KR100490932B1 - 피가공재를 처리하기 위한 레이저 가공기의 교정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

어떠한 정확성의 결핍도 소정의 구조물에서 매우 큰 틈을 유발하기 때문에, 레이저 빔(2)을 이용하여 피가공재(14)를 구조화하는 경우에는 큰 정밀도가 요구된다. 본 발명에 따른 방법은 렌즈(8) 앞에 위치되는 교정 판(3)을 측정하는 단계를 포함한다. 이를 위해, 교정 판(3)의 이미지는 렌즈(8), 편향 유닛 및 레이저 빔(2)을 통과시키는 미러(10)를 통해 카메라(11)상에 나타난다. 제어 유닛(13)은 표시 오류를 계산하고 메모리에 이들을 저장한다. 이후 레이저 빔(2)은 렌즈(8) 앞의 테스트 판상에 테스트 마크를 절단하기 위해 이용된다. 테스트 마크는 또한 렌즈(8), 편향 유닛(7) 및 빔 경로상에 위치하는 미러(10)를 통해 카메라(11)상에 나타난다. 계산된 표시 오류를 고려하는 동안 레이저 광원(4) 및 레이저 빔 형성 유닛(5, 6)에 의해 발생된 광학 시프트는 테스트 마크의 측정된 위치로부터 결정되고, 상기 시프트는 그후 저장되어 피가공재를 처리할 때 고려된다.

Description

피가공재를 처리하기 위한 레이저 가공기의 교정 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CALIBRATING A LASER PROCESSING MACHINE FOR PROCESSING WORKPIECE}

본 발명은 피가공재를 처리하기 위한 레이저 가공기를 교정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

레이저를 이용하는 피가공재 처리는 주로 정밀 기계 분야, 예컨대 레이저 직접 구조화(laser direct structuring), 레이저 드릴링, 레이저 핵융합(laser fusion), 레이저 납땜(laser soldering), 레이저 각인(laser inscription) 및 레이저 절단시에 그 중요성이 날로 증가하고 있다. 레이저 드릴링 및 배선 요소(인쇄 회로 기판 및 다중칩 모듈)를 구성함에 있어, 50㎛보다 작은 구조물 치수를 갖는 구멍 및 전도체 구조물을 제조하는 것이 가능하다. 20㎛의 전도체 트랙 구조물을 가지는 기본 형태는 이미 실현되었다. 이러한 구조물의 미세화에 있어 정확도는 매우 중요하다. 목표치는 10㎛보다 작은 치수를 갖는 구조물을 생산하는 것이다. 예비 성형된 사출-성형 부품 또는 기판 상에서의 연속적인 처리 단계, 예컨대 드릴링 및 구조화 단계에서, 부정확성은 여전히 현저히 감소되어야 한다. 그 이유는 이러한 부정확성이 구조물 치수를 결정하는데 크게 영향을 미치기 때문이다. 예컨대, 병렬로 작동하는 전도체 트랙을 신뢰할만 하게 절연하기 위해, 상응하는 큰 허용 오차를 고려할 필요가 있다. 이는 허용 오차가 전도체 트랙들 사이에 큰 간격을 유발하여 구조물 치수를 크게 만들기 때문이다.

독일 특허 공보 44 37 284호에서는 레이저 빔을 편향하기 위한 제어기를 교정하는 방법이 제시되어 있는데, 여기에서 감광 매체가 테스트 이미지를 발생시키기 위해 소정의 위치에서 레이저 빔에 조사되고, 그 후 별도의 장치에서 테스트 이미지로부터 발췌된 이미지의 개별 이미지를 디지털화하고, 이들로부터 레이저 빔을 편향시키는 제어기에 대한 보정 데이타가 결정된다. 테스트 이미지의 개별적인 측정은 시간이 소요되며 측정을 위한 별도의 장치를 필요로 한다. 더욱이, 이러한 방법에서는 전체적인 레이저 빔 장치만 교정되고, 개별 구성요소들은 세부적으로 교정되지 않는다.

미국 특허 제 4,584,455호에는 레이저 빔에 의해 피가공재를 처리하기 위한 장치가 개시되어 있는데, 상기 장치에는 가공 레이저 빔에 부가하여, 가시 영역과 겹쳐지는 레이저 빔이 제공되고, 상기 가시 영역 위의 위치에서 피가공재가 카메라에 의해 측정된다. 이와 같이 측정된 위치는 목표 위치와 비교되고, 목표 위치와 측정된 위치 사이의 차이를 고려하여 가공 레이저 빔이 제어된다. 이 경우에, 카메라의 시야는 피가공재의 일부만을 커버하고, 그 결과 피가공재의 다른 부분에서 반사되는 편차는 고려될 수 없다.

