DE60033258T2

DE60033258T2 - Einrichtung zur Bestimmung eines Positionsfehlers

Info

Publication number: DE60033258T2
Application number: DE60033258T
Authority: DE
Inventors: Damien Boureau; David Clavier
Original assignee: Automa Tech SA
Current assignee: Automa Tech SA
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: EP1098556B1; FR2800565A1; CA2324913A1; CN1220116C; EP1098556A1; ES2281329T3; ATE353538T1; JP2001188007A; DE60033258D1; KR20010060196A; FR2800565B1; CN1295268A; US6683684B1; TW556456B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Positionsfehlers zwischen einem Laserstrahl und einem Teil sowie Verwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung bei der Ausbildung einer Maschine zum Belichten von plattenförmigem Material für eine gedruckte Schaltung.
Bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen nach herkömmlichen Verfahren besteht einer der Schritte bekannterweise darin, die leitende Schicht der Leiterplatte mit einer Resistschicht zu überziehen und diese Resistschicht durch eine Maske, die das für die Leiterplatte gewünschte Leiterbahnen-Layout enthält, zu belichten. Nach dem Belichten der Resistschicht werden die nicht isolierten, d.h. die zu entfernenden Abschnitte der leitenden Schicht abgetragen.
Ferner ist bekannt, daß ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten, bei dem die Resistschicht lokal durch einen auftreffenden Laserstrahl belichtet wird, an Bedeutung zunimmt. Die Stelle, an der der Laserstrahl auf der Platte auftrifft, wird im allgemeinen durch eine einen rotierenden Polygonspiegel umfassende Abtasteinheit, kombiniert mit einer Vorrichtung zur Laserstrahl-Unterbrechung, die im allgemeinen aus einem akustisch-optischen Modulator besteht, bestimmt.
Weitere Verfahren, die auch einen Laserstrahl einsetzen, bestehen darin, entweder die Resistschicht mit Hilfe eines Laserstrahls direkt abzutragen oder keine Resistschicht zu verwenden und die leitende Schicht mit Hilfe eines Laserstrahls direkt abzutragen.
Zweckmäßigerweise sollte die Oberfläche der Leiterplatte in eine bestimmte Anzahl von Bereichen unterteilbar sein und jeder dieser Bereiche mit Hilfe eines Laserstrahls gleichzeitig abtastbar sein, da die Anzahl der Laserstrahl- Auftreffpunkte zur Herstellung einer großflächigen Leiterplatte natürlich sehr wichtig ist.
Hierbei stellen sich bei den eingesetzten Maschinen, im weiteren Belichtungsmaschinen genannt, insbesondere zwei Probleme. Einerseits muß die Position des Laserstrahls bzw. jedes Laserstrahls zum Rahmen der Behandlungsmaschine genau kalibriert werden und andererseits muß die Leiterplatte, die mit dem Laserstrahl belichtet werden soll, mit großer Genauigkeit auf dem Maschinengestell plaziert werden.
Bei dieser Maschine wird der Laserstrahl zur Kalibrierung mittels einer Optikeinheit mit einer Vielzahl von optischen Komponenten auf die Leiterplatte gelenkt. Ferner wird die Leiterplatte üblicherweise mittels eines rotierenden Polygonspiegels abgetastet, bei dem die Drehung einer Seite jeweils teilweise eine Abtastlänge definiert. Außerdem wird das mittels des Laserstrahls herzustellende Layout anhand von gespeicherten Informationen definiert, die für jeden Punkt der Platte entweder eine positive Auftreffinformation oder eine negative Auftreffinformation liefern.
Demzufolge muß vor jedem Einsatz der Maschine unabhängig von der Genauigkeit der ursprünglichen Einstellungen der einzelnen Komponenten die tatsächliche Auftreffposition eines Laserstrahls im Verhältnis zum Maschinengestell überprüft werden.
