DE10336861B3

DE10336861B3 - Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenposition eines Werkstückes innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE10336861B3
Application number: DE10336861A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Metka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: WO2005016587A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Oberflächen-Höhenposition eines Werkstücks (6) innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine, bei der ein Laserstrahl (2) über eine Fokussieroptik (4) auf das auf einem Träger (5) angeordnete Werkstück (6) gerichtet wird, wird zumindest eine auf der Oberfläche des Trägers angeordnete Marke (9) mittels einer Kamera in mehreren vorgegebenen Höhenpositionen (z¶-3¶ bis z¶3¶) des Trägers vermessen. Eine durch die Marke vorgegebene Meßdistanz (B) ergibt bei den unterschiedlichen Höhenpositionen unterschiedliche Meßwerte, aus denen eine Eichkurve abgeleitet wird. Eine auf dem Werkstück (6) vorgesehene Marke (9*) wird in gleicher Weise in einer bestimmten Höhenposition des Trägers (5) vermessen. Durch Vergleich des auf dem Werkstück gewonnenen Meßwerts mit der Eichkurve ergibt sich die genaue Höhe des Werkstücks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächen-Höhenposition eines Werkstücks innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei ein Laserstrahl über eine optische Ablenkeinheit und eine Fokussieroptik auf das Werkstück gerichtet wird, das auf einem Träger angeordnet und mit diesem dreidimensional verfahrbar ist.

Laserbearbeitungsmaschinen zum Bohren, Strukturieren und Beschriften von Werkstücken werden auf den verschiedensten technischen Gebieten eingesetzt. Unter anderem werden solche Maschinen zur Bearbeitung von elektrischen Schaltungsträgern, wie Leiterplatten, verwendet, insbesondere dort, wo miniaturisierte Schaltungsträger mit hoher Packungsdichte sehr feine Bohrungen und Leiterstrukturen im Bereich von 100 μ und weniger erfordern und wo zugleich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit notwendig ist. Da die Genauigkeit der Bearbeitung von der Fokussierung des Laserstrahls auf die zu bearbeitende Oberfläche abhängt, ist es wichtig, den Arbeitsabstand zwischen der Fokussieroptik und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche möglichst genau zu kennen bzw. einzustellen.

Bei bekannten Laserbearbeitungsmaschinen wird der Abstand manuell eingegeben und über den gesamten Verfahrbereich des Trägers, also des Bearbeitungstisches, konstant gehalten. Mechanische Toleranzen des Bearbeitungstisches sowie der Werkstücke führen dazu, daß die Bearbeitung an unterschiedlichen Stellen des Verfahrbereichs mit unterschiedlichen Laserstrahl-Fleckdurchmessern und damit mit unterschiedlichen Energie- bzw. Leistungsdichten erfolgt. Zusätzlich führen diese Toleranzen dazu, daß die maximal erzielbare Genauigkeit verschlechtert wird. Aus diesen Gründen ist es mit herkömmlichen Maschinen schwierig, gleichbleibende gute Bohr- bzw. Strukturierqualität an Substraten mit der geforderten Genauigkeit zu erzielen.

Es wäre zwar möglich, mittels apparativ aufwendiger zusätzlicher Sensoren den Abstand ständig zu messen und dann mittels einer aktiven Steuerung diesen Abstand zwischen Werkstück und Fokussieroptik konstant zu halten. Eine solche Lösung wäre aber sehr aufwendig und teuer.

Aus der DE 195 20 213 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächen-Höhenposition eines Werkstücks innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt, bei der ein Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf das Werkstück gerichtet wird, das auf einem Träger angeordnet und mit diesem dreidimensional verfahrbar ist. Dabei werden bei mehrerer Höhenpositionen der Fokussieroptik Marken auf die Oberfläche des Werkstücks eingebracht und mit einer Kamera zur Bestimmung der Höhenposition vermessen.

