JP2012521298A - プリント回路板ビア穴あけステージアセンブリ - Google Patents

Abstract

ビア穴あけシステム(5, 700, 800, 900)は、好ましくは、一度に１つのターゲット(25, 720, 820, 910)を加工するように構成されている。ビア穴あけシステム(5, 700, 800, 900)は、好ましくは、ビア穴あけシステム(5, 700, 800, 900)のフットプリントを比較的小さくし、ビア穴あけシステムの部品間のモーメントアームを比較的短くし、剛性ループを比較的短くし、ターゲット(25, 720, 820, 910)の加工時間を比較的速くする。好ましくは、ターゲット(25, 720, 820, 910)に対して実質的に同時に複数の加工を実行する複数のツール(736, 836, 926)を設ける。
【選択図】 図１

Description

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技術分野
本発明は、ターゲット処理システムに関し、詳しくは、プリント回路板内のビア及び他のターゲットを作成するためのステージアーキテクチャに関する。

プリント回路板（printed circuit board：ＰＣＢ）及びフレックス回路パネルビア穴あけシステム（flex circuit panel via drilling system）は、通常、同時に複数のパネルを加工するために、複数のステージアーキテクチャ及び複数の穴あけツールによって構成される。一般的なステージアーキテクチャは、ＰＣＢの一方又は両方を保持する第１のステージと、横並びの構成（side-by-side arrangement）のフレックス回路パネルとを含み、これは、一般的に、比較的大きな床面積を必要とする。第１のステージは、通常、デカルト座標系の１つの軸に沿って動き、他の２つの軸の直線運動及び３つの軸の回転運動は、実質的に規制されている。

現在のビア穴あけシステムには、一般的に、ビア穴あけツールを搬送し、デカルト座標系の第２の軸に沿ってツールを移動させるための第２のステージが含まれている。第２の軸は、第１の軸に対し、平行平面上で直交する。現在の第２のステージは、一般的に、複数のツールを保持するように設計され、複数のツールは、互いに一団となってもよく、第２のステージは、一団となったツールを共通に動かし、これにより、各ツールは、異なるＰＣＢ及びフレックス回路パネルの略々同じセクションに対して、略々同じビア穴あけ動作を実行する。また、一般的に、第１の軸及び第２の軸の両方に直交するデカルト座標系の第３の軸に沿って各ツールを移動させる機構も設けられている。ビア穴あけシステムのための現在のステージアーキテクチャの具体例は、本願の譲受人であるエレクトロサイエンティフィックインダストリーインコーポレーテッド社（Electro Scientific Industries Inc.）に譲渡されている米国特許番号第６，３２５，５７６号及び第７，１９８，４３８号に開示されている。

本発明者は、現在のビア穴あけシステムに関連するある短所を見出した。１つの短所は、現在のビア穴あけシステムの寸法は、パネルの横並びの構成のために、一般的に、比較的大きな床面積を必要とする点である。ビア穴あけシステムが典型的に使用されるクリーンな環境では、床面積は、通常、貴重である。他の短所は、横並びのパネルを収容する現在のステージの構成では、システムのモーメントアームが比較的長くなり、この結果、剛性ループ（stiffness loop）が比較的柔らかくなるという点である。柔らかい剛性ループは、様々なステージを駆動させる速度を制限してしまう固有振動数を有することがある。他の短所として、システムスループット観点から、特に床面積を考慮した場合、複数のパネルのための横並びの構成は、複数のパネルを加工する効率が比較的低い。

好適なビア穴あけシステムは、下側のベース構造及び上側のベース構造を備え、上側のベース構造は、ここを通過するトンネルを有する。好ましくは、一度に１つのターゲットが加工される。ターゲットは、好ましくは、複数の被加工物を含み、各被加工物は、穴あけされる１つ以上の箇所を含む。下側のベース構造に取り付けられたパネルステージは、トンネルを介してターゲットを移動させる。上側のベース構造に取り付けられたツールステージは、ドリル加工ツールを搬送し、ここで、ツールステージは、パネルステージが移動する方向に直交する方向に穴あけツールを動かす。穴あけツールは、好ましくは、トンネルに接続された上側のベース構造のスロットを介して、ターゲットに対する穴あけ動作を実行する。スロットは、ターゲットが移動する方向に直交している。例えば、好ましくは、２つのツールステージが第１のスロット上に取り付けられ、好ましくは、２つのツールステージが第２のスロット上に取り付けられる。

ターゲットがトンネルを介して移動する際、ツールは、スロットを介して穴あけ動作を実行する。例えば、各ツールステージは、各ツールを同時に動かして、同じ被加工物に対して、又は異なる被加工物に対して、同じ穴あけ動作を同時に実行してもよい。これに代えて、２つのツールステージは、第１のツール及び第２のツールを同時に動かして、第１の被加工物及び第２の被加工物に対して、同じ穴あけ動作を同時に実行してもよい。同時に、残りの２つのツールステージは、第３のツール及び第４のツールを同時に動かして、第１の同じ穴あけ動作とは異なる第２の同じ穴あけ動作を実行してもよく、ここで、第１及び第３のツールは、第１の被加工物を穴あけし、第２及び第４のツールは、第２の被加工物を穴あけしてもよい。これに代えて、ツールステージは、互いに独立してツールを動かして、同じ被加工物又は異なる被加工物において、同時に異なる穴あけ動作を実行してもよい。

好ましいビア穴あけシステム実施の形態は、寸法的に安定した下側のベースに取り付けられ、又は機械的に接続された寸法的に安定した上側のベースを備え、これらのベースは、花崗岩又は他の石、セラミック材料、鋳鉄又は鋼、例えば、Ａｎｏｃａｓｔ（商標）等のポリマ複合材料、又は他の適切な材料から形成されている。「軸分離」設計では、下側のベース上に、ＰＣＢ若しくはフレックス回路パネル（flex circuit panel）、又は他の適切なターゲットを動かすためのパネルステージを取り付け、上側のベース上にツールステージを取り付ける。

