專利名稱：加工多器件板的激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)矢量化直寫(xiě)激光刻蝕來(lái)加工多器件板。
背景技術(shù)：
多年來(lái)，激光被用于直接加工安裝在薄基片如印刷電路板、平板顯示器或醫(yī)用傳 感器上的元器件。大多數(shù)情況下，要求在任何時(shí)候僅加工基片的一面，從而基片能在加工過(guò) 程中完全支承在平卡盤(pán)上，平卡盤(pán)具有將基片上表面精確保持在透鏡系統(tǒng)的像平面或焦平 面內(nèi)的功能。然而，在某些情況下，要求用相同或不同的圖案來(lái)同時(shí)激光加工薄基片的相對(duì) 兩面，以提高生產(chǎn)速度并簡(jiǎn)化相對(duì)圖案之間的對(duì)準(zhǔn)。美國(guó)專利US5923403公開(kāi)一種用于雙面、同時(shí)、大面積、掃描和重復(fù)、1 X掩模投影 成像的設(shè)備，用于在玻璃片或印刷電路板(PCB)基片的相對(duì)兩面上的光致抗蝕劑的激光照射。美國(guó)專利US6759625公開(kāi)一種設(shè)備，其使用兩個(gè)相對(duì)的激光束掃描器單元來(lái)同時(shí) 直寫(xiě)安裝在兩個(gè)掃描器單元之間臺(tái)架上的PCB的相對(duì)兩面。上面提到兩篇專利說(shuō)明書(shū)均假定基板是平的。沒(méi)有考慮當(dāng)這些薄板在其邊緣周圍 被支承以允許雙面加工時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)薄板厚度變化和出現(xiàn)明顯懸垂的情況。美國(guó)專利US6396561公開(kāi)一種設(shè)備，其使用兩個(gè)相對(duì)的激光束掃描器單元同時(shí)光 柵直寫(xiě)PCB的相對(duì)兩面，包括共同的定位機(jī)構(gòu)來(lái)確保寫(xiě)在每一面上的圖案彼此精確對(duì)準(zhǔn)。 該文獻(xiàn)解決了基板可能存在的非平面問(wèn)題(參見(jiàn)第8欄，第36-44行)，建議在豎向平面內(nèi) 加工基板，以保持基板處于平面狀態(tài)，或者在水平平面內(nèi)加工時(shí)合適地支承來(lái)保持基板處 于平面狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及有效加工厚度可變化、可彎曲或易懸垂的多器件板。本發(fā)明尤其可以 應(yīng)用到需要同時(shí)加工板的兩面的場(chǎng)合。本發(fā)明在后附的權(quán)利要求書(shū)中做了限定，并且根據(jù)第一方面，提供一種用于通過(guò) 矢量化直寫(xiě)的激光刻蝕來(lái)加工多器件板的系統(tǒng)，該多器件板包括具有正面和背面的基片、 設(shè)置在正面上的元器件區(qū)域第一陣列、設(shè)置在背面上的元器件區(qū)域第二陣列，該系統(tǒng)包括 第一加工站，包括一對(duì)相對(duì)安裝的加工頭，每個(gè)加工頭包括具有激光束掃描儀和透鏡單元 的激光束傳遞裝置和包括測(cè)距機(jī)構(gòu)；安裝機(jī)構(gòu)，用于將所述板安裝在第一加工站的所述加 工頭之間，以使該板和該第一加工站的相對(duì)位置能被如此調(diào)整，從而所述加工頭能與待加 工的選定的正面和背面元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)；其中，每個(gè)加工頭可操作，以便使用所述測(cè)距機(jī)構(gòu) 測(cè)定該透鏡單元和待加工的元器件區(qū)域表面之間的距離，根據(jù)該距離的測(cè)定值來(lái)控制所述 透鏡單元的焦點(diǎn)和矢量化直寫(xiě)所述元器件區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能夠通過(guò)提供包括一對(duì)相對(duì)安裝的加工頭的加工站和使每個(gè) 加工頭具有其自身的獨(dú)立激光調(diào)焦功能來(lái)有效地加工多器件板。加工站使得待加工元器件的兩個(gè)表面能夠同時(shí)加工，這在每板的加工時(shí)間方面具有有利的影響，而通過(guò)提供具有其 自身的獨(dú)立激光調(diào)焦功能的每個(gè)加工頭使該系統(tǒng)能夠處理非平面的板。優(yōu)選的是，該系統(tǒng)布置成按照步進(jìn)掃描模式操作，其中，第一加工站和板能以步進(jìn) 方式相對(duì)移動(dòng)，由此通過(guò)相應(yīng)加工頭的激光束掃描儀來(lái)加工依次的正面元器件區(qū)域和背面 元器件區(qū)域。步進(jìn)掃描模式持續(xù)到已加工完所有的元器件區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，板接近位于兩個(gè)掃描儀和透鏡單元之間的中點(diǎn)，板表面布置成 接近垂直于兩個(gè)相對(duì)掃描儀單元上的透鏡的中心的連線。