專利名稱：用于電路基板加工的激光機光學(xué)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電路基板加工的激光機光學(xué)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，其中，激光源的激光束經(jīng)偏轉(zhuǎn)單元和成像單元指向加工面的目標(biāo)點上，其中，借助于攝像機控制和測量在加工面上的標(biāo)記位置。
為了加工電路基板，例如印刷電路板，在必須以較大速度對極精細(xì)結(jié)構(gòu)加工時，越來越廣泛地使用激光。此外，例如涉及用于印刷電路板不同層之間接觸通孔的通孔或盲孔的鉆孔，涉及導(dǎo)電或者非導(dǎo)電層，阻焊漆層，抗蝕層等的結(jié)構(gòu)化。此外，例如按照多步驟鉆盲孔，其中，為了例如有效地引入各種不同的能量密度，實際的加工面能以不同高度處于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上。
當(dāng)激光束只偏轉(zhuǎn)在小加工面上時，則可以達到良好的定位精度，因為在這種情況下，只利用了為激光束聚焦必須的遠心透鏡的中間部分。因為在F-θ物鏡的光軸附近永遠很好地滿足遠心條件，如果在焦平面之外鉆孔或結(jié)構(gòu)化也不會產(chǎn)生任何問題。
然而，為了提高加工速度和充分利用激光束，越來越產(chǎn)生希望復(fù)蓋更大的加工區(qū)域，其中的確也必須利用遠心透鏡的邊緣區(qū)域。因為該透鏡隨著接近邊緣區(qū)域，其角度誤差增加，所以光束越遠離光軸使用，則定位誤差越大。
通過人們使用攝像機，測量具有精確預(yù)定的標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)板，由此導(dǎo)出修正值，并且在控制偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)時考慮該值，可以達到一定的改善。然而實際表明，加工面越處于焦平面之外，則為了準(zhǔn)確定位，這樣的修正值越不能滿足使用。
本發(fā)明的目的是提供激光機光學(xué)系統(tǒng)的一種校準(zhǔn)方法，用于本文開始所述的方式的電路基板加工，該方法可以用激光器實現(xiàn)對盡可能大的區(qū)域加工，并且在這種情況下，在整個加工區(qū)域并在相對焦平面不同的作業(yè)高度，以極高的精度對激光束定位。
根據(jù)本發(fā)明這種方法具有以下步驟，即—具有預(yù)定加工面的第一樣板安排在成像單元的、作為第一校準(zhǔn)面的焦平面上，之后，在該樣板上用激光束指向復(fù)蓋加工面的網(wǎng)格(Raster)內(nèi)預(yù)定的目標(biāo)點，并且配備標(biāo)記，
—借助于攝像機量測第一樣板標(biāo)記的位置，并與預(yù)定目標(biāo)點的位置加以比較，其中根據(jù)偏差，每次把第一修正值儲存在第一校準(zhǔn)表內(nèi)，—把具有預(yù)定加工面的第二樣板安排在與焦平面平行，并且以離開焦平面預(yù)定距離的第二校準(zhǔn)面處，以后在該第二樣板上如第一樣板的情況也用激光束指向同樣的網(wǎng)格內(nèi)的目標(biāo)點，并配備標(biāo)記，—也測量第二樣板標(biāo)記的位置，并與預(yù)定目標(biāo)點的位置加以比較，其中根據(jù)偏差，每次把第二修正值并儲存在第二校準(zhǔn)表內(nèi)，以及—把從第一和第二校準(zhǔn)表的修正值輸入到控制單元，該控制單元按照需要對于處在焦平面和第二校準(zhǔn)面之間的任一加工面上的每一目標(biāo)點，通過第一和第二修正值的內(nèi)插補求出那時實際上的修正值，并且用于控制偏轉(zhuǎn)單元。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，在至少兩個不同平面，即在加工面的兩個極端位置進行校準(zhǔn)。這時求出在兩個平面內(nèi)遠心透鏡的枕形失真，桶形失真以及角誤差，并在實際上轉(zhuǎn)換為三維校準(zhǔn)表。按照這種方式，不僅在兩個為了校準(zhǔn)而測量的平面內(nèi)求出修正值的水平內(nèi)插補是可能的，而且也可以在其間的任一加工高度進行內(nèi)插補。因此除了焦平面之外可以利用更大的掃描區(qū)域(Schreibfeld)，例如50mm×50mm，其中，速度優(yōu)勢隨著加工時始終保持不變的精度而出現(xiàn)。