上側のベースは、下側、すなわち、下側のベースに面している側にトンネルが設けられている。トンネルは、パネルステージ及びパネル又はパネルステージによって搬送される他のターゲットを収容するように寸法決めされている。パネルステージ及びツールステージは、離れているが、平行又は実質的に平行な平面上で互いに直交する軸に沿って動くように構成されている。ツールステージに取り付けられているツールは、第１及び第２の軸の両方に直交する第３の軸に沿って可動である。

上側のベースに設けられたスロットは、上側のベースの上面からトンネルの上部に開設され、この結果、上側のベースを介して、上側のベースの上面とトンネルとの間に通路を形成する。ツールステージによって搬送されるツールは、スロットを介して、パネルステージによって搬送されるターゲットの表面に対して動作するように位置決めされる。変形例では、複数のスロット及び複数のツールステージの一方又は両方を設けてもよい。変形例では、トンネルの端にツールステージを位置決めしてもよく、１又は複数のスロットを必要としなくてもよい。

上下のベースの固体の安定した小型化された設計は、好ましくは、剛性ループが短い機械的システムを形成する。また、好ましい実施の形態は、パネルステージ又はツールステージが駆動される周波数より高い固有振動数及びパネル及びツールステージの方向に直交するツールの移動によって生じる周波数より高い固有振動数を有する。例えば、ツールステージ及びパネルステージの一方又は両方は、好ましくは、２５Ｈｚで駆動され、好適なビア穴あけシステムの固有振動数は、好ましくは、１００Ｈｚから１５０Ｈｚの範囲内である。

更なる側面及び利点は、添付の図面を参照して説明される好ましい実施の形態の以下の詳細情報から明らかとなる。

ツールステージとパネルステージとの間の仮定される剛性ループを含む複数のステージビア穴あけシステムの概略的な等角図である。 例示的なパネルステージの等角図である。 上側のステージがスキャンレンズ及び上側のステージの駆動部品を支持していることを示す例示的なツールステージ及びツールの等角図である。 レーザビーム焦点領域制御サブシステムを含む例示的なツールの分解図である。 代替となるビア穴あけシステムの概略的な平面図である。 代替となるビア穴あけシステムの概略的な平面図である。 代替となるビア穴あけシステムの概略的な平面図である。

図１は、分離された、マルチステージビア穴あけシステム５を示しており、これは、好ましい実施の形態では、レーザ加工システムの部品（一部を図示し、レーザ１０、スキャンレンズ１５（４つを示している。）、ビーム偏向器２０（４つを示している。）を含む。）を支持し、これらの部品を介して、レーザビームが伝播し、ターゲット２５に入射する。ターゲット２５としては、２つの被加工物２５ａ、２５ｂを示しているが、被加工物の数は、これより多くても少なくてもよい。各被加工物は、加工される１つ以上のデバイス、例えば、プリント回路板を含む。ターゲット２５は、プリント回路板パネル、フレックス回路ウェブロール（flex circuit web roll）又は他の適切なターゲットを含むことができる。変形例として、例えば、ビアを穴あけすることによってターゲット２５を加工するための機械的なドリル（図示せず）又は他の適切な穴あけツール又は設備を支持してもよい。

ビア穴あけシステム５は、好ましくは、花崗岩若しくは他の適切な石から形成された板石、又はセラミック材料、鋳鉄、若しくはＡｎｏｃａｓｔ（商標）等のポリマ複合材料の厚板から作成された寸法的に安定した（dimensionally stable）下側のベース構造３０を含む。下側のベース構造３０は、平坦な上面３２を有する。下側のベース構造３０の平坦な上面３２には、例示的なパネルステージ３５（図２）が取り付けられ、又は機械的に連結されている。第１及び第２のガイドレール４０は、間隔を空けて、平坦な上面３２に固定され、デカルト座標系１０００の第１の軸又はＸ軸に沿って、（ターゲット２５の下の）パネルステージ３５の可動部分の動きを案内する。

図２に示すように、２つのＵ字状ガイドブロック４５は、対応するレール４０に嵌合し、レール４０に支持され、加えられる原動力に応じて、レール４０に沿って滑動する。パネルステージ３５用の駆動モータは、平坦な上面３２（図１）上で、各ガイドレール４０の長さに沿って取り付けられたリニアモータ５０を含む。リニアモータ５０は、ガイドブロック４５を推進して、対応するガイドレール４０に沿って滑動させるための原動力を伝える。各リニアモータ５０は、各ガイドレール４０の長さ方向に沿って構成された、複数のマグネット６０の離間された線形アレイを保持するＵ−チャンネルマグネットトラック５５を含む。マグネット６０の線形アレイの間に配設されたフォーサコイルアセンブリ（forcer coil assembly）６５は、チャック７５のキャリッジ７０に接続され、チャック７５を動かすリニアモータ５０の可動部材を構成する。適切なリニアモータ５０は、ペンシルバニア州ピッツバーグのエアロテック社（Aerotech, Inc.）から入手可能なＭｏｄｅｌ ＭＴＨ４８０である。

各ガイドレール４０及びガイドブロック４５は、転がり軸受アセンブリ（rolling element bearing assembly）であるガイドトラックアセンブリを形成する。代替となるガイドトラックアセンブリは、平面空気軸受（flat air bearing）又は真空予圧空気軸受（vacuum preloaded air bearing）を含む。何れのタイプの空気軸受を使用する場合も、平坦な上面３２の一部をガイド表面として用い、ガイド表面又は空気軸受の軸受面をキャリッジ７０に取り付ける。適切な空気軸受は、ペンシルバニア州アストンのＮｅｗ Ｗａｙ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．社から入手可能である。このように、使用されるガイドトラックアセンブリのタイプに応じて、平坦な上面３２の表面部分は、ガイドレール搭載接触面となってもよく、又は軸受面非接触案内面となってもよい。チャック７５を駆動及び案内するために、他の適切な機構を用いてもよい。

好ましい実施の形態では、リニアモータ５０は、結合されたチャック７５、キャリッジ７０、ガイドブロック４５及びフォーサコイルアセンブリ６５を、結合されたアセンブリの重心を介して駆動する。物体の重心は、物体を構成する粒子の質量の分布によって決定される定点である。重心は、質量が１つの箇所に集中しているかのように、一様の重力場が物体に作用する箇所と考えることができる。物体の重心（center of mass）は、物体の図心又は幾何学的中心と一致してもよいが、必ずしも一致しなくてもよい。重心は、物体に対して固定されており、物体の物理的な境界内に位置することもあり、物体の物理的な境界外に位置することもある。

