DE112005001893T5

DE112005001893T5 - Verfahren zum Bearbeiten von Löchern durch Bewegen von zeitlich genau gesteuerten Laserimpulsen in kreisförmigen und spiralförmigen Bahnen

Info

Publication number: DE112005001893T5
Application number: DE112005001893T
Authority: DE
Inventors: Robert M. Portland Pailthorp; Weisheng Portland Lei; Hisashi Hillsboro Matsumoto; Glenn Portland Simenson; David A. Beaverton Watt; Mark A. Portland Unrath; William J. Beaverton Jordens
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-09-06
Also published as: KR20070039582A; GB2431371A; JP6014465B2; JP2012066308A; WO2006017583A3; WO2006017583A2; TWI353279B; CN101035645B; GB0701804D0; KR101242143B1; JP5581303B2; TW200610605A; US7259354B2; JP2008509006A; US20060027544A1; JP2016153142A; CN101035645A; JP2013091102A

Abstract

Verfahren zum Bewirken einer Hochgeschwindigkeitsentfernung von Material von einem Zielbereich eines Prüfstücks durch Betreiben eines Laserwerkzeugs, wobei der Zielbereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Zielumfang aufweist, der durch einen Zieldurchmesser definiert ist, der sich durch eine Zielmitte erstreckt, und das Laserwerkzeug eine Strahlachse definiert, entlang derer sich ein Laserstrahl ausbreitet, wobei der Laserstrahl im Zielbereich einen Laserfleck mit einem Durchmesser definiert, der kleiner ist als der Zieldurchmesser, umfassend:
Bewirken einer relativen Bewegung zwischen der Strahlachse und dem Zielbereich, um die Strahlachse auf ausgewählte Stellen im Zielbereich oder ausgewählte Stellen nahe dem und im Zielbereich zu richten, um einen Prozess der Materialentfernung vom Zielbereich zu ermöglichen;
Richten der Strahlachse mit einer Eintrittssegmentbeschleunigung und entlang einer Eintrittsbahn auf eine Eintrittsposition innerhalb des Zielbereichs, wobei die Eintrittsposition einer Stelle entspricht, an der die Emission des Laserstrahls auf den Zielbereich eingeleitet wird;
Bewegen der Strahlachse mit einer kreisförmigen Umfangsbeschleunigung innerhalb des Zielbereichs,...

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet betrifft Laser und insbesondere Verfahren zum Verwenden von Laserstrahlen, um Löcher in verschiedenen Prüfstückmaterialien schnell zu bearbeiten.
Hintergrundinformationen
Die elektronische Schaltungsanordnung nimmt hinsichtlich der Komplexität weiter zu, während sie gleichzeitig hinsichtlich der Größe und Kosten schrumpft. Die resultierende Schaltungsdichtezunahme hat dem Produktionsdurchsatz von integrierten Schaltungen mit hoher Dichte, Hybridschaltungen und ECBs große Anforderungen auferlegt.
Frühere Arbeiter haben mehrfache mechanische Bohrer und Stanzen verwendet, um Löcher in ECBs zu bearbeiten, aber die Durchmesser der Löcher sind größer als es neue Lochdurchmesseranforderungen vorgeben. Überdies waren mechanische Bohrverfahren langsam, für einen Werkzeugbruch anfällig und auf das Bohren von so genannten "Durchgangs"-Löchern begrenzt.
In jüngerer Zeit haben sich Bohrverfahren auf Laserbasis entwickelt, die die Bearbeitung von Hunderten von sehr kleinen Löchern (die als "Mikrokontaktlöcher" oder "Kontaktlöcher" bezeichnet werden) in jeder Sekunde ermöglichen, die häufig auf Leiterschichten innerhalb der ECBs enden.
Für einige Bohranwendungen wird ein Laserstrahl mit Gaußverteilung verwendet, um das Material zu bearbeiten, und dieser Strahl besitzt einen Durchmesser, der signifikant kleiner ist als die Durchmesser der gebohrten Löcher. Daher muss der Laserstrahl bewegt werden, um entweder das Loch zu schneiden oder seinen ganzen Bereich abzuschmelzen. Die Arten von Bewegung und Einschränkungen für die Bewegung wirken sich direkt auf die zum Bohren eines Lochs gebrauchte Zeit und daher den Lasersystemdurchsatz aus.
Frühere Arbeiter haben Löcher mit so genannten "Hohlbohr"- und Spiral"-Bewegungsmustern mit Laser gebohrt, welche üblicherweise als "Werkzeuge" bezeichnet werden. Die Hohlbohrbearbeitung beginnt in der Mitte des Lochs, bewegt sich dann schnell zum Lochumfang und dreht den Strahl für eine programmierte Anzahl von Wiederholungen um den Umfang, bevor er schnell zur Mitte zurückkehrt. Die Spiralbearbeitung beginnt in der Mitte des Lochs, bewegt sich schnell zu einem Innendurchmesser, dreht dann die Strahlpositionierungseinrichtung für eine programmierte Anzahl von Umdrehungen, wobei der Durchmesser inkrementiert wird, bis der Lochumfang erreicht ist. Laserstrahlbewegungen können durch eine breite Vielfalt von Laserstrahl-Positionierungssystemen ausgeführt werden, wie z.B. die Modell 53XX Reihe von Werkstückbearbeitungssystemen, die von Electro Scientific Instruments, Inc., in Portland, Oregon, dem Anmelder dieser Patentanmeldung, hergestellt werden.
Frühere Hohlbohr- und Spirallaser-Lochbohrverfahren weisen zumindest die nachstehend dargelegten neun Probleme auf:

1. Frühere Werkzeugmuster verursachen übermäßige Beschleunigungsgrenzen für Positionierungssysteme. Das Hohlbohren des Standes der Technik hat die Bewegung des Laserstrahls in einer kreisförmigen Bewegung um den Umfang des bearbeiteten Lochs zur Folge. Facharbeiter wissen, dass die radiale Beschleunigung einer kreisförmigen Bewegung gleich v²/R ist, wobei v die Werkzeuggeschwindigkeit ist und R der Radius der kreisförmigen Bewegung ist. Nach der Positionierung des Werkzeugs in der Mitte des Lochs geht dem Hohlbohren ein anfängliches Bewegungssegment voran, das in einer sanften Weise zwischen der Mitte des Lochs und dem Beginn der kreisförmigen Bewegung übergeht, um die Werkzeugbeschleunigung und den Ruck (Änderungsrate der Beschleunigung) zu begrenzen. Beim Hohlbohren des Standes der Technik ist die für das anfängliche Bewegungssegment erforderliche Beschleunigung 2v²/R, die zweimal die für die kreisförmige Bewegung erforderliche Beschleunigung ist. Überdies ist die Bewegungsachse, die die doppelte Beschleunigung erfordert, dieselbe Achse, wobei ein Beschleunigungsimpuls mit halber Zeitdauer ausgeführt wird, was zu einem Ruckprofil führt, das viermal größer ist als es die kreisförmige Bewegung erfordert. Die Laserstrahl-Positionierungssystembeschleunigung ist begrenzt, da zweimal der Motorstrom mit zweimal der Servofrequenz verlangt wird.
2. Frühere Spiralwerkzeugmuster sind auf eine Auswärtsspiralbewegung begrenzt, was die Arten von Material, die bearbeitet werden können, begrenzt.
3. Frühere Hohlbohr- und Spiralwerkzeuge erfordern zeitverschwenderische mehrere Schritte zum Bearbeiten eines Lochs mit sowohl spiralförmigen als auch wiederholten Umfangsbewegungen. Die Ausführung von mehreren Schritten erfordert, dass die Strahlpositionierungseinrichtung einen allgemeinen Bewegungsalgorithmus durchführt, der mindestens zwei Beschleunigungsimpulse erfordert, um das Werkzeug in die Mitte des Lochs zwischen den Schritten zurückzubewegen.
4. Wenn eine Strahlpositionierungseinrichtungs-Einschwingzeit zur Rückstellung von einer Bewegung mit hoher Beschleunigung und hoher Geschwindigkeit von einem vorherigen Loch erforderlich ist, wird die Einschwingzeit durch eine Bewegung mit konstanter Werkzeuggeschwindigkeit zur nächsten Lochzielstelle implementiert, was den verfügbaren Strahlpositionierungseinrichtungs-Bewegungsbereich begrenzt. Dieser Bewegungsbereich ist signifikant, wenn Strahlpositionierungseinrichtungen auf Galvanometerbasis verwendet werden.
5. Dem vorstehend beschriebenen Einschwingzeitverfahren misslingt es auch, die Strahlpositionierungseinrichtung bei der stationären Lochbearbeitungsfrequenz einzuregeln, was eine Übergangsbewegungsreaktion verursacht, wenn eine Schwingungskreisbewegung beginnt.
6. Frühere Werkzeugmuster verlangsamen sich übermäßig, wenn mehrere Wiederholungen eines Spiralwerkzeugs erforderlich sind, um sich dem Loch von verschiedenen Eintrittswinkeln zu nähern. Frühere Strahlpositionierungsverfahren verwenden den vorstehend beschriebenen allgemeinen Bewegungsalgorithmus, der mindestens zwei Beschleunigungsimpulse erfordert, um zur Mitte des Lochs zwischen Wiederholungen zurückzukehren.
7. Frühere Hohlbohrwerkzeugsmuster können eine ungleichmäßige Entfernung von Material verursachen. Dies liegt daran, dass die Laserstrahlenergie in einem Quadranten des Lochs konzentriert ist, wenn sich der Strahl von der Mitte des Lochs zum Durchmesser und wieder zurück bewegt.
8. Frühere Spiral- und Hohlbohrwerkzeuge synchronisieren die Zeitsteuerung von Laserauslösesignalen mit der Strahlpositionierungseinrichtungsbewegung nicht, was ein Auslassen eines ersten Lochbearbeitungsimpulses verursacht, da typische gütegeschaltete Laser nicht einen ersten Impuls auf Befehl erzeugen.
9. Frühere Hohlbohrwerkzeugmuster, die zum Bohren von Löchern mit mehreren Wiederholungen am Umfang verwendet wurden, überlappen Laserimpulse im Wesentlichen um den Lochdurchmesser und verursachen dadurch eine ungleichmäßige Entfernung von Material.

