Brevet FR2800565A1 — publié le 20010504

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'erreur de position relative entre un faisceau laser et une pièce ainsi que des applications de ce dispositif à la réalisation d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé. On sait que, pour la fabrication de circuits imprimés par des procédés classiques, une des étapes consiste à recouvrir la couche conductrice du panneau de circuit imprimé d'une couche de matériau de réserve et à insoler cette couche de réserve à travers un cliché permettant d'obtenir la forme des pistes conductrices que l'on veut obtenir sur le circuit imprimé. Après insolation de cette couche de réserve, on procède à l'enlèvement des zones non-insolées correspondant aux portions de la couche conductrice que l'on veut enlever. On sait également qu'il se développe une autre technique de réalisation de panneaux de circuit imprimé dans laquelle la couche de réserve est impressionnée localement par l'impact d'un faisceau laser. La position de l'impact du faisceau laser sur le panneau est commandée le plus souvent par un ensemble de balayage comportant un miroir polygonal rotatif combiné à un dispositif d'interruption commandé du faisceau laser qui est le plus souvent constitué par un modulateur acousto-optique. D'autres techniques qui utilisent également un faisceau laser consistent, soit à réaliser directement l'ablation de la couche de réserve à l'aide d'un faisceau laser, soit à ne pas utiliser une couche de réserve et à réaliser directement l'ablation de la couche conductrice avec un faisceau laser. Le nombre de points d'impact de faisceaux laser étant bien sûr très important pour réaliser avec la précision requise un panneau de circuit imprimé de grande dimension, il est intéressant de pouvoir diviser la surface du panneau de circuit imprimé en un certain nombre de zones et de balayer simultanément chacune de ces zones à l'aide d'un faisceau laser. Dans les machines qui permettent de réaliser cette opération et que l'on appellera ultérieurement machines d'exposition, il se pose deux problèmes principaux de positionnement relatif. D'une part, il est nécessaire de calibrer avec précision la position du faisceau laser ou de chaque faisceau laser par rapport au bâti de la machine d'exposition et d'autre part, il est nécessaire de positionner avec une grande précision sur le bâti de la machine le panneau de circuit imprimé destiné à être insolé par faisceau laser. En ce qui concerne la calibration du faisceau laser, on comprend que dans cette machine, celui-ci est dirigé vers le panneau de circuit imprimé à travers un bloc optique qui comporte un grand nombre de composants optiques. En outre, le balayage du panneau de circuit imprimé est obtenu le plus souvent à l'aide d'un miroir polygonal rotatif dont la rotation de chaque face définit en partie une longueur de balayage. Par ailleurs, le dessin qui doit être réalisé à l'aide du faisceau laser est défini à partir d'informations mémorisées qui donnent pour chaque point du panneau soit une information d'impact, soit une information d'absence d'impact. On comprend qu'au vu de tous ces éléments, quelle que soit la précision des réglages initiaux de ces différents composants, il est nécessaire avant chaque utilisation de la machine de vérifier la position réelle de l'impact d'un faisceau laser par rapport au bâti de la machine. En ce qui concerne le positionnement du panneau par rapport au bâti de la machine, on comprend que celui-ci doit également être réalisé avec une très grande précision, notamment dans le cas o les panneaux de circuit imprimé sont destinés à former les éléments constitutifs de circuit imprimé multicouches. On rappelle que le positionne- ment des panneaux de circuit imprimé par rapport au bâti de machine est le plus souvent obtenu à l'aide de trous circulaires réalisés en certains endroits du panneau défini avec précision. Un objet de la présente invention est de fournir un dispositif de mesure d'erreur de position relative entre un faisceau laser et une pièce qui peut par exemple être le bâti d'une machine d'exposition ou un panneau de circuit imprimé qui permet de façon simple d'obtenir une détermination d'erreur avec une très grande précision. Pour atteindre ce but selon l'invention, le dispositif de mesure d'erreur de position relative entre un faisceau laser et une pièce se caractérise en ce que ladite pièce est munie d'un orifice circulaire occupant une position de référence par rapport à ladite pièce et en ce qu'il comprend en outre: -des moyens pour focaliser le faisceau laser dans le plan de ladite pièce, - des moyens pour prendre une image dudit trou circulaire et du faisceau focalisé dans le plan de ladite pièce; et - des moyens pour calculer les composantes du segment joignant ledit point d'impact et le centre dudit trou. On comprend que grâce à l'invention, on obtient effectivement une détermination très précise de l'erreur notamment du fait que le positionnement des moyens de prise