專利名稱：多刀具定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相對于多個相關(guān)工件上的目標(biāo)位置對多個“刀具”例如激光束或其他射束進行定位的裝置和方法，尤其涉及一種用一多級、多頭定位器準(zhǔn)確調(diào)整多個刀具和相關(guān)目標(biāo)位置的定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種工藝技術(shù)將刀具用于微型機加工或?qū)D案或材料沉積在工件上目標(biāo)位置的上面。例如，微型鉆頭可用來制成微型電機的機架；微型沖頭可用來在薄金屬平板中沖孔；激光器可用來精確地加工或有選擇地蝕刻金屬、晶體或非晶試樣；離子束可用來有選擇地將帶電粒子摻雜到集成電路中。上述所有的方法共有準(zhǔn)確而迅速地將相應(yīng)刀具定位到工件上目標(biāo)位置上的共同要求。
在某些大批量生產(chǎn)應(yīng)用中，相對于多個對應(yīng)的工件同時對多個刀具進行定位以提高加工量并減小總的生產(chǎn)成本。一種這樣的應(yīng)用是用一多軸鉆床同時在多個電路板上鉆出相同組的孔。這種機床的加工量高但需要準(zhǔn)確地用夾具固定多個工件，它們無法補償工件中的尺寸差，并且易出現(xiàn)頻繁更換鉆頭的停機時間。
在一相關(guān)應(yīng)用中，以前的工作人員使用激光器加工多層電路板的上層之間的通孔。這種機床具有高準(zhǔn)確度且無需更換鉆頭，但它們沒有多軸鉆床的加工量高。
另外，存在兩個用來調(diào)整刀具與工件間的相對運動而暴露出的但卻對立的要求。即，特征尺寸(feature size)在減小，使得尺寸精度需要提高，而同時工件的整體尺寸在增大。因此，強加給刀具定位器的準(zhǔn)確度、尺寸和速度的要求正承受現(xiàn)有定位系統(tǒng)限制的重負(fù)。
現(xiàn)有定位器一般的特征在于低速、長距離運動或高速、短距離運動。象X-Y平移臺這樣的低速、長距離運動定位器的特征在于高定位準(zhǔn)確度；而象檢流計驅(qū)動光束偏轉(zhuǎn)器這樣的高速、短距離運動定位器的特征在于偏轉(zhuǎn)角的非線性。
一種長距離運動、高速定位方法在1985年7月30日公布的題為“METHOD AND APPARATUS FOR POSITIONING A FOCUSEDBEAM ON AN INTEGRATED CIRCUIT”的美國專利4,532,402中有所描述，其中把象檢流計這樣的高速短距離運動定位器(“高速定位器”)和象X-Y平移臺這樣的長距離運動、低速、但高準(zhǔn)確度定位器(“低速定位器”)組合在一起。這兩種定位器能把短而快的運動與長而準(zhǔn)確的運動結(jié)合起來，準(zhǔn)確而迅速地把象激光束這樣的刀具定位到一個工件例如一集成電路或一印刷電路板上的目標(biāo)位置。這兩種定位器的結(jié)合運動要求首先將低速定位器移到工件上一目標(biāo)位置附近的一個已知位置，停止低速定位器，將高速定位器移到準(zhǔn)確的目標(biāo)位置，停止高速定位器，使刀具在目標(biāo)位置上操作，然后對下一個目標(biāo)位置重復(fù)該過程。
但是，這樣一種定位方法有嚴(yán)重的缺陷。顯然，所有起動與停止都要使刀具加工工件所需時間過度增加的延遲時間量。對于用計算機的機床控制文件或“數(shù)據(jù)庫”還有一個嚴(yán)重的缺陷，即一般指令刀具移到經(jīng)過該工件的一系列目標(biāo)位置上。
通過工件的激光加工(例如具有一些小特征的規(guī)則圖案的集成電路)要求，用一激光束微調(diào)來說明該缺陷。若低速定位器能準(zhǔn)確地逐圖案移動激光束、而且高速定位器能將激光束迅速對準(zhǔn)要求在每個圖案中微調(diào)的所有小特征，則定位器與激光束會有效地配合工作。
不過，若最大圖案的尺寸超出了高速定位器的運動范圍，則必須把經(jīng)過工件對刀具定位的數(shù)據(jù)庫“節(jié)段化(panelized)”為鄰接的數(shù)據(jù)段，每段都在高速定位器的運動范圍之內(nèi)。上述朝向增高的尺寸精度和更大工件的趨勢實際上確保了對節(jié)段化的數(shù)據(jù)庫的需求。節(jié)段化把短、高速定位和長、高準(zhǔn)確度定位這兩個相矛盾的任務(wù)分配為高速和低速定位器的適當(dāng)運動任務(wù)。
例如，
圖1表示具有晶體管和相關(guān)電互連結(jié)構(gòu)的一基本規(guī)則圖案的集成電路10，其適于用由一節(jié)段化的數(shù)據(jù)庫定位的離子摻雜刀具進行處理。在此例中，通過將硼離子可控地?fù)诫s到集成電路10的P溝道襯底區(qū)內(nèi)來調(diào)節(jié)所選晶體管的閾值電壓。待摻雜襯底區(qū)覆蓋了比高速定位器的運動范圍更大的區(qū)域。因此，低速定位器將離子摻雜刀具推動到相對對準(zhǔn)集成電路10的節(jié)間(panel)14(用虛線示出的節(jié)間)的一原點12的位置上，在這個運動之后，高速定位器執(zhí)行離子摻雜刀具和集成電路10之間所需的較短運動，以處理數(shù)據(jù)庫控制的節(jié)間14中的襯底區(qū)。在處理完節(jié)間14之后，低速定位器將離子摻雜刀具移到相對對準(zhǔn)集成電路10的節(jié)間18的原點16的位置上，在該運動之后，高速定位器執(zhí)行離子摻雜刀具和集成電路10之間所需較短的運動，以處理數(shù)據(jù)庫控制的節(jié)間18中的襯底區(qū)。
通過逐個經(jīng)過各節(jié)間22、26、30、34和38的原點20、24、28、32和36重復(fù)執(zhí)行上述過程，直到完全處理完集成電路10為止。注意，互連焊盤40并不完全包圍在單個節(jié)間中。幸而在此例中，互連焊盤40無需離子摻雜處理，并且對節(jié)段化的目的來說可忽略。
由于是逐步增加地執(zhí)行這些運動，所以數(shù)據(jù)庫節(jié)段化至多是一個低效、近似最優(yōu)法，它將刀具行程分成幾個預(yù)定分段的固有低效小運動指令組。
節(jié)段化還取決于所用特定定位器的運動能力以及被定位刀具的類型。例如，不僅要根據(jù)集成電路10的圖案規(guī)律，還要根據(jù)高速定位器的運動范圍和分配給離子摻雜刀具的特定目標(biāo)位置描繪數(shù)據(jù)庫中分配給集成電路10的節(jié)間。若刀具類型改變，則可能需要不同定位器類型來處理不同目標(biāo)位置上的不同特征。兩種改變都可能需要重新對數(shù)據(jù)庫進行節(jié)段化以適應(yīng)新的定位器和刀具。
節(jié)段化還要求數(shù)據(jù)庫內(nèi)的每個節(jié)間都必須與工件內(nèi)的節(jié)間緊鄰而不使刀具操作跨在或重疊在一個節(jié)間邊界上。在該集成電路10的例子中，若不用離子摻雜刀具而是用一激光束刀具來處理互連焊盤40的金屬化層，則圖1所示的節(jié)段化可能并不合適，因為互連焊盤40跨過兩個節(jié)間。若工件包括不規(guī)則圖案(例如用來在一印刷電路板中鉆孔的目標(biāo)位置)，則會產(chǎn)生相同的問題。有些工件與刀具類型的組合并不完全有助于節(jié)段化。當(dāng)然，即使在一大于特定高速定位器運動范圍的空間距離上也可重復(fù)圖案的規(guī)律性。采用一種具有足夠大運動范圍的高速定位器，可能因為增大的質(zhì)量和非線性度而變得適得其反。
因此，需要一種用來對各種刀具相對于各種工件進行定位的高加工量的裝置和方法，而無需一個節(jié)段化的刀具行程數(shù)據(jù)庫。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的在于提供一種在多刀加工系統(tǒng)中的多個定位器中自動和優(yōu)選分配數(shù)據(jù)庫定位指令的改進的裝置和方法。
