專利名稱：用于微加工一材料的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及光學(xué)對準(zhǔn)，且具體而言，涉及對印刷電路板中所要處 理的目標(biāo)的光學(xué)對準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
激光微加工尤其用于在印刷電路板(PCB)中形成孔。隨著PCB的元件尺 寸的縮小，對激光加工的定位及精度的要求不斷提高。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一實施例中，提供一種在一部位處對一定位進(jìn)行微加工的微加 工裝置，該部位通常包含一嵌于印刷電路板(PCB)的電路絕緣襯底中的物體， 例如導(dǎo)電焊墊。該裝置包含一光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)以一輻射源對該部位進(jìn)行 照明，響應(yīng)于該照明而從該部位接收返回輻射，并將一微加工光束從一光束源 傳遞至該定位。在該光學(xué)系統(tǒng)中存在至少一個共用元件，例如一可操控的鏡， 其用于所有三種功能。該輻射源與該光束源以不同的波長工作。該光束源通常 為激光器。該輻射源通常為激光二極管，盡管在某些實施例中，該輻射源也可 為發(fā)光二極管(LED)。
一圖像傳感器使用返回輻射對該部位進(jìn)行成像，且一處理器根據(jù)該圖像來 計算所要微加工的定位(例如導(dǎo)電焊墊的中心)的實際位置。該處理器產(chǎn)生一
指示該實際位置的信號，并使用該信號將微加工光束相對于該定位對準(zhǔn)一通常 是通過調(diào)整該可操控的鏡。然后，該處理器操作光束源來使用對準(zhǔn)的光束對該 定位進(jìn)行微加工。該光束可在定位上微加工出實質(zhì)呈任意形狀的孔。通過對部 位照明、部位成像及光束傳遞功能使用至少一個共用元件，該裝置能夠向該部 位提供局部高強(qiáng)度照明，由此形成該部位的良好圖像，并因而迅速、精確地將 微加工光束對準(zhǔn)該定位。
通常，該裝置用于在PCB中的多個部位進(jìn)行微加工，其中每一部位具有一 不同的位置。對于每一部位，該處理器均可通過例如分析該電路的計算機(jī)輔助
制造(CAM)文件來計算所要微加工的定位的名義座標(biāo)，并使用這些名義座標(biāo)
對襯底進(jìn)行定位，從而使該部位在名義上與光束及照明對準(zhǔn)。在每一部位上， 均如上所述確定光束的實際位置。對于這多個部位中的至少某些部位，通過僅
操作可操控的鏡來實施光束在各部位間的重新對準(zhǔn)，由此提高對PCB進(jìn)行微加 工的速率，同時保持使光束對于所有部位均精確對準(zhǔn)。
在一所揭示的實施例中，該圖像傳感器獲得該光束照到該部位上的局域的 圖像，通常是通過由該處理器以低于該部位的燒蝕閾值的低功率操作該光束源 來進(jìn)行。該處理器根據(jù)該部位的圖像及光束所照到的局域的圖像，確定要對該 光束應(yīng)用的偏移量，以便執(zhí)行上文所述的光束對準(zhǔn)。
在某些實施例中，輻射源可產(chǎn)生作為返回輻射之熒光輻射，且圖像傳感器 根據(jù)該熒光輻射形成該部位的及/或一校準(zhǔn)目標(biāo)的圖像。處理器可通常根據(jù)該 部位的熒光特性來調(diào)整輻射源的波長及/或及功率?？蛇M(jìn)行該調(diào)整來使輻射源 的輻射穿透該部位及/或環(huán)繞該部位的區(qū)域，從而使從熒光輻射得到的該部位 的圖像最佳。使用熒光輻射會消除如果輻射源為激光器時的斑點問題。
在本發(fā)明的一替代實施例中，輻射源的輻射線性偏振，且可對返回輻射進(jìn) 行偏振分析。對于包含所嵌入導(dǎo)電物體的部位，由于該物體的表面粗糙度，來 自該物體的返回輻射通常至少部分地消偏振。因此，圖像傳感器能夠形成物體 相對于其周圍環(huán)境(其返回輻射通常不被消偏振)的具有良好對比度的圖像。
在本發(fā)明的又一替代實施例中，該輻射源包含一激光器，該激光器產(chǎn)生具 有短的相干長度的相關(guān)光束，以實質(zhì)消除斑點效應(yīng)。另一選擇為，或者另外， 該輻射源包含其他用于減小及/或消除斑點的組件，例如具有不同光波長的多
個光纖。
在另一所揭示實施例中，該輻射源配置成使用結(jié)構(gòu)化照明(例如通過在該 部位處形成以一物體為中心的圓環(huán))來照明該部位，且襯底是漫射性的。圓環(huán) 照射與漫射性襯底相組合會有效地對物體進(jìn)行"背后照明"。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，提供一種用于微加工一材料的方法，其包
含
配置一光學(xué)系統(tǒng)，以通過該光學(xué)系統(tǒng)的一給定元件對該材料的一部位提供 處于一照明波長的照明，該照明從該部位產(chǎn)生返回輻射；
配置該光學(xué)系統(tǒng)，以通過該給定元件接收該返回輻射，并據(jù)此形成該部位 的一圖像；
根據(jù)該圖像計算該部位處一定位的實際位置，并輸出一指示該定位的實際 位置的信號；
產(chǎn)生一微加工輻射光束，其具有一不同于該照明波長的微加工波長；
因應(yīng)該信號而相對于該定位確定該光束的位置，以形成對準(zhǔn)光束；
通過該光學(xué)系統(tǒng)的至少該給定元件將該對準(zhǔn)光束傳遞至該定位，以便在該 定位處執(zhí)行一微加工操作。
通常，該部位包含一嵌于一個或多個絕緣襯底中的物體，且對該部位提供 照明可包含提供僅對環(huán)繞該物體的一區(qū)域進(jìn)行照明的結(jié)構(gòu)化照明。該結(jié)構(gòu)化照 明可通過一衍射元件形成。
在一實施例中，對該部位提供照明包含將該照明波長選擇成一使該部位發(fā) 出熒光的波長，且該返回輻射包含因應(yīng)所提供的照明而在該部位處產(chǎn)生的熒光 輻射。該方法可包含過濾該熒光輻射，以使該部位的圖像最佳化。
在一替代實施例中，對該部位提供照明包含對該部位提供偏振照明，且形 成該部位的圖像包含對來自該部位的返回輻射進(jìn)行偏振分析。
在某些實施例中，該給定元件包含一可操控的鏡，該部位可包含要在其中 執(zhí)行微加工的多個不同的子部位，且確定該光束的位置可包含通過僅操控該鏡 來將光束射至這多個不同的子部位。
在又一替代實施例中，該給定元件包含一光學(xué)元件串，該光學(xué)元件串經(jīng)配
置以將光束及照明聚焦至該部位。
該部位可包含一部位區(qū)域，且對該部位提供照明可包含對該部位區(qū)域及對 不大于該部位區(qū)域且與其鄰近的另一區(qū)域提供照明。通常，形成圖像可包含在 一圖像傳感器上形成圖像，且該照明可具有能在3毫秒或更短時間內(nèi)在圖像傳 感器上產(chǎn)生圖像的強(qiáng)度。形成圖像可包含在具有一像素陣列的圖像傳感器上形 成圖像，并因應(yīng)該區(qū)域及該另一區(qū)域而從陣列中選擇像素以分析圖像。
該方法還包含在對該部位提供照明之前確定該定位的一名義位置，并因應(yīng) 該名義位置而提供照明。
在再一替代實施例中，產(chǎn)生該微加工輻射光束包含
產(chǎn)生一低功率光束，該光束的功率低于該部位的燒蝕閾值；
將該低功率光束傳遞至該部位；及
因應(yīng)該低功率光束在該部位的一圖像而確定該光束的一偏移量。
通常，確定該光束的位置包含因應(yīng)該偏移量而確定該光束的位置，且將已 確定位置的光束傳遞至該定位包含將該光束設(shè)定成具有一等于或大于該燒蝕 閾值的功率。
該方法可包含將該照明波長配置成具有一使該部位為非吸收性的值。
在一替代的所揭示實施例中，該部位包含一外表面，且對該部位提供照明 包含以垂直于該外表面的成像輻射對該部位進(jìn)行照明。
對該部位提供照明可包含在該部位提供相干成像輻射，該相干成像輻射具 有等于或小于該部位尺寸的兩倍的相干長度。
在再一替代的所揭示實施例中，計算實際位置包含-
根據(jù)所述部位的一預(yù)期圖像提供一理論關(guān)系；
根據(jù)該圖像確定一實際關(guān)系；及
將該實際關(guān)系擬合至理論上的關(guān)系。
形成該部位的圖像可包含調(diào)整照明波長與照明的功率中的至少一者，以便 改變照明在該部位處的穿透深度。
在一實施例中，該部位包含嵌入一漫射層中的一物體，且該方法包含補(bǔ)償
由嵌入漫射層中的物體所形成的圖像而造成的偏差。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，進(jìn)一步提供一種用于微加工一材料的方法，其包
含
操作一源，以對該材料中一包含一定位的部位提供一輻射光束，該輻射光 束處于一使該材料發(fā)出熒光的工作波長，且處于一不足以進(jìn)行微加工的光束功 率，以便從該部位產(chǎn)生熒光輻射；
因應(yīng)該熒光輻射而形成該部位的一圖像；
因應(yīng)該圖像而相對于該定位確定該光束的位置；及
操作該源，以對該定位提供該輻射光束，該輻射光束處于該工作波長且處 于一足以促成對該定位的微加工的微加工功率。
