מאת: יחיאל סלור, אורבוטק. לאחרונה, נכנסה אורבוטק לתחום קידוחי הלייזר, עם לייזר באורך גל UV. הלייזר המוביל כיום בשוק קידוחי הלייזר הוא CO2, בעל אורך גל בתחום האינפרא אדום. לייזר UV הוא בעל אורך גל קצר יותר ומאפשר קידוח חורים (vias) קטנים יותר. בעקבות התהליך של מזעור האלקטרוניקה לצורך הגדלת הפונקציונאליות בכרטיס אלקטרוניקה בעל שטח נתון, אנו עדים לדרישה הולכת וגוברת של הגדלת צפיפות המוליכים על הכרטיס ובעקבותיה גם דרישה להקטנת קוטר החורים הנקדחים. עם הגידול בדרישה למזעור, צפוי גם גידול בנתח השוק של קידוחים בלייזר UV.
מכונת הקידוח של אורבוטק מבוססת על קרן לייזר UV בהספק גבוה. את הקרן יש להסיט, זוויתית, אל נקודת הקידוח – המקום המדויק על המעגל המודפס שבו יש לבצע את הקידוח. נדרש דיוק במיקום של מאית המילימטר ומטה. הסטה של קרן הלייזר לנקודת הקידוח מתבצעת ע”י FSM ((Fast Steering Mirror, שהוא התקן אלקטרו-מכאני המניע מראה בשני צירים זוויתיים באופן רציף לצורך כיסוי השטח. שליטה על זווית המראה קובעת את המיקום הרצוי על המעגל המודפס. זמן הקידוח תלוי במספר גורמים ועומד בממוצע על כ-0.5mSec. בעתיד, עם העלייה בהספק הלייזר, זמן הקידוח אף יקטן. עם סיום הקידוח של חור מסוים, יש לעבור מייד למיקום החדש של החור הבא בתור. על מנת לנצל את מלוא היכולת של הלייזר, ה-FSM נדרש לעבור מחור אחד למשנהו באפס זמן. כמובן שאף מערכת מכאנית לא מסוגלת לעשות זאת. מערכת מכאנית צריכה להאיץ, להאט ולהתייצב, ופעולות אלה דורשות זמן שבמהלכו לא ניתן לקדוח. אם בכל זאת נעשה ניסיון לקדוח, הקידוח יתבצע במקומות שאינם רצויים ויפגום במעגל המודפס.
מה ניתן לעשות כדי לנצל בכל זאת את מלוא האנרגיה של הלייזר?
במקרה כזה, נעשה שימוש בטכנולוגיה המאפשרת להסיט את קרן הלייזר מיידית, באופן אלקטרואופטי, למספר זוויות קבועות מראש.
תהליך הקידוח:
מקרה לדוגמה…
• יש אפשרות להסיט את קרן הלייזר ל-8 זוויות מוגדרות ושונות זו מזו , ובכל אחת מהן ממוקם FSM.
• מבוצע קידוח עם FSM מספר 1. מייד עם סיום הקידוח, קרן הלייזר עוברת ל-FSM מספר 2, שמכוון כבר למיקום הדרוש.
• בו בזמן, FSM מספר 1 מתחיל לנוע לעבר נקודת הקידוח הבאה שלו. קרן הלייזר ממשיכה הלאה לשאר ה-FSM’s לפי הסדר.
• לאחר FSM מספר 8, חוזרת הקרן שוב ל-FSM מספר 1.
מאז הפעם הקודמת שהקרן עזבה את FSM מספר 1, עברו 7 זמני קידוח של 0.5mSec, כלומר 3.5mSec . אם ה- FSM יוכל לנוע מנקודת קידוח אחת לשנייה בזמן הקצר מ-3.5mSec, ה-FSM “יחכה” ללייזר, ולא להיפך, וכך ניתן יהיה לנצל את מלוא הזמן של קרן הלייזר לקידוח. באופן זה ניתן לקדוח כ-2000 חורים בשנייה.
לצורך הקמת מערך של יחידות FSM שיעבדו ע”פ התרחיש הנ”ל, הוגדרו הדרישות הבאות ל-FSM:
-קוטר מראת ה-FSM הוא 25mm . הקוטר נקבע משיקולים אופטיים. דרישה לקוטר כזה פוסלת אפשרות להשתמש ב-FSM מסוג MEMS, שוק שמתפתח לאחרונה.
-הטיית קרן בשני צירים (לכיסוי שטח).
-מבנה קומפקטי, לצורך חפיפה בכיסוי שטח של מערך FSM’s. דרישה זאת אינה מאפשרת להשתמש בשני FSM’s חד-ציריים במקום FSM דו-צירי, בשל גודלם. בהמשך הפיתוח של מכונת הקידוח בוטל אילוץ הקומפקטיות, דבר שאפשר הרחבה של הפתרונות הבאים בחשבון עבור מכונת הקידוח.
-זמני תגובה מהירים מאוד (תנועת point-to-point, בדיוקים הדרושים, למרחק של 3mRad, בזמן של 2mSec).
-דיוקים גבוהים במיוחד (כ-20Rad ).
-תחום כיסוי זוויתי של 0.1Rad (אופטי).