在優(yōu)選實(shí)施例中，能通過(guò)加入并行操作的附加加工站來(lái)增強(qiáng)該系統(tǒng)的加工能力。在包括偶數(shù)個(gè)加工頭的系統(tǒng)被用來(lái)加工單個(gè)板的情況下，這些加工頭布置成一 行，相應(yīng)透鏡單元之間間距對(duì)應(yīng)于在板上的元器件沿平行于掃描儀和透鏡單元行的方向的 間距或間距的倍數(shù)?；蛘?，這些加工頭可以布置在矩形網(wǎng)格上，其中透鏡單元在一個(gè)方向上 的間距對(duì)應(yīng)于在板上的元器件沿該方向的間距或間距的多倍，透鏡單元在另一方向上的間 距對(duì)應(yīng)于在板上的元器件沿該另一方向的間距或間距的多倍。在包含奇數(shù)個(gè)加工頭的系統(tǒng) 被用來(lái)加工單個(gè)板的情況下，這些加工頭通常布置成一行，這些單元之間間距對(duì)應(yīng)于在板 上的元器件沿平行于掃描儀和透鏡單元的行方向的間距或間距的多倍。該系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)激光器單元，這些激光器單元發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)多個(gè)轉(zhuǎn)向 反射鏡和分束單元，傳遞到在板一側(cè)的所有掃描儀單元。一個(gè)或多個(gè)不同的激光器單元發(fā) 射光束，這些光束被引向該板的相對(duì)側(cè)的所有掃描儀單元。用于給該板一側(cè)的所有掃描儀 供給光束的激光器單元的數(shù)目可以是為對(duì)板進(jìn)行操作的掃描儀和透鏡單元對(duì)數(shù)的除數(shù)的 任意數(shù)目。用于給該板另一側(cè)的所有掃描儀提供光束的激光器單元的數(shù)目可以是相等的數(shù) 目，或者為掃描儀對(duì)數(shù)的除數(shù)的任何其它數(shù)目。透鏡單元包括聚焦透鏡(一般所說(shuō)的F- θ型透鏡)，其被連接到每個(gè)掃描儀單元， 以將光束聚焦到板表面或其附近。每個(gè)掃描儀單元中的反射鏡能被如此控制，使在連接到 每個(gè)掃描儀單元上的透鏡后的光束能聚焦到特定的正方形區(qū)域或矩形區(qū)域。對(duì)應(yīng)于每個(gè)掃 描儀和透鏡單元的掃描面積大到足以覆蓋板上的每個(gè)單獨(dú)電子元器件的每個(gè)元器件區(qū)域 的面積。該系統(tǒng)可以包括一對(duì)線性臺(tái)架單元，用于允許板和掃描儀和透鏡單元之間沿兩軸 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而能夠加工板上的所有元器件。該系統(tǒng)包括控制單元，該控制單元能夠控制XY臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)以及所有掃描儀單元 和激光器，從而能在步進(jìn)掃描模式下加工板?？刂茊卧刂瓢逑鄬?duì)加工頭的運(yùn)動(dòng)，使板上的 多個(gè)單獨(dú)元器件布置成與相應(yīng)的加工頭對(duì)準(zhǔn)。這些臺(tái)架優(yōu)選被鎖定以防止其它板運(yùn)動(dòng)，并 且掃描儀和激光器被操作來(lái)加工位于相應(yīng)掃描儀和透鏡單元之間的元器件的相對(duì)側(cè)。在每 個(gè)元器件的兩側(cè)加工完成后，臺(tái)架使板相對(duì)成對(duì)的掃描儀和透鏡單元移動(dòng)，使新的元器件 定位在每個(gè)掃描儀和透鏡對(duì)之間，重復(fù)激光加工過(guò)程。步進(jìn)掃描工序重復(fù)進(jìn)行，直至板上的 所有元器件已經(jīng)完成加工。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)測(cè)量機(jī)構(gòu)包括攝像機(jī)單元。為了獲得最佳性能，攝像機(jī) 單元安裝在掃描儀和透鏡單元的側(cè)旁，從而攝像機(jī)單元具有垂直于板表面的光軸和在加工 掃描場(chǎng)內(nèi)的或盡可能靠近加工掃描場(chǎng)邊緣的視場(chǎng)。如此選擇攝像機(jī)單元的放大倍數(shù)，使放 大倍數(shù)低到足以使攝像機(jī)視場(chǎng)足夠?qū)挘员阍谠摪灏凑罩付ㄔ骷g距步進(jìn)時(shí)能觀察到各元器件上的相同對(duì)準(zhǔn)特征，然而該放大倍數(shù)還應(yīng)高到足以足夠精確地觀察該對(duì)準(zhǔn)特征，以 使圖案滿足元器件對(duì)準(zhǔn)要求?？梢允褂闷渌愋偷臄z像機(jī)系統(tǒng)，它通過(guò)在每個(gè)掃描儀單元上的F-θ透鏡來(lái)觀 察在板上的元器件上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。