DE19910412A1 - Verfahren zur Ausrichtung eines im Computer gespeicherten Bildes auf einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger, z.B. einer Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung eines im Computer gespeicherten (computergespeicherten) Bildes auf einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger, z. B. einer Leiterplatte.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Direktbelichtung von mit sogenanntem Foto-Resist-Material beschichteten Leiterplatten zur Herstellung gedruckter Schaltungen.

Zur Direktbelichtung können bekannte dafür geeignete Fotoplotter verwendet werden.

Nach dem Stand der Technik (Informationsblatt "Xenon-Plotter" der Firma MIVATEC Hard- und Software GmbH, D-71171 Schönaich, vom 15.10.1996, sind Fotoplotter bekannt, die ein computergespeichertes Rasterbild auf einen ebenen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger aufzeichnen. Bei dieser Aufzeichnung wird ein sogenannter Belichtungskopf (mit einer Aufzeichnungsfläche von ca. 5 × 7,5 mm) über einen relativ zu ihm großflächigen Aufzeichnungsträger (bis ca. 720 × 600 mm) zur Aufzeichnung von Bildelementen geführt, aus denen das Aufzeichnungsträger -Rasterbild zusammengesetzt ist. Im Belichtungskopf ist eine sogenannte LCD-Matrix lichtsteuernder Elemente vorgesehen (LCD : liquid crystal device = Flüssigkeit- Kristall-Anordnung). Sie besteht aus einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Flüssig-Kristall-Elemente, von denen jedes selektiv elektrisch angesteuert werden kann, um es für Durchlicht zu öffnen oder zu sperren.

Wird diese LCD-Matrix mit Durchlicht beaufschlagt, so kann dieses die Matrix nur an den Elementen als "Lichtstrahl" passieren, die auf Durchlaß gesteuert sind.

Die durchgelassenen Lichtstrahlen erzeugen auf dem lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger jeweils ein Bildelement. Fehlende Lichtstrahlen -gleichbedeutend mit gesperrten Elementen- erzeugen "fehlende" Bildelemente.

Das Aufzeichnungsträger-Rasterbild besteht aus einer Vielzahl von Bildelementen, aufgezeichnete und nicht aufgezeichnete (fehlende) eingeschlossen.

Da der die LCD-Matrix enthaltende Beleichtungskopf eine ungleich kleinere Fläche (zu vergleichen mit dem Feld eines Schachbrettes) als der Aufzeichnungsträger (zu vergleichen mit dem einem Schachbrett mit enorm vielen Feldern) hat, muß dieser Belichtungskopf nacheinander auf alle Schachbrettpositionen geführt werden, damit dort die Bildelemente aufgezeichnet werden können. Wegen des erstrebten hohen Auflösungsvermögens des Aufzeichnungsträger-Rasterbildes sind höchste Toleranzanforderungen an die Präzision der Bewegungsmechanik zur Verschiebung des Kopfes (über einen großen den gesamten Aufzeichnungsträger umfassenden Bereich) erforderlich. Der belichtete und entwickelte Aufzeichnungsträger versteht sich als Vorlage zur Herstellung gedruckter Schaltungen.

Im U.S.Patent Nr. 4 505 578 ist eine Aufzeichnungsvorrichtung beschrieben, bei der ein Laserstrahl über einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger zur digitalen Bildaufzeichnung geführt wird.

Die Herstellung einer gedruckten Schaltung aus einer Leiterplatte mit Hilfe einer entsprechenden Fotovorlage, die ein fotographisches Abbild der "fertigen" Schaltung mit allen Leitungsverläufen, Bohrungsmarkierungen und Ausrichtungspositionen enthält, erfolgt nach dem Stand der Technik folgendermaßen:
Dabei sei vorausgesetzt, daß die Leiterplatte bereits mit Ausrichtungspositionen in der Form von Bohrungen versehen ist und daß sie bereits auch schon Bohrungen enthält, welche für ein späteres Durchkontaktieren für mehrlagige Schaltungen erforderlich sind.