例えば、各フォーサコイルアセンブリ６５は、Ｘ軸に沿って延びる長さ「Ｌ」を有し、各フォーサアセンブリ６５の重心は、好ましくは、距離「Ｌ」を二等分する線２００上の点に位置する。また、好ましくは、各フォーサコイルアセンブリ６５の幾何学的中心も線２００上の点に位置する。各フォーサアセンブリ６５の重心は、線２０５からのある距離（図示せず）及びベース３０の平坦な上面３２からのある高さ（図示せず）に位置する。線２０５は、好ましくは、フォーサコイルアセンブリ６５の外側の辺の間の中線である。フォーサコイルアセンブリ６５の外側の辺の間の距離は、距離「Ｗ」によって表される。同様に、ガイドブロック４５、キャリッジ７０及びチャック７５は、線２００上の点であって、線２０５からのある距離（図示せず）及びベース３０の平坦な上面３２からのある高さ（図示せず）を有する重心を有する。フォーサコイルアセンブリ６５、ガイドブロック４５、キャリッジ７０及びチャック７５の寸法、形状、材料及び相対的位置は、結合されたフォーサコイルアセンブリ６５、ガイドブロック４５、キャリッジ７０及びチャック７５の重心が、好ましくは、チャック７５の幾何学的中心に重なる線２００及び線２０５の交点２１０に位置するように構成される。また、結合されたフォーサコイルアセンブリ６５、ガイドブロック４５、キャリッジ７０及びチャック７５の重心は、好ましくは、平坦な上面３２からのリニア駆動モータ５０の重心の高さに一致する平坦な上面３２からの高さ「Ｈ」に位置する。

結合されたフォーサコイルアセンブリ６５、ガイドブロック４５、キャリッジ７０及びチャック７５の重心を（１）高さ「Ｈ」、（２）フォーサコイルアセンブリ６５の重心、及び（３）チャック７５の重心及び幾何学的中心に揃えることによって、リニア駆動モータ５０は、好ましくは、結合されたアセンブリの重心を介して、チャック７５、キャリッジ７０、ガイドブロック４５及びフォーサコイルアセンブリ６５を駆動する。リニア駆動モータ５０が、チャック７５、キャリッジ７０、ガイドブロック４５及びフォーサコイルアセンブリ６５又は他の適切な部品を、結合されたアセンブリの重心を介して駆動するように、多くの代替となる構成を用いることができる。

ターゲット２５（図１）は、Ｘ軸に沿った動きのために、例えば、真空又は部分真空によって、チャック７５に揃えられて取り付けられる。ターゲット２５の重心は、好ましくは、ターゲット２５がチャック７５に取り付けられたとき、点２１０に位置し、ターゲット２５の重心は、好ましくは、ターゲット２５、チャック７５、キャリッジ７０、ガイドブロック４５及びフォーサコイルアセンブリ６５の結合体の重心を高さ「Ｈ」に位置させることに貢献する。

ターゲット２５、チャック７５、キャリッジ７０、ガイドブロック４５及びフォーサコイルアセンブリ６５の結合体を、結合されたアセンブリの重心を介して駆動することによって、下側のベース構造３０及び上側のベース構造８０に伝わる加速度が低下し、好ましくは、リニアモータ５０がこの重心を介して駆動を行わない場合に比べて、ターゲット２５の位置決めの正確度を犠牲にすることなく、チャック７５がより速く駆動される。例えば、現在のビア穴あけシステムは、駆動速度が１５Ｈｚ以下に制限されることがあるが、リニアモータ５０は、好ましくは、パネルステージ３５を２５Ｈｚ以上で駆動する。

再び、図１を参照して説明すると、寸法的に安定した上側のベース８０は、接着剤、モルタル又は糊を用いて、上側のベース８０及び下側のベース３０内の貫通孔にネジ山が設けられたボルト（図示せず）を通し、座金及びナットで留めることによって、溶接によって、又は他の適切な手法で下側のベース３０に取り付けられている。これに代えて、上側のベース８０及び下側のベース３０は、鍛造、鋳造、旋削又は他の適切な加工によって同じ材料の固体ブロックから形成してもよい。これに代えて、上側のベース８０及び下側のベース３０は、機械的に連結してもよく、このとき、上側のベース８０と下側のベース３０との間に追加的な部品があってもよく、追加的な部品がなくてもよい。

上側のベース８０は、平坦な上面８２及び平坦な下面８４を有する。面３２、８２、８４は、好ましくは、約１０ミクロンの許容誤差範囲内の平面度及び平行度を有するように調整されている。トンネル８５は、上側のベース８０を貫くように横断し、パネルステージ３５を跨ぎ、ここを通過するターゲット２５の通路を確保するように寸法決めされている。

スロット９０は、リニアモータ５０の長手方向に届くように横方向に延び、上側のベース８０の平坦な上面８２からトンネル８５に貫通している。ガイドトラック９５は、スロット９０の対向する両側辺上で、上面８２に取り付けられ又は機械的に接続されている。ガイドトラック９５は、パネルステージ３５に関して上述したガイドアセンブリと同様のガイドアセンブリの一部である。また、ガイドアセンブリは、上述したように、空気軸受を含んでいてもよい。ガイドトラック９５は、１つ以上の例示的なツールステージ１００（図１には４個を示している。）を支持し、デカルト座標系１０００の第２の軸又はＹ軸に沿った直線運動を可能にする。Ｙ軸は、第１の軸を含む平面に対する平行平面上で第１の軸に直交する。チャック７５を駆動するリニア駆動モータ５０と同様に、ツールステージ１００を駆動するリニア駆動モータ１０５は、好ましくは、伝えられる駆動力が、各ツールステージ１００の重心、取り付けられたツールの重心又はこれらの両方を介して作用するように、ツールステージ１００に接続される。

