文/Bryan Germann，Eric Belski；Aerotech 公司

在高速激光鉆孔應(yīng)用中，既要實現(xiàn)微米級的光斑定位精度，同時又要滿足終端用戶的產(chǎn)量和質(zhì)量要求，這為設(shè)備制造商帶來了嚴(yán)苛的設(shè)計挑戰(zhàn)。電子和半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域?qū)Ω�小、更�?fù)雜的通孔（vias）的需求正在日益增長，而要在加工中實現(xiàn)更小的通孔公差，需要深入理解鉆孔過程中累積的誤差源。

系統(tǒng)的整體加工精度受多種誤差源的共同影響，因此必須要分析各種誤差源之間的相互作用是如何影響大型基板（帶有數(shù)千至數(shù)百萬個孔）上的通孔位置精度和幾何公差的。這些誤差源可歸因于工件處理的機械設(shè)計，以及用于執(zhí)行鉆孔操作的激光源、光學(xué)元件和光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

誤差預(yù)算解析：誤差源與相互作用

誤差預(yù)算是一個系統(tǒng)化過程，通過識別、量化和跟蹤設(shè)備的所有誤差源，來預(yù)測激光與工件接觸的功能點處的累積誤差。對于多軸激光鉆孔系統(tǒng)而言，這些誤差主要來自兩個領(lǐng)域：一是移動工件和光學(xué)元件的機械平臺，另一個是移動激光束的掃描振鏡。另外，由運動輪廓的動態(tài)特性（見圖 1）和激光定位觸發(fā)產(chǎn)生的二級誤差，也會納入整體誤差預(yù)算。

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圖 1：高動態(tài)運動系統(tǒng)示例，由直接集成在花崗巖上的一個分軸線性運動系統(tǒng)和一個高動態(tài)兩軸掃描振鏡組成。

機械運動誤差。移動工件或光學(xué)元件的伺服平臺是設(shè)備的基礎(chǔ)，其固有的幾何誤差是誤差預(yù)算的主要來源。設(shè)備中的任何運動軸都存在六個自由度的誤差。對于沿 X 軸運動的單個線性平臺（見圖 2），這些誤差包括三個線性誤差（定位精度、水平直線度、垂直直線度）和三個角度誤差（滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏擺角）。這些寄生運動（尤其是角度分量）會產(chǎn)生顯著的阿貝誤差（Abbé errors），導(dǎo)致激光束在工件表面發(fā)生偏移，而且這種偏移會隨著運動軸到工件的距離增加而放大。

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圖 2：線性運動平臺的誤差源，包括垂直和水平直線度誤差，以及平面度誤差源（滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏擺角）。

掃描振鏡與光學(xué)誤差。掃描振鏡雖然速度極快且靈活性高，但也存在自身誤差。用于將掃描振鏡的角運動轉(zhuǎn)換為平坦焦平面的 F-theta 透鏡，并非完美無缺，它會引入稱為枕形或桶形畸變的空間非線性（見圖 3）。此外，激光束本身也可能是不穩(wěn)定性的來源。激光源內(nèi)部或光路中的熱漂移，可能導(dǎo)致長時間生產(chǎn)過程中的焦點偏移或光束漂移。即使是光學(xué)元件污染等環(huán)境因素，也會通過增大焦斑尺寸或改變光束能量分布而降低性能，直接影響孔的質(zhì)量和一致性。

誤差測量與補償

在任何運動開始前，都需要對系統(tǒng)組件進行測量和校準(zhǔn)。這些被視為一階誤差源，若不進行校正，會導(dǎo)致激光無法在正確的位置被觸發(fā)，因為運動組件的反饋設(shè)備無法識別這些誤差。

1D/2D平臺校準(zhǔn)。使用激光干涉儀，在所需的功能工作點處測量每個平臺在全行程范圍內(nèi)的定位誤差。這些數(shù)據(jù)用于生成各個軸的校準(zhǔn)表，并實時參考以校正線性定位誤差、直線度、俯仰角、偏擺角以及非正交性等軸間誤差。這使得物理平臺的性能接近理想的理論狀態(tài)，并在平臺全行程運動中自動校正測量點處的阿貝誤差。