本發(fā)明的優(yōu)點在于提供用來在多個工件上同時進行刀具行程操作而無需節(jié)段化數(shù)據(jù)庫的裝置和方法。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于提供使用多速定位系統(tǒng)提高多個同時刀具行程操作的準(zhǔn)確度和加工量的裝置和方法。
本發(fā)明的多速定位系統(tǒng)從一數(shù)據(jù)庫中接收未節(jié)段化的定位指令，將這些指令描繪成半正弦波定位信號，并進一步將這些半正弦波定位信號處理成低頻和高頻定位信號，用以起動相應(yīng)的低速和高速定位器到達數(shù)據(jù)庫定義的目標(biāo)位置。低速和高速定位器響應(yīng)一組定位指令數(shù)據(jù)移動而無需停止，同時調(diào)整它們各自的運動位置從而在數(shù)據(jù)庫限定的目標(biāo)位置上產(chǎn)生暫時靜止的刀具位置。該多速定位系統(tǒng)降低了高速定位器運動范圍的要求，同時無需一節(jié)段化數(shù)據(jù)庫就能提供顯著增加的刀具加工量。
將半正弦波定位信號分為加速度和位置分量。通過使位置分量經(jīng)過一個四階仿形濾波器(profiling filter)實現(xiàn)高刀具加工量，該四階仿形濾波器具有固定延遲量并產(chǎn)生用來驅(qū)動低速定位器的低頻位置和加速度分量。用同樣的量(如固定延遲量)來延遲未濾波的位置和加速度分量，以產(chǎn)生用來驅(qū)動高速定位器的高頻位置和加速度分量。通過將這些饋通相關(guān)誤差作為部分高速定位指令指向高速定位器，來校正由低速定位器對饋通給仿形濾波器的高速級分量的不響應(yīng)性造成的低速定位誤差。通過將實際刀具位置與修改低速和高速級定位信號的反饋網(wǎng)絡(luò)中的指令刀具位置進行比較，來校正由與定位器相關(guān)的慣性和摩擦造成的定位誤差。
本發(fā)明的多速、多頭定位器實施例，接收和處理如上的未節(jié)段化定位指令，起動低速定位器和固定于低速定位器上的多個高速定位器，同時相對于多個相關(guān)工件上的目標(biāo)位置對多刀具進行定位。每個高速定位器連接到一高速級信號處理器上，該高速級信號處理器向每個高速級定位器提供校正過的定位數(shù)據(jù)，以補償高速級的非線性度和多個工件中的工件位移、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化。
該多速、多頭定位系統(tǒng)通過用單獨一個系統(tǒng)同時加工多個工件可降低工件加工成本和改善工件加工量。另外，由于具有處理位移、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化的工件的能力，故減少加工過工件的廢品。
該多速、多頭定位器的一個優(yōu)選實施例，在印刷電路板(“ECB”)中切割盲通孔(blind via hole)具有提高的產(chǎn)量和加工量。在本實施例中，一半刀具為紫外(“UV”)激光器，它們易于切割導(dǎo)體層和介電層，而且另一半刀具為紅外(“IR”)激光器，它們僅易于切割介電層。控制紫外激光器切割上導(dǎo)體層和下介電層的一部分，控制紅外激光器切割剩余的介電層而不切穿或破壞第二下導(dǎo)體層。這些組合激光加工步驟將一寬加工窗用于在ECB中切割盲通孔。另外，通過在未加工ECB中切割導(dǎo)體層而同時在已切割了它們的導(dǎo)體層的ECB中切割介電層來增加產(chǎn)量。通過在產(chǎn)生任何ECB位移、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化的每個切割步驟之前執(zhí)行一個工件校準(zhǔn)來增加加工量。
根據(jù)以下參照附圖進行的對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將會顯而易見。
附圖簡述圖1是根據(jù)已有技術(shù)定位器運動節(jié)段化方案而被節(jié)段化以用于刀具加工的一個集成電路工作區(qū)的平面圖。
圖2是本發(fā)明的多級激光束定位系統(tǒng)的框圖。
圖3A與3B是時間與速度關(guān)系曲線圖，分別表示根據(jù)本發(fā)明的定位指令所處理的兩段和三段定位器的速度曲線。
圖4是表示適于本發(fā)明使用的已有技術(shù)的檢流計驅(qū)動反射鏡定位器的局部零件側(cè)視圖。
圖5是表示響應(yīng)根據(jù)本發(fā)明的定位信號的高速與低速定位級速度與位置的波形圖。
圖6是表示本發(fā)明的多頭激光加工系統(tǒng)的斜視圖。
圖7是一數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡化電氣框圖，該系統(tǒng)包括用在圖6的多頭激光加工系統(tǒng)中的多個高速級信號處理器。
圖8是用在圖7的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的多個高速級信號處理器中的一個的簡化電氣框圖。
優(yōu)選實施例詳述圖2表示一按照本發(fā)明具有定位指令執(zhí)行能力的多級刀具定位系統(tǒng)50。僅參照單頭的激光切割孔系統(tǒng)舉例說明本定位系統(tǒng)50，該系統(tǒng)利用數(shù)字信號處理器(“DSP”)52控制高速檢流計式定位級54(“高速級54”)、低速X軸平移級56(“低速級56”)和低速Y軸平移級58(“低速級58”)，從而將激光束60射向單個工件62(例如一印刷電路板)上的目標(biāo)位置。雖然定位系統(tǒng)50由固定在低速級56上的高速級54和固定在低速級58上的單個工件62具體化，但是刀具定位系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)，例如其中在低速級56上固定多個高速級54和在低速級58上固定多個工件62的結(jié)構(gòu)，也有利于采用本發(fā)明。
系統(tǒng)控制計算機63對存入數(shù)據(jù)庫存儲子系統(tǒng)64中的刀具行程數(shù)據(jù)庫進行處理。該數(shù)據(jù)庫含有利用激光束60在工件62中切割孔和/或輪廓線所需的加工參數(shù)。該數(shù)據(jù)庫便于利用一刀具行程生成程序(例如由位于Eugene,Oregon的Camex Manufacturing Technologies制作的SMARTCAMTM)編制。系統(tǒng)控制計算機63將該存儲數(shù)據(jù)庫的分析部分傳輸給激光器控制器68，并且將該數(shù)據(jù)庫的定位控制部分作為一數(shù)據(jù)流傳輸給增量處理部分70。增量處理部分70將該數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢迷隽?“dx”和“dy”)、速度增量(“dv”)和時間增量(“dt”)分量，令每個分量使經(jīng)過工件62的激光束60的路徑變化。因此，激光束60的每一運動都由dx、dy、dv和dt分量限定，這些分量還由位置仿形器(positionprofiler)72處理成一個半正弦波仿形定位信號。
激光控制器68由增量處理部分70產(chǎn)生的定時數(shù)據(jù)控制，還由根據(jù)同步技術(shù)使激光器76的發(fā)射與高速級54和低速級56和58的動作同步的觸發(fā)處理部分調(diào)整，該同步技術(shù)例如為1995年9月26日公布的美國專利5,453,594中所述的那種，其題目為“RADIATION BEAM POSITIONAND EMISSION COORDINATION SYSTEM”，該專利已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
增量處理部分70根據(jù)參照圖3A與3B描述的一優(yōu)選BASIC語言信號處理程序生成dx、dy、dv和dt分量。