Die Leiterplatte ist über ihrer Kupferschicht mit einer Schicht lichtempfindlichen sogenannten Foto-Resist- Materials versehen.

Nachdem Fotovorlage und Leiterplatte aufeinander ausgerichtet worden sind - hierzu werden Ausrichtungspositionen benutzt­ wird die auf der Foto-Resist-Schicht der Leiterplatte aufliegende Fotovorlage mit Licht beaufschlagt. Dieses Licht kann aber nur die durchlässigen Stellen der Fotovorlage passieren und auf die darunterliegende Foto-Resist-Schicht treffen. An diesen Stellen ist die Fotovorlage lichtdurchlässig, an den anderen Stellen geschwärzt (lichtundurchlässig). Das auf die Foto-Resist-Schicht auftreffende Licht bewirkt in den belichteten Teilen der Schicht eine foto-chemische Reaktion mit der Folge, daß nur "nicht-belichtetes" Foto-Resist-Material durch einen nachfolgenden Entwicklungsvorgang beseitigt wird, gefolgt von den bekannten Schritten zur Herstellung der gedruckten Schaltung.

Das zuvor erwähnte Ausrichten der Fotovorlage auf die Leiterplatte ist nach dem Stand der Technik mit einem hohen apparativen Aufwand und einer Reihe von Problemen verknüpft.

Üblicherweise erfolgt im Rahmen einer Serienfertigung das Ausrichten automatisch in sogenannten Ausricht- und Belichtungs-Automaten (z. B. vom Typ FAPS 600 der Fa. Bacher). In einem solchen Automaten wird die Fotovorlage in einer ersten Ebene fixiert. Die noch unbelichtete Leiterplatte wird in einer zweiten Ebene eingebracht, die gegenüber der ersten Ebene verschoben werden kann. Die Position der Ausrichtpositionen (Bohrungen z. B. an den vier Ecken ) dieser Leiterplatte werden automatisch mit Hilfe von (zwei oder vier) Kameras eines Positionsbestimmenden Systems erfaßt. In Kenntnis dieser Positionskoordinaten und in Kenntnis der Koordinaten der Ausrichtungspositionen in der Fotovorlage wird die zweite Ebene mit der Leiterplatte soweit verschoben, bis die Ausrichtungspositionen der Fotovorlage mit denen der Leiterplatte übereinstimmen. Dann werden Fotovorlage und Leiterplatte aufeinander in Kontakt gebracht für einen nachfolgenden Belichtungsvorgang.

Dieses zuvor beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik zur Belichtung von Leiterplatten unter Verwendung von Fotovorlagen ist mit einer Reihe gravierender Nachteile verknüpft:

• 1. Die Ausrichtung der Fotovorlage auf die Leiterplatte erfordert einen aufwendigen Verschiebe- und Rotationsmechanismus mit Toleranzanforderungen, die mit höheren Auflösungsvermögen steigen.
• 2. Das unterschiedliche Verhalten von Fotovorlage und gedruckter Leiterplatte gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Herstellungstoleranzen bedingt, daß die Ausrichtungspositionen auf Fotovorlage und der Leiterplatte nicht kongruent sind und diesbezügliche Abweichungen beim Ausrichten so gut wie möglich auszugleichen sind. Zumeist wird ein solcher Ausgleich dadurch vorgenommen, daß Bohrungspositionen auf der Fotovorlage und diesen entsprechende Bohrungen auf der Leiterplatte randwärts möglichst um ein "gleiches" Maß abweichen sollen. Man vermeidet dadurch, daß z. B. bei Kongruenz zwischen Bohrungspositionen in der Fotovorlage und der zugeordneten Bohrung in der Leiterplatte auf der linken Seite der gedruckten Schaltung, auf der rechten Seite ein hohes Maß an Abweichung zwischen Bohrungsposition in der Fotovorlage und der zugeordneten Bohrung in der Leiterplatte zu verzeichnen wäre.
• 3. Ein angenäherter Ausgleich gemäß Punkt 2 bei Abweichungen zwischen Fotovorlage und Leiterplatte gedruckter Schaltung fällt um so schwerer, wenn sich aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von Fotovorlage und Leiterplatte Verzerrungen ergeben, die sich z. B. so äußern können, daß ein auf der Fotovorlage erscheinendes durch Ausrichtungs-Positionen definiertes Rechteck in der Leiterplatte als Parallelogramm erscheint.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ausrichtung eines in einem Computer gespeicherten Computerbildes auf einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger zur nachfolgenden Aufzeichnung des Computerbildes auf denselben anzugeben, welches z. B. keine Fotovorlage zur Herstellung gedruckter Schaltungen erfordert. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren so zu gestalten, daß eine mechanische Ausrichtung der Leiterplatte auf das abzubildende Computerbild entfallen kann.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, daß Abweichungen zwischen den Ausrichtungspositionen des gespeicherten Computerbildes (bzw. der Fotovorlage) und der Leiterplatte ohne mechanische Verschiebungen berücksichtigt werden können.