通常，以該光束功率操作該源包含通過一光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)對該部位提供 該輻射光束，且形成該圖像包括通過該光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)的至少一個元件將該 熒光輻射傳送至一圖像傳感器。該方法可包括過濾該熒光輻射，以使該部位的 圖像最佳化。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，進(jìn)一步提供一種用于微加工一材料的裝置，其包
含
一輻射源，其經(jīng)配置以通過一光學(xué)系統(tǒng)的一給定元件對該材料的一部位提 供處于一照明波長的照明，該照明從該部位產(chǎn)生返回輻射；
一圖像傳感器，其經(jīng)配置以通過該給定元件接收該返回輻射，并據(jù)此形成 該部位的一圖像；
一光束源，其經(jīng)配置以產(chǎn)生一微加工輻射光束，該微加工輻射光束具有一 不同于該照明波長的微加工波長；及
一處理器，其經(jīng)配置以根據(jù)該圖像計算該部位處一定位的實際位置，并輸 出一指示該定位的實際位置的信號，因應(yīng)該信號而相對于該定位確定該光束的 位置，以形成對準(zhǔn)光束，及操作該光束源，以通過該光學(xué)系統(tǒng)的至少該給定元 件將該對準(zhǔn)光束傳遞至該定位，以便在該定位處執(zhí)行一微加工操作。
該裝置可包含一組濾光片，其經(jīng)配置以過濾該熒光輻射，且該處理器可經(jīng) 配置以選擇該組中的一者，以使該部位的圖像最佳化。
照明可包含偏振照明，且該裝置可包含一偏振元件，其使圖像傳感器能夠 對來自該部位的返回輻射進(jìn)行偏振分析。
該給定元件可包含一可操控的鏡。
或者，該給定元件可包含一光學(xué)元件串，其經(jīng)配置以將光束及照明聚焦至 該部位。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，進(jìn)一步提供一種用于微加工一材料的裝置，其包
含
一光束源，其經(jīng)配置以對該材料中一包含一定位的部位提供一輻射光束， 該輻射光束處于一使該材料發(fā)出熒光的工作波長，且處于一不足以進(jìn)行微加工 的光束功率，以便從該定位產(chǎn)生熒光輻射；
一圖像傳感器，其經(jīng)配置以因應(yīng)該熒光輻射而形成該部位的一圖像；及
一處理器，其經(jīng)配置以因應(yīng)該圖像而相對于該定位確定該光束的位置，并 操作該光束源，以便以該工作波長及一微加工功率對該定位提供該輻射光束， 該微加工功率足以促成對該定位的微加工。
該裝置可包含一光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)，且以該光束功率操作該光束源可包含 通過該光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)對該部位提供該輻射光束，且形成該圖像可包括通過 該光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)的至少一個元件將該熒光輻射傳送至圖像傳感器。
該裝置可包含一組濾光片，其經(jīng)配置以過濾該熒光輻射，且該處理器可經(jīng) 配置以選擇該組中的一者，以使該部位的圖像最佳化。
結(jié)合附圖閱讀下文對本發(fā)明實施例的詳細(xì)說明，將能更全面地理解本發(fā) 明，下面將對附圖進(jìn)行簡要說明。


圖l是根據(jù)本發(fā)明一實施例的光束對準(zhǔn)裝置的示意圖2是不同類型Ajinomoto累積膜(Ajinomoto Build-叩Film， ABF)樹脂的百 分比透射的曲線圖3是不同類型ABF樹脂及FR4樹脂的歸一化熒光的示意性曲線圖4是一流程圖，其顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例，操作光束對準(zhǔn)裝置所執(zhí)行的步
驟；
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的光學(xué)傳感器的表面的示意圖； 圖5B及5C顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例，圖5A所示傳感器上的圖像的示意圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明一替代實施例， 一光束對準(zhǔn)裝置的示意圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明又一替代實施例， 一光束對準(zhǔn)裝置的示意圖；以及 圖8圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例，由圖l、圖6及/或圖7所示裝置中的源提供
的成像照明配置。 主要元件標(biāo)記說明
20:光束對準(zhǔn)裝置21:工作站
22:光束源23:操作員
24:印刷電路板(PCB)25:存儲器
26:輻射光束27:準(zhǔn)直器
28:分束鏡30:光學(xué)元件串
31:一組光學(xué)組件32:處理單元(PU)
33:平移平臺34:鏡
35:光束操控平臺36:頂面
38:層40:層
42:所選區(qū)43:部位
44:插圖45:平移平臺
46:物體49:聚焦透鏡系統(tǒng)
50:輻射源51:元件
52:第二二向色分束鏡53:濾光片系統(tǒng) 54:勝iL55:聚焦透鏡
56:光學(xué)傳感器164:圖式
166:圖像168:矩形像素集合
170:矩形的檢測元件陣列176:圖像
178:圓形部分179:矩形像素集合
180:矩形部分320:光束對準(zhǔn)裝置
322:第二組光學(xué)元件323:元件
324:第一組光學(xué)元件325:元件
326:分束鏡330:光束對準(zhǔn)裝置
332:第二組光學(xué)元件334:第一組光學(xué)元件
336:透鏡系統(tǒng)340:剖面圖
342:俯視圖344:輻射配置
346:大體圓環(huán)形狀的成像輻射348:箭頭
具體實施例方式
現(xiàn)在參見圖1，其是根據(jù)本發(fā)明一實施例的一光束對準(zhǔn)裝置20的示意圖。 光束對準(zhǔn)裝置20用于微加工一部位43，在下文中，例如假定部位43包含于一 印刷電路板(PCB) 24中。部位43通常包含絕緣襯底材料(例如帶有玻璃珠及 /或纖維的環(huán)氧樹脂)及/或?qū)щ姴牧?例如銅焊墊或跡線)。通常，盡管未必 盡然，部位43包含嵌于絕緣襯底材料中的導(dǎo)電材料。光束對準(zhǔn)裝置20包含一 光束源22，其通過一準(zhǔn)直器27投射一輻射光束26。光束26用于在部位43中 的定位處微加工一孔。在一實施例中，源22包含一以約350 nm的光束波長工 作的紫外線(UV)激光器。該UV激光器可作為一使用短脈沖的非線性相互作 用來引起燒蝕的短脈沖激光器工作，這些脈沖的長度處于毫微微秒數(shù)量級。在 一替代實施例中，源22包含一以約10 pm的光束波長工作的二氧化碳激光器。 然而，光束對準(zhǔn)裝置20可使用任何可經(jīng)配置而提供部位43所能吸收的輻射能
的適當(dāng)輻射源，所述輻射能的形式及能級可用于微加工。在下文中，作為實例，
假定源22包含一激光器，因而光束26是激光器輻射光束。
一組光學(xué)組件31包含一分束鏡28、 一光學(xué)元件串30及一鏡34，其用作 一光束導(dǎo)向系統(tǒng)來將光束傳遞至PCB上。通常，鏡34是一正面鏡，且分束鏡 28是一窄帶二向色立體角分束鏡，其透射光束波長并反射其他波長。光學(xué)元件 串30及PCB 24安裝于各自的平移平臺33、 45上。鏡34安裝于一光束操控平 臺35上，光束操控平臺35通常是基于檢流計的操控平臺，或者如在第 11/472， 325號美國專利申請案中所述的二軸式快速光束操控平臺。第 11/472， 325號美國專利申請案讓于本發(fā)明的受讓人，并以引用方式并入本文 中。激光光束26通過分束鏡傳輸至光學(xué)元件串，由光學(xué)元件串引導(dǎo)并聚焦該 光束。
光束對準(zhǔn)裝置20是配置成一 "后掃描"系統(tǒng)，其中在鏡34與PCB 24之 間不存在光學(xué)元件。在此種配置中，該鏡的視場通常約為±3°。
除非另外指明外，下文說明著重于使用一個激光束對PCB 24進(jìn)行微加工。 然而，應(yīng)了解，本發(fā)明的實施例可實質(zhì)上同時使用不止一個激光束進(jìn)行操作。
操作員23使用一工作站21操作光束對準(zhǔn)裝置20，工作站21包含一存儲 器25及一處理單元(PU) 32。 PU 32使用存儲于存儲器25中的指令來控制光 束對準(zhǔn)裝置20的各個元件，例如激光器22及平移和光束導(dǎo)向平臺。除操作平 臺33、 35及45以外，當(dāng)正微加工一在部位43中的特定孔時，PU 32還可改變 光學(xué)元件串30的焦點。該孔是在PCB 24的頂面36上的所選區(qū)42中微加工。 插圖44更詳細(xì)地顯示部位43，其包含區(qū)42及環(huán)繞該區(qū)的一區(qū)域。