図３に示すように、ツールステージ１００は、好ましくは、リニアモータ１０５によって駆動されるレーザビーム焦点制御サブシステム４００（図４）等の穴あけツールを含む。２つの離間したガイドレール９５（図１）は、好ましくは、平坦な上面８２（図１）に固定され、Ｕ字状ガイドブロック１１０は、好ましくは、ツールステージ１００の底面１１５で支持される。ガイドブロック１１０のそれぞれは、好ましくは、対応するレール９５の１つに嵌合し、加えられる原動力に応じて、レール９５に沿って滑動する。ツールステージ１００用の駆動モータは、好ましくは、平坦な上面８２上で、ガイドレール９５の長さに沿って取り付けられたリニアモータ１０５（図１）を含む。リニアモータ１０５は、その対応するガイドブロック１１０を推進し、対応するガイドレール９５に沿って滑動させるための原動力を伝える。各リニアモータ１０５は、ガイドレール９５の長さ方向に沿って構成された、複数のマグネットの離間された線形アレイ（図示せず）を保持するＵ−チャンネルマグネットトラック（図示せず）を含む。リニアモータ１０５の構成は、リニアモータ５０（図２）の構成と同様であってもよい。マグネットの線形アレイの間に配設されたフォーサコイルアセンブリ１２０は、ツールステージ１００に接続され、ツールステージ１００を動かすリニアモータ１０５の可動部材を構成する。適切なリニアモータ１０５は、ペンシルバニア州ピッツバーグのエアロテック社（Aerotech, Inc.）から入手可能なＭｏｄｅｌ ＭＴＨ４８０である。

好ましくは、一対のエンコーダヘッド１２５（図２）を異なるガイドブロック１１０の１つに隣接するように配置し、ツールステージ１００の底面１１５に固定する。好ましくは、ツールステージ１００のヨー角及び移動距離を測定する位置センサを設ける。各ツールステージ１００を駆動するガイドレール９５、ガイドブロック１１０及びリニアモータ１０５の近傍に位置センサを配置することによって、最小の共振効果で効率的な閉ループフィードバック制御を確実に行うことができる。一対の停止部材（図示せず）が設けられている場合、停止部材は、上側のベース８０に取り付けられたマグネット（図示せず）によって作動するエンコーダヘッド１２５に含まれているリミットスイッチに応じて、ガイドブロック１１０の移動距離を制限する。一対の緩衝器（図示せず）が設けられている場合、緩衝器は、ツールステージ１００の動きを弱めて停止させて、ガイドレール９５を超える過剰な動きを防止する。

図４は、制御サブシステム４００の部品と、そのツールステージ１００への取付とを更に詳細に示している。制御サブシステム４００は、レンズフォーサアセンブリ４０５を含み、レンズフォーサアセンブリ４０５は、ヨークアセンブリ４１０によって、空気軸受アセンブリ４２０の空気軸受筒４１５の内部に収納されているスキャンレンズ１５に接続される。適切な空気軸受筒は、ペンシルバニア州アストンのＮｅｗ Ｗａｙ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．社から入手可能から入手可能な部品番号Ｓ３０７５０１である。レンズフォーサアセンブリ４０５は、好ましくは、ボイスコイルアクチュエータであり、ヨークアセンブリ４１０によって、スキャンレンズ１５を動かす原動力を伝え、この結果、レーザビームの焦点位置をビーム軸４２５に沿った選択位置に動かす。好適なボイスコイルデバイス４０５は、カリフォルニア州ビスタのＢＥＩ Ｋｉｍｃｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ社から入手可能なアクチュエータ番号ＬＡ２８−２２−００６Ｚである。

ボイスコイルアクチュエータ４０５は、略々円筒状のハウジング４３０と、銅線が周囲に巻回された磁気コアから形成された環状コイル４３５とを含む。円筒状のハウジング４３０及び環状コイル４３５は、共軸的に揃えられ、環状コイル４３５は、レンズフォーサアセンブリ４０５に流される制御信号（図示せず）に応じて、ハウジング４３０を出入りするように軸方向に動く。

環状コイル４３５は、ボイスコイルブリッジ４４５内の略々円形の開口部４４０を介して延び、ボイスコイルブリッジ４４５には、互いに逆方向に延びるはね出し部材４５０が設けられ、はね出し部材４５０は、ツールステージ１００に取り付けられた支柱４５５（図３）上に載置され、これによって、レーザビーム焦点領域制御サブシステム４００が支持される。ボイスコイルブリッジ４４５の両側の突起部分４６０のそれぞれには、貫通孔４６５が設けられており、貫通孔４６５には、管状ハウジング４７０が収容され、この管状ハウジング４７０に、ガイドマウント４８５の上面４８０から延びるロッド４７５が挿入される。各ロッド４７５は、自由端４７６を有する。ガイドマウント４８５は、上面４８０の上に環状軸受台４９０を有し、環状軸受台４９０上には、環状コイル４３５が載置される。ボイスコイルブリッジ４４５の両側の突起部分４６０の各貫通孔４６５に収容された管状ハウジング４７０には、２つの積層された共軸のリニアボールブッシュ４９５が嵌め込まれる。ボールブッシュ４９５に挿入されるロッド４７５の自由端４７６には、ロッドクランプ５００が被せられ、これによって、ビーム軸４２５に沿った環状コイル４３５の下方への移動が強制的に停止される。

ハウジング４３０は、環状コイル４３５の中心、ボイスコイルブリッジ４４５の開口部４４０、及びガイドマウント４８５の環状軸受台４９０の中心に軸が揃えられた円形開口部５０５を有する。ハウジング４３０の開口部５０５には、中空のスチールシャフト５１０が挿入され六角ナット５１５は、中空のスチールシャフト５１０と可撓性を有する環状スチール部材５２０とを共軸的に連結し、可撓性を有する環状スチール部材５２０は、後述するように、ヨークアセンブリ４１０に接続される。六角ナット５１５は、環状コイル４３５の下面に接触して配置され、環状コイル４３５の軸を上下する方向の動きに応じて、駆動軸又はＺ軸５２５（図１のＺ軸の向き）に沿って、可撓性を有するスチール部材５２０を駆動する。中空のスチールシャフト５１０は、コイルばね５３０の中心に軸に沿って挿入され、コイルばね５３０は、ハウジング４３０の上面４３１と、中空のスチールシャフト５１０の自由端５１１に固定される円筒状のばね固定体５３５との間に挟み込まれる。コイルばね５３０は、ボイスコイルアクチュエータ４０５に制御信号が流されていない場合、環状コイル４３５を、Ｚ軸５２５に沿ってストロークの中間点に付勢する。

