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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lasersystems
für die
Bearbeitung von Substraten, insbesondere von elektrischen Schaltungssubstraten,
wobei eine Laserquelle mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz
getriggert wird, um einen gepulsten Laserstrahl mit einer vorgegebenen
Leistung und Qualität
zu erzeugen und über
eine Ablenkeinheit auf ein Substrat abzugeben. Außerdem betrifft
die Erfindung ein Lasersystem zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Für die Bearbeitung
von Leiterplatten oder vergleichbaren Substraten werden gütegeschaltete Laserquellen
in einem weiten Wellenlängenbereich von
UV (266 nm) bis Wide-Infrarot (10,6 μm) eingesetzt. Häufig zeigen
diese Laserquellen zu Beginn der Triggerung mit dem Güteschalter
ein instabiles Puls-zu-Puls-Verhalten über durchschnittlich
15 ms; bei verschiedenen Laserquellen dauert dieser instabile Zustand
sogar bis zu mehreren Sekunden. Werden die Laserpulse in dieser
Anfangsphase zum Bohren oder Strukturieren des Substrats eingesetzt,
führt dies
zu einer mangelhaften Qualität
der so gewonnenen Bohrlöcher
oder Leiterbahnstrukturen. Das instabile Puls-zu-Puls-Verhalten
zeigt sich in Form von Anlaufzeiten und Überschwingern über mehrere Bohrlöcher oder
Strukturen hinweg, wobei alle verschiedenen Laserquellen mehr oder
weniger diesen Effekt aufweisen und wobei jedoch das Verhalten der verschiedenen
Laserquellen unterschiedlich sein kann.
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Um
diese negativen Effekte auf die Bearbeitungsqualität auszuschalten,
wurden bisher beispielsweise zu Beginn eines Bohr- oder Bearbeitungsprozesses
einige Probelöcher
(Dummy-Löcher) außerhalb
des für
die Bearbeitung genutzten Feldes gebohrt. Doch ist dies zeitaufwendig
und für
eine Großserien fertigung
nicht praktikabel. Im übrigen müssen auch
solche Löcher
bereits im CAD-Layout hinterlegt werden.
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Neben
den oben geschilderten Problemen in der Anlaufphase eines Produktionsprozesses
kann der gleiche Effekt auch auftreten, wenn längere Unterbrechungen während des
Prozesses auftreten, beispielsweise aufgrund nicht erkannter Positionsmarkierungen.
Solche Unterbrechungen können
im Minutenbereich liegen; auch dann kann der Laser seine Prozeßstabilität verlieren,
wenn er während dieser
Unterbrechungszeiten nicht getriggert wird. Zwar könnte der
Laserstrahl in dieser Wartezeit auf eine Strahlenfalle gelenkt werden.
Doch hat dies den großen
Nachteil, daß dabei
eine erhebliche dauerhafte Wärmeentwicklung
erfolgt. Bei dieser Lösung müßte überdies
eine weitere optisch-mechanische Komponente mit eventuellen Verlusten
in den optischen Pfad integriert werden.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art und
ein System zur Durchführung
dieses Verfahrens zu schaffen, mit dem für jeden Bearbeitungsprozeß mit möglichst
geringem Zeitverlust sichergestellt wird, daß der Laser stabile Pulse liefert.
Zugleich soll auch eine übermäßige Wärmeentwicklung
im System vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht,
daß jeweils
in einer Stabilisierungsphase der Pulserzeugung ein Verschlußelement
für eine
vorgegebene Stabilisierungszeit in den optischen Pfad des Laserstrahls
gebracht wird, daß die
Laserpulse während
der Stabilisierungszeit auf das Verschlußelement abgegeben werden und
daß das
Verschlußelement
geöffnet
wird, um die Laserpulse auf das Substrat freizugeben, wenn die vorgegebene
Stabilisierungszeit verstrichen ist und das Substrat sich in einer
vorgegebenen Bearbeitungsposition befindet.
