基于多軸對準(zhǔn)定位平臺提升LDI機生產(chǎn)效率的探討

李 輝 方 林 劉國藩 楊坤倫 侯榮偉

（合肥芯碁微電子裝備股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

LDI（Laser Direct Imaging，激光直接成像）技術(shù)是利用激光直接成像原理將線路圖形以激光束的形式直接投影在涂有光致抗蝕劑的在制板上從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。相較于傳統(tǒng)曝光機，以傳統(tǒng)照相底版工具為基礎(chǔ)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，不僅成本高、工序多、周期長，曝光精度受材料限制大，而且形成圖形位置精度偏位大，滿足不了高密度化電路板產(chǎn)品的要求[1][2]。LDI節(jié)省了照相底片，簡化了圖形轉(zhuǎn)移工序，自動調(diào)整曝光漲縮系數(shù)，提高了工作效率和對準(zhǔn)精度[3][4]。LDI技術(shù)是一種不采用光刻掩膜版的光刻技術(shù)，將設(shè)計的圖形通過LDI技術(shù)掃描到需要制備的曝光基板上，從而省去光掩膜版的制備，目前經(jīng)過三十多年的技術(shù)積累，LDI經(jīng)歷了三次技術(shù)迭代更新，在印制電路板（PCB）行業(yè)正逐漸替代傳統(tǒng)曝光機[5]。

LDI機結(jié)合高精度對準(zhǔn)定位平臺和先進的圖形處理系統(tǒng)[6]，將基板放置于工作吸盤上，移動工作吸盤到基板對位點位置，使用對準(zhǔn)測量系統(tǒng)采集對位點圖像信息，量測并計算基板位置關(guān)系，再利用軟件算法系統(tǒng)對采集到的位置信息進行運算處理，使曝光圖形光刻在基板上，從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，再移出定位平臺，循環(huán)曝光流程。LDI機曝光一面基板的生產(chǎn)時間主要包含收放板時間、對準(zhǔn)時間、曝光時間，移出時間等，對準(zhǔn)時間的長短直接影響著LDI機的生產(chǎn)效率。目前LDI機常用2軸對準(zhǔn)定位平臺對位，4點對位方式，由2個對準(zhǔn)光路同時尋找抓取對準(zhǔn)標(biāo)靶，測量對位標(biāo)靶的直徑和坐標(biāo)，并將計算的數(shù)據(jù)輸入曝光程序中，曝光操作時快速使圖形和基板相匹配。但對于曝光產(chǎn)品陳列的分區(qū)域拼版加工，如對位點為6點，或8點及以上，LDI機擁有多個對準(zhǔn)定位平臺，就可以同時觀察3個、4個甚至更多的對位點，極大地提高LDI機的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 結(jié)構(gòu)組成

LDI機是由多個子系統(tǒng)組合的集成總系統(tǒng)，主要子系統(tǒng)組件包含激光照明系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、定位平臺系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、對準(zhǔn)測量系統(tǒng)、吸盤吸附模塊等，其中，對準(zhǔn)測量系統(tǒng)由對準(zhǔn)定位平臺、對準(zhǔn)光路、相機采集系統(tǒng)、軟件算法系統(tǒng)等組成。圖1是LDI機簡化結(jié)構(gòu)示意圖，主要包含曝光系統(tǒng)、掃描定位平臺、2軸對準(zhǔn)定位平臺、對準(zhǔn)光路、工作吸盤等。

圖1 LDI機簡化結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是多軸對準(zhǔn)定位平臺結(jié)構(gòu)示意圖。該多軸對準(zhǔn)定位平臺采用直線導(dǎo)軌傳動機構(gòu)，多組對準(zhǔn)定位平臺共用一組直線導(dǎo)軌，每組對準(zhǔn)定位平臺由直線電機驅(qū)動作直線運動，以直線光柵和參考零點作閉環(huán)反饋，通過平臺控制系統(tǒng)精確和快速移動對準(zhǔn)定位平臺到曝光基板對位點。另外，多軸對準(zhǔn)定位平臺有多組安全限位和多組硬防撞裝置，對每個對準(zhǔn)定位平臺都起到安全保護作用。

圖2 多軸對準(zhǔn)定位平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3 對準(zhǔn)測量系統(tǒng)

3.1 對準(zhǔn)測量流程

對準(zhǔn)測量系統(tǒng)是LDI機曝光流程重要環(huán)節(jié)，可以自動測量基板系數(shù)，方便地進行系數(shù)設(shè)定及收縮拉伸控制，可在不同漲縮系數(shù)之間進行比例轉(zhuǎn)換。圖3是對準(zhǔn)測量流程示意圖。 PC工控機發(fā)生控制指令，基板放在工作吸盤吸附，由掃描定位平臺移動基板運動到對準(zhǔn)定位平臺下，平臺控制系統(tǒng)控制對準(zhǔn)定位平臺精確移動到基板上的對位點，開啟對準(zhǔn)測量系統(tǒng)，利用對準(zhǔn)光路光學(xué)自動識別技術(shù)，使用相機采集系統(tǒng)采集基板對位點位置信息，計算基板的形變，然后將曝光圖形數(shù)據(jù)作相應(yīng)的變換處理，包含線性漲縮、旋轉(zhuǎn)角度和非線性形變，經(jīng)過軟件算法處理，使之變換曝光圖形與基板達到最大限度地重合，然后開始掃描曝光。