在本發(fā)明的某些實施例中， 一物體46位于區(qū)42下面，該物體嵌于PCB24 中，因而PCB中存在位于物體上面的一層38及位于物體下面的一層40。通常， 還有其他嵌式物體接近物體46，且在PCB 24中還可包含其他層，但為清楚起 見，在圖1中未顯示這些其他嵌式物體及層。物體46通常是一電路的一部分， 且層38及40用作襯底，該電路即形成于該襯底上。在一實施例中，物體46 是大致圓形的金屬焊墊，其直徑大致為100 |im。通常，層38及40為電介質(zhì)， 且由填充的環(huán)氧樹脂制成。在某些所揭示實施例中，假定層38及40是由位于 NJ的Ajinomoto Fine-Techno公司制造的各種Ajinomoto累積膜(ABF)中的
一種制成，這些Ajinomoto累積膜(ABF)在所屬領(lǐng)域中眾所周知，且將在下 文中參照圖2及圖3加以說明。在一實施例中，層38及40是由GX3型ABF構(gòu) 造而成，且厚度大致為35 )ira。然而，應(yīng)了解，層38及40可由適于構(gòu)造印刷 電路板的任何材料制成。例如，層38可包含一 ABF材料，而層40可包含F(xiàn)R4 材料。
為使PU 32可對準(zhǔn)PCB 24，由來自一輻射源50的照明來照明PCB，輻射 源50通常是一激光二極管，其提供處于成像輻射波長的成像輻射。在某些實 施例中，輻射源50包含發(fā)光二極管(LED)，通常是高亮度LED。如果輻射源 50包含激光二極管，則該源通常包含斑點消除系統(tǒng)，例如一束光纖。另一選擇 為，或者另外，可如在下文中所述將該源選擇成具有短的相干長度。光束對準(zhǔn) 裝置20包含一第二二向色分束鏡52，其對光束波長透明并用作一處于成像輻 射波長的大致50/50的分束鏡。在如下文所述的本發(fā)明的某些實施例中，分束 鏡52包含一偏振分束鏡。成像輻射經(jīng)由一聚焦透鏡系統(tǒng)49通過分束鏡52傳 遞，以便大體與光束26同軸。成像輻射從鏡34反射，從而使PCB 24處的成 像輻射實質(zhì)垂直于表面36。到達(dá)表面36的成像輻射是配置成照亮一環(huán)繞并與 區(qū)42鄰近的相對小的區(qū)域，而非該表面上的一擴(kuò)展區(qū)域，該區(qū)域通常是所正 微加工的部位的面積的大約四倍左右。例如，對于上文所述的100 pm的實例 性焊墊，聚焦透鏡系統(tǒng)49可配置成在直徑大致為200 nm左右的圓中提供成像 輻射。
通過將成像輻射配置成照亮一環(huán)繞要執(zhí)行微加工的定位的相對小的區(qū)域， 可將高強(qiáng)度照明輻射高效地提供至該區(qū)域，從而可產(chǎn)生該區(qū)域的高品質(zhì)圖像。 通過經(jīng)由光束對準(zhǔn)裝置20中也用于將微加工光束26導(dǎo)向至所正微加工的區(qū)域 的元件對成像輻射進(jìn)行導(dǎo)向，當(dāng)使光束對準(zhǔn)裝置20重新對準(zhǔn)以對新的區(qū)域進(jìn) 行微加工時，高強(qiáng)度照明輻射會自動地重新對準(zhǔn)新的區(qū)域。此外，如下文所述， 用于成像的返回輻射也經(jīng)由光束對準(zhǔn)裝置20中對光束26及照明輻射進(jìn)行導(dǎo)向 的共用元件返回，因而當(dāng)使光束對準(zhǔn)裝置20重新對準(zhǔn)以微加工新的區(qū)域時， 也會對新的區(qū)域自動成像。如在下文中所更詳細(xì)解釋，上述特征組合使本發(fā)明 實施例能夠?qū)嵸|(zhì)實時地使光束26對準(zhǔn)其部位，由此提供PCB 24的總體微加工 速率。
來自部位43的返回輻射由鏡34經(jīng)由分束鏡52反射至光學(xué)元件串30，如
由箭頭54所示，并從光學(xué)元件串傳送至分束鏡28。串30經(jīng)由分束鏡28及聚 焦透鏡55并視需要經(jīng)由一濾光片系統(tǒng)53將返回輻射導(dǎo)向一光學(xué)傳感器56，濾 光片系統(tǒng)53通常包含一組可選濾光片，包含帶通濾光片及長通濾光片。如在 下文中所述，如果部位43產(chǎn)生熒光輻射，可利用此一濾光片系統(tǒng)。對于存在 于部位43中的物體(例如物體46)，傳感器56經(jīng)配置以根據(jù)物體的定位向 PU 32提供信號，且處理單元使用這些信號使光束26相對于PCB 24及物體正 確地對準(zhǔn)及定向。將參照圖5A、 5B及5C對傳感器56的運行進(jìn)行更詳細(xì)說明。
在某些實施例中，輻射源50用于從部位43產(chǎn)生熒光返回輻射，以尤其使 從返回輻射形成的圖像固有地不存在斑點。第10/793， 224號美國專利申請案 即說明熒光圖像的產(chǎn)生，其讓于本發(fā)明的受讓人并以引用方式并入本文中。在 這些情形中，輻射源50可較佳包含一以大致405 nm工作的激光二極管，且通 常可不需要斑點消除系統(tǒng)。此外，分束鏡52可較佳配置成二向色分束鏡，反 射來自輻射源50的輻射并透射光束26及熒光返回輻射。較佳地，PU 32可經(jīng) 配置以調(diào)整輻射源50所產(chǎn)生的成像輻射的波長及/或功率。通過調(diào)整波長及/ 或功率，可改變成像輻射穿透入部位43內(nèi)的有效深度，從而使熒光輻射所產(chǎn) 生的圖像可最佳化。如果部位43包含一不發(fā)出熒光的物體，例如金屬焊墊， 則以熒光輻射產(chǎn)生圖像會增強(qiáng)圖像的對比度。由于如在下文中所解釋，部位43 通常包含具有不同熒光特性的層，因而PU32及/或操作員23可從濾光片組53 中選取濾光片來使圖像最佳化。
在某些實施例中，將輻射源50選擇成具有對PCB實質(zhì)透明的工作波長或 波長范圍，例如在下文中參照圖2所給出的波長。在此種情形中，通常對于至 少部分呈鏡面的物體46，可反襯相對暗的背景使物體成像為亮的物體。當(dāng)將相 對長的源波長(例如在下文中參照圖2給出)與對這些波長相對透明的材料(例 如SH9K ABF樹脂、GX3 ABF樹脂或GX13 ABF樹脂) 一起使用時，便可產(chǎn)生此 種類型的"亮場"成像。
通常，PU 32使用平移臺45對PCB 24執(zhí)行粗略對準(zhǔn)，并使用平臺33及 35執(zhí)行精微對準(zhǔn)，以使區(qū)42處于表面36上的所需位置，并使光束26相對于 該表面處于所需取向上。然而，也可使用平移平臺33、 45及光束操控平臺35 的操作的任何其他方便的組合對光束26進(jìn)行定位及定向。
為使用光束26在PCB 24中微加工一孔，所加工的材料需要至少部分地進(jìn)
行有效吸收，以吸收光束的能量。此種有效吸收可由PCB樹脂在光束波長下對 光束的吸收、或由包含于樹脂中的物體(例如玻璃微粒或纖維)、或由嵌于PCB 中的物體(例如物體46)對光束的吸收來實現(xiàn)。另一選擇為，或者另外，在上 文所提及的短脈沖激光器情況下，對光束的有效吸收可通過短脈沖與PCB樹脂 或所嵌入物體的非線性相互作用來實現(xiàn)。一般而言，由于微加工是通過燒蝕PCB 的某些部分而起作用，因而微加工的效率隨對光束的有效吸收的增加而提高。
諸多其他因素可影響光束對準(zhǔn)裝置20在PCB 24中高效地進(jìn)行微加工的能
力
所要微加工的PCB部分在該光束波長下需要具有的有效吸收性可限制在 該光束波長下對表面36下面的物體(例如物體46)的有效成像。
光束對準(zhǔn)裝置20的某些光學(xué)元件同時傳遞來自光源22的光束輻射與來 自輻射源50的成像輻射。另外，如果產(chǎn)生熒光輻射，則這些光學(xué)元件也可傳 遞熒光輻射。這三種輻射具有不同的波長，且某些波長可彼此迥異。在這些情 形中，可較佳將光束對準(zhǔn)裝置20的光學(xué)元件選擇成包含反射元件、折射元件、 或這兩種類型元件的組合、及/或例如衍射元件等其他元件，以便正確地傳送 不同的波長。元件選擇對于所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將一目了然。
對可為光束選用的波長、以及對可為成像輻射及熒光輻射(如果使用) 選用的波長或波長范圍存在實際限值。
對光束及成像輻射波長的選取因這些及其他因素(包括PCB 24的組成要 素及物體46的光學(xué)特性)而異。因此，在本發(fā)明的某些實施例中，將光束波 長與成像輻射波長選擇成大致相同。對于這些實施例，使成像輻射波長與光束 波長相隔約50nm或以下。在其他實施例中，則將這兩個波長選擇成互不相同， 使成像輻射波長與光束波長相隔約100 nra或以上。對于熒光成像的情形，將 成像輻射波長選擇成能產(chǎn)生熒光，且PCB樹脂對成像輻射固有地存在局部吸收 性。
光束對準(zhǔn)裝置20可用于在PCB 24中微加工多個孔，這些孔通常用于微通 路及/或盲通路。在微加工多個孔時所涉及到的步驟是使光束26與區(qū)42對 準(zhǔn)，穿過該區(qū)微加工出孔，并使光束重新對準(zhǔn)具有所要微加工的區(qū)的新的部位。 反復(fù)地重復(fù)該過程。為使該過程高效地進(jìn)行，應(yīng)盡可能快地執(zhí)行光束的對準(zhǔn)與