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Nach
der Erfindung ist also vorgesehen, daß zu Beginn eines jeden Bohr-
oder Strukturierungsprozesses, sofern es für die Laserstabilisierung notwendig
ist, ein externes oder internes Verschlußelement, ein so genannter
Shutter, an der Laserquelle geschlossen wird, wobei der Laser seine
Pulse für eine
vorgegebene Zeit auf dieses Verschlußelement abgibt. Da während dieser
Stabilisierungszeit also keine Pulse nach außen dringen und über das
optische System zum Substrat gelangen können, kann gleichzeitig der
Bearbeitungstisch bewegt und das Substrat mit dem ersten bzw. dem
jeweils nächsten Bearbeitungsfeld
in die richtige Bearbeitungsposition gegenüber dem optischen System gebracht
werden. Durch diesen (offenen) parallelen Ablauf der Laserstabilisierung
einerseits und der Produktionsvorbereitung einschließlich Bilderkennung
und Substratpositionierung andererseits wird sichergestellt, daß für die Stabilisierung
ein möglichst
geringer Zeitverlust entsteht.
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Wenn
nach Ablauf der Stabilisierungsphase das Substrat noch nicht bereit
zur Bearbeitung ist, kann zunächst
die Triggerung des Lasers bei geschlossenem Verschlußelement
weitergeführt
werden. Um jedoch eine übermäßige Erwärmung des Verschlußelementes
zu vermeiden, ist eine maximale Aktivierungszeit für die Stabilisierungsphase
vorgesehen. Ist diese Zeit abgelaufen, ohne daß das Substrat bearbeitet werden
kann, wird die Triggerung auf das Verschlußelement gestoppt.
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Während des
Prozesses gibt es vorzugsweise eine unabhängige Überwachung, die den Laser bei
Bedarf triggern kann. Dabei wird explizit die Zeit kontrolliert,
in der der Laser aktiv getriggert wird. Wird innerhalb des Produktionsprozesses
der Laser für mehr
als eine festgelegte maximale Inaktivitätszeit nicht getriggert, so
daß er
automatisch seine Prozeßstabilität verliert,
dann wird der Prozeß unterbrochen, das
Verschlußelement
geschlossen und der Laser in einer neuen Stabilisierungsphase für die vorgesehene
Stabilisierungszeit getriggert, wobei die Laserpulse wiederum auf
das geschlossene Verschlußelement
treffen. Somit wird bei der Erfindung durch prozeßabhängige und
zeitoptimierte Ansteuerung des Lasers und des Verschlußelementes
die jeweilige Laserquelle optimiert, wobei es sich vorzugsweise
um Laser mit Wellenlängen
von 266 nm, 355 nm, 532 nm, 1064 nm, 9,3 μm und 10,6 μm handelt.
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Während der
Stabilisierungsphase des Lasers wird dabei vorzugsweise ein Bearbeitungsprozeß, also
ein Bohr- oder Strukturierprozeß,
auf das geschlossene Verschlußelement
in der gleichen Weise durchgeführt
wie bei der Bearbeitung eines Substrats. Dieser ist beispielsweise
definiert durch
- a) die Spiegelauslenkung in
der Ablenkeinheit zur Zielposition,
- b) die Triggerung des Lasers mit Prozeßparametern und
- c) eine Laser-Regenerationszeit.
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Durch
zyklisches Wiederholen dieser Einzelphasen wird somit die Laserquelle
in der Stabilisierungsphase in einem Zustand betrieben, der voll
den Betriebsbedingungen in der Bearbeitungsphase entspricht.
