CN106444298B - 一种dmd结构单轴固定光路直写曝光机 - Google Patents

一种dmd结构单轴固定光路直写曝光机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DMD结构单轴固定光路直写曝光机，属于直写曝光技术领域。本发明的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，主要对真空吸盘结构进行了改进，有效解决了生产小板时由于漏气而造成的吸力不足的问题。进一步地，吸盘上的气孔分布为中间疏、四周密，有效杜绝了板子边缘翘起的问题，节省了气孔数量，减少了成本。本发明的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，可生产55英寸的超大板。同时，分区对位聚焦方法改进可以确保图像曝光位置准确，图像曝光清楚。

Description

一种DMD结构单轴固定光路直写曝光机
技术领域
本发明涉及一种DMD结构单轴固定光路直写曝光机，属于直写曝光技术领域。
背景技术
PCB(印刷电路板)是电子元器件的支撑体，同时也是电子元器件电气连接的载体。常见的PCB生产设备有传统的曝光机、多棱镜结构激光直写曝光机、DMD结构激光直写曝光机等。激光直写曝光机可以直接将图像在PCB板上成像，相对于传统的曝光机，不需要用到菲林，形成的图像更清晰。
随着市场对PCB板的功能要求越来越高，PCB板也变得越来越复杂，系统兼容性越高，有时候需要尺寸很大的基板，但是，对于宽度大于48英寸的超大板，现有技术中还没有可以高质量加工的技术和设备。传统的曝光机可以生产超大板，但是其加工精度差，达不到高密度、细间距的要求；多棱镜结构激光直写曝光机目前无法实现光路的移动，整板必须一次成型，当加工大于48英寸超大板时，其设备整机宽度将达到3m以上，设备尺寸过于庞大，难以通过一般车间的门，十分笨重；因此多棱镜结构LDI无法生产宽度48英寸以上的PCB板。常规的DMD结构激光直写曝光机，由于其吸盘可曝光的尺寸最大宽度仅为24英寸，因此也无法生产大于48英寸的超大板。
如果通过增大吸盘可曝光的尺寸的方法来制备DMD结构激光直写曝光机，由于所需的真空吸盘尺寸是比较大的，有时会超过55英寸，会存在如下问题：(1)当所曝光的PCB板实际尺寸较小时，而吸盘结构支持较大的真空范围，对于没有覆盖板子的区域，会产生漏气，影响吸盘对基板的吸附；(2)由于基板运输过程中可能会有边角翘起，若真空吸力不够，吸盘无法将板子吸平，会影响到曝光PCB板的质量，可造成基板报废。为解决这一问题，目前的方法有三种：
方法一：直接无视该问题，但会对客户工厂PCB板要求很高，板子不平时，会来来回回对板子进行手动弯折，严重影响生产效率。
方法二：针对不同尺寸的板子，设计不同的吸盘垫板。垫板上吸真空的孔覆盖范围，与板子大小一致。这种方法简单，操作稍微麻烦，但是当生产55英寸的板子时，需要更换55英寸的垫板，难度成倍增加，换垫板的时间，会增加150％～200％，严重影响生产效率。
方法三：对于板子未覆盖抽真空区域，用物品堵上，常用的是裁剪使用过的菲林。这种方法很经济实惠，但是很麻烦，不同大小的PCB板，需要将菲林裁剪成不同的大小，长期下来，会造成机台生产区域裁剪后的菲林堆积，寻找需要的尺寸也麻烦。
由此可见，现有技术中通常采用更换尺寸合适的吸盘或者寻找形状大小合适的废弃菲林来封堵漏气点的方式，都会大大降低生产效率。
此外，在PCB工厂内，52*40英寸等大尺寸的板子很大，搬运麻烦，有可能造成板子发生局部弯曲变形；当板子很薄时，一般手动可将板子掰平；板子较厚，如3mm以上，变形后恢复比较困难。另外，在实际曝光生产时，基板是由人工拖动放置于吸盘上，这个过程中不可能做到完全精确，或多或少都会与电子档图像存在一个旋转角，这样在实际曝光时会造成图像错位等问题；第三，传统曝光中，CCD相机抓取PCB板子周边4个孔位，根据4个孔位，通过CCD相机寻找最清晰焦面，确定最佳焦面和曝光焦距，完成聚焦，在曝光过程中将以此焦面为基准进行曝光，但是，在实际情况下，板子不会呈理想的水平平面状态，在某些区域可能会产生凸起或下凹，整个基板在放置过程中可能会出现倾斜，这些情况会造成某些区域曝光时对焦不准，严重影响生产质量。