d'image, par exemple une caméra, n'a pas besoin d'être réalisé avec précision puisqu'il suffit qu'ils permettent d'obtenir simultanément l'image de la périphérie du trou circulaire et l'image de l'impact du faisceau laser. Un autre objet de l'invention est de fournir une application du dispositif défini ci-dessus à la réalisation d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé pour réaliser le positionnement du panneau de circuit imprimé par rapport au bâti de la machine. Cette application se caractérise en ce que ladite machine comprend en outre: - des moyens pour focaliser ledit faisceau laser successivement en deux points du bâti correspondant qui devraient être occupés par les centres des deux trous circulaires, - des moyens par caméra pour prendre une image des deux trous et des points d'impact des faisceaux laser, -des moyens pour calculer à partir de chacune desdites images les composantes du segment joignant le centre du cercle au point d'impact du faisceau par quoi on obtient deux ensembles d'informations d'erreur de position du panneau, - des moyens pour déplacer ledit panneau par rapport au bâti au moins en rotation, et des moyens pour commander les moyens de déplacement et les moyens de focalisation du faisceau laser en fonction des deux ensembles d'informations d'erreur de position du panneau. On comprend que dans ce cas, la référence est constituée par le point d'impact du faisceau laser et que l'élément dont on veut corriger l'erreur de position est le panneau avec ses deux trous de positionnement. Un autre objet de l'invention est d'appliquer le dispositif de détection défini ci-dessus à la calibration du faisceau laser d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé. Cette application se caractérise en ce qu'elle comprend en outre: - au moins une pièce solidaire dudit bâti, ladite pièce comportant au moins un trou circulaire dont le centre constitue un point de référence du bâti, -des moyens pour commander les moyens de déflexion de faisceau par des informations de position correspondant à la position du centre dudit cercle, - des moyens par caméra pour prendre une image dudit trou circulaire et du point d'impact effectif du faisceau laser dans ledit trou, -des moyens pour calculer les composantes du segment joignant le centre dudit trou au point d'impact du faisceau laser, et des moyens pour transmettre aux moyens de commande des moyens de déflexion lesdites composantes. On comprend que dans ce cas, la référence de position est constituée par la pièce munie du trou circulaire et l'élément dont on doit déterminer l'erreur de position est le point d'impact du faisceau laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: la figure la est une vue en élévation d'un dispositif de mesure d'erreur relative; la figure lb est une vue de dessus partielle du dispositif de mesure d'erreur relative; la figure 2 est une vue simplifiée d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé comportant un dispositif de positionnement du panneau de circuit imprimé selon l'invention; la figure 3 est une vue simplifiée d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé équipée d'un dispositif de calibration du faisceau laser de la machine; et la figure 4 est une vue schématique d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé à plusieurs faisceaux laser. En se référant tout d'abord aux figures la et lb, on va décrire le dispositif de détection et de mesure d'erreur de positionnement relatif d'un faisceau laser et d'une pièce. Sur ces figures, on a représenté une pièce 10 et un système optique 12 pour émettre un faisceau laser 14 vers la pièce 10. La pièce 10 est munie d'un trou circulaire 16 de centre O, le trou 16 étant lié à cette pièce 10 et en constituant la référence de position. Le dispositif de détection comporte également une caméra 17 disposée de l'autre côté de la pièce 10 par rapport au faisceau laser 14 et capable de prendre une image de la périphérie du trou 16 et du faisceau laser 14. A partir de cette image, un circuit de calcul 18 associé à la caméra permet de calculer les composantes selon les directions orthogonales X et Y du segment qui joint le centre O du cercle et le point d'impact A et donc de déterminer complètement l'erreur de positionnement relative. Comme on l'a déjà exposé, ce dispositif permet de détecter et de mesurer deux types d'erreur de positionnement absolu selon que le faisceau laser constitue la référence de position et que la pièce 10 est mobile ou que la pièce 10 constitue la référence de position par son trou circulaire 16, le faisceau laser 14 étant alors entaché d'une erreur éventuelle de position. Il faut bien sûr que la caméra 17 soit capable de détecter le faisceau laser. On pourra choisir une caméra CCD pourvue d'objectifs adaptés aux longueurs d'onde du faisceau laser. Sur la figure 2, on a représenté l'utilisation du dispositif des figures la et lb à la calibration du faisceau laser par rapport au bâti d'une installation d'exposition. On a représenté un