Dabei muß auch die Platte im Verhältnis zum Maschinengestell mit sehr großer Genauigkeit positioniert werden, insbesondere bei Platten, die für die Multilayer-Technologie bestimmt sind. Die Positionierung der Leiterplatten zum Maschinengestell erfolgt hierbei im allgemeinen mit Hilfe von kreisförmigen, an bestimmten Stellen der genau definierten Platte angeordneten Löchern.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Positionsfehlers zwischen einem Laserstrahl und einem Teil anzugeben, das beispielsweise das Gestell einer Belichtungsmaschine oder eine Leiterplatte sein kann, mit der ein Fehler mit sehr großer Genauigkeit auf einfache Weise bestimmt werden kann.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist die Vorrichtung zur Bestimmung eines Positionsfehlers zwischen einem Laserstrahl und einem Teil dadurch gekennzeichnet,
daß das Teil mit einer kreisförmigen Öffnung versehen ist, die eine Referenzposition in Bezug auf das Teil innehat,
und daß die Vorrichtung des weiteren folgendes umfaßt:

– Mittel zum Fokussieren des Laserstrahls in der Ebene des Teils,
– Mittel zum Aufnehmen eines Bildes des kreisförmigen Loches und des fokussierten Strahls in der Ebene des Teils und
– Mittel zum Berechnen der Komponenten der Strecke, die den Auftreffpunkt und den Mittelpunkt des Loches verbindet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine sehr genaue Fehlerbestimmung möglich, insbesondere deshalb, weil die Bildaufnahmemittel, zum Beispiel eine Kamera, nicht mit Genauigkeit positioniert werden müssen, da es ausreicht, wenn gleichzeitig der Umfang des kreisförmigen Loches und der Auftreffpunkt des Laserstrahls von den Bildaufnahmemitteln aufgenommen werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zum Positionieren der Platte im Verhältnis zum Maschinengestell bei der Ausbildung einer Leiterplatten-Belichtungsmaschine anzugeben.
Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine außerdem umfaßt:

– Mittel zum Fokussieren des Laserstrahls der Reihe nach auf zwei Punkte des betreffenden Gestells, in denen die Mittelpunkte der beiden kreisförmigen Löcher liegen müßten,
– Kameramittel zum Aufnehmen eines Bildes der beiden Löcher und der Laserstrahl-Auftreffpunkte,
– Mittel zum Berechnen, vom jeweiligen Bild ausgehend, der Komponenten der Strecke, die den Mittelpunkt des Kreises mit dem Laserstrahl-Auftreffpunkt verbindet, wodurch man zwei Informationseinheiten über Positionsfehler der Platte erhält,
– Mittel zum Verschieben der Platte mindestens im Drehsinn im Verhältnis zum Gestell und Mittel zum Steuern der Mittel zum Verschieben und der Mittel zum Fokussieren des Laserstrahls in Abhängigkeit von den beiden Informationseinheiten über Positionsfehler der Platte.

Den Referenzpunkt bildet dabei der Auftreffpunkt des Laserstrahls und das Element, dessen Positionsfehler korrigiert werden soll, ist die Platte mit ihren beiden Positionslöchern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben beschriebene Erfassungsvorrichtung bei der Kalibrierung des Laserstrahls einer Leiterplatten-Belichtungsmaschine zu verwenden. Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:

– mindestens ein mit dem Gestell fest verbundenes Teil, das mindestens ein kreisförmiges Loch umfaßt, dessen Mittelpunkt einen Referenzpunkt des Gestells bildet,
– Mittel zum Steuern der Laserstrahl-Ablenkmittel durch Informationen über die Position, die der Position des Mittelpunktes des Kreises entspricht,
– Kameramittel zum Aufnehmen eines Bildes des kreisförmigen Loches und des tatsächlichen Auftreffpunktes des Laserstrahls in dem Loch,
– Mittel zum Berechnen der Komponenten der Strecke, die den Mittelpunkt des Loches mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls verbinden und Mittel zur Übermittlung der Komponenten an die Mittel zum Steuern der Ablenkmittel.

Dabei wird die Positionsreferenz durch das Teil mit dem kreisförmigen Loch gebildet und das Element, dessen Positionsfehler bestimmt werden soll, ist der Auftreffpunkt des Laserstrahls.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer nicht einschränkender Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren. Es zeigen:
1A einen Aufriß der Fehlerbestimmungsvorrichtung;
1B eine Teildraufsicht auf die Fehlerbestimmungsvorrichtung;
2 eine vereinfachte Ansicht einer Leiterplatten-Belichtungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Positionieren der Platte;
3 eine vereinfachte Ansicht einer Leiterplatten-Belichtungsmaschine mit einer Vorrichtung zum Kalibrieren des Laserstrahls der Maschine; und
4 eine schematische Ansicht einer Leiterplatten-Belichtungsmaschine mit mehreren Laserstrahlen.
Unter Bezugnahme auf 1A und 1B wird zunächst die Vorrichtung zum Erfassen und Bestimmen eines Positionierfehlers zwischen einem Laserstrahl und einem Teil beschrieben. 1A und 1B zeigen ein Teil 10 und ein optisches System 12 zum Abstrahlen eines Laserstrahls 14 auf das Teil 10.