ヨークアセンブリ４１０は、対向するヨーク側板５４０（１つのみを示している。）を備え、ヨーク側板５４０は、一端５４５がヨークリング５５５の表面５５０に固定され、他端５６０が多層の矩形ヨークマウント５６５に固定される。筒状の外面５７０によって形成され、環状の頂部フランジ５７５を有するスキャンレンズ１５は、ヨークアセンブリ４１０に嵌挿され、このとき、頂部フランジ５７５は、ヨークリング５５５の表面５５０に載る。空気軸受筒４１５の内部に収容されるスキャンレンズ１５は、空気軸受アセンブリ４２０の内レースを形成し、空気軸受筒４１５の内表面５８０は、空気軸受アセンブリ４２０の外レースを形成する。空気軸受アセンブリ４２０をこのように構成することによって、ＸＹ平面においてはスキャンレンズ１５の剛性が高まり、一方、Ｚ軸に沿って、スキャンレンズ１５を非常に滑らかな制御された手法で動かすことができる。

可撓性を有するスチール部材５２０は、自由端５２１を有し、自由端５２１は、ヨークマウント５６５の上面５９０の凹部５８５に嵌合し、ヨークマウント５６５をＺ軸５２５に沿って動かし、これによって、スキャンレンズ１５をビーム軸４２５に沿って動かす。ボイスコイルブリッジ４４５に取り付けられ、エンコーダ６０５を保持するエンコーダヘッドマウント６００は、ガイドマウント４８５に取り付けられ、エンコーダスケールを保持するエンコーダ本体マウント６１５と連携し、光の回析原理を用いて、環状コイル４３５の動きに応じたボイスコイルブリッジ４４５に対するガイドマウント４８５の変位を測定する。可撓性を有する環状のスチール部材５２０は、環状コイル４３５に取り付けられているので、測定される変位は、ビーム軸４２５に沿ったスキャンレンズ１５の位置を表す。

マウントリング６３０の所定位置に固定された４分の１波長板６２５は、矩形のヨークマウント５６５の下面５６４と、スキャンレンズ１５の頂部フランジ５７５との間に配置される。ツールステージ１００（図３）に取り付けられる、例えば圧電型高速ステアリングミラーであるビーム偏向デバイス２０は、矩形のヨークマウント５６５と、４分の１波長板６２５との間に配設される。高速ステアリングミラー２０は、ビーム軸４２５に沿って伝播する入射レーザビーム６４５を受光し、レーザビーム６４５を４分の１波長板６２５及びスキャンレンズ１５に向ける。４分の１波長板６２５は、入射する直線偏光されたレーザビームを円偏光し、高速ステアリングミラー２０は、円偏光されたレーザビームがパネルステージ３５上に支持されているターゲット２５の被加工物の選択位置に入射するように、レーザビームを方向付ける。スキャンレンズ１５及びステアリングミラー２０の一方又は両方は、好ましくは、例えば、レーザがターゲット２５に衝突する箇所に関して１８ｍｍから２０ｍｍの可動範囲内で、ＸＹ平面での微調整のために制御される。高速ステアリングミラー２０が中立位置にある場合、Ｚ軸５２５、ビーム軸４２５及びレーザビーム６４５の伝播経路は、同軸上にある。高速ステアリングミラー２０の動作中は、レーザビーム６４５の伝播経路は、通常、ビーム軸４２５に揃う。

可撓性を有するスチール部材５２０は、Ｚ軸方向に剛性を有し、ＸＹ平面に可撓性を有する。可撓性を有するスチール部材５２０のこれらの特性によって、スチール部材５２０は、緩衝器として機能することができ、スキャンレンズ１５を含む空気軸受アセンブリ４２０の案内動作をスキャンレンズ１５を動かすレンズフォーサアセンブリ４０５の案内動作から分離する。

レンズフォーサアセンブリ４０５及び空気軸受アセンブリ４２０は、重心を有し、Ｚ軸５２５に沿って配置されている。レンズフォーサアセンブリ４０５のボイスコイルブリッジ４４５は、２つの凹部６５５を有し、これらの深さ及び断面積を寸法決めすることによって、２つの重心の軸を揃えることができる。このように重心を揃えることによって、制御システム４００内のモーメントアームがなくなり、従来の片持梁設計に存在する傾向がある低共振周波数振動が低減される。

ツールステージ１００は、それぞれ、穴あけツール、例えば、レーザビーム焦点領域制御サブシステム４００又はドリル（図示せず）を支持する。レーザビーム焦点領域制御サブシステム４００は、レーザビームを、スロット９０を介して、ターゲット２５の表面に方向付ける。スキャンレンズ１５又はドリル等の他の適切なツールの中心線は、ツールステージ１００の重心及び剛心に一致させることが好ましい。すなわち、ツールステージ１００がＸＹ平面上で回転する場合、このような回転が、スキャンレンズ１５又はツールビットを介してターゲット２５に方向付けられるレーザビームの位置に影響しないようにすることが好ましい。

ツールステージ１００の重心及び剛心を各ツールステージ１００が搬送するツールの重心に揃えることによって、リニアモータ１０５は、ツール位置決めの正確度を犠牲にすることなく、重心及び剛心が揃えられていない場合に比べて、ツールステージ１００をより高速に駆動することができる。例えば、現在のビア穴あけシステムは、駆動速度が１５Ｈｚ以下に制限されることがあるが、リニアモータ１０５は、好ましくは、ツールステージ１００を２５Ｈｚ以上で駆動する。