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Ein
Lasersystem zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist folgende Merkmale auf:
- – einen
innerhalb einer horizontalen Ebene verstellbaren Bearbeitungstisch
zur Aufnahme und Positionierung eines Substrates,
- – eine
Laserquelle mit einem Güteschalter
zur Triggerung des Laserstrahls,
- – ein
Verschlußelement
am Ausgang der Laserquelle,
- – eine
Ablenkeinheit und eine Abbildungseinheit zur Positionierung und
Fokussierung der Laserstrahlen auf vorgegebene Zielpunkte des Substrats,
- – eine
Steuereinrichtung zur Steuerung der Laserquelle, des Güteschalters,
des Verschlußelementes,
der Ablenk- und Abbildungseinheit sowie des Bearbeitungstisches
und
- – eine Überwachungseinheit
zur Überwachung der
Aktivierungs- und
Inaktivierungszeiten des Lasers.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lasersystems und
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2 ein
Flußdiagramm
zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das
in 1 gezeigte Laser-Bearbeitungssystem besitzt eine
Laserquelle 1, welche je nach Bauweise, zum Beispiel bei
einer CO2-Laserquelle, ein internes Verschlußelement 2 (gestrichelt
gezeigt) aufweisen kann. Bei anderen Lasern, wie etwa bei Solid-State-Laserquellen,
kann ein Trippler- oder Doppler-Modul 3 nachgeschaltet
sein, an welches sich dann ein externes Verschlußelement 4 anschließt. Der
jeweilige Laserstrahl 12 wird nach dem Verlassen der Laserquelle
und nach dem Passieren des jeweiligen (offenen) Verschlußelementes 2 oder 4 durch
einen Strahlaufweiter 5 geleitet. Danach gelangt der Laserstrahl 12 in
eine Ablenkeinheit 6, wo er in der Regel über zwei
Spiegel-Ablenkelemente um zwei zueinander senkrechte Achsen abgelenkt
wird. Über
eine Abbildungseinheit 7, in der Regel eine F-Theta-Linse,
wird der Strahl dann auf eine Zielposition gelenkt.
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Ein
zu bearbeitendes Substrat 11 ist auf einem XY-Bearbeitungstisch 10 angeordnet
und beispielsweise über
Ansauglöcher
mittels Unterdruck fixiert. Der XY-Bearbeitungstisch 10 bewegt
das Substrat 11 in Richtung der Doppelpfeile x und y unter
die Ablenkeinheit 6 bzw. die Abbildungseinheit 7.
Die Ablenkeinheit 6 ihrerseits bewegt den Laserstrahl 12 jeweils über ein
definiertes Schreibfeld bzw. Bearbeitungsfeld 13. Ist ein
Schreibfeld 13 vollständig
bearbeitet, bewegt der XY-Bearbeitungstisch das Substrat an die
nächste
zu bearbeitende Position. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das
Substrat 11 vollständig
bearbeitet ist. Nach Bearbeitung des letzten Schreibfeldes 13 wird
das Substrat 11 in eine Ein-, Aus- oder eine Übergabeposition
bewegt.
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Zur
Identifizierung und Positionierung des Substrats bezüglich des
optischen Systems ist über dem
Bearbeitungstisch 10 eine Bilderkennungseinrichtung in
Form einer Kamera 14 angeordnet, welche beispielsweise
Erkennungsmarken 11a auf dem Substrat 11 erkennt
und anhand dieser Erkennungsmarken die richtige Positionierung ermöglicht.
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Alle
Abläufe
in dem System werden von einem Maschinencomputer 9 und
einer Steuerbaugruppe 8 gesteuert und überwacht. Über die Steuerbaugruppe 8 werden
eine Stromversorgung 15 für die Laserquelle 1,
ein Güteschalter 16 für die Laseraktivierung
und die Ablenkeinheit 6 gesteuert und überwacht.
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Der
Maschinencomputer 9 empfängt nicht nur die Signale von
der Kamera 14 und steuert entsprechend den XY-Bearbeitungstisch 10 in
die jeweils richtige Position. Vielmehr enthält der Maschinencomputer 9 insbesondere
zwei Module 9a und 9b, welche jeweils die Inaktiv-Zeiten
(Modul 9a) sowie die Aktiv-Zeiten (Modul 9b) und
den aktuellen Laserzustand überwachen.
Dieser aktuelle Laserzustand definiert sich in "Laser stabil" und "Laser instabil". Dieser letztere Zustand gilt immer
dann, wenn der Laser mehr als eine vorgegebene Zeit T1 inaktiv war,
also wenn die Laserquelle für
mehr als diese Zeit T1 nicht getriggert wurde. Im normalen Prozeßablauf tritt
dieser Fall nur dann ein, wenn die Maschine im Bereitschaftsmodus
steht oder wenn sie beispielsweise bei einer negativen Bilderkennung
durch die Kamera 14 angehalten werden mußte.
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In 2 ist
in einem Flußdiagramm
der Arbeitsablauf bei dem erfindungsgemäßen System bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gezeigt. In einem Schritt S1 wird der Laser über die Stromversorgung eingeschaltet.
