Рапровый фотоплопер Rpl2032L8

Игорь Шендриков
Сергей Мартынихин

Существует несколько принципов построения механических модулей растровых фотоплоттеров. Наиболее высокие точностные характеристики позволяет получить фотоплоттер с внешним барабаном. Этот способ заключается в формировании изображения с помощью перемещающегося модулированного светового луча вдоль вращающегося барабана, на котором закреплена фотопленка. Время вывода зависит от скорости вращения барабана. Однако скорость вращения барабана невозможно увеличивать бесконечно. Другим способом повышения производительности является увеличение количества световых лучей. Данный принцип построения растрового изображения используется в более дорогих фотоплоттерах.

Источником светового луча часто является лазер. Лазерный луч попадает на формирователь пучка, а затем на модулятор. Данная схема работает безукоризненно. Однако такой способ увеличения количества световых лучей вызывает существенное увеличение стоимости фотоплоттера.

В новом растровом фотоплоттере Rpl2032L8 (рис. 1) световым источником является линейка ярких светодиодных кристаллов. В данной модели построение изображения осуществляется восемью лучами. Такой подход позволил повысить производительность примерно в 7-8 раз. За основу была взята предыдущая модель растрового фотоплоттера Rpl2032.

Фотоплоттер Rpl2032 имеет возможность переключать дискретность вывода: 25, 12,5 и 6,25 мкм. При этом максимальное время вывода составляет 28, 56 и 112 минут.

Использование многолучевого оптического блока позволило снизить максимальное время вывода до 4, 8 и 16 минут соответственно. Поскольку время вывода на разрешении 12,5 мкм стало достаточно малым, а качество получаемого фотошаблона по сравнению с разрешением 25 мкм несравненно выше, то разрешение 25 мкм было убрано.

Кроме того, для повышения производительности обмен фотоплоттера с графической станцией осуществляется через стандартный USB-интерфейс.

В фотоплоттере используется программный растровый процессор на базе платформы Intel P4 и объемом оперативной памяти не менее 256 Мбайт. Использование программного растрового процессора позволило значительно снизить затраты на разработку. Технические характеристики приведены в таблице.

Программное обеспечение работает под операционной системой Windows 2000, ХР. Разработанная оболочка программного обеспечения фотоплоттера (рис. 2) значительно облегчает работу и позволяет гибко выполнять настройку растрового процессора с помощью системы меню.

Программное обеспечение позволяет выводить фотошаблоны из формата Gerber 274X, PCX и PCL5 практически из любых пакетов САПР печатных плат. Примерное время растровых преобразований изображения максимального формата и сложности составляет несколько минут при разрешении 12,5 мкм (2032 dpi). На этапе растрового преобразования изображение фотошаблона разворачивается оптимальным образом в зависимости от размера фотопленки и фотошаблона, что также сокращает время вывода.

Фотошаблон имеет высокую степень черного — не менее 3,5, что снижает требования при копировании и экспозиции изображения на фоторезист. Отсутствует разница при выводе позитивного и негативного изображения.

Каждый фотошаблон имеет технологическую зону, в которой выводится служебная информация: имя файла, дата и время вывода, серийный номер фотоплоттера и название организации. После завершения вывода информация о фотошаблоне (имя файла, размер фотошаблона, дата и время вывода) заносится в файл отчета.

В результате работы программного растрового процессора формируется файл в формате PCL5. Вывод полученного изображения выполняется программным эмулятором формата PCL5. Вывод графических изображений, подготовленных в различных приложениях Windows, осуществляется из формата PCX. Перед выводом на фотопленку имеется возможность визуального контроля растрового изображения с разными масштабами на экране монитора (рис. 2).

Дополнительной возможностью является контрольный вывод копии растрового изображения фотошаблона на лазерный или струйный принтер, поддерживаемый операционной системой.

Высокое разрешение и повторяемость позволяет использовать плоттер для получения оригиналов в фотолитографии.

Кроме повышения производительности в новом растровом плоттере огромное внимание уделено вопросам повышения точности. В данном случае решается вопрос уменьшения погрешности построения фотошаблона. Погрешности делятся на линейные, нелинейные и оптические.