Ziel der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der Höhenposition der Werkstückoberfläche innerhalb der Maschine und damit auch des Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und der Fokussieroptik anzugeben, welches die optischen Eigenschaften der in einer solchen Maschine vorhandenen Systeme ausnutzt, so daß keine aufwendigen Zusatzinstrumente erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß zumindest eine auf der Oberfläche des Trägers angeordnete Marke mittels einer Kamera in mehreren vorgegebenen Höhenpositionen des Trägers vermessen wird, wobei eine vorgegebene, durch die Marke gebildete Meßdistanz in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhenposition zu unterschiedlichen Meßwerten führt, aus denen eine Eichkurve abgeleitet und gespeichert wird, daß dann mit zumindest einer auf der Oberfläche des Werkstückes angeordnete Marke ebenfalls die vorgegebene Meßdistanz gebildet und mittels der Kamera bei einer bestimmten Höhenposition des Trägers vermessen wird und daß durch Vergleich eines derart gewonnenen Meßwertes mit der Eichkurve die Höhenposition der Werkstückoberfläche bestimmt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Höhenbestimmung des Werkstücks eine Kamera verwendet, die ohnehin in derartigen Lasermaschinen vorhanden ist, da mit ihr unter anderem Markierungen zur horizontalen Ausrichtung des Werkstücks aufgenommen werden. Nach der Erfindung wird nun eine Eichkurve direkt auf der Oberfläche des Trägers bzw. Bearbeitungsti sches aufgenommen, danach werden eine oder mehrere Marken auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks vermessen, wobei aus dem Vergleich der Ergebnisse die Dicke des Werkstücks bestimmt werden kann. Dieses Ergebnis kann dann abgespeichert und in einer aktiven Regelung bei der nachfolgenden Bearbeitung des Werkstücks berücksichtigt werden.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kamera vorgesehen, deren Strahlengang getrennt von dem Laserstrahl und dessen Fokussieroptik über eine eigene Abbildungseinheit geführt wird. In diesem Fall wird die Meßdistanz durch die Ausdehnung der Marke in einer vorgegebenen horizontalen Richtung, also beispielsweise durch eine Linienbreite der Marke, bestimmt. Die auf diese Weise aufgenommene Eichkurve weist ebenso wie eine mit der Marke des Werkstücks aufgenommene Meßkurve jeweils ein Minimum auf, das dem Fokusabstand der Marke von der Abbildungseinheit entspricht. Die Differenz der Minima dieser beiden Kurven ist dann direkt die Höhe bzw. Dicke des Werkstücks. Dieses Verfahren wird vorzugsweise für Laser mit größerer Wellenlänge, also beispielsweise für CO₂-Laser, verwendet.