重新對準(zhǔn)。另一選擇為，或者另外，可配置多組光束對準(zhǔn)裝置20來實質(zhì)同時
地微加工多個孔。在本發(fā)明的一實施例中，在PCB上同時操作18組光束對準(zhǔn) 裝置20。
在本發(fā)明的某些實施例中，光束對準(zhǔn)裝置20包含一元件51。元件51的功 能將在下文中參照圖8加以說明。
圖2是在不同波長下在樹脂厚度為45 |im時不同類型ABF樹脂的百分比透 射的示意性曲線圖。
通過檢査該曲線圖會發(fā)現(xiàn)，在大約350 nm的波長下一此對應(yīng)于如果激光 器是UV激光器時激光器22所提供的波長，SH9K ABF樹脂透射大約20X，而 GX3 ABF樹脂則具有高的吸收性。因此，如果層38是SH9K ABF樹脂，則輻射 源50可與激光器22具有大致相同的波長，并從物體46產(chǎn)生返回輻射。如果 層38包含GX3 ABF樹脂，則為獲得與在SH9K情況下相同或更多的返回輻射， 源波長應(yīng)大約為430 mn或以上。除圖2的曲線圖所給出的透射因素以外，其 他會影響PCB及物體46的成像的因素包括照明輻射的漫射，其因用于填充構(gòu) 成層38及40的環(huán)氧樹脂的玻璃珠的大小及密度而異。
本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，在800 nm左右或以上的近紅外線波長下，這兩 種類型的樹脂均實質(zhì)透明。本發(fā)明的發(fā)明者還已發(fā)現(xiàn)，如果輻射源50以這些 波長工作，則無論嵌于層38及40中的珠所引起的漫射如何，均會形成所嵌入 物體(例如物體46)的良好圖像。
圖3是不同類型樹脂的熒光的示意性曲線圖。對應(yīng)于ABF樹脂GX3、 SH9K 及GX13以及FR4材料的曲線繪示每一樹脂材料的歸一化熒光強(qiáng)度一熒光波長 的關(guān)系。這些曲線是在激發(fā)波長約為300 mn時產(chǎn)生的，但發(fā)明者已證實，在 其他激發(fā)波長(包括上文所例示的UV激光器的350 nm的波長)下，也會得到 大體類似的曲線。本發(fā)明的某些實施例使用圖3中的曲線所示的熒光特性來操 作光束對準(zhǔn)裝置20。例如，如果層40 (圖1)包含F(xiàn)R4樹脂，且層38包含GX3 樹脂，則可使用以約450 nra的波長工作的帶通濾光片、或者截止波長大約為 相同波長的長通濾光片來很好地區(qū)分這兩個層。在觀察這兩個層的熒光時，可 使用一更短波的帶通或長通濾光片。
圖4是一流程圖60，其顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例在操作光束對準(zhǔn)裝置20
時所執(zhí)行的步驟。
在使用光束對準(zhǔn)裝置20進(jìn)行微加工之前，首先將該裝置相對于PCB 24校 準(zhǔn)。該初始校準(zhǔn)可以是標(biāo)記一面板，例如一專用校準(zhǔn)面板(不同于PCB 24)， 使用光束對準(zhǔn)裝置20對這些標(biāo)記成像，并根據(jù)所成像的標(biāo)記來確定裝置的校 準(zhǔn)偏移量。在某些實施例中，可標(biāo)記PCB 24的一部分，并使用這些標(biāo)記進(jìn)行 校準(zhǔn)。
另一選擇為，或者另外，如在下文中所更詳細(xì)說明，可有利地使用圖3中 的曲線所示的熒光特性使光束對準(zhǔn)裝置20對正。
下文對流程圖60中各步驟的說明描述一種校準(zhǔn)過程及一種微加工過程。 在一第一校準(zhǔn)步驟62中，操作員23將一專用校準(zhǔn)面板或PCB24 (如果要 使用該P(yáng)CB進(jìn)行校準(zhǔn))定位于平臺45上。操作員為光束對準(zhǔn)裝置20提供校準(zhǔn) 目標(biāo)座標(biāo)(通常是2至4個目標(biāo)的校準(zhǔn)目標(biāo)座標(biāo))以及在校準(zhǔn)面板中或在PCB 24 中對應(yīng)于這些目標(biāo)的形狀。操作員可從計算機(jī)輔助制造(CAM)文件中提供目 標(biāo)座標(biāo)及形狀，或者可由操作員直接輸入。如上文所述，這些目標(biāo)可配置成無 損性的或有損性的。另一選擇為，校準(zhǔn)面板或PCB 24可通過機(jī)械方式進(jìn)行定 位，通常是使用基準(zhǔn)銷、拐角、或者面板或PCB中的其他機(jī)械基準(zhǔn)區(qū)。
在一第二校準(zhǔn)步驟64中，操作員操作光束對準(zhǔn)裝置20的對正系統(tǒng)，以對 校準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行照明及定位。照明可來自輻射源50，如上文所述，可較佳選擇輻 射源50的成像輻射波長，以使返回輻射為熒光輻射。還如上文所述，PU32可 調(diào)整輻射源50的波長及/或功率，以使所產(chǎn)生的圖像最佳化。
另一選擇為，或者另外，如果使用校準(zhǔn)目標(biāo)的熒光，則可通過以低于PCB 的燒蝕閾值功率的功率操作激光器22，來照明包含這些目標(biāo)的區(qū)。在此種情形 中，可通常通過以光學(xué)元件串30使光束26散焦、以"區(qū)域照明"模式操作激 光器22來照明該區(qū)。另一選擇為，可通過使用光束操控平臺35掃描鏡34并 由此掃描激光束來執(zhí)行區(qū)域照明模式。校準(zhǔn)目標(biāo)在傳感器56上成像，且PU32 使用在傳感器上所形成的目標(biāo)圖像來校準(zhǔn)光束對準(zhǔn)裝置20。如果使用熒光，則 PU 32及/或操作員23可選擇濾光片組53中的其中一個濾光片來使所形成的圖 像最佳化一通常在層38及40包含例如上文所述的不同樹脂的情況下，且如在 對圖3的說明中所例示。
下面的步驟假定已使用PCB 24進(jìn)行校準(zhǔn)，且該P(yáng)CB在光束對準(zhǔn)裝置20中 就位。在下面的步驟中，還以舉例方式假定物體46為一孤立的近似圓形的焊 墊，且要穿過焊墊的中心垂直于表面36微加工一孔。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人 員將能夠針對其他類型的物體46 (例如連接至矩形導(dǎo)體或連接至一相連的圓形 焊墊陣列的圓形焊墊)在細(xì)節(jié)上對該流程圖中各步驟的說明作必要修正。
在一第一微加工步驟65中，操作員23將對應(yīng)于在PCB 24中所構(gòu)建電路 的C認(rèn)文件裝載入存儲器25內(nèi)。
在一第二微加工步驟66中，PU 32使用CAM文件來確定形狀及該形狀的 名義座標(biāo)，其中要微加工一孔。在下文說明中，假定要在物體46的中心上微 加工一孔，因而這些名義座標(biāo)可為物體46的或包含該物體的部位43的名義座 標(biāo)。另一選擇為，可通過分析電路的圖像來得到物體46的名義座標(biāo)及形狀， 該分析是由操作員23及/或PU 32執(zhí)行。
在一第三微加工步驟68中，PU32使用一對應(yīng)于名義座標(biāo)的信號來向固定 PCB24、光學(xué)元件串30、及/或鏡34的各運動平臺提供粗略調(diào)整控制信號，以 使物體46移入傳感器56的視野內(nèi)。此種定位可由處理單元完全自動地執(zhí)行。 或者，操作員23可至少部分地執(zhí)行此種定位，通常是通過將名義座標(biāo)提供至 TO 32。
從步驟68開始，PU 32遵循兩個可能路徑之一。第一路徑69是通過光束 對正步驟70及72到達(dá)物體照明步驟74。第二路徑71則直接到達(dá)物體照明步 驟74。當(dāng)首先操作流程圖60并隨后定期地操作流程圖60時，PU 32遵循第一 路徑69，因而在步驟70及72中所執(zhí)行的光束對正并非對所微加工的每一物體 均執(zhí)行。而是，間歇性地每t秒執(zhí)行一次光束對正，其中t是由操作員23選 取的參數(shù)，且通常約為IO左右。
在路徑69中，在第一光束對正步驟70中，以低于燒蝕閾值的低功率操作 激光器22，以射到部位43上。激光束通常在其射到部位43上之處(此處假定 為區(qū)42)激發(fā)熒光，在此種情形中，返回?zé)晒廨椛渚劢褂趥鞲衅?6上而在傳 感器上形成區(qū)42的圖像。另一選擇為，可并非使用PCB的熒光，而是此前已 在部位43上附加一燒蝕校準(zhǔn)板。
在路徑69中，在第二光束對正步驟72中，PU 32記錄激光束在傳感器56
上的定位。
在物體照明步驟74中，PU32關(guān)斷激光器22，并操作福射源50對物體46 進(jìn)行照明。另一選擇為，或者另外，在步驟74中，PU 32可使激光器22保持 低功率及/或上文所述的區(qū)域照明模式。通常，PU32使用在物體46附近從PCB 產(chǎn)生的返回?zé)晒廨椛鋪硇纬稍谙乱徊襟E76中所述的圖像。熒光輻射可由激光 器22及/或輻射源50的輻射產(chǎn)生。該圖像可由返回?zé)晒廨椛鋯为毿纬?、或?與處于輻射源50的波長的返回輻射一同形成。通常，例如對于上文所述的包 含不同樹脂類型(例如ABF及FR4)的層38及40的實例而言，在為返回?zé)晒?輻射的情形中，PU 32從濾光片組53中選擇一濾光片來使圖像最佳化。