在調(diào)入被稱作“gen_move”的優(yōu)選程序之前，初始化最大加速度(amax)、最大速度(vmax)和最小時間(tmin)的極值。這些極值是由特定定位器硬件(高速或低速)所施加的實際硬件極值，該特定定位器硬件需要根據(jù)一特定定位指令移動大部分距離。例如，若運動距離小于最大高速定位器運動范圍的25％，則設(shè)定這些值用于高速定位器。否則設(shè)定這些值用于低速定位器。高速級54和低速級56與58的極值如下高速低速vmax(米/秒) 1 0.25amax(g) 501.0tmin(毫秒) 2 20.0程序gen_move可以計算所需用來使定位級在兩個或三個運動段中從任意初始位置和初始速度移動到任意末位置和末速度的dx、dy、dv和dt值。
所有運動段包括一個半正弦波曲線加速度段(“段1”)、一個恒速段(“段2”)和一個半正弦波曲線減速度段(“段3”)的某種組合。如圖3A所示，當(dāng)一個定位指令大得足以使定位器速度到達+vmax或-vmax時，段2包括于段1與3之間。否則，如圖3B所示，僅包括段1和3(段2等于0)來執(zhí)行兩段移動指令。熟練工作人員將易于理解程序gen_move通常與以下BASIC語言描述相一致。
程序gen_move(g&,h&)附注“g”和“h”是指向從數(shù)據(jù)庫選取的位置與速度的一個變址陣列的指針。
<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[xi=px(g&)!x初始位置!umyi=py(g&)!y初始位置xvi=vx(g&)!x初始速度!um/secyvi=vy(g&)!y初始速度xf=px(h&)!x末位置yf=py(h&)!y末位置xvf=vx(h&+1)!x末速度yvf+vy(h&+1)!y末速度附注根據(jù)位置、初始和末速度以及最小運動時間的總變化計算X和Y運動的最大(或最小)絕對速度(上限為vmax)。dx=xf-xidy=yf-yixvmax=dx/tmin-(xvi+xvf)/2IF xvmax＞vmax xvmax=vmaxENDIFIF xvmax＜-vmax xvmax=-vmaxENDIF附注假定dt1=dt3。若dt1與dt3=tmin,則采用最大速度。yvmax=dy/tmin-(yvi+yvf)/2IF yvmax＞vmax yvmax=vmaxENDIFIF yvmax＜-vmax yvmax=-vmaxENDIF附注計算段1與3的dt，假設(shè)需要三段執(zhí)行該特定定位指令。kpo2=(PI/2)/amaxdt1=MAX(tmin,ABS((xvmax-xvi)*kpo2),ABS((yvmax-yvi)*kpo2)) dt3=MAX(tmin,ABS((xvf-xvmax)*kpo2),ABS((yvf-yvmax)*kpo2))附注計算x和y軸的dt2(xdt2和ydt2)。若兩個中的一個的結(jié)果為正，則需要一恒速段2。xdt2和ydt2還確定一主軸，即，需要以恒定最大速度移動的最大時間的軸。IF xvmax＞0 xdt2=(dx-((xvi+vmax)*dt1/2)-((xvf+vmax)*dt3/2))/vmaxELSE xdt2=(dx-((xvi-vmax)*dt1/2)-((xvf-vmax)*dt3/2))/-vmaxENDIFIF yvmax＞0 ydt2=(dy-((yvi+vmax)*dt1/2)-((yvf+vmax)*dt3/2))/vmaxELSE ydt2=(dy-((yvi-vmax)*dt1/2)-((yvf-vmax)*dt3/2))/-vmaxENDIFIF xdt2＞0 OR vdt2＞0 ！三段運動附注計算每個運動段的dp、dv。 IF xdt2＞vdt2 ！X主軸 dx1=(xvi+xvmax)*dt1/2 xdv1=xvmax-xvi dx2=((-xvi-xvmax)*dt1/2)+((-xvmax-xvf)*dt3/2)+dx xdv2=0dx3=(xvmax+xvf)*dt3/2 xdv3=xvf-xvmax ydt2=xdt2 kb=1/(2*ydt2+dt3+dt1) dy1=((yvi-yvf)*((dt1*dt3)/2+(dy+yvi*ydt2)*dt1)*kb ydv1=((-yvi-yvf)*dt3+2*dy-2*yvi*(ydt2+dt1))*kb dy2=(2*dy-dt1*yvi-dt2*yvf)*ydt2*kb ydv2=0 dy3=((yv-yvi)*((dt3*dt1)/2+(dy+ydt2*yvf)*dt3)*kb ydv3=((yvi+yvf)*dt1-2*dy+2*(dt3+ydt2)*yvf)*kb ELSE!Y主軸 dy1=(yvi+yvmax)*dt1/2 ydv1=yvmax-xvi dy2=((-yvi-yvmax)*dt1/2)+((-yvmax-yvf)*dt3/2)+dy ydv2=0 dy3=(yvmax+yvf)*dt3/2 ydv3=yvf-yvmax xdt2=ydt2 kb=1/(2*xdt2+dt3+dt1) dx1=((xvi-xvf)*((dt1*dt3)/2+(dx+xvi*xdt2)*dt1)*kb xdv1=((-xvi-xvf)*dt3+2*dx-2*xvi*(xdt2+dt1))*kb dx2=(2*dx-dt1*xvi-dt3*xvf)*xdt2*kb xdv2=0 dx3=((xvf-xvi)*((dt3*dt1)/2+(dx+xdt2*xvf)*dt3)*kb xdv3=((xvi+xvf)*dt1-2*dx+2*(dt3+xdt2)*xvf)*kb ENDIFELSE!兩段運動附注計算dtx和dty以確定段1和3的dt。 twomovetime(xvi,xvf,xi,xf,xdt) twomovetime(yvi,yvf,yi,yf,ydt)附注對于兩個段運動來說，dt1=dt3=dtx或dty中較大者。 dt1=MAX(xdt,ydt) dt3=dt1附注計算段1和3的dp和dv。 twosegmentmove xdt2=0 ydt2=0 dx2=0 dy2=0 xdv2=0 ydv2=0ENDIFRETURN附注程序gen_move結(jié)束。]]></pre><pre listing-type="program-listing"><![CDATA[程序twosegmentmove dx1=dx/2+xvi*dt1/4-xvf*dt1/4 xdv1=dx/dt1-3*xvi/2-xvf/2 dy1=dy/2+yvi*dt1/4-yvf*dt1/4 ydv1=dy/dt1-3*yvi/2-yvf/2 dx3=dx/2-xvi*dt3/4+xvf*dt3/4 xdv3=-dx/dt3+xvi/2+3*xvf/2dy3=dy/2-yvi*dt3/4+yvf*dt3/4 ydv3=-dy/dt3+yvi/2+3*yvf/2RETURN]]></pre><pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ 程序twomovetime(vi,vf,ip,fp,VARdt) LOCAL k1,k2,k3 dt=tmin k1=3*vi+vf k1s=k1^2 k2=(32/PI)*amax*(fp-ip) k3=PI(8*amax) IF k1s+k2＞0 dt=MAX(dt,k3*(-k1+SQR(k1s-k2))) ENDIF IF k1s-k2＞0 dt=MAX(dt,k3*(k1+SQR(k1s-k2))) ENDIF k1=vi+3*vf k1s=k1^2 IF k1s+k2＞0 dt=MAX(dt,k3*(-k1+SQR(k1s+k2))) ENDIF IF k1s-k2＞0 dt=MAX(dt,k3*(k1+SQR(k1s-k2))) ENDIF RETURN]]></pre>再參見圖2，增量處理部分70產(chǎn)生的dx、dy、dv和dt分量，進一步由位置仿形器72處理成所需用來在數(shù)據(jù)庫的指令下移動高速級54和低速級56與58的半正弦波定位信號。理論上，定位器的加速度與動力成正比，而動力與供給定位器驅(qū)動器(例如一線性或旋轉(zhuǎn)的伺服電動機或一檢流計線圈)的電流成正比。因此，位置仿形器72產(chǎn)生的定位信號是一系列“全譜(full-spectrum)”半正弦波曲線的加速度感應(yīng)(acceleration-inducing)定位步驟，這些步驟導(dǎo)致如圖3A和3B中所示的那些運動。該全譜帶寬僅需約250赫茲，這么大的帶寬足以將一典型的檢流計驅(qū)動反射鏡定位器以其最大頻率驅(qū)動。