Diese Aufgaben der Erfindung werden in vorteilhafter Weise durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Darstellungen erläutert und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen;

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Computerbild- Ausrichtungspositionen mit überlagerten von diesen abweichenden Leiterplatten-Ausrichtungspositionen in einem X/Y-Rasterbild- Koordinatensystem;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zu belichtenden Leiterplatte mit Ausrichtungspositionen, in einem X'/Y'-System-Koordinatensystem.

Fig. 1 zeigt ein durch vier Ausrichtungspositionen P1, P2, P3 und P4 in seiner Lage definiertes in einem Computer gespeichertes Computerbild R. Aus Gründen der Übersicht ist das Computerbild als solches nicht dargestellt. Das Computerbild kann z. B. eine bestimmte Anordnung von Leiterbahnen in Verbindung mit Bohrungsmarkierungen und Ausrichtungspositionen darstellen. Das Computerbild ist auf ein X/Y-Computerbild- Koordinatensystem bezogen; jeder Punkt des Computerbildes oder der Ausrichtungspositionen ist durch seine Koordinatenwerte in diesem X/Y-Computerbild-Koordinatensystem definiert in Fig. 1 ist das Computerbild durch die vier ein Rechteck bildenden Ausrichtungspositionen P1, P2, P3 und P4 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein X'/Y'-System-Koordinatensystem. Die noch unbelichtete Leiterplatte wird in ein positionsbestimmendes System eingebracht, welches auf diesem X'/Y'-System- Koordinatensystem basiert. Die Leiterplatte weist vier Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen auf P1', P2', P3', P4' auf, welche den Computerbild-Ausrichtungsmarkierungen P1, P2, P3, P4 entsprechen. D.h., im Idealfall sollten P1', P2', P3', P4' exakt auf P1, P2, P3, P4 ausgerichtet sein, bevor das Computerbild per Belichtung und Entwicklung auf die Leiterplatte übertragen wird.

Die Ermittlung der Koordinaten der Aufzeichnungsträger (hier Leiterplatten)-Ausrichtungspositionen P1', P2', P3', P4' im X'/Y'-System-Koordinatensystem erfolgt automatisch mit Hilfe einer bekannten Positionsbestimmungsmethode mit (2 oder 4) Kameras. In Kenntnis dieser X'/Y'-Koordinaten und in Kenntnis der X/Y-Koordinatenwerte für die vier Ausrichtungspositionen P1, P2, P3 und P4 im Computerbild (bzw. der Fotovorlage, welche identisch mit dem Computerbild sein sollte) wird nach dem Stand der Technik die Leiterplatte so verschoben (mechanisch mit höchster Präzision) bis die Ausrichtungspositionen P1, P2, P3 und P4 auf die Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen auf P1', P2', P3', P4' der Leiterplatte ausgerichtet sind.

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß eine solche mechanisch bewirkte Verschiebung, eine x-y-Verschiebung und auch eine Drehung erfordert. Für höchste Auflösungen liegen Verschiebungsschritte in der Größenordnung von einem mikrometer.

