文/Bryan Germann，Eric Belski；Aerotech 公司

在高速激光钻孔应用中，既要实现微米级的光斑定位精度，同时又要满足终端用户的产量和质量要求，这为设备制造商带来了严苛的设计挑战。电子和半导体封装等领域对更小、更复杂的通孔（vias）的需求正在日益增长，而要在加工中实现更小的通孔公差，需要深入理解钻孔过程中累积的误差源。

系统的整体加工精度受多种误差源的共同影响，因此必须要分析各种误差源之间的相互作用是如何影响大型基板（带有数千至数百万个孔）上的通孔位置精度和几何公差的。这些误差源可归因于工件处理的机械设计，以及用于执行钻孔操作的激光源、光学元件和光束转向系统。

误差预算解析：误差源与相互作用

误差预算是一个系统化过程，通过识别、量化和跟踪设备的所有误差源，来预测激光与工件接触的功能点处的累积误差。对于多轴激光钻孔系统而言，这些误差主要来自两个领域：一是移动工件和光学元件的机械平台，另一个是移动激光束的扫描振镜。另外，由运动轮廓的动态特性（见图 1）和激光定位触发产生的二级误差，也会纳入整体误差预算。

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图 1：高动态运动系统示例，由直接集成在花岗岩上的一个分轴线性运动系统和一个高动态两轴扫描振镜组成。

机械运动误差。移动工件或光学元件的伺服平台是设备的基础，其固有的几何误差是误差预算的主要来源。设备中的任何运动轴都存在六个自由度的误差。对于沿 X 轴运动的单个线性平台（见图 2），这些误差包括三个线性误差（定位精度、水平直线度、垂直直线度）和三个角度误差（滚转角、俯仰角、偏摆角）。这些寄生运动（尤其是角度分量）会产生显著的阿贝误差（Abbé errors），导致激光束在工件表面发生偏移，而且这种偏移会随着运动轴到工件的距离增加而放大。

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图 2：线性运动平台的误差源，包括垂直和水平直线度误差，以及平面度误差源（滚转角、俯仰角、偏摆角）。

扫描振镜与光学误差。扫描振镜虽然速度极快且灵活性高，但也存在自身误差。用于将扫描振镜的角运动转换为平坦焦平面的 F-theta 透镜，并非完美无缺，它会引入称为枕形或桶形畸变的空间非线性（见图 3）。此外，激光束本身也可能是不稳定性的来源。激光源内部或光路中的热漂移，可能导致长时间生产过程中的焦点偏移或光束漂移。即使是光学元件污染等环境因素，也会通过增大焦斑尺寸或改变光束能量分布而降低性能，直接影响孔的质量和一致性。

误差测量与补偿

在任何运动开始前，都需要对系统组件进行测量和校准。这些被视为一阶误差源，若不进行校正，会导致激光无法在正确的位置被触发，因为运动组件的反馈设备无法识别这些误差。

1D/2D平台校准。使用激光干涉仪，在所需的功能工作点处测量每个平台在全行程范围内的定位误差。这些数据用于生成各个轴的校准表，并实时参考以校正线性定位误差、直线度、俯仰角、偏摆角以及非正交性等轴间误差。这使得物理平台的性能接近理想的理论状态，并在平台全行程运动中自动校正测量点处的阿贝误差。

扫描振镜校准。执行“标记-测量”校准，可以精确测量与 F-theta 物镜相关的光学误差。控制扫描振镜标记已知位置的一个精确网格，随后系统内置的高分辨率相机测量这些标记的实际位置，并将偏差值作为位置偏移量，收集到存储在运动控制器内的校准表中。这种扫描振镜校准可补偿F-theta 透镜畸变和整个视场（FOV）内的其他非线性误差。

对于用于聚焦激光束的特定F-theta 透镜，表征激光光斑尺寸和形状在视场内如何变化也非常重要，因为这会影响工艺参数。这些光斑尺寸误差也可以作为“标记-测量”过程的一部分进行测量，并通过动态改变透镜的工作距离以保持光斑聚焦，以及改变激光功率以保持一致的激光能量密度来进行校准。

静态校准至关重要，但无法校正高速运动期间产生的二阶动态误差，此时激光光斑可能会因为机械系统惯性引起的跟踪误差而发生偏移。在平台运动期间尤其如此，因为这些平台的质量较大。在这种情况下，最好利用激光扫描振镜的高动态性能来实现更高的吞吐量。传统的钻孔方法（平台移动到位置、稳定后扫描振镜再工作）速度慢，并且扫描振镜在视场边界移动时，会引入质量缺陷。

无限视场（IFOV）技术消除了这一限制。它基于统一的控制架构运行，同步管理扫描振镜的高频控制回路（如 200 kHz）和平台的伺服回路（如 20 kHz）。由于 IFOV 将来自平台的实时编码器反馈作为扫描振镜控制回路的直接输入，因此，扫描振镜可以动态、持续地调整其轨迹，以跟踪并补偿平台的实际位置，从而有效地实时抵消平台跟踪误差。其结果是形成单一无缝的扫描路径，从而能在整个工件上实现连续的“飞行”加工，消除拼接误差。

