KR19980086670A - 가공위치 보정장치 - Google Patents

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KR19980086670A
KR19980086670A KR1019980015444A KR19980015444A KR19980086670A KR 19980086670 A KR19980086670 A KR 19980086670A KR 1019980015444 A KR1019980015444 A KR 1019980015444A KR 19980015444 A KR19980015444 A KR 19980015444A KR 19980086670 A KR19980086670 A KR 19980086670A
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게이지 이소
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오자와 미또시
스미또모 쥬우끼가이 고우교 가부시끼가이샤
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Abstract

가공면 위에서 레이저광을 정밀하게 주사할 수 있는 레이저 가공장치에 적용되는 가공위치 보정장치에 있어서, 이 장치는 제어회로, 화상처리회로, 및 연산회로를 가지고 있다. 연산회로는 테스트 가공물의 상기 가공면 위에 제 1 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 제 1 목표점에 레이저광이 조사되도록 상기 레이저 가공장치의 테스트 가공을 수행시킨다. 화상처리회로는 상기 테스트 가공에 의해 형성된 복수의 가공완료점의 상(像)을 촬영함과 동시에, 가공완료점의 상기 복수의 제 1 목표점으로부터 위치가 어긋난 양을 각 점에 대하여 각각 계측하여 계측데이터로서 출력한다. 연산회로는 상기 계측데이터를 이용하여 제 1 핏치보다 작은 제 2 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 제 2 목표점을 상기 제 1 핏치간을 보간(補間)하는 형태로 산출하여 연산데이터를 출력한다.

Description

가공위치 보정장치
본 발명은 레이저 가공장치에 적용되며, 가공위치의 어긋남을 보정하기 위한 가공위치 보정장치에 관한 것이다.
전자장치, 예를 들면 휴대전화기, 디지털 비디오 카메라, 개인용 컴퓨터와 같은 장치에는 고밀도의 다층 배선 기판이 이용된다. 이러한 고밀도의 다층 배선기판을 제조할 때에는 내층과 외층의 기판간으로 신호선을 통과시키기 위해 비어홀(via hole)이라 불리우는 구멍을 각층의 매 기판마다 형성할 필요가 있다. 특히, 배선의 고밀도화를 달성하기 위해서는, 비어홀의 지름을 매우 작게 할 것이 요구된다.
상기와 같은 고밀도의 다층 배선기판은, 한 장의 모판으로부터, 이른바 적층에 의해 제작된다. 즉, 모판에 고밀도의 다층 배선 기판을 위한 소정크기의 가공영역이 복수개의 매트릭스 형상으로 설정된다. 그리고, 소정크기의 매 가공영역마다 미리 결정된 복수의 위치에 구멍을 형성하는 가공을 실시한다. 이러한 모판은 가공물(work)이라 한다.
미소한 지름의 구멍 형성 가공을 수행하는 장치로서, 최근들어, 레이저 가공장치가 많이 이용되고 있다.
이러한 구멍 형성 가공을 주목적으로 하는 레이저 가공장치는, X-Y 스테이지가 구비되어 있는 것이 일반적이다. X-Y 스테이지에는 가공물이 놓여지며, 상기 X-Y 스테이지는 가공물을 X축 방향, Y축 방향으로 수평이동시킬 수 있다. 상기 레이저 가공장치는, X-Y 스테이지를 통해 가공물을 이동시킴으로써 펄스형상의 레이저빔이 가공해야 할 위치를 변경시킨다. 이로 인해, X-Y 스테이지에 의한 위치포착에 시간이 소요되며, 가공속도에도 제한이 따른다. 편의상, 상기 레이저 가공장치를 제 1 장치라 부른다.
이에 대하여, 가공속도의 향상을 도모하기 위해, 레이저 빔을 X축 방향 및 Y축 방향으로 투사하는 레이저 가공장치가 제공되고 있다. 편의상, 상기 레이저 가공장치를 제 2 장치라 부른다. 제 2 장치는, 펄스형상의 레이저광을 가공면상에서 X축 및 Y축 방향으로 투사하기 위한 한 쌍의 전류 주사기(galvano-scanner)를 가지고 있다. 전류 주사기는, 주지된 바와 같이, 반사경과 이를 회동시키기 위한 구동기구로 이루어진다. 두 개의 반사경을 검류계(galvanometer)의 구동원리에 따라 독립회동시킴으로써 레이저광을 fθ 렌즈를 통해 가공물상의 원하는 복수의 위치에 연속적으로 조사할 수 있다.