這類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能直接觀察到透鏡下面的元器件，但 有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即它們通過(guò)為了在激光波長(zhǎng)下工作而被優(yōu)化的掃描儀反射鏡和掃描透鏡 進(jìn)行觀察，因此該掃描儀反射鏡和掃描透鏡在光學(xué)上比白光直視偏軸系統(tǒng)差。此外，當(dāng)它們 通過(guò)掃描儀中的兩個(gè)反射鏡觀察時(shí)，它們可能會(huì)產(chǎn)生位置誤差。在每個(gè)元器件上的待寫(xiě)的加工圖案和已有圖案或?qū)?zhǔn)標(biāo)記之間需要精確對(duì)準(zhǔn)的 情況下，攝像機(jī)單元可按以下方式進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。所述板相對(duì)掃描儀和透鏡單元移動(dòng)，使得元器 件的相對(duì)側(cè)面上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記位于每個(gè)攝像機(jī)單元的視場(chǎng)內(nèi)。記錄下每個(gè)攝像機(jī)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記 的圖像與參考位置的偏移距離。板隨后沿X和Y移動(dòng)已知距離，使得每個(gè)元器件上的另一 對(duì)準(zhǔn)特征位于攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)并記錄偏移距離。板隨后如此移動(dòng)，使得掃描儀的中心位于元 器件上方并且掃描儀控制系統(tǒng)使用偏移信息來(lái)修正直寫(xiě)圖案尺寸、側(cè)位和角位以與元器件 精確匹配。每次板步進(jìn)時(shí)重復(fù)這種加工過(guò)程，以加工新的元器件。優(yōu)選的是，控制單元能同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有掃描儀單元，從而能同時(shí)加工在基片正面和 背面上的多個(gè)元器件?？刂茊卧哂凶銐虻撵`活性，從而對(duì)該系統(tǒng)的所有掃描儀來(lái)說(shuō)，施加 到這些元器件的直寫(xiě)圖案可以是不同的。實(shí)踐中，可以想到施加到板上的元器件一面上的 圖案往往是相同的，施加到元器件相對(duì)側(cè)面上的那些圖案也是相同的，但不同于在第一面 上的那些圖案。然而如果需要，該設(shè)備能將不同圖案施加到每個(gè)元器件的兩面上。優(yōu)選的是，該透鏡單元包括光學(xué)擴(kuò)束器或望遠(yuǎn)鏡單元。望遠(yuǎn)鏡單元如此布置，使 望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)元件安裝在伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的臺(tái)架上，從而能增大或減小兩個(gè)光學(xué)元件之間間 隔，以控制每個(gè)不同的掃描儀和透鏡單元的聚焦透鏡到光束焦點(diǎn)之間的距離。這類元件是 大家熟知的，常與掃描儀和F- θ透鏡一起使用來(lái)校正透鏡焦平面的曲率并調(diào)整光束焦平 面，使其與基片的平表面一致。增大元件之間間隔至超過(guò)簡(jiǎn)單的雙組成擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡中的公 稱間隔，這會(huì)導(dǎo)致從望遠(yuǎn)鏡出來(lái)的光束變得非準(zhǔn)直，而是會(huì)聚。這導(dǎo)致在后面的透鏡之后的 焦點(diǎn)移動(dòng)更靠近該透鏡。減小元件之間間隔至小于公稱間隔，這導(dǎo)致從望遠(yuǎn)鏡出來(lái)的光束 發(fā)散。這導(dǎo)致在后面的透鏡后的焦點(diǎn)移動(dòng)更遠(yuǎn)離該透鏡。優(yōu)選的光學(xué)測(cè)量機(jī)構(gòu)包括各種傳感器，用來(lái)基于光學(xué)三角法測(cè)量板面和透鏡之間 距離。在一個(gè)實(shí)施例中，激光二極管或其它定向光源被連接到掃描儀和透鏡單元，光束以一 定角度被引向板并聚焦而在表面上形成小光斑。來(lái)自該表面上的光斑散射或反射的輻射由 包括透鏡和光學(xué)探測(cè)器的攝像機(jī)單元收集，該攝像機(jī)單元也安裝在掃描儀和透鏡單元上。 透鏡如此布置，使其在探測(cè)器上形成光斑圖像。二維探測(cè)器如電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī) 或一維探測(cè)器如線性二極管陣列或位置靈敏探測(cè)器均為合適的光學(xué)探測(cè)器。如果板面至掃 描儀和透鏡單元的距離變化，則板上光斑的位置橫移，因而光斑圖像在探測(cè)器上移動(dòng)。來(lái)自 探測(cè)器的電子輸出經(jīng)處理后產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)被傳遞到控制擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡中的活動(dòng)元件的位 置的伺服馬達(dá)系統(tǒng)。