In einem anderen vorteilhaften Verfahren, das vorzugsweise für kurzwellige Laser, wie UV-Laser, verwendet wird, erfolgt die Beobachtung der Marken auf dem Träger und auf dem Werkstück durch die Kamera über die Fokussieroptik des Lasers, und die Meßdistanz wird durch den Abstand zweier horizontal versetzter Positionen der Marke bestimmt, d.h. in jeder Höhenposition wird der Träger horizontal um die vorgegebene Meßdistanz horizontal versetzt, wobei die Marke in jeder der beiden horizontal versetzten Positionen durch die Kamera aufgenommen wird. Der in jeder Höhenposition des Trägers gemessene virtuelle Abstand zwischen den beiden Meßpositionen ergibt dann die Eichkurve, und durch zwei Bildaufnahmen einer auf der Oberfläche des Werkstücks befindlichen Marke in ebenfalls zwei um die Meßdistanz versetzten Horizontalpositionen wird ein Meßabstand ermittelt, der durch Vergleich mit der Eichkurve unmittelbar den Höhenwert für die Oberfläche des Werkstücks ergibt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit der Abstand zwischen Fokussieroptik und Bearbeitungsebene bei Laser-Bearbeitungsmaschinen an nahezu jeder Stelle des Werkstücks gemessen und über eine aktive Regelung optimiert werden, ohne daß ein zusätzlicher apparativer Aufwand notwendig wäre, der zugleich einen erhöhten finanziellen Aufwand bedeuten würde. Das Verfahren ist mehrfach einsetzbar, zum Beispiel zum Vermessen der Ebenheit des Bearbeitungstisches, zum Vermessen der Toleranzen der Werkstücke, und zwar sowohl der Toleranzen innerhalb des Werkstücks als auch der Toleranzen zwischen zwei Werkstücken.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Anordnung für die Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine mit dem Aufbau von 1 auf der Oberfläche eines Bearbeitungstisches gewonnene Eichkurve im Vergleich mit einer auf einem Werkstück gewonnenen Meßkurve,
3a und 3b den apparativen Aufbau für eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Strahlengang der Kamera über die Fokussieroptik des Lasers verläuft und wobei der Bearbeitungstisch in zwei horizontal versetzten Positionen gezeigt ist und
4 eine mit der Anordnung gemäß 3a und 3b gewonnene Eichkurve.
1 zeigt einen möglichen apparativen Aufbau zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit getrennten Strahlengängen für den Laserstrahl und die Kamera. Dabei ist schematisch ein von einem Laser 1 emittierter Laserstrahl 2 gezeigt, der über eine Ablenkeinrichtung 3 und über eine Fokussieroptik 4 in Form eines f-ϴ-Objektivs auf einen Bearbeitungstisch 5 bzw. auf ein darauf angeordnetes Werkstück 6 gelenkt wird. Mittels einer Kamera 7 und einer davor angeordneten, durch Linsen 8 gebildeten Abbildungseinheit können der Bearbeitungstisch und das Werkstück beobachtet und vermessen werden. Üblicherweise wird mit Hilfe dieser Kamera 7 die Horizontalposition des Werkstückes auf dem Bearbeitungstisch in zwei Richtungen x und y bestimmt.
Gemäß der Erfindung wird mittels der Kamera 7 auch die vertikale Position des Bearbeitungstisches 5 bezüglich der z-Achse bestimmt. Zu diesem Zweck kann der Bearbeitungstisch 5 in verschiedene Höhenpositionen, beispielsweise von z_–3 über z₀ bis z₃ verstellt werden. Zur Vermessung ist auf dem Bearbeitungstisch eine Marke 9 angebracht, die in dem Beispiel von 1 die Form eines andeutungsweise dargestellten Kreuz besitzt, wobei eine Markeneigenschaft, zum Beispiel die Linienbreite B oder auch die Balkenlänge als Meßdistanz bestimmt ist. Eine Marke 9* ist auch auf dem Werkstück zumindest einmal vorgesehen.
Zunächst wird zur Erstellung einer Eichkurve der Bearbeitungstisch 5 ohne Werkstück vermessen, wobei die Marke 9 an unterschiedlichen z-Positionen, zum Beispiel z_–3 bis z₃ durch die Kamera aufgenommen wird. Dabei wird die vorgegebene Meßdistanz, also beispielsweise die Linienbreite B, als Funktion der jeweiligen Höhenposition oder z-Position aufgetragen, so daß man aufgrund der Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik 8 einen Kurvenverlauf erhält, wie er in 2 dargestellt ist. Jeder z-Position ist also ein B-Wert zugeordnet, mit dem die Meßdistanz, also die Linienbreite B bei dieser entsprechenden Höhenposition gemessen wird. Die so gewonnenen Meßwerte werden als Eichpunkte EP_–3 bis EP₃ über den entsprechenden z-Werten aufgetragen und bilden so eine Eichkurve EK1.
Wird dann das Werkstück 6 auf den Bearbeitungstisch aufgelegt, so kann die auf dem Werkstück angebrachte Marke 9* in gleicher Weise vermessen werden. Für die unterschiedlichen z-Positionen erhält man wiederum B-Meßwerte, die in 2 als Meß-Punkte MP_–3 bis MP₃ dargestellt sind und zusammen eine Meßkurve MK1 ergeben. Beide Kurven, die Eichkurve EK1 und die Meßkurve MK1 besitzen ein Minimum EP₀ bzw. MP₁, das jeweils dem Fokusabstand der Marke 9 auf dem Bearbeitungstisch 5 bzw. auf dem Werkstück 6 entspricht. Die Differenz Δz zwischen den beiden Minima ist direkt die Werkstückhöhe.