综上，目前的DMD结构激光直写曝光机存在不能生产超大板、真空吸盘漏气、曝光过程中对焦和定位不准确等问题亟待解决。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了真空吸盘及含有该真空吸盘的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，以解决现有技术不能生产超大板、真空吸盘漏气、曝光过程中对焦和定位不准确等问题。
本发明的第一个目的是提供一种真空吸盘，所述真空吸盘，包括吸盘主体和真空发生装置；吸盘主体上以行和列的形式分布一定数量的气孔，每一行气孔各对应一个继电器，每一列气孔也各对应一个继电器；每个气孔与真空发生装置之间连接有气孔开关；气孔开关同时与该气孔所在行的继电器和该气孔所在列的继电器连接。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔开关位于气孔与真空发生装置连接的真空管路上。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔开关为电磁开关。
在本发明的一种实施方式中，所述继电器与总控制装置连接。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔在吸盘主体上呈中间疏、四周密的分布形式。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔的行间距和列间距由吸盘主体中间到两边呈均匀递减的形式。
在本发明的一种实施方式中，位于吸盘主体中部区域的气孔的行间距或列间距最大为1-3英寸，位于吸盘主体边缘区域的气孔的行间距或列间距最小为5-8mm。
在本发明的一种实施方式中，位于吸盘主体中部区域的气孔的行间距或列间距最大为1.5-2.8英寸，位于吸盘主体边缘区域的气孔的行间距或列间距最小为4-9mm。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔在吸盘主体上的开口形状可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形等任意形状，比如圆形。
在本发明的一种实施方式中，所述气孔在吸盘主体上的开口面积为10mm2～500mm2。
在本发明的一种实施方式中，所述吸盘主体的最大宽度为55英寸。
在本发明的一种实施方式中，所述吸盘主体可以分为吸盘支撑结构和垫板，也可以是垫板与吸盘支撑结构合为一体的一体式结构。当吸盘主体为吸盘支撑结构和垫板分开的结构时，垫板安装在吸盘支撑结构表面，垫板表面设计有均匀分布的气孔，垫板下方是与气孔连接的真空气路。
本发明的第二个目的是提供一种DMD结构单轴固定光路直写曝光机，所述DMD结构单轴固定光路直写曝光机含有本发明的真空吸盘。
在本发明的一种实施方式中，所述DMD结构单轴固定光路直写曝光机还包括支撑结构、DMD结构、一个运动组件；所述运动组件包括一个扫描Y轴和一个升降Z轴；真空吸盘位于运动组件上方。
本发明中，单轴是指只含有一个运动组件，固定是指DMD结构处于固定位置、不能移动。
在本发明的一种实施方式中，所述扫描Y轴位于升降Z轴下方。
在本发明的一种实施方式中，所述真空吸盘与运动组件的升降Z轴连接。
在本发明的一种实施方式中，所述支撑结构为龙门结构。
在本发明的一种实施方式中，所述DMD结构单轴固定光路直写曝光机还包括用于聚焦和定位的相机。
本发明的第三个目的是提供一种曝光机的分区对位聚焦方法，以解决生产过程中由于放板不准和板子变形造成的定位不准和对焦不准的问题。
本发明的分区对位聚焦方法，即四点分区自动聚焦及定位方法，包括以下步骤：
(1)在曝光之前，CCD相机抓取PCB板四个角的定位孔的坐标后，与电子档图形文件中相对应的定位孔坐标进行比对，建立电子档图形与PCB板的实际对应关系；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标一致，那么进行步骤(2)；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标不一致，那么将电子档图形文件进行调整使之与CCD相机抓取的定位孔坐标保持一致，光路曝光的起始位置也随之确定，继续进行步骤(2)；
(2)在曝光之前，将待曝光区域划分为M×N个子区域；