當(dāng)掃描儀和透鏡單元至板的距離變化時(shí)，射向板面的激光束必然和板 面法線成某個(gè)角度，以實(shí)現(xiàn)光斑橫跨表面地側(cè)向移動(dòng)。對(duì)于掃描儀和透鏡單元至板的距離 的某種變化，光束和板法線之間的夾角越大，則光斑在表面上的移動(dòng)幅度越大，距離測(cè)量值 越精確。在實(shí)踐中，光束和法線之間的夾角通常在30度到60度之間，并且更大的角度也是可行的。光斑成像攝像機(jī)單元可以按照下列兩種方式中之一來(lái)布置。在一種方式中，透鏡 和探測(cè)器單元安裝成與板的法線成一定角度。這種配置是方便的，因?yàn)槠湓试S在板面上在 靠近掃描儀和透鏡單元的掃描場(chǎng)中心的某點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)量。在另一種配置中，如此安裝攝 像機(jī)單元，使其光軸與板面正交。在此情況下，距離測(cè)量在遠(yuǎn)離掃描場(chǎng)中心的某點(diǎn)進(jìn)行，但 這種配置有以下優(yōu)勢(shì)，透鏡和探測(cè)器單元能同時(shí)具有元器件對(duì)準(zhǔn)和距離檢測(cè)的功能。對(duì)于不平的和厚度變化的板并且在需要與每個(gè)單獨(dú)元器件的情況下，可以想到如 此進(jìn)行加工。該板相對(duì)成對(duì)的掃描儀和透鏡單元這樣移動(dòng)，即在元器件的相對(duì)側(cè)面上的對(duì) 準(zhǔn)標(biāo)記依次位于對(duì)準(zhǔn)攝像機(jī)單元的視場(chǎng)中。在每個(gè)對(duì)準(zhǔn)位置上，記錄下每個(gè)攝像機(jī)的對(duì)準(zhǔn) 標(biāo)記與參考位置的偏移距離。隨后如此移動(dòng)該板，使距離傳感器探測(cè)區(qū)域處于元器件上的 合適位置并測(cè)量該單元和該板面之間的距離。隨后如此移動(dòng)該板，使掃描儀和透鏡單元位 于元器件中心，通過(guò)多個(gè)攝像機(jī)和傳感器單元產(chǎn)生的信息被控制器用來(lái)修正圖案尺寸、側(cè) 位和角位并調(diào)整光束望遠(yuǎn)鏡，以將焦點(diǎn)設(shè)置在相對(duì)板面的正確距離處。在板每次步進(jìn)時(shí)，重 復(fù)該加工過(guò)程來(lái)加工新的元器件。在板的平面度或厚度對(duì)每個(gè)元器件明顯有變化的情況下，適合對(duì)掃描儀和透鏡單 元同板面之間的距離進(jìn)行多于一次的測(cè)量。在此情況下，基于點(diǎn)陣進(jìn)行多次測(cè)距并且在元 器件加工中使用測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡元件，使光束焦點(diǎn)精確地跟隨元器件的表面輪廓。也可以使用其它類型的測(cè)距機(jī)構(gòu)?；陔娙莼螂姼凶饔玫姆潜砻娼佑|式傳感器是 可行的，同樣也可以使用那些使用超聲和氣動(dòng)技術(shù)的傳感器。使用共焦光學(xué)方法的系統(tǒng)在 某些情況下也有優(yōu)點(diǎn)。如果板面是耐用且非柔性的，則也可使用接觸式機(jī)械探頭。有很多種方式可供在板和掃描儀和透鏡單元對(duì)之間的期望相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)使用。所述 單元可以保持靜止，而使板沿一個(gè)軸或兩個(gè)軸移動(dòng)。另外，在加工過(guò)程中，板可以保持靜止， 而掃描儀和透鏡單元能在滑架上沿兩個(gè)軸移動(dòng)，該滑架能在板上方的龍門(mén)架上沿一個(gè)方向 移動(dòng)，龍門(mén)架本身能沿正交方向在板上方移動(dòng)。第三，板能沿一個(gè)軸移動(dòng)，掃描儀和透鏡單 元在板上方的龍門(mén)架上沿正交軸移動(dòng)。最后一種情況是方便的，因?yàn)槭褂眠@種配置的系統(tǒng) 占地面積通常是最小的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例示出了在水平狀態(tài)下進(jìn)行加工的板，這種情況不是必需的。 作為替代，板可以保持豎立，甚至與垂線成某一角度。在本發(fā)明的上下文中，在區(qū)分基片的 兩面(側(cè))時(shí)，為清楚起見(jiàn)而提到了基片的正面和背面。沒(méi)有暗示優(yōu)先級(jí)或定向。


