JP3846957B2 - プリント基板ダイレクト描画装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光硬化性のラミネートフィルムを張り付けた基板にレーザビームを照射して露光させ、基板上に配線パターンを形成するプリント基板のダイレクト描画装置に関し、特に本発明は直線部分あるいは曲線部分に関係なく感光部の線幅を均一に作成することができるプリント基板ダイレクト描画装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プリント基板の作成方法としては、フォトマスクを作成してこれを光硬化性のラミネートフィルムを貼り付けた基板に合わせ、紫外線ランプ等を使って紫外線を含む光（以下、ＵＶ光という）を一面に照射して露光を行う方法が知られている。
この方法により両面基板に回路パターンを形成する場合は、次のように行われる。
【０００３】
▲１▼ 銅等の導電金属材料でできた薄膜を基板の両面に均一に付着させ、電子部品等を取り付けるための貫通穴と、基板の表面と裏面のある特定の回路パターンに導通性を持たせるための貫通穴を開ける。
▲２▼ その基板上にＵＶ（紫外線）光硬化フィルムを基板の表、裏両面に均一に付着させ、さらに基板の表面には表面用のフォトマスクフィルムを、裏面には裏面用のフォトマスクフィルムを貼り付ける。
▲３▼ ＵＶ光を照射してフォトマスクフィルムに形成されている回路パターンを基板の両面それぞれに露光焼付する。
▲４▼ 露光処理した基板をエッチング処理して未露光部分の導電性金属材料を除去する。
▲５▼ 化学処理により光硬化したフィルムを除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の方法を用いる場合には、１枚もしくは少数のプリント基板の作成においても必ずフォトマスクを作成する必要があり、そのあとこれを基板に貼り付け露光する工程をとるため、時間と費用を要することになる。すなわち従来の方法は次のような欠点がある。
【０００５】
（イ）フォトマスクフィルムを自社で製作することのできない基板メーカにおけるフォトマスクフィルムの製作は自社外の製作会社に製作依頼しなければならず、その場合の製作時間は最低でも約一日必要であり、この時間をさらに短縮することは困難である。
（ロ）製作されたフォトマスクフィルムの検査に要する時間、工数の負担が大きい。
（ハ）フォトマスクフィルムの伸縮を防止するために、フォトマスクフィルムの保管場所の温度、湿度管理が必要であり、設備の整備、手間がかかる。
（ニ）フォトマスクフィルムにゴミや傷が付かないように保護しなければならず、管理上の負担が大きい。
（ホ）基板上にフォトマスクフィルムを貼り付ける時、基板に開けられている多数の穴とフォトマスクフィルムに印刷されている多数の穴とを、人手により精密に重ね合す必要があり、熟練した技術が要求され、工数の負担も大きい。
【０００６】
そこで上記したフォトマスクを作成する工程と、ラミネートフィルムを貼り付けた基板に上記フォトマスクを合わせ、紫外線ランプ等を使って一面に照射して露光を行う工程とを一工程で処理する方法が要望されている。
そのため、例えば、ＵＶ光を照射する出射端を設け、該出射端を上記ＵＶ光硬化フィルムを貼り付けた基板上で配線パターンに沿って移動させ、配線パターン部分を露光する方法が考えられる。
この場合には、フォトマスクを使用したときと同等の精度をもつ成果物を作成することが条件となる。つまり、基板上に、フォトマスクを使用した場合に得られる線幅と同等の線幅で均一に描画するとともに、露光領域のエッジ部分をシャープに露光することが必要となる。
【０００７】
本発明は、上述した点に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、フォトマスクフィルム等を使用せずに基板上に回路パターンを形成することができ、また、基板上に配線パターンを所定の線幅で均一に描画でき、フォトマスクを使用したときと同等の成果物を作成することが可能なプリント基板ダイレクト描画装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
導電性金属材料の上に光の照射によって硬化するフィルムを貼り付けた基板を載置・固定する描画テーブルと、紫外線を含む光を出射する光源と、該光源から出射する光の出力強度を調整する光強度変調器と、上記光強度変調器が出射する光が入射し、該光を導光する光ファイバと、上記光ファイバの出射光を前記基板に対して略垂直に照射せしめる照射部と上記照射部を基板に対して略垂直方向に移動せしめる移動機構と、照射径を調整するため上記照射部を基板に対して略垂直方向に移動せしめる移動機構とを具備した描画ヘッドと、上記描画ヘッドに取り付けられ、上記基板までの距離および描画テーブルまでの距離を測定するセンサと、上記センサにより測定された基板上の各ＸＹ座標値における基板の高さ分布を示す高さ分布データを記憶したメモリと、上記描画ヘッドを上記描画テーブルに略平行にＸ方向およびＹ方向に移動させる移動機構と、上記移動機構により描画ヘッドを基板上で配線パターンに沿って移動させる制御手段とを設ける。