bloc optique 30 dirigeant un faisceau laser 32 vers une pièce 34 solidaire du bâti 36 de la machine. La pièce 34 est par exemple constituée par une réglette solidaire du bâti 36 et réalisée en un matériau d'une grande stabilité telle que de l'lnvar. La réglette 34 est munie d'au moins deux orifices circulaires 38 et 40 de diamètre parfaitement défini. Les orifices 38 et 40 constituent donc des références de position du bâti 36. Le bloc optique 30 est associé à un ensemble de commande 42 pour contrôler le point d'impact du faisceau laser. Pour effectuer la calibration du faisceau laser, on envoie à l'aide du circuit de commande 42 vers le bloc optique 30 des instructions de positionnement du faisceau laser correspondant à la position exacte du trou 34. A l'aide de la caméra 44, on procède à la prise d'image du trou 34 et du faisceau 32. Le circuit 46 associé à la caméra 44 calcule les erreurs de position comme indiqué précédemment. Du fait que le faisceau laser est positionné en partie à l'aide d'instructions mémorisées dans ses circuits de commande, le calcul d'erreur pourrait être utilisé pour corriger les instructions de commande de positionnement du faisceau laser. Le faisceau laser devant être déplacé par balayage sur une certaine distance par rapport au bâti, on peut avantageusement répéter l'opération en relation avec un deuxième trou de référence 40 ménagé dans la réglette 34 et en commandant la position du faisceau laser avec des instructions correspondant à la position de ce deuxième trou 40. Cette détermination d'erreur peut être réalisée pour plusieurs trous disposés sur la réglette 34. Ces différentes mesures d'erreur pour différentes positions repérées par la réglette permettent de calculer un polynôme de correction d'erreurs qui permettra de corriger les instructions de balayage par le faisceau pour chaque position de balayage. En se référant maintenant à la figure 3, on va décrire une appli- cation du dispositif de détection d'erreurs relatives au positionnement d'un panneau de circuit imprimé 50 dans une machine d'insolation par faisceau laser. Sur cette figure, on a représenté le bâti 52 de la machine sur lequel est disposé le panneau 50. Ce panneau 50 est pourvu de deux trous de positionnement 54 et 56. Sur cette figure, on a également représenté le bloc optique 58 qui commande le point d'impact du faisceau laser 60 en réponse aux instructions transmises par le circuit de commande 62. Pour réaliser le positionnement du panneau 50 par rapport au bâti 52, on commande le bloc optique 58 de telle façon que le faisceau soit focalisé en un point du bâti correspondant exactement à la position que devrait occuper le centre du trou de positionnement 54. A l'aide de la caméra 63, on prend une image de la périphérie du trou 54 et de l'impact du faisceau laser 60 et l'on calcule les coordonnées de cette erreur dans le circuit de calcul 64. Pour finaliser l'opération de positionnement, le bloc optique 58 est commandé pour que le faisceau laser 60' ait un point d'impact correspondant exactement à la position théorique du centre du deuxième trou de positionnement 56 du panneau de circuit imprimé 50. A l'aide d'une deuxième caméra65, on prend une deuxième image correspondant au trou 56 et on transmet cette deuxième erreur de position au circuit de calcul 64. Ces deux erreurs de position permettent de déterminer des erreurs de position du panneau selon deux directions orthogonales X et Y et en rotation. L'erreur en rotation peut être mesurée par l'angle entre la droite joignant les centres des trous 54 et 56 et la droite joignant les deux points d'impact des faisceaux laser. L'erreur de position en rotation est transmise au circuit de commande 66 d'actuateurs 68 permettant de corriger cette erreur, Les erreurs de position en X et Y sont de préférence directement transmises aux circuits de commande 62 du bloc optique 58. Sur la figure 4, on a représenté le cas d'une machine d'exposition 70 comportant plusieurs faisceaux laser 721, 722, 723, 724 produits par autant de blocs optiques 741, 742, 743, 744, chaque bloc optique étant commandé par un circuit 76. Pour la calibration des faisceaux laser, le bâti 78 de la machine est équipé d'une règle en Invar comportant autant de séries Sl, S2, S3, S4 de trous 82 de calibration qu'il y a de faisceaux laser à calibrer. Les trous d'une série sont respectivement disposés en regard des zones Z1, Z2, Z3 et Z4 que doit balayer le faisceau laser; chaque série comporte par exemple 20 trous. A l'aide d'une caméra mobile 84, on prend successivement pour chaque trou 82 de chaque série de trous, les images des trous et du faisceau laser et chaque série de trous. Le circuit de calcul 86 élabore alors, pour chaque faisceau laser, un polynôme de correction qui est transmis aux circuits de commande 76 des blocs optiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'erreur de position relative entre un faisceau laser et une pièce, caractérisé en ce que ladite pièce est munie d'un orifice circulaire occupant