現(xiàn)在，將根據(jù)附圖來(lái)描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，其中圖1示出了該系統(tǒng)的整體配置；圖2表示被分成對(duì)應(yīng)于多個(gè)單獨(dú)電子元器件的元器件區(qū)域陣列的板；圖3示出了一對(duì)多掃描儀單元的局部視圖；圖4表示用于控制光束焦點(diǎn)位置的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡配置；圖5表示在基片不平情況下的一對(duì)掃描儀單元；圖6示出了允許多個(gè)元器件對(duì)準(zhǔn)的系統(tǒng)；圖7示出了使用共用的探測(cè)器單元以用于元器件的橫向?qū)?zhǔn)和元器件平面度和厚度變化的修正的系統(tǒng)；圖8示出了適于加工柔性材料的系統(tǒng)；圖9示出了配置成能加工兩個(gè)板的系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式圖1示出了該系統(tǒng)的多個(gè)關(guān)鍵零部件。薄板型基片11安裝在兩對(duì)相對(duì)的雙軸掃描 儀和透鏡單元12、12'和13、13'之間。激光器14產(chǎn)生光束，該光束經(jīng)過(guò)反射鏡15、15'、 50%分束器16以及可變的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束單元17、17'進(jìn)入上方兩個(gè)掃描儀單元。一個(gè)獨(dú)立的 激光器18通過(guò)類似的光學(xué)系統(tǒng)配置為下方兩個(gè)掃描儀和透鏡組件提供光束，從而下方激 光束能夠到達(dá)板的下側(cè)。該板安裝在計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)臺(tái)架上的開(kāi)口框架式支承19中，臺(tái) 架使板在掃描儀和透鏡單元之間沿兩維方向X和Y移動(dòng)。該板被細(xì)分成元器件區(qū)域的矩形 陣列，其中在Y方向上有偶數(shù)個(gè)元器件，掃描儀和透鏡單元在Y方向上的間距值(P)設(shè)為由 下式給出的值P = pXN/n其中，ρ為在板上的元器件在Y方向上的間距，N是在Y方向上的元器件總數(shù)，η是 在Y方向上的掃描儀和透鏡的數(shù)目。該系統(tǒng)在步進(jìn)掃描模式下工作，其中，板沿Y方向步進(jìn)， 以完成Y行的所有元器件，接下來(lái)，沿X方向步進(jìn)，以加工新的Y行。圖中示出的是僅使用 兩對(duì)掃描儀和透鏡單元加工板的情況，但實(shí)際上，如果需要增加生產(chǎn)效率，可使用更多對(duì)單兀。圖2示出了被細(xì)分成4X8陣列的對(duì)應(yīng)于多個(gè)單獨(dú)元器件的32個(gè)元器件區(qū)域22 的板。兩對(duì)掃描儀和透鏡單元23、23'設(shè)置成以等于沿Y方向的元器件間距的兩倍的距離 隔開(kāi)，并且在兩個(gè)單獨(dú)元器件的兩面上同時(shí)操作。步進(jìn)掃描加工過(guò)程的次序是這樣的，即， 使元器件A和A' —起加工，接下來(lái)，加工元器件B和B'。所述板然后沿X方向移動(dòng)一個(gè) 元器件間距并加工元器件C和C'，繼而加工元器件D和D'。圖中示出了下一個(gè)步驟，在 該步驟中正在加工元器件E和E'。這種步進(jìn)掃描加工過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直至加工完成板上的 所有的元器件。附圖示出了板被細(xì)分成32個(gè)元器件區(qū)域的情況，但實(shí)際上，更多或更少的 元器件也是可行的。圖3表示一對(duì)掃描儀和透鏡單元的基本配置。板31安裝在兩個(gè)相對(duì)的掃描儀和 透鏡單元32、32'之間，從而兩個(gè)單元中心之間的連線正交于或近似正交于板表面。該板 支承在開(kāi)口框架中，以使激光能到達(dá)板的兩面并在垂直于掃描儀和透鏡單元的連線的XY 平面上移動(dòng)?？删哂邢嗤虿煌妮敵鎏匦缘募す馄鲉卧?3、33'發(fā)出脈沖激光束34和 34'，脈沖激光束經(jīng)過(guò)不同的反射鏡和分束器分別傳遞到連接到掃描儀和透鏡單元的擴(kuò)束 望遠(yuǎn)鏡單元35和35'。F-θ透鏡36和36'聚焦光束到板表面或接近板表面。望遠(yuǎn)鏡單 元的調(diào)整允許光束焦點(diǎn)沿Z方向移動(dòng)，以靠近或遠(yuǎn)離板表面。激光二極管單元37、37'被連 接到它們各自的掃描儀和透鏡單元上并將激光束引導(dǎo)到板表面，以形成在每個(gè)掃描儀和透 鏡單元的視場(chǎng)中心附近的光斑。帶有相關(guān)成像光學(xué)元件的攝像機(jī)單元38和38'連接到它 們相應(yīng)的掃描儀和透鏡單元，接收由光斑散射或反射的激光輻射并記錄下它們?cè)诎灞砻娴?位置。攝像機(jī)單元的輸出信號(hào)通過(guò)電子單元39、39'被處理，而電子單元隨后驅(qū)動(dòng)控制望遠(yuǎn) 鏡中光學(xué)元件之間間隔的伺服馬達(dá)系統(tǒng)。