В основу идеи положен принцип введения предыскажений противоположного знака. С этой целью разработана программная система компенсации линейных и нелинейных статических погрешностей (СКНСП) механического и оптического модуля фотоплоттера. Система состоит из блоков векторной и растровой коррекции изображения. Сначала отрабатывают блоки векторной коррекции, а затем, после растризации изображения, работают блоки растровой коррекции. Такое разделение системы на блоки связано с тем, что некоторые типы искажений проще корректировать на векторном изображении. К таким искажениям относится искажение размера апертуры. Линейные и нелинейные искажения проще корректируются на растровом изображении.

Работа системы компенсации базируется на идее введения предискажений в исходное изображение. На данном этапе развития проекта реализация этой системы полностью программная. При изготовлении механических узлов фотоплоттера очень важно соблюдать все допуски. Иначе даже незначительное отклонение реальных параметров узлов от заданных может привести к таким искажениям изображения на фотошаблоне, что его уже невозможно будет использовать в технологических процессах. В качестве примера искажения, вносимого механикой фотоплоттера, можно взять неточность изготовления барабана, приводящего, например, к линейному сжатию или растяжению изображения по одной из осей, если нарушен радиус барабана, или нелинейное искажение изображения в случае непостоянства радиуса по длине барабана.

Таблица. Технические характеристики

Рис.2. Графическая оболочка программного обеспечения

Представим себе ситуацию: фотоплоттер имеет барабан с радиусом меньше заданного. Радиус нормального барабана составляет 81,48733 мм. При уменьшении радиуса барабана до 81,32818 мм (меньше на 0,2%) размер изображения по окружности барабана уменьшится на 1 мм. Такое искажение размеров изображения недопустимо при изготовлении печатных плат. Бороться с этим искажением геометрии рисунка можно с помощью растяжения изображения по окружности барабана в 1,00196 раз. После такой программной коррекции изображения, при выводе изображение сожмется в 1,00196 раз, то есть искусственно введенное предыскажение будет скомпенсировано искажением, обусловленным влиянием погрешности радиуса барабана. Таким образом, размер готового изображения слоя печатной платы будет соответствовать заданному.

Другой погрешностью изготовления барабана является конусообразная форма (рис. 3).

Изображение на фотошаблоне, созданном на барабане конусообразной формы, представляет собой развертку конуса, где одна сторона картинки будет сжата или растянута, в то время как другая останется прежней. В действительности, соответствующие стороны еще и искривляются по дуге в сторону меньшего радиуса, но такое искривление пренебрежимо мало по сравнению с уменьшением или увеличением той же стороны.

Изображение, полученное на бочкообразном барабане (рис. 4), имеет в середине прогиб, в нашем случае порядка 0,5 мм. В качестве примера искажений фотошаблона при рассмотрении методов растровой коррекции возьмем изображение, которое получается при выводе на фотоплоттере, имеющем конусообразный барабан. Изображение сетки в таком случае будет иметь вид, показанный на рис. 5.

Пунктиром показана идеальная сетка, то есть такая сетка, которая получается, если изображение выводится без погрешностей. Сплошными линиями показана искривленная, реальная сетка. Каждая точка идеального изображения смещается по какому-то своему вектору искажения. Особенно это заметно на примере верхней линии изображения. Обратим внимание на векторы искажения АВ и ВС. Заметно, что в общем случае эти векторы не равны ни по направлению, ни по длине. После вывода фотошаблона на рассматриваемом фотоплоттере с конусообразным барабаном точка В исходного неискаженного изображения будет изображена на месте точки С, а точка А — на месте точки В. Таким образом, чтобы при выводе на фотоплоттере точка В смещалась на свое место на исходном изображении с введенным предыскажением точка В должна располагаться на месте точки А. То есть для введения пре-дискажений необходимо знать векторы, обратные векторам искажений.