Was immer noch erforderlich ist, sind daher Werkstück-Bearbeitungsmaschinen mit niedrigeren Kosten und höherem Durchsatz, die Werkzeugmuster aufweisen, die kleinere Löcher mit hoher Qualität in einer Vielfalt von Werkstückmaterialien erzeugen, wie z.B. theoretisch jeglichem Leiterplattenmaterial, ob starr oder flexibel, mit Kupfermantel oder freiliegend, faserverstärkt oder aus homogenem Harzdielektrikum. Die Werkstückmaterialien können auch Keramiksubstrate und Siliziumsubstrate umfassen, wie z.B. jene, die in Halbleiterbauelementen verwendet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher besteht eine Aufgabe darin, ein Verfahren zum Beginnen und Beenden von kreisförmigen Bohrbewegungen mit festlegbaren Strahlpositionierungseinrichtungs-Beschleunigungen bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen von verschiedenen neuen Werkzeugmustern.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Einstellen von Werkzeugmusterparametern zum Erreichen einer gleichmäßigen Entfernung von Lochmaterial.
Noch eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Steuern von Laserzündmustern und der Zeitsteuerung zum Durchführen der Werkstückbearbeitung.
Noch eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Synchronisieren der Laserzündung mit willkürlichen Werkzeugpositionen auf einem Werkstück.
Die folgenden Ausführungsbeispiele erzeugen Werkzeugmuster-Bewegungsbefehle zum Betreiben einer Laserstrahl-Positionierungseinrichtung und zum zeitlichen Steuern von zugehörigen Laserzündbefehlen. Die folgenden Aspekte werden durch Ziffern identifiziert, die den Ziffern entsprechen, die die entsprechenden vorstehend als Hintergrundinformationen dargelegten Probleme identifizieren.

1. Bevorzugte Werkzeugmuster verringern die Strahlpositionierungseinrichtungs-Beschleunigungs- und -ruckprobleme durch Annähern an die Lochstellen von außerhalb der Mitte des Lochs. Während der Annäherungsbewegung weist ein Bewegungssegment, das als dt/2-Segment bezeichnet wird, eine Dauer gleich einer Hälfte der Dauer des kreisförmigen Segments auf und weist eine Beschleunigung von Null auf. Diese Annäherungsbewegung führt zu einem viel geringeren Servofehler. Da die Werkzeuggeschwindigkeit durch die Quadratwurzel der verfügbaren Beschleunigung eingeschränkt ist, ermöglicht dieses Lochannäherungsverfahren, dass die Werkzeuggeschwindigkeit um 41 erhöht wird, wenn sie nicht durch andere Faktoren eingeschränkt ist. Die Entfernung einer hohen Beschleunigung vom dt/2-Segment ermöglicht auch, dass die maximale Kreisschwingungsfrequenz erhöht wird, während die Lochbohrqualität aufrechterhalten wird. Das Verhältnis der dt/2-Segment-Beschleunigung zur Kreisbeschleunigung beim Bohren ist als Faktor α definiert. Wenn α erhöht wird, bewegt sich die anfängliche Lochposition in Richtung der Mitte des Lochs, wobei α = 2 die Startposition des Standes der Technik darstellt. Für α = 0 besitzt das dt/2-Segment die bevorzugte relative Beschleunigung von Null.
2. Die Werkzeugmuster unterstützen eine Auswärtsspiralbewegung, Einwärtsspiralbewegung und kombinierte Auswärts- und Einwärtsspiralbewegung, die alle ohne Abschalten der Laserimpulse zwischen Bewegungssegmenten ausgeführt werden. Die Einwärtsspiralbewegung ist häufig besser zum Bearbeiten von glasverstärkten Materialien wie z.B. inhomogenem, glasverstärktem, geätztem Leiterplattenmaterial.
3. Die Werkzeugmuster können eine spiralförmige und wiederholte Umfangsbearbeitung in einem einzelnen Schritt ohne Abschalten der Laserimpulsgabe ausführen.
4. Die Positionierungseinrichtungs-Einschwingzeit ist vom Benutzer programmierbar und wird von der Strahlpositionierungseinrichtung mit dem Nachlaufen des kreisförmigen Weges des zu bearbeitenden anfänglichen Lochdurchmessers verbracht, wobei die Nachführung das Strahlpositionierungseinrichtungsfeld nicht begrenzt.
5. Die vorstehend beschriebene Einschwingzeitverbesserung verursacht auch, dass ein Einschwingen auftritt, während die Strahlpositionierungseinrichtung schwingt, so dass Übergänge von einer Schwenk- in eine Schwingungsbewegung vielmehr mit dem Einschwingen als Verarbeiten verbracht werden.
6. Die Werkzeugmuster verwenden ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten von mehreren Wiederholungen der Werkzeuge. Anstatt eine kreisförmige Bewegung mit einer allgemeinen Bewegung zum Einrichten der nächsten Wiederholung zu beenden, hält dieses Verfahren die Schwingung mit einer Phasendifferenz von 90 Grad zwischen den Positionierungseinrichtungsachsen aufrecht, schaltet jedoch die Laserimpulsgebung aus. Dies bewirkt, dass die kreisförmige Bewegung fortfährt, während die Bewegungssegmentdauer eingestellt wird, bis die Eintrittsbedingung der nächsten Werkzeugbewegung erreicht ist. Das frühere Verfahren erforderte eine Laserabschaltzeit zwischen Wiederholungen gleich einem Viertel der Umlaufzeit der anfänglichen Wiederholung, plus eine allgemeine Bewegungszeit, plus ein Viertel der Umlaufzeit der nächsten Wiederholung. Dieses Verfahren erfordert höchstens ein Viertel der Umlaufzeit der anfänglichen Wiederholung plus eine minimale Bohrzeit (Bohr-Tmin), plus ein Viertel der Umlaufzeit der nächsten Werkzeugwiederholung. Die minimale Bohr-Tmin ist aufgrund der kleinen verwendeten Bewegung geringer als die allgemeine Bewegungszeit Tmin. Wenn der Eintrittswinkel der nächsten Wiederholung um 180 Grad vom Austrittswinkel der anfänglichen Wiederholung versetzt ist, ist überdies die erforderliche Laserabschaltzeit nur ein Viertel der Umlaufzeit der anfänglichen Wiederholung plus ein Viertel der Umlaufzeit der nächsten Wiederholung.
7. Wenn die Werkzeugmuster in einer Nur-Kreis-am-Umfang-Betriebsart verwendet werden, werden keine Laserimpulse innerhalb des Umfangsweges gesetzt, was die früheren Probleme einer ungleichmäßig verteilten Laserenergie beseitigt.
8. Ein Strahlpositionierungseinrichtungs- und Lasersynchronisationsverfahren plant die Laserzündsignale zeitlich zum Zünden eines ersten Laserimpulses, bevor die Strahlpositionierungseinrichtung die Ziellochstelle erreicht, so dass der zweite Laserimpuls, der der tatsächlich gezündete erste Impuls ist, dort landet, wo er erwünscht ist, und alle danach befohlenen Impulse zum Werkstück geliefert werden. Dieses Verfahren umfasst ferner einen "Bruchteillaserverzögerungs"- Parameter, der in den Halbsinus-Schablonenfräsmaschinen-Parametersatz addiert wird, um den Laser in der Mitte eines Beschleunigungssegments einzuschalten.
9. Die Werkzeugmuster unterstützen eine Verteilung einer "inkrementalen Angriffsgröße" von Impulsen am Lochumfang, die berücksichtigt, wie viele Werkzeugumläufe (Wiederholungen) am Umfang ausgeführt werden. Dies optimiert die Laserimpulsverteilung gleichmäßig und fein um den Lochumfang. Die inkrementale Angriffsgröße ist als Abstand entlang des Umfangs zwischen dem ersten gelieferten Impuls im ersten und zweiten Umlauf (Wiederholung) des Werkzeugs definiert. Das Verfahren der inkrementalen Angriffsgröße sorgt für die automatische Einstellung der Werkzeuggeschwindigkeit, um die inkrementale Angriffsgröße auf gleich die Laserangriffsgröße, dividiert durch die Anzahl von Werkzeugumläufen (Wiederholungen), einzustellen.