圖4示出了一種可變的光束望遠(yuǎn)鏡單元的操作方法。激光束41經(jīng)過(guò)具有負(fù)焦距 的透鏡42，接下來(lái)經(jīng)過(guò)具有正焦距的透鏡43，然后傳遞到掃描儀單元44。F-θ透鏡45將 光束聚焦到位置46。發(fā)散透鏡移動(dòng)到位置47會(huì)使兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡透鏡之間間隔減小，這導(dǎo)致從 望遠(yuǎn)鏡射出的光束發(fā)散并導(dǎo)致經(jīng)過(guò)F- θ透鏡后的光束焦點(diǎn)沿Z方向移動(dòng)到更遠(yuǎn)離透鏡的 位置48。如果望遠(yuǎn)鏡的發(fā)散透鏡沿反方向移動(dòng)，則使透鏡之間間隔增大，那么從望遠(yuǎn)鏡射出 的光束會(huì)聚并且在經(jīng)過(guò)F-θ透鏡后的焦點(diǎn)移動(dòng)更靠近透鏡。例如，設(shè)想系統(tǒng)中的透鏡具有 以下焦距，由此例如能夠得到焦點(diǎn)移動(dòng)幅度49 望遠(yuǎn)鏡發(fā)散透鏡=-IOOmm望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚透鏡=+125mmF-θ 透鏡=+150mm在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡元件之間的額定間隔為25mm，發(fā)散透鏡在任一方向移動(dòng) 3mm將該間隔變?yōu)?2mm或28mm，導(dǎo)致F- θ透鏡的焦點(diǎn)沿Z向移動(dòng)大約4. 5mm。圖5示出了當(dāng)板沿X和Y方向移動(dòng)和表面位置因其厚度和平面度變化而發(fā)生變化 時(shí)掃描儀和透鏡單元如何響應(yīng)。在如圖所示的情況下，由于在Z向的懸垂，板51不是平的， 并且從掃描儀和透鏡單元到上表面的距離增大，從下表面到下掃描儀和透鏡單元的距離減 小。在此情況下，由激光二極管52在板上表面上產(chǎn)生的激光光斑沿X方向在圖中橫向向右 移動(dòng)，由激光二極管52'在板下表面上產(chǎn)生的激光光斑沿X方向橫向向左移動(dòng)。在此情況 下，激光光斑在板兩面的移動(dòng)由攝像機(jī)單元53、53'檢測(cè)到，攝像機(jī)單元然后生成由伺服控 制單元54、54'進(jìn)行處理的信號(hào)，以引起望遠(yuǎn)鏡55、55'中的光學(xué)元件之間間隔變化。在 圖中示出的情況下，連接到上掃描儀單元56的望遠(yuǎn)鏡中的光學(xué)元件移動(dòng)靠攏，從而在經(jīng)過(guò) F- θ透鏡之后的來(lái)自透鏡58的光束57的焦點(diǎn)進(jìn)一步移動(dòng)遠(yuǎn)離透鏡，使焦點(diǎn)相對(duì)板表面保 持在正確位置。在板下表面出現(xiàn)相反情況，連接到下掃描儀單元56'的望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)元件 進(jìn)一步移動(dòng)分開(kāi)，從而在經(jīng)過(guò)F-θ透鏡之后的來(lái)自透鏡58'的光束57'的焦點(diǎn)移動(dòng)靠近 透鏡，使焦點(diǎn)相對(duì)板表面保持在正確位置。圖6示出了對(duì)一對(duì)掃描儀和透鏡單元的改進(jìn)，以允許將在X和Y方向上的激光加 工圖案與板上已有的圖案或定位標(biāo)記精確對(duì)準(zhǔn)。板61位于一對(duì)相對(duì)的掃描儀62、62'和 透鏡63、63'單元之間。攝像機(jī)單元64、64'被連接到每個(gè)掃描儀和透鏡單元，并且每個(gè)攝 像機(jī)單元具有相關(guān)的光學(xué)元件65、65'，用于在攝像機(jī)單元上形成板表面在點(diǎn)66、66'處 的圖像。當(dāng)攝像機(jī)和透鏡系統(tǒng)的光軸需要與板表面正交時(shí)，觀察點(diǎn)偏離每個(gè)掃描儀和透鏡 單元的掃描視場(chǎng)的中心。在實(shí)際應(yīng)用中這不是問(wèn)題，只要精確知道每個(gè)攝像機(jī)單元在X和 Y方向上的偏移距離。圖7示出這樣一種配置，偏移元器件對(duì)準(zhǔn)攝像機(jī)設(shè)置成具有對(duì)準(zhǔn)和距離檢測(cè)兩種 功能。板71安裝在兩個(gè)掃描儀72、72'和透鏡單元73、73'之間。兩個(gè)激光二極管單元 74,74'布置成傾斜引導(dǎo)它們的光束，從而在用于元器件對(duì)準(zhǔn)的攝像機(jī)單元75、75'的視場(chǎng) 內(nèi)在板表面上形成激光斑。在如圖所示的范例中，板由于在Z方向上的懸垂而是不平坦的， 并且上掃描儀和透鏡單元到上表面的距離增大，從下表面到下掃描儀和透鏡單元的距離減 小。在此情況下，由激光二極管74在板上表面上產(chǎn)生的激光斑沿X方向在圖中橫向向左移 動(dòng)。由激光二極管74'在板下表面上產(chǎn)生的激光斑沿X方向在圖中向右移動(dòng)。在板兩面上 的光斑移動(dòng)由攝像機(jī)單元檢測(cè)到，而該攝像機(jī)單元又產(chǎn)生信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)處理并被送到