図３に示すように、線２０６は、好ましくは、フォーサコイルアセンブリ１２０の長さである距離Ｌ２を二等分する。また、好ましくは、各フォーサコイルアセンブリ１２０の幾何学的中心も線２０６に沿った点に位置する。また、各フォーサアセンブリ１２０の重心も線２０１からのある距離（図示せず）に位置する。線２０１は、好ましくは、フォーサコイルアセンブリ１２０の外側の辺の間の中線である。フォーサコイルアセンブリ１２０の外側の辺の間の距離は、距離「Ｗ２」によって表される。好ましくは、結合されたツールステージ１００及びツール、例えば、レーザビーム焦点領域制御サブシステム４００の重心及び剛心は、ＸＹ平面内で点２１１に一致し、フォーサコイルアセンブリ１２０を二等分する平面「Ｐ」内に位置する。点２１１は、好ましくは、レーザビーム焦点制御サブシステム４００（図４）の中心のＺ軸５２５上にある。

好ましくは、レーザ１０及び関連するシステムの動作部品（図示せず）は、ツールステージ１００を支持する同じ上側のベース８０上で支持される。また、ツールステージ１００を搬送する上側のベース８０にレーザシステム又は他の適切な動作部品を接続することによって、ツールの動作部品とツールステージ１００との間の寄生的な動きが好適に減少する。例えば、現在のビア穴あけシステムでは、レーザシステム等のツール動作部品を、ツールステージを支持する構造体とは別の構造体上で支持することがある。このような構成では、各支持構造体が個別に動くことがあるため、ツール動作部品とツールステージとの間で寄生的な動きが生じることがある。ツール動作部品とツールステージ１００とを同じ支持構造体（すなわち、上側のベース８０）に接続することによって、このような個別の動きが低減又は排除され、この結果、ツール動作部品とツールステージ１００との間の寄生的な動きが減少する。

チャック７５及びツールステージ１００の案内された動きは、チャック７５に保持されたターゲット２５の表面上の加工箇所に対して、スキャンレンズ１５を動かす。センサを設ける場合、センサは、隣接する異なるガイドブロック４５、１１０に配設され、これらのセンサは、好ましくは、チャック７５及びツールステージ１００のヨー角及び距離を測定する位置センサ１２５を含む。ガイドレール４０、９５、ガイドブロック４５、１１０、リニアモータ５０、１０５、駆動チャック７５及びツールステージ１００に位置センサを設けることによって、最小の共振効果で効率的な閉ループフィードバック制御が好適に提供される。

好ましくは、複数のツールステージ１００を設け、これによって、２つ以上のツールがターゲット２５上の１つ以上の箇所にビア穴あけ等の動作を実行する。例えば、図１に示すように、ターゲット２５は、好ましくは、２つの被加工物２５ａ、２５ｂを含む。パネルステージ３５がターゲット２５を駆動すると、２つのツールステージ１００によって搬送されているツールは、被加工物２５ｂに対する動作を実行し、他の２つのツールステージ１００によって搬送されているツールは、被加工物２５ａに対する動作を実行する。ツールステージ１００及び関連するツールを制御して、同時又は異なる時刻に同じ動作を実行してもよく、同時又は異なる時刻に異なる動作を実行してもよい。複数のツールステージ１００及び関連するツールを提供することによって、加工されるターゲット２５について様々な柔軟性が好適に提供される。

例えば、図１又は他の適切な実施の形態に示すビア穴あけシステムの実施の形態によって、好ましくは、床面積の平方フィートあたり、一時間で加工されるターゲット２５について、ターゲット２５の加工の効率が高められる。上述した実施の形態及び他の適切な実施の形態の機械的剛性及び短い剛性ループから生じる比較的高い剛性によって、パネルステージ３５及びツールステージ１００は、好ましくは、ターゲット又はツール位置決めの正確度を犠牲することなく、現在のビア穴あけシステムが駆動されるより速い速度で駆動することができる。

機械的剛性とは、一般に、力から生じる変形に対する部品又は部分の抵抗である。剛性ループは、包括的に言えば、ツールとターゲットとの間で、デバイスを介して力が伝播する距離を指し、ここで、ツール又はターゲットを動かすと、それぞれターゲット又はツールにおいて振動が引き起こされる可能性がある。換言すれば、剛性ループは、動力、ツールとターゲットとの間に含まれている支持部品が生成する動力、又はこれらの両方に反応する結合構造の実行長である。

仮定される剛性ループを図１に示す。（例えば、ツールステージ１００がスロット９０の中心に位置している場合（図示せず））ツールステージ１００の剛心を通過する力線（force line）１００２は、線２０１、２０６（図３）によって画定される平面内にあるツールステージ中立軸に沿って９０度方向転換する。線１００４は、線１００４がガイドトラック９５と交差するまで、ツールステージ中立軸に沿って延びる。ここで、更に９０度の方向転換があって、線１００６は、ガイドトラック９５を介してベース８０の中立軸まで延びる。更に９０度の方向転換の後、線１００８は、ベース８０の中立軸に沿って延び、ベース８０とベース３０との間の中立軸に達する。更に９０度の方向転換があって、線１０１０は、ベース８０とベース３０の間の中立軸に沿って延び、例えば、ベース３０内に位置するベース３０の中立軸に達する。更に９０度の方向転換の後に、線１０１２は、ベース３０の中立軸に沿って延び、ガイドトラック４０に達する。更に９０度の方向転換によって、線１０１４は、ガイドトラック４０の下を通って、ガイドトラック４０の中点に達する。更に９０度の方向転換によって、線１０１６は、ガイドトラック４０を介して上り、線２００、２０５（図２）によって画定される平面に達する。９０度の方向転換の後、線１０１８は、パネルステージ３５の中立軸に沿って延び、パネルステージ３５の動作の中心に達し、換言すれば線２０５がリニアモータ５０の中点に位置する場合、線２００、２０５の交点２１０に達する。更に９０度の方向転換によって、剛性ループの線１０２０は、パネルステージ３５の動作の中心を通過して上る。

