Optimizing Infinite Field of View Laser Processing

作者: 葉惟仁 / 美商艾羅德克有限公司台灣分公司 (Aerotech Taiwan)

於(yu) 目前電子產(chan) 業(ye) 的雷射應用中，大範圍加工已經是許多設備商均投資研究的重要議題，以往在雷射加工時，在雷射產(chan) 業(ye) 中掃描振鏡是高速加工的主要設備，但掃描振鏡在大範圍加工最大的限製，在於(yu) 接圖誤差與(yu) 如何維持加工精度等議題；Aerotech 於(yu) 2011年推出無限式也範圍功能 (IFOV) 概念，整合了第三方雷射掃描頭後，來年推出之全閉回路雷射掃描係統NmarkCLS，將無限視野範圍概念進行了軟硬件的整合，在業(ye) 界造成了巨大的回響，隨後的數年，每一年中IFOV功能皆有不同程度的強化，直到2016年，將硬件性能提升至NmarkGCL的192KHz軌跡產(chan) 生，再次對雷射掃描係統業(ye) 界投入巨大震撼彈。過去幾年，使用雷射掃描係統搭配IFOV功能，雖然在製程上有很大的突破，解決(jue) 接圖誤差問題，但使用上的困難度仍是對於(yu) 許多設備業(ye) 者一大挑戰，本文將IFOV參數優(you) 化的流程進行深入說明，期可讓用戶可以更係統性的完成參數優(you) 化。

Aerotech 無限視野範圍功能使用一組Aerotech雙軸掃描係統驅動器，與(yu) Aerotech雙軸伺服驅動器。IFOV支持的硬件架構繁多，常見架構如下麵二種架構：

圖一. 固定掃描頭，移動工件方式，掃描頭安裝於(yu) 花崗岩梁柱，工件安裝於(yu) XY平台上，XY平台安裝於(yu) 花崗岩底座

圖二. 移動掃描頭，固定工件方式，掃描頭安裝於(yu) 龍門係統上，工件安裝於(yu) 固定的花崗岩底座

IFOV提供無接縫的大範圍加工，加工有效範圍為(wei) 掃描頭視野範圍與(yu) 位移平台有效行程的整合。由於(yu) A3200運動控製器結合掃描軸移動與(yu) 伺服移動平台的移動來達到無限視野範圍，傳(chuan) 統＂步進＂的動作就使用持續移動的伺服運動所取代。因此，加工圖形將永遠會(hui) 在視野範圍內(nei) 。使用IFOV功能時，係統的掃描範圍將會(hui) 超過視野範圍，但仍會(hui) 小於(yu) 伺服平台的移動範圍，請見下圖。當A3200運動控製器設定正確時，其將會(hui) 同時送出伺服平台動作指令與(yu) 掃描頭移動指令，確保掃描頭的移動在極限以內(nei) ，因此，伺服平台不需要設定任何步進掃描動作，ㄧ切軌跡產(chan) 生使用共同控製器A3200進行軌跡產(chan) 生。

圖三. 合並掃描頭與(yu) 伺服運動平台的視野範圍

設定IFOV加工的流程與(yu) 優(you) 化流程為(wei) 下麵五大步驟：包含；係統架構的確認，移動方向的確認，設定重要運動參數，測試與(yu) 驗證IFOV程序與(yu) 參數調整，製作第一套IFOV程序。

1. 係統架構的確認

首先，若需要正確設定IFOV係統架構，需確定設備的正確性：包含機構係統，驅動器，線材，工業(ye) 計算機，以及使用軟件版本。機構係統而言，使用一組具備高精度的XY軸位移平台，以及雙軸雷射掃描係統，驅動器規格與(yu) 需要支持的伺服軸數有關(guan) ，並需要使用正確的線材將編碼器訊號回傳(chuan) 至掃描頭驅動器。

2. 移動方向的確認

在設定與(yu) IFOV相關(guan) 運動參數前，每一個(ge) 伺服軸與(yu) 掃描軸必需要正確的設定與(yu) 調整，確保移動方向正向相同方向；若將XY移動平台移動正向，與(yu) 使用掃描頭移動方向相同。另外，移動掃描頭的距離將會(hui) 需要與(yu) 移動XY軸相同。

