JP2004532740A - 電子回路基板を処理するためのレーザ装置の光学系を較正する方法 - Google Patents

Abstract

レーザ源（１）、偏向ユニット（４）、および結像ユニット（５）を有するレーザマシンの光学系を較正するために、まず第１の試しプレートを結像ユニットの焦点面（Ｚ１）に配置し、その際に所定のラスタ点をレーザビーム（２）によりマークする。その後、マーキングされた点をカメラ（６）を介して測定し、その位置値を目標点の所定の位置値と比較し、そこから第１の補正値を導出し、記憶する。その後、第２の試しプレートを、焦点面から間隔をおいた第２の較正面（Ｚ２）に配置し、同様にレーザビームにより制御してマーキングを付す。この第２の試しプレートも同様にカメラ（６）を介して測定し、マーキングの測定された位置を目標点の位置と比較し、第２の補正値を導出し、記憶する。２つの面の記憶された第１および第２の補正値から、焦点面（Ｚ１）と第２の補正面（Ｚ２）との間にある空間領域の任意の目標点に対して補間により補正値を検出することができ、偏向ユニット（４）の制御に使用することができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路基板を処理するためのレーザ装置の光学系を較正する方法に関する。ここではレーザ源のレーザビームが偏向ユニットと結像ユニットを介して処理面の目標点に配向され、処理面におけるマーキングの位置がカメラによって検出され、測定される。
【背景技術】
【０００２】
電子回路基板、例えば導体路基板を処理するために、微細な構造を高い速度で処理すべき場合にはますますレーザが使用されるようになっている。ここでは例えば、導体路基板の種々の層間で接続を行うための貫通孔または止まり穴のボーリング、導体層または非導体層の構造化、およびハンダストップラッカー、エッチングレジスト層等の構造化が行われる。ここでは例えば止まり穴が複数の層でボーリングされ、その際の本来の処理面が光学系の焦点面に対して種々異なる高さに来ることがある。これは種々異なるエネルギー密度を作用させるためである。
【０００３】
レーザビームが小さな処理エリアの上にだけ偏向されるならば、良好な位置決め精度が達成される。なぜならこの場合、レーザビームのフォーカシングに必要なテレセントリックレンズの中央部分だけが使用されるからである。Ｆテータ対物レンズの光軸を中心にしてテレセントリック性は常に良好に満たされるから、焦点面の外でボーリングまたは構造化が行われても問題は生じない。
【０００４】
しかしレーザビームによる処理速度と歩留まりを高めるために比較的大きな処理フィールドをカバーしたいという要求が生じると、テレセントリックレンズの縁部領域も使用しなければならなくなる。しかしこのレンズは縁部領域に向かって角度誤差が大きくなるので、ビームを光軸から離して使用するようになると位置決め誤差がますます大きくなる。
【０００５】
ある程度の改善は、正確に設定されたマーキングを備えるマスタパターンをカメラにより測定し、そこから補正値を導出し、これを偏向システムの制御の際に考慮することによって達成される。しかしこのような補正値では、処理面が焦点面の外に離れれば離れるほど正確な位置決めを達成することができない。
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の電子回路基板を処理するレーザ装置の光学系を較正する方法において、レーザによりできるだけ大きなフィールドを処理することができ、その際にレーザビームを処理フィールド全体で、かつ焦点面を基準にした種々の作業高さにおいて、できるだけ高精度で位置決めできるように構成することである。
【０００７】
本発明によればこの方法は次のステップを有する：
・所定の処理エリアを備える第１の試しプレートを、結像ユニットの焦点面にある較正面に配置し、
・その後、前記試しプレート上で所定の目標点を、処理エリアを含むラスタ内でレーザビームにより制御し、マーキングを付し、
・第１の試しプレートのマーキングをカメラによって測定し、所定の目標点の位置と比較し、偏差からそれぞれ第１の補正値を第１の補正表に記憶し、
・所定の処理エリアを備える第２の試しプレートを、第２の較正面に平行に、焦点面に対して所定の間隔で配置し、その後、当該第２の試しプレート上でも同様に目標点を、第１の試しプレートの場合と同じラスタ内でレーザビームにより制御し、マーキングを付し、
・第２の試しプレートのマーキングの位置を同様に測定し、所定の目標点の位置と比較し、偏差からそれぞれ第２の補正値を検出し、第２の補正表に記憶し、
・第１および第２の補正表からの補正値を制御ユニットに供給し、
該制御ユニットは必要に応じて、焦点面と第２の較正面との間にある各任意の処理面の各目標点に対して補正値を、第１および第２の補正値からの補間によって検出し、偏向ユニットの制御のために使用するのである。
【０００８】
従って本発明の方法では、少なくとも２つの異なる面で、すなわち処理面に対する２つの極位置で較正が行われる。このときまくら状誤差、樽状誤差、符号、並びにテレセントリックレンズの角度誤差が２つの面で検出され、実質的に３次元補正表に変換される。このようにして較正のために測定された２つ面だけで補正値の水平補間が可能であるだけでなく、その間にある任意の処理高さも補間できる。これにより焦点面外でも例えば５０ｍｍ×５０ｍｍの大きな書き込みフィールドを利用することができ、処理精度を保持したままで速度の利点が得られる。
【０００９】