在物體記錄步驟76中，PU32記錄在傳感器56中產(chǎn)生的物體圖像。PU32 分析來自傳感器56的信號電平，以確定對應(yīng)于中心實際座標(biāo)的信號。此種分 析的一實例將參照圖5B及5C加以說明。如果已遵循路徑69,則處理單元記錄 并確定圓形焊墊中心的實際座標(biāo)與在步驟72中得到的光束位置之間的偏移量。 而如果已遵循路徑71，則處理單元使用在路徑69的最新執(zhí)行中所得到的偏移
在運動步驟78中，PU 32使用在步驟76中所確定的偏移量、相對于物體 46的中心來調(diào)整光束位置。通常，通過操作光束操控平臺35以正確對準(zhǔn)鏡34 來實施該調(diào)整。
在操作激光器步驟80中，PU 32將源22的功率切換成高于燒蝕閾值，以 使光束燒蝕層38及物體46，并由此在物體46的中心的實際座標(biāo)處微加工出一 孔。在某些實施例中，在微加工期間，處理單元還可隨著微加工的進(jìn)行，使用 光學(xué)元件串30改變光束26的焦點。
在第一判決步驟82中，PU 32檢查是否要在PCB 24上對該P(yáng)CB的其他部 位執(zhí)行的進(jìn)一步微加工操作。如果不再存在其他操作，則流程圖60結(jié)束。如 果存在其他操作一在此處假定是要在實質(zhì)類似于物體46的物體的中心處加工 孔，則流程圖60繼續(xù)進(jìn)行至第二判決步驟84。
在第二判決步驟84中，PU 32判定物體46距所要加工的下一物體的名義 位置的距離是否大于一預(yù)設(shè)距離(通常為10 mm左右)。如果該距離大于預(yù)設(shè) 距離，則將計數(shù)器N設(shè)定為O，且該流程返回步驟66來加工下一物體。
如果該距離小于或等于預(yù)設(shè)距離，則在第三判決步驟86中，PU32檢查在 步驟76中所記錄的偏移量是否小于一預(yù)設(shè)值。如果該偏移量小于預(yù)設(shè)值，則 在步驟88中，PU 32通過對下面的N個物體執(zhí)行步驟78及80來操作光束對準(zhǔn) 裝置20，其中N是上面所提到的計數(shù)器，且其中N設(shè)定為一通常約為IO的預(yù) 定值。操作員23可在步驟65中裝載CAM文件時設(shè)定該預(yù)定值N。
在執(zhí)行步驟88的同時，PU32在每一加工操作后均檢查各物體之間的距離 是否超過預(yù)設(shè)距離，在此種情形中，該流程返回步驟66，如流程圖中的虛線 67所示。如果在加工這N個物體時不超過該預(yù)設(shè)距離，則PU32完成對這N個 物體的加工，使N遞增，并隨后使流程返回步驟66。
如果在判決步驟86中該偏移量大于或等于預(yù)設(shè)值，則PU 32使N遞減至 最小值0。在步驟90中，PU 32通過對下面的N (遞減后的值)個物體執(zhí)行步 驟78及80來操作該裝置。在執(zhí)行步驟90的同時，PU32在每一加工操作后均 檢查各物體之間的距離是否超過預(yù)設(shè)距離，在此種情形中，該流程返回步驟66， 如流程圖中的虛線73所示。如果在加工這N個物體時不超過該預(yù)設(shè)距離，則 PU 32完成對這N個物體的加工，并隨后使流程返回步驟66。
判決步驟84使操作員23能夠?qū)⒐馐鴮?zhǔn)裝置20配置成可在不執(zhí)行對正 步驟的情況下，加工處于一已被執(zhí)行對正步驟66-76的物體的預(yù)設(shè)距離以內(nèi)之 各物體。換句話說，使用針對一給定物體確定出的偏移量為靠近該給定物體的 物體群組確定光束位置。
判決步驟86使操作員能夠?qū)⒀b置配置成使在步驟76中得到的偏移量的大 小決定在上面所述的群組中有多少物體。因此，如果所確定的偏移量低于預(yù)設(shè) 偏移量，則對所要加工的下一物體群組遞增N的值(群組中的物體數(shù)量)。而 如果所確定的偏移量大于預(yù)設(shè)偏移量，則對所要加工的下一物體群組遞減N的 值。
操作員通常在步驟65中輸入預(yù)設(shè)距離及預(yù)設(shè)偏移量的值。
以上說明適用于穿過圓形焊墊的中心垂直于表面36微加工一圓形孔。光 束對準(zhǔn)裝置20也可執(zhí)行其他微加工操作，例如非垂直地微加工一孔，及/或微 加工一非圓形孔，例如呈狹縫形狀的孔，及/或在不同于與流程圖60中所確定 實際座標(biāo)相對應(yīng)的位置處微加工一孔。還應(yīng)了解，可采用微加工來形成完全穿 透PCB的孔，或者并不完全穿透PCB的孔。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠針 對此等其他微加工操作來修改以上說明，通常是通過使處理單元在步驟78及 80中對平移平臺33、平移平臺45、及/或光束操控平臺35執(zhí)行進(jìn)一步的操作 來實現(xiàn)。
通常，對應(yīng)于步驟68的粗略對準(zhǔn)如果自動執(zhí)行，則自前一微加工的孔起 耗用大約1-3ms。如果光束操控平臺35 (圖l)是基于檢流計，則通常適用較 短的時間，而如果該平臺是二軸式掃描系統(tǒng)，則通常適用較長的時間。較佳地， 上文在步驟78中所述的精微對準(zhǔn)程序耗用不到大約1 ms。之所以能實現(xiàn)這些 時間，主要是因為射向所微加工的每一部位的成像輻射具有高的強(qiáng)度。
發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，這些時間使得與并不采用流程60中的步驟進(jìn)行此種加工 的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，在采用流程60來加工PCB時實質(zhì)上不存在時間損失。 此外，可在加工PCB期間執(zhí)行例如判決步驟84及86等步驟。因此，可將流程 60實施成實質(zhì)實時地操作。通過以所述時間進(jìn)行操作，便可消除例如熱漂移等 相對長期的不利效應(yīng)。而且，通過如上文所述僅間歇性地執(zhí)行對正步驟70及 72，會縮短總的操作時間，而不會影響微加工的精度。
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例，可用于光束對準(zhǔn)裝置20中的光學(xué)傳感器 56的表面的示意圖。通常，為在上面給出的對準(zhǔn)時間中產(chǎn)生對準(zhǔn)信號，傳感器 56使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)。另一選擇為，傳感器56可包含 一個或多個CCD (電荷耦合器件)、或其他適當(dāng)?shù)膫鞲衅骷?br> 一圖式164圖解說明傳感器56的表面。傳感器56通常包含一矩形的檢測 元件陣列170。下面說明適合的圖像傳感器的某些實例。位于Boise, Idaho的 Micron Technology公司提供一種MTM001 CMOS 130萬像素的矩形陣列傳感器， 本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)此種傳感器即適合?？墒褂靡豢删幊痰年P(guān)注區(qū)域(A0I) 來限制傳感器中所尋址的元件數(shù)量，從而使該陣列能夠用于1-3 ms左右的短 的采集時間。日本的Hamamatsu Photonics K. K.公司提供一種256x256檢測元 件S9132陣列，其可作為兩個一維陣列使用，并給出總和輸出，此將在下文中 予以更詳細(xì)說明。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將熟悉適合用作傳感器56的其他 陣列。
PU32可有利地使用來自元件170的信號精確地確定關(guān)于物體46的特定位 置。圖5B及5C顯示物體46的圖像的實例。舉例而言，假定物體46包含一圓 形焊墊，且要微加工該圓形焊墊的中心。在圖5B中，物體46包含一孤立的近 似圓形的焊墊，其產(chǎn)生圖像166。在圖5C中，物體46包含連接至矩形導(dǎo)體的 一近似圓形的焊墊，其產(chǎn)生由一圓形部分178連接至一矩形部分180而構(gòu)成的 圖像176。
如果傳感器56包含由各單獨像素形成的矩形陣列(例如上面提到的Micron 陣列)，則對于圖像166， PU32可將所要分析的像素數(shù)量減少至環(huán)繞圖像166 的一矩形像素集合168，減少像素數(shù)量會縮短對圖像的采集時間。PU 32可然 后將所有成像像素擬合至一個圓一通常是使用邊緣檢測算法來進(jìn)行，以便以子 像素精度識別圖像166的中心。
例如，通過使用130萬像素中的100x100個像素，與30Hz的名義幀速率 相比，可將圖像采集時間改善接近100倍，從而提供亞毫秒的采集時間。如此 短的采集時間需要具有高的圖像照明強(qiáng)度，此是由來自輻射源50的定向部位 照明經(jīng)由鏡34 (圖1)來提供。