여기서, 상기 전류 주사기에 의해 X축 및 Y축 방향으로 발사됨으로써 비스듬해진 레이저광은, fθ 렌즈에 의해 가공물의 가공영역에 대해 수직으로 조사된다. 가공영역의 크기는, 통상적으로 한 변이 50㎜ 정도인 정방형의 영역이다.
제 2 장치에서는, 가공물 위의 가공영역에 대해 레이저 광을 발사함으로써 가공을 수행한다. 가공영역에 대한 가공이 종료되면, X-Y 스테이지에 의해 가공영역이 fθ 렌즈의 수직하방에 위치하도록 가공물을 이동시킨다.
이와 같은 제 2 장치는 전류 주사기와 X-Y 스테이지의 조합에 의해 제 1 장치에 비해 가공속도의 향상을 도모할 수 있다.
그런데, 이와 같은 전류 주사기 및 fθ 렌즈의 조합에 의한 레이저 가공장치에는 2종류의 불가피한 광학적 왜곡이 있다.
제 1 광학 왜곡은 전류 주사기의 반사경의 제어각과 가공물위의 가공위치의 관계에서 발생되는 왜곡이다. 이는 핀 쿠션왜곡이라 불리운다.
제 2 광학 왜곡은, fθ 렌즈를 구성하고 있는 복수의 렌즈가 설계치에서 벗어남으로써 발생되는 왜곡이다. 이는 선형왜곡이라 불리운다.
실제 가공시에는 상기 제 1 및 제 2 왜곡이 서로 합성된 합성왜곡이 나타난다. 그리고, 이러한 합성왜곡에 의해 가공물위 가공영역의 가공점에서 위치가 어긋나는 상황이 발생한다.
이와 같이 위치가 어긋나는 것을 보정하기 위해, 종래에는 티칭(teaching)방식이라 불리우는 보정방식이 채용되어 왔다. 이 방식에서는, 본 가공과 동일한 테스트 가공을 실제로 실시한 후, 화상처리부를 이용하여 복수의 가공위치마다 위치어긋남이 발생하는 양을 계측한다. 이후, 본 가공시에는, 계측된 어긋남 양에 기초하여 매 가공위치마다 보정한다.
그러나, 이와 같은 티칭방식에 의한 보정에는 장시간이 요구된다. 가령, 1㎜ 핏치로 한 변이 50㎜인 정방형의 가공영역에 가공을 실시할 경우, 전체 어긋남 양을 계측하기 위해 1시간 정도의 시간이 필요하다.
더욱이, 상기 위치어긋남 양 뿐만 아니라 화상처리부에 의한 계측오차도 발생되기 때문에 20㎛ 정도까지의 보정 정밀도밖에 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명의 과제는 상기 제 2 장치에 의해 가공위치의 어긋남을 보정하기 위해 필요한 데이터를 고속으로 생성할 수 있는 가공위치 보정장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는, 레이저 가공장치가 고정밀도로 가공위치를 결정할 수 있도록 하는 가공위치 보정장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가공위치 보정장치가 적용되는 레이저 가공장치의 주요부를 나타낸 도면이다.
도 2는 전류 주사기에 의한 핀 쿠션왜곡을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 fθ 렌즈에 의한 선형왜곡을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 핀 쿠션왜곡 및 선형왜곡의 합성왜곡을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가공위치 보정장치를 나타내는 도면이다.
도 6a는 도 5에 도시된 가공위치 보정장치에 따른 가공위치의 어긋남에 대한 보정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 도 5에 도시된 가공위치 보정장치에 따른 가공위치의 어긋남에 대한 보정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6c는 도 5에 도시된 가공위치 보정장치에 따른 가공위치의 어긋남에 대한 보정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 가공위치 보정장치에 따른 가공위치의 어긋남에 대한 보정방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 레이저 가공장치 11 : 제 1 전류 주사기
12 : 제 2 전류 주사기 13 : fθ 렌즈
70 : 가공물 71 : 가공영역
111 : 구동기구 112 : 반사경
122 : 반사경
본 발명에 따르면, 가공면 위에서 레이저광을 정밀하게 주사할 수 있는 레이저 가공장치에 적용되며, 테스트 가공물의 상기 가공면위에 제 1 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 제 1 목표점에 레이저광이 조사되도록 가공 데이터를 가하여 상기 레이저 가공장치의 테스트 가공을 수행시키는 제어회로, 상기 테스트 가공에 의해 형성된 복수의 가공완료점의 상을 촬영함과 동시에, 상기 가공완료점의 상기 복수의 제 1 목표점으로부터 위치가 어긋난 양을 각 점에 대하여 각각 계측하여 계측데이터로서 출력하는 화상처리회로, 및 상기 계측데이터를 이용하여 상기 제 1 핏치보다 작은 제 2 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 보간점을 상기 제 1 핏치간을 보간하는 형태로 산출하여 연산데이터를 출력하는 연산회로를 가지는 것을 특징으로 하는 가공위치 보정장치가 얻어진다.