본 발명은 도면에서 도시된 예시적 실시예를 이용하여 더 세부적으로 설명된다.

도 1은 피가공재 또는 테스트 판의 측정 및/또는 구조화를 위한 레이저 가공기의 개략적인 구성을 도시한다.

도 2는 교정 판을 측정하기 위한 레이저 가공기의 개략적인 구성을 도시한다.

도 3은 피가공재의 구조화를 위한 레이저 가공기의 개략적인 구성을 도시한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 피가공재의 전체 영역에서 피가공재를 매우 정확하게 처리할 수 있는 레이저 가공기를 교정하는, 신속하고 재생 가능한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 제 1항에 따른 방법 및 청구항 제 6항에 따른 장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 경우에, 광학 이미징은 두개의 상호 분리된 연속적인 방법 단계로 특징지워진다. 이 경우에, 우선 레이저 빔 편향장치 및 대물 렌즈가 피가공재 대신에, 교정 판에 의해 먼저 측정된다. 교정 판은 대물렌즈 앞에 위치하고, 대물렌즈와 편향 장치에 의해 발생되는 교정 판의 이미지가 카메라에 의해 측정된다. 이 경우에, 카메라의 시야는 편향 장치의 제어 하에서 교정 판 위를 이동한다. 이에 의해 피가공재가 위치될 수 있는 전체 영역이 교정된다. 편향 장치 및 대물렌즈가 빔 경로에서 항상 함께 유지되기 때문에, 이러한 두 유닛에 의해 야기된 이미징 오류는 카메라로 분석되고 저장되어, 피가공재의 연속적인 처리 과정 동안 고려될 수 있다. 제 2단계에서, 레이저 빔을 발생시키는 구성 요소가 특정된다. 이를 위해, 레이저 광원에 의해 발생되고 레이저 빔 형성 장치에 의해 형성된 레이저 빔은 편향 장치를 통해 테스트 판 상에 소정의 패턴(테스트 마킹)을 기록한다. 후속적으로 이러한 테스트 마킹이 측정되고, 미리 결정된 편향 장치 및 대물렌즈의 이미지 오류를 고려하여, 레이저 광원 및 레이저 빔 형성 장치에 의해 야기된 광학 오프셋이 결정된다. 이 경우에, 광학 오프셋은 소정의 목표 위치와 테스트 마킹의 실제 위치 사이의 차이다. 이러한 광학 오프셋도 또한 저장되어서 피가공재의 연속적인 처리 공정 동안 고려된다. 청구항 제 2 항에 약술된 대로, 카메라가 편향 장치 및 대물렌즈를 통해 테스트 판을 측정한다면, 테스트 마킹을 측정하기 위한 특별한 장치없이 상기 방법이 수행된다.

교정 판 및/또는 테스트 판의 측정을 위한 광을 카메라 안으로 반사시키는 방식으로 레이저 빔을 형성하기 위한 장치와 편향 유닛 사이의 빔 경로에 레이저 광을 통과시키는 미러가 배열된다면, 상기 방법을 수행하기 위한 광학적 구성은 청구항 제 3항에 따라 특히 바람직하게 구성된다.

광학 이미지에 관한 피가공재의 영향은 청구항 제 4항에 따른 개선점에 의해 바람직하게 고려된다. 이를 위해, 피가공재에 배열된 기준점이 카메라에 의해 기록된 후, 측정된 피가공재의 영향(influence)이 저장되고 다음 처리 과정 동안 고려된다.

특히 피가공재의 비평면 영역을 구조화하기 위해 청구항 제 5항에 따른 방법을 이용하는 경우, 평면성 결여의 영향은 이전에 제공된 데이타에 의해 고려되어, 그 결과 예컨대 곡선형 기판이라도 레이저 가공기에 의해 기록될 수 있다.

청구항 제 6항에 따른 장치는 상기 방법 중 하나를 바람직하게 수행하기 위해 제공되고, 상기 장치는 상기 방법에서 요구되는 구성요소를 포함한다.

곡선형 피가공재를 처리하기 위해, 청구항 제 7항에 따른 장치가 유리하게 제공되는데, 여기서는 대물렌즈에 의한 이미징의 초점이 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치에 의한 피가공재의 대응하는 곡률에 적용되도록 구성된다.