在一激光打孔機有利的結(jié)構(gòu)中，以眾知的方式預(yù)先規(guī)定，攝像機光程經(jīng)過如激光束相同的光程。在這種情況下，由于用于攝像機圖像的照明具有與激光束不同的波長而出現(xiàn)附加的光學(xué)誤差。在這種情況下，在本發(fā)明擴展中預(yù)先規(guī)定，在照射第一樣板之前，將具有對應(yīng)于預(yù)定的目標(biāo)點的、高準(zhǔn)確度加標(biāo)記的網(wǎng)格點的標(biāo)準(zhǔn)樣板(測繪片)安排在焦平面上，隨后借助于攝像機測量網(wǎng)格點的位置，并且將網(wǎng)格點測量的位置與網(wǎng)格點預(yù)定位置的偏差儲存在攝像機校準(zhǔn)表內(nèi)，并且在求出用于控制偏轉(zhuǎn)單元的修正值時加以考慮。
對于特殊的情況，工作面不僅放在焦平面一側(cè)，而且也放在焦平面另一側(cè)，這些也可以是符合期望的，對于這些情況，在本發(fā)明的擴展中規(guī)定了以下附加的步驟—具有預(yù)定加工面的第三樣板安排在與焦平面平行的第三校準(zhǔn)面上，并且離該焦平面一預(yù)定的間距，然而，相對于焦平面它位于第二校準(zhǔn)面的對面，
—之后，如在第一和第二樣板的情況在該樣板上也用激光束指向同樣的網(wǎng)格內(nèi)的目標(biāo)點，并配備標(biāo)記，—借助于攝像機測量第三樣板標(biāo)記的位置，并且與預(yù)定的目標(biāo)點的位置加以比較，其中，根據(jù)偏差每次得到第三修正值，并且儲存在第三校準(zhǔn)表內(nèi)，以及—把從第一和第三校準(zhǔn)表的修正值輸入控制單元，該控制單元根據(jù)需要，對處于焦平面和第三校準(zhǔn)面之間的任一加工面上的每一目標(biāo)點，通過第一和第三修正值的內(nèi)插補求出修正值，并且用于控制偏轉(zhuǎn)單元。
在其它的擴展中，在需要超出用于校準(zhǔn)的第二和也許第三校準(zhǔn)面區(qū)域的狀況下，應(yīng)用加工面也是可能的，其中，那時也使用從第一和第二或第三校準(zhǔn)表的修正值，以便對通過焦平面和第二或第三校準(zhǔn)面給出的區(qū)域之外的目標(biāo)點通過內(nèi)插補求出修正值。
本發(fā)明通過實施例借助于附圖
詳細(xì)說明如下。
唯一的附圖示出與激光加工裝置的方框圖相結(jié)合的各種校準(zhǔn)面的示意圖。
該圖以方框圖形式示出激光加工機的基本部分。主要部分是激光源，激光源之激光束2，經(jīng)二向分色鏡3偏轉(zhuǎn)，并且輸入到檢流計鏡偏轉(zhuǎn)單元4。這個偏轉(zhuǎn)單元具有兩個圍繞彼此垂直的軸可動的鏡，應(yīng)用這兩只鏡可以使光束偏轉(zhuǎn)到加工區(qū)的每一點。為了聚焦，在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4和實際的加工區(qū)之間插入遠心透鏡5，使光束聚焦到所希望的平面上。在本例中，聚焦面用Z1表示。比較理想的方式復(fù)蓋具有邊長L的區(qū)域。但是因為透鏡5具有隨著接近其邊緣區(qū)偏轉(zhuǎn)誤差增加的特性，此外偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4也是帶有誤差的，實際上從激光束到達的區(qū)域大體存在枕形變形或桶形變形，所以例如在焦平面Z1的加工區(qū)的邊緣區(qū)域偏轉(zhuǎn)誤差f1和f2超出邊長L外，但是在從焦平面離開的加工面Z2，在加工面的邊緣區(qū)出現(xiàn)還要大的偏轉(zhuǎn)誤差f3，f4。這種偏離通常也并不對稱，而是從各個方向具有不同大小。
