CN104057124A - 用于加工印制电路板的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对具有多个导电的导体层（Sn）的印制电路板（LP）进行加工尤其是制孔的设备以及方法。所述设备具有承载能更换的制孔刀具（1）的制孔主轴（2）。所述制孔刀具（1）具有外表面和芯部（8），所述外表面至少局部地配设有非导电覆层（9），所述芯部（8）至少局部地导电。

Description

用于加工印制电路板的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于对具有多个导电的导体层的印制电路板进行加工尤其是制孔的设备，所述设备具有承载能更换的制孔刀具的制孔主轴。本发明还涉及一种用于尤其通过这种设备加工印制电路板的方法。

背景技术

多层的印制电路板不仅具有通孔，而且由于较高的可利用性在很大程度上也具有钻削的盲孔，这些盲孔从表面延伸至印制电路板内部的某一导体层。由于加剧的小型化和由此越来越小的层厚，（相对于印制电路板表面测量的）的盲孔深度的公差设置为几微米。在之前尝试通过以下方式满足这种要求，即为钻头配设校准单元，并且除了用于钻头横向进给的测量装置还设有第二深度测量装置。在此，在安装刀具后，钻头移动经过校准单元，下降并且向第二测量系统发送零脉冲，控制装置通过所述零脉冲识别刀具梢端/刀具尖端/刀头相对于印制电路板表面的相应位置。然而在此，深度制孔精度受到制孔主轴、Z轴进给、CNC（计算机数字控制）控制装置、支承板、第二深度测量装置和制孔刀具的机械安装（例如由于热膨胀）的不准确性的影响，以及受到印制电路板材料的不平整度、环境因素（例如污染）和机床维修的影响。此外，附加的测量装置和例如包含激光的校准单元使得机械成本相对较大。

由DE4340249A1已知一种用于对印制电路板进行深度制孔的设备，其中，承载制孔刀具的制孔主轴能够降低到布置在机床工作台上的印制电路板的导电表面层，并且能够借助高度测量装置测量制孔刀具相对于印制电路板表面的相应高度位置，其中，在制孔刀具与导电的表面层或者第n个导体层之间产生电势差，并且可在制孔刀具的梢端与表面层接触时在制孔刀具与导电的表面层之间获取的信号用于确定制孔深度的零水平，并且在必要时可在制孔刀具的梢端与第n个导体层接触时获取的信号用于确定制孔深度的最终水平。所述系统非常可靠和准确，但为了确定地为每个单独的导体层分配各自特有的电势，也提高了成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种本文开头所述类型的装置以及一种用于加工导体层的方法，它们在结构更简单的同时允许实现较高的制孔精度。

该技术问题按照本发明在一种本文开头所述类型的设备中主要通过以下方式解决，即所述制孔刀具具有外表面和芯部，所述外表面至少局部地配设有非导电覆层，所述芯部至少局部地导电。换而言之，本发明基于具有非导电表面的经涂覆的刀具。如果所述刀具在第一加工步骤中首先完全地配设非导电覆层，则制孔刀具的芯部可以接着在刀具刀刃（芯部）上再研磨，以便去除该覆层。接着为刀具刀刃的梢端配设导电覆层，以便密封硬质金属与非导电覆层之间的过渡部分。这提供了防止早期磨损的更好保护。

本发明基于这种思想，即非导电覆层将制孔刀具相对于已经被钻削的导体层绝缘。换而言之，可以与是否有或者有多少导体层已经被刀具钻削无关地在制孔刀具与制孔刀具梢端所触及的导体层之间进行测量。由此不再需要为每个单独的导体层配设确定的电势，而是所有导体层可以具有相同电势或者不同电势。为了能够检测制孔刀具梢端相对于印制电路板各层的位置，需要在钻头进给方向上在印制电路板各层之间具有绝缘层。有利地，这可以是空气层，也就是各层彼此之间具有小的间距。

如果在外表面中和/或在制孔刀具背离制孔主轴的锥形表面中设有用于固定所述非导电覆层和/或导电覆层的凸起和/或凹穴或者类似的凹部，则可以改善覆层之间的连接。以此方式覆层可以固定在制孔刀具上，从而延长使用寿命。

作为对此的备选也可行的是，首先在制孔刀具上涂覆导电覆层，然后至少在外表面的一个区域内覆盖非导电覆层。

作为对制孔刀具的覆层的备选，制孔刀具或者至少其外表面可以完全由非导电材料构成，其中，在制孔刀具内设置延伸到芯部（刀刃/刀尖）处的导电引线。

优选地，所述制孔主轴能够朝向布置在机床工作台上的印制电路板的导体层下降，其中，在制孔刀具与第n个导体层之间产生电势差ΔP。因此，在制孔刀具的梢端与第n个导体层接触时能获取的信号可以用于确定制孔深度和/或用于确定所述第n个导体层在印制电路板内的位置。

优选的是，将制孔刀具置于Pb≠0伏（Volt）的电势上，并且将所述导体层置于Pn为0伏的电势上。换而言之，将印制电路板的所有层接地。然而当各层例如通过电容器效应充电时，所述设备和所述方法也能起作用。