上記制御手段は、前記センサで測定した基板までの距離に応じて上記描画ヘッドを基板に対して略垂直方向に移動させ、上記基板上の照射径が略一定になるように制御する。
【０００９】
そして、制御手段により、上述したように上記照射部を基板に対して垂直方向に移動させ基板上の照射径を制御するとともに、上記描画ヘッドの移動速度と前記光強度変調器の出射光の出力強度とを同期させ、上記基板上に張りつけたフィルムの感光量が均一となるように制御する。
すなわち、描画ヘッドが加速している期間は、光強度変調器により光強度を上記描画ヘッドの速度に応じて上昇させ、描画ヘッドの加速が終了すると光強度が１００％になるように制御する。また、描画ヘッドが定速で移動している期間は光強度を一定に保ち、描画ヘッドが減速している間は、描画ヘッドの速度に応じて光強度を１００％から減少させ減速が終了し、ヘッドが停止したとき光強度が０％になるように同期制御する。
以上のような制御を行うことにより、直線部分、曲線部分に関係なく基板に貼り付けたフィルムの感光量および感光部の線幅を均一にすることができ、フォトマスクを使用した場合と同等の寸法精度のよい成果物を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を説明する。
図１は本発明によるプリント基板ダイレクト自動描画装置の一実施例の外観斜視図である。図１において、１は本実施例の描画装置本体であり、描画装置本体１の両側面にＹレール１８が設けられており、そのＹレール１８を跨ぐようにＸビーム１９が設けられている。Ｘビーム１９は、Ｙレール１８上に移動可能に取り付けられており、Ｘビーム１９の両側にはＸビーム１９の駆動用のＹ軸駆動部６が設けられている。
【００１３】
また、Ｘビーム１９にはＸレール１７が設けられ、Ｘ軸駆動部５により駆動される描画ヘッド２が、Ｘレール１７上を移動可能に取り付けられている。
このため、Ｙ軸駆動部６によりＸビーム１９を駆動することにより、描画ベッド２をＹ軸方向に移動させ、また、上記Ｘ軸駆動部５により描画ヘッド２を駆動することにより、描画ヘッド２をＸ軸方向に移動させることができる。
一方、描画テーブル３が描画装置本体１の描画ヘッド２と対向するように設置されており、描画テーブル３には予め基板４を吸着固定するための小さい吸着穴２１が無数に開けられている。上記吸着穴２１は図示しないチューブ等を介して吸着装置７に接続されており、描画装置本体１の内部に設置された吸着装置７で負圧を形成することにより、描画テーブル３上に置かれた基板４を吸着・固定する。
【００１４】
描画装置本体１の内部には、プリント基板ＣＡＤ１４から送られてくる配線パターンデータに従い、描画ヘッド２を自動制御動作させるための制御装置８が設けられている。
さらに、ＵＶ（紫外線）波長光（以下ＵＶ光という）を射出するレーザ発振装置９およびレーザ発振装置９の出力強度を変調する光強度変調器１０が描画装置本体１の内部に設置されている。レーザ発振装置９の出力強度を変調する手段としては、例えば、ＡＯＭ（音響ー光学光強度変調器）等を使用することができる。
【００１５】
描画ヘッド２には、レーザ発振装置９から射出されたＵＶ光２２が基板４に対して略垂直に照射されるように、所定の焦点距離を持った集光レンズを備えたプロジェクタ１１が設けられている。
また、描画ヘッド２が自由に動けるように光ファイバケーブルＬＦが、描画ヘッド２と光強度変調器１０の間に接続されており、光ファイバケーブルＬＦの一方端の端面が、光強度変調器１０のレーザ光出射端１２に接続され、光ファイバケーブルＬＦの他方端の端面に、上記描画ヘッド２に設けられた集光レンズ１１の光入力部１３に接続されている。
【００１６】
図２は上記描画ヘッドの構成の一例を示す図である。描画ヘッド２には同図に示すようにステッピングモータ２ａが設けられており、ステッピングモータ２ａの回転軸に取り付けられたボールネジ２ｂに、プロジェクタ１１が取り付けられたナット２ｃが係合している。このため、ステッピングモータ２ａが回転すると、プロジェクタ１１は同図に示すＺ軸方向に移動する。なお、同図では、ボールネジ２ｂとナット２ｃを使用してプロジェクタ１１をＺ軸方向に移動させる場合を示しているが、ラックとピニオンを使用してもよい。また、駆動手段として、ステッピングモータに換え、ＤＣモータ等を用いてもよい。