全譜定位信號的瞬時值，是由DSP52通過把增量處理70產(chǎn)生的dx、dy、dv和dt分量用作在DSP52中運行的一正弦值生成程序的變量以約每秒10000點的速率產(chǎn)生。另一方面，dx、dy、dv和dt分量可用來尋址和取出存入一正弦值查找表中的相關(guān)正弦波值，該表被并入DSP52中。
所得到的全譜定位信號含仿形濾波器78和延遲元件79所接收的加速度與位置分量，該仿形濾波器78有一恒定信號傳送延遲量，而延遲元件79在DSP52中補償仿形濾波器78的恒定信號傳送延遲量。例如，延遲元件79將位置仿形器72產(chǎn)生的激光觸發(fā)脈沖延遲到與高速級54和低速級56與58的延遲運動相一致。如下所述，仿形濾波器78與延遲元件79還共同將低速級56和58穩(wěn)定移過平均位置曲線而將其加速度限制在±1g，并且共同將高速級54的定位運動限制在±10毫米。
位置分量由仿形濾波器78接收以產(chǎn)生用以驅(qū)動低速級56與58的濾出位置指令數(shù)據(jù)。仿形濾波器78最好是由下式1所表示的一個四階低通濾波器。
在式1中，ω是仿形濾波器78的固有或截止頻率，ζ是其阻尼比。最好ω等于38弧度每秒，而ζ等于0.707。ζ的0.707值稱為臨界阻尼比，因為它產(chǎn)生一個與仿形濾波器78截止頻率ω以內(nèi)的頻率成線性關(guān)系的相位滯后。該線性相位滯后導(dǎo)致具有固有頻率以內(nèi)一頻率分量的任意半正弦波定位信號的恒定延遲時間。對于式1的濾波器，此延遲時間等于4ζ/ω秒。G(s)=[1(sω)2+2ζsω+1]2--(1)]]>
由于仿形濾波器78根據(jù)半正弦波定位信號位置分量產(chǎn)生具有一恒定延遲時間的濾出位置指令數(shù)據(jù)，所以該恒定延遲時間由延遲元件79補償。最好在DSP52中把延遲元件79作為把半正弦波定位信號的加速度和位置分量從位置仿形器72傳輸給高速級54的信號處理元件的程序延遲來實現(xiàn)，這些信號處理元件首先是加法器80和82。因此，發(fā)送給高速級54的半正弦波定位信號，與發(fā)送給低速級56和58的濾出位置指令在時間上同步。
來自位置仿形器72的加速度分量還由仿形濾波器78濾波，從而將一濾出的加速度指令提供給加法器80和前饋處理部分94。加法器80起高通濾波器的作用，它從全譜定位信號的加速度分量中減去被濾出的加速度指令而形成一檢流計式加速度前饋信號，并把該信號傳輸給前饋處理部分86。同樣，分別把來自仿形濾波器78的濾出位置指令和半正弦波定位信號的延遲位置分量，傳輸給分別用于處理與分配的加法器90與82以及低速級56與58和高速級54。檢流計濾波器97和伺服濾波器98是傳統(tǒng)的回路補償濾波器，起著保持高速級54和低速級56與58穩(wěn)定的作用。
通過級聯(lián)兩個或兩個以上具有臨界阻尼比的二階濾波器來實現(xiàn)仿形濾波器78。當(dāng)所級聯(lián)的濾波器的數(shù)目增加到兩個以上時，它們的截止頻率提高到約為濾波器數(shù)目的平方根倍(例如，兩個濾波器的截止頻率是單個濾波器截止頻率的1.414倍)。最好級聯(lián)兩個濾波器以提供良好的平滑性同時保持整體濾波器裝置簡單。
式1表示的仿形濾波器響應(yīng)，可通過雙線性變換表達為一離散的等效信號。所得到的數(shù)字傳遞函數(shù)由下式2表示。Gz(z)=k(z2+2z+1)2(z2+b1z+b2)2--(2)]]>作為給出以前的輸入和輸出的濾波器輸出yK和wK時域方程，由下式3和4表示。
yk=wk+2wk-1+wk-2-b1yk-1-b2yk-2(3)wK=k(Vk+2Vk-1+Vk-2)-b1wk-1-b2wk-2(4)公式3與4中的系數(shù)由如下式5表示的變量確定。kb1b2=(ω2T24+4ζTω+T2ω2)2-8+2T2ω24+4ζTω+T2ω2-4ζTω+4+T2ω24+4ζTω+T2ω2--(5)]]>式5中，T為濾波器的采樣周期，ω為其截止頻率，ζ為其阻尼比。
對于仿形濾波器78來說，優(yōu)選的38弧度每秒截止頻率(約6赫茲)與10千赫速率相比是一極低的頻率，在10千赫速率頻率下DSP52更新低速級56和58的定位數(shù)據(jù)。若仿形濾波器78在10千赫低速級更新頻率下工作，則離散濾波器系數(shù)對舍入誤差敏感，這是因為離散濾波器的極點向單位圓靠近。因此，最好仿形濾波器78在兩個如式3與4表示的二階濾波器的情況下工作，以對濾波器方程降階并使濾波器系數(shù)適當(dāng)受控。仿形濾波器78還接收來自位置仿形器72的加速度指令并生成濾出的加速度指令，并將濾出的加速度指令傳輸給伺服前饋處理部分94和加法器80。
最好在10千赫的更新速率下計算出理想的運動曲線指令，在加法器80和82上從該指令中減去低速級加速度和實際(未指令的)位置，以分別產(chǎn)生高速級加速度和位置指令信號。
通過加法器80和前饋處理部分86處理高速級加速度指令信號，而通過加法器82和檢流計式濾波器97處理高速級位置指令信號。在加法器84中把處理過的高速級信號加在一起并傳輸給檢流計式驅(qū)動器88。
同樣，通過前饋處理部分94處理低速級濾出的加速度指令，而通過加法器90和伺服濾波器98處理低速級濾出的位置指令。在加法器92中把處理過的低速級信號加在一起并傳輸給線性伺服電動機驅(qū)動器96。
檢流計式驅(qū)動器88向高速級54中的一對鏡偏轉(zhuǎn)檢流計提供偏轉(zhuǎn)控制電流，而且伺服電動機驅(qū)動器96向控制低速級56和58定位的線性伺服電動機提供控制電流。
圖4表示一種適于用作高速級54類型的已有技術(shù)的檢流計驅(qū)動反射鏡定位器100。檢流計式驅(qū)動器88(圖2)在導(dǎo)體102上向各個X軸和Y軸高速響應(yīng)DC電動機104和106提供旋轉(zhuǎn)控制電流，電動機104和106使軸承108中的軸107旋轉(zhuǎn)，以便有選擇地使一對反射鏡110和112回轉(zhuǎn)，以將激光束60通過光學(xué)透鏡114偏轉(zhuǎn)到工件62上的預(yù)定目標(biāo)位置。
另一方面，象壓電元件、音圈致動器或其他限定角度的高速定位裝置這樣的無支承運動定位器，也可用于定位系統(tǒng)50中檢流計驅(qū)動反射鏡定位器100的場合。
同樣參照圖2，準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)機構(gòu)或線性定位機構(gòu)可代替線性伺服電動機來驅(qū)動低速級56和58。但是，在定位系統(tǒng)50中，優(yōu)選優(yōu)先響應(yīng)低速級位置指令的直線電動機。
把兩個信號與低速和高速級位置指令結(jié)合在一起，以減小工件62上激光束60在指令位置與實際位置間的位置誤差。加法器82上被延遲的高速級位置指令和加法器90上被濾出的低速級位置指令，代表對級54、56和58適當(dāng)定位所需的理想信號值。但是，在未修改的位置指令中并未考慮到象重力、摩擦力、質(zhì)量和位置仿形器72產(chǎn)生的全譜定位信號中的不準(zhǔn)確度這樣的實際因素。
通過用位置傳感器120和122檢測級54、56和58的實際位置引出這些實際因素，可向DSP52中的加法器82和90提供預(yù)測位置反饋數(shù)據(jù)。注意，高速級定位線路中的加法器82接收來自兩個位置傳感器120和122的位置反饋數(shù)據(jù)。位置傳感器120和122可以是眾所周知的類型，其采用旋轉(zhuǎn)電容器平板、線性與旋轉(zhuǎn)編碼器尺度或干涉儀運動檢測器與適當(dāng)?shù)哪?shù)和/或數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合。