圖四. 若將XY移動平台移動正向，與(yu) 使用掃描頭移動方向相同

3. 設定重要運動參數

在將XY編碼器訊號輸入至掃描頭驅動器之前，相關(guan) 參數將需要完整設定確保IFOV的正確性，包含：伺服驅動器編碼器輸出腳位與(yu) 格式，掃描頭驅動器編碼器輸入腳位與(yu) 格式，伺服與(yu) 掃描頭編碼器的頻率均低於(yu) 這兩(liang) 個(ge) 硬件的規格極限。

如下麵範例：

· 移動平台移動速度：3 m/s

· 編碼器分辨率（分割前）: 20 μm

· 編碼器四倍頻：有頻率：(3 m/s x 1,000,000 μm/m) x (1 count/20 μm) x 4 (quad) = 0.60 MHz

因此若上述硬件規格均高於(yu) 0.6 MHz，本架構則沒有頻率問題。

4. 測試與(yu) 驗證IFOV程序

當編碼器訊號正確，硬件架構正確，配線方向正確，掃描頭安裝與(yu) 加工平麵呈垂直，最後，掃描頭的加工平麵與(yu) XY軸加工平麵需要正交，最後一個(ge) 步驟的確認方式為(wei) ：

圖五. 量測加工平麵正交性誤差

常見量測加工平麵正交性誤差的方法有幾個(ge) 步驟：使用掃描頭加工ㄧ直線，使用伺服平台相同軸係，加工相反方向直線，量測第一線與(yu) 第二線的起始與(yu) 結束點距離使用此距離計算加工平麵旋轉角度，求得此旋轉角度後，將其帶入控製器將二模塊加工平麵整為(wei) 正交性。

5. 製作第一套IFOV程序與(yu) 參數調整

IFOV 算法設定方式，主要在加工程序前會(hui) 有相關(guan) 參數的設定，重要參數如下：

· AXIS PAIR– 設定掃描頭與(yu) XY平台的軸係關(guan) 聯性

· IFOV SIZE – 設定掃描頭視野範圍

· IFOV TIME – 設定預讀路徑時間

· TRACKING SPEED – 設定XY平台最高速度

· TRACKING ACCEL – 設定XY平台最高加速度

由於(yu) 掃描頭的加速度參數建議設到最高(RAMP RATE 0)，因此依照不同的XY機構平台，可搭配出不同的IFOV參數設定，一般建議在XY平台速度與(yu) 加速度參數設定，在製程可接受情況，設定越低越好，原因在於(yu) 可以避免XY平台額外導入的位置誤差，然而，若是設定過低，則掃描頭將馬上移動到視野範圍邊界，運動控製器則將會(hui) 自動降低掃描頭速度，因此可能降低產(chan) 能。此調整流程為(wei) ㄧ迭代流程，決(jue) 定雷射加工速度參數後，製程工程師可以調整XY軸速度與(yu) 加速度，並且記錄位置誤差與(yu) 周期時間，以取得在製程良率與(yu) 產(chan) 能最高的製程參數。

總結

IFOV算法推出至今已經有數年的時間，雖然算法的進化讓整體(ti) 製程調整流程相對單純，但尚未有完整係統架構性的文章討論本流程，本文從(cong) 機構／電控／軟件三大層麵簡介了IFOV算法的運動參數優(you) 化流程，讓未來使用IFOV的製程工程師與(yu) 係統工程師們(men) ，能夠以本文作為(wei) 了解整個(ge) 流程的入門，進而可以參照使用手冊(ce) 與(yu) 係統架構進行更深入了解，而設備商若可以將IFOV算法在短時間內(nei) 順利設定完成，則可以對於(yu) 設備的上市(Time to Market)有所幫助，提高設備競爭(zheng) 力掌握商機，並且可專(zhuan) 注於(yu) 雷射製程的開發，將大範圍無接縫的加工模式，應用於(yu) 更多先進製程上，提升台灣產(chan) 業(ye) 競爭(zheng) 力與(yu) 技術。