Erfindungsgemäß wird auf eine solche mechanisch bewirkte Verschiebung zur Ausrichtung der Leiterplatte auf die Fotovorlage verzichtet. Dabei entfällt zugleich das Erfordernis der Fotovorlage.

Die Erfindung erfordert:
ein in einem Computer gespeichertes Computerbild, einen für Direktbelichtung geeigneten Fotoplotter, der das Computerbild auf einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger (hier eine mit lichtempfindlichem Foto-Resist-Material beschichtete Leiterplatte) überträgt sowie eine Transformation des Computerbildes R.

Die Erfindung ermöglicht eine Direktbelichtung der Leiterplatte, indem das transformierte Computerbild R* direkt auf der Leiterplatte erzeugt wird (ohne Zwischenschaltung einer fotographischen Vorlage).

Zu diesem Zweck müssen die Koordinaten der Computerbild- Ausrichtungspositionen P1, P2, P3, und P4 (im Computer) des X/Y-Computerbild-Koordinatensystems auf die Kordinaten der Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen P1', P2', P3', und P4' des X'/Y'-Systemkoordinaten-Systems ausgerichtet werden. Das heißt, das gesamte Computerbild R muß so transformiert (verschoben, skaliert und gedreht) werden (in Kenntnis der P1', P2', P3', und P4'- Koordinaten), daß die P1, P2, P3, und P4- Koordinaten mit den P1', P2', P3', und P4'-Koordinaten übereinstimmen. Wird nunmehr das (per Computerprogramm) transformierte Computerbild R* mittels eines Fotoplotters auf die Leiterplatte übertragen, so ist hierzu keine mechanische Ausrichtung der Ausrichtungspositionen mehr erforderlich, weil diese quasi durch die Computerprorammgesteuerte Transformation des Computerspeicherten Rasterbildes R zu R* ersetzt wurde. Zur Durchführung einer solchen mathematischen Transformation werden übliche bekannte mathematische Verfahren, z. B. solche der Matrizen-Transformation herangezogen. Derartige Verfahren sind z. B. in dem wissenschaftlichen Werk "M.L. Boas,- Mathematical Methods in the Physical Sciences- John Wiley & Sons, Inc. New York, London, Sydney 1966, Catalog Card Number 66-17646 Chapter 10, Coordinate transformations" wiedergegeben. Neben Matrizen-Transformationen sind auch andere mathematische Transformationen möglich, z. B. durch die sogenannte "5 Parameter Transformation identischer Punkte" gemäß der Baden-Württemberg-Vermessungsvorschriften.

Im Ergebnis einer solchen Transformation wird das durch die Computerbild-Ausrichtungspositionen P1, P2, P3 und P4 definierte Computerbild R in das transformierte Computerbild R* mit seinen Ausrichtungspositionen P1*, P2*, P3* und P4* überführt. Diese Überführung ist durch Pfeile von P1 nach P1* P2 nach P2* etc. gekennzeichnet.

Modifizierte Transformationstechniken (für sich gesehen in der Mathematik bekannt) gestatten es, Transformationen auch in solchen Fällen durchzuführen, wenn die (nur im Idealfall in kongruente Deckung zu bringenden) Ausrichtungspositionen des Computerbildes und der Leiterplatte relativ voneinander abweichen.

Solche Abweichungen sind dadurch bedingt, daß das Material der Leiterplatte durch Temperatur, Feuchtigkeit- oder andere Einflüsse Änderungen erfährt.

Die Leiterplatte kann sich dadurch z. B. in ihrer Abmessung verändern; dadurch verändert sich auch die Lage ihrer Ausrichtungspositionen, die letztlich auf die im Computerbild dafür enthaltenen Daten zurückgehen.