이하, 본 발명의 보다 용이한 이해를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 가공위치 보정장치가 적용되는 레이저 가공장치에 대하여 설명한다.
도 1에 있어서, 레이저 가공장치(10)에는 레이저 발진기(도시생략)로부터 출력된 펄스형상의 레이저광을 가공물(70)면 위에서 X축 및 Y축 방향으로 조사하기 위한 한 쌍의 전류 주사기(11 및 12)가 구비되어 있다. 제 1 전류 주사기(11)는, 잘 알려진 바와 같이, 반사경(112)과 이를 회동시키기 위한 구동기구(111)로 구성된다. 마찬가지로, 제 2 전류 주사기(12)는, 반사경(122)과 구동기구(121)로 구성된다. 두 개의 반사경(112 및 122)을 검류계의 구동원리에 따라 독립회동시킴으로써, fθ 렌즈(13)를 통해 레이저광을 가공물(70)위 원하는 복수의 위치에 연속적으로 조사할 수 있다.
여기서, 제 1 및 제 2 전류 주사기(11 및 12)에 의해 X 및 Y 방향으로 조사되어 비스듬히 경사진 레이저광은, fθ 렌즈(13)에 의해 가공물(70)의 가공영역(71)에 대해 수직으로 조사된다. 가공영역(71)의 크기는, 통상적으로 한 변이 50㎜ 정도인 정방형의 영역이다.
전류 주사기(11 및 12)는, 200 내지 800(Hz)의 구동주파수로 응답이 가능하다. 또한, 가공물(70)은 X-Y 스테이지 위에 놓여 있지만, 여기서는 X-Y 스테이지 및 그 구동 시스템에 대한 도시 및 설명은 생략한다. 또한, 전류 주사기의 상방에는, 렌즈 및 CCD 카메라에 의해 가공물(70)의 위치를 결정하는 정렬 시스템이 설치되어 있으나, 이에 대한 도시 및 설명 또한 생략한다.
레이저 가공장치(10)에서는, 가공물(70)상의 가공영역(71)에 대해 레이저광을 발사함으로써 가공한다. 가공영역(71)에 대한 가공이 종료되면, X-Y 스테이지는 fθ 렌즈(13)의 수직하방에 다음 가공영역이 위치하도록 가공물(70)을 이동시킨다.
이러한 제 2 장치는 제 1 및 제 2 전류 주사기(11 및 12)와 X-Y 스테이지의 조합에 의해 가공속도가 빠르다.
이와 같은 전류 주사기 및 fθ 렌즈의 조합에 의해 구성된 레이저 가공장치는, 핀 쿠션왜곡 및 선형왜곡을 회피할 수 없다.
도 2를 참조하면, 핀 쿠션왜곡은 전류 주사기(11 및 12)에 있는 반사경(112 및 122)의 제어각과 가공물(70)의 가공위치의 관계에서 발생되는 왜곡이다.
도 3을 참조하면, 선형왜곡은 fθ 렌즈(13)를 구성하는 복수의 렌즈, 예를 들면 렌즈(131,132, 및 133)가 설계치에서 벗어남으로써 생기는 왜곡이다.
실제 가공시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 왜곡이 서로 합성된 합성왜곡이 나타난다. 그리고, 이와 같은 합성왜곡에 의해 가공물(70)상의 가공영역(71)의 가공점에서 위치가 어긋나는 상황이 발생한다.
본 발명은 실제 가공시가 아닌 실제 가공을 실시하기 이전에, 테스트 가공, 가령 에폭시수지나 폴리이미드 등의 가공물에 대하여 테스트 가공을 실시한 상태에서 단 1회 실행된다. 레이저 발진기로는 탄산가스 레이저 발진기, YAG 레이저 발진기, YAG 고주파 레이저 발진기, 또는 엑시머 레이저 발진기 등이 사용된다.