이후, 레이저 빔(2)에 의해 피가공재(14) 안에 소정의 구조물을 기록하는 레이저 가공기(1)에 대해 설명한다. 이 경우에, 구조물은 드릴링, 융합, 납땜 또는 커팅에 의해 형성될 수도 있다. 레이저 빔(2)은 레이저 광원(4)에 의해 발생되고 레이저 빔(2)을 연장시키기 위한 장치(5)에 의해 연장된다. 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위하여, 편향 장치(7) 및 대물 렌즈(8)에 의해 레이저 빔이 -이 실시예에서는 곡선인- 피가공재(14) 상에 이미징되기 전에 모듈 장치(6)가 빔 경로 상에 후속적으로 배열된다. 이러한 경우, 예를 들면 서로 수직하게 배열된 두 개의 미러(도시되지 않음)가 편향 장치(7)에 제공되고, 미러가 피가공재(14)의 영역 위로 레이저 빔을 이동시켜서, 피가공재(14)의 전체 영역이 편향된 레이저 빔(9)에 의해 처리될 수 있다. 이 때, 레이저 빔을 연장시키기 위한 장치(5) 및 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화시키기 위한 장치(6)는 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치를 형성한다. 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)는 제어 장치(13)에 의해 제어된다. 결과적으로, 대물 렌즈(8) 하류의 레이저 빔(2)의 초점은 z-방향 즉, 레이저 빔(2)의 전파 방향으로 이동된다. 이러한 제어를 통해, 레이저 빔(2)의 초점은 피가공재(14)의 곡선형 구조에 적용될 수 있다. 편향 장치(7) 및 대물 렌즈(8)의 이미징 오류를 측정하기 위하여, 부분적으로 투명한 미러(10)가 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)와 편향 장치(7) 사이의 빔 경로에 배열된다. 예를 들면 이러한 미러(10)는 레이저 빔(2)을 통과시키고, 피가공재(14)의 방향으로부터 평가를 위한 제어 장치(13)에 연결된 카메라(11) 안으로 대물 렌즈(8) 및 편향 장치(7)를 통해 입사하는 광을 반사시킨다. 또한 본 실시예에서는 도시되지 않았지만, 미러(10)가 피가공재(14)의 방향으로부터 광을 통과시키고 피가공재(14)의 방향으로 레이저 빔(2)을 반사시키는 것도 가능하다.

이러한 레이저 가공기(1)를 교정하기 위한 방법에 대해 계속하여 설명한다. 도 2에 도시된 대로, 먼저, 패턴(예컨대 소정의 간격을 갖는 그리드)이 형성된 교정 판(3)이 미러(10)에 의해 대물 렌즈(8) 및 편향 장치(7)를 통과하여 카메라(11) 상에 이미지된다. 이러한 경우, 교정 판(3)의 이미지의 빔 경로(12)가 전체 교정 판(3) 위를 이동하는 방식으로, 제어 유닛(13)이 편향 장치(7)를 제어한다. 교정 판(3)의 마킹을 이용하여 빔 경로를 특정하고, 대물 렌즈(8), 편향 장치(7), 미러(10) 및 카메라(11)의 이미징 오류를 특정하는 것이 가능하다. 확인된 이미지 오류는 제어 장치(13)에 저장되고 피가공재(3)의 다음 처리 과정 동안 보정된다.

상기 방법의 제 2단계에서, 교정 판(3) 대신에, 예컨대 알루미늄으로 제조된 테스트 판(15)이 대물 렌즈의 앞에 위치된다. 그 후, 레이저 빔(2)이 편향 장치(7)의 소정의 제어에 의해 테스트 판(15) 상에 소정의 패턴(테스트 마킹)을 기록한다. 이러한 테스트 마킹의 위치는 교정 판의 이미지와 일치하는 빔 경로를 통해 미러(10)를 경유하여 카메라(11)에 의해 이미지화된다. 제어 장치(13)에 있어서, 이미 결정된 이미징 오류를 고려하여, 테스트 마킹의 구조화 과정동안 발생하는 광학적 오프셋이 결정되고 저장되며, 피가공재의 처리과정 동안 고려된다.

예컨대, 도 3에서 도시된 대로 곡선형 피가공재(14)를 처리하기 위하여, 피가공재(14)의 광학 이미징 특성 및/또는 기하학적 형상의 영향이 추가적으로 결정된다. 이를 위해, 피가공재(14) 상에 이미 존재하는 기준점이 대물 렌즈(8)와 편향 장치(7) 및 미러(10)를 통해 카메라(11) 상에 이미지화 된다. 이후, 제어 장치(13)에서, 피가공재에 대한 영향이 미리 결정된 이미지 오류와 광학 오프셋으로부터 결정된다. 그 후 상기 방법은 광학 경로(6)를 모듈화하기 위한 장치를 제어하기 위하여 동일한 피가공재에 대해 후속적으로 사용될 수 있고, 그 결과 레이저 빔(2)의 초점이 피가공재(14)의 표면에 최적으로 배향된다.