3 zeigt eine gegenüber 1 etwas abgewandelte Anordnung. In diesem Fall wird der Strahlengang der Kamera 7 direkt durch die Fokussieroptik 4 des Laserstrahls, der in diesem Bild nicht gezeigt ist, gelenkt, so daß die Beobachtung der Marke 9 auf dem Bearbeitungstisch 5 bzw. 9* auf dem Werkstück 6 über die Fokussieroptik 4 erfolgt. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden nun in jeder der möglichen z-Positionen (z_–3 bis z₃) jeweils zwei Bildaufnahmen gemäß 3a und 3b durchgeführt, wobei der Bearbeitungstisch zwischen den Positionen der 3a und 3b in Horizontalrichtung um einen genau definierten Wert Dx verfahren wird, wodurch eine Meßdistanz Dx festgelegt ist. Diese Meßdistanz Dx zwischen den beiden Bildaufnahmen wird in jeder Höhenposition mit einem unterschiedlichen virtuellen Wert gemessen. Trägt man diese virtuellen Meßwerte A der Meßdistanz Dx als Funktion der Höhenpositionen z auf, so ergibt sich eine Eichkurve EK2. Diese hat einen linearen Verlauf als Resultat der nicht optimalen Telezentrie des f-ϴ-Objektivs, da der Strahlengang im Randbereich des f-ϴ-Objektivs nicht parallel zur optischen Achse, sondern unter einem gewissen Winkel erfolgt.
Beim Vermessen des Werkstücks 6 werden nun wiederum an der Marke 9* auf dem Werkstück zwei Bildaufnahmen durchgeführt, wobei auch in diesem Fall der Bearbeitungstisch 5 zwischen den Positionen von 3a und 3b horizontal um die Meßdistanz Dx verfahren wird. Der dabei bestimmte virtuelle Abstand ist ein direktes Maß für die Höhe des Werkstücks. Für die Darstellung in 4 bedeutet dies beispielsweise, daß der Meßpunkt MA bei einer Höhenposition z₀ des Tisches 5 ermittelt wird, wobei die Messung in den beiden Positionen der
3a und 3b einen virtuellen Abstand ergibt, der der Höhenposition z_–1 entspricht. Die Höhe bzw. Dicke des Werkstücks entspricht also der Differenz Δz zwischen den Höhenpositionen z₀ und z_–1.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Oberflächen-Höhenposition eines Werkstücks (5) innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei ein Laserstrahl (2) über eine Fokussieroptik (4) auf das Werkstück (6) gerichtet wird, das auf einem Träger (5) angeordnet und mit diesem dreidimensional verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest eine auf der Oberfläche des Trägers (6) angeordnete Marke (9) mittels einer Kamera in mehreren vorgegebenen Höhenpositionen (z_–3...z₀...z₃) des Trägers (5) vermessen wird, wobei eine vorgegebene, durch die Marke (9) gebildete Meßdistanz (B;Dx) in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhenposition (z_–3 bis z₃) zu unterschiedlichen Meßwerten (EP_–3 bis EP₃; A_–3 bis A₃) führt, aus denen eine Eichkurve (EK1) abgeleitet und gespeichert wird, daß dann mit zumindest einer auf der Oberfläche des Werkstücks (6) angeordneten Marke (9*) ebenfalls die vorgegebene Meßdistanz (B;Dx) gebildet und mittels der Kamera (7) bei einer bestimmten Höhenposition des Trägers (5) vermessen wird und daß durch den Vergleich eines derart gewonnenen Meßwertes (MP;MA) mit der Eichkurve (EK1; EK2) die Höhenposition der Werkstückoberfläche bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdistanz durch die Ausdehnung (B) der Marke (9) in einer vorgegebenen horizontalen Richtung bestimmt wird, daß die Kamera (7) eine von der Fokussieroptik (4) des Lasers (1) getrennte Abbildungseinheit (8) besitzt und daß sowohl die Eichkurve (EK1) als auch eine mit der Marke (9*) des Werkstücks (6) aufgenommene Meßkurve (MK1) ein dem Fokusabstand des Trägers (5) bzw. des Werkstücks (6) von der Abbildungseinheit (8) entsprechendes Minimum (EP₀; MP₁) aufweist, wobei aus dem Vergleich der Minima die Höhenposition der Werkstückoberfläche ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdistanz durch den Abstand (Dx) zweier horizontal versetzter Positionen (3a, 3b) der Marke (9) bestimmt wird, der in jeder Höhenposition (z_–3 bis z₃) durch einen vorgegebenen Horizontalversatz des Trägers (5) gebildet wird, daß in jeder Höhenposition (z_–3 bis z₃) zwei Aufnahmen mit der Kamera über eine die Fokussieroptik (4) des Lasersystems bildendes f-ϴ-Objektiv erstellt werden, daß aus dem gemessenen virtuellen Abstand (A_–3 bis A₃) der beiden Positionen der Marke (9) in jeder Höhenposition (z_–3 bis z₃) die Eichkurve (EK2) gebildet wird und daß durch zwei Bildaufnahmen einer auf der Oberfläche des Werkstücks befindlichen Marke (9*) in zwei um die Meßdistanz (Dx) versetzten Horizontalpositionen ein virtueller Meßabstand (MA) ermittelt wird, der durch Vergleich mit der Eichkurve (EK2) unmittelbar den Höhenwert für die Oberfläche des Werkstücks (6) ergibt.