【００１７】
また、描画ヘッド２には基板４との距離を測定するためのＬＥＤを用いた光変位センサ（以下、ＬＥＤセンサという）２ｄと、基板４上に印されたマークを観察するためのルーペ２ｅが設けられている。また、上記プロジェクタ１１の光軸とＬＥＤセンサ２ｄ、ルーペ２ｅの光軸は同図に示すようにそれぞれ距離Ｅ，Ｆだけオフセットしているが、このオフセット量は後述するようにデータ処理において補正される。
【００１８】
図３は本実施例において使用される基板を示す図である。基板４には同図に示すように予め銅等の導電金属材料１６が付着されており、その上にＵＶ光硬化フィルム１５が均一に付着されている。
【００１９】
図４は本実施例の制御装置の構成を示す図である。
同図において、９は前記したレーザ発振装置、１０は強度変調器、ＬＦは光ファイバ、１４は前記したプリント基板ＣＡＤであり、プリント基板ＣＡＤ１４はプリント基板の配線パターンデータを作成し、基板上の配線パターン形成位置を示すＸ，Ｙ座標を出力する。
プリント基板ＣＡＤ１４の出力はデータコンバータ３１に与えられ、データコンバータ３１はプリント基板ＣＡＤ１４の出力をプロジェクタ１１のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の位置制御信号に変換する。
【００２０】
データコンバータ３１の出力は描画制御部３２に与えられ、描画制御部３２は上記データコンバータ３１の出力に応じてＸＹ軸移動制御回路３５、Ｚ軸移動制御回路３７を介してＸＹ軸移動機構３６、Ｚ軸移動機構３８を駆動してプロジェクタ１１の位置を制御する。また、後述するように露光線幅、プロジェクタ１１の移動速度等に応じて光強度制御回路３３を介して光強度変調器１０を制御してＵＶ光の強度を制御する。
さらに、描画ヘッド２に取り付けられたＬＥＤセンサ２ｄにより測定された描画ヘッド２と描画テーブルとの距離データ、描画ヘッド２と基板４との距離データが描画制御部３２に送られる。描画制御部３２は描画ヘッド２と基板４との距離データに基づき、後述するように基板４の高さ分布データを作成し、作成された高さ分布データに基づきプロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を制御する。
【００２１】
以下、本発明の実施例における配線パターンの描画処理について説明する。
（ａ）基板４を描画テーブル３上に載置しない状態で、予め描画ヘッド２を描画テーブル３上で移動させ、描画テーブル３から描画ヘッド２までの高さを描画ヘッド２に取り付けたＬＥＤセンサ２ｄで測定する。そして、所定の仕様を満足するように描画テーブル３をセッティングする。
【００２２】
（ｂ）前記図３に示したラミネートフィルムを貼り付けた基板４を描画テーブル３上の固定ピン（図示せず）に固定させる。ついで、吸着装置７から真空を供給して基板４を描画テーブル３に吸着させる。その際、描画テーブル３上の基板４が無い部分をシート等で覆っておくことにより、基板４がない部分の吸着穴２１から空気が流入することを防止することができ、基板４を確実に描画テーブル３に吸着させることができる。
なお、基板４には図３に示したようにＵＶ光硬化フィルム１５が付着しているので、基板４には通常若干の反りが生じる（最大数ｍｍ程度）。このため、基板４の厚さ（通常１，６ｍｍ程度）が一定であっても、上記のように基板４を吸着したとき基板４の表面は必ずしも描画テーブル３の表面と平行にはならない。
そこで、基板４の最大高さが図５（ａ）に示すように所定の仕様（例えば０．３ｍｍ）を満足するように、基板４の取り付けを調整する。
【００２３】
（ｃ）描画ヘッド２を基板４上で移動させ、図５（ｂ）に示すように基板４から描画ヘッド２までの高さを、描画ヘッド２に取り付けたＬＥＤセンサ２ｄで測定する。
測定された距離データは描画制御部３２に送られ、描画制御部３２は基板４上の各Ｘ，Ｙ座標値における基板４から描画ヘッド２までの高さを示す高さ分布データ（以下これを高さ分布マップという）を作成しメモリ３４に格納する。ここで、前記したようにＬＥＤセンサ２ｄとプロジェクタ１１の取り付け位置は距離Ｅだけ離れているので、描画制御部３２にはこのオフセット量Ｅに基づき測定された距離データを補正する。
【００２４】
（ｄ）基板４上に予め印されたマーク位置を描画ヘッド２に取り付けてあるルーペ２ｅで読み取る。読み取ったマーク位置データに基づき描画制御部３２は、基板４の取り付け角度および伸縮補正値を求め、メモリ３４に格納する。
【００２５】