レーザボーリングマシンの有利な構成では、公知のように、カメラのビーム路がレーザビームと同じ光学経路を介して導かれる。この場合、付加的の光学的誤差が次のことにより発生し得る。すなわちカメラ画像に対する照明がレーザビームとは異なる波長を有することにより光学的誤差が発生し得る。この場合、本発明の別の改善形態では、第１の試しプレートの照射の前に、所定の目標点に相応して高精度にマーキングされたラスタ点を有するマスタプレート（マッピングプレート）を焦点面に配置し、ラスタ点の位置をカメラによって測定し、測定された位置と所定のラスタ点の位置との偏差をカメラ補正表にファイルし、偏光ユニットの制御のための補正値を検出する際に考慮するのである。
【００１０】
特別の場合に対しては、処理面を焦点面の一方の側にだけでなく、焦点面の他方の側にも配置することが所望される。このような場合に対しては、以下の付加的ステップが設けられる：
・所定の処理エリアを備える第３の試しプレートを第３の較正面に対して平行に、これに対して所定の間隔で、しかし第２の較正面を基準にして焦点に対向するように配置し、
・その後、当該試しプレート上で、第１および第２の試しプレートの場合と同じラスタで目標点をレーザビームにより制御し、マーキングを付し、
・第３の試しプレートのマーキングの位置をカメラによって測定し、所定の目標点の位置と比較し、
偏差からそれぞれ第３の補正値を獲得し、第３の補正表に記憶し、
・第１および第３の補正表からの補正値を制御ユニットに供給し、
該制御ユニットは必要に応じて、焦点面と第３の較正面との間にある任意の処理面の各目標点に対して、補正値を第１および第３の補正値からの補間によって検出し、偏向ユニットの制御に使用するのである。
【００１１】
別の構成では必要な場合に、較正に対して使用される第２と場合により第３の較正面の領域を越えて処理面を使用し、第１および第２ないし第３の補正表からの補正値も使用し、焦点面および第２ないし第３の較正面により定められる領域外の目標点に対して補正値を外挿によって求めることができる。
【００１２】
本発明を以下、実施例について図面に基づき詳細に説明する。
【００１３】
図は種々の較正面をレーザ処理装置のブロック回路図に関連して概略的に示す。
【００１４】
図はレーザ処理装置の重要部材をブロック回路図に示す。主要部材はレーザ源であり、そのレーザビーム２はダイクロイックミラー３を介して偏向され、ガルバノメータ・ミラー偏向ユニット４に供給される。ガルバノメータ・ミラー偏向ユニットは、相互に垂直な軸を中心にして可動な２つのミラーを有し、それらによってビームを処理フィールドの各点に向けることができる。フォーカシングのために、偏向システム４と本来の処理フィールドとの間にテレセントリックレンズ５が配置されており、このレンズはビームを所望の面にフォーカシングする。焦点面は本実施例ではＺ１により示されている。ここで理想的には側長Ｌを有するフィールドが走査される。しかしレンズ５はその縁部領域に向かって増大する偏向誤差を有しているので、実際にレーザビームによって達成されるフィールドはややまくら状ないし樽状に変形される。その結果、例えば側長Ｌを越えて偏向誤差ｆ１とｆ２が焦点面Ｚ１の処理フィールドの縁部領域に発生し、さらに大きな偏向誤差ｆ３とｆ４が焦点面から離れた処理面Ｚ２にある処理エリアの縁部領域に発生する。この偏差は通常、対称性ではなく、全ての側で異なる大きさを有する。
【００１５】
処理エリアはカメラ６を介して測定され、カメラは光ビーム７をレーザビームの光経路を介して、すなわちレンズ５と偏向ユニット４並びにダイクロイックミラー３を介して受け取る。別のミラー８を介してこのビームはカメラに供給される。レーザ源１と偏向ユニット４を制御するために制御ユニット９が用いられる。この制御ユニットは通常、コンピュータ１０の一部である。さらにプログラミング可能な制御部１１が設けられており、この制御部はカメラと、処理エリアの運動に用いるロボット１２を制御する。
【００１６】
システムを較正するためにまず、焦点面Ｚ１の上にマスタパターンが配置される。このマスタパターンでは、全処理エリアを含むラスタが高精度に配置されたマーキング点により記録されている。このラスタ点は図示しない照明装置（例えば波長８００ｎｍの発光ダイオードを含む）によって照明され、カメラによって測定される。こうして得られた各個々のマーキング点の座標はそれらの既知の位置値と比較される。偏差はカメラ補正表ＫＴＫ，有利にはコンピュータ１０のメモリ１３に記憶される。
【００１７】
レーザビームの偏向のための第１の本来の較正ステップでは、第１の試しプレートが焦点面Ｚ１に配置される。これは例えば白いラッカー層の設けられたガラスプレートである。この第１の試しプレートの上に、所定の処理フィールドの全てのラスタ点が目標点としてレーザビームにより制御されてマークされる。例えばこのことはレーザビームにより十字を焼き付けることにより行われる。このマーキングは続いてカメラ６により走査され、測定される。ここで測定された座標は個々のラスタ点の目標座標と比較される。偏差は第１の補正表ＫＴ１への補正値の形態でメモリ１３に入力される。
【００１８】
さらなる較正ステップでは、からの第２の試しプレートが第２の処理面Ｚ２に配置される。この第２の処理面は所定の大きさだけ焦点面Ｚ１から離れている。先行の較正ステップの場合と同様に、ここでも処理フィールドの各ラスタ点はレーザビームにより制御されて、マーキングの形態に焼き付けられる。その後、再び全てのマーキングがカメラ６により走査され、測定される。目標点の位置データからの偏差は第２の補正表ＫＴ２への第２の補正値としてメモリ１３に入力される。
【００１９】
このようにして得られ、記憶された補正値により、焦点面Ｚ１と第２の較正面Ｚ２との間の空間領域にある任意の面Ｚｉの各目標点に対して補正値を、２つの補正表ＫＴ１とＫＴ２からの補間によって導出することができる。これにより例えばボーリングを±５μｍの精度を以て位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図は種々の較正面をレーザ処理装置のブロック回路図に関連して概略的に示す。