對于圖像176， PU 32可將所要分析的像素數(shù)量減少至環(huán)繞部分178的一 矩形像素集合179 (可能去除矩形部分180中的某些像素)。借助一種邊緣檢 測算法，PU 32可然后將形成一非線性邊緣的成像像素擬合至一個圓，以便以 子像素精度識別圓形部分178的中心。另一選擇為，PU 32可使用邊緣檢測算 法將所有像素擬合至一預(yù)期的理論邊緣，該理論邊緣是由一個圓與位于該圓一 側(cè)上的兩條平行線相交而產(chǎn)生的。
通常，PU 32選擇進(jìn)行分析的像素并不需要為簡單的矩形陣列。例如，成 像部位可包含附連至一大的圓形焊墊的小的圓形焊墊，在此種情形中，PU 32 所選的像素可配置成為剛好囊括該部位所選的通常不規(guī)則的像素集合。
傳感器56可包含一可并不給出陣列中每一像素的輸出的陣列，例如上文 所提到的Hamamatsu陣列。在此種情形中，PU 32可對該陣列的總和輸出應(yīng)用 曲線擬合，以找到圖像166及178的中心。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一替代實施例的一光束對準(zhǔn)裝置320的示意圖。除下文 所述的區(qū)別外，光束對準(zhǔn)裝置320的操作大體類似于光束對準(zhǔn)裝置20 (圖l) 的操作，且光束對準(zhǔn)裝置20與320中由相同參考編號所表示的元件在構(gòu)造及
操作方面大體類似。
光束對準(zhǔn)裝置320包含一分束鏡326，且去除了分束鏡52。分束鏡326經(jīng) 配置以透射來自輻射源50的成像輻射，并將從部位43返回的輻射反射至傳感 器56。如果返回輻射具有與輻射源50的輻射相同的波長，則分束鏡可為一 50/50分束鏡。如果返回輻射是熒光輻射，則分束鏡326可配置成一二向色分 束鏡。另一選擇為，如下文所述，分束鏡326可為一偏振分束鏡。
在光束對準(zhǔn)裝置320中，光學(xué)元件串30分離成兩組光學(xué)元件。第一組324 通常包含可移動的光學(xué)元件，其可用于改變來自源22的光束的放大率。第二 組322通常包含固定的光學(xué)元件。通過將光學(xué)元件串30分成這兩組，可在不 影響照明以及分束鏡28與鏡34之間的成像路徑的情況下調(diào)整來自源22的光 束的放大率。
下面將說明光束對準(zhǔn)裝置320中的元件323及325。
如果光束對準(zhǔn)裝置320中所提供的法向成像照明在部位43上大體均勻， 即如果該照明幾乎不或根本不存在任何結(jié)構(gòu)，則鏡面物體46所得到的圖像通 常是該物體的亮的圖像反襯一環(huán)繞該物體的區(qū)的暗的背景圖像，且這兩個圖像 具有良好的對比度。
考慮光束對準(zhǔn)裝置20與320之后便會發(fā)現(xiàn)，例如可操控的鏡34及光學(xué)元 件串30等光學(xué)元件可傳遞至少兩種不同的波長，即光束26的光束波長與輻射 源50的成像輻射波長。如果使用熒光，則這些光學(xué)元件可傳遞三種不同的波 長，即光束波長、成像輻射波長、以及熒光波長。將同一些元件配置成傳遞兩 種或三種不同的波長會顯著減少如果對不同波長分別使用單獨一組元件時可 能需要的光學(xué)元件的數(shù)量。
圖7是根據(jù)本發(fā)明又一替代實施例的光束對準(zhǔn)裝置330的示意圖。除下文 所述的區(qū)別外，光束對準(zhǔn)裝置330的操作大體類似于光束對準(zhǔn)裝置20 (圖l) 及光束對準(zhǔn)裝置320 (圖7)的操作，且光束對準(zhǔn)裝置20、 320與330中由相 同參考編號所表示的元件在構(gòu)造及操作方面大體類似。
光束對準(zhǔn)裝置330在鏡34與部位43之間包含一透鏡系統(tǒng)336。透鏡系統(tǒng) 336通常包含一遠(yuǎn)心透鏡，其使鏡34能夠具有約土20。的F0V。增加該透鏡系統(tǒng) 便會將光束對準(zhǔn)裝置330配置成一 "預(yù)掃描"系統(tǒng)。與上文所述的后掃描系統(tǒng) 相比，鏡的F0V越大，便能使鏡將光束26投射至PCB 24中越大的區(qū)域上并對 該區(qū)域成像。
光學(xué)元件組324及322通常分別重新配置成包含可移動元件的第一組334 以及包含固定元件的第二組332，組334與組332經(jīng)過選擇以適應(yīng)于透鏡系統(tǒng) 336。
上文對光束對準(zhǔn)裝置20、 320及330的說明是假定成像照明大體垂直于表 面36，且總體上未結(jié)構(gòu)化。而在下文所述的本發(fā)明的某些實施例中，也可將成 像照明配置成使該照明具有結(jié)構(gòu)，如下文所述。
圖8圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例由輻射源50提供的成像輻射配置344。 圖中顯示在輻射配置344情況下，PCB 24的剖面圖340及俯視圖342。在輻射 配置344中，表面36上的成像輻射被結(jié)構(gòu)化成例如一大體圓環(huán)346形狀的成 像輻射。該成像輻射穿透層38及40，且還因這些層內(nèi)的漫射而在這些層內(nèi)局 部散射，例如主要因包含于這些層中的填充材料而引起。穿透與局部散射相結(jié) 合會有效地"從背面照明"物體46，如由箭頭348所示意性地顯示，由此在傳 感器56上形成一高對比度圖像。無論物體46是否是鏡面，均會產(chǎn)生高對比度 圖像。此外，通過背面照明所形成的高對比度圖像會有效地補(bǔ)償可能因在這些 層內(nèi)的輻射漫射而造成的圖像模糊。而假如不使用背面照明效果，圖像模糊可 在圖像的所測量位置上造成偏差。
可通過將一元件51 (圖l)(通常為止擋件)置于聚焦透鏡系統(tǒng)49與分 束鏡52之間而在光束對準(zhǔn)裝置20中有利地提供輻射配置344。盡管為清楚起 見在圖中未顯示，然而也可通過將一適當(dāng)?shù)闹箵跫糜谕哥R55與分束鏡28之 間而在光束對準(zhǔn)裝置320中提供輻射配置344。其他用于在光束對準(zhǔn)裝置20、 320及330中形成圓環(huán)狀輻射的方法(例如使用為得到結(jié)構(gòu)化照明而設(shè)計的衍 射元件)對于所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言將一目了然，且認(rèn)為也包含于本發(fā) 明的范疇內(nèi)。例如，元件51可包含此一衍射元件。輻射源50可提供其他形式 的結(jié)構(gòu)化照明，所述照明通常是根據(jù)所成像的部位來結(jié)構(gòu)化。例如，可使用一 矩形的照明來照明一大體直線狀跡線周圍的區(qū)域。所有這些形式的結(jié)構(gòu)化照明 均被認(rèn)為仍包含于本發(fā)明的范疇內(nèi)。
為得到輻射配置344，可將輻射源50選擇成一具有極短相干長度的激光發(fā)
射器，以便實質(zhì)不存在斑點。發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，相千長度約為所加工物體尺寸(例 如圓形焊墊的直徑)的1-2倍的激光器便適合于此。
重新參見圖6， 一替代輻射配置使用偏振照明輻射。如在圖6中所示，可 將一偏振器323置于輻射源50之后，并將一分析儀325置于傳感器56之前。 另一選擇為，由于輻射源50通常提供偏振輻射，因而可無需使用偏振器323。 偏振器323的取向、或輻射源50 (如果其輻射是偏振的)的取向、以及分析儀 325的取向可由PU32加以控制。另一選擇為，這些取向可由操作員23預(yù)設(shè)成 大體固定的值。表面36及PCB 24的中間表面(例如層38與層40之間的界面) 的反射實際上與低入射角的入射偏振輻射具有相同的偏振。來自層38及40的 返回散射輻射相對較弱，且主要在與入射偏振輻射相同的方向上偏振。然而， 如果物體46具有甚至一局部粗糙的金屬表面(為改善物體與其嵌入樹脂間的 黏著性，通常會如此)，其所反射的輻射實質(zhì)上被消偏振，因而具有與入射偏 振輻射呈90。夾角的分量。在此處所述的替代配置中，PU32將偏振器323與分 析儀325設(shè)置成具有交叉的偏振，或者操作員23預(yù)設(shè)這些取向，以使來自這 些表面及層38和40內(nèi)側(cè)的鏡面反射被吸收，而來自物體46的被消偏振的輻 射則透射過。交叉的偏振由此提供物體46的與物體周圍材料具有高對比度的 良好圖像。
在用于使照明輻射偏振的一替代實施方案中，既不使用偏振器323，也不 使用分析儀325。而是，將輻射源50構(gòu)建成提供偏振照明，且將分束鏡326配 置成一能透射來自所述光源的偏振照明的偏振分束鏡。該偏振分束鏡用以將被 消偏振的輻射(包含來自物體46的輻射)反射至傳感器56，由此如上文所述 形成物體的良好圖像。
重新參見圖1，可在輻射源50的波長下將分束鏡52配置成一偏振分束鏡， 以使光束對準(zhǔn)裝置20中的傳感器56所形成的物體46的圖像實質(zhì)類似于在光 束對準(zhǔn)裝置320中所形成的圖像。
上文所述的偏振實施例使傳感器56能夠?qū)碜晕矬w46及其周圍環(huán)境的返 回輻射進(jìn)行偏振分析。
在各偏振實施例中，為減小斑點，輻射源50可包含一其相干長度小于所 加工物體的尺寸的激光發(fā)射器。例如，對于圓形焊墊，該相干長度可明顯小于