（ｅ）描画制御部３２は描画ヘッド２を描画開始位置に移動させ、プリント基板ＣＡＤ１４が指示する線幅に相当する高さになるように描画ヘッド２のプロジェクタ１１をＺ軸方向に移動させる。その際、描画制御部３２はメモリ３４に格納されている前記高さ分布マップを参照して、基板４から描画ヘッド２までの高さを求め、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を制御する。
上記線幅は、プロジェクタ１１に設けられた集光レンズの焦点距離とプロジェクタ１１の出射径から２等辺三角形の相似を利用して、上記線幅に相当する照射径になるようにプロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を制御することにより、設定することができる。
【００２６】
ここで、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を、プロジェクタ１１の集光レンズの焦点位置が基板４上になるように設定すれば最もシャープな線を描画することができるが、プリント基板の露光処理においては、焦点位置が基板４上から０．±０．１〜０．５ｍｍ程度ずれても実用上支障がない。そこで、本実施例においては、プロジェクタ１１のＺ軸方向の距離を上記の範囲内で制御して所望の線幅のパターンを描画している。
なお、広い領域を露光する場合には、後述するように、焦点位置をさらにずらして線幅の太い線で露光を行ったのち、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を上記範囲内に制御してそのエッジ部分を再度露光する。
【００２７】
（ｆ）レーザ発振器９をオンしてレーザ光を出射させるとともに、描画ヘッド２の移動を開始する。レーザ光は、光強度変調器１０、光ファイバＬＦを介して描画ヘッド２のプロジェクタ１１に導光されプロジェクタ１１から出射し、基板４上に照射される。描画制御部３２はデータコンバータ３１の出力に基づき描画ヘッド２のＸ，Ｙ軸方向の位置を制御し、基板４上に所定の配線パターンを描画する。その際、前記ルーペ２ｅで読み取ったマーク位置データから求めた基板４の取り付け角度および伸縮補正値に基づき、描画ヘッド２のＸ，Ｙ座標値を補正する。
【００２８】
また、描画制御部３２は光強度制御回路３３により光強度変調器１０を制御して、描画ヘッド２の移動速度とＵＶ光の出力強度を比例させるように制御する。すなわち、図６に示すように描画ヘッド２の移動速度が遅いときにはＵＶ光の強度を下げ、描画ヘッド２の移動速度が速いときにはＵＶ光の強度を上げる。これにより、描画ヘッド２の移動速度にかかわらず基板４への照射量を一定にすることができる。
【００２９】
（ｇ）また、描画制御部３２は前記した基板４の高さ分布マップを参照して、上記描画ヘッド２のＸ−Ｙ移動に同期させてプロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を微調する。
すなわち、図７に示すように、基板面が高くなると、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を上昇させ、基板４とプロジェクタ１１の距離を一定に保つ。
このような制御を行うことにより基板の厚みのバラツキや板面の平面度のバラツキに対してもまた直線や曲線描画でも線幅が均一な精度の結果を得ることができる。
【００３０】
（ｈ）基板４上の広い領域を露光する場合には、前記したようにプロジェクタ１１をＺ軸方向に移動させて焦点位置をずらして線幅の太い線で露光を行ったのち、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を調整して、基板４上に焦点位置を合わせ、エッジ部分を再度露光する。
例えば、図８（ａ）に示す領域を露光する場合には、同図（ｂ）に示すように領域をＡ〜Ｄの領域に分け、プロジェクタ１１と基板４の距離を太い線を描画できる距離Ｈｗに設定して、まず、各領域Ａ〜Ｄを線幅の広い線で露光する。その際、光強度変調器１０が出射するＵＶ光の強度を上げて、露光量が低下しないように制御する。
【００３１】
ついで、同図（ｃ）に示すように、プロジェクタ１１と基板４の距離を、基板４上にシャープな線が描画できる距離Ｈｎとし、ＵＶ光の強度を通常の強度に下げて、領域のエッジ部分をシャープな線で描画する。
上記のような露光をすることにより、エッジ部分をシャープに露光することができ、また、比較的広い領域を短時間に、かつ、一定の露光量で露光することができる。
【００３２】
（ｉ）以上のように配線パターンに沿って描画ヘッドを移動させ基板４にＵＶ光を照射することにより、基板４上の配線パターンが設けられる部分のＵＶ光硬化フィルム１５を硬化させる。
