JP3605359B2 - 加工材料の加工のためのレーザ加工機械の較正のための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、加工材料の加工のためのレーザ加工機械の較正のための方法及び装置に関する。
【０００２】
レーザによる加工材料の加工は、とりわけマイクロ加工の領域で、例えばレーザ直接構造化、レーザ穿孔、レーザ溶解、レーザハンダ、レーザによる文字書き込み（Ｌａｓｅｒｂｅｓｃｈｒｉｆｔｅｎ）及びレーザ切断においてますます重要になっている。レーザ穿孔及び配線コンポーネント（プリント基板及びマルチチップモジュール）の構造化において、孔部及び導体路構造は構造寸法＜５０μｍで製造される。２０μｍの導体路構造を有するパターンが既にデモンストレートされている。これらの微細構造において精度は非常に大きな意味を持つ。設定目標は＜１０μｍである。相前後する加工ステップの際の、例えば予め形成される射出成形部材又は基板における穿孔及び構造化の際の不精確さはさらに低減されなければならない。なぜなら、この不精確さは大きく実現可能な構造寸法を決定し、例えばパラレルに延在する導体路を確実に分離するためには相応に大きなトレランスを考慮しなければならないからである。この相応に大きなトレランスはこの場合互いに導体路の大きな間隔をもたらし、それゆえ大きな構造寸法の原因となる。
【０００３】
ＤＥ４４３７２８４からレーザビームの偏向のための制御の較正の方法が公知であり、この方法では、受光媒体がレーザビームによって予め設定された位置においてテスト画像を発生するために照射され、次いで別個の装置においてこのテスト画像の部分画像のデジタル化された個別画像が作られ、これらからレーザビームの偏向のための制御に対する補正データがもとめられる。テスト画像の別個の測定は時間コストがかかり、測定のための別個の装置が必要とされ、さらにこの方法によってはレーザビーム装置全体が較正されるだけであり、個々のコンポーネントの詳細な較正は不可能である。
【０００４】
ＵＳ４５８４４５５からはレーザビームによって加工材料を加工するための機械が公知である。この機械は加工用レーザビームの他に、この加工用レーザビームに重畳されたレーザビームが可視領域において使用され、加工材料におけるこのレーザビームの位置がカメラによって測定される。この測定された位置は目標位置と比較され、この目標位置と測定された位置との差が考慮されるように加工用レーザビームが制御される。この場合、カメラは加工材料の一部分を含む視野だけを有し、この結果、この加工材料の他の部分に反映される偏差は考慮されない。
【０００５】
従って、本発明の課題は、全加工材料領域において加工材料の高精度の加工を保証するレーザ加工機械の較正のための迅速かつ再現可能な方法及び装置を提供することである。
【０００６】
上記課題は請求項１記載の方法及び請求項６記載の装置によって解決される。
【０００７】
本発明の方法では、光学的な結像の特徴が互いに別個のかつ相前後する２つの方法ステップによって的確に示される。この場合、まず最初に、較正プレートが加工材料の代わりに対物レンズの前に位置決めされ、対物レンズ及び偏向装置により発生される較正プレートの画像がカメラによって測定されることによって、レーザビームに対する偏向装置及び対物レンズが測定される。この場合、カメラの視野は偏向装置によって制御されて較正プレートに亘って移動する。これによって加工材料が占めうる全領域が較正される。偏向装置及び対物レンズが常に共にビーム路に留まっているので、これらの２つのユニットによって喚起される結像エラーがカメラにおいて分析され、格納され、さらに加工材料の後ほどの加工の際に考慮される。第２のステップでは、レーザビームを発生するコンポーネントの特徴が的確に示される。このためにレーザ源によって発生されレーザビーム形成装置によって形成されたレーザビームは偏向装置を介して予め設定されたパターン（テストマーキング）をテストプレートに書き込む。次いでこのテストマーキングが測定され、この結果、既にもとめられた偏向装置及び対物レンズの結像エラーを考慮することによってレーザ源及びレーザビーム形成装置により喚起される光学的なずれが推定される。この場合、この光学的なずれは、テストマーキングの予め設定された目標位置と実際位置との間の差である。この光学的なずれも格納され、加工材料の後ほどの処理の際に考慮される。この本発明の方法は、請求項２に有利なやり方において記述されているように、カメラが偏向ユニット及び対物レンズを介してテストプレートを測定するならば、テストマーキングを測定するための特別の装置なしで済む。
【０００８】
本発明の方法に対する光学的な構成は、請求項３に記載されたように、レーザ光に対して透過的なミラーがレーザビーム形成装置と偏向ユニットとの間のビーム路に配置され、このミラーが較正プレート及び／又はテストプレートの測定のために光をカメラへと反射するならば、とりわけ有利に構成される。
【０００９】
有利には、光学的結像に対する加工材料の影響が請求項４記載の実施形態によって考慮される。このために、加工材料上に配置された基準点がカメラによって撮影され、次いでこれらの測定された影響が格納され、後ほどの加工の際に考慮される。
【００１０】
とりわけ請求項５記載の方法の使用により加工材料の平坦ではない面を構造化する際にこの非平坦性の影響が予め供給されたデータによって考慮される。この結果、例えば湾曲した基板もレーザ加工機械によって書き込むことができる。
【００１１】
本発明の方法のうちの１つの有利な実施のために請求項６記載の装置が使用される。この装置には本発明の方法に必要な装置が存在する。
【００１２】