図１に最良に示されているように、剛性ループの長さは、ツールステージ１００の動きによって変わる。具体的には、ツールステージ１００がスロット９０の中心から離れるように動くと、剛性ループの長さは減少する。現在入手可能なビア穴あけ装置の剛性ループの長さは、例えば、約２，２６０ｍｍである。これに対し、ここに説明するビア穴あけシステムの実施の形態は、約８００ｍｍ〜約１，５００ｍｍの間の範囲、好ましくは、約１，０００ｍｍの剛性ループを有する。同じ断面及び材料の２つの片持梁が短い程、加えられた力から生じる動きに対する抵抗がより大きいことと同様に、上述した実施の形態のパネルステージ３５及びツールステージ１００は、従来のビア穴あけシステムに比べて、それぞれ駆動ツールステージ１００及びパネルステージ３５の力から生じる振動に対して、より大きい抵抗を有するという利点がある。

剛性に影響を及ぼす他の因子は、剛性ループに含まれている部品の質量及び剛性である。図１に示す具体例では、ベース３０及びベース８０のそれぞれは、好ましくは、パネルステージ３５、ツールステージ１００又はこれらの両方に比べて質量が大きい。これに代えて、ベース３０及びベース８０の合計の質量がパネルステージ３５、ツールステージ１００又はこれらの両方に比べて大きくなるようにしてもよい。更に、上述のように、好ましくは、ベース３０及びベース８０は、堅い、機械的剛性を有する材料から形成される。

（現在のビア穴あけシステムで一般的なターゲットあたり１つのツールに代えて）１つのターゲット２５に対して動作する複数のツールステージ１００及び関連するツールを設けることによって、ターゲット２５の加工速度が好適に向上する。更に、上述した実施の形態及び他の適切な実施の形態の小型化された寸法によって、現在のビア穴あけシステムに比べて、必要な床面積を小さくできるという利点がある。より速いステージ速度、高められた機械的剛性、単一のターゲットに対して動作する複数のツール、及び小型化された寸法のうちの１つ又は任意の組合せによって、上述した実施の形態及び他の適切な実施の形態は、現在のビア穴あけシステムに比べて、床面積の平方フィートあたり、一時間で加工されるターゲット２５について、より効率的である。

様々な構成によって、剛性ループが短く、フットプリントが小型化されたビア穴あけシステムを実現することができる。例えば、図５〜図７は、ビア穴あけシステムの様々なレイアウトの概略図を示している。図５は、上側のベース７１０によって支持されるレーザ及び光学ベイ７０５を含むビア穴あけシステム７００を示している。レーザシステム７１５は、好ましくは、レーザ及び光学ベイ７０５内に位置している。上側のベース７１０の一部７１０ａは、パネルステージ（図示せず）及びターゲット７２０に跨がっている。パネルステージは、下側のベース７２５に支持されている。ツールステージ７３０及びこれらに関連するツール７３６は、上側のベース７１０の一部７１０ａに支持されている。実際の動作では、ターゲット７２０は、パネルステージ（図示せず）に取り付けられる。パネルステージは、ターゲット７２０をフレックス回路供給及びフレックス回路排出の矢印の方向に移動させる。パネルステージが上側のベース部分７１０ａの下のターゲット７２０を移動すると、ツールステージ７３０は、フレックス回路供給及びフレックス回路排出の矢印の方向に移動し、ツール７３６を、ターゲット７２０を横断するように動かす。好ましくは、一方のツール７３６が被加工物７２０ａに対して、ビア穴あけ等の動作を実行し、他方のツール７３６が被加工物７２０ｂに対して、他の動作を実行する。ツール７３６は、連続して動作してもよく、実質的に同時に動作してもよく、連続的且つ同時に動作してもよい。一旦、加工が完了すると、ターゲット７２０は、好ましくは、フレックス回路排出の矢印の近傍でパネルステージから取り外される。図６は、同様であるが、ターゲット８２０に対して動作する複数のツールステージ８３０及び関連するツール８３６を備えるビア穴あけシステム８００を示している。

図７は、加工されるターゲット９１０を自動的に取り付け、加工が完了するとターゲット９１０を自動的に取り外し、そして、加工のために他のターゲット９１０を取り付けるオートローダ９０５を備えるビア穴あけシステム９００を示している。例えば、オートローダ９０５は、ビア穴あけシステム９００の前部９１５の近傍で、ターゲット９１０をパネルステージ（９１０の下にあり、図には示していない。）に取り付ける。ターゲット９１０は、１つ以上の被加工物９１０ａ、９１０ｂ等を含む。一旦、オートローダ９０５によってターゲット９１０がパネルステージに取り付けられると、パネルステージは、ターゲット９１０を矢印「Ｍ」の方向に移動する。上側のベース部分９２０ａの下でパネルステージがターゲット９１０を移動させている間、ツールステージ９２５は、矢印「Ｍ」の方向を横切り、ターゲット９１０を横断するようにツール９２６を動かす。好ましくは、一方のツール９２６が被加工物９１０ａに対して、ビア穴あけ等の動作を実行し、他方のツール９２６は、被加工物９１０ｂに対して、他の動作を実行する。ツール９２６は、連続して動作してもよく、実質的に同時に動作してもよく、連続的且つ同時に動作してもよい。加工が完了すると、オートローダ９０５は、好ましくは、ビア穴あけシステム９００の後部９３０の近傍でターゲット９１０を取り外し、そして、パネルステージは、ビア穴あけシステム９００の前部９１５に戻る。そして、オートローダ９０５は、加工のために、他のターゲット９１０をパネルステージに取り付ける。

本発明の基本的な原理から逸脱することなく、上述の実施の形態に多くの変更を加えることができることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって定義される。

Claims (19)