當(dāng)激光束60進行經(jīng)過工件62的運動時，不斷地把所檢測到的光束位置與指令光束位置作比較，并以其位置差表示實際因素已造成定位誤差所達到的程度。尤其是，通過位置傳感器120和122產(chǎn)生的高速級54和低速級56與58的檢測位置數(shù)據(jù)，在加法器82中把它們從指令位置中減去，以產(chǎn)生在加法器84中與來自前饋處理部分86的加速度數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的位置差數(shù)據(jù)。同樣，通過位置傳感器122產(chǎn)生的低速級56和58的檢測位置數(shù)據(jù)，在加法器90中把它們從指令位置中減去，以產(chǎn)生在加法器92中與來自前饋處理部分94的加速度數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的位置差數(shù)據(jù)。
圖5用圖表表示高速級54和低速級56與58怎樣根據(jù)一典型全譜定位信號128(以粗黑線表示)調(diào)整它們的運動，該全譜定位信號128在DSP52(圖2)中分成高頻位置(“HFP”)信號部分130和低頻位置(“LFP”)信號部分132。HFP信號部分130代表全譜定位信號128的交流耦合、25-250赫茲高通帶部分，而且LFP信號部分132代表全譜定位信號130的直流耦合、0-25赫茲低通帶部分。
全譜定位信號128中每個半正弦波曲線定位步驟(專門用字母尾標(biāo)標(biāo)識，例如128A、128B、128C和128D)，產(chǎn)生HFP信號部分130中對應(yīng)的標(biāo)識步驟(例如，130A、130B、130C和130D)。在此例中，每個定位步驟與相鄰的定位步驟分開約10毫秒，但若有時間分隔的話，該時間分隔是刀具行程數(shù)據(jù)庫中定時數(shù)據(jù)的函數(shù)。
圖5還表示出一合成高速級速度波形134和一合成低速級速度波形136，這兩個波形分別揭示了高速級54和低速級56與58是如何響應(yīng)HFP信號部分130和LFP信號部分132的。
具體地說，HFP信號部分130A、130B、130C和130D中的每個都包括使高速級54經(jīng)受正弦波曲線速度變化的加速度段，該正弦波曲線速度變化由相應(yīng)的高速級速度波形脈沖134A、134B、134C和134D表示。高速速度波形134有一沿速度負(fù)方向過渡并在約-100毫米每秒的值處固定的底線138。該底線偏移是通過在加法器80中把被延遲與濾出的加速度指令結(jié)合在一起而造成的。
HFP信號部分130還表示高速級54是如何在位置上響應(yīng)每個高速速度脈沖134的。本例中所需尖峰高速級定位位移約為2.8毫米，它恰好在一低質(zhì)量(low-mass)的檢流計驅(qū)動反射鏡定位器的10毫米線性范圍之內(nèi)。
LFP信號部分132還表示低速級56和58是如何在位置上響應(yīng)低速速度波形136的。低速級速度波形136沿一速度正方向過渡并在約+100毫米每秒的值處固定。在本例中，低速級位置隨時間線性變化，以使至少一個低速級56和58不停止運動。
全譜定位信號128還表示由波形132和130分別表示的高速與低速級位置結(jié)合起來產(chǎn)生的最后位置。平穩(wěn)段140A、140B、140C和140D表示甚至級54、56和58都在運動所調(diào)整的位置也穩(wěn)定10毫秒時間段。這一點清楚地表示于平穩(wěn)段140C，波形130和132以基本相等和相反的斜度在平穩(wěn)段140C的正下方相交。平穩(wěn)段140對應(yīng)于可激發(fā)激光器76以加工工件62中的孔的時間段。
上述調(diào)整定位尤其有利于例如激光束切割孔這樣的應(yīng)用，其要求沿與每個目標(biāo)位置上用來發(fā)射激光以切割孔的停頓相結(jié)合的刀具行程在目標(biāo)位置之間的高速運動，但當(dāng)然上述調(diào)整定位并不限于該應(yīng)用。
圖6表示本發(fā)明的多頭定位器150實施例，其中同時加工多個工件152A、152B、152C、……152N。(下文把多個元件總稱為不帶字母尾標(biāo)的名稱，例如“工件152”)。多頭定位器150采用低速級56和58各一個，低速級56和58具體為在Y軸低速級58上固定并承載工件152，而在X軸低速級58上承載多個高速級154A、154B、154C、……154N。當(dāng)然低速級56和58的角色也可顛倒過來。
當(dāng)承載于低速級58上的高速級154的數(shù)目增加時，它們的累加質(zhì)量使它們變得愈加難以加速。因此，最好將承載于低速級58上高速級154的數(shù)目N限制在四個，不過N可以隨定位器類型和應(yīng)用變化。
每個工件152都有與其相關(guān)的加工刀具，加工刀具最好為激光器156A、156B、156C、……156N，這些激光器借助相關(guān)的反射鏡158A、158B、158C、……158N將加工能量射向相關(guān)的高速級154A、154B、154C、……154N。高速級154將加工能量偏轉(zhuǎn)到位于相關(guān)工件152上基本上為正方形的20毫米×20毫米加工區(qū)域162A、162B、162C、……162N中的目標(biāo)位置。
視頻攝像機160A、160B、160C、……160N定位在低速級56上，用以觀察相關(guān)加工區(qū)域162，檢測工件152的對準(zhǔn)、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化，以及瞄準(zhǔn)和聚焦激光器156。
在該優(yōu)選實施例中，由每個激光器156和高速級154在工件152上復(fù)制同樣的加工圖案。但是，在某些加工應(yīng)用中，加工圖案變化可能需使圖案與工件的幾何形狀、尺度因素、偏移、旋轉(zhuǎn)、扭曲間的變化相匹配。還有必要校正固定在低速級58上的工件152中間的固定位置變化引起的高速級的非線性度和“阿貝誤差”(指令刀具位置不與檢測的目標(biāo)位置相匹配的程度)。與以前的多主軸鉆床不同，多頭定位器150能通過在驅(qū)動每個高速級154時采用可編程校正因子補償上述變量，參照圖7與8描述可編程校準(zhǔn)因子。
圖7表示多速定位器DSP52(圖2)可如何適于調(diào)整多個高速級154和低速級56與58的定位，結(jié)果形成多頭DSP170。與DSP52的方式相同，多頭DSP170從系統(tǒng)控制計算機63接收dx、dy、dv和dt分量，這些分量由位置仿形器72進一步處理成半正弦波仿形定位信號。DSP170還包括某些與DSP52同樣的信號處理元件，即仿形濾波器78、延遲元件79、前饋處理部分94、伺服驅(qū)動器96、低速級56和位置傳感器122。由于圖7被簡化，所以僅表示出X軸低速級56處理元件。熟練工作人員會理解其中含有相應(yīng)的Y軸元件。
只需單獨一個系統(tǒng)控制計算機63來驅(qū)動低速級56和58以及N個高速級154。多個高速級信號處理器172A、172B、172C、……172N中的每一個接收來自系統(tǒng)控制計算機63的高速級校正數(shù)據(jù)。按照這種方式，由每個高速級信號處理器172來接收高速級位置指令和當(dāng)前低速級位置數(shù)據(jù)，從而將每個高速級154對準(zhǔn)一組公共目標(biāo)位置，這些位置進一步由專門的誤差校正數(shù)據(jù)定位。
圖8表示典型的高速級信號處理器172之一，它接收來自DSP170的高速和低速級定位數(shù)據(jù)和來自系統(tǒng)控制計算機63的校正數(shù)據(jù)。該校正數(shù)據(jù)包括傳輸給幾何校正處理器180的低速級和與工件有關(guān)的校正數(shù)據(jù)，還包括傳輸給高速級校正處理器182的高速級線性度與比例系數(shù)校正數(shù)據(jù)。