圖3 對準(zhǔn)測量流程示意圖

3.2 對準(zhǔn)定位平臺相對位置關(guān)系

LDI機在曝光流程調(diào)試前，首先需要確定不同對準(zhǔn)定位平臺之間的相對位置關(guān)系。使用對準(zhǔn)測量系統(tǒng)的對準(zhǔn)光路和相機采集系統(tǒng)，測量標(biāo)定板的兩個定位點（Mark1、Mark2），Mark1和Mark2在標(biāo)定板的間距為L，移動對準(zhǔn)定位平臺位移距離，對準(zhǔn)定位平臺1采集Mark1中心坐標(biāo)點（x10，y10），然后采集Mark2中心坐標(biāo)點（x20，y20），通過標(biāo)定板Mark點間距計算對準(zhǔn)定位平臺L行程的定位誤差值Δx，計算公式見式（1）所示。

如圖4所示，對準(zhǔn)定位平臺1采集Mark3中心坐標(biāo)點（x11，y11），對準(zhǔn)定位平臺2采集Mark3中心坐標(biāo)點（x21，y21），通過對準(zhǔn)定位平臺光柵反饋計算出兩個對準(zhǔn)系統(tǒng)的相對位置關(guān)系，假定對準(zhǔn)定位平臺的定位誤差值呈線性，以對準(zhǔn)定位平臺1為基準(zhǔn)原點。

圖4 對準(zhǔn)定位平臺相對位置關(guān)系測量示意圖

對準(zhǔn)定位平臺2相對對準(zhǔn)定位平臺1的X向位置，見式（2）所示。

對準(zhǔn)定位平臺1相對對準(zhǔn)定位平臺2的Y向位置，見式（3）所示。

對準(zhǔn)定位平臺3采集Mark3中心坐標(biāo)點（x31，y31），通過對準(zhǔn)定位平臺光柵反饋計算出兩個對準(zhǔn)系統(tǒng)的相對位置關(guān)系。

對準(zhǔn)定位平臺3相對對準(zhǔn)定位平臺1的X向位置，見式（4）所示。

對準(zhǔn)定位平臺3相對對準(zhǔn)定位平臺1的Y向位置，見式（5）所示。

同理，多軸對準(zhǔn)定位平臺n采集Mark3中心坐標(biāo)點（xn1，yn1），通過對準(zhǔn)定位平臺光柵反饋計算出兩個對準(zhǔn)系統(tǒng)的相對位置關(guān)系。

對準(zhǔn)定位平臺n相對對準(zhǔn)定位平臺1的X向位置，見式（6）所示。

對準(zhǔn)定位平臺n相對對準(zhǔn)定位平臺1的Y向位置，見式（7）所示。

4 運動控制流程

4.1 歸零點運動控制

如圖5所示，以4軸對準(zhǔn)定位平臺歸零點控制介紹具體實現(xiàn)方式。首先，對準(zhǔn)定位平臺A沿著直線導(dǎo)軌向左移動至限位開關(guān)，停止運動，對準(zhǔn)定位平臺B沿著直線導(dǎo)軌向左移動至對準(zhǔn)定位平臺A限位開關(guān)，停止運動；接著，對準(zhǔn)定位平臺C沿著直線導(dǎo)軌向左移動至對準(zhǔn)定位平臺B限位開關(guān)，停止運動，然后對準(zhǔn)定位平臺D沿著直線導(dǎo)軌向右移動至限位開關(guān)，停止運動，再沿著導(dǎo)軌反方向移動尋找參考零點，找到參考零點后，再向右移動至限位開關(guān)不干涉區(qū)域位置；接著，對準(zhǔn)定位平臺C沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點，找到參考零點后，再移動至限位開關(guān)不干涉區(qū)域位置；再接著，對準(zhǔn)定位平臺B沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點，找到參考零點后，然后移動至限位開關(guān)不干涉區(qū)域位置；最后，對準(zhǔn)定位平臺A沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點，找到參考零點后，然后在反方向移動至限位開關(guān)不干涉區(qū)域位置。

圖5 4軸對準(zhǔn)定位平臺歸零點控制

4.2 多軸定位平臺運動控制

對準(zhǔn)定位平臺A作為基準(zhǔn)對準(zhǔn)，使用對準(zhǔn)測量系統(tǒng)測量，分別確定對準(zhǔn)定位平臺B、C 、D與A的相對位置關(guān)系。如圖6為分區(qū)域曝光基板示意圖，如果曝光基板是4分區(qū)域9點對位，在相同時間內(nèi)，對準(zhǔn)定位平臺A、B、C分別采集對位點1、2、3；或者，對準(zhǔn)定位平臺B、C、D分別采集對位點1、2、3。如果曝光基板6分區(qū)域12點對位，在相同時間內(nèi)，對準(zhǔn)定位平臺A、B、C、D分別采集對位點1、2、3、4。