湾曲した加工材料の加工のために、請求項７記載の装置が有利には設けられ、光路を調整するための装置によって対物レンズによる結像の焦点が加工材料の相応の湾曲に適合される。
【００１３】
本発明を次に図面に記載の実施例に基づいて詳しく説明する。
【００１４】
図１は加工材料又はテストプレートの構造化及び／又は測定の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【００１５】
図２は較正プレートの測定の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【００１６】
図３は加工材料の構造化の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【００１７】
ここにはレーザ加工機械１が図示されており、このレーザ加工機械１においてレーザビーム２によって構造が加工材料１４に書き込まれる。この場合、この構造は穿孔、溶解、ハンダ又は切断によって形成される。レーザビーム２はレーザ源４によって発生され、レーザビーム２を大きくする（ａｕｆｗｅｉｔｅｎ）ための装置５によって大きくされる。このレーザビームが偏向装置７及び対物レンズ８によってこの例では湾曲した加工材料１４に結像される前に、このレーザビーム２の光路の調整のためにビーム路には続いてこの調整のための装置６が配置されている。この場合、偏向装置７には例えば２つの互いに垂直に配置された、ここには図示されていないミラーが設けられており、これらのミラーはレーザビームを加工材料１４の面に亘って移動させる。この結果、この偏向されたレーザビーム９によって加工材料１４の面全体が加工される。レーザビームを大きくするための装置５及びレーザビーム２の光路の調整のための装置６はこの場合レーザビーム２の形成装置を構成する。レーザビーム２の光路の調整のための装置６は制御装置１３によって制御される。これによって対物レンズ８によるレーザビーム２の焦点はＺ方向に、すなわちレーザビーム２の伝播方向にシフトされる。この制御によってレーザビーム２の焦点は加工材料１４の湾曲構造に適合される。偏向装置７及び対物レンズ８の結像エラーを測定するために、部分透過的なミラー１０が光路の調整のための装置６と偏向装置７との間のビーム路に配置されている。このミラー１０は例えばレーザビーム２に対して透過的であり、対物レンズ８及び偏向装置７を通過して加工材料１４の方向から来る光をカメラ１１に反射する。このカメラ１１も同様に評価のために制御装置１３に接続されている。同様にこのミラー１０が加工材料１４の方向から来る光に対して透過的でありかつレーザビーム２を加工材料１４の方向に反射する可能な実施形態はここには図示されてはいない。
【００１８】
レーザ加工機械１の較正のための本発明の方法は次のように行われる。図２に図示されているように、まず最初に較正プレート３上に存在するパターン（例えば所定の格子間隔を有する格子）を有するこの較正プレート３が対物レンズ８及び偏向装置７によってミラー１０を介してカメラ１１に結像される。この場合、較正プレート３の結像のビーム路１２がこの較正プレート１３全体に亘って移動するように、制御ユニット１３はこの偏向装置７を制御する。較正プレート３のこれらのマーキングに基づいてビーム路が、従って対物レンズ８、偏向装置７、ミラー１０ならびにカメラ１１の結像エラーの特徴が的確に示される。識別された結像エラーは制御装置１３に格納され、加工材料３の後続の加工において補償される。
【００１９】
本発明の方法の第２のステップにおいて、較正プレート３の代わりに例えばアルミニウムから成るテストプレート１５が対物レンズ８の前に位置決めされる。レーザビーム２が次いで偏向装置７の所定の制御を介して予め設定されたパターン（テストマーキング）をこのテストプレート１５に書き込む。このテストマーキングの位置が、次に較正プレートの結像のビーム路を介して相応にミラー１０を介してカメラ１１に結像される。制御装置１３において既に検出された結像エラーを考慮することによってこのテストマーキングの構造化の際に発生した光学的なずれがもとめられ、格納され、加工材料のマウントの際に考慮される。
【００２０】
図３に図示されているように、例えば湾曲した加工材料１４の加工のためには、付加的にこの加工材料１４の幾何学的形状及び／又は光学的結像特性の影響が検出される。このために、既にこの加工材料１４上に存在する基準点が対物レンズ８及び偏向装置７ならびにミラー１０を介してカメラ１１に結像される。制御装置１３において、次に、既に予め検出された結像エラー及び光学的なずれから加工材料の影響がもとめられる。続いて、この方法は、レーザビーム２の焦点が最適にこの加工材料１４の表面に配向されるように光路を調整するための装置６を制御するために、同様の加工材料に対して利用される。
【００２１】
本発明のこの方法及び装置によって、とりわけ偏向装置７のミラーに対するモータの制御によって喚起されるエラーも考慮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工材料又はテストプレートの構造化及び／又は測定の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【図２】較正プレートの測定の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【図３】加工材料の構造化の際のレーザ加工機械の概略的な構成を示す。
【符号の説明】
１ レーザ加工機械
２ レーザビーム
３ 較正プレート
４ レーザ源
５ レーザビームを大きくするための装置
６ ビーム路の調整のための装置
７ 偏向装置