9伺服馬達(dá)控制單元76、76'，以使望遠(yuǎn)鏡77、77'中的光學(xué)元件之間間隔變化。在如圖所示 的范例中，連接到上掃描儀單元72的望遠(yuǎn)鏡中的光學(xué)元件移動(dòng)靠攏，從而在經(jīng)過(guò)F- θ透鏡 之后的來(lái)自激光器79的光束78的焦點(diǎn)進(jìn)一步移動(dòng)遠(yuǎn)離透鏡，使焦點(diǎn)相對(duì)板表面保持在正 確位置。在板下表面發(fā)生相反情況，連接到下掃描儀單元77'的望遠(yuǎn)鏡中的光學(xué)元件進(jìn)一 步移動(dòng)分開(kāi)，從而經(jīng)過(guò)F-θ透鏡之后的來(lái)自激光器79'的光束78'的焦點(diǎn)移動(dòng)靠近透鏡， 使焦點(diǎn)相對(duì)板表面保持在正確位置。圖8表示該系統(tǒng)的另一變型方案，其允許激光在薄軟材料制成的連續(xù)幅材的兩面 進(jìn)行加工。激光器81和81'引導(dǎo)光束到兩對(duì)掃描儀和透鏡單元82、82'和83、83'。掃描 儀和透鏡對(duì)安裝在幅材上方的龍門(mén)架上的滑架上和幅材下方的臺(tái)架上，使兩對(duì)掃描儀和透 鏡能沿Y方向移動(dòng)橫過(guò)薄片。待加工幅材84通過(guò)幅材分配輥筒85和幅材卷起輥筒86沿X 方向被引導(dǎo)通過(guò)裝置。幅材被分成元器件區(qū)域的矩形陣列，其中在Y方向有偶數(shù)個(gè)元器件， 掃描儀和透鏡單元在Y方向上的間距(P)設(shè)定成由下式給出的值P = ρΧΝ/η其中，ρ為幅材上的元器件在Y方向上的間距，N是沿Y方向的橫跨幅 材的元器件總數(shù)，η是在Y方向上的掃描儀和透鏡單元數(shù)目。該系統(tǒng)按照步進(jìn)掃描模式操 作，其中，掃描儀和透鏡單元沿Y方向步進(jìn)，以完成Y行中的所有元器件，接下來(lái)，幅材沿X 方向被牽引，以允許加工新的Y行。實(shí)踐中，附加元件如對(duì)準(zhǔn)攝像機(jī)和激光二極管被連接到 每個(gè)掃描儀和透鏡單元上，但這些沒(méi)有在圖中示出。圖中示出了幅材由滾筒直接從工具中 分配和移出，滾筒非?？拷幚韰^(qū)域，而實(shí)際上，滾筒往往會(huì)和加工區(qū)域隔開(kāi)一定距離并且 使用中間輥來(lái)張緊和傳送幅材。圖9示出該系統(tǒng)的一種配置，其允許在兩個(gè)板91、91'的兩面同時(shí)進(jìn)行激光加工。 激光器92、92'發(fā)出光束到四對(duì)掃描儀和透鏡單元93、93' ,94,94' ,95,95'和96、96'。 為了使下方激光束能到達(dá)兩板的下表面，兩板均裝在臺(tái)架上的單個(gè)開(kāi)口框式支承上，使它 們能沿兩維方向X和Y在靜止的掃描儀和透鏡單元之間移動(dòng)。每個(gè)板被細(xì)分成元器件區(qū)域 的矩形陣列，其中，在每個(gè)板上沿Y方向有偶數(shù)個(gè)元器件，加工每個(gè)板的兩個(gè)掃描儀和透鏡 單元在Y方向上的間距(P)設(shè)定成由下式給出的值P = ρΧΝ/η其中，ρ為在Y方向上的在板上的這些元器件的間距，N是在Y方向上的元器件總 數(shù)，η是在Y方向上的處理每個(gè)板的掃描儀和透鏡的數(shù)目。該系統(tǒng)按照步進(jìn)掃描模式操作， 其中，板沿Y方向步進(jìn)，以完成Y行中的所有元器件，接下來(lái)，沿X方向步進(jìn)，以允許加工新 的Y行。圖中示出的是使用兩對(duì)掃描儀和透鏡單元來(lái)處理兩個(gè)板中的每一板的情況，但實(shí) 際上可以使用更多的單元來(lái)提高生產(chǎn)速度。
權(quán)利要求
一種用于通過(guò)矢量化直寫(xiě)的激光刻蝕來(lái)加工多器件板的系統(tǒng)，該多器件板包括具有正面和背面的基片、布置在該正面上的元器件區(qū)域第一陣列和布置在該背面上的元器件區(qū)域第二陣列，該系統(tǒng)包括第一加工站，包括一對(duì)相對(duì)安裝的加工頭，每個(gè)所述加工頭包括具有激光束掃描儀和透鏡單元的激光束傳遞裝置并包括測(cè)距機(jī)構(gòu)；安裝機(jī)構(gòu)，用于將所述板安裝在第一加工站的所述加工頭之間，從而該板和該第一加工站的相對(duì)位置能被調(diào)整，進(jìn)而所述加工頭能與選定的待加工的正面元器件區(qū)域和背面元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)；其中，每個(gè)所述加工頭可被操作，以便使用所述測(cè)距機(jī)構(gòu)測(cè)定該透鏡單元和待加工的元器件區(qū)域的表面之間的距離；根據(jù)該測(cè)定結(jié)果來(lái)控制所述透鏡單元的焦點(diǎn)；和矢量化直寫(xiě)所述元器件區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)布置成能以步進(jìn)方式使該第一加工 站和該板相對(duì)移動(dòng)，由此能通過(guò)相應(yīng)加工頭的該激光束掃描儀來(lái)加工依次的正面元器件區(qū) 域和背面元器件區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征是，還包括與該第一加工站并行操作的第二加工站。