Desweiteren können auch Bohrtoleranzen in der Leiterplatte zu einer Veränderung führen. Unabhängig davon werden die aktuellen Koordinaten der Aufzeichnungsträger (hier Leiterplatten)- Ausrichtungspositionen erfaßt und relative Abweichungen gegenüber den Computerbild-Ausrichtungskoordinaten bei der Transformation mit berücksichtigt, unabhängig davon ob die Leiterplatten-Ausrichtungspositionen gegenüber den Computerbild- Ausrichtungspositionen relativ proportionale Abstandänderungen aufweisen oder ob irgendwelche Verzerrungen vorliegen. Derartige Änderungen und Verzerrungen können mit einer entsprechend modifizierten Transformation beseitigt werden, indem das Computerbild so transformiert wird, daß im Ergebnis die Computerbild-Ausrichtungspositionen auf die Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen ausgerichtet sind.

Die Matrixtransformation ist mit einem relativ geringen programmiertechnischen Aufwand durchzuführen, wenn die Koordinaten der Computerbild-relevanten Punkte als Vektorkoordinaten vorliegen. Transformationen sind jedoch auch für alle anderen Arten von Koordinaten und Koordinatensystemen möglich.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Direktbelichtung entfallen aufwendige mechanische Verschiebeeinrichtungen und die damit verbundene Toleranzproblematik.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine universelle programmgesteuerte Transformation des Computerbildes bei beliebigen Abweichungen der Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen bezüglich der Computerbild- Ausrichtungspositionen und macht damit das Verfahren unabhängig von Veränderungen des Leiterplatten-Materials.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ausrichtung eines im Computer gespeicherten Bildes (Computerbild) auf einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger zur nachfolgenden Aufzeichnung des Bildes auf denselben,wobei
das Computerbild gemäß eines Computerbild-Koordinatensystems (XY) erfaßt ist und
Computerbild-Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) aufweist und wobei
der Aufzeichnungsträger Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') aufweist und
einem positionsbestimmenden System mit einem System- Koordinatensystem (X',Y') zugeführt wird, durch welches je nach Lage des Aufzeichnungsträgers in diesem System- Koordinatensystem die Koordinaten der Computerbild- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') erfaßt werden, und wobei die Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') mit den Computerbild- Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) deckungsgleich oder mit ausgleichenden Abständen aufeinander ausgerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Abweichungen der Koordinaten der Computerbild- Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) im Computerbild- Koordinatensystems (XY ) von denen der Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') im System- Koordinatensystem (X',Y') das Computerbild,basierend auf diesen Abweichungen, einer mathematischen Transformation derart unterzogen wird,
daß die transformierten Computerbild-Ausrichtungspositionen (P1*, P2*, P3* und P4*) mit den Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') übereinstimmen oder daß sich untereinander ausgeglichene Abstände zu den Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') ergeben, für eine nachfolgende Aufzeichnung des transformierten Computerbildes R* auf den Aufzeichnungsträger A.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Transformation proportionale Abweichungen oder Verzerrungen des Aufzeichnungsträgers gegenüber der gedachten Computerbildfläche oder Differenzen der Abstände zwischen den Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') und den diesen entsprechenden Computerbild-Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) ausgleicht oder verringert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Computerbild in Vektorkoordinaten eines kartesischen Koorinatensystems gespeichert ist und
daß die Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') im System-Koordinatensystem ebenfalls als Vektorkoordinaten eines kartesischen Koordinatensystems erfaßt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Transformation des Computerbildes durch eine Matrix-Transformation erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') Löcher sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Computerbild und der Aufzeichnungsträger rechteckig flächenhaft sind und die Computerbild-Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) und die Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') ecknah oder randnah angeordnet sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder vier Computer-Ausrichtungspositionen (P1, P2, P3 und P4) und zwei oder vier Aufzeichnungsträger- Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') vorgesehen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Aufzeichnungsträger-Ausrichtungspositionen (P1', P2', P3', P4') in an sich bekannter Weise mittels eines automatisierten computerprogrammgestützten Bilderkennungssystems erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Direktbelichtung von Photo-Resist- Aufzeichnungsträgern zur Aufzeichnung des computergespeicherten, transformierten Computerbildes R* auf den Aufzeichnungsträger.