(3)分别计算每个子区域四个顶点的最佳焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值在允许的误差范围之内，则以这四个顶点的最佳焦面距离的平均值作为该子区域曝光的焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值不在允许的误差范围之内，那么将该子区域再划分为A×B个二级子区域，计算每个二级子区域四个顶点的最佳焦面距离，重复进行本步骤，直至每个子区域内的最佳焦面距离在误差范围内。
在本发明的一种实施方式中，光路从起始位置开始曝光，进入不同的各级子区域时，如果最佳焦面距离不同，将通过升降Z轴调整高度到该子区域的最佳曝光焦面，从而保证所有曝光区域均在最佳焦面曝光，保证了整板的线宽均匀性，以及曝光质量。
在本发明的一种实施方式中，所述最佳焦面的确定方法为：利用CCD相机识别PCB板上的孔的孔径，若识别到的孔径与实际的孔径不一致，通过上下改变升降Z轴的高度，相机不停地识别孔的直径，找出升降Z轴移动完全行程后，最接近实际直径所对应的升降轴高度，此高度就是该孔对应的最佳焦面。
在本发明的一种实施方式中，所述方法中的曝光机为本发明的真空吸盘的DMD结构单轴固定光路直写曝光机。
本发明的优点和效果：
(1)本发明的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，主要对真空吸盘结构进行了改进。本发明的真空吸盘为自动化的真空吸盘，吸盘表面分布有一系列的气孔，当气孔上面有PCB板覆盖时，气孔通路工作，当气孔上面没有PCB板覆盖时，气孔闭合，有效解决了生产小板时，由于漏气而造成的吸力不足的问题。进一步地，吸盘上的气孔分布为中间疏、四周密，既使得不同大小的PCB板在放置时，边缘部分始终有气孔，有效杜绝板子边缘翘起的问题，又可以在中间不需要太多气孔的地方节省气孔数量，减少了成本、提高了效率。
(2)本发明的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，曝光机吸盘宽度可以设置成55英寸，可生产55英寸的超大板，同时又能保证高精度、高密度、细线距等需求，曝光线间距可达30微米以下，曝光不良率下降到0.1％以下。
(3)本发明提供的分区对位聚焦方法，在PCB板曝光之前，进行四点分区聚焦及定位，可以确保图像曝光位置准确，可将对位误差控制在12微米以下，图像曝光清楚。
(4)采用DMD结构固定光路设计，光路不可移动，有效避免了由于光路移动误差带来的曝光不精确的问题；单运动组件设计，解决了多运动组件在工作时，由于运动组件的运动无法实现绝对同步而可能带来的基板位置出现扭曲、倾斜等影响曝光质量甚至导致产品报废的问题。
附图说明
图1为本发明的真空吸盘结构示意图；其中，1吸盘主体、3气孔、4继电器、6总控制装置；
图2为本发明的真空吸盘的真空发生装置与气孔连接示意图；其中，2真空发生装置、5气孔开关；
图3为传统的真空吸盘放置基板后的结构示意图；其中，14基板；
图4为本发明的真空吸盘放置基板后的一种结构示意图；
图5为调整本发明的真空吸盘上的基板位置后的一种结构示意图；
图6为含有本发明的真空吸盘的DMD结构单轴固定光路直写曝光机；其中，7支撑结构、8DMD结构、10真空吸盘；12扫描Y轴、13升降Z轴；
图7为对位前图像对应关系示意图；
图8为对位后图像对应关系示意图；
图9为分区聚焦曝光区域划分示意图；
图10为重新划分曝光区域后的示意图。
具体实施方案
DMD结构：以DMD为核心器件的一整套完整的光路系统，包括激光光源、DMD、光学镜片等部件组成。
PCB：Printed Circuit Board，印刷电路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。
扫描Y轴：也叫扫描轴或者Y轴，用来做恒定速度的连续扫描运动。
升降Z轴：也叫升降轴或者Z轴，用来控制吸盘的升降。
吸盘：用来吸附、固定PCB板的载物台。
下面是对本发明进行具体描述。
实施例1：真空吸盘
本发明的真空吸盘结构如图1-2所示。
本发明真空吸盘，包括吸盘主体1和真空发生装置2；吸盘主体1上以行和列的形式分布一定数量的气孔3，每一行气孔3各对应一个继电器4，每一列气孔也各对应一个继电器；每个气孔3与真空发生装置2之间连接有气孔开关5；气孔开关5同时与该气孔所在行的继电器和该气孔所在列的继电器连接。
各继电器与总控制装置6连接。气孔开关位于气孔与真空发生装置连接的真空管路上。所述气孔开关可以为电磁开关。所述气孔，可以是均匀分布于吸盘主体上。