該校正數(shù)據(jù)可以是公式形式的或查找表形式的。但是，幾何校正處理器180和高速級校正處理器使用的校正數(shù)據(jù)，最好是按照題為“LIGHTBEAM POSITIONING SYSTEM”的美國專利4,941,082(“第’082號專利”)所述的公式形式，該專利已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
高速級線性度和比例系數(shù)誤差相對恒定，并且大部分取決于高速級154的各個特性。因此，高速級校正處理器182要求校正數(shù)據(jù)變化較小且很少變化。要產(chǎn)生該校正數(shù)據(jù)就要求例如將每個高速級154對準(zhǔn)相關(guān)校準(zhǔn)目標(biāo)上至少13個校準(zhǔn)點如第’082號專利所述。反射能量檢測器檢測所對準(zhǔn)的目標(biāo)點位置與實際的目標(biāo)點位置之間的任何差，并把差值數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)控制計算機63處理。把得到的校正數(shù)據(jù)傳輸給每個高速級校正處理器182并存入其中。而且，所對準(zhǔn)的目標(biāo)點位置與相關(guān)視頻攝像機160所檢測到的實際目標(biāo)點位置之間的差被進行校準(zhǔn)和補償。低速級線性度和比例系數(shù)誤差也相對恒定，因此無需頻繁改變校正數(shù)據(jù)。
另一方面，與低速級和工件相關(guān)的誤差是相對變化的，并且大部分取決于工件152中間的工件位置、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化。因此，每次改變工件152，幾何校正處理器180都要較大地改變校正數(shù)據(jù)。要產(chǎn)生該校正數(shù)據(jù)就要求例如將低速級56與58和每個高速級154對準(zhǔn)每個相關(guān)工件152上至少兩個、最好四個預(yù)定的校準(zhǔn)目標(biāo)。這些校準(zhǔn)目標(biāo)可以是例如ECB的轉(zhuǎn)角、刀具加工孔或光刻目標(biāo)。每個視頻攝像機160檢測被對準(zhǔn)的校準(zhǔn)目標(biāo)位置和實際的校準(zhǔn)目標(biāo)位置之間的差，并把差值數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)控制計算機63處理。把對于每個工件152得到的校正數(shù)據(jù)傳輸給相關(guān)的幾何校正處理器180并存入其中。
對于每個高速級信號處理器172來說，把對Y軸的校正定位數(shù)據(jù)從校正處理器180和182傳輸給前饋處理部分86、檢流計式驅(qū)動器88和高速級154。位置反饋數(shù)據(jù)由位置傳感器120產(chǎn)生(如圖2)并在加法器184和84中組合在一起用以校正。熟練工作人員會理解同樣的過程用于X軸高速定位。
在把校正數(shù)據(jù)用于高速級154時，最好將每個高速級限定到其20毫米×20毫米最大線性定位范圍內(nèi)的18毫米×18毫米定位范圍。剩下的2毫米定位范圍用來做上述校正。
以上描述了對于每個高速級和低速級單軸運動的信號處理。熟練工作人員會易于理解如何重復(fù)信號處理以調(diào)整兩軸、兩級以及單個或多個高速定位器的運動。
實例本發(fā)明的一個典型應(yīng)用是在多層ECB中激光切割孔，例如盲通孔。一般通過對齊、疊加在一起、層壓和壓制多個0.05-0.08毫米厚的電路板層來制造多層ECB。每層一般包括一不同的互連焊盤和導(dǎo)體圖案，在加工后它們組成一復(fù)雜的電氣元件固定和互連組件。ECB的元件與導(dǎo)體密度趨勢隨同集成電路的趨勢一起在增長。因此，ECB中定位準(zhǔn)確度和孔的尺寸公差成比例增長。
遺憾的是，壓制步驟會造成擴展和尺寸變化，這種擴展和尺寸變化可引起ECB中比例系數(shù)和正交性變化。另外，當(dāng)把多個ECB(工件152)裝到低速級58上時，固定工件的變化可在ECB中間造成空間旋轉(zhuǎn)和偏移誤差。加之，ECB厚度的變化使其難以用機械方法鉆出具有一精確預(yù)定深度的孔。
本發(fā)明如下解決了上述問題。在每個ECB上，最好在每個轉(zhuǎn)角的預(yù)定位置蝕刻兩到四個校準(zhǔn)目標(biāo)。視頻攝像機160檢測指令校準(zhǔn)目標(biāo)位置與實際校準(zhǔn)目標(biāo)位置之間的差，并將差值數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)控制計算機63處理。將得到的校正數(shù)據(jù)傳輸給幾何校正處理器180并存入其中。
兩個校準(zhǔn)目標(biāo)可向系統(tǒng)控制計算機63提供充分的差值數(shù)據(jù)，以校正ECB中旋轉(zhuǎn)和偏移變化。三個校準(zhǔn)目標(biāo)可向系統(tǒng)控制計算機63提供充分的差值數(shù)據(jù)，以校正ECB中旋轉(zhuǎn)、偏移、比例系數(shù)和正交性變化。加入第四校準(zhǔn)目標(biāo)還允許校正每個ECB中的梯形變形。
ECB厚度變化易于在±0.13毫米(±0.005英寸)激光深度區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)。
由于涉及較陡的深度(tight depth)、直徑和定位公差的緣故，加工盲通孔顯示出對任何孔加工刀具的艱難的挑戰(zhàn)。這是因為一般把盲通孔加工成穿過第一導(dǎo)體層(例如銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫和鉛)、穿過一或多個介電層(例如聚酰亞胺、FR-4合成樹脂、苯并環(huán)丁烷、雙對順丁烯二酰抱亞胺三氮雜苯、氰酸鹽酯基合成樹脂、陶瓷)、直到但不穿過第二導(dǎo)體層。用一種導(dǎo)電材料鍍產(chǎn)生的孔，使其與第一和第二導(dǎo)體層電連接。
再參見圖6，多頭定位器150具體為一ECB盲通孔切割裝置，其中N等于偶數(shù)，例如2、4或6，但最好為4。激光器156A和156C為紫外激光器(波長小于約355納米)，激光器156B和156N為紅外激光器(波長在約1000納米到約10000納米范圍內(nèi)，最好為9000納米)。由于紫外和紅外激光器實質(zhì)上具有不同波長，所以反射鏡158和光學(xué)系統(tǒng)對于高速級154配置成與每個相關(guān)激光器的波長都相兼容。
紫外激光器156A和156C能以適當(dāng)方式切割第一導(dǎo)體層和介電層這兩者。但是，必須仔細(xì)控制激光器功率級和脈沖重復(fù)頻率，以防破壞第二導(dǎo)體層。這導(dǎo)致了一個窄“處理窗(process window)”。因此，控制紫外激光器156A、156C使其僅切穿第一導(dǎo)體層和介電層的一部分，這個過程具有一寬的處理窗。
紅外激光器156B和156N具有一寬的處理窗，用以切穿剩下的介電層而不切穿或破壞第二導(dǎo)體層。但是，必須預(yù)先處理第一導(dǎo)體層。
ECB盲通孔切割裝置采用紫外激光器156A和156C切穿工件152A和152C的第一導(dǎo)體層，并用紅外激光器156B和156N切穿工件152B和152N上的介電層。
根據(jù)以下優(yōu)選過程使用多頭定位器150切割盲通孔。假定加工例如ECB的八個工件量(ECB1、ECB2、……和ECB8)。最好導(dǎo)體層為銅而介電層為FR-4合成樹脂。
將未加工的ECB1和ECB2固定在工件位置152A和152C中的低速級58上，通過相應(yīng)的紫外激光器156A和156C進行加工。
如下執(zhí)行工件校準(zhǔn)過程將低速級56與58和高速級154對準(zhǔn)ECB上的校準(zhǔn)目標(biāo)位置；用視頻攝像機160檢測被對準(zhǔn)目標(biāo)位置和實際目標(biāo)位置之間的差，并將差值數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)控制計算機63處理；和把ECB的校正數(shù)據(jù)存入相關(guān)高速級信號處理器172。