В нашем примере это векторы ВА = -АВ и СВ = -ВС. Такие векторы необходимо знать для каждой точки изображения. Общее количество точек при максимальном разрешении (160 точек на мм) на максимальном рабочем поле (500×600 мм) составит 500х160х х600х160 = 7 680 000 000 штук. Соответственно, столько же должно быть и векторов.

Естественно, для хранения такого количества векторов потребуется огромный объем памяти.

Выходом из положения является хранение векторов только для узловых точек сетки. Тогда остальные векторы вычисляются с помощью интерполяции внутри ячейки сетки исходных четырех узловых векторов. Смещение узлов сетки относительно их оригинального положения на практике достаточно малое — менее 1 мм в самом худшем случае. Большие значения искажений говорят о том, что применяемые блоки, которые вызвали такие искажения, нельзя назвать прецизионными, и их невозможно применять для изготовления высокоточных фотошаблонов. Таким образом, в указанных пределах допустимых искажений (большие значения искажений приведут к резкому падению качества скорректированного фотошаблона) кривые линии, как, например, вертикальные линии сетки на рис. 5, будут иметь малый радиус кривизны, и соответственно, их можно будет аппроксимировать разумным количеством прямых линий без значительной потери качества представления. Таким образом, для решения задачи коррекции достаточно использовать простейшую линейную интерполяцию значений векторов искажений по ячейке.

Для начала рассмотрим способы получения информации об искажениях, вносимых некачественными механическими модулями фотоплоттера в изображение. Основным способом получения информации является измерение координат узлов сетки — тестового изображения (тестовое изображение выводится при отключенной коррекции).

В качестве измерительного инструмента лучше всего использовать специальные измерительные столы. Некоторые модели измерительных столов обладают интерфейсом для подключения к персональному компьютеру, что позволяет максимально автоматизировать ввод данных коррекции. Для ввода данных необходимо измерить все координаты тестовой сетки относительно базовой точки.

Данные измерений вводятся автоматически или вручную в компьютер. Определив способ получения информации об искажениях, а значит и семантику этой информации, можно приступать к разработке алгоритмов растровой коррекции.

Итак, после измерений и ввода результатов СКНСП располагает данными о реальных координатах узлов тестовой сетки. Также необходимо иметь информацию о шаге идеальной сетки и количестве линий по горизонтали и вертикали в этой сетке для вычисления координат оригинального положения узлов тестовой сетки.

Существует два способа реализации введения предыскажений. Первый способ можно описать так: при постановке точки с координатами (X_D, Y_D) функция коррекции должна вычислить координаты точки (X_s, Y_s), которая перейдет в позицию (X_D, Y_D) при искажении изображения фотоплоттером. Точка ставится по вычисленным координатам (X_s, Y_s). Второй способ можно описать так: имеется точка с координатами (X_s, Y_s). При выводе фотошаблона точка с такими исходными координатами переместится в позицию (X_D, Y_D). Следовательно, точка с заданными координатами (X_s, Y_s) должна иметь цвет точки, располагающейся по вычисленным координатам (X_D, Y_D). Таким образом, при постановке точки известны только ее координаты, а цвет берется такой же, как цвет точки, расположенной по вычисляемым координатам (Xd. Yd)

Искажение геометрии изображения может быть вызвано и нелинейностью направляющих, по которым движется оптический блок (рис. 6а). Изображение, полученное на таком оборудовании, будет искривлено в соответствии с формой направляющих, например, как это показано на рис. 66.

Кроме того, погрешности могут иметь несколько узлов, и в этом случае их эффекты складываются, приводя к сложным искажениям изображения. Конечно, лучшим выходом из положения является использование только высококачественных деталей, но при этом увеличивается стоимость изделия, и никуда не исчезают эффекты старения узлов и потери точности в процессе эксплуатации.

СКНСП рассчитана на корректировку искажений, вносимых механическими или оптическими узлами фотоплоттера в получаемый фотошаблон. Применение системы компенсации способно снизить требования к точности изготовления прецизионных узлов.

