CN113126449B - 一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统及方法，系统包括光纤阵列激光器，由每根光纤与对应的激光二极管LD耦合后形成，所述光纤若干排；激光器控制板，与光纤阵列激光器中的每个激光二极管LD连接；光学处理及相机单元，用于缩小或放大光纤阵列激光器发出的光斑和确定待光刻的PCB板的位置；驱动单元，用于驱动光学处理单元及相机单元中的各部件在相应的轴上来回移动；平台控制器，与所述的驱动单元的受控端连接；计算机，分别与激光器控制板、平台控制器、光学处理单元及相机单元实现双向通信。本发明使用光纤阵列激光器，可以通过多种波长的激光二极管LD，并无限增加激光二极管LD数量解决高能量的问题。

Description

一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统及方法
技术领域
本发明涉及PCB板制版的技术领域，尤其涉及一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统及方法。
背景技术
目前使用PCB板制版的曝光设备分为传统的菲林曝光机与使用DMD激光的激光直接成像曝光机。
防焊层是PCB板曝光的最后一道曝光工序，由于PCB板使用的是油墨，油墨的特点是感光剂有多个峰值感光波长，同时油墨的感光能量很大。
菲林曝光机可以使用多波长的光源，并增加光源能量的方式解决感光油墨的这些问题，但是，由于到防焊曝光这道工序时，PCB板变形一般较大，菲林无法满足PCB板形变大的对准要求。
使用DMD技术的曝光机，由于DMD本身能承受的光功率不成超过11W/CM2.并且多波长还会带来相差，因此，也很难满足防焊层的高光需求。
发明内容
为了解决了绿油能量大，波长多、PCB板性变大，难对准的问题，同时实时的图像处理，本发明提出了一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统及方法，具体技术方案如下：
一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，包括；
光纤阵列激光器，由每根光纤与对应的激光二极管LD耦合后形成，所述光纤若干排；
激光器控制板，与光纤阵列激光器中的每个激光二极管LD连接；
光学处理及相机单元，用于缩小或放大光纤阵列激光器发出的光斑和确定待光刻的PCB板的位置；
驱动单元，用于驱动光学处理单元及相机单元中的各部件在相应的轴上来回移动；
平台控制器，与所述的驱动单元的受控端连接；
计算机，分别与激光器控制板、平台控制器、光学处理单元及相机单元实现双向通信。
一种用于绿油光刻的激光直写光刻方法，包括底部平台和设置在底部平台上的龙门架，所述龙门架的水平支撑柱的前后侧面上分别平行设置有步进轴、对准轴，所述底部平台上设置有与步进轴垂直的扫描轴，包括以下步骤：
S1、计算机向平台控制器和激光器控制板发送控制信号，平台控制器控制设置在底部平台上的扫描驱动和设置在龙门架上的步进驱动，驱使对应的光学组件移动到吸盘上的标定相机正上方位置，激光器控制板接收到计算机的激光二极管LD的位置校准数据和平台控制器发出的激光二极管LD的开关触发信号后，控制光纤阵列激光器发送对应的图像，标定相机抓取光纤阵列激光器发出的图像；计算机计算光纤阵列激光器组件的安装角度、光学倍率以及光学组件的精确安装位置，根据计算结果，调整光学组件的安装，直至校准完毕；
S2、将待光刻的PCB板放置在位于底部平台的吸盘上，计算机获取待光刻的PCB板的曝光图形数据，读取曝光图形对应的对位点位置信息，然后计算机通过发送控制信号至平台控制器，平台控制器控制对准相机在对准轴上来回移动，获取待光刻的PCB板对应的对位点位置信息；计算机根据曝光图形对应的对位点位置信息和待光刻的PCB板对应的对位点位置信息，对曝光图形做位置变化，使曝光图形的位置与待光刻的PCB板的位置对应；
S3、计算机将PCB板图形数据按照步骤S1获取光学组件的精确安装位置，将待光刻的PCB板以光学组件在PCB板上形成图像的区域作为一个单元来切割，并将所有单元的数据发送给激光器控制板，在相应单元位置处，激光器控制板向对应的光学组件发送图像数据；
S4、计算机通过平台控制器控制扫描驱动工作，在扫描轴上的吸盘运动到指定的曝光起始点，当到达曝光起始点后，计算机发送激光器信号给激光器控制板，激光器控制板将信号处理后，向光纤阵列激光器中各激光器二极管LD发送开关的位置信号，激光器控制板在平台控制器的控制下，计算机通过激光器控制板控制对应位置的激光二极管LD开关，实现在分割后的单元处依次向对应的光学组件发送经过步骤S4切割后的图像数据，在对应的光学组件在对应的单元中，激光器控制板控制对应的激光器二极管LD在对应位置打开或关闭；