將低速級56與58和高速級154定位到一預(yù)定組目標(biāo)位置上，以使紫外激光器156A和156C在該組目標(biāo)位置處切穿ECB1和ECB2上的第一導(dǎo)體層。
再將半處理過的ECB1和ECB2固定到工件位置152B和152N中的低速級58上，由相應(yīng)的紅外激光器156B和156N進行加工。
將未加工的ECB3和ECB4固定到工件位置152A和152C中的低速級58上，通過相應(yīng)的紫外激光器156A和156C進行加工。
執(zhí)行工件校準(zhǔn)過程。
將低速級56與58和高速級154定位，以使紫外激光器156A和156C在ECB3和ECB4上目標(biāo)位置處切穿第一導(dǎo)體層，而紅外激光器156B和156D同時在ECB1和ECB2上目標(biāo)位置處切穿介電層。
把加工過的ECB1和ECB2從低速級58上卸下。
再將半加工過的ECB3和ECB4固定到工件位置152B和152N中低速級58上，通過相應(yīng)的紅外激光器156B和156N進行加工。
將未加工的ECB5和ECB6固定到工件位置152A和152C中低速級58上，通過相應(yīng)的紫外激光器156A和156C進行加工。
執(zhí)行工件校準(zhǔn)過程。
將低速級56與58和高速級154定位，以使紫外激光器156A和156C在ECB5和ECB6上目標(biāo)位置處切穿第一導(dǎo)體層，而紅外激光器156B和156D同時在ECB3和ECB4上目標(biāo)位置處切穿介電層。
把加工過的ECB3和ECB4從低速級58上卸下。
再將半加工過的ECB5和ECB6固定到工件位置152B和152N中低速級58上，通過相應(yīng)的紅外激光器156B和156N進行加工。
將未加工的ECB7和ECB8固定到工件位置152A和152C中低速級58上，通過相應(yīng)的紫外激光器156A和156C進行加工。
執(zhí)行工件校準(zhǔn)過程。
將低速級56與58和高速級154定位，以使紫外激光器156A和156C在ECB7和ECB8上目標(biāo)位置處切穿第一導(dǎo)體層，而紅外激光器156B和156D同時在ECB5和ECB6上目標(biāo)位置處切穿介電層。
把加工過的ECB5和ECB6從低速級58上卸下。
再將半加工過的ECB7和ECB8固定到工件位置152B和152N中低速級58上，通過相應(yīng)的紅外激光器156B和156N進行加工。
執(zhí)行工件校準(zhǔn)過程。
將低速級56與58和高速級154定位，以使紅外激光器156B和156D在ECB8和ECB8上目標(biāo)位置處切穿介電層。
將加工過的ECB7和ECB8從低速級58上卸下。
切割八個工件中盲通孔的過程完成。當(dāng)然，該過程適于同時加工各種數(shù)目的工件，加工量的大小并不限于八個，也不限于ECB。
紫外激光器156A和156C所需用來切穿導(dǎo)體層的時間，一般比紅外激光器152B和152N切穿介電層的時間長。因此，較長加工時間限定了加工量。由于目標(biāo)位置對多刀定位器150上的所有刀具來說基本上都是相同的，所以不同的加工時間是由為紫外和紅外激光器設(shè)置適當(dāng)?shù)牟煌す夤β始壓兔}沖重復(fù)頻率造成的。
有些應(yīng)用需要切割約為200微米或小于200微米的較大孔徑。由于紫外激光器154A和154C的光束直徑只有約20微米，所以多刀定位器150必須使紫外光束隨一螺旋形或環(huán)形路徑切割導(dǎo)體層中這種孔。因此，切割這些較大的孔要花費相應(yīng)較長的時間。但是，紅外激光器154B和154N的光束直徑約為400微米，是紫外激光器光束直徑的大約20倍。因此，當(dāng)切割這些穿過介電層的較大直徑孔時，至少一部分紅外激光束將要覆蓋整個孔，而紫外光束隨螺旋形或環(huán)形路徑切割導(dǎo)體層中的孔。在這些情況下，紅外激光器光束在目標(biāo)位置上有較長一段時間，通過為紫外和紅外激光器設(shè)置不同的激光功率級和脈沖重復(fù)頻率造成不同的有效加工時間。
若有合適的激光功率，則通過采用適當(dāng)?shù)墓β史蛛x裝置能使多個工件共享一個激光器。在本發(fā)明中也可采用可轉(zhuǎn)換波長的激光器。
本發(fā)明提供了定位準(zhǔn)確度、定位速度、最小化或消除的中止時間、未節(jié)段化刀具行程數(shù)據(jù)庫和最小化高速級運動范圍的改進的綜合指標(biāo)，這顯著地提高了加工量，同時減少了空間與取向變化造成的工件廢品。
熟練工作人員會認(rèn)識到，可以用不同于上述激光束微加工裝置來實現(xiàn)本發(fā)明的各部分。例如，可通過高速定位級移動各種單頭或多頭結(jié)構(gòu)的刀具，例如微型鉆頭、沖頭、激光器、激光束、輻射束、粒子束、光束發(fā)生裝置、顯微鏡、透鏡、光學(xué)儀器和攝像機等。而且，可以以從檢流計、音圈、壓電傳感器、步進電機和導(dǎo)桿定位器中選出的不同組合采用許多不同的定位裝置。DSP無需完全是數(shù)字形式，而它們可以是例如包括模擬和數(shù)字子電路的任意組合。當(dāng)然，本文所述定位信號曲線、光譜帶寬與幅值和濾波器特性都可以修改，以滿足其他定位應(yīng)用的要求。
對熟練工作人員來說，在不脫離本發(fā)明根本原則的情況下可對本發(fā)明上述實施例的細(xì)節(jié)作許多其他的變換是顯而易見的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅由以下的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1．一種根據(jù)一組從數(shù)據(jù)庫接收到的定位指令相對于多個相關(guān)工件上的一組目標(biāo)位置同時對多個刀具進行定位的裝置，包括一低速定位級，完成多刀具與多個相關(guān)工件之間的大范圍相對運動；多個高速定位級，完成多刀具與多個相關(guān)工件之間的小范圍相對運動；一定位信號處理器，從該組定位指令產(chǎn)生低速和高速運動控制信號；一低速定位驅(qū)動器，根據(jù)該低速運動控制信號控制低速定位級的大范圍相對運動；和多個高速定位驅(qū)動器，根據(jù)該高速運動控制信號控制相關(guān)高速定位級的小范圍相對運動。
2．如權(quán)利要求1的裝置，其中多刀具中至少一個是具有第一波長的激光束，多刀具中至少一個是具有第二波長的激光束。
3．如權(quán)利要求1的裝置，其中低速定位級包括X軸平移級和Y軸平移級，多個高速定位級固定于X軸平移級上。
4．如權(quán)利要求3的裝置，其中多個工件固定于Y軸平移級上。
5．如權(quán)利要求1的裝置，其中低速和高速定位級調(diào)整它們的相對運動，以使低速和高速定位級運動時多刀具相對多個工件變成暫時靜止；
6．如權(quán)利要求5的裝置，其中在多刀具相對多個工件變成暫時靜止的時間段期間，多刀具加工多個相關(guān)工件。
7．如權(quán)利要求1的裝置，其中多個相關(guān)工件中的每個都有基本相同的一組校準(zhǔn)目標(biāo)，對多個工件定位以使此多組校準(zhǔn)目標(biāo)逐組顯示定位誤差，而且多個高速定位級中的每個都有一相關(guān)高速級信號處理器，其與定位信號處理器相配合以校正小范圍相對運動，從而補償定位誤差，以使多刀具可同時定位到多個相關(guān)工件上那組目標(biāo)位置上。
8．如權(quán)利要求7的裝置，其中定位誤差由與高速定位級相關(guān)的線性誤差和比例系數(shù)誤差中至少一個造成。
9．如權(quán)利要求7的裝置，其中定位誤差由與至少工件之一和低速定位級相關(guān)的尺寸誤差造成。
10．如權(quán)利要求7的裝置，其中定位誤差由任意工件中的旋轉(zhuǎn)差、任意工件中的偏移差、任意工件中的比例系數(shù)差、任意工件中的正交性誤差和任意工件中的梯形變形中的至少一個造成。
