所需变换包括旋转和平移。 
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