S5、等待一个条带数据扫描完成；平台控制器控制光学组件在步进轴上步进一个扫描的宽度，重复步骤S4，直到整个PCB板曝光完成；
S6、取下PCB板，完成一次曝光。
本发明的优点在于：
(1)本发明使用光纤阵列激光器，可以通过多种波长的激光二极管LD，并无限增加激光二极管LD数量解决高能量的问题，因此，解决了绿油能量大，波长多的问题，同时，实时的图像处理，解决了PCB板性变大，难对准的问题。
(2)本系统和方法整体成本远低于DMD技术的曝光机，且成本主要是短波长的激光二极管LD，随着本技术的大量应用，激光二极管LD的成本也会大幅降级。
(3)本申请基于对准相机、标定相机，能够实现对准的高精度；基于大能量的激光器和激光器控制板，能够实现快速曝光，本系统和方法适用于任何油墨。
附图说明
图1为本发明一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统的结构图。
图2(a)和图2(b)为两种不同波长的激光管二极管LD的排列情况。
图3为控制原理图。
图中
1、底部平台；111、扫描轴；112、扫描驱动；113、标定相机；114、吸盘；
2、龙门架；21、水平支撑柱；221、步进轴；222、步进驱动；223、光学组件；
231、对准轴；232、对准驱动；233、对准相机；
3、光纤阵列激光器；4、平台控制器；5、计算机；6、服务器。
具体实施方式
如图1和图3所示，一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，三维移动支撑组件，包括底部平台1和设置在底部平台1上的龙门架2；还包括
光纤阵列激光器3，由每根光纤与对应的激光二极管LD耦合后形成；具体地说，所述光纤分为两列，两列光纤上下错位设置，所述光纤阵列激光器3使用两种波长或者三种不同波长的激光二极管LD，如图2所示，本实施例使用的光纤阵列激光器3包括为两种波长的激光二极管LD,排列方式可以按照图2(a)中不同波长的交替排列，也可以按照图2(b)中不同波长分两排排列。在该实施例中，使用128路光纤阵列激光器3作为图形发生器，图2(a)和图2(b)所示，激光管二极管LD波长为375nm与405nm，图中分别用黑白表示，按照两排排列。
激光器控制板，与光纤阵列激光器3中的每个激光二极管LD连接；所述激光器控制板可以单独控制每个激光二极管LD的功率大小和开关。
光学组件223，用于缩小或放大光纤阵列激光器3发出的光斑至设定尺寸范围；所述光学组件223可以为一个或者等间距的安装多个。在该实施例中，光纤阵列激光器3通过光学组件223，光斑缩小4倍，光学组件223为4组。
步进组件，包括固定在龙门架2的水平支撑柱21前侧面的步进轴221、驱使光学组件223在步进轴221上来回移动的步进驱动222；
对准相机233，用于获取待光刻的PCB板的对位位置；所述对准相机233为2个。
对准组件，包括固定在龙门架2的水平支撑柱21后侧面的对准轴231，驱使对准相机233在对准轴231上来回移动的对准驱动232；两个对准相机233通过对应的滑块在对准轴231上来回移动。
吸盘114和标定相机113，所述标定相机113固定在吸盘114靠侧边位置，所述吸盘114用于吸附标定板或待光刻的PCB板；所述标定相机113为2个。
扫描组件，包括固定在底部平台1上的扫描轴111、驱使吸盘114在扫描轴111上来回移动的扫描驱动112。
平台控制器4，包括步进驱动222、对准驱动232、扫描驱动112，还与所述的激光器控制板连接，用于触发激光二极管LD的开关；
计算机5，与激光器控制板通过网线实现通信，用于控制发送激光二极管LD的数据；与平台控制器4通过网口实现双向通信，用于获取相机的图像信息和发送信号通过平台控制器4控制各驱动上相机的运动到设定位置，且控制平台控制器4的位置触发信号发送到激光器控制板上；还与光学组件223、对准相机233、标定相机113的数据端连接，用于系统的标定与对准。
用于绿油光刻的激光直写光刻方法，具体步骤如下：
S1、计算机5向平台控制器4和激光器控制板发送控制信号，平台控制器4控制设置扫描驱动112和步进驱动222，驱使对应的光学组件223移动到吸盘114上的标定相机113正上方位置，激光器控制板接收到计算机5的激光二极管LD的位置校准数据和接收到平台控制器4发出的激光二极管LD的开关触发信号后，控制光纤阵列激光器3发送对应的图像，标定相机113抓取光纤阵列激光器3发出的图像；计算机5计算密排激光器组件的安装角度、光学倍率以及光学组件223的精确安装位置，根据计算结果，调整光学组件223的安装，使光学组件223的角度与倍率满足理论结算的要求；所述理论结算的要求在该实施例中为：安装角度为0°，精度0.001°，即垂直于扫描方向，标定相机113安装也是垂直于扫描方向，根据标定相机113确认的阵列激光器的角度，如果安装角度不满足要求，调整光学组件223的角度旋钮，直到满足要求；倍率要求是2倍或者4倍，精度为0.0001，如果不满足要求，调整倍率旋钮，直到满足要求。