כיוון שלא נמצא בשוק פתרון העונה על כל הדרישות הנ”ל, הוחלט באורבוטק על פיתוח עצמי של FSM. FSM זה נקרא EMFSM (איור 1), כאשר “EM” מייצג את הטכנולוגיה – Electro Magnetic .
מהן הטכנולוגיות העיקריות שאפשרו להשיג את הדרישות הללו?
הקומפקטיות של ה-EMFSM הושגה באמצעות הדבקה של המראה, שאמורה להטות את קרן הלייזר אל נקודת הקידוח, על-גבי דיסקה עגולה בקוטר דומה לקוטר המראה. בדיסקה ישנו שקע קוני והיא מונחת על פין (“שפיץ”) קוני. כל מערכות ה-EMFSM ממוקמות מתחת למראה ולדיסקה, כך שאין כמעט חריגה מההיטל במבט-על של הדיסקה והמראה. דיסקה המונחת על פין היא מערכת שאינה יציבה מכאנית. מדובר במערכת של ציפה למחצה. ייצוב המערכת מתבצע באופן הבא: חיישן קיבולי דיפרנציאלי קורא את זווית הדיסקה בשני צירים (איור 3, מתואר ציר אחד). זווית הדיסקה נמסרת למעגלי הבקרה, אשר מחשבים פקודה לאלקטרומגנטים (מנועים) (איור 2) וכך נסגר חוג הבקרה, שדואג לייצב את הדיסקה ו ופוקד עליה לנוע לזווית הרצויה למשתמש. ציפה מגנטית למחצה, כפי שמתבצעת אצלנו, אינה דבר קל להשגה (ראה Earnshaw’s theorem).
טכנולוגיה ייחודית נוספת שבה אנו משתמשים היא טכנולוגיה שבה האלקטרומגנט פועל מול דיסקה העשויה מחומר פרומגנטי. בכל ההתקנים מסוג זה, ללא יוצא מן הכלל, פועל סליל מול מגנט. נותר רק לקבוע מי מהם סטאטי ומי נע: המגנט נע והסליל סטאטי או להיפך (לכל אחד יתרונות וחסרונות משלו). בפיתוח שלנו, כאמור, יש סליל (אלקטרומגנט), לא מול מגנט, אלא מול חומר פרומגנטי. התקנים של סליל מול חומר פרומגנטי אינם דבר חדש, בדרך זו פועל ממסר או סולנואיד. עם זאת, התקנים אלה כוללים רק 2 מצבים יציבים ואינם פועלים באופן רציף, כפי שפועל ה-EMFSM. נוסף לכך, אלקטרומגנט מול חומר פרומגנטי (להבדיל מסליל מול מגנט) מפעיל כוחות משיכה בלבד ולכן לא מסוגל לדחוף, גם אם כיוון הזרם ישונה. זו הסיבה לכך שבממסר יש קפיץ. כאשר יש זרם – הממסר נתפס. כשאין זרם – הממסר משתחרר בעזרת הקפיץ. ב-EMFSM נדרשים כוחות (מומנטים) על הדיסקה בשני הכיוונים. ניתן להשיג זאת ע”י הפעלה לסירוגין של אלקטרומגנט אחד בלבד מתוך 2 אלקטרומגנטים נגדיים, ע”פ כיוון המומנט שאותו רוצים להשיג.
החיישן למדידת זווית הדיסקה הוא חיישן קיבולי דיפרנציאלי, שמודד קיבול בין הדיסקה לבין 4 פדים (2 לכל ציר) על מעגל מודפס, שממוקם מתחת לדיסקה. תנועת הדיסקה משנה את המרחק בינה לבין הפדים, ואז משתנה הקיבול ביניהם וכך יודעים מהי זווית הדיסקה. כמובן שהדיסקה, המהווה צד אחד של הקבל, צריכה להיות מוליכה חשמלית. ערך הקיבול של החיישן במבנה הקיים הוא 0.5pF ורזולוציית הקיבול היא 16bit, דהיינו 0.0076fF (f = 10-15), ערך שזהה לקיבול בין 2 מטבעות של 10 אגורות במרחק 440m זו מזו. נדרש מאמץ רב כדי להשיג קריאה אמינה של החיישן הקיבולי.
מבנה ה-EMFSM שתואר לעיל מאפשר מבנה קומפקטי. גם העובדה שהדיסקה היא החלק הנע היחיד במערכת מקנה לחלק הנע אינרציה מינימאלית, המאפשרת קבלת תאוצות גבוהות, מבנה פשוט ותדרי תהודה מכאניים גבוהים, בתורם מאפשרים להשיג רוחבי סרט גבוהים בחוג הבקרה, ופירוש הדבר ביצועים גבוהים. EMFSM מציע טכנולוגיות ייחודיות נוספות כגון שיטת מיסוב בין הפין לבין הדיסקה, פיתוח אלקטרומגנטים לתדר גבוה ועוד.
ה-EMFSM שפותח עונה על דרישות הביצועים שהוגדרו לו. הוא מגיע למהירויות של 12Rad/Sec ותאוצות של 5000Rad/Sec. ה-EMFSM שולב כבר באורבוטק במספר פרויקטים, והמוצר נרשם ואושר כפטנט.