（ｊ）配線パターンに沿ってＵＶ光硬化フィルム１５を硬化させたのち、エッチング処理により、ＵＶ光が照射されなかった部分の導電金属材料１６等を除去し、さらに化学処理により硬化したＵＶ光硬化フィルム１５を除去する。これにより、基板４上に回路パターンが形成される。
【００３３】
なお、上記実施例では、ＬＥＤセンサ２ｄにより基板４の高さを測定して高さ分布マップを作成し、該高さ分布マップによりプロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を制御するようにしているが、基板の反りが少ない場合には、ＬＥＤセンサ２ｄにより描画テーブル３の高さを予め測定しておき、この高さから基板４の厚みを減算して基板面の高さを求め、プロジェクタ１１のＺ軸方向の位置を制御するようにしてもよい。
また、上記実施例では、ＵＶ光を放出する手段としてレーザ発振装置を用いる例を示したが、所望の強度の光出力が得られる場合には、紫外線ランプを用いた光源を使用してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、フォトマスクを作成する工程および露光する工程を一工程で行うことができるので、プリント基板の作成を短時間に行うことができるとともに、直線部分、曲線部分に関係なく基板に貼り付けたフィルムの感光量および感光部の線幅を均一にすることができ、フォトマスクを使用した場合と同等の寸法精度のよい成果物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のプリント基板ダイレクト描画装置の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施例の描画ヘッドの構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施例において使用されるプリント基板の一例を示す図である。
【図４】図４は本実施例の制御装置の構成を示す図である。
【図５】基板の反りおよび基板から描画ヘッドまでの距離測定を説明する図である。
【図６】描画ヘッドの移動速度とＵＶ光の強度との関係を示す図である。
【図７】線幅一定制御を説明する図である。
【図８】広い領域を露光する場合の露光方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 描画装置本体
２ 描画ヘッド
２ａ ステッピングモータ
２ｂ ボールネジ
２ｃ ナット係合
２ｄ ＬＥＤセンサ
２ｅ ルーペ
３ 描画テーブル
４ 基板
５ Ｘ軸駆動部
６ Ｙ軸駆動部
７ 吸着装置
８ 制御装置
９ レーザ発振装置
１０ 光強度変調器
１１ プロジェクタ
１２ レーザ射出面
１３ 光入力部
１４ プリント基板ＣＡＤ
１５ ＵＶ（紫外線）光硬化フィルム
１６ 導電金属材料
１７ Ｘレール
１８ Ｙレール
１９ Ｘビーム
２０ 操作パネル
２１ 吸着穴
２２ ＵＶ（紫外線）光
３１ データコンバータ
３２ 描画制御部
３３ 光強度制御回路
３４ メモリ
３５ ＸＹ軸移動制御回路
３６ ＸＹ軸移動機構
３７ Ｚ軸移動制御回路
３８ Ｚ軸移動機構
ＬＦ 光ファイバ

Claims (1)

1. 導電性金属材料の上に光の照射によって硬化するフィルムを貼り付けた基板を載置・固定する描画テーブルと、
   紫外線を含む光を出射する光源と、該光源から出射する光の出力強度を調整する光強度変調器と、
   上記光強度変調器が出射する光が入射し、該光を導光する光ファイバと、
   上記光ファイバの出射光を前記基板に対して略垂直に照射せしめる照射部と照射径を調整するため上記照射部を基板に対して略垂直方向に移動せしめる移動機構とを具備した描画ヘッドと、
   上記描画ヘッドに取り付けられ、上記基板までの距離および描画テーブルまでの距離を測定するセンサと、
   上記センサにより測定された基板上の各ＸＹ座標値における基板の高さ分布を示す高さ分布データを記憶したメモリと、
   上記描画ヘッドを上記描画テーブルに略平行にＸ方向およびＹ方向に移動させる移動機構と、
   上記移動機構により描画ヘッドを基板上で配線パターンに沿って移動させる制御手段とを備えたプリント基板ダイレクト描画装置であって、
   上記制御手段は、前記センサで測定した基板までの距離に応じて上記描画ヘッドを基板に対して略垂直方向に移動させ、前記センサで測定した基板の高さ分布データに基づき高さ方向の位置を微調して、上記基板上の照射径が略一定になるように制御するとともに、上記描画ヘッドの移動速度と前記光強度変調器の出射光の出力強度とを同期させることにより上記基板上に張りつけたフィルムの感光量を均一化する
   ことを特徴とするプリント基板ダイレクト描画装置。

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