Claims (4)

1. 電気回路基板を処理するためのレーザマシンの光学系を較正するための方法であって、
   レーザ源（１）のレーザビーム（２）を偏向ユニット（４）および結像ユニット（５）を介して処理エリアの目標点に配向し、
   処理エリア上のマーキングの位置をカメラ（６）によって検出し、測定する較正方法において、以下のステップを有する：
   ・所定の処理エリアを備える第１の試しプレートを、結像ユニットの焦点面（Ｚ１）にある較正面に配置し、
   ・その後、前記試しプレート上で所定の目標点を、処理エリアを含むラスタ内でレーザビーム（２）により制御し、マーキングを付し、
   ・第１の試しプレートのマーキングをカメラ（６）によって測定し、所定の目標点の位置と比較し、偏差からそれぞれ第１の補正値を第１の補正表（ＫＴ１）に記憶し、
   ・所定の処理エリアを備える第２の試しプレートを、第２の較正面（Ｚ２）に平行に、焦点面（Ｚ１）に対して所定の間隔で配置し、その後、当該第２の試しプレート上でも同様に目標点を、第１の試しプレートの場合と同じラスタ内でレーザビーム（２）により制御し、マーキングを付し、
   ・第２の試しプレートのマーキングの位置を同様に測定し、所定の目標点の位置と比較し、偏差からそれぞれ第２の補正値を検出し、第２の補正表（ＫＴ２）に記憶し、
   ・第１および第２の補正表（ＫＴ１，ＫＴ２）からの補正値を制御ユニット（９）に供給し、
   該制御ユニットは必要に応じて、焦点面（Ｚ１）と第２の較正面（Ｚ２）との間にある各任意の処理面の各目標点に対して補正値を、第１および第２の補正値からの補間によって検出し、偏向ユニット（４）の制御のために使用する、
   ことを特徴とする方法。
2. カメラのビーム路を、レーザビーム（２）と同じ光学的経路を介して導き、以下のステップを有する：
   ・第１の試しプレートの照射前に、所定の目標点に相応して高精度にマーキングされたらラスタ点を備えるマスタプレート（マッピングプレート）を焦点面（Ｚ１）に配置し、
   ラスタ点の位置をカメラ（６）によって測定し、
   測定された位置とラスタ点の所定位置との偏差をカメラ補正表（ＫＴＲ）にファイルし、偏向ユニットを制御するための補正値の検出の際に利用する、請求項１記載の方法。
3. ・所定の処理エリアを備える第３の試しプレートを第３の較正面に対して平行に、これに対して所定の間隔で、しかし第２の較正面（Ｚ２）を基準にして焦点面（Ｚ１）に対向するように配置し、
   ・その後、当該試しプレート上で、第１および第２の試しプレートの場合と同じラスタで目標点をレーザビームにより制御し、マーキングを付し、
   ・第３の試しプレートのマーキングの位置をカメラによって測定し、所定の目標点の位置と比較し、
   偏差からそれぞれ第３の補正値を獲得し、第３の補正表に記憶し、
   ・第１および第３の補正表からの補正値を制御ユニット（９）に供給し、
   該制御ユニットは必要に応じて、焦点面と第３の較正面との間にある任意の処理面の各目標点に対して、補正値を第１および第３の補正値からの補間によって検出し、偏向ユニット（４）の制御に使用する、請求項１または２記載の方法。
4. ・第１および第２ないし第３の補正表の補正値を使用して、焦点面と第２ないし第３の較正面により定められる領域外の目標点に対して補正値を外挿により検出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

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