圖6 分區(qū)域曝光基板示意圖

5 對準(zhǔn)時間測試分析

文中研究對象基板尺寸為723.9 mm×622.3 mm，假定基板采用6分區(qū)域拼版，每個區(qū)域長寬尺寸均為361.95 mm×207.43 mm，有三排對位孔。對準(zhǔn)測量系統(tǒng)的相機分辨率是2048×1536像素，每個像素大小為3.45 μm×3.45 μm，相機的視場大小尺寸7.065 mm×5.299 mm，對準(zhǔn)光路的成像倍率為0.5倍，則相機的視場大小放大到14.13 mm×10.598 mm。如果對位孔是方形，相機采集對位孔最大長寬尺寸14 mm×10 mm，如果對位孔是圓或者圓環(huán)，相機采集對位孔最大直徑10 mm。

假設(shè)對準(zhǔn)光路居中采集對位點，每次居中抓取時間為0.2 s，對準(zhǔn)定位平臺到位精度調(diào)試較好，一般2次居中采集結(jié)束。對準(zhǔn)定位平臺運動速度為500 mm/s，加速度5000 mm/s2，掃描定位平臺運動速度為500 mm/s，加速度5000 mm/s2。如表1所示，如果假定2軸對準(zhǔn)定位平臺采用4點對位不分區(qū)域，曝光一面基板所需時間10 s，其中，對準(zhǔn)時間是2.5 s，其他時間是7.5 s，一個小時LDI機可以生產(chǎn)360面。

表1 2軸對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間表（不分區(qū)域）

對比表2和表3所示，如果基板采用6分區(qū)域拼版，2軸對準(zhǔn)定位平臺曝光一面基板所需時間15.1 s，4軸對準(zhǔn)定位平臺的對準(zhǔn)時間比2軸對準(zhǔn)定位平臺少4.44 s，即曝光一面基板所需時間10.66 s，生產(chǎn)效率提高了29.4%。

表2 2軸對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間表（6分區(qū)域）

表3 4軸對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間表（6分區(qū)域）

5.1 不同軸對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間分析

如表4所示，從不同對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間對比看，單軸對準(zhǔn)定位平臺采集6分域基板對位點的對準(zhǔn)時間最長，4軸對準(zhǔn)定位平臺采集6分區(qū)域基板對位點的對準(zhǔn)時間最短，LDI機的生產(chǎn)效率提升了29.4%。相同的分區(qū)域基板，隨著對準(zhǔn)定位平臺軸數(shù)的增多，曝光一面基板的時間減少，極大地提高了生產(chǎn)效率（如圖7所示）。

圖7 不同軸對準(zhǔn)定位平臺LDI機生產(chǎn)效率提升圖

表4 不同軸對準(zhǔn)定位平臺對準(zhǔn)時間表（6分區(qū)域）

5.2 不同分區(qū)域?qū)?zhǔn)時間分析

如表5所示，從不同分區(qū)域?qū)?zhǔn)時間對比看，4軸對準(zhǔn)定位平臺比2軸對準(zhǔn)定位平臺的對準(zhǔn)時間均減?。ㄈ鐖D8所示），兩者對準(zhǔn)時間差異隨著分區(qū)域增加而增大?；宸謪^(qū)域越多，4軸對準(zhǔn)定位平臺的對準(zhǔn)時間改善越顯著，當(dāng)9分區(qū)域曝光時，生產(chǎn)效率提升了34.4%。

圖8 不同分區(qū)域LDI機生產(chǎn)效率提升圖

表5 不同分區(qū)域?qū)?zhǔn)時間表

6 結(jié)論

文中介紹了多軸對準(zhǔn)定位平臺的結(jié)構(gòu)組成、對準(zhǔn)測量系統(tǒng)流程，及其運動控制流程。從對準(zhǔn)時間測試數(shù)據(jù)分析，在6分域基板生產(chǎn)時，隨著對準(zhǔn)定位平臺軸數(shù)的增加，所需對準(zhǔn)時間越小，LDI機的生產(chǎn)效率提高越多，4軸對準(zhǔn)定位平臺提升了29.4%；對于不同分區(qū)域基板生產(chǎn)，對比2軸對準(zhǔn)定位平臺和4軸對準(zhǔn)定位平臺的對準(zhǔn)時間，在9分區(qū)域基板生產(chǎn)時，LDI曝光機生產(chǎn)效率提升了34.4%。隨著基板分區(qū)域越多，以及對準(zhǔn)定位平臺軸數(shù)的增多，多軸對準(zhǔn)定位平臺提升LDI機生產(chǎn)效率越顯著，從而降低了生產(chǎn)成本。