采用这样的结构和连接方式，在真空吸盘工作时，一定大小的基板放置在真空吸盘上，对于有基板覆盖的气孔行或者气孔列，该行或列所对应的继电器通路；对于某气孔而言，只有当其所在行和所在列所对应的继电器都为通路使，该气孔的气孔开关才打开，进而真空发生装置与气孔联通，气孔工作。在这种的情况下，没有被基本覆盖的气孔的气孔开关为关闭状态，从而解决了较大利用真空吸盘生产PCB时所存在的漏气问题。
实施例2：真空吸盘
本实施例的真空吸盘，在实施例1的如图1-2所示的真空吸盘的基础上做出了改进。
所述气孔3在吸盘主体1上呈中间疏、四周密的分布形式。
传统的真空吸盘，气孔一般是采用均匀分布的形式，当生产较小的PCB板时，可能在基板14放置在吸盘主体上后，基板所在某边缘恰好位离两侧气孔较远(如图3所示)，从而导致该边缘部分会因为没有真空吸力而翘起，对生产造成影响。采用本发明这种中间疏、四周密的分布形式后，如图4-5所示，当较小基板放置在真空吸盘上时，选择将基板靠近吸盘主体边缘放置，此时如果靠近吸盘主体上中间区域的基板边缘恰好离两侧气孔较远，那么可以选择将该基板边缘移动至最近的一行或者一列气孔上使之恰好覆盖；由于吸盘主体的四周气孔较密，这种移动不会导致基板出现另一侧边缘离气孔较远的现象。
可选地，所述气孔的行间距和列间距由吸盘主体中间到两边呈均匀递减的形式。
可选地，位于吸盘主体中部区域的气孔的行间距或列间距最大为1-3英寸，位于吸盘主体边缘区域的气孔的行间距或列间距最小为5-8mm。气孔在吸盘主体上的开口形状可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形等任意形状，比如圆形。所述气孔在吸盘主体上的开口面积可以是任意的，比如10mm2～500mm2。
可选地，所述吸盘主体的盘面为一整体盘面或由多块盘面组合而成。
实施例3：DMD结构单轴固定光路直写曝光机
如图6所示，为含有本发明的真空吸盘的DMD结构单轴固定光路直写曝光机。
所述DMD结构单轴固定光路直写曝光机还包括支撑结构7、DMD结构8、一个运动组件和真空吸盘10；运动组件包括一个扫描Y轴12和一个升降Z轴13；真空吸盘10位于运动组件上方。
所述扫描Y轴12位于升降Z轴13下方；所述真空吸盘10与运动组件的升降Z轴13连接。真空吸盘，随着扫描Y轴、降Z轴13的移动而发生相应的位置变化。
可选地，所述支撑结构为龙门结构。用于整个系统的架构支撑，大理石龙门结构的结构特点可以很好的保持平台运动的稳定性，并且具有很好的隔震性能。
在运行过程中，将PCB板放在真空吸盘10(载物台)上，升降Z轴用来调焦，即板子相对于标准板厚变厚，则升降Z轴下降，反之升降Z轴上升，即升降Z轴13控制真空吸盘10的高度寻找光路最佳焦面；开始曝光流程，扫描Y轴12匀速扫描运动控制载物台扫描直至曝光结束位置停止。本发明的设备，可以通过改变升降轴的高度，对应不同的板厚，使得光路最佳焦面保持不变。
实施例4：图像分区对位与聚焦方法
传统的曝光过程中，当PCB基板放置到真空吸盘上时可能存在位置摆放不正的问题，如图7所示，如果直接将电子档图形曝光到基板上，就会导致曝光到PCB基板上的实际图形与电子档图形不一致，从而造成板子质量不良或者报废。另外，传统的曝光过程中，整个基板采用同一个焦面距离进行曝光，而不对焦距进行调整；但是，在实际情况下，基板不会呈理想的水平平面状态，在某些区域可能会产生凸起或下凹，整个基板在放置过程中可能会出现倾斜，这些情况会造成某些区域曝光时对焦不准，严重影响生产质量。
本发明的分区对位聚焦方法，即四点分区自动聚焦及定位方法，如图7-10所示，包括以下步骤：
(1)在曝光之前，CCD相机抓取PCB板四个角的定位孔的坐标后，与电子档图形文件中相对应的定位孔坐标进行比对，建立电子档图形与PCB板的实际对应关系；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标一致，那么进行步骤(2)；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标不一致，那么将电子档图形文件进行调整使之与CCD相机抓取的定位孔坐标保持一致，光路曝光的起始位置也随之确定，继续进行步骤(2)；
(2)在曝光之前，将待曝光区域划分为M×N个子区域(如图9)；