掃描振鏡校準(zhǔn)。執(zhí)行“標(biāo)記-測量”校準(zhǔn)，可以精確測量與 F-theta 物鏡相關(guān)的光學(xué)誤差�？刂茠呙枵耒R標(biāo)記已知位置的一個精確網(wǎng)格，隨后系統(tǒng)內(nèi)置的高分辨率相機測量這些標(biāo)記的實際位置，并將偏差值作為位置偏移量，收集到存儲在運動控制器內(nèi)的校準(zhǔn)表中。這種掃描振鏡校準(zhǔn)可補償F-theta 透鏡畸變和整個視場（FOV）內(nèi)的其他非線性誤差。

對于用于聚焦激光束的特定F-theta 透鏡，表征激光光斑尺寸和形狀在視場內(nèi)如何變化也非常重要，因為這會影響工藝參數(shù)。這些光斑尺寸誤差也可以作為“標(biāo)記-測量”過程的一部分進行測量，并通過動態(tài)改變透鏡的工作距離以保持光斑聚焦，以及改變激光功率以保持一致的激光能量密度來進行校準(zhǔn)。

靜態(tài)校準(zhǔn)至關(guān)重要，但無法校正高速運動期間產(chǎn)生的二階動態(tài)誤差，此時激光光斑可能會因為機械系統(tǒng)慣性引起的跟蹤誤差而發(fā)生偏移。在平臺運動期間尤其如此，因為這些平臺的質(zhì)量較大。在這種情況下，最好利用激光掃描振鏡的高動態(tài)性能來實現(xiàn)更高的吞吐量。傳統(tǒng)的鉆孔方法（平臺移動到位置、穩(wěn)定后掃描振鏡再工作）速度慢，并且掃描振鏡在視場邊界移動時，會引入質(zhì)量缺陷。

無限視場（IFOV）技術(shù)消除了這一限制。它基于統(tǒng)一的控制架構(gòu)運行，同步管理掃描振鏡的高頻控制回路（如 200 kHz）和平臺的伺服回路（如 20 kHz）。由于 IFOV 將來自平臺的實時編碼器反饋作為掃描振鏡控制回路的直接輸入，因此，掃描振鏡可以動態(tài)、持續(xù)地調(diào)整其軌跡，以跟蹤并補償平臺的實際位置，從而有效地實時抵消平臺跟蹤誤差。其結(jié)果是形成單一無縫的掃描路徑，從而能在整個工件上實現(xiàn)連續(xù)的“飛行”加工，消除拼接誤差。

在高動態(tài) IFOV 系統(tǒng)中，速度不斷變化。若基于固定時間間隔觸發(fā)激光，會導(dǎo)致通孔間距不均勻。位置同步輸出（PSO）技術(shù)通過使用編碼器的實時、組合的IFOV 位置，在精確的空間間隔處觸發(fā)激光，從而解決了這個問題。這確保了每個激光脈沖或脈沖串都能精確地落在工件上，而不受運動速度變化的影響，這對于保持精確的通孔間距至關(guān)重要。

經(jīng)驗證的誤差預(yù)算方法

理解這些獨立的誤差源如何組合至關(guān)重要。簡單的峰值誤差累加會得到“最壞情況”值，這種方法過于保守，會導(dǎo)致不必要的昂貴設(shè)計。一個更實用且統(tǒng)計上有效的方法是：使用平方和根（RSS） 方法來組合不相關(guān)的誤差。

Aerotech公司的William Land II和Scott Schmidt，在一項詳細研究中證實了這種方法的有效性。[1]他們進行了一系列高精度測量，以細致地量化系統(tǒng)性能。首先，使用二維（2D）激光干涉儀系統(tǒng)校準(zhǔn)底層線性電機伺服平臺，該過程生成校正圖消除靜態(tài)誤差，包括由平臺偏擺和非正交對準(zhǔn)引起的誤差；然后，使用迭代的“標(biāo)記-測量”技術(shù)獨立校準(zhǔn)掃描振鏡組件，以校正其誤差量。