S2、将待光刻的PCB板放置在吸盘114上，平台控制器4控制吸盘114吸气，将待光刻的PCB板固定在吸盘114上，计算机5通过服务器6获取待光刻的PCB板的曝光图形数据，读取曝光图形对应的对位点位置信息，然后计算机5通过发送控制信号至平台控制器4，平台控制器4控制对准相机233在对准轴231上来回移动，获取待光刻的PCB板对应的对位点位置信息；计算机5根据曝光图形对应的对位点位置信息和待光刻的PCB板对应的对位点位置信息，对曝光图形做位置变化，使曝光图形的位置与待光刻的PCB板的位置对应；
S3、计算机5将PCB板图形数据按照步骤S1获取光学组件223的精确安装位置，将待光刻的PCB板以光学组件223在PCB板上形成图像的区域作为一个单元来切割，并将所有单元的数据发送给激光器控制板，在相应单元位置处，激光器控制板向对应的光学组件223发送图像数据。比如系统包括光学组件223A和光学组件223B，光学组件223A和光学组件223B每次在PCB板上形成图像的区域形成一个条带且作为一个单元，根据PCB板图像数据，或形成N1、N2、N3三个单元，当在N1单元时，激光器控制板向光学组件223A和光学组件223B发送a1图像数据，当在N2单元时，激光器控制板向光学组件223A和光学组件223B发送a2图像数据，当在N3单元时，激光器控制板向光学组件223A和光学组件223B发送a3图像数据，a1图像数据、a2图像数据、a3图像数据为曝光图形对应的所有数据。
S4、计算机5通过平台控制器4控制扫描驱动112工作，在扫描轴111上的吸盘114运动到指定的曝光起始点，当到达曝光起始点后，计算机5发送激光器信号给激光器控制板，激光器控制板将信号处理后，向光纤阵列激光器3中各激光器二极管LD发送开关的位置信号，激光器控制板在平台控制器4的控制下，计算机5通过激光器控制板控制对应位置的激光二极管LD开关，实现在分割后的单元处依次向对应的光学组件223发送经过步骤S4切割后的图像数据，在对应的光学组件223在对应的单元中，激光器控制板控制对应的激光器二极管LD在对应位置为1时，表示打开对应的激光器二极管LD，对应位置为0时，关闭对应的激光器二极管LD。
S5、等待一个条带数据扫描完成；平台控制器4控制光学组件223在步进轴221上步进一个扫描的宽度，重复步骤S4，直到整个PCB板曝光完成。
S6、关闭吸盘114的吸气开关，取下PCB板，完成一次曝光。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，其特征在于，包括；
光纤阵列激光器(3)，由每根光纤与对应的激光二极管LD耦合后形成，所述光纤若干排；所述光纤分为两列，两列光纤上下错位设置；
激光器控制板，与光纤阵列激光器(3)中的每个激光二极管LD连接；
光学处理及相机单元，用于缩小或放大光纤阵列激光器(3)发出的光斑和确定待光刻的PCB板的位置；
驱动单元，用于驱动光学处理单元及相机单元中的各部件在相应的轴上来回移动；
平台控制器(4)，与所述的驱动单元的受控端连接；
计算机(5)，分别与激光器控制板、平台控制器(4)、光学处理单元及相机单元实现双向通信；
所述激光二极管LD包括多种波长，不同波长的激光二极管LD在同一排间隔设置或分排排列且在列方向间隔设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，其特征在于，所述光学处理及相机单元包括：
光学组件(223)，用于缩小或放大光纤阵列激光器(3)发出的光斑至设定尺寸范围；
对准相机(233)，用于获取待光刻的PCB板的对位位置；
吸盘(114)和标定相机(113)，所述标定相机(113)固定在吸盘(114)靠侧边位置，所述吸盘(114)用于吸附待光刻的PCB板。
3.根据权利要求2所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，其特征在于，所述对准相机(233)为2个。
4.根据权利要求1所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻系统，其特征在于，所述驱动单元包括设置在龙门架(2)上的
步进组件，包括固定在龙门架(2)的水平支撑柱(21)前侧面的步进轴(221)、驱使光学组件(223)在步进轴(221)上来回移动的步进驱动(222)；