Das Teil 10 weist ein kreisförmiges Loch 16 mit Mittelpunkt O auf, wobei das Loch 16 mit dem Teil 10 verbunden ist und die Positionsreferenz bildet. Die Erfassungsvorrichtung weist ferner eine Kamera 17 auf, die im Verhältnis zum Laserstrahl 14 auf der anderen Seite des Teils 10 angeordnet ist und die ein Bild vom Umfang des Lochs 16 und vom Laserstrahl 14 aufnehmen kann. Von diesem Bild ausgehend können mit einer der Kamera zugeordneten Berechnungsschaltung 18 die Komponenten der Strecke, die den Mittelpunkt O des Kreises und den Auftreffpunkt A verbindet, in den orthogonalen Richtungen X und Y errechnet und folglich der Positionierfehler voll bestimmt werden.
Wie bereits erwähnt können mit der Vorrichtung zwei Arten von absoluten Positionierfehlern erfaßt und bestimmt werden, je nachdem ob der Laserstrahl die Positionsreferenz bildet und das Teil 10 beweglich ist oder ob das Teil 10 mit seinem kreisförmigen Loch 16 die Positionsreferenz bildet, wobei der Laserstrahl 14 mit einem eventuellen Positionsfehler behaftet ist.
Natürlich muss die Kamera 17 in der Lage sein, den Laserstrahl zu erfassen. Es kann eine CCD-Kamera mit für Wellenlängen des Laserstrahls geeigneten Objektiven eingesetzt werden.
2 zeigt die Verwendung der Vorrichtung nach 1A und 1B zum Kalibrieren des Laserstrahls im Verhältnis zum Gestell einer Belichtungsanlage. Es ist eine Optikeinheit 30 dargestellt, die einen Laserstrahl 32 auf ein mit dem Gestell 36 der Maschine fest verbundenes Teil 34 lenkt. Das Teil 34 ist beispielsweise durch eine mit dem Gestell 36 fest verbundene Leiste gebildet und ist aus einem hochbeständigen Werkstoff wie Invar hergestellt. Die Leiste 34 weist mindestens zwei kreisförmige Öffnungen 38 und 40 mit genau definiertem Durchmesser auf. Die Öffnungen 38 und 40 bilden folglich Referenzen für die Position des Gestells 36. Die Optikeinheit 30 ist einer Steuereinrichtung 42 zur Kontrolle des Auftreffpunktes des Laserstrahls zugeordnet.
Zur Kalibrierung des Laserstrahls werden mit Hilfe des Steuerkreises 42 Befehle zur Positionierung des Laserbündels entsprechend der genauen Position des Loches 34 an die Optikeinheit 30 gesendet. Mit Hilfe der Kamera 44 wird ein Bild des Loches 38 und des Laserstrahls 32 aufgenommen. Die der Kamera 44 zugeordnete Schaltung 46 errechnet die Positionsfehler wie oben angegeben. Die Positionierung des Laserstrahls erfolgt teilweise mit Hilfe von Befehlen, die in den Steuerkreisen des Laserstrahls gespeichert sind, so daß die Fehlerberechnung dazu eingesetzt werden könnte, um Steuerbefehle zur Positionierung des Laserstrahls zu korrigieren.
Da der Laserstrahl durch Abtasten über eine bestimmte Entfernung vom Gestell hinweg bewegt werden muß, kann der Vorgang vorteilhafterweise in Bezug auf ein zweites, in der Leiste 34 vorgesehenes Referenzloch und durch Steuern der Position des Laserstrahls mit Befehlen, die dem zweiten Loch 40 entsprechen, wiederholt werden. Die Fehlerbestimmung kann dann bei mehreren auf der Leiste 34 angeordneten Löchern durchgeführt werden. Mit den einzelnen Fehlerbestimmungen bei unterschiedlichen von der Leiste erfaßten Positionen kann ein Fehlerkorrekturpolynom errechnet werden, mit dem die Befehle zum Abtasten durch den Laserstrahl bei jeder Abtastposition korrigiert werden können.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine Verwendung der Vorrichtung zur Erfassung von Positionierfehlern einer Leiterplatte 50 in einer Laserstrahl-Belichtungsmaschine beschrieben. 3 zeigt ein Gestell 52 der Maschine, auf dem eine Platte 50 angeordnet ist. Die Platte 50 weist zwei Positionierlöcher 54 und 56 auf. 3 zeigt weiterhin eine Optikeinheit 58, die auf die von einem Steuerkreis 62 übermittelten Befehle hin den Auftreffpunkt eines Laserstrahls 60 steuert.