(3)分别计算每个子区域四个顶点的最佳焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值在允许的误差范围之内，则以这四个顶点的最佳焦面距离的平均值作为该子区域曝光的焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值不在允许的误差范围之内，那么将该子区域再划分为A×B个二级子区域(如图10)，计算每个二级子区域四个顶点的最佳焦面距离，重复进行本步骤，直至每个子区域内的最佳焦面距离在误差范围内。
光路从起始位置开始曝光，进入不同的各级子区域时，如果最佳焦面距离不同，将通过升降Z轴调整高度到该子区域的最佳曝光焦面，从而保证所有曝光区域均在最佳焦面曝光，保证了整板的线宽均匀性，以及曝光质量。
所述最佳焦面的确定方法为：利用CCD相机识别PCB板上的孔的孔径，若识别到的孔径与实际的孔径不一致，通过上下改变升降Z轴的高度，相机不停地识别孔的直径，找出升降Z轴移动完全行程后，最接近实际直径所对应的升降轴高度，此高度就是该孔对应的最佳焦面。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，所述DMD结构单轴固定光路直写曝光机包括支撑结构、DMD结构、一个运动组件、真空吸盘；运动组件包括一个扫描Y轴和一个升降Z轴；真空吸盘位于运动组件上方；
所述真空吸盘包括吸盘主体和真空发生装置；吸盘主体上以行和列的形式分布一定数量的气孔，每一行气孔各对应一个继电器，每一列气孔也各对应一个继电器；每个气孔与真空发生装置之间连接有气孔开关；气孔开关同时与该气孔所在行的继电器和该气孔所在列的继电器连接；
所述气孔在吸盘主体上呈中间疏、四周密的分布形式。
2.根据权利要求1所述的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，所述气孔开关位于气孔与真空发生装置连接的真空管路上。
3.根据权利要求1所述的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，位于吸盘主体中部区域的气孔的行间距或列间距最大为1.5-2.8英寸，位于吸盘主体边缘区域的气孔的行间距或列间距最小为4-9mm。
4.根据权利要求1所述的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，所述真空吸盘与运动组件的升降Z轴连接。
5.根据权利要求1所述的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，所述支撑结构为龙门结构。
6.根据权利要求1所述的DMD结构单轴固定光路直写曝光机，其特征在于，所述气孔在吸盘主体上的开口面积为10mm2～500mm2。
7.一种曝光机的分区对位聚焦方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在曝光之前，CCD相机抓取PCB板四个角的定位孔的坐标后，与电子档图形文件中相对应的定位孔坐标进行比对，建立电子档图形与PCB板的实际对应关系；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标一致，那么进行步骤(2)；如果CCD相机抓取的定位孔坐标与电子档图形文件中相应的坐标不一致，那么将电子档图形文件进行调整使之与CCD相机抓取的定位孔坐标保持一致，光路曝光的起始位置也随之确定，继续进行步骤(2)；
(2)在曝光之前，将待曝光区域划分为M×N个子区域；
(3)分别计算每个子区域四个顶点的最佳焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值在允许的误差范围之内，则以这四个顶点的最佳焦面距离的平均值作为该子区域曝光的焦面距离；如果这四个顶点的最佳焦面距离的最大差值不在允许的误差范围之内，那么将该子区域再划分为A×B个二级子区域，计算每个二级子区域四个顶点的最佳焦面距离，重复进行本步骤，直至每个子区域内的最佳焦面距离在误差范围内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述曝光机为权利要求1-6任一所述的曝光机。
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