加工面通過攝像機6測量，該攝像機經(jīng)過激光束的光程，即經(jīng)過透鏡5和偏轉(zhuǎn)單元4以及經(jīng)過二向分光鏡3得到光束7。該光束經(jīng)另一反射鏡導(dǎo)入攝像機內(nèi)?？刂茊卧?用于控制激光源1和偏轉(zhuǎn)單元4，該控制單元9通常是一臺計算機10的一部分。此外配備了可存儲編程的控制裝置11，用于既控制攝像機，也控制用于使加工面移動的自動控制機12(roboter)。
為了校準(zhǔn)系統(tǒng)，首先在焦平面Z1之上安排標(biāo)準(zhǔn)樣板，其上由高精度安排的標(biāo)記點繪制復(fù)蓋全部加工面的網(wǎng)格。這些網(wǎng)格點借助未示出的包含例如波長800nm的發(fā)光二極管照明裝置照明，并且借助攝像機量測。從每一單個標(biāo)記點得到的坐標(biāo)與其已知的位置值進行比較；把偏差儲存在攝像機校準(zhǔn)表KTK內(nèi)，主要儲存在計算機10的存儲器13內(nèi)。
在用于偏轉(zhuǎn)激光束的第一主要校準(zhǔn)步驟中，此刻把第一樣板安排在焦平面Z1上。這時涉及例如涂有白色漆層的玻璃片?，F(xiàn)在在該第一樣板上用激光束指向預(yù)定的加工區(qū)的作為目標(biāo)點的所有的網(wǎng)格點，并且例如通過以激光束燒上十字形的方式加標(biāo)記。緊接著用攝像機6對標(biāo)記加以掃描和量測，其中，測定的坐標(biāo)與各網(wǎng)格點的目標(biāo)坐標(biāo)加以比較。把偏差以修正值的的形式輸入到存儲器13內(nèi)的第1校準(zhǔn)表KT1。
此刻在另一校準(zhǔn)步驟中，重新把空的第2樣板安排在第二加工面Z2上，該加工面離開焦平面Z1一個預(yù)定量。正如在先前的校準(zhǔn)步驟所示，這一次也用激光束指向加工區(qū)域的每一網(wǎng)格點，并且燒上標(biāo)記形狀。此后通過攝像機6重新對所有標(biāo)記加以掃描和量測；對目標(biāo)點的位置數(shù)據(jù)的偏差作為第二修正值存儲在存儲器13內(nèi)的第二校準(zhǔn)表KT2。
用如此得到和儲存的修正值現(xiàn)在可以對焦平面Z1和第二校準(zhǔn)面Z2之間空間區(qū)域內(nèi)的任一平面Zi的每個目標(biāo)點通過從兩個校準(zhǔn)表KT1和KT2的內(nèi)插補導(dǎo)出一修正值。因此可以例如以±5μm的精度對鉆孔定位。
權(quán)利要求
1.用于電路基板加工的激光機光學(xué)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，其中，激光源(1)的激光束(2)經(jīng)過偏轉(zhuǎn)單元(4)和成像單元(5)指向加工面的目標(biāo)點并且其中借助于攝像機(6)控制和測量在加工面上的標(biāo)記位置，該方法具有以下步驟-具有預(yù)定加工面的第一樣板安排在第一校準(zhǔn)平面的成像單元的焦平面(Z1)上，-此后，在該樣板上用激光束(2)指向包含加工面的網(wǎng)格(Raster)內(nèi)的預(yù)定的目標(biāo)點，并配備標(biāo)記，-借助于攝像機(6)測量第一樣板標(biāo)記的位置，并且與預(yù)定的目標(biāo)點的位置加以比較，其中，根據(jù)偏差每次把第1修正值儲存到第一校準(zhǔn)表(KT1)內(nèi)，-把具有預(yù)定加工面的第二樣板安排在與焦平面平行并以離開焦平面(Z1)一定距離的第二校準(zhǔn)面(Z2)處，此后在該第二樣板上如第一樣板的狀況也用激光束(2)指向同樣的網(wǎng)格內(nèi)的目標(biāo)點，并配備標(biāo)記，-也