Система компенсации включает в себя несколько блоков, предназначенных для компенсации разнотипных искажений. Основным блоком является блок коррекции размеров апертуры, выполняющий корректировку размеров элементов изображения фотошаблона с учетом размеров реальной апертуры, которая и формирует изображение. Этот блок используется практически всегда, хотя возможно его отключение. Остальные блоки системы могут исключаться из процесса обработки исходного изображения, если искажения в получившемся фотошаблоне отсутствуют. Эти второстепенные блоки выполняют простую линейную коррекцию растрового изображения и более универсальную и сложную коррекцию, позволяющую компенсировать сложные нелинейные искажения. Решение о включении какого-либо второстепенного блока в процесс обработки изображения принимается исходя из наличия и вида искажения. Использование этих блоков предполагает наличие точных измерительных инструментов (в нашем случае использовался измерительный стол SCREEN DR-6011-CU) и нескольких тестовых фотошаблонов с целью вычисления параметров коррекции.

Оптический модуль растрового фотоплоттера Rpl2032L8 имеет только одну фиксированную апертуру для каждого луча, что приводит к искажениям размеров элементов изображения (например, недопустимое увеличение и уменьшение толщины проводника при выводе позитивного либо негативного изображения).

К оптическим погрешностям, которые можно скомпенсировать программными средствами, можно отнести несоответствие размера светового пятна, генерируемого оптической системой, размеру точки, используемому при данном разрешении (рис. 7). К примеру, в фотоплоттере Rpl2032L8 размер светового пятна строго фиксирован и не может быть изменен в процессе изменения рабочего разрешения. Это единственное искажение, вносимое оптическим блоком, которое можно компенсировать программными средствами. Погрешности, вызываемые некорректной ориентацией оптического блока, решаются точной настройкой этого блока.

Блок коррекции размеров апертуры для своей настройки требует задания размеров реальной апертуры. Этот блок работает с исходным векторным изображением, корректируя размеры апертур и полигонов, используемых для формирования элементов изображения. На рис. 8 приведен пример коррекции размеров двух полигонов (стрелка с треугольным вырезом). Один из полигонов (стрелка) строится в режиме exposure on, а второй (вырез) в режиме exposure off. Новые размеры полигонов показаны пунктирной линией.

На следующем этапе обработки изображения происходит его растеризация. После растеризации в работу включается (если нужно) один из блоков растровой коррекции, выполняющий более сложные операции корректировки изображения. Этими блоками, как было сказано ранее, могут быть блок простой коррекции, выполняющий растяжение и сжатие изображения по обеим осям, и блок универсальной растровой коррекции, выполняющий более сложную корректировку изображения, позволяющую компенсировать сложные нелинейные искажения. Первый блок прост в настройке и не требователен к ресурсам компьютера, однако его возможности ограничены. Для настройки блока универсальной растровой коррекции необходимо вывести тестовый фотошаблон, представляющий собой сетку, и измерить координаты всех узлов этой сетки относительно «нулевого» узла (обычно левый нижний угол). Измерение координат требует точных измерительных инструментов. Идея метода, реализуемого этим блоком, заключается в измерении смещений узловых точек сетки относительно их нормальных координат. Смещения точек внутри ячейки аппроксимируются исходя из смещений углов ячейки. Эти смещения позволяют по заданным координатам вычислить такие координаты точки, что после вывода изображения на фотошаблон искажения, вызванные погрешностями оборудования, сместили бы точку в изначально заданные координаты.

В данной статье не рассмотрен очень важный вопрос погрешности фотошаблона, вызванной нарушением температурного режима обработки фотопленки.

Используя приведенные методы коррекции в сочетании с прецизионным механическим производством, удается получать высокие результаты по точности, значительно превышающие возможности механической обработки. Как правило, все современные фотоплоттеры имеют подобный механизм коррекции геометрических погрешностей. Приведенная методика выполняется один раз предприятием-изготовителем и обычно изменению не подлежит.

Растровый фотоплоттер Rpl2032L8 является уникальной российской разработкой, которая дает возможность обеспечивать полноценное техническое сопровождение и обновлять не только программное обеспечение, но и аппаратную часть.