李 輝 方 林 劉國(guó)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(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。相較于傳統(tǒng)曝光機(jī)，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(zhǎng)，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(jiǎn)化了圖形轉(zhuǎn)移工序，自動(dòng)調(diào)整曝光漲縮系數(shù)，提高了工作效率和對(duì)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(jì)的圖形通過(guò)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(guò)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(jī)[5]。

LDI機(jī)結(jié)合高精度對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)和先進(jìn)的圖形處理系統(tǒng)[6]，將基板放置于工作吸盤(pán)上，移動(dòng)工作吸盤(pán)到基板對(duì)位點(diǎn)位置，使用對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)采集對(duì)位點(diǎn)圖像信息，量測(cè)并計(jì)算基板位置關(guān)系，再利用軟件算法系統(tǒng)對(duì)采集到的位置信息進(jìn)行運(yùn)算處理，使曝光圖形光刻在基板上，從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，再移出定位平臺(tái)，循環(huán)曝光流程。LDI機(jī)曝光一面基板的生產(chǎn)時(shí)間主要包含收放板時(shí)間、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間、曝光時(shí)間，移出時(shí)間等，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著LDI機(jī)的生產(chǎn)效率。目前LDI機(jī)常用2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)位，4點(diǎn)對(duì)位方式，由2個(gè)對(duì)準(zhǔn)光路同時(shí)尋找抓取對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶，測(cè)量對(duì)位標(biāo)靶的直徑和坐標(biāo)，并將計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入曝光程序中，曝光操作時(shí)快速使圖形和基板相匹配。但對(duì)于曝光產(chǎn)品陳列的分區(qū)域拼版加工，如對(duì)位點(diǎn)為6點(diǎn)，或8點(diǎn)及以上，LDI機(jī)擁有多個(gè)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)，就可以同時(shí)觀察3個(gè)、4個(gè)甚至更多的對(duì)位點(diǎn)，極大地提高LDI機(jī)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 結(jié)構(gòu)組成

LDI機(jī)是由多個(gè)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(tái)系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)、吸盤(pán)吸附模塊等，其中，對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)由對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)光路、相機(jī)采集系統(tǒng)、軟件算法系統(tǒng)等組成。圖1是LDI機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖，主要包含曝光系統(tǒng)、掃描定位平臺(tái)、2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)光路、工作吸盤(pán)等。

圖1 LDI機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。該多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)采用直線導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，多組對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)共用一組直線導(dǎo)軌，每組對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)作直線運(yùn)動(dòng)，以直線光柵和參考零點(diǎn)作閉環(huán)反饋，通過(guò)平臺(tái)控制系統(tǒng)精確和快速移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)到曝光基板對(duì)位點(diǎn)。另外，多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)有多組安全限位和多組硬防撞裝置，對(duì)每個(gè)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)都起到安全保護(hù)作用。

圖2 多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3 對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)

3.1 對(duì)準(zhǔn)測(cè)量流程

對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)是LDI機(jī)曝光流程重要環(huán)節(jié)，可以自動(dòng)測(cè)量基板系數(shù)，方便地進(jìn)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(jìn)行比例轉(zhuǎn)換。圖3是對(duì)準(zhǔn)測(cè)量流程示意圖。 PC工控機(jī)發(fā)生控制指令，基板放在工作吸盤(pán)吸附，由掃描定位平臺(tái)移動(dòng)基板運(yùn)動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)下，平臺(tái)控制系統(tǒng)控制對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)精確移動(dòng)到基板上的對(duì)位點(diǎn)，開(kāi)啟對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，利用對(duì)準(zhǔn)光路光學(xué)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，使用相機(jī)采集系統(tǒng)采集基板對(duì)位點(diǎn)位置信息，計(jì)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(guò)軟件算法處理，使之變換曝光圖形與基板達(dá)到最大限度地重合，然后開(kāi)始掃描曝光。

圖3 對(duì)準(zhǔn)測(cè)量流程示意圖

3.2 對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)相對(duì)位置關(guān)系

LDI機(jī)在曝光流程調(diào)試前，首先需要確定不同對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)之間的相對(duì)位置關(guān)系。使用對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)光路和相機(jī)采集系統(tǒng)，測(cè)量標(biāo)定板的兩個(gè)定位點(diǎn)（Mark1、Mark2），Mark1和Mark2在標(biāo)定板的間距為L(zhǎng)，移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)位移距離，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1采集Mark1中心坐標(biāo)點(diǎn)（x10，y10），然后采集Mark2中心坐標(biāo)點(diǎn)（x20，y20），通過(guò)標(biāo)定板Mark點(diǎn)間距計(jì)算對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)L行程的定位誤差值Δx，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）所示。

如圖4所示，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1采集Mark3中心坐標(biāo)點(diǎn)（x11，y11），對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)2采集Mark3中心坐標(biāo)點(diǎn)（x21，y21），通過(guò)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)光柵反饋計(jì)算出兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的相對(duì)位置關(guān)系，假定對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)的定位誤差值呈線性，以對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1為基準(zhǔn)原點(diǎn)。

圖4 對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)相對(duì)位置關(guān)系測(cè)量示意圖

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)2相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1的X向位置，見(jiàn)式（2）所示。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)2的Y向位置，見(jiàn)式（3）所示。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)3采集Mark3中心坐標(biāo)點(diǎn)（x31，y31），通過(guò)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)光柵反饋計(jì)算出兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的相對(duì)位置關(guān)系。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)3相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1的X向位置，見(jiàn)式（4）所示。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)3相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1的Y向位置，見(jiàn)式（5）所示。