1. ターゲット支持機構と、ターゲット箇所上でツールを位置決めすることに貢献するツール支持機構とを備え、高スループットレートで動作する穴あけシステムが生成する穴あけツール位置決め誤差の発生を動作許容範囲内に低減する方法において、
   前記ターゲット支持機構として、駆動機構と、前記ターゲットを保持するように構成され、重心及び剛心を有し、前記駆動機構によって駆動される可動部分とを有するデバイスを準備するステップと、
   前記ターゲット支持機構を寸法的に安定した第１のベース構造に取り付けるステップと、
   前記ツール支持機構として、それぞれが、駆動機構と、重心及び剛心を有し、前記駆動機構によって駆動される可動部分とを有する複数の穴あけツール位置決めデバイスを準備するステップと、
   前記ツール支持機構を寸法的に安定した第２のベース構造に取り付けるステップと、
   前記第１のベース構造に前記第２のベース構造を機械的に接続するステップと、
   前記ツール支持機構によって搬送される複数の穴あけツールを取り付けるステップとを有し、前記複数の穴あけツールのそれぞれは、各穴あけツールを搬送する前記穴あけツール位置決めデバイスの重心及び剛心に実質的に揃えられた中心線を有し、この結果、前記穴あけツール位置決めデバイスがターゲット箇所上で各ツールを位置決めするための動きの間の加速又は減速による前記穴あけツール位置決めデバイスの意図しない回転運動から生じる位置決め誤差が実質的に排除される方法。
2. 前記ターゲット支持機構は、パネルステージを含み、前記ツール支持機構は、複数のツールステージを含む請求項１記載の方法。
3. 前記ターゲット支持機構の可動部分の重心及び剛心は、揃えられ、前記ターゲット支持機構の駆動機構は、前記重心及び剛心を介して前記ターゲット支持機構の可動部分を駆動し、
   前記各穴あけツール位置決めデバイスの可動部分の重心及び剛心は、揃えられ、前記穴あけツール位置決めデバイスの駆動機構は、前記重心及び剛心を介して、前記各穴あけツール位置決めデバイスの可動部分を駆動し、この結果、
   前記ターゲット支持機構の可動部分及び前記各穴あけツール位置決めデバイスの可動部分の加速又は減速によって引き起こされる振動によって生じるツール位置決め誤差の発生を動作許容範囲内に低減する請求項１記載の方法。
4. 前記各穴あけツールは、それぞれが対物レンズを含むレーザビーム焦点制御サブシステムを含み、前記対物レンズの中心は、前記レーザビーム焦点制御サブシステムの中心線に揃えられている請求項１記載の方法。
5. 前記寸法的に安定した第２のベース構造にスロットを設けるステップを更に有し、少なくとも１つの穴あけツールは、前記スロットを介して、ターゲットの穴あけ作業を実行する請求項１記載の方法。
6. 穴あけツール動作部品を準備するステップと、
   前記穴あけツール動作部品を前記寸法的に安定した第２のベース構造に取り付けるステップとを更に有する請求項１記載の方法。
7. 前記第１のベース構造に第２のベース構造を接続するステップは、比較的短い剛性ループを実現するステップを含む請求項１記載の方法。
8. 前記比較的短い剛性ループは、約８００ｍｍから約１５００ｍｍの範囲内である請求項７記載の方法。
9. ターゲットを加工するためのターゲット加工システムにおいて、
   寸法的に安定した第１のベース構造と、
   前記第１のベース構造に機械的に接続され、デカルト座標系の第１の軸に沿ってターゲットを搬送するパネルステージと、
   前記第１のベース構造に機械的に接続され、前記パネルステージ及び１つのターゲットを収容するよう寸法決めされたトンネルを含む寸法的に安定した第２のベース構造と、
   前記第２のベース構造に機械的に接続され、前記第２のベース構造の上面に実質的に平行な平面内にある前記デカルト座標系の第１及び第２の軸のうち、前記デカルト座標系の第２の軸に沿ってツールを移動させるツールステージと、
   前記ツールステージによって搬送され、前記パネルステージによって搬送されるターゲットを加工するツールとを備えるターゲット加工システム。
10. 前記寸法的に安定した第１のベース構造及び前記寸法的に安定した第２のベース構造の固有振動数は、１００Ｈｚから１５０Ｈｚの範囲内にある請求項９記載のターゲット加工システム。
11. 前記第２のベース構造に開設され、前記第２のベース構造の上面を前記トンネルに接続する第１のスロットを更に備え、
    前記ツールは、前記第１のスロットを介して、前記ターゲットを加工する請求項９記載のターゲット加工システム。
12. 前記第２のベース構造に開設され、前記第２のベース構造の上面を前記トンネルに接続する第２のスロットと、
    前記第２のベース構造に取り付けられ、前記デカルト座標系の第２の軸に沿って、第２のツールを動かす第２のツールステージと、
    前記第２のベース構造に取り付けられ、前記デカルト座標系の第２の軸に沿って、第３のツールを動かす第３のツールステージと、
    前記第２のベース構造に取り付けられ、前記デカルト座標系の第２の軸に沿って、第４のツールを動かす第４のツールステージとを更に備え、
    前記第１のツール及び前記第２のツールは、前記第１のスロットを介して前記ターゲットを加工し、
    前記第３のツール及び前記第４のツールは、前記第２のスロットを介して前記ターゲットを加工する請求項１１記載のターゲット加工システム。
13. 前記ツールステージによって搬送され、前記デカルト座標系の第３の軸に沿ってツールを動かすツールサブステージを更に備える請求項９記載のターゲット加工システム。
14. 前記第１のベース構造及び前記第２のベース構造は、材料の固体ブロックから形成される請求項９記載のターゲット加工システム。
15. ツールのための動作部品であって、前記第２のベース構造によって支持される動作部品を更に備える請求項９記載のターゲット加工システム。
16. 前記ツールは、対物レンズを有し、レーザビーム伝播パスに沿って伝播するレーザビームをターゲットに方向付けるレーザビーム方向付けアセンブリを含み、前記部品は、レーザ発生器を含む請求項９記載のターゲット加工システム。
17. 前記対物レンズは、中心線を有し、前記ツールステージは、重心を有し、
    前記対物レンズの中心線は、前記ツールステージの重心に揃えられている請求項１６記載のターゲット加工システム。
18. 前記パネルステージは、モータ及び重心を有する可動部分を含み、前記パネルステージのモータは、前記重心を介して前記可動部分を駆動し、
    前記ツールステージは、モータを含み、前記ツールステージのモータは、前記重心を介してツールステージを駆動する請求項１７記載のターゲット加工システム。
19. 前記パネルステージは、重心に揃えられた剛心を有し、
    前記ツールステージは、重心に揃えられた剛心を有する請求項１８記載のターゲット加工システム。

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