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，該安裝機(jī)構(gòu)包括一對(duì)線性臺(tái)架 單元，其允許在所述板和所述加工站之間沿兩軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，一旦所述加工站已就位準(zhǔn)備好 進(jìn)行激光加工，該系統(tǒng)能操作來(lái)鎖定所述板的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，所述測(cè)距機(jī)構(gòu)包括用于將光束 以與該板表面的公稱法線成角度地引向該板表面的定向光源和用于對(duì)所述光束所入射的 該板表面區(qū)域成像的攝像機(jī)單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，每個(gè)加工頭還包括用于板表面 成像的攝像機(jī)單元，以幫助所述透鏡單元與所述元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，所述測(cè)距機(jī)構(gòu)包括用于將光束 沿該板表面的公稱法線引向該板表面的定向光源和用于對(duì)所述光束所入射的該板表面區(qū) 域成像的攝像機(jī)單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征是，該攝像機(jī)單元還被用于幫助該透鏡單元與 所述元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)。
10.一種用于通過(guò)矢量化直寫(xiě)的激光刻蝕來(lái)加工多器件板的方法，該多器件板包括具 有正面和背面的基片、布置在該正面上的元器件區(qū)域第一陣列和布置在該背面上的元器件 區(qū)域第二陣列，該方法包括提供第一加工站，其包括一對(duì)相對(duì)安裝的加工頭，每個(gè)所述加工頭包括具有激光束掃 描儀和透鏡單元的激光束傳遞裝置并包括測(cè)距機(jī)構(gòu)；調(diào)整該第一加工站的所述板和所述加工頭的相對(duì)位置，使所述加工頭能與選定的待加 工的正面元器件區(qū)域和背面元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)；對(duì)于每個(gè)加工頭，使用所述測(cè)距機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)定該透鏡單元和待加工的元器件區(qū)域的表面之間的距離； 根據(jù)該測(cè)定結(jié)果來(lái)調(diào)整所述透鏡單元的焦點(diǎn)；和 矢量化直寫(xiě)該元器件區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征是，該方法使用兩個(gè)或更多的加工站來(lái)執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征是，該方法在依次的正面元器件區(qū)域和 背面元器件區(qū)域上重復(fù)執(zhí)行，直至該多器件板的加工完成。
全文摘要
一種用于通過(guò)矢量化直寫(xiě)的激光刻蝕來(lái)加工多器件板的系統(tǒng)，該多器件板包括具有正面和背面的基片、布置在正面上的元器件區(qū)域第一陣列和布置在該背面上的元器件區(qū)域第二陣列，該系統(tǒng)包括具有一對(duì)相對(duì)安裝的加工頭的第一加工站，每個(gè)加工頭包括具有激光束掃描儀和透鏡單元的激光束傳遞裝置并包括測(cè)距機(jī)構(gòu)；用于將該板安裝在第一加工站的加工頭之間的安裝機(jī)構(gòu)，以使板和第一加工站的相對(duì)位置能被調(diào)整，從而加工頭能與選定的待加工的正面元器件區(qū)域和背面元器件區(qū)域?qū)?zhǔn)；每個(gè)加工頭可操作，以便使用所述測(cè)距機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)定透鏡單元和待加工的元器件區(qū)域的表面之間的距離，根據(jù)測(cè)定結(jié)果來(lái)控制該透鏡單元的焦點(diǎn)，和矢量直寫(xiě)該元器件區(qū)域。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101971099SQ200980105445
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
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