도 5를 참조하면, 가공위치 보정장치(20)는 도 1에 도시된 레이저 가공장치(10)에 적용되며, 제어회로(21), 화상처리회로(22) 및 연산회로(23)를 가진다. 제어회로(21)는 테스트 가공물(70')의 가공면 위에 제 1 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 제 1 목표점에 레이저광이 조사되도록 가공 데이터를 가하여 레이저 가공장치(10)의 테스트 가공을 수행시킨다. 화상처리회로(22)는 테스트 가공에 의해 형성된 복수의 가공완료점의 상을 촬영하며, 가공완료점의 복수의 제 1 목표점으로부터 위치가 어긋난 양을 각 점에 대해 각각 계측하여 계측데이터로서 출력한다. 연산회로(23)는 계측데이터를 이용하여 제 1 핏치보다 작은 제 2 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 보간점을 제 1 핏치간을 보간하는 형태로 산출하여 연산 데이터를 출력한다. 제어회로(21)는 또한, 연산 데이터에 기초하여 상기 가공 데이터를 보정하기 위한 보정 데이터 파일을 작성하고 레이저 가공장치(10)에 보정 데이터 파일에 의해 보정된 보정 가공 데이터를 가한다. 레이저 가공장치(10)는 보정된 가공 데이터를 이용하여 가공을 행한다. 그 결과, 상기 핀 쿠션왜곡 및 선형왜곡은 보정된다.
화상처리회로(22)에는 테스트 가공물에 대한 가공후 가공영역의 상을 촬영하는 촬상시스템(221)이 구비되어 있다.
또한, 제어회로(21), 화상처리회로(22) 및 연산처리부(23)의 일부분은, 개인용 컴퓨터로 하여도 좋다.
이하, 가공위치 보정장치(20)에 의해 위치가 어긋난 것을 보정하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
보정시에는, X-Y 스테이지상에 놓여진 테스트 가공물에 직경이 0.1㎜ 정도인 홀을 형성한다.
여기서, 제어회로(21)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 일정한 제 1 핏치(예를 들면 3㎜)로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 제 1 목표점이 가공되도록 레이저 가공장치(10)에 가공 데이터를 부여한다. 제 1 목표점, 즉 가공될 위치를 나타내는 데이터는 도시되지 않은 기억부에 기억된다. 테스트 가공이 수행될 때, X-Y 스테이지는 고정되어 있다. 도 6a에 있어서, 흰원은 가공된 구멍을 나타낸다. 단, 이는 상기 핀 쿠션왜곡과 선형왜곡에 의해 제 1 목표점이 되는 진정한 가공점으로부터 위치가 어긋난 부분으로 한다.
촬상 시스템(221)은 테스트 가공된 테스트 가공물(70')의 가공영역의 상을 촬영한다. 화상처리부(22)는 기억부로부터 가공될 위치를 나타내는 데이터를 얻고, 촬상 시스템(221)으로부터 얻은 화상에 주지의 화상처리를 실시한다. 즉, 화상처리부(22)는 복수의 가공완료점의 제 1 목표점으로부터 위치가 어긋난 양을 각 점에 대하여 각각 계측한다.
연산회로(23)는 화상처리부(22)로부터 얻은 계측 데이터를 이용하여 이하와 같은 보간계산을 실시한다. 여기서, 계측 데이터로는 N개의 데이터 (X0, Y0), (X1, Y1), (X2, Y2), …, (XN-1, YN-1)가 있는 것으로 한다.
연산회로(23)는 예를 들면 B형 스플라인 보간계산을 실시한다. 매트릭스 형상의 각 가공완료점을 통과하는 라인을 스플라인 보간하고, 각 가공완료점 사이에서 X축 방향 및 Y축 방향으로 나란히 배열된 복수의 보간위치를 1차 산출점으로서 산출한다. 1차 산출점은 도 6b에서 검은원으로 나타내어진다. 다음으로, 연산회로(23)는 가공완료점 이외의 점을 통과하는 라인을 X축 방향과 Y축 방향으로부터 스플라인 보간하고, 1차 산출점의 사이에서 X축 방향 및 Y축 방향으로 나란한 복수의 보간위치를 2차 산출점으로서 산출한다. 2차 산출점은, 도6c에서 검은원으로 나타내어 진다. 이리하여, 도 6a에서 제 1 핏치보다 작은 제 2 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 2차 산출점이 산출된다.
연산회로(23)는 이하의 수식 1을 이용하여, 상기 N개의 데이터를 통과하는 보정곡선을 산출한다.
S(x) =…(1)
또한,의 점화식(漸化式)은, 이하의 수식 2에 의해 나타내어진다.
…(2)
연산회로(23)는 상기와 같은 과정을 통해 얻어진 1차 및 2차 산출점의 모든 위치데이터를 보정 데이터파일로서 기억부내에 기억시킨다. 보정 데이터파일은 이후에 시행되는 실제 본 가공시에 가공위치의 보정용으로 이용된다. 본 가공이 이루어질 위치를 나타내는 가공데이터는 X-Y 좌표계로 나타내어진다.