Zusätzliche Aspekte und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen ersichtlich, welche mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist ein Graph, der einen ersten Satz von X- und Y-Achsenpositionen als Funktion der Zeit einer Strahlpositionierungseinrichtung zum Richten eines Laserstrahls entlang eines Werkzeugmusters darstellt.
1B ist ein XY-Diagramm, das die Eintritts-, kreisförmigen und Austrittsegment-Laserstrahlbewegungen darstellt, die sich aus dem ersten Satz von X- und Y-Achsen-Strahlpositionen von 1A ergeben.
2A ist ein Graph, der einen zweiten Satz von X- und Y-Achsenpositionen als Funktion der Zeit einer Strahlpositionierungseinrichtung zum Richten eines Laserstrahls entlang eines Werkzeugmusters darstellt.
2B ist ein XY-Diagramm, das die Eintritts-, kreisförmigen und Austrittssegment-Laserstrahlbewegungen darstellt, die sich aus dem zweiten Satz von X- und Y-Achsen-Strahlpositionen von 2A ergeben.
3 ist ein XY-Diagramm, das ein kreisförmiges Werkzeugmuster darstellt, das durch ein Laserstrahl-Positionierungsverfahren erzeugt wird.
4 ist ein XY-Diagramm, das ein Auswärtsspiral-Werkzeugmuster darstellt, das durch ein Laserstrahl-Positionierungsverfahren erzeugt wird.
5 ist ein XY-Diagramm, das ein Einwärtsspiral-Werkzeugmuster darstellt, das durch ein Laserstrahl-Positionierungsverfahren erzeugt wird.
6 ist ein XY-Diagramm, das ein Einwärts- und Auswärtsspiral-Werkzeugmuster darstellt, das durch ein Laserstrahl-Positionierungsverfahren erzeugt wird.
7 ist ein XY-Diagramm, das zwei Wiederholungen eines Auswärtsspiral-Werkzeugmusters darstellt, das durch ein Laserstrahl-Positionierungsverfahren erzeugt wird.
8 ist eine Photographie eines unannehmbaren Kontaktlochs einer geätzten Leiterplatte, die mit mehreren Wiederholungen eines Hohlbohrwerkzeugmusters des Standes der Technik bearbeitet wurde, das eine sehr kleine inkrementale Angriffsgröße verwendet.
9 ist eine Photographie eines Kontaktlochs mit hoher Qualität einer geätzten Leiterplatte, das mit mehreren Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters bearbeitet wurde, welches eine inkrementale Angriffsgröße verwendet, die gemäß einem Impulslaser-Emissionsverfahren gewählt wurde.
10 ist ein XY-Diagramm, das ein Kontaktloch darstellt, das durch fünf Wiederholungen eines Hohlbohrwerkzeugmusters des Standes der Technik bearbeitet wurde, welches eine Werkzeuggeschwindigkeit des Standes der Technik verwendete.
11 ist ein XY-Diagramm, das ein Kontaktloch darstellt, das durch fünf Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters bearbeitet wurde, welches eine berechnete Werkzeuggeschwindigkeit verwendete.
12 ist ein XY-Diagramm, das Laserimpulse darstellt, die um den Umfang eines Lochs durch zwei Wiederholungen eines Hohlbohrwerkzeugmusters des Standes der Technik ungleichmäßig verteilt sind.
13 ist ein XY-Diagramm, das Laserimpulse darstellt, die um den Umfang des Lochs durch zwei Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters gleichmäßig verteilt sind, welches ein Verfahren "Umfangsimpulsüberlappung abgleichen" verwendete.
14 ist ein vereinfachtes elektrisches Blockdiagramm, das Registerstrukturen darstellt, die die obigen Verfahren steuern und unterstützen.
15A und 15B sind elektrische Wellenformzeitablaufdiagramme, die jeweilige normale und Spezialfall-Zeitablaufbeziehungen zum Zünden von Laserimpulsen, die die obigen Verfahren unterstützen, darstellen.
16 ist ein elektrisches Wellenformzeitablaufdiagramm, das Zeitablaufbeziehungen unter Laserstrahl-Positionierungsbefehlen, verschiedenen Systemverzögerungen und der Laserstrahlimpulsgebung zeigt.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Wie im Hintergrundinformationsabschnitt erwähnt, müssen zum Erreichen einer genauen Position eines Laserstrahls mit hoher Geschwindigkeit Positionierungssysteme den Ruck steuern, welcher die Änderungsrate der Beschleunigung ist. Viele frühere Positionierungssysteme bewirkten eine kreisförmige Bewegung mit einer Kette von kurzen miteinander verbundenen linearen Bewegungen. Die plötzliche Winkeländerung an jeder Verbindung erzeugte jedoch unannehmbar große Rucke, die die Geschwindigkeit und Positionierungsgenauigkeit begrenzten.
Eine kreisförmige Bewegung ist in Lochbohranwendungen grundlegend, so dass die Verwendung von sinusförmigen Positionierungseinrichtungs-Antriebswellenformen bevorzugt ist. Insbesondere verwenden bevorzugte Positionierungseinrichtungs-Antriebswellenformen halbsinusförmige Beschleunigungssegmente, die an einem Punkt mit einer Beschleunigung von Null starten und stoppen. Jedes Beschleunigungssegment besitzt eine Periode T_MIN, die das kürzeste Halbsinussegment mit einer von Null verschiedenen Beschleunigung innerhalb der Beschleunigungsfähigkeit des Positionierungssystems ist und Positionierungseinrichtungs-Resonanzprobleme vermeidet.
Wie in 1A und 2A gezeigt, wird eine kreisförmige Bewegung durch Antreiben der orthogonalen Achsen einer Positionierungseinrichtung mit einem Paar von um 90 Grad phasenverschobenen sinusförmigen Wellenformen erreicht. Um beispielsweise einen vollständigen Kreis zu bilden, der mit einem Eintrittswinkel von 90 Grad beginnt, wird die X-Achse durch zwei Halbsinus-Beschleunigungssegmente angetrieben und die Y-Achse wird durch drei um 90 Grad phasenverschobene Halbsinussegmente angetrieben. Die X-Achse weist "Füll"-Segmente auf, die als Eintritts- und Austrittssegmente bezeichnet werden, um die Lochbearbeitung von der Bewegung zwischen Lochstellen zu trennen.
Ein erster Aspekt dieser Erfindung ist daher ein Verfahren zum Beginnen und Beenden von kreisförmigen Werkzeugmustern mit festlegbaren Strahlpositionierungseinrichtungs-Beschleunigungen in den dt/2-Segmenten. Das Erzeugen einer kreisförmigen Bewegung hat das Erzeugen eines Paars von um 90 Grad verschobenen Sinusbewegungswellenformen zum Antreiben der X- und Y-Achsen der Strahlpositionierungseinrichtung zur Folge. Der Erzeugen der Phasenverschiebung von 90 Grad hat das Einfügen eines Halbsinussegments in eine der Achsen (wobei eine vom Werkzeugmuster-Eintrittswinkel abhängt) zur Folge, wobei dt gleich einer Hälfte des dt der Kreisbewegungssegmente ist. Das phasenverschobene Segment wird daher als dt/2-Segment bezeichnet. Benutzer können die dt/2-Segment-Beschleunigung von Null bis zweimal die Kreisbeschleunigung festlegen, um die anfängliche Strahlposition gegen die erforderliche Beschleunigung aufzuwiegen. Ein Faktor α ist als Verhältnis der dt/2-Segment-Beschleunigung zur Kreisumfangsbeschleunigung definiert. Wenn α erhöht wird, bewegt sich die anfängliche Strahlposition von außerhalb des Umfangs der kreisförmigen Bewegung in Richtung der Mitte des zu bearbeitenden Lochs, aber die resultierende Beschleunigung nimmt auch zu. Für α = 2 wird die Startbewegung und -beschleunigung des Standes der Technik erzeugt. Für α = 0 besitzt das dt/2-Segment eine bevorzugte Beschleunigung von Null relativ zur kreisförmigen Bewegung.
1 und 2 stellen die Strahlpositionierungseinrichtungsbewegung für verschiedene Werte von α dar. Der Wert von α kann für das Beginnen und Enden von dt/2-Segmenten unterschiedlich festgelegt werden.
1A und 1B zeigen einen ersten Satz von X-Achsenpositionen 10 und Y-Achsenpositionen 12 als Funktion der Zeit einer Strahlpositionierungseinrichtung (nicht dargestellt) zum Richten eines Laserstrahlachse entlang eines Werkzeugmuster-Strahlweges 14. Der Strahlweg 14 beginnt an einer Startstelle 16 (als Punkt gezeigt), umfasst ein Eintrittssegment 18, ein kreisförmiges Segment 20 mit 360 Grad (in gestrichelten Linien gezeigt), ein Austrittssegment 22 und eine Endstelle 24 (als Punkt gezeigt), die auch eine Mitte 25 des kreisförmigen Segments 20 ist. Das kreisförmige Segment 20 weist einen Durchmesser D auf, entspricht dem Umfang oder der Peripherie eines zu bearbeitenden Lochs und kann eine andere Ausdehnung als 360 Grad aufweisen. In diesem Beispiel besitzt das Eintrittssegment 18 ein auf Null gesetztes α und das Austrittssegment 22 besitzt ein auf Zwei gesetztes α. Daher ist die Beschleunigung des Eintrittssegments Null (konstante Geschwindigkeit), was bevorzugt ist, aber die Beschleunigung des Austrittssegments 22 ist zweimal die Beschleunigung des kreisförmigen Segments 20.
2A und 2B zeigen einen zweiten Satz von X-Achsenpositionen 30 und Y-Achsenpositionen 32 als Funktion der Zeit der Strahlpositionierungseinrichtung zum Richten der Laserstrahlachse entlang eines Werkzeugmuster-Strahlweges 34. Der Strahlweg 34 beginnt an einer Startstelle 36 (als Punkt gezeigt), umfasst ein Eintrittssegment 38, ein kreisförmiges Segment 40 mit 360 Grad (in gestrichelten Linien gezeigt), ein Austrittssegment 42 und eine Endstelle 44 (als Punkt gezeigt). In diesem Beispiel besitzt das Eintrittssegment 38 ein auf Eins gesetztes α und das Austrittssegment 42 besitzt ein auf 0,5 gesetztes α. Daher ist die Beschleunigung des Eintrittssegments 38 dieselbe wie die Beschleunigung des kreisförmigen Segments 20 und die Beschleunigung des Austrittssegments 22 ist eine Hälfte der Beschleunigung des kreisförmigen Segments 20.
Die Werkzeugmuster verwenden Eintrittssegmente, wie z.B. die Eintrittssegmente 18 und 38, und verwenden Austrittssegmente, wie z.B. das Austrittssegment 42. Eine Reihe von Löchern wird in einem Werkstück durch Richten einer Laserstrahlachse entlang eines Weges, der die Endstelle eines vorherigen Lochs und die Startstelle eines nächsten Lochs miteinander verbindet, bearbeitet. Das Eintritts- und Austrittssegmentverfahren ermöglicht, dass die Werkzeugbewegungsgeschwindigkeit bis auf 41 % gegenüber jener erhöht wird, die mit früheren Verfahren erreichbar ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen von Halbsinusparametern, wie z.B. X- und Y-Achsenpositionen 10, 12, 30 und 32 von 1A und 2A zum Ausführen von verschiedenen Werkzeugmustern bereit. Die Parameter und das Verfahren werden mit Bezug auf eine Matlab-Codedarstellung der Erfindung und verschiedene zugehörigen Figuren, die Merkmale der Werkzeugmuster darstellen, beschrieben. Matlab ist ein Entwurfssimulationsprogramm auf Modellbasis, das von The MathWorks in Natick, Massachusetts, erhältlich ist. Der Matlab-Code zum Erzeugen der Bewegungssegmente ist im Anhang A dargelegt.
3 zeigt ein kreisförmiges Werkzeugmuster 50, das durch das Verfahren erzeugt wird. Das kreisförmige Werkzeugmuster 50 wird zum Schneiden von Löchern in einem Material durch Schneiden um einen Umfang 51 des bearbeiteten Loch verwendet. Wenn die Werkzeugmuster verwendet werden, wird jedes Loch mit Bezug auf Grade der Drehung um eine X-Y-Koordinatensachse bearbeitet, wobei die +X-, +Y, -X- und -Y-Achsen jeweils in 0, 90, 180 und 270 Grad orientiert sind.
Das kreisförmige Werkzeugmuster 50 umfasst ein Eintrittssegment 52 mit einer Startstelle 54 bei 270 Grad und einer Eintrittsstelle 56 bei 0 Grad, wo Laserimpulse 58 eingeleitet werden. In diesem Beispiel besitzt das bearbeitete Loch einen Durchmesser von 125 μm und die Laserimpulse 58 besitzen eine effektive Fleckgröße von 20 μm. Eine Laserangriffsgröße von 10,25 μm führt dazu, dass 33 Laserimpulse 58 innerhalb des Umfangs 51 während einer einzigen 360-Grad-Wiederholung des Werkzeugmusters 50, das an der Eintrittsstelle 56 beginnt und endet, verteilt werden. Die Laserimpulse 58 werden abgeschaltet und das Werkzeugmuster 50 folgt einem Austrittssegment 60 zu einer Endstelle 62 bei 90 Grad.
Facharbeiter werden erkennen, dass die Winkelstellen von Eintritts- und Austrittssegmenten 52 und 60 nur einen beispielhaften Satz von relativen Winkeln darstellen, die um die X- und Y-Achsen in Abhängigkeit von den relativen Stellen von früheren und nachfolgenden zu bearbeitenden Löchern versetzt sein können. Das Eintrittssegment 52 kann beispielsweise in 0 und 90 Grad beginnen und enden und daher kann das Austrittssegment 60 in 90 und 180 Grad beginnen und enden.
Typische Positionierungseinrichtungs-, Laser- und Lochparameter, die dem Werkzeugmuster 50 zugeordnet sind, umfassen eine Werkzeuggeschwindigkeit von 717 mm/s, eine Laserimpuls-Wiederholungsfrequenz ("PRF") von 70 kHz, eine maximale Beschleunigung der Positionierungseinrichtung von 1000 Gs, eine Kontaktlochbohrzeit von 0,47 ms und eine minimale Kontaktlochbewegungszeit von 0,7 ms, was zu einer maximalen Kontaktlochbearbeitungsrate von 855 Kontaktlöchern/s führt.
4 zeigt ein Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 70, das durch das Verfahren erzeugt wird. Das Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 70 wird zum Bohren von Löchern in einem Material durch Abschmelzen von Material von der Mitte 25 entlang eines gekrümmten Weges fortschreitend von der Mitte 25 weg in Richtung des Umfangs von jedem bearbeiteten Loch 51 verwendet. Das Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 70 umfasst ein Eintrittssegment 72 mit einer Startstelle 74 bei 270 Grad und einer Eintrittsstelle 76 bei 0 Grad, wo Laserimpulse 78 eingeleitet werden. In diesem Beispiel besitzt das bearbeitete Loch einen Durchmesser von 125 μm und die Laserimpulse 78 besitzen eine effektive Fleckgröße von 20 μm und eine Laserangriffsgröße von 4,47 μm. Während einer einzelnen Wiederholung des Werkzeugmusters 70 werden 89 Laserimpulse 78 verteilt, welches bei der Eintrittsstelle 76 beginnt, für eine Drehung von 360 Grad spiralförmig nach außen läuft und innerhalb des Umfangs 51 von 0 Grad bis etwa 216 Grad bearbeitet, an welchem Punkt die Laserimpulse 78 abgeschaltet werden, um eine Überlappung mit vorher bearbeiteten Stellen zu verhindern. Das Werkzeugmuster 70 folgt einem Austrittssegment 80 mit einer Startstelle 82 bei 270 Grad zu einer Endstelle 84 bei 0 Grad.