扫描组件，包括固定在底部平台(1)上的扫描轴(111)、驱使吸盘(114)在扫描轴(111)上来回移动的扫描驱动(112)；
对准组件，包括固定在龙门架(2)的水平支撑柱(21)后侧面的对准轴(231)，驱使对准相机(233)在对准轴(231)上来回移动的对准驱动(232)；两个对准相机(233)通过对应的滑块在对准轴(231)上来回移动。
5.一种用于绿油光刻的激光直写光刻方法，包括底部平台(1)和设置在底部平台(1)上的龙门架(2)，所述龙门架(2)的水平支撑柱(21)的前后侧面上分别平行设置有步进轴(221)、对准轴(231)，所述底部平台(1)上设置有与步进轴(221)垂直的扫描轴(111)，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算机(5)向平台控制器(4)和激光器控制板发送控制信号，平台控制器(4)控制设置在底部平台(1)上的扫描驱动(112)和设置在龙门架(2)上的步进驱动(222)，驱使对应的光学组件(223)移动到吸盘(114)上的标定相机(113)正上方位置，激光器控制板接收到计算机(5)的激光二极管LD的位置校准数据和平台控制器(4)发出的激光二极管LD的开关触发信号后，控制光纤阵列激光器(3)发送对应的图像，标定相机(113)抓取光纤阵列激光器(3)发出的图像；计算机(5)计算光纤阵列激光器(3)组件的安装角度、光学倍率以及光学组件(223)的精确安装位置，根据计算结果，调整光学组件(223)的安装，直至校准完毕；
S2、将待光刻的PCB板放置在位于底部平台(1)的吸盘(114)上，计算机(5)获取待光刻的PCB板的曝光图形数据，读取曝光图形对应的对位点位置信息，然后计算机(5)通过发送控制信号至平台控制器(4)，平台控制器(4)控制对准相机(233)在对准轴(231)上来回移动，获取待光刻的PCB板对应的对位点位置信息；计算机(5)根据曝光图形对应的对位点位置信息和待光刻的PCB板对应的对位点位置信息，对曝光图形做位置变化，使曝光图形的位置与待光刻的PCB板的位置对应；
S3、计算机(5)将PCB板图形数据按照步骤S1获取光学组件(223)的精确安装位置，将待光刻的PCB板以光学组件(223)在PCB板上形成图像的区域作为一个单元来切割，并将所有单元的数据发送给激光器控制板，在相应单元位置处，激光器控制板向对应的光学组件(223)发送图像数据；
S4、计算机(5)通过平台控制器(4)控制扫描驱动(112)工作，在扫描轴(111)上的吸盘(114)运动到指定的曝光起始点，当到达曝光起始点后，计算机(5)发送激光器信号给激光器控制板，激光器控制板将信号处理后，向光纤阵列激光器(3)中各激光器二极管LD发送开关的位置信号，激光器控制板在平台控制器(4)的控制下，计算机(5)通过激光器控制板控制对应位置的激光二极管LD开关，实现在分割后的单元处依次向对应的光学组件(223)发送经过步骤S4切割后的图像数据，在对应的光学组件(223)在对应的单元中，激光器控制板控制对应的激光器二极管LD在对应位置打开或关闭；
S5、等待一个条带数据扫描完成；平台控制器(4)控制光学组件(223)在步进轴(221)上步进一个扫描的宽度，重复步骤S4，直到整个PCB板曝光完成；
S6、取下PCB板，完成一次曝光。
6.根据权利要求5所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻方法，其特征在于，调整光学组件(223)使其角度与倍率满足理论结算的要求，所述理论结算的要求为：安装角度为0°，精度0.001°，即垂直于扫描方向，标定相机(113)安装也是垂直于扫描方向，根据标定相机(113)确认的阵列激光器的角度，如果安装角度不满足要求，调整光学组件(223)的角度旋钮，直到满足要求；倍率要求是2倍或者4倍，精度为0.0001，如果不满足要求，调整倍率旋钮，直到满足要求。
7.根据权利要求5所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻方法，其特征在于，步骤S4中，激光器控制板控制对应的激光器二极管LD在对应位置为1时，表示打开对应的激光器二极管LD，对应位置为0时，关闭对应的激光器二极管LD。
8.根据权利要求5所述的一种用于绿油光刻的激光直写光刻方法，其特征在于，所述光纤阵列激光器(3)使用多种波长的激光二极管LD，不同波长的激光二极管LD在同一排间隔设置或分排排列且在列方向间隔设置。
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