연산회로(23)는 기억부로부터 본 가공이 실시될 위치를 나타내는 가공데이터를 얻는 한편, 기억부를 통해 보정 데이터파일을 참조한다. 연산회로(23)는 보정데이터에 근거한 보정을 가공데이터에 부여한다. 제어회로(21)는 보정된 데이터에 근거하여 레이저 가공장치(10)가 본 가공을 실시하도록 제어한다. 즉, 제어회로(21)는 한쌍의 전류 주사기(11 및 12)의 각도를 제어한다.
연산회로(23)는 다음과 같이 가공데이터를 보정한다. 도 7에 있어서, 가령, 가공데이터로서 A점의 좌표데이터가 부여된 경우, 이 가공데이터에 대한 보정양은 X축 성분 △X, Y축 성분 △Y에 대하여 이하의 수식3 및 4에 의해 산출된다.
…(3)
…(4)
또한, 도 7의 흰원은, 제 2 핏치의 보간위치를 나타낸다.
본 실시예에서는, 한 변이 50㎜ 정도인 가공영역은, 예를 들어 5㎜ 핏치로 테스트 가공함으로써 보정할 수 있다. 이 경우, 보정에 소요되는 시간은, 5분 정도이다. 더욱이, 보간위치를 포함하는 복수의 점으로부터 보정 곡선을 산출하므로, 계측오차가 발생하여도 그 오차는 제거된다. 따라서, 보정 정밀도는 10㎛ 정도까지 향상된다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형이 고려된다. 예를 들면, 프린트 기판의 구멍 형성 가공 외에 세라믹 소재(예를 들면, 그린 시트)에 구멍을 만들거나 혹은 마킹가공을 하거나 전자부품에 마킹가공하는 레이저 가공장치에도 적용가능하다.
본 발명은 가공 위치의 어긋남을 보정하기 위해 필요한 데이터를 고속으로 생성할 수 있으며 고정밀도로 가공 위치를 결정할 수 있다는 효과를 갖는다.

Claims (4)

  1. 가공면 위에서 레이저광을 정밀하게 주사할 수 있는 레이저 가공장치에 적용되는 가공위치 보정장치에 있어서, 테스트 가공물의 상기 가공면위에 제 1 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 제 1 목표점에 레이저광이 조사되도록 가공 데이터를 제공하여 상기 레이저 가공장치의 테스트 가공을 수행시키는 제어회로, 상기 테스트 가공에 의해 형성된 복수의 가공 완료점의 상을 촬영함과 동시에, 상기 가공완료점의 상기 복수의 제 1 목표점으로부터 위치가 어긋난 양을 각 점에 대해 각각 계측하여 계측데이터로서 출력하는 화상처리회로, 및 상기 계측데이터를 이용하여 상기 제 1 핏치보다 작은 제 2 핏치로 그리고 매트릭스 형상으로 나란히 배열된 복수의 보간점을 상기 제 1 핏치간을 보간하는 형태로 산출하여 연산데이터를 출력하는 연산회로를 가지는 것을 특징으로 하는 가공위치 보정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연산처리회로는 상기 계측데이터를 이용하여 B형 스플라인 보간계산에 의해 상기 복수의 보간점을 산출하는 것으로서, 상기 복수의 가공완료점들 사이에서 X축 방향 및 Y축 방향의 각각에 복수의 1차 보간위치를 1차 산출점으로서 산출하고, 산출된 1차 산출점간에서 X축 방향 및 Y축 방향의 각각에 복수의 2차 보간위치를 2차 산출점으로서 산출하는 것을 특징으로 하는 가공위치 보정장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어회로는 상기 연산데이터에 근거하여 상기 가공 데이터를 보정하기 위한 보정 데이터 파일을 작성하고, 상기 레이저 가공장치에 보정 데이터 파일에 의해 보정된 보정 가공 데이터를 제공하는 것을 특징으로 하는 가공위치 보정장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 가공장치는 상기 레이저광을 상기 가공면위에서 X축 방향 및 Y축 방향으로 주사하기 위한 한 쌍의 전류 주사기 및 상기 한 쌍의 전류 주사기로부터의 레이저광을 상기 가공면에 대하여 수직으로 조사하기 위한 fθ 렌즈를 구비한 장치에 적용되며, 상기 한 쌍의 전류 주사기의 핀 쿠션왜곡에 기인하는 가공위치의 어긋남 및 상기 fθ 렌즈의 선형왜곡에 기인하는 가공위치의 어긋남을 보정하는 것을 특징으로 하는 가공위치 보정장치.
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