同理，多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)n采集Mark3中心坐標(biāo)點(diǎn)（xn1，yn1），通過(guò)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)光柵反饋計(jì)算出兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的相對(duì)位置關(guān)系。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)n相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1的X向位置，見(jiàn)式（6）所示。

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)n相對(duì)對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)1的Y向位置，見(jiàn)式（7）所示。

4 運(yùn)動(dòng)控制流程

4.1 歸零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制

如圖5所示，以4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)歸零點(diǎn)控制介紹具體實(shí)現(xiàn)方式。首先，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A沿著直線導(dǎo)軌向左移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)，停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)B沿著直線導(dǎo)軌向左移動(dòng)至對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A限位開(kāi)關(guān)，停止運(yùn)動(dòng)；接著，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)C沿著直線導(dǎo)軌向左移動(dòng)至對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)B限位開(kāi)關(guān)，停止運(yùn)動(dòng)，然后對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)D沿著直線導(dǎo)軌向右移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)，停止運(yùn)動(dòng)，再沿著導(dǎo)軌反方向移動(dòng)尋找參考零點(diǎn)，找到參考零點(diǎn)后，再向右移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)不干涉區(qū)域位置；接著，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)C沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點(diǎn)，找到參考零點(diǎn)后，再移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)不干涉區(qū)域位置；再接著，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)B沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點(diǎn)，找到參考零點(diǎn)后，然后移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)不干涉區(qū)域位置；最后，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A沿著直線導(dǎo)軌向右尋找參考零點(diǎn)，找到參考零點(diǎn)后，然后在反方向移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)不干涉區(qū)域位置。

圖5 4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)歸零點(diǎn)控制

4.2 多軸定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制

對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A作為基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)，使用對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，分別確定對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)B、C 、D與A的相對(duì)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(diǎn)對(duì)位，在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A、B、C分別采集對(duì)位點(diǎn)1、2、3；或者，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)B、C、D分別采集對(duì)位點(diǎn)1、2、3。如果曝光基板6分區(qū)域12點(diǎn)對(duì)位，在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)A、B、C、D分別采集對(duì)位點(diǎn)1、2、3、4。

圖6 分區(qū)域曝光基板示意圖

5 對(duì)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試分析

文中研究對(duì)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(gè)區(qū)域長(zhǎng)寬尺寸均為361.95 mm×207.43 mm，有三排對(duì)位孔。對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的相機(jī)分辨率是2048×1536像素，每個(gè)像素大小為3.45 μm×3.45 μm，相機(jī)的視場(chǎng)大小尺寸7.065 mm×5.299 mm，對(duì)準(zhǔn)光路的成像倍率為0.5倍，則相機(jī)的視場(chǎng)大小放大到14.13 mm×10.598 mm。如果對(duì)位孔是方形，相機(jī)采集對(duì)位孔最大長(zhǎng)寬尺寸14 mm×10 mm，如果對(duì)位孔是圓或者圓環(huán)，相機(jī)采集對(duì)位孔最大直徑10 mm。

假設(shè)對(duì)準(zhǔn)光路居中采集對(duì)位點(diǎn)，每次居中抓取時(shí)間為0.2 s，對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)到位精度調(diào)試較好，一般2次居中采集結(jié)束。對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為500 mm/s，加速度5000 mm/s2，掃描定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為500 mm/s，加速度5000 mm/s2。如表1所示，如果假定2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)采用4點(diǎn)對(duì)位不分區(qū)域，曝光一面基板所需時(shí)間10 s，其中，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間是2.5 s，其他時(shí)間是7.5 s，一個(gè)小時(shí)LDI機(jī)可以生產(chǎn)360面。

表1 2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間表（不分區(qū)域）

對(duì)比表2和表3所示，如果基板采用6分區(qū)域拼版，2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)曝光一面基板所需時(shí)間15.1 s，4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間比2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)少4.44 s，即曝光一面基板所需時(shí)間10.66 s，生產(chǎn)效率提高了29.4%。

表2 2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間表（6分區(qū)域）

表3 4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間表（6分區(qū)域）

5.1 不同軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間分析

如表4所示，從不同對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)比看，單軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)采集6分域基板對(duì)位點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間最長(zhǎng)，4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)采集6分區(qū)域基板對(duì)位點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間最短，LDI機(jī)的生產(chǎn)效率提升了29.4%。相同的分區(qū)域基板，隨著對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)軸數(shù)的增多，曝光一面基板的時(shí)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(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)LDI機(jī)生產(chǎn)效率提升圖

表4 不同軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間表（6分區(qū)域）

5.2 不同分區(qū)域?qū)?zhǔn)時(shí)間分析

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

圖8 不同分區(qū)域LDI機(jī)生產(chǎn)效率提升圖

表5 不同分區(qū)域?qū)?zhǔn)時(shí)間表

6 結(jié)論

文中介紹了多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成、對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)流程，及其運(yùn)動(dòng)控制流程。從對(duì)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在6分域基板生產(chǎn)時(shí)，隨著對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)軸數(shù)的增加，所需對(duì)準(zhǔn)時(shí)間越小，LDI機(jī)的生產(chǎn)效率提高越多，4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)提升了29.4%；對(duì)于不同分區(qū)域基板生產(chǎn)，對(duì)比2軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)和4軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，在9分區(qū)域基板生產(chǎn)時(shí)，LDI曝光機(jī)生產(chǎn)效率提升了34.4%。隨著基板分區(qū)域越多，以及對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)軸數(shù)的增多，多軸對(duì)準(zhǔn)定位平臺(tái)提升LDI機(jī)生產(chǎn)效率越顯著，從而降低了生產(chǎn)成本。