이러한 방법 및 장치는 또한 편향 장치(7)의 특히 미러에 대한 모터의 구동에 의해 야기된 오류를 고려한다.

Claims (7)

1. 레이저 광원(4), 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6), 상기 레이저 빔(2)용 편향 유닛(7), 및 대물렌즈(8)를 갖춘 피가공재(14) 처리용 레이저 가공기(1)로서,

   상기 피가공재(14) 대신에, 테스트 판(15)이 상기 대물 렌즈(8) 앞에 위치되고, 상기 편향 유닛(7)의 미리 예정된 구동에 의해 테스트 마킹이 상기 레이저 빔(2)에 의해 상기 테스트 판(15) 상에 기록되고, 상기 테스트 마킹의 위치가 측정되는

   레이저 가공기(1)를 교정하기 위한 방법에 있어서,

   상기 피가공재(14) 대신에, 상기 대물렌즈(8) 앞에 교정 판(3)을 위치시키는 단계와,

   상기 편향 유닛(7)의 제어에 따라 상기 교정 판(3) 위를 이동하는 카메라의 시야에 의해, 상기 카메라(11)가 상기 대물렌즈(8)와 상기 편향 유닛(7)에 의해 발생되는 상기 교정 판(3)의 이미지를 기록하는 단계와,

   상기 카메라(11)의 하류에 연결된 제어 유닛(13) 내의 이미지로부터 상기 편향 유닛(7), 상기 대물 렌즈(8), 및 상기 카메라(11)에 의해 야기된 이미징 오류를 결정하는 단계와,

   상기 이미징 오류를 고려한 상기 테스트 마킹의 측정 위치로부터 상기 레이저 광원(4)의 광학 오프셋 및 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)의 광학 오프셋을 결정하는 단계, 및

   상기 피가공재(14)를 처리하는 동안 상기 광학 오프셋 및 상기 이미징 오류를 저장하고 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 카메라(11)의 시야가 상기 편향 유닛(7)에 의해 상기 테스트 판(15) 위에서 이동되어, 상기 테스트 마킹의 위치가 측정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 교정 판(3)의 이미지는 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)와 상기 편향 유닛(7) 사이의 빔 경로에 배열되는 미러(10)에 의해 상기 카메라(11)쪽으로 전환되고, 상기 미러는 상기 레이저 빔을 통과시키고, 상기 카메라(11)가 상기 교정 판(3)을 기록하는 광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   처리되는 상기 피가공재(14) 중 하나에 배열된 기준점들이 상기 카메라(11)에 의해 기록되고,

   상기 제어 유닛(13)에서 상기 이미징 오류 및 상기 광학 오프셋를 고려하여 상기 이미징에 대한 피가공재의 영향이 결정되고 저장되어 상기 피가공재(14)를 처리하는 동안 고려되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 피가공재(14)의 비평면 영역을 구조화할 때 상기 레이저 빔(2)의 광학 경로가 상기 광학 경로 모듈화 장치(6)에 의해 변경되고, 상기 대물 렌즈(8)에 의한 이미징의 초점이 상기 피가공재(14)의 기하학적 형상에 따라 적용되는 방식으로 상기 광학 경로 모듈화 장치(6)가 상기 제어 장치(13)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 방법.
6. 레이저 광원(4),

   레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6),

   상기 레이저 빔(2)을 편향시키기 위한 편향 장치(7),

   피가공재(14)를 시각적으로 관찰하기 위한 카메라(11),

   상기 편향 장치(7), 상기 카메라(11) 및 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(6)를 제어하기 위한 제어 장치(13),

   상기 피가공재(14) 상에, 편향된 레이저 빔(2)을 포커싱시키기 위한 대물 렌즈(8),

   상기 빔 경로 내에 배열되어서 상기 레이저 빔을 상기 피가공재(14)의 방향으로 편향시키고 상기 피가공재(14)로부터 광을 상기 카메라(11)의 방향으로 편향시키는, 부분적으로 투명한 미러(10)를 포함하는, 특히 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 피가공재(14) 처리용 레이저 가공기(1)의 교정 장치에 있어서,

   상기 부분적으로 투명한 미러(10)는 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)와 상기 편향 장치(7) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)는 상기 레이저 빔(2)을 연장하기 위한 장치(5) 및 상기 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 교정 장치.