11．如權(quán)利要求7的裝置，還包括視頻攝像機，其檢測多個工件上那組校準(zhǔn)目標(biāo)并提供進行處理以補償定位誤差的差值數(shù)據(jù)。
12．一種根據(jù)從數(shù)據(jù)庫接收的一組定位指令相對于多個相關(guān)工件上的一組目標(biāo)位置同時對多個刀具定位的方法，包括設(shè)置一個低速定位級，用來完成多刀具與多個相關(guān)工件間的大范圍相對運動；將多個工件固定到低速定位級上；設(shè)置多個高速定位級，用來完成多刀具與多個相關(guān)工件之間的小范圍相對運動；處理該組定位指令以產(chǎn)生低速和高速運動控制信號；根據(jù)低速運動控制信號在大范圍相對運動中驅(qū)動低速定位級；根據(jù)高速運動控制信號在小范圍相對運動中驅(qū)動多個高速定位級；和調(diào)整大范圍和小范圍的相對運動，以使低速和高速定位級運動的預(yù)定時間段期間，多刀具相對多個工件變成暫時靜止。
13．如權(quán)利要求12的方法，其中工件為電路板，多個刀具為激光束，該方法還包括在相關(guān)的那些電路板中切割孔的預(yù)定時間段期間觸發(fā)激光束。
14．如權(quán)利要求13的方法，其中電路板具有厚度變化，該厚度變化由每個激光束的一個深度區(qū)域補償。
15．如權(quán)利要求12的方法，其中低速定位級包括一X軸平移級和一Y軸平移級，而且多個高速定位級固定于X軸平移級上。
16．如權(quán)利要求15的方法，其中多個工件固定于Y軸平移級上。
17．如權(quán)利要求12的方法，還包括為多個工件中的每個確定基本相同的一組校準(zhǔn)目標(biāo)；檢測這些組校準(zhǔn)目標(biāo)的定位以逐組確定定位誤差；處理所檢測的定位誤差；和校正小范圍相對運動以補償定位誤差，以使多個刀具可同時定位到多個相關(guān)工件上那組目標(biāo)位置上。
18．如權(quán)利要求17的方法，其中檢測步驟采用了至少一個視頻攝像機。
19．如權(quán)利要求17的方法，其中確定至少兩個校準(zhǔn)目標(biāo)，而且定位誤差包括多個工件中的旋轉(zhuǎn)和偏移變化。
20．如權(quán)利要求17的方法，其中確定至少三個校準(zhǔn)目標(biāo)，而且定位誤差包括多個工件中的旋轉(zhuǎn)、比例系數(shù)和正交性變化。
21．如權(quán)利要求17的方法，其中確定至少四個校準(zhǔn)目標(biāo)，而且定位誤差包括多個工件中的旋轉(zhuǎn)、偏移、比例系數(shù)、正交性和梯形變形變化。
22．一種用來在至少第一和第二大致相同電路板中切割一預(yù)定孔圖案的方法，每個電路板具有至少一第一導(dǎo)體層、一介電層和一第二導(dǎo)體層，該方法包括產(chǎn)生分別具有第一和第二波長的至少第一和第二激光束；將電路板固定到完成激光束與電路板之間大范圍相對運動的一低速定位級上；設(shè)置完成激光束與相關(guān)一些電路板之間小范圍相對運動的至少第一和第二高速定位級；和調(diào)整大范圍和小范圍相對運動，以使第一激光束在第一電路板的第一導(dǎo)體層中切割預(yù)定孔圖案，而第二激光束在第二電路板的介電層中切割預(yù)定孔圖案。
23．如權(quán)利要求22的方法，還包括產(chǎn)生用來根據(jù)預(yù)定孔圖案相對于電路板對激光器定位的低速和高速運動控制信號；根據(jù)低速運動控制信號在大范圍相對運動中驅(qū)動低速定位級；和根據(jù)高速運動控制信號在小范圍相對運動中驅(qū)動多個高速定位級。
24．如權(quán)利要求22的方法，其中低速定位級包括一X軸平移級和一Y軸平移級，而且多個高速定位級固定于X軸平移級上。
25．如權(quán)利要求24的方法，其中電路板固定于Y軸平移級上。
26．如權(quán)利要求22的方法，其中第一激光束由紫外激光器產(chǎn)生，而且第二激光束由紅外激光器產(chǎn)生。
27．如權(quán)利要求22的方法，其中第一波長小于約355納米，第二波長在約1000納米到10000納米范圍內(nèi)。
28．如權(quán)利要求22的方法，其中執(zhí)行調(diào)整步驟以使第一和第二激光束同時切割第一電路板的第一導(dǎo)體層和第二電路板的介電層。
29．如權(quán)利要求22的方法，還包括為每個電路板確定基本相同的一組校準(zhǔn)目標(biāo)；檢測這些組校準(zhǔn)目標(biāo)的定位以確定與每個電路板相關(guān)的定位誤差；處理所檢測的定位誤差；和校正小范圍相對運動以補償定位誤差，以使每個激光束可準(zhǔn)確定位于相關(guān)電路板上的預(yù)定孔圖案上。
30．一種用來在一組基本相同的電路板中切割預(yù)定孔圖案的方法，每個電路板具有至少一第一導(dǎo)體層、一介電層和一第二導(dǎo)體層，該方法包括產(chǎn)生適于切割第一導(dǎo)體層的第一組激光束和適于切割介電層的第二組激光束；將第一和第二分組電路板固定在一低速定位級上，該低速定位級完成激光束和電路板之間的大范圍相對運動；設(shè)置至少第一和第二高速定位級，其完成激光束和相關(guān)一些電路板之間的小范圍相對運動；和調(diào)整大范圍和小范圍相對運動以使第一組激光束在第一分組電路板的第一導(dǎo)體層中切割預(yù)定孔圖案，而第二組激光束同時在第二分組電路板的介電層中切割預(yù)定孔圖案。
31．如權(quán)利要求30的方法，還包括執(zhí)行一工件校準(zhǔn)過程，該過程包括檢測固定在低速定位級上每個電路板上的校正目標(biāo)；和校正相關(guān)的那些高速定位級的小范圍相對運動，以便在每個電路板中準(zhǔn)確切割預(yù)定孔圖案。
32．如權(quán)利要求30的方法，還包括從低速定位級上去除第二分組電路板；將第一分組電路板重新固定在低速定位級上，以用第二組激光束切割；將第三分組電路板固定在低速定位級上，以用第一組激光束切割；和重復(fù)調(diào)整步驟。
33．如權(quán)利要求32的方法，還包括在重復(fù)步驟之前執(zhí)行一工件校準(zhǔn)過程。
34．如權(quán)利要求33的方法，還包括重復(fù)去除、重新固定、固定第三分組和調(diào)整步驟，直到加工完整組電路板為止。
全文摘要
一個多速、多頭定位器(150)接收并處理未節(jié)段化定位指令以起動低速級(56、58)和固定在低速級之一上的多個高速級(154),從而相對于多個相關(guān)工件(152)上的目標(biāo)位置對多個刀具(156)同時進行定位。每個高速級連接到一高速級信號處理器(172)上,并由其向每個高速級定位器提供校正過的位置數(shù)據(jù),以補償高速級的非線性度和多個工件中工件的位移、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化。當(dāng)在印刷電路板(ECB)中切割盲通孔時,通過使一半刀具為紫外(“UV”)激光器而使另一半刀具為紅外(“IR”)激光器來實現(xiàn)改進的加工量和處理量,其中紫外激光器易于切割導(dǎo)體層和介電層,而紅外激光器只易于切割介電層?？刂谱贤饧す馄髑懈钌蠈?dǎo)體層和一部分下介電層,控制紅外激光器切割剩余的介電層而不切穿或破壞第二下導(dǎo)體層。通過在未加工ECB中切割導(dǎo)體層而同時在已切割了其導(dǎo)體層的ECB中切割介電層來增加加工量。通過在每個引起任何ECB位移、偏移、旋轉(zhuǎn)和尺寸變化的切割步驟之前執(zhí)行一工件校準(zhǔn)步驟來增加處理量。
文檔編號B23K26/08GK1213440SQ97192996
公開日1999年4月7日 申請日期1997年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月12日
發(fā)明者多納德·R·卡特勒, 羅伯特·M·帕爾索爾普, 馬克·A·烏恩拉斯, 托馬斯·W·理查德森, 阿蘭·J·卡伯爾 申請人:電科學(xué)工業(yè)公司