Facharbeiter werden wieder erkennen, dass die Winkelstellen der Eintritts- und Austrittssegmente 72 und 80 nur einen beispielhaften Satz von relativen Winkeln darstellen, die um die X- und Y-Achsen in Abhängigkeit von den relativen Stellen von früheren und nachfolgenden zu bearbeitenden Löchern versetzt sein können. Das Eintrittssegment 72 kann beispielsweise bei 0 und 90 Grad beginnen und enden und daher kann das Austrittssegment 80 bei 0 und 90 Grad beginnen und enden.
Typische Positionierungseinrichtungs-, Laser- und Lochparameter, die dem Werkzeugmuster 70 zugeordnet sind, umfassen eine Werkzeuggeschwindigkeit von 313 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, eine maximale Beschleunigung der Positionierungseinrichtung von 1000 Gs, eine Kontaktlochbohrzeit von 1,27 ms und eine minimale Kontaktlochbewegungszeit von 0,99 ms, was zu einer maximalen Kontaktlochbearbeitungsrate von 442 Kontaktlöchern/s führt.
5 zeigt ein Einwärtsspiral-Werkzeugmuster 90, das durch das Verfahren erzeugt wird. Das Einwärtsspiral-Werkzeugmuster 90 wird zum Bohren von Löchern in einem Material durch Abschmelzen von Material vom Umfang 51 entlang eines gekrümmten Weges fortschreitend einwärts vom Umfang 51 in Richtung der Mitte 25 von jedem bearbeiteten Loch verwendet. Das Einwärtsspiral-Werkzeugmuster 90 umfasst ein Eintrittssegment 92 mit einer Startstelle 94 bei 90 Grad und einer Eintrittsstelle 96 bei 180 Grad, wo Laserimpulse 98 eingeleitet werden. In diesem Beispiel besitzt das bearbeitete Loch einen Durchmesser von 125 μm und die Laserimpulse 98 besitzen eine effektive Fleckgröße von 20 μm und eine Laserangriffsgröße von 4,47 μm. Es werden 273 Laserimpulse 98 während einer einzelnen Wiederholung des Werkzeugmusters 90 verteilt, das an einer Eintrittsstelle 96 beginnt, zweieinhalb Wiederholungen (900 Grad) innerhalb des Umfangs 51 bearbeitet, was bei 180 Grad beginnt und bei 0 Grad endet, für zwei 360-Grad-Umläufe spiralförmig einwärts läuft, was bei 0 Grad beginnt und endet, an welchem Punkt die Laserimpulse 98 abgeschaltet werden. Das Werkzeugmuster 90 folgt einem Austrittssegment 100 mit einer Startstelle 102 bei 0 Grad zu einer Endstelle 104 bei 90 Grad.
Facharbeiter werden wieder erkennen, dass die Winkelstellen der Eintritts- und Austrittssegmente 92 und 100 nur einen beispielhaften Satz von relativen Winkeln darstellen, die um die X- und Y-Achsen in Abhängigkeit von den relativen Stellen von früheren und nachfolgenden zu bearbeitenden Löchern versetzt sein können. Das Eintrittssegment 92 kann beispielsweise bei 270 und 0 Grad beginnen und enden und daher kann das Austrittssegment 100 bei 90 und 180 Grad beginnen und enden.
Typische Positionierungseinrichtungs-, Laser- und Lochparameter, die dem Werkzeugmuster 90 zugeordnet sind, umfassen eine Werkzeuggeschwindigkeit von 313 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, eine maximale Beschleunigung der Positionierungseinrichtung von 1000 Gs, eine Kontaktlochbohrzeit von 3,9 ms und eine minimale Kontaktlochbewegungszeit von 0,85 ms, was zu einer maximalen Kontaktlochbearbeitungsrate von 211 Kontaktlöchern/s führt.
6 zeigt ein Einwärts- und Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 110, das durch das Verfahren erzeugt wird. Das Einwärts- und Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 110 wird zum Bohren von Löchern in einem Material durch Abschmelzen von Material vom Umfang 51 einwärts zur Mitte von jedem bearbeiteten Loch und wieder auswärts zum Umfang 51 verwendet. Das Einwärts- und Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 110 umfasst ein Eintrittssegment 112 mit einer Startstelle 114 bei 180 Grad und einer Eintrittsstelle 116 bei 270 Grad, wo Laserimpulse 118 eingeleitet werden. In diesem Beispiel besitzt das bearbeitete Loch einen Durchmesser von 125 μm und die Laserimpulse 118 besitzen eine effektive Fleckgröße von 20 μm und eine Laserangriffsgröße von 4,47 μm. Es werden 132 Laserimpulse 118 während einer einzelnen Wiederholung des Werkzeugmusters 110 verteilt, welches an der Eintrittsstelle 116 beginnt, eine Viertelumdrehung (90 Grad) innerhalb des Umfangs 51 bearbeitet, was bei 270 Grad beginnt und bei 0 Grad endet, für einen Umlauf von 360 Grad spiralförmig nach innen läuft, was bei 0 Grad beginnt und endet, einen halben Umlauf von 0 Grad bis 180 Grad um die Mitte des Lochs bearbeitet, für einen 360-Grad-Umlauf spiralförmig nach außen läuft, was bei 180 Grad beginnt und endet, und einen Viertelumlauf von 180 Grad bis 270 Grad innerhalb des Umfangs 51 bearbeitet, an welchem Punkt die Laserimpulse 118 abgeschaltet werden. Das Werkzeugmuster 110 folgt einem Austrittssegment 120 mit einer Startstelle 122 bei 270 Grad zu einer Endstelle 124 bei 0 Grad.
Facharbeiter werden wieder erkennen, dass die Winkelstellen von Eintritts- und Austrittssegmenten 112 und 120 nur einen beispielhaften Satz von relativen Winkeln darstellen, die um die X- und Y-Achsen in Abhängigkeit von den relativen Stellen von früheren und nachfolgenden zu bearbeitenden Löchern versetzt sein können.
Typische Positionierungseinrichtungs-, Laser- und Lochparameter, die dem Werkzeugmuster 110 zugeordnet sind, umfassen eine Werkzeuggeschwindigkeit von 313 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, eine maximale Beschleunigung der Positionierungseinrichtung von 1000 Gs, eine Kontaktlochbohrzeit von 1,88 ms und eine minimale Kontaktlochbewegungszeit von 1,03 ms, was zu einer maximalen Kontaktlochbearbeitungsrate von 434 Kontaktlöchern/s führt.
7 zeigt zwei Wiederholungen eines Auswärtsspiral-Werkzeugmusters 70 (zwei Wiederholungen, die als 70' bezeichnet sind), das durch das Verfahren erzeugt wird. (Das Werkzeugmuster 70' ist mit Laserflecken mit halber Größe gezeigt, um die Eintritts- und Austrittssegmentbahnen deutlicher zu zeigen.) Das Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 70' wird zum Bohren von Löchern in einem Material durch wiederholtes Abschmelzen von Material von der Mitte in Richtung des Umfangs 51 jedes bearbeiteten Lochs verwendet. Das Auswärtsspiral-Werkzeugmuster 70' umfasst ein Eintrittssegment 72' mit einer Startstelle 74' bei 270 Grad und einer Eintrittsstelle 76' bei 0 Grad, wo Laserimpulse 78' eingeleitet werden. In diesem Beispiel besitzt das bearbeitete Loch einen Durchmesser von 200 μm und die Laserimpulse 78 besitzen eine effektive Fleckgröße von 10 μm und eine Laserangriffsgröße von 4,47 μm. Es werden 216 Laserimpulse 78' während der zwei Wiederholungen des Werkzeugmusters 70' verteilt, wobei die erste Wiederholung an einer ersten Eintrittsstelle 76' beginnt, für eine 360-Grad-Drehung bis 0 Grad spiralförmig nach außen läuft und innerhalb des Umfangs 51 von 0 Grad bis etwa 90 Grad bearbeitet, an welchem Punkt die Laserimpulse 78' abgeschaltet werden und das Werkzeugmuster 70' einem Übergangssegment 80' mit einer Startstelle 82' bei 90 Grad und im Allgemeinen spiralförmig nach innen laufend zu einer Übergangsendstelle 84' bei 180 Grad folgt. Die zweite Wiederholung des Werkzeugmusters 70' beginnt an der Übergangsendstelle 84', läuft spiralförmig für eine 360-Grad-Drehung zu 180 Grad nach außen und bearbeitet innerhalb des Umfangs 51 von 180 Grad bis 270 Grad, an welchem Punkt die Laserimpulse 78' wieder abgeschaltet werden und das Werkzeugmuster 70' einem Austrittssegment 80'' mit einer Startstelle 82'' bei 270 Grad zu einer Endstelle 84'' bei 0 Grad folgt.
Facharbeiter werden wieder erkennen, dass die Winkelstellen von Eintritts- und Austrittssegmenten 72 und 80 nur einen beispielhaften Satz von relativen Winkeln darstellen, die um die X- und Y-Achsen in Abhängigkeit von den relativen Stellen von vorherigen und nachfolgenden zu bearbeitenden Löchern versetzt sein können.
Typische Positionierungseinrichtungs-, Laser- und Lochparameter, die dem Werkzeugmuster 70' zugeordnet sind, umfassen eine Werkzeuggeschwindigkeit von 313 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, eine maximale Beschleunigung der Positionierungseinrichtung von 1000 Gs, eine Kontaktlochbohrzeit von 3,08 ms und eine minimale Kontaktlochbewegungszeit von 1,69 ms, was zu einer maximalen Kontaktlochbearbeitungsrate von 209 Kontaktlöchern/s führt.
Ein dritter Aspekt dieser Erfindung stellt ein Verfahren zum Einstellen der Laserstrahl-Bewegungsgeschwindigkeit zum Erreichen einer gleichmäßigen Laserenergieverteilung, während Löcher bearbeitet werden, bereit. Wenn Kontaktlöcher unter Verwendung von mehreren Wiederholungen beispielsweise eines kreisförmigen Werkzeugmusters 50 (3) bearbeitet werden, hängt die Bearbeitung von Löchern mit guter Qualität von einer geringfügigen Überlappung der Laserflecke von jeder nachfolgenden Wiederholung ab. Der Grad der Überlappung von Wiederholung zu Wiederholung ist durch einen Parameter festgelegt, der als "inkrementale Angriffsgröße" bezeichnet wird. Die inkrementale Angriffsgröße ist als Abstand, um den sich die Laserimpulsstellen zwischen Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters verschieben, definiert.
Kleine Änderungen der Laserstrahlgeschwindigkeit können die Impulsüberlappung von Wiederholung zu Wiederholung oder inkrementale Angriffsgröße signifikant ändern. Eine gute Kontaktlochbearbeitung hängt von der geringfügigen Verschiebung der Stellen der Laserimpulse für jede Wiederholung des kreisförmigen Werkzeugmusters ab, so dass Laserimpulse während anschließender Wiederholungen nicht denselben Fleck treffen und die Laserenergie gleichmäßiger um den Kontaktlochumfang verteilt wird.
Wenn beispielsweise eine Kontaktlochbearbeitungsanwendung fünf kreisförmige Wiederholungen verwendet, ist es bevorzugt, dass sich die Laserimpulse für jede Wiederholung so verschieben, dass eine hypothetische sechste Wiederholung Impulse aufweist, die die ersten Wiederholungsimpulse exakt überlappen (die inkrementale Angriffsgröße ist ungefähr gleich der Angriffsgröße, dividiert durch die Anzahl von kreisförmigen Wiederholungen). Im Gegensatz dazu ergibt sich eine schlechte Kontaktlochbearbeitung, wenn die Impulse von jeder Wiederholung auf dieselben Stellen auftreffen. Dies wird typischerweise durch versehentliche Verwendung einer inkrementalen Angriffsgröße verursacht, die relativ zur tatsächlichen Angriffsgröße sehr klein ist oder ungefähr gleich dieser ist.
8 und 9 zeigen jeweilige unannehmbare Kontaktlöcher und Kontaktlöcher mit hoher Qualität, die in einem geätzten Leiterplattenmaterial durch mehrere Wiederholungen von Hohlbohr- und kreisförmigen Werkzeugmustern bearbeitet wurden, die jeweils eine Angriffsgröße des Standes der Technik und eine bevorzugte berechnete inkrementale Angriffsgröße verwendeten.
10 und 11 zeigen, wie die inkrementale Angriffsgröße durch kleine Änderungen der Laserstrahlgeschwindigkeit beeinflusst wird. 10 zeigt eine Angriffsgröße des Standes der Technik, die sich durch die Verwendung von fünf Wiederholungen eines Hohlbohrwerkzeugmusters ergibt, wobei die Laser-PRF 30 kHz ist, der Kontaktlochdurchmesser 125 μm ist, die effektive Laserstrahlfleckgröße 13 μm ist und die Laserstrahlgeschwindigkeit 377,5 mm/s ist. 10 zeigt, dass die Laserimpulse von jeder der fünf Hohlbohrwiederholungen fast exakt überlappen, was zu einem Kontaktloch mit schlechter Qualität und/oder einer schlechten Hohlbohrbearbeitungsrobustheit führt. Im Gegensatz dazu zeigt 11 denselben Prozess, außer dass die Laserstrahlgeschwindigkeit geringfügig auf 379,5 mm/s geändert ist. Die kleine Geschwindigkeitsänderung von 2 mm/s bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Laserimpulse um den Kontaktlochumfang, was zu einem Kontaktloch mit hoher Qualität und/oder einer verbesserten Prozessrobustheit führt. Der kreisförmige Prozess von 11 verwendete eine inkrementale Angriffsgröße von 2,3 μm, die bewirkt, dass Laserimpulse von der hypothetischen sechsten Wiederholung Laserimpulse von der ersten Wiederholung überlappen.
Die Laserstrahlgeschwindigkeit, die für die korrekte Einstellung der inkrementalen Angriffsgröße erforderlich ist, welche einem speziellen kreisförmigen Werkzeugmuster zugeordnet ist, hängt von der Anzahl von verwendeten Wiederholungen, vom Kontaktlochdurchmesser, von der Laser-PRF und von der effektiven Laserstrahlfleckgröße ab. Die Laserstrahlgeschwindigkeit wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Laserstrahlimpulsstellen der ersten und hypothetischen letzten plus einer Werkzeugmusterwiederholung im Wesentlichen überlappen.
Nachstehend werden Gleichungen gezeigt, die zum Berechnen der inkrementalen Angriffsgröße (Δ_rep), die für das Überlappen der Laserimpulsstellen der ersten und der hypothetischen letzten plus einen Werkzeugmusterwiederholung erforderlich sind, als Funktion der Anzahl von kreisförmigen Werkzeugwiederholungen (Cycles) verwendet werden:
Definition Δrep = (Nrep)(Bite) – π(D – Eff) (Gl. 2)
wobei:

Bite: = Angriffsgröße (nicht inkrementale Angriffsgröße) in μm;
ν: = Werkzeuggeschwindigkeit in mm/s;
PRF: = Laserimpulswiederholungsrate in kHz;
N_rep: = Anzahl von Impulsen in einer kreisförmigen Wiederholung;
D: = Kontaktlochdurchmesser in μm;
Eff: = Effektive Fleckgröße in μm;
Δ_rep: = inkrementale Angriffsgröße in μm; und
Cycles: = Anzahl von verwendeten kreisförmigen Wiederholungen.

Der Anhang B legt ein codiertes Matlab-Verfahren auf der Basis der Gleichungen Gl. 1 bis Gl. 3 zum Einstellen der inkrementalen Angriffsgröße zum Erzielen eines abgeglichenen Impulsabstandes, wenn mehrere Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters verwendet werden, dar. Das Verfahren wird ausgeführt, wenn ein Benutzer eine Taste "Umfangsimpulsüberlappung abgleichen" oder ein anderes Stellglied betätigt. Das Verfahren stellt die Werkzeuggeschwindigkeit und daher die Angriffsgröße um ein kleines Ausmaß abwärts ein, um die gewünschte inkrementale Angriffsgröße zu erreichen, ohne die Laserimpulsenergiedichte signifikant zu ändern.
Die inkrementale Angriffsgröße kann natürlich durch Ändern einer beliebigen Kombination der Werkzeuggeschwindigkeit, der PRF und der effektiven Fleckgröße eingestellt werden, was dem Ändern des Lochdurchmessers entspricht. Daher wird nachstehend eine strengere mathematische Beschreibung der inkrementalen Angriffsgröße dargelegt.
Der effektive Lochdurchmesser ist definiert durch: Deff = D – Eff (Gl. 4)
Die verallgemeinerte Gleichung für die inkrementale Angriffsgröße ist:
wobei die Funktion ceil(w) die kleinste ganze Zahl zurückgibt, die größer als oder gleich w ist, und den Prozess der Aufrundung einer Bruchzahl darstellt.
Die Bedingung zum Erreichen einer gleichmäßig unterteilten inkrementalen Angriffsgröße ist:
Gleichungen 4 bis 6 können kombiniert werden, um Gleichung 7 zu ergeben:
Eine Größe "x" ist durch Gl. 8 definiert:
Das Auflösen von Gleichung (7) ist dasselbe wie das Auflösen von Gleichung 9:
Gleichung (9) besitzt eine unendlichen Lösungssatz, wobei irgendeine positive Zahl mit einem Bruchrest von
eine Lösung ergibt. Der bevorzugte Fall ergibt die kleinste mögliche Einstellung, die ferner durch die Drehrichtung eingeschränkt ist. Wenn die Einstellung vorgenommen wird, kann die Größe x nach oben oder nach unten eingestellt werden. Das kleinere der Änderungen ist bevorzugt, obwohl praktische Einschränkungen für die erreichbare Geschwindigkeit und PRF eine gewisse Richtung der Einstellung vorgeben können.
Die Lösung zum Einstellen von x nach oben um die minimale Menge, um die Gleichung 9 zu lösen, ist nachstehend in Gleichung 10 gezeigt:
Die Lösung zum Einstellen von x nach unten um die minimale Menge, um Gleichung 9 zu lösen, ist nachstehend in Gleichung 11 gezeigt:
Sobald die bevorzugte mathematische Einstellung bestimmt wurde, kann die inkrementale Angriffsgröße durch Ändern der Geschwindigkeit, der PRF, des Durchmessers oder der effektiven Fleckgröße gemäß Gleichung 8 bewirkt werden. Das Auflösen nach der inkrementalen Angriffsgröße durch Einstellen der Geschwindigkeit ist nachstehend in Gleichung 12 gezeigt:
Das Auflösen nach der inkrementalen Angriffsgröße durch Einstellen der PRF ist nachstehend in Gleichung 13 gezeigt:
Das Auflösen nach der inkrementalen Angriffsgröße durch Einstellen des effektiven Lochdurchmessers ist nachstehend in Gleichung 14 gezeigt:
Der effektive Durchmesser kann natürlich durch Ändern einer Kombination des Lochdurchmessers und der effektiven Fleckgröße geändert werden. Da jedoch das Ändern des effektiven Durchmessers die Laserkontaktlochgröße geringfügig modifiziert und das Ändern der PRF unerwünschte Implikationen für den Lasereinrichtungs- und Steuermehraufwand hat, wird die inkrementale Angriffsgröße bevorzugt unter Verwendung von Gleichung 12 zum Einstellen der Strahlpositionierungseinrichtungsgeschwindigkeit bestimmt.
Wenn die inkrementale Angriffsgröße bestimmt wird, muss der Impulsabstand nicht exakt sein, um geeignete Kontaktlochbearbeitungsergebnisse zu erzielen. Δrep kann beispielsweise um bis zu etwa 20 Prozent erhöht werden. In einigen Prüfstückbearbeitungsanwendungen kann Δ_rep überdies zu einem Impulsabstand von weniger als 5 um führen. In solchen Anwendungen sollte der Abstand zwischen den Laserimpulsen nicht geringer als etwa 1,0 um sein.
12 und 13 zeigen eine Vergleichsbeziehung zwischen Hohlbohr- und kreisförmigen Werkzeugmustern, die gemäß dem Stand der Technik bzw. diesem Verfahren gebildet werden. Insbesondere zeigt 12 Laserimpulse 130, die um einen Umfang 132 eines Lochs durch zwei Wiederholungen eines Hohlbohrwerkzeugmusters 134 des Standes der Technik ungleichmäßig verteilt sind. Das Hohlbohrwerkzeugmuster 134 verwendet eine Laserstrahlgeschwindigkeit von 717 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, einen Lochdurchmesser von 125 μm, eine effektive Fleckgröße von 20 μm, eine Laserangriffsgröße von 10,24 μm und eine Angriffsgröße 136 von 8,15 μm.
Im Gegensatz dazu zeigt 13 Laserimpulse 130, die um den Umfang 132 des Lochs durch zwei Wiederholungen eines kreisförmigen Werkzeugmusters 138 gleichmäßig verteilt sind, welches ein Verfahren "Umfangsimpulsüberlappung abgleichen" verwendet. Das kreisförmige Werkzeugmuster 138 verwendet eine Laserstrahlgeschwindigkeit von 710,5 mm/s, eine Laser-PRF von 70 kHz, einen Lochdurchmesser von 125 μm, eine effektive Fleckgröße von 20 μm, eine Laserangriffsgröße von 10,15 μm und eine inkrementale Angriffsgröße 139 von 5,07 μm. Die Verwendung des Verfahrens "Umfangsimpulsüberlappung abgleichen" ändert die Laserstrahlgeschwindigkeit von 717 mm/s auf 710,5 mm/s.
Ein vierter Aspekt dieser Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern eines gütegeschalteter Lasers bereit, der Laserstrahlimpulse emittiert, die von den vorstehend beschriebenen Werkzeugmustern verwendet werden. Das Verfahren wird auf einer logischen Vorrichtung, wie z.B. einem Mikroprozessor eines Digitalsignalprozessors ("DSP") mit Registern zum Steuern eines anwenderprogrammierbaren Verknüpfungsfeldes ("FPGA"), ausgeführt, welcher die Emission eines ersten Laserimpulses und Emissionen aller nachfolgenden Laserimpulse relativ zu Halbsinus-Schablonenfräsmaschinenbefehlen, die eine Laserstrahl-Positionierungseinrichtung steuern, genau zeitlich plant. Beispielhafte Schablonenfräsmaschinenbefehle können Befehle umfassen, die erforderlich sind, um einen Laserstrahl entlang der vorstehend beschriebenen Werkzeugmustersegmente zu positionieren.