焊墊直徑。也可使用其他方法來減小斑點，例如使用上文所例示的方法。
上文所述各實施例涉及使用PCB 24及/或所嵌入物體46的光學(xué)圖像來調(diào) 整PCB的實際微加工位置。然而，應(yīng)了解，PU32也可使用PCB及/或所嵌入物 體的其他類型的圖像來確定所需的實際位置。此外，應(yīng)理解，本發(fā)明的實施例 也可用于對嵌入除PCB以外的材料(例如陶瓷或玻璃)中或表面上的物體進(jìn)行
成像。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員無需進(jìn)行過度試驗便能夠修改上文說明，使其 適應(yīng)于其他類型的圖像所需的變化。
應(yīng)了解，上述各實施例是以舉例方式加以引述，且本發(fā)明并非僅限于在上 文中所作的具體顯示及說明。而是，本發(fā)明的范疇既包含上文所述各種特征的 組合及子組合，也包含所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀上文說明后所將想到的且在 現(xiàn)有技術(shù)中不曾揭示的其變化及修改形式。
權(quán)利要求
1.一種用于微加工一材料的方法，其包含配置一光學(xué)系統(tǒng)，以通過所述光學(xué)系統(tǒng)的一給定元件對所述材料的一部位提供處于一照明波長的照明，所述照明從所述部位產(chǎn)生返回輻射；配置所述光學(xué)系統(tǒng)，以通過所述給定元件接收所述返回輻射，并據(jù)此形成所述部位的一圖像；根據(jù)所述圖像計算所述部位處一定位的一實際位置，并輸出一指示所述定位的實際位置的信號；產(chǎn)生一微加工輻射光束，其具有一不同于所述照明波長的微加工波長；因應(yīng)所述信號而相對于所述定位確定所述光束的位置，以形成一對準(zhǔn)光束；以及通過所述光學(xué)系統(tǒng)的至少所述給定元件將所述對準(zhǔn)光束傳遞至所述定位，以在所述定位處執(zhí)行一微加工操作。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述部位包含嵌入一個或多個絕緣襯 底中的一物體。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中對所述部位提供照明包含提供僅對環(huán) 繞所述物體的一區(qū)進(jìn)行照明的結(jié)構(gòu)化照明。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中提供所述結(jié)構(gòu)化照明包含以一衍射元 件形成所述結(jié)構(gòu)化照明。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中對所述部位提供照明包含將所述照明 波長選擇成一使所述部位發(fā)出熒光的波長，且其中所述返回輻射包含因應(yīng)所述 所提供照明而在所述部位處產(chǎn)生的熒光輻射。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其包含過濾所述熒光輻射，以使所述部位 的圖像最佳化。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中對所述部位提供照明包含對所述部位 提供偏振照明，且其中形成所述部位的圖像包含對來自所述部位的所述返回輻 射進(jìn)行偏振分析。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述給定元件包含一可操控的鏡。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述部位包含要在其中執(zhí)行微加工的 多個不同的子部位，且其中確定所述光束的位置包含通過僅操控所述鏡而將所 述光束射至所述多個不同的子部位。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述給定元件包含一光學(xué)元件串，所 述光學(xué)元件串經(jīng)配置以將所述光束及所述照明聚焦至所述部位。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述部位包含一部位區(qū)域，且其中對 所述部位提供照明包含對所述部位區(qū)域及對不大于所述部位區(qū)域且與其鄰近 的另一區(qū)域提供照明。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中形成所述圖像包含在一圖像傳感器 上形成所述圖像，且其中所述照明具有一在3毫秒或更短時間內(nèi)在所述圖像傳 感器上產(chǎn)生所述圖像的強(qiáng)度。
13. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中形成所述圖像包含在包含一像素陣 列的一圖像傳感器上形成所述圖像，并因應(yīng)所述區(qū)域及所述另一區(qū)域而從所述 陣列中選擇像素以用于分析所述圖像。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其包含在對所述部位提供所述照明之前確 定所述定位的一名義位置，并因應(yīng)所述名義位置而提供所述照明。
15. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中產(chǎn)生所述微加工輻射光束包含 產(chǎn)生一低功率光束，所述光束的一功率低于所述部位的一燒蝕閾值； 將所述低功率光束傳遞至所述部位；以及因應(yīng)所述低功率光束在所述部位的一圖像而確定所述光束的一偏移量。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中確定所述光束的位置包含因應(yīng)所述 偏移量而確定所述光束的位置。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中將所述已確定位置的光束傳遞至所 述定位包含將所述光束設(shè)定成具有一等于或大于所述燒蝕閾值的功率。
18. 如權(quán)利要求l所述的方法，其包含將所述照明波長配置成具有一使所 述部位為非吸收性的值。
19. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述部位包含一外表面，且其中對所 述部位提供照明包含以垂直于所述外表面的成像輻射對所述部位進(jìn)行照明。
20. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中對所述部位提供照明包含在所述部位 提供相干成像輻射，所述相干成像輻射具有一等于或小于所述部位的一尺寸的 兩倍的相干長度。
21. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中計算所述實際位置包含 根據(jù)所述部位的一預(yù)期圖像提供一理論關(guān)系； 根據(jù)所述圖像確定一實際關(guān)系；以及 將所述實際關(guān)系擬合至所述理論關(guān)系。
22. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述部位的圖像包含調(diào)整所述照 明波長與所述照明的一功率中的至少一者，以改變所述照明在所述部位處的一 穿透深度。
23. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述部位包含嵌入一漫射層中的一物 體，且包含補(bǔ)償由嵌入所述漫射層中的所述物體形成的所述圖像而造成的一偏差。
24. —種用于微加工一材料的方法，其包含操作一光源，以對所述材料中一包含一定位的部位提供一輻射光束，所述 輻射光束處于使所述材料發(fā)出熒光的一工作波長，且處于不足以進(jìn)行微加工的 一光束功率，以從所述部位產(chǎn)生熒光輻射；因應(yīng)所述熒光輻射而形成所述部位的一圖像；因應(yīng)所述圖像而相對于所述定位確定所述光束的位置；以及操作所述光源，以對所述定位提供所述輻射光束，所述輻射光束處于所述 工作波長且處于足以促成對所述定位的微加工的一微加工功率。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中以所述光束功率操作所述光源包含通過一光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)對所述部位提供所述輻射光束，且其中形成所述圖像包括通過所述光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)的至少一個元件將所述熒光輻射傳送至一圖像傳感器。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其包含過濾所述熒光輻射，以使所述部 位的圖像最佳化。