在高动态 IFOV 系统中，速度不断变化。若基于固定时间间隔触发激光，会导致通孔间距不均匀。位置同步输出（PSO）技术通过使用编码器的实时、组合的IFOV 位置，在精确的空间间隔处触发激光，从而解决了这个问题。这确保了每个激光脉冲或脉冲串都能精确地落在工件上，而不受运动速度变化的影响，这对于保持精确的通孔间距至关重要。

经验证的误差预算方法

理解这些独立的误差源如何组合至关重要。简单的峰值误差累加会得到“最坏情况”值，这种方法过于保守，会导致不必要的昂贵设计。一个更实用且统计上有效的方法是：使用平方和根（RSS） 方法来组合不相关的误差。

Aerotech公司的William Land II和Scott Schmidt，在一项详细研究中证实了这种方法的有效性。[1]他们进行了一系列高精度测量，以细致地量化系统性能。首先，使用二维（2D）激光干涉仪系统校准底层线性电机伺服平台，该过程生成校正图消除静态误差，包括由平台偏摆和非正交对准引起的误差；然后，使用迭代的“标记-测量”技术独立校准扫描振镜组件，以校正其误差量。

该测试的量化结果提供了一个清晰的基准：

· 校准后的伺服平台，其残余矢量和误差为 5.26 µm；

· 校准后的振镜系统，其矢量误差为 2.06 µm。

使用RSS方法，预测的组合误差为

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（组合系统的RSS误差）。为验证这一点，执行了一个随机组合运动网格测试，其中平台和扫描振镜同时反向运动，在基板上生成标记。该动态测试的实测组合误差为5.44 µm。预测值与测量值之间的高度相关性，使我们有充分信心认为：精心构建的误差预算，能够准确预测设备的基线准静态性能，这是构建成功系统的非常关键的第一步。

先进的控制回路优化

即使使用基于IFOV和PSO的全校准系统，最终性能也可能受到控制系统本身响应能力的限制。标准的比例-积分-微分（PID）控制回路，即使增加了前馈增益，通常也是针对通用的“平均”运动曲线进行调整的。这实际上是一种折衷方案。

短促、快速的扫描振镜运动的最佳控制回路增益，与更长、更平滑运动的最佳增益存在根本不同。为了实现最大吞吐量，系统必须在尽可能最短的时间内完成加速、移动并在每个目标位置稳定下来。

先进的运动优化软件，如 Aerotech的DrillOptimizer（见图 3），采用迭代机器学习和强化学习算法实现了这一目标。该过程包括：表征振镜系统在视场内对不同长度和方向运动的动态响应；为所有可能的运动建立一个包含最优PID和前馈调制参数的综合库；在实时运行中，对于每个通孔到通孔之间的运动，控制器立即调用并应用针对该特定运动矢量的理想控制参数组合。

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图 3：Aerotech 的 DrillOptimizer 软件工具可以实现钻孔点之间的最短路径优化（右），以及针对特定扫描振镜硬件进行参数优化（左），以最大限度地提高钻孔性能并最小化误差。

这种针对特定运动的优化，确保每次运动都能在最短的时间内、在所需要的稳定窗口（例如±2 µm）内稳定下来。这使得激光能够在零移动延迟的情况下触发，并将物理硬件推向其绝对性能极限，实现传统调节系统所无法达到的吞吐量。Aerotech已经将实现该功能的工具组合成一款名为DrillOptimizer的软件包，该软件包是AeroScriptPlus库的一部分。借助这些库，设备商可以将这种强大的运动和稳定优化直接集成到设备的人机界面（HMI）中，并为每个客户添加这种复杂的优化。

给激光钻孔系统设计者的要点总结

从头开始设计出能够进行激光钻孔的设备，是一个多层次的过程。首先，要精心构建基础误差预算，并通过经验数据对其进行细致验证，以了解系统的基线精度。然后，使用一套全面的补偿方法工具包对此进行优化，从平台的静态2D校准，到使用IFOV进行动态实时误差校正，以及使用PSO实现精确脉冲定位。最后，关键的一步是通过先进的、针对特定运动的控制回路优化，来释放硬件的终极潜能。

这种集成策略，使得满足现代激光钻孔的极端要求成为可能。通过理解、考虑并主动补偿过程中每个阶段的每个误差源，每秒能够在数千个位置保持微米级的稳定窗口，从而能够克服大规模钻孔挑战，实现高吞吐量的精密钻孔。

参考文献

1. S. Schmidt 和 W. Land II，《估算伺服与振镜组合运动精度》，Aerotech 白皮书（2021 年 12 月）；详见www.aerotech.com/estimating-combined-servo-and-galvo-motion-accuracy。