14 zeigt ein erstes DSP-Register, das ein "Laserwiederholungsratenregister" 140 ist, das 16 Lese/Schreib-Stellen zum Programmieren der Laser-Zwischenimpulsperiode umfasst. Das Laserwiederholungsratenregister 140 steuert einen Wiederholungsratengenerator 142, der ein Signal mit einer Frequenz fn im Bereich von 305,18 Hz (Wert des Registers 140 0×FFFF) bis 2,0 MHz (Wert des Registers 140 0×0) mit einer Auflösung von etwa 0,0047 Hz liefert. Die Signalfrequenz ist fn = 1/(Registerwert·50 ns). Der Wiederholungsratengenerator 142 wird nur aktiviert, wenn ein nachstehend beschriebenes DSP-"Impulszählregister" 144 einen von Null verschiedenen Wert speichert.

Ein zweites DSP-Register ist ein "Laserimpuls-Steuerzeitgeberregister" 146, das 24 Lese/Schreib-Stellen zum Programmieren von zwei Zeitverzögerungen umfasst, die der Emission von Laserimpulsen zugeordnet sind. Die Stellen 0-10 programmieren eine Gatterverzögerung und die Stellen 12-22 programmieren eine erste Impulsverzögerung. Die Stellen 12-22 sind vorzugsweise verschoben, um den darin gespeicherten Wert zu normieren, bevor der normierte Wert auf die nachstehende "dly"-Formel angewendet wird. Jede Verzögerung ist durch die Formel dly = (Wert des Registers 146·50 ns) bestimmt und liegt im Bereich von 0 bis 102,3 μs.

Ein drittes DSP-Register ist ein Impulszählregister 144, das 18 Lese/Schreib-Stellen zum Programmieren einer Anzahl von Laserimpulsen umfasst, die in einem Stoß von Impulsen emittiert werden. Gültige Werte des Registers 144 liegen im Bereich von 0×3FFFF bis 0. Die Werte 0×3FFFF und 0×0 haben spezielle Bedeutungen. Gültige Werte (1 bis 0×3FFFE, 262142D) entsprechen der Anzahl von im Stoß emittierten Impulsen. Der spezielle Wert 0×3FFFF verursacht einen kontinuierlichen Stoß von Impulsen, bis ein Nullwert in das Impulszählregister 144 geschrieben wird. Der spezielle Wert 0x0 stoppt den aktuellen Stoß.

Das Verfahren zum Einleiten von Emissionen von Laserimpulsen wird nachstehend mit Bezug auf 15A und 15B beschrieben. Laserimpulsbefehle sind durch einen Zeitüberwachungszeitgeber qualifiziert, der die Emission von Laserimpulsen stoppt, wenn der DSP versagt. Facharbeiter werden verstehen, wie die logische Vorrichtung zum Ausführen dieses Lasersteuerverfahrens zu implementieren ist.

15A und 15B zeigen jeweilige normale und Spezialfall-Zeitablaufbeziehungen zum Emittieren von Laserimpulsen, die die obigen Verfahren unterstützen.

Die in 15A gezeigten normalen Zeitablaufbeziehungen werden folgendermaßen ausgeführt:
Mit Bezug auch auf 14 wird die Laser-PRF durch den DSP, der eine Zwischenimpulsperiode 150 in das Laserwiederholungsratenregister 140 schreibt, festgelegt.

Das Impulszählregister 144 wird mit einem Wert von Null initialisiert. Der DSP leitet den Laserimpulsgebungsprozess mit einem "DSP_Write_Strobe_N"-Schreibsignal 152 ein, das einen Wert der Anzahl von Impulsen (1 bis 200000) 154 in das Laserimpulszählregister 144 lädt.

Ein "FPGA_Gate_N"-Lasergattersignal 156 schaltet nach einer Menge einer Gatterverzögerung (50 ns bis 100 μs) 158 auf wahr, wie durch die Bits 00 bis 10 des Laserimpuls-Steuerzeitgeberregisters 146 bestimmt.

Ein erstes "FPGA_QSW_N"-Lasergüteschaltsignal 160 schaltet nach einer Menge einer ersten Impulsverzögerung (50 ns bis 100 μs) 162 auf wahr, wie durch die Bits 12 bis 22 des Laserimpuls-Steuerzeitgeberregisters 146 bestimmt. Die erste Vorgabeimpulsverzögerung 162 ist Null.

Die Anzahl von Laserimpulsen 154 wird im Impulszählregister 144 mit Ausnahme des nachstehend mit Bezug auf 15B dargelegten Spezialfalls programmiert. Das Lasergattersignal 156 schaltet 50 ns nach einem letzten Laserimpuls 164, der verursacht, dass eine letzte Laserimpulsemission auf wahr schaltet, auf falsch.

Die in 15B gezeigten Spezialfall-Zeitablaufbeziehungen werden folgendermaßen ausgeführt:
Mit Bezug auch auf 14 tritt der Spezialzeitablauffall ein, wenn das DSP-Schreibsignal 152 einen Wert 0×3FFFF in das Impulszählregister 144 lädt. Diese Handlung verursacht, dass ein Impulszähler 148 kontinuierlich zählt, bis ein DSP-Schreibsignal 152' einen Nullwert in das Impulszählregister 144 lädt, was bewirkt, dass die Impulse des Lasergüteschaltsignals 160 nach einer Unsicherheitsverzögerung 166 von einem Impuls, um Rennbedingungen zu vermeiden, plus dem Rest der Gatterverzögerung 158 und der ersten Impulsverzögerung 162 stoppen.

Ein fünfter Aspekt dieser Erfindung hat ein Verfahren zum Koordinieren der Emission von Laserimpulsen und ihres Einfalls bei vorbestimmten Laserstrahl-Positionierungsbefehlsstellen zur Folge. Wenn die vorstehend beschriebenen Werkzeugmuster zum Bearbeiten von Löchern verwendet werden, werden die emittierten Laserimpulse während einer gewünschten Anzahl von Werkzeugmusterwiederholungen und insbesondere zum Emittieren des ersten Laserimpulses jeder Wiederholung an der korrekten Stelle des Werkzeugmusters präzise positioniert. Daher verbessert dieses Verfahren die Koordination, Genauigkeit und Leistung der Bewegungsschablonenfräsmaschine und der Laserzeitsteuerung, die von den vorstehend beschriebenen Werkzeugmustern verwendet wird.

Dieses Verfahren unterstützt die neuen Werkzeugmuster durch Bereitstellung einer höheren Werkzeuggeschwindigkeit für eine gegebene Laserstrahl-Positionierungseinrichtungs-Beschleunigungsgrenze. Eine typische Strahlpositionierungseinrichtung auf Galvanometerbasis besitzt beispielsweise eine Beschleunigungsgrenze von 1000 G. Die neuen Werkzeugmuster beeinflussen die Laserimpuls-Emissionszeitsteuerung in mindestens zwei Weisen. Erstens kann das kreisförmige Werkzeugmuster die Laserimpulsemission in der Mitte eines Bewegungssegments starten und ermöglicht eine Laserimpulsgebung während Bruchteilen einer Werkzeugwiederholung. Daher koordiniert ein Teil des Laserstrahl-Positionierungssystems, der als Steuermodul einer koordinierten Bewegung ("CMCM") bezeichnet wird, mit dem Systemsteuercomputer, um Laserimpulsemissionen während vorbestimmter Bruchteile eines Bewegungssegments zu bewirken. Zweitens erfordert die neue Mittelsegment-Laserzeitsteuerung gekoppelt mit Werkzeuggeschwindigkeiten, die sich 1,0 m/s nähern, eine sehr hohe Laserimpuls-Zeitsteuergenauigkeit. Frühere Laserzeitsteuersysteme besitzen eine Impulszeitsteuerauflösung für den ersten Impuls von etwa ± 50 μs, was eine unannehmbare Positionierung des ersten Impulses von ± 50 μm impliziert.