une position de référence par rapport à ladite pièce et en ce qu'il comprend en outre: - des moyens pour focaliser le faisceau laser dans le plan de ladite pièce, - des moyens pour prendre une image dudit trou circulaire et du faisceau focalisé dans le plan de ladite pièce et des moyens pour calculer les composantes du segment joignant ledit point d'impact et le centre dudit trou. 2. Application du dispositif selon la revendication 1 à la réalisa- tion d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé comprenant: - un bâti fixe apte à recevoir un panneau de circuit imprimé, ledit panneau étant muni d'au moins deux trous circulaires de position- nement, - au moins un laser associé à des moyens optiques pour foca- liser le faisceau laser en un point quelconque du circuit imprimé, caractérisée en ce que ladite machine comprend en outre: - des moyens pour focaliser ledit faisceau laser successivement en deux points du bâti correspondant qui devraient être occupés par les centres des deux trous circulaires, - des moyens par caméra pour prendre une image des deux trous et des points d'impact des faisceaux laser, - des moyens pour calculer à partir de chacune desdites images les composantes du segment joignant le centre du cercle au point d'impact du faisceau par quoi on obtient deux ensembles d'informations d'erreur de position du panneau, - des moyens pour déplacer ledit panneau par rapport au bâti au moins en rotation, et des moyens pour commander les moyens de déplacement et les moyens de focalisation du faisceau laser en fonction des deux ensembles d'informations d'erreur de position du panneau. 3. Application selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de calcul déterminent l'angle entre les segments joignant les deux points d'impact des faisceaux laser et les deux centres des trous, ce qui donne une information d'erreur de position en rotation du centre d'un deuxième trou par rapport au centre du premier, et les composantes selon deux directions orthogonales du bâti de l'erreur de position du centre du premier trou, et en ce que les moyens de commande comprennent: - des moyens pour commander les moyens de déplacement en rotation en fonction de l'erreur en rotation calculée, et -des moyens pour transmettre aux moyens de focalisation desdits faisceaux laser lesdites composantes. 4. Application du dispositif selon la revendication 1 à la réalisation d'une machine d'exposition de panneaux de circuit imprimé comprenant: - un bâti fixe pour recevoir ledit panneau, - une source laser pour produire au moins un faisceau laser et des moyens de commande de déflexion du faisceau laser, ladite machine étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: - au moins une pièce solidaire dudit bâti, ladite pièce comportant au moins un trou circulaire dont le centre constitue un point de référence du bâti, - des moyens pour commander les moyens de déflexion de faisceau par des informations de position correspondant à la position du centre dudit cercle, - des moyens par caméra pour prendre une image dudit trou circulaire et du point d'impact effectif du faisceau laser dans ledit trou, - des moyens pour calculer les composantes du segment joignant le centre dudit trou au point d'impact du faisceau laser, et - des moyens pour transmettre aux moyens de commande des moyens de déflexion lesdites composantes. 5. Application selon la revendication 4, caractérisée en ce que: ladite pièce comporte une série de trous circulaires dont les centres définissent une série de position de référence du bâti, en ce que les moyens de commande comportent des moyens pour commander successivement les moyens de déflexion du faiscau laser par une série d'informations de position correspondant aux positions des centres de la série de trous, en ce que les moyens par caméra prennent successivement une série d'images pour chaque trou, en ce que les moyens de calcul déterminent lesdites composantes pour chaque image de la série d'images et élaborent une fonction polynomiale de correction de position du faisceau laser à partir de ladite série de composantes en fonction de la position des centres de la série de trous; et en ce que les moyens de transmission transmettent ladite fonction polynomiale de correction auxdits moyens de commande des moyens de déflexion. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite machine comprend: - des moyens pour produire une pluralité de faisceaux laser, et -une pluralité de moyens de déflexion, chaque moyen de déflexion étant associé à un faisceau laser; chaque moyen de deflexion étant associé à un moyen de commande pour que chaque faisceau laser balaie une portion dudit panneau de circuit imprimé, en ce que ladite pièce comporte une pluralité de séries de trous, chaque série de trous correspondant à la portion de circuit imprimé balayée par ledit faisceau laser, et en ce que lesdits moyens de calcul déterminent une fonction polynomiale de correction de position pour chaque série d'images associée à une série de trous.