Zur Positionierung der Platte 50 zum Gestell 52 wird die Optikeinheit 58 so gesteuert, daß der Laserstrahl an einem Punkt des Gestells fokussiert wird, der genau der Position entspricht, die der Mittelpunkt des Positionierloches 54 einnehmen müsste. Mit Hilfe der Kamera 58 werden der Umfang des Loches 54 und der Auftreffpunkt des Laserbündels 60 aufgenommen, und in der Berechnungsschaltung 64 werden die Koordinaten des Fehlers errechnet. Zum Abschluß des Positioniervorgangs wird die Optikeinheit 58 so gesteuert, daß ein Laserstrahl 60' genau an der theoretischen Position des Mittelpunktes des zweiten Positionierloches 56 der Platte 50 auftrifft. Mit Hilfe einer zweiten Kamera 65 wird eine zweite Aufnahme des Loches 56 gemacht, und der zweite Positionsfehler wird an die Berechnungsschaltung 64 übermittelt. Anhand der beiden Positionierfehler können Positionsfehler der Platte in zwei orthogonale Richtungen X und Y und beim Drehen bestimmt werden. Der Fehler beim Drehen kann durch den Winkel zwischen der Geraden, welche die Mittelpunkte der Löcher 54 und 56 verbindet, und der Geraden, welche die beiden Auftreffpunkte des Laserstrahls verbindet, bestimmt werden. Der Fehler beim Drehen wird an die Steuerschaltung 66 zur Steuerung von Aktoren 68 übermittelt, mit denen der Fehler korrigiert werden kann. Die Positionsfehler in X und Y werden vorzugsweise direkt an die Steuerschaltungen 62 zur Steuerung der Optikeinheit 58 übermittelt.
4 zeigt den Fall einer Belichtungsmaschine 70 mit mehreren Laserstrahlen 72₁ , 72₂ , 72₃ , 72₄ , die jeweils von Optikeinheiten 74₁ , 74₂ , 74₃ , 74₄ erzeugt werden, wobei jede Optikeinheit von einer Schaltung 76 gesteuert wird. Zur Kalibrierung der Laserstrahlen ist das Gestell 78 der Maschine mit einer Leiste aus Invar 80 bestückt, die genau so viele Reihen S₁, S₂, S₃, S₄ von Kalibrierlöchern 82 aufweist, wie Laserstrahlen zu kalibrieren sind. Die Löcher einer Reihe sind jeweils gegenüber den vom Laserstrahl abzutastenden Bereichen Z₁, Z₂, Z₃, und Z₄ angeordnet; jede Reihe weist beispielsweise 20 Löcher auf.
Mit Hilfe einer mobilen Kamera 84 wird nacheinander bei jedem Loch 82 jeder Lochreihe ein Bild des Loches und des Laserstrahls und jeder Lochreihe gemacht. Die Berechnungsschaltung 86 errechnet anschließend für jeden Laserstrahl ein Korrekturpolynom, das an die Steuerschaltungen 76 der Optikeinheiten übermittelt wird.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Positionsfehlers zwischen einem Laserstrahl und einem Teil, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil mit einer kreisförmigen Öffnung versehen ist, die eine Referenzposition in Bezug auf das Teil innehat, und daß sie des weiteren folgendes umfaßt: – Mittel zum Fokussieren des Laserstrahls in der Ebene des Teils, – Mittel zum Aufnehmen eines Bildes des kreisförmigen Lochs und des fokussierten Strahls in der Ebene des Teils und Mittel zum Belichten der Komponenten der Strecke, die den Auftreffpunkt und den Mittelpunkt des Lochs verbindet.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der Ausbildung einer Maschine zum Belichten von plattenförmigem Material für eine gedruckte Schaltung, umfassend: – ein Gestell, das geeignet ist, eine Platte für die gedruckte Schaltung aufzunehmen, wobei die Platte mit mindestens zwei kreisförmigen Positionierlöchern versehen ist, – mindestens einen Laser, der mit optischen Mitteln zum Fokussieren des Laserstrahls an einem beliebigen Punkt der gedruckten Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine des weiteren folgendes umfaßt: – Mittel zum aufeinanderfolgenden Fokussieren des Laserstrahls an zwei Punkten des entsprechenden Gestells, die von den Mittelpunkten der beiden kreisförmigen Löcher besetzt sein sollten, – Kameramittel, um ein Bild der beiden Löcher und der Auftreffpunkte der Laserstrahlen aufzunehmen, – Mittel zum Berechnen, der Komponenten der Strecke, die den Mittelpunkt des Kreises mit dem Auftreffpunkt des Strahls verbindet, von den einzelnen Bildern aus, wodurch man zwei Informationseinheiten über Positionsfehler der Platte erhält, – Mittel zum Verschieben der Platte zumindest im Drehsinn in Bezug auf das Gestell, sowie Mittel zum Steuern der Mittel zum Verschieben und der Mittel zum Fokussieren des Laserstrahls in Abhängigkeit von den beiden Informationseinheiten über Positionsfehler der Platte.
Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berechnen den Winkel zwischen den Strecken bestimmen, die die beiden Auftreffpunkte der Laserstrahlen und die beiden Mittelpunkte der Löcher verbinden, was eine Information über den Drehpositionsfehler des Mittelpunktes eines zweiten Lochs in Bezug auf den Mittelpunkt des ersten Lochs und die Komponenten des Positionsfehlers des Mittelpunkts des ersten Lochs gemäß zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen des Gestells liefert, und daß die Mittel zum Steuern folgendes umfassen: – Mittel zum Steuern der Mittel zum Verschieben im Drehsinn in Abhängigkeit von dem berechneten Rotationsfehler, und – Mittel zur Übermittlung der Komponenten an die Mittel zum Fokussieren der Laserstrahlen.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der Ausbildung einer Maschine zum Belichten von plattenförmigem Material für eine gedruckte Schaltung, umfassend: – ein festes Gestell, um eine Platte aufzunehmen, – eine Laserquelle, um mindestens einen Laserstrahl zu erzeugen, und Mittel zum Steuern der Ablenkung des Laserstrahls, wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß sie des weiteren folgendes umfaßt: – mindestens ein Teil, das mit dem Gestell verbunden ist, wobei das Teil mindestens ein kreisförmiges Loch enthält, dessen Mittelpunkt einen Bezugspunkt des Gestells bildet, – Mittel zum Steuern der Mittel zum Ablenken des Strahls durch Informationen über die Position, die der Position des Mittelpunkts des Kreises entspricht, – Kameramittel zum Aufnehmen eines Bildes des kreisförmigen Lochs und des tatsächlichen Auftreffpunkts des Laserstrahls in dem Loch, – Mittel zum Berechnen der Komponenten der Strecke, die den Mittelpunkt des Lochs mit dem Auftreffpunkt des Laserbündels verbindet, und – Mittel zur Übermittlung der Komponenten an die Mittel zum Steuern der Mittel zum Ablenken.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß: das Teil eine Reihe von kreisförmigen Löchern enthält, deren Mittelpunkte eine Reihe von Referenzpositionen des Gestells bestimmen, daß die Mittel zum Steuern Mittel zum aufeinanderfolgenden Steuern der Mittel zum Ablenken des Laserbstrahls durch eine Reihe von Informationen über die Positionen, die den Positionen der Mittelpunkte der Reihe von Löchern entsprechen, umfassen, daß die Kameramittel nacheinander eine Reihe von Bildern für jedes Loch aufnehmen, daß die Mittel zum Berechnen die Komponenten für jedes Bild der Bilderreihe bestimmen und eine polynomische Funktion zur Korrektur der Position des Laserstrahls anhand der Reihe der Komponenten in Abhängigkeit von der Position der Mittelpunkte der Reihe von Löchern erstellen; und daß die Übertragungsmittel die polynomische Korrekturfunktion an die Mittel zum Steuern der Mittel zum Ablenken übermitteln.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine folgendes umfaßt: – Mittel zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen, und – mehrere Mittel zum Ablenken, wobei jede Mittel zum Ablenken mit einem Laserstrahl verbunden sind; wobei jede Mittel zum Ablenken mit einem Mittel zum Steuern verbunden sind, damit jeder Laserstrahl einen Abschnitt der Platte mit der gedruckten Schaltung abtastet, daß das Teil mehrere Reihen von Löchern umfaßt, wobei jede Reihe von Löchern einem Abschnitt der gedruckten Schaltung, die von dem Laserstrahl abgetastet wird, entspricht, und daß die Mittel zum Berechnen eine polynomische Funktion zur Korrektur der Position für jede Bilderreihe, die mit einer Reihe von Löchern in Verbindung steht, bestimmen.