８ 対物レンズ
９ 偏向されたレーザビーム
１０ 部分透過的なミラー
１１ カメラ
１２ 較正プレートの結像のビーム路
１３ 制御装置
１４ 加工材料
１５ テストプレート

Claims (7)

1. 加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための方法であって、前記レーザ加工機械（１）はレーザ源（４）を有し、レーザビーム（２）を形成するための装置（５，６）を有し、前記レーザビーム（２）のための偏向ユニット（７）を有し、さらに対物レンズ（８）を有し、
   テストプレート（１５）が前記加工材料（１４）の代わりに前記対物レンズ（８）の前に位置決めされ、
   前記偏向ユニット（７）の予め設定された制御によって前記レーザビーム（２）によりテストマーキングが前記テストプレート（１５）に書き込まれ、
   前記テストマーキングの位置が測定される、加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための方法において、
   較正プレート（３）は加工すべき前記加工材料（１４）の代わりに前記対物レンズ（８）の前に位置決めされ、カメラ（１１）は前記対物レンズ（８）及び前記偏向ユニット（７）によって発生される前記較正プレート（３）の像を撮影し、該像において前記カメラ（１１）の視野は前記偏向ユニット（７）によって制御されて前記較正プレート（３）に亘って移動し、
   前記カメラ（１１）に後置接続された制御ユニット（１３）において前記像から前記偏向ユニット（７）、前記対物レンズ（８）及び前記カメラ（１１）によって喚起される結像エラーが検出され、
   前記テストマーキングの測定された位置から前記結像エラーを考慮することによって前記レーザ源（４）及び前記レーザビーム（２）を形成するための前記装置（５，６）の光学的なずれが検出され、
   さらに該光学的なずれ及び前記結像エラーが格納され、前記加工材料（１４）の加工の際に補償されることを特徴とする、加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための方法。
2. カメラ（１１）の視野は偏向ユニット（７）によってテストプレート（１５）に亘って移動し、テストマーキングの位置が測定されることを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工機械（１）の較正のための方法。
3. 較正プレート（３）の結像は、レーザビーム（２）を形成するための装置（５，６）と偏向ユニット（７）との間のビーム路に配置された、レーザ光に対して透過的でありかつカメラ（１１）が前記較正プレート（３）を撮影するための光に対しては反射的なミラー（１０）によって、前記カメラ（１１）へと向けられることを特徴とする、請求項１又は２記載のレーザ加工機械（１）の較正のための方法。
4. カメラ（１１）によって加工すべき加工材料（１４）に配置された基準点が撮影され、
   制御ユニット（１３）において結像エラー及び光学的なずれを考慮することによって結像に対する加工材料の影響が検出され、格納され、前記加工材料（１４）の加工の際に考慮されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載のレーザ加工機械（１）の較正のための方法。
5. レーザビーム（２）の光路は、制御装置（１３）によって制御される前記光路の調整のための装置（６）によって変化されて、対物レンズ（８）による結像の焦点が加工材料（１４）の幾何学的形状に相応に適合されることを特徴とする、前記加工材料（１４）の平坦ではない面の構造化のためのデータの供給のための請求項４記載のレーザ加工機械（１）の較正のための方法。
6. 請求項１〜５のうちの１項記載の方法を実施するための、加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための装置であって、
   レーザ源（４）を有し、
   レーザビーム（２）を形成するための装置（５，６）を有し、
   前記レーザビーム（２）に対する偏向装置（７）を有し、
   前記加工材料（１４）の視覚的観察のためのカメラ（１１）を有し、
   前記偏向装置（７）、前記カメラ（１１）及び前記レーザビーム（２）を形成するための前記装置（５，６）に対する制御装置（１３）を有し、
   前記加工材料（１４）に偏向された前記レーザビーム（２）を集束させるための対物レンズ（８）を有し、
   前記加工材料（１４）の方向に前記レーザビームを向けかつ前記加工材料（１４）からの光を前記カメラ（１１）の方向に向ける、ビーム路にある部分透過的なミラー（１０）を有する、請求項１〜５のうちの１項記載の方法を実施するための、加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための装置において、
   前記部分透過的なミラー（１０）は前記レーザビーム（２）を形成するための前記装置（５，６）と前記偏向装置（７）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の方法を実施するための、加工材料（１４）の加工のためのレーザ加工機械（１）の較正のための装置。
7. レーザビーム（２）を形成するための装置（５，６）は前記レーザビーム（２）を大きくするための装置（５）及び前記レーザビーム（２）の光路の調整のための装置（６）を含むことを特徴とする、請求項６記載のレーザ加工機械（１）の較正のための装置。

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