量測第二樣板標(biāo)記的位置，并與預(yù)定目標(biāo)點的位置加以比較，其中，根據(jù)偏差各求出第二修正值，并且儲存在第二校準(zhǔn)表(KT2)內(nèi)，-從第一和第二校準(zhǔn)表(KT1，KT2)來的修正值輸入到控制單元(9)，并且按照需要對處在焦平面(Z1)和第二校準(zhǔn)平面(Z2)之間的任一加工面(Z3)的每一目標(biāo)點，通過從第一和第二修正值的內(nèi)插補求出修正值，并且用于控制偏轉(zhuǎn)單元(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中攝像機(6)的光程經(jīng)過如激光束(2)同一光程，該方法具有如下附加步驟-在照射第一樣板之前，將具有對應(yīng)于預(yù)定的目標(biāo)點的、高準(zhǔn)確度加標(biāo)記的網(wǎng)格點的標(biāo)準(zhǔn)板(Mapping-platte)安排在焦平面(Z1)上，并且借助于攝像機(6)測量網(wǎng)格點的位置，其中，把量測位置對網(wǎng)格點預(yù)定位置的偏離放入攝像機校正表(KTK)內(nèi)，并且在求出用于控制偏轉(zhuǎn)單元的修正值時加以考慮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，該方法具有以下附加步驟-具有預(yù)定加工面的第三樣板安排在與焦平面(Z1)平行的第三校準(zhǔn)面上，并且離該焦平面一預(yù)定間距，然而相對于焦平面它位于第二校準(zhǔn)面(Z2)的對面，-此后，如在第一和第二樣板的情況在該樣板上也用激光束指向同樣的網(wǎng)格內(nèi)的目標(biāo)點掃描，并配備標(biāo)記，-借助于攝像機測量第三樣板標(biāo)記的位置，并且與預(yù)定目標(biāo)點的位置加以比較，其中，根據(jù)偏差每次得到第三修正值，并且儲存在第三校準(zhǔn)表內(nèi)，以及-把從第一和第三校準(zhǔn)表的修正值輸入控制單元(9)，該控制單元根據(jù)需要，對處于焦平面和第三校準(zhǔn)面之間的任一加工面上的每一目標(biāo)點，通過第一和第三修正值的內(nèi)插補求出修正值，并且用于控制偏轉(zhuǎn)單元(4)。
4.根據(jù)權(quán)利1到3之一所述的方法，該方法具有如下的附加步驟-為了給通過焦平面和第二或第三校準(zhǔn)面給出的區(qū)域之外的目標(biāo)點通過內(nèi)插補求出修正值將應(yīng)用第一和第二或第三校準(zhǔn)表的修正值。
全文摘要
為了校準(zhǔn)具有激光源(1)，偏轉(zhuǎn)單元(4)和成像單元(5)的激光機光學(xué)系統(tǒng)，首先在成像單元的焦平面(Z1)上安排第一樣板，其中，通過激光束(2)對預(yù)定的網(wǎng)格點加標(biāo)記。此后，加標(biāo)記的點通過攝像機(6)進行量測，并且對其位置值與預(yù)先確定的目標(biāo)點的位置值進行比較，以便由此導(dǎo)出和儲存第一修正值。之后，把第二樣板安排在離開該焦平面一定距離的一第二校準(zhǔn)平面(Z2)，也通過激光束對準(zhǔn)，并配備標(biāo)記。該第二樣板也通過攝像機(6)測量，并且把測量的標(biāo)記位置與目標(biāo)點位置加以比較，以便導(dǎo)出和儲存第二修正值。從儲存的兩個平面的第一和第二修正值通過內(nèi)插補求出對處于焦平面(Z1)和第二校準(zhǔn)平面(Z2)之間空間區(qū)域的任一目標(biāo)點的修正值，并用于控制偏轉(zhuǎn)單元(4)。
文檔編號H05K3/00GK1522187SQ02813038
公開日2004年8月18日 申請日期2002年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者A·基爾陶, A·克萊蒂, H·J·邁爾, E·羅蘭茨, A 基爾陶, 即, 車, 邁爾 申請人:西門子公司