27. —種用于微加工一材料的裝置，其包含一輻射源，其經(jīng)配置以通過一光學(xué)系統(tǒng)的一給定元件對所述材料的一部位 提供處于一照明波長的照明，所述照明從所述部位產(chǎn)生返回輻射；一圖像傳感器，其經(jīng)配置以通過所述給定元件接收所述返回輻射，并據(jù)此 形成所述部位的一圖像；一光束源，其經(jīng)配置以產(chǎn)生一微加工輻射光束，所述微加工輻射光束具有 不同于所述照明波長的一微加工波長；以及一處理器，其經(jīng)配置以根據(jù)所述圖像計算所述部位處一定位的一實際位 置，并輸出一指示所述定位的實際位置的信號，因應(yīng)所述信號而相對于所述定 位確定所述光束的位置以形成一對準(zhǔn)光束，及操作所述光束源，以通過所述光 學(xué)系統(tǒng)的至少所述給定元件將所述對準(zhǔn)光束傳遞至所述定位，從而在所述定位 處執(zhí)行一微加工操作。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述部位包含嵌于一個或多個絕緣 襯底中的一物體。
29. 如權(quán)利要求28所述的裝置，其中對所述部位提供照明包含提供僅對 環(huán)繞所述物體的一區(qū)進(jìn)行照明的結(jié)構(gòu)化照明。
30. 如權(quán)利要求29所述的裝置，其包含形成所述結(jié)構(gòu)化照明的一衍射元件。
31. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述照明波長包含使所述部位發(fā)出 熒光的一波長，且其中所述返回輻射包含因應(yīng)所述所提供照明而在所述部位處 產(chǎn)生的熒光輻射。
32. 如權(quán)利要求31所述的裝置，其包含經(jīng)配置以過濾所述熒光輻射的一 組濾光片，且其中所述處理器經(jīng)配置以選擇所述一組中的一者來使所述部位的 圖像最佳化。
33. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述照明包含偏振照明，且包含使 所述圖像傳感器能夠?qū)碜运霾课坏乃龇祷剌椛溥M(jìn)行偏振分析的一偏振 元件。
34. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述給定元件包含一可操控的鏡。
35. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述部位包含要在其中執(zhí)行微加工 的多個不同的子部位，且其中確定所述光束的位置包含通過僅操控所述鏡而將 所述光束射至所述多個不同的子部位。
36. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述給定元件包含一光學(xué)元件串， 所述光學(xué)元件串經(jīng)配置以將所述光束及所述照明聚焦至所述部位。
37. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述部位包含一部位區(qū)域，且其中 對所述部位提供照明包含對所述部位區(qū)域及對不大于所述部位區(qū)域且與其鄰 近的另一區(qū)域提供照明。
38. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述照明具有一在3毫秒或更短時 間內(nèi)在所述圖像傳感器上產(chǎn)生所述圖像的強(qiáng)度。
39. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述圖像傳感器包含一像素陣列， 且其中所述處理器經(jīng)配置以因應(yīng)所述區(qū)域及所述另一區(qū)域而從所述陣列中選擇像素來用于分析所述圖像。
40. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述處理器經(jīng)配置以在所述輻射源 對所述部位提供所述照明之前確定所述定位的一名義位置，且其中所述處理器 經(jīng)配置以因應(yīng)所述名義位置而指令所述輻射源提供所述照明。
41. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中產(chǎn)生所述微加工輻射光束包含產(chǎn)生 一低功率光束，所述光束的一功率低于所述部位的一燒蝕閾值，且其中所述處 理器經(jīng)配置以將所述低功率光束傳遞至所述部位、以及因應(yīng)所述部位處所述低 功率光束在所述圖像傳感器上的一圖像而確定所述光束的一偏移量。
42. 如權(quán)利要求41所述的裝置，其中確定所述光束的位置包含因應(yīng)所述 偏移量而確定所述光束的位置。
43. 如權(quán)利要求42所述的裝置，其中將所述對準(zhǔn)光束傳遞至所述定位包 含將所述光束設(shè)定成具有等于或大于所述燒蝕閾值的一功率。
44. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其包含將所述照明波長配置成具有使所 述部位為非吸收性的一值。
45. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述部位包含一外表面，且其中對 所述部位提供照明包含以垂直于所述外表面的成像輻射對所述部位進(jìn)行照明。
46. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述輻射源經(jīng)配置以在所述部位提 供相干成像輻射，所述相干成像輻射具有一等于或小于所述部位的一尺寸的兩 倍的相干長度。
47. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述處理器經(jīng)配置以 接收依據(jù)于所述部位的一預(yù)期圖像的一理論關(guān)系； 根據(jù)所述圖像確定一實際關(guān)系；以及 將所述實際關(guān)系擬合至所述理論關(guān)系。
48. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述處理器經(jīng)配置以調(diào)整所述照明 波長與所述照明的一功率中的至少一者，以改變所述照明在所述部位處的一穿 透深度。
49. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述部位包含嵌入一漫射層中的一 物體，且其中所述處理器經(jīng)配置以補(bǔ)償由嵌入所述漫射層中的所述物體形成的 所述圖像而造成的一偏差。
50. —種用于微加工一材料的裝置，其包含一光束源，其經(jīng)配置以對所述材料中包含一定位的一部位提供一輻射光 束，所述輻射光束處于使所述材料發(fā)出熒光的一工作波長，且處于不足以進(jìn)行 微加工的一光束功率，以從所述定位產(chǎn)生熒光輻射；一圖像傳感器，其經(jīng)配置以因應(yīng)所述熒光輻射而形成所述部位的一圖像；以及 一處理器，其經(jīng)配置以因應(yīng)所述圖像而相對于所述定位確定所述光束的位 置，并操作所述光束源，以便以所述工作波長及一微加工功率對所述定位提供 所述輻射光束，所述微加工功率足以促成對所述定位的微加工。
51. 如權(quán)利要求50所述的裝置，其包含一光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)，其中以所 述光束功率操作所述光束源包含通過所述光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)對所述部位提供 所述輻射光束，且其中形成所述圖像包含通過所述光束導(dǎo)向光學(xué)系統(tǒng)的至少一個元件將所述熒光輻射傳送至所述圖像傳感器。
52. 如權(quán)利要求50所述的裝置，其包含經(jīng)配置以過濾所述熒光輻射的一 組濾光片，且其中所述處理器經(jīng)配置以選擇所述一組中的一者，以使所述部位 的圖像最佳化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于微加工一材料的方法，其包含配置一光學(xué)系統(tǒng)，以通過該光學(xué)系統(tǒng)的一給定元件對一部位提供處于一照明波長的照明，該照明從該部位產(chǎn)生返回輻射。該方法進(jìn)一步包含配置該光學(xué)系統(tǒng)，以通過該給定元件接收返回輻射，并據(jù)此形成該部位的一圖像；根據(jù)該圖像計算該部位處一定位的實際位置，并輸出一指示該定位的實際位置的信號；產(chǎn)生一微加工輻射光束，其具有一不同于該照明波長的微加工波長；因應(yīng)該信號而相對于該定位確定該光束的位置，以形成對準(zhǔn)光束；并通過該光學(xué)系統(tǒng)的至少該給定元件將對準(zhǔn)光束傳遞至該定位，以便在該定位處執(zhí)行一微加工操作。
文檔編號H05K3/00GK101098620SQ200710127920
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月26日
發(fā)明者茲維·庫勒, 博瑞斯·格林布戈, 戈蘭·漢尼那, 艾利哲·利普曼, 邁克爾·澤諾 申請人:以色列商奧寶科技股份有限公司