Das Verschlußelement 2 oder 4 wird
geschlossen (Schritt S2) und mit den nachfolgenden Prozeßbedingungen
(Lastverhältnis,
Triggerfrequenz und Pulsenergie) in gleicher Weise angesteuert wie
für den
beabsichtigten Bearbeitungsprozeß an einem Substrat 11.
Die Laserpulse werden jedoch nicht auf das Substrat gelenkt, sondern
auf das geschlossene Verschlußelement.
Es beginnt die Aufwärm-
bzw. Stabilisierungsphase mit der Stabilisierungszeit T2, die im
Schritt S3 mit T2 = 0 gestartet wird und in der, wie erwähnt, die
Stabilisierungs-Triggerpulse (Schritt S4) auf das Verschlußelement
abgegeben werden, bis die Laserquelle einen stabilen Zustand erreicht
hat. Diese Stabilisierungsphase läuft so lange, bis im Schritt
S5 festgestellt wird, ob die Zeit T2 die benötigte Stabilisierungszeit T2
erreicht hat.
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Gleichzeitig
und parallel zu der Stabilisierungszeit des Lasers startet die Maschine
die Produktionsvorbereitung. Der XY-Bearbeitungstisch 10 ist
eingeschaltet (Schritt S11); das Substrat wird im Schritt S12 unter
die Kamera 14 bewegt, und alle Erkennungsmarken des Substrats 11 werden
aufgenommen. Mit Abschluß der
Bilderkennung wird das Substrat 11 mit dem ersten zu bearbeitenden Schreibfeld 13 in
den Bereich des Laserstrahls 12 positioniert (Schritt S13).
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Wie
erwähnt,
wird im Schritt S5 überprüft, ob die
Zeit T2 bereits abgelaufen ist. Ist dies nicht der Fall, muß die Restzeit
abgewartet werden, bis der Produktionsprozeß gestartet werden kann. Ist
T2 aber abgelaufen und wird im Schritt S6 auch festgestellt, daß das Substrat
positioniert und zur Bearbeitung bereit ist, dann wird die Stabilisierungstriggerung
mit den Laserpulsen auf das Verschlußelement 2 bzw. 4 beendet
und der Verschluß geöffnet (Schritt S7).
Es beginnt nun die eigentliche Bearbeitung mit dem Schritt S8, in
welchem die Prozeß-Triggerpulse auf
das Substrat 11 gelenkt werden. Dabei ist sichergestellt,
daß mit
Beginn der Bearbeitung eines ersten Bohrloches oder einer ersten
Struktur am Substrat der Laser bereits einen stabilen Zustand hat.
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Das
erste Schreibfeld oder Bearbeitungsfeld 13 wird nunmehr
bearbeitet, bis im Schritt S9 die Fertigstellung der Arbeit an dem
ersten Schreibfeld 13 festgestellt wird. Ist dieser Bearbeitungsprozeß beendet,
wird der Laser im Schritt S10 deaktiviert. Zugleich wird über den
Schritt S14 geprüft,
ob ein neues Feld auf dem Substrat 11 zu bearbeiten ist.
In diesem Fall wird das Substrat über den Schritt S13 neu positioniert,
d.h., ein neues Bearbeitungsfeld 13 wird in den Bereich
des Laserstrahls 12 gebracht. Sobald das neue Bearbeitungsfeld
positioniert ist, kann über den
Schritt S6 der Schritt S8 mit der Abgabe von Prozeßtriggerpulsen
auf das neue Feld 13 begonnen werden, wenn das Verschlußelement
am Laser noch geöffnet
ist (S7).
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Nach
dem Schritt S10 überwacht
das Modul 9a ("Laser
inaktiv") die Zeit,
in der der Laser nicht getriggert wird. Dies beginnt mit t1 = 0
im Schritt S15; im Schritt S16 wird jeweils geprüft, ob der Laser mehr als die
maximale Inaktivzeit T1 nicht getriggert wurde. So lange die maximale
Inaktivzeit T1 nicht überschritten
ist, kann über
den Schritt S6 jeweils ein neuer Bearbeitungsprozeß eingeleitet
werden, wenn das neue Bearbeitungsfeld 13 positioniert
ist.