Daher überträgt dieses Verfahren die genaue Zeitsteuerung von Laserimpulsen von der DSP-Steuerung auf das viel schnellere FPGA durch Übertragen der Inhalte der DSP-Register und der zugehörigen Zeitablaufsteuerung zu den Gegenstückregistern 140', 144' und 146' im FPGA. Außerdem wird ein neuer Bruchteillaserverzögerungs-Parameter zur Bewegungssegment-Datenstruktur zum Koordinieren der CMCM-Bewegungsbefehle und der Laserimpuls-Emissionszeitsteuerung hinzugefügt. Der Bruchteillaserverzögerungs-Parameter definiert eine Zeitverzögerung zwischen dem Start eines Bewegungssegments und der ersten Laserimpulsemission als Bruchteil der gesamten Segmentzeit ΔT. Der Bruchteillaserverzögerungs-Parameter besitzt einen 8-Bit-Wert mit Werten von 0 bis 255. Wenn der Wert Null ist, verhält sich die Laserimpulszeitsteuerung wie der Stand der Technik. Die Verzögerung vom Start eines Bewegungssegments bis zum ersten Laserimpuls ist: Verzögerung = ΔT·Bruchteillaserverzögerung/256.

16 zeigt die Laserstrahlimpulsgebung und die Strahlpositionierungseinrichtungs- ("BP") Zeitablaufbeziehungen. Idealerweise würde die Emission eines ersten Laserimpulses 170 eine Bruchteillaserverzögerung·ΔT Zeit 172, nachdem die Strahlpositionierungseinrichtung ein Werkzeugmuster-Eintrittssegment wie z.B. das Eintrittssegment 52 (3) startet, geschehen. Eine Anzahl von Systemverzögerungen erfordert jedoch ein Verfahren mit koordinierter Zeitsteuerung zur Emission eines tatsächlichen ersten Laserimpulses 174.

Das Verfahren mit koordinierter Zeitsteuerung berücksichtigt zuerst eine koordinierte Modenfilterverzögerung 176, die eine Schablonenfräsmaschinen-Filtergruppenverzögerung und eine Galvanometerverzögerung umfasst. Die Schablonenfräsmaschinen-Filtergruppenverzögerung besitzt einen festen Wert von 50–80 ms in Abhängigkeit von der Filterfrequenz. Die koordinierte Modenstrahlpositionierung und die zugehörige Gruppenfilterverzögerung ist im US-Pat. Nr. 5 751 585 über HIGH SPEED, HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING SYSTEM beschrieben, das auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist. Die Galvoverzögerung ist die Zeit, die erforderlich ist, damit der Strahlpositionierungseinrichtungsbefehl die Strahlablenkgalvanometer erreicht. Die Galvoverzögerung ist auf etwa 200 ms festgelegt.

Das Verfahren mit koordinierter Zeitsteuerung berücksichtigt ferner eine Laserereignispufferverzögerung 178, die die abgelaufene Zeit zwischen einem profilierten Bohrsegment wie z.B. dem Eintrittssegment 52 (3) und der zum Starten der Laseremission befohlenen Zeit umfasst. Die Laserereignispufferverzögerung 178 kann auf eine Auflösung von 50 ms eingestellt werden.

Die Gatterverzögerung 158 (siehe auch 15A und 15B) wird in einem ersten Teil des FPGA-Impulssteuerzeitgeberregisters 146' gespeichert und bestimmt die FPGA-Verzögerung zwischen dem Empfang des Impulszählschreibsignals 152 und dem Aktivieren des Lasergattersignals 156 (siehe auch 14A und 14B). Die Gatterverzögerung 158 besitzt eine Auflösung von 50 ns.

Die erste Impulsverzögerung 162 (siehe auch 14A und 14B) wird in einem zweiten Teil des FPGA-Impulssteuerzeitgeberregisters 146' gespeichert und bestimmt die Verzögerung zwischen dem Lasergattersignal 156 und dem ersten Lasergüteschaltsignal 160 zum Anfordern der Emission eines ersten tatsächlichen Laserimpulses. Die erste Impulsverzögerung 162 ist durch 1/PRF + RuntDelay bestimmt, wobei RuntDelay eine feste Verzögerung ist, die erforderlich ist, um einen Laserimpuls mit anomal niedriger Energie (runt) zu vermeiden.

Jedes Mal, wenn der DSP ein neues Bewegungssegment lädt, berechnet er die Werte der Laserereignispufferverzögerung 178 und der Gatterverzögerung 158 folgendermaßen:
Der Wert von koordinierter Modenfilterverzögerung + Galvoverzögerung wird als Parameter gespeichert, der BPDelay genannt wird. Delay1 = BPDelay + ΔT·Bruchteillaserverzögerung – erste Impulsverzögerung.

Dies ist die Verzögerung, die zwischen der Laserereignispufferverzögerung 178 und der Gatterverzögerung 158 erforderlich ist.

Gatterverzögerung 158 = (Delay1 modulo 50 ms) + 50 ms. Diese Verzögerung stellt sicher, dass die Gatterverzögerung 158 lang genug ist, um FPGA-Grenzbedingungen zu vermeiden.

Laserereignispufferverzögerung 178 = Delay1 – Gatterverzögerung 158. Dies ist ein geradzahliges Vielfaches von 50 ms.

Nachdem die Werte berechnet sind, wird die Gatterverzögerung 158 als Feld in ein Laser-Ein-Paket des Laserereignispuffers geladen und ein Zeitkennzeichen für das Paket ist die aktuelle Zeit plus die Laserereignispufferverzögerung.

Wenn der Strahlpositionierungseinrichtungsservo ein Laser-Ein-Paket aufruft, lädt er den Wert der Gatterverzögerung 158 in das FPGA-Laserimpuls-Steuerzeitgeberregister 146', fragt dann das FPGA-Impulszählregister 144' ab, um die gewünschte Anzahl von Laserimpulsen zu bestimmen.

Facharbeiter werden erkennen, dass Teile dieser Erfindung von den vorstehend für bevorzugte Ausführungsbeispiele beschriebenen Implementierungen verschieden implementiert werden können. Werkstückprobenmaterialien können beispielsweise theoretisch jegliches Leiterplattenmaterial umfassen, ob starr oder flexibel, mit Kupfermantel oder freiliegend, faserverstärkt oder ein homogenes Harzdielektrikum, und können auch Keramiksubstrate und Siliziumsubstrate umfassen, wie z.B. jene, die in mikroelektronischen und Halbleiterbauelementen verwendet werden. Anhang A

Anhang B

Für Fachleute ist es offensichtlich, dass viele Änderungen an den Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Zusammenfassung

Die Hochgeschwindigkeitsentfernung von Material von einem Prüfstück verwendet eine Strahlpositionierungseinrichtung zum Richten einer Laserstrahlachse entlang verschiedener kreisförmiger (50) und spiralförmiger (70, 90, 110) Laserwerkzeugmuster. Ein bevorzugtes Verfahren der Materialentfernung hat das Bewirken einer relativen Bewegung zwischen der Achse des Strahls und dem Prüfstück, das Richten der Strahlachse mit einer Eintrittssegmentbeschleunigung und entlang einer Eintrittsbahn (18, 52) zu einer Eintrittsposition (16, 54) innerhalb des Prüfstücks, in der Laserstrahlimpulsemissionen (58) eingeleitet werden, das Bewegen der Strahlachse mit einer kreisförmigen Umfangsbeschleunigung innerhalb des Prüfstücks zum Entfernen von Material entlang eines kreisförmigen Segments (40) des Prüfstücks und das Einstellen der Eintrittssegmentbeschleunigung auf weniger als zweimal die kreisförmige Umfangsbeschleunigung zur Folge.