該測試的量化結(jié)果提供了一個清晰的基準(zhǔn)：

· 校準(zhǔn)后的伺服平臺，其殘余矢量和誤差為 5.26 µm；

· 校準(zhǔn)后的振鏡系統(tǒng)，其矢量誤差為 2.06 µm。

使用RSS方法，預(yù)測的組合誤差為

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（組合系統(tǒng)的RSS誤差）。為驗證這一點，執(zhí)行了一個隨機組合運動網(wǎng)格測試，其中平臺和掃描振鏡同時反向運動，在基板上生成標(biāo)記。該動態(tài)測試的實測組合誤差為5.44 µm。預(yù)測值與測量值之間的高度相關(guān)性，使我們有充分信心認為：精心構(gòu)建的誤差預(yù)算，能夠準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)備的基線準(zhǔn)靜態(tài)性能，這是構(gòu)建成功系統(tǒng)的非常關(guān)鍵的第一步。

先進的控制回路優(yōu)化

即使使用基于IFOV和PSO的全校準(zhǔn)系統(tǒng)，最終性能也可能受到控制系統(tǒng)本身響應(yīng)能力的限制。標(biāo)準(zhǔn)的比例-積分-微分（PID）控制回路，即使增加了前饋增益，通常也是針對通用的“平均”運動曲線進行調(diào)整的。這實際上是一種折衷方案。

短促、快速的掃描振鏡運動的最佳控制回路增益，與更長、更平滑運動的最佳增益存在根本不同。為了實現(xiàn)最大吞吐量，系統(tǒng)必須在盡可能最短的時間內(nèi)完成加速、移動并在每個目標(biāo)位置穩(wěn)定下來。

先進的運動優(yōu)化軟件，如 Aerotech的DrillOptimizer（見圖 3），采用迭代機器學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)了這一目標(biāo)。該過程包括：表征振鏡系統(tǒng)在視場內(nèi)對不同長度和方向運動的動態(tài)響應(yīng)；為所有可能的運動建立一個包含最優(yōu)PID和前饋調(diào)制參數(shù)的綜合庫；在實時運行中，對于每個通孔到通孔之間的運動，控制器立即調(diào)用并應(yīng)用針對該特定運動矢量的理想控制參數(shù)組合。

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圖 3：Aerotech 的 DrillOptimizer 軟件工具可以實現(xiàn)鉆孔點之間的最短路徑優(yōu)化（右），以及針對特定掃描振鏡硬件進行參數(shù)優(yōu)化（左），以最大限度地提高鉆孔性能并最小化誤差。

這種針對特定運動的優(yōu)化，確保每次運動都能在最短的時間內(nèi)、在所需要的穩(wěn)定窗口（例如±2 µm）內(nèi)穩(wěn)定下來。這使得激光能夠在零移動延遲的情況下觸發(fā)，并將物理硬件推向其絕對性能極限，實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所無法達到的吞吐量。Aerotech已經(jīng)將實現(xiàn)該功能的工具組合成一款名為DrillOptimizer的軟件包，該軟件包是AeroScriptPlus庫的一部分。借助這些庫，設(shè)備商可以將這種強大的運動和穩(wěn)定優(yōu)化直接集成到設(shè)備的人機界面（HMI）中，并為每個客戶添加這種復(fù)雜的優(yōu)化。

給激光鉆孔系統(tǒng)設(shè)計者的要點總結(jié)

從頭開始設(shè)計出能夠進行激光鉆孔的設(shè)備，是一個多層次的過程。首先，要精心構(gòu)建基礎(chǔ)誤差預(yù)算，并通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)對其進行細致驗證，以了解系統(tǒng)的基線精度。然后，使用一套全面的補償方法工具包對此進行優(yōu)化，從平臺的靜態(tài)2D校準(zhǔn)，到使用IFOV進行動態(tài)實時誤差校正，以及使用PSO實現(xiàn)精確脈沖定位。最后，關(guān)鍵的一步是通過先進的、針對特定運動的控制回路優(yōu)化，來釋放硬件的終極潛能。

這種集成策略，使得滿足現(xiàn)代激光鉆孔的極端要求成為可能。通過理解、考慮并主動補償過程中每個階段的每個誤差源，每秒能夠在數(shù)千個位置保持微米級的穩(wěn)定窗口，從而能夠克服大規(guī)模鉆孔挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高吞吐量的精密鉆孔。

參考文獻

1. S. Schmidt 和 W. Land II，《估算伺服與振鏡組合運動精度》，Aerotech 白皮書（2021 年 12 月）；詳見www.aerotech.com/estimating-combined-servo-and-galvo-motion-accuracy。