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Ist
jedoch die maximale Inaktivzeit T1 überschritten, was im Schritt
S16 festgestellt wird, dann wird der Produktionsprozeß angehalten
und der Laser über
die Schritte S2, S3 und S4 wieder stabilisiert. Das heißt, daß das Verschlußelement 2 bzw. 4 geschlossen
und daß Stabilisierungs-Trigger-Pulse gemäß dem Schritt
S4 auf das geschlossene Verschlußelement abgegeben werden,
bis die Stabilisierungszeit T2 wieder erreicht ist. Nach Ablauf
dieser Zeit T2 ist sichergestellt, daß der Laser wieder stabil ist
und daß ein
neuer Produktionsprozeß begonnen werden
kann.
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In
der Regel ist die Stabilisierungszeit T2 festgelegt, so daß nach dem
Schließen
des Verschlußelementes 2 bzw. 4 immer
gleichlang auf das Verschlußelement
zum Zweck der Stabilisierung des Lasers getriggert wird. Es ist
aber auch möglich,
die Länge
der Abschaltzeit bzw. der Inaktivzeit t1 berücksichtigen und beispielsweise
die Stabilisierungszeit T2 zu verkürzen, wenn die maximale Inaktivzeit
nur wenig überschritten
wurde.
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Ist
jedoch eine Unterbrechung des Produktionsprozesses eingetreten,
beispielsweise durch eine nicht erkannte Erkennungsmarke, so daß der Laser länger als
die benötigte
Zeit T2 Stabilisierungs-Trigger-Pulse aussendet, so wird zunächst das
Verschlußelement
nicht geöffnet
und weiter mit Stabilisierungs-Trigger-Pulsen beaufschlagt. Es wird
jedoch gleichzeitig über
den Schritt S17 und den Schritt S18 festgestellt, ob eine maximale
Aktivzeit T3 im Stabilisierungsmodus überschritten wird. Ist dies
der Fall, kann die Triggerung – wenn
nötig – je nach
Beschaffenheit des Verschlußelementes
gestoppt werden (Schritt S10), um eine unnötige Erwärmung des Verschlußelementes
und der Maschinenumgebung zu vermeiden.
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Im
normalen Bearbeitungsbetrieb wird jedoch mit dem im Schritt S9 festgestellten
Prozeßende,
also dem Abschluß der
Bearbeitung eines Bearbeitungsfeldes 13, im Schritt S14
geprüft,
ob ein neues Feld auf dem gleichen Substrat zu bearbeiten ist. Ist
dies der Fall, so wird über
den Schritt S13 dieses neue Feld unter dem Laserstrahl positioniert,
so daß über den
Schritt S6 und den Schritt S8 dieses neue Feld bearbeitet werden
kann. Der Schritt S7 kann dabei übersprungen
werden, da der Verschluß ja
noch geöffnet
ist. Sind jedoch alle Felder eines Substrates bereits bearbeitet,
so wird im schritt S14 festgestellt, daß kein neues Feld mehr zur
Bearbeitung ansteht. Dann wird im Schritt S19 geprüft, ob ein
neues Substrat zur Bearbeitung aufgelegt werden soll. In diesem
Fall wird über
den Schritt S12 das neue Substrat mit der Kamera vermessen und identifiziert
und danach im Schritt S13 unter dem Laserstrahl positioniert. Wenn
dann die Inaktivphase des Lasers nicht länger war als T1, kann die Bearbeitung über die Schritte
S6 und S8 in der vorher beschriebenen Weise erfolgen.
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Wird
kein neues Substrat mehr bearbeitet, so kann über die Schritte S20 und S21
der Laser als auch die Steuerung für den XY-Bearbeitungstisch ausgeschaltet
werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Konzept
mit den Überwachungsmodulen 9a für die Inaktivzeit
des Lasers und 9b für
die Aktivzeit des Lasers wird erreicht, daß in der Massenproduktion die
Prozeßgeschwindigkeit
der Maschine nicht reduziert wird. Gleichzeitig wird sichergestellt,
daß die
Qualität
der Bearbeitung durch die Maschine nicht durch Anlaufeffekte beeinträchtigt wird.