Claims

Verfahren zum Bewirken einer Hochgeschwindigkeitsentfernung von Material von einem Zielbereich eines Prüfstücks durch Betreiben eines Laserwerkzeugs, wobei der Zielbereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Zielumfang aufweist, der durch einen Zieldurchmesser definiert ist, der sich durch eine Zielmitte erstreckt, und das Laserwerkzeug eine Strahlachse definiert, entlang derer sich ein Laserstrahl ausbreitet, wobei der Laserstrahl im Zielbereich einen Laserfleck mit einem Durchmesser definiert, der kleiner ist als der Zieldurchmesser, umfassend: Bewirken einer relativen Bewegung zwischen der Strahlachse und dem Zielbereich, um die Strahlachse auf ausgewählte Stellen im Zielbereich oder ausgewählte Stellen nahe dem und im Zielbereich zu richten, um einen Prozess der Materialentfernung vom Zielbereich zu ermöglichen; Richten der Strahlachse mit einer Eintrittssegmentbeschleunigung und entlang einer Eintrittsbahn auf eine Eintrittsposition innerhalb des Zielbereichs, wobei die Eintrittsposition einer Stelle entspricht, an der die Emission des Laserstrahls auf den Zielbereich eingeleitet wird; Bewegen der Strahlachse mit einer kreisförmigen Umfangsbeschleunigung innerhalb des Zielbereichs, um den Laserfleck zu positionieren und dadurch Material entlang eines kreisförmigen Segments des Zielumfangs zu entfernen; und Einstellen der Eintrittssegmentbeschleunigung und der kreisförmigen Umfangsbeschleunigung auf Werte, so dass der Eintrittssegment-Beschleunigungswert geringer ist als zweimal der Wert der kreisförmigen Umfangsbeschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eintrittsposition derart ist, dass der Strahlfleck auf dem kreisförmigen Segment des Zielumfangs angeordnet ist, und wobei die Strahlachse den Zielbereich von einer Stelle nahe dem kreisförmigen Segment des Zielumfangs verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eintrittsposition im Allgemeinen nahe der Zielmitte angeordnet ist und der Laserfleck Material entlang eines gekrümmten Weges fortschreitend von der Zielmitte weg zum kreisförmigen Segment des Zielumfangs entfernt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Eintrittsposition eine erste Eintrittsposition bildet und der gekrümmte Weg einen ersten gekrümmten Weg bildet, und ferner umfassend: Richten der Strahlachse auf eine zweite Eintrittsposition in allgemeiner Nähe zur Zielmitte; und Richten des Laserflecks zum Entfernen von Material entlang eines zweiten gekrümmten Weges fortschreitend von der Zielmitte weg zum Zielumfang.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das kreisförmige Segment den Zielumfang in seiner Gesamtheit umfasst und die Eintrittsposition derart ist, dass der Laserfleck auf dem Zielumfang angeordnet ist; und der Laserfleck Material in mehreren Umläufen um den Zielumfang entfernt und anschließend Material entlang eines im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte entfernt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Prüfstück irgendeines eines starren oder flexiblen Leiterplattenmaterials, eines Kupfermantel- oder freiliegenden Leiterplattenmaterials, eines faserverstärkten oder homogenen dielektrischen Harz-Leiterplattenmaterials, eines Keramiksubstrats und eines Siliziumsubstrats umfasst und wobei die Entfernung von Material vom Zielbereich des Prüfstücks das Bearbeiten eines Lochs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Eintrittsposition derart ist, dass der Laserfleck auf dem kreisförmigen Segment des Zielumfangs angeordnet ist; und der Laserfleck Material entlang eines ersten im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte entfernt, Material entlang eines zweiten im Allgemeinen spiralförmigen Weges von der Zielmitte weg entfernt und zum kreisförmigen Segment des Zielumfangs zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Eintrittsposition eine erste Eintrittsposition bildet, und ferner umfassend: Richten der Strahlachse auf eine zweite Eintrittsposition im Zielbereich, wobei die erste und die zweite Eintrittsposition voneinander versetzt sind; Richten des Laserflecks zum Entfernen von Material entlang eines dritten im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte, Entfernen von Material entlang eines vierten im Allgemeinen spiralförmigen Weges von der Zielmitte weg und Zurückkehren zum Zielumfang; und Richten der Strahlachse zum Verlassen des Zielbereichs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Prüfstück ein geätztes Leiterplattenmaterial umfasst und die Entfernung von Material vom Zielbereich des Prüfstücks die Bearbeitung eines Lochs im geätzten Leiterplattenmaterial umfasst.
Verfahren zum Bewirken der Entfernung von Material von einem Zielbereich eines Prüfstücks durch Betreiben eines Laserwerkzeugs, wobei der Zielbereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Zielumfang aufweist, der durch einen Zieldurchmesser definiert ist, der sich durch eine Zielmitte erstreckt, und das Laserwerkzeug eine Strahlachse definiert, entlang derer sich ein Laserstrahl ausbreitet, wobei der Laserstrahl im Zielbereich einen Laserfleck mit einem Durchmesser definiert, der kleiner ist als der Zieldurchmesser, umfassend: Bewirken einer relativen Bewegung zwischen der Strahlachse und dem Zielbereich, um die Strahlachse auf ausgewählte Stellen im Zielbereich oder ausgewählte Stellen nahe dem und im Zielbereich zu richten, um einen Prozess der Materialentfernung vom Zielbereich zu ermöglichen; Richten der Strahlachse entlang einer Eintrittsbahn auf eine Eintrittsposition innerhalb des Zielbereichs, wobei die Eintrittsposition einer Stelle entspricht, an der die Emission des Laserstrahls auf den Zielbereich eingeleitet wird; und Bewegen der Strahlachse innerhalb des Zielbereichs zum Positionieren des Laserflecks zum Entfernen von Material entlang eines kreisförmigen Segments des Zielumfangs und anschließend Entfernen von Material entlang eines im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das kreisförmige Segment den Zielumfang in seiner Gesamtheit umfasst und die Eintrittsposition derart ist, dass der Laserfleck auf dem Zielumfang liegt, und der Laserfleck Material in mehreren Umläufen um den Zielumfang entfernt und anschließend Material entlang eines im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte entfernt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: die Eintrittsposition derart ist, dass der Laserfleck auf dem kreisförmigen Segment des Zielumfangs liegt; und der Laserfleck Material entlang eines ersten im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte entfernt, Material entlang eines zweiten im Allgemeinen spiralförmigen Weges von der Zielmitte weg entfernt und zum kreisförmigen Segment des Zielumfangs zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Eintrittsposition eine erste Eintrittsposition bildet, und ferner umfassend: Richten der Strahlachse auf eine zweite Eintrittsposition im Zielbereich, wobei die erste und die zweite Eintrittsposition voneinander versetzt sind; Richten des Laserflecks zum Entfernen von Material entlang eines dritten im Allgemeinen spiralförmigen Weges in Richtung der Zielmitte, Entfernen von Material entlang eines vierten im Allgemeinen spiralförmigen Weges von der Zielmitte weg und Zurückkehren zum Zielumfang; und Richten der Strahlachse zum Verlassen des Zielbereichs.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Prüfstück irgendeines von einem starren oder flexiblen Leiterplattenmaterial, einem Kupfermantel- oder freiliegenden Leiterplattenmaterial, einem faserverstärkten oder homogenen dielektrischen Harz-Leiterplattenmaterial, einem Keramiksubstrat und einem Siliziumsubstrat umfasst und wobei die Entfernung von Material vom Zielbereich des Prüfstücks die Bearbeitung eines Kontaktlochs im Prüfstück umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Kontaktloch ein Blindkontaktloch umfasst.
Verfahren zur Verwendung eines Strahls von gepulsten Laseremissionen mit einer Impulswiederholungsrate, um Material von einem Zielbereich eines Prüfstücks zu entfernen, wobei der Zielbereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Zielumfang aufweist, der durch einen Zieldurchmesser definiert ist, und jede gepulste Laseremission des Strahls im Zielbereich einen Laserfleck mit einem Durchmesser definiert, der kleiner ist als der Zieldurchmesser, umfassend: Bewegen des Strahls von gepulsten Laseremissionen und des Zielbereichs relativ zueinander mit einer Werkzeuggeschwindigkeit mehrere Male um den kreisförmigen Zielumfang, um zu bewirken, dass der Strahl von gepulsten Laseremissionen Material in mehreren Wiederholungen eines Werkzeugmusters entfernt, wobei jeder Laserfleck auf eine Stelle des Zielbereichs während jeder der mehreren Wiederholungen des Werkzeugmusters einfällt; und Koordinieren der Werkzeuggeschwindigkeit und der Impulswiederholungsrate, um die Laseremissionsenergie um den kreisförmigen Zielumfang im Wesentlichen gleichmäßig zu verteilen, indem die Stellen der Laserflecke für eine Wiederholung des Werkzeugmusters verschoben werden, so dass die Laserflecke nicht mit Stellen zusammenfallen, auf die die Laserflecke einer vorherigen Wiederholung einfielen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Koordinaten die Einstellung mindestens einer der Werkzeuggeschwindigkeit, der Impulswiederholungsrate, des Laserfleckdurchmessers und des Zieldurchmessers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke die Bestimmung eines Abstands Δrep aus dem folgenden Ausdruck umfasst, um den sich die Stellen der Laserflecke verschieben:
wobei v = die Werkzeuggeschwindigkeit; PRF = die Impulswiederholungsrate; und Cycles = die Anzahl von Wiederholungen des Werkzeugmusters.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke die Bestimmung der Werkzeuggeschwindigkeit v aus dem folgenden Ausdruck umfasst:
wobei D_eff = der Zieldurchmesser; PRF = die Impulswiederholungsrate; und x = irgendeine positive Zahl mit einem Bruchrest von
wobei Cycles = eine Anzahl von Wiederholungen des Werkzeugmusters.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke das Bestimmen der Impulswiederholungsrate PRF aus dem folgenden Ausdruck umfasst:
wobei D_eff = der Zieldurchmesser; v = die Werkzeuggeschwindigkeit; und x = irgendeine positive Zahl mit einem Bruchrest von
wobei Cycles = eine Anzahl von Wiederholungen des Werkzeugmusters.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke das Bestimmen des Zieldurchmessers D_eff aus dem folgenden Ausdruck umfasst:
wobei v = die Werkzeuggeschwindigkeit; PRF = die Impulswiederholungsrate; und x = irgendeine positive Zahl mit einem Bruchrest von
wobei Cycles = eine Anzahl von Wiederholungen des Werkzeugmusters.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke das Bestimmen eines Abstandes umfasst, um den sich die Stellen der Laserflecke verschieben, und wobei der Abstand eine Toleranz von 20 Prozent oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verschiebung der Stellen der Laserflecke das Bestimmen eines Abstandes umfasst, um den sich die Stellen der Laserflecke verschieben, und wobei der Abstand mindestens etwa 1,0 Mikrometer ist.
Verfahren zum Koordinieren der Emission von Laserimpulsen zum Einfallen auf vorbestimmte Laserstrahl-Positionierungsbefehlsstellen eines Zielprüfstücks, umfassend: Liefern eines Strahlpositionierungsbefehls zum Starten eines Strahlpositionierungseinrichtungs-Bewegungssegments relativ zum Zielprüfstück, wobei das Strahlpositionierungseinrichtungs-Bewegungssegment eine Strahlpositionierungsbefehlsstelle umfasst; Bewirken der Emission eines Satzes von Laserimpulsen, wobei der Satz einen ersten Laserimpuls umfasst; und Einführen einer Bruchteilslaserstrahlverzögerung zwischen dem Start des Strahlpositionierungseinrichtungs-Bewegungssegments und der Emission des ersten Laserimpulses, so dass er auf die Strahlpositionierungsbefehlsstelle während des Strahlpositionierungseinrichtungs-Bewegungssegments einfällt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Bruchteillaserstrahlverzögerung mehrere Verzögerungszeitkomponenten umfasst, und wobei die Emission eines Satzes von Laserimpulsen in Reaktion auf ein Lasergattersignal stattfindet, das vor dem Ablauf aller mehreren Verzögerungszeitkomponenten auftritt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Verzögerungszeitkomponenten eine erste Impulsverzögerungskomponente umfassen und wobei die Emission eines Satzes von Laserimpulsen nach dem Ablauf der ersten Impulsverzögerungskomponente stattfindet, wobei die erste Impulsverzögerungskomponente eine ausreichende Dauer aufweist, um die Emission eines Laserimpulses mit anomal niedriger Energie als ersten Laserimpuls zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Lasergattersignal in Reaktion auf den Strahlpositionierungsbefehl nach dem Ablauf einer Positionierungseinrichtungsverzögerung auftritt, die sich aus Filter- und Strahlpositionierungseinrichtungs-Verzögerungszeitkomponenten ergibt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Emission eines Satzes von Laserimpulsen in Reaktion auf ein Lasergattersignal stattfindet, und wobei die Einführung einer Bruchteillaserstrahlverzögerung zur Verzögerung des Strahlpositionierungsbefehls relativ zum Lasergattersignal um ein Ausmaß führt, das das Einfallen des ersten Laserimpulses auf die Strahlpositionierungsbefehlsstelle bewirkt.