制孔刀具的电势Pb可以通过刀具转动件的直接机械接触（例如借助电极）施加。然而电势Pb也可以有利地通过电感或电容的方式，即无接触地施加到制孔刀具上。

印制电路板上大多具有表面层（进入部（Entry））用于加工。为了也检测其位置，可以同样将其接地或者为其配设确定的、与制孔刀具的电势Pb不同的电势。导电的表面层的电势Po可以通过直接接触实现，然而在本发明一种有利的设计方案中也可以通过以下方式产生，即，将由导电材料如金属制成的夹紧装置置于电势Po，所述夹紧装置配属于制孔主轴，可下降至表面层并且与其接触。

在已知的装置中，制孔刀具和各导电层之间的接触原则上通过接触式制孔模块检测。按照本发明，可以在接触式制孔模块与制孔设备之间连接具有微处理器的附加电路板，所述微处理器对信号进行处理。换言之，所述制孔刀具和导体层与控制和调节单元相连接，所述控制和调节单元具有至少一个用于评估电势差ΔP的微处理器。然而原则上不需要设置这种微处理器。反而是：也存在通过驱动调节器内的适当软件或者CNC控制装置进行评估的可能性。

如果制孔主轴具有用于下降至印制电路板的驱动器，所述驱动器与所述控制和调节单元相连，则可以根据由微处理器获得的电势差ΔP操作所述驱动器。这相当于一种在线功能，其中机床作为深度制孔机床/深孔制孔工作并且可以确定地在第n层处或者在第n层后停止。为此，微处理器例如与制孔刀具的伺服驱动器共同作用。

但数据检测也可以通过微处理器、CNC和外部数据处理（如分析/数据库）在另一层面上进行，以便在一个测量操作中确定所有层的形态。在此，每层被显示为单独的面。这可以单纯地在微处理器或控制和调节单元内部进行。作为对此的备选，控制和调节单元可以配属有指示装置，通过该指示装置可以根据由微处理器检测的电势差ΔP指示导体层的位置。

在按照本发明的设备中，可以附加地设置高度测量装置，借助所述高度测量装置能够测量制孔刀具相对于印制电路板的表面的相应高度位置。所述高度测量装置优选与控制和调节单元这样耦连，使得与电势差ΔP的评估信号共同实现上述测量功能和/或在线功能。

按照本发明的测量原理不局限于制孔，也同样可用于铣削或者类似的材料加工。因此，当之前和之后提到“制孔”时，不应局限于该术语。

如果在制孔刀具的梢端与第n个导体层——盲孔将至多到达该导体层——接触时才开始制动过程，则在制孔刀具的进给速度较高时，足够快地制动进给会有一定困难，因此按照本发明的一种扩展设计建议，首先进行试制孔，以便预先确定第n个导体层的大致深度位置。在接下来的深度制孔中，在到达第n个导体层（预先已知其大致深度位置）表面之前的很小间距内将制孔刀具的进给速度降低为较小的值，因此在制孔刀具的梢端与第n个导体层接触时，“制动路程”足够小。

由于第n个导体层在印制电路板内的深度位置因制造公差而变化，从而可能影响深度制孔精度，所以在本发明的另一种设计方案中规定，在每次深度制孔中，当在即将到达第n个导体层之前将进给速度切换为较小的值时，考虑在前次深度制孔时确定的第n个导体层的深度位置。在此利用了这种经验，即导体层在印制电路板中的深度位置不是跳跃性地改变，而只是逐渐地改变。以此方式分别在下一次深度制孔中考虑相邻的盲孔终止在什么深度位置。

除了已经阐述的优点（避免了大量影响深度制孔精度的因素），通过按照本发明的解决方案实现了自动的z轴调节和与之相关的速度优点，此外还可以监测钻头断裂。

本发明所要解决的技术问题还通过一种用于借助可更换的制孔刀具加工多个叠置的导电的导体层的方法来解决，所述制孔刀具局部导电而局部不导电，其中，在制孔刀具与第n个导体层之间产生电势差ΔP，并且，在制孔刀具的梢端与第n个导体层接触时所能获取的信号用于确定制孔深度和/或用于确定所述第n个导体层的位置。优选将前述类型的设备用于所述方法。

制孔刀具梢端相对于印制电路板的相应位置的确定可以通过以下方式进行，即，测量制孔刀具的进给或者简单地测量时间，并且同时测量制孔刀具的信号变化，所述变化分别在制孔刀具梢端到达印制电路板的导电的、例如接地的层/位置以及离开该层时通过以下方式产生，即，通过导电的制孔刀具建立与各层电势的接触或者再次中断该接触。如果将电压关于时间的变化曲线绘成图表（参见图4），则可以看出，在制孔刀具梢端每次到达印制电路板的导电的、例如接地的层时，电压曲线均跳跃式地变化，并且当制孔刀具梢端再次离开印制电路板的导电的、例如接地的层时，电压曲线出现相反的跳跃式变化。但是该变化并没有像到达一层时的跳跃性那么强，因为在离开时由于排出碎屑可能出现一定的延迟。

按照本发明的方法通过加工（如制孔）实现了对其它不同领域的开拓，如分析层结构以检验层压或者背板制孔时的新工艺。

按照本发明的用于多层测量或加工的方法的流程规定有以下步骤：制孔或啄孔（即在厚度较大时多次制孔），检测测量数据，通过每个XY位置/坐标识别单独的平面（无论是以测量模式还是以在线模式），检验单独数据组的可信度，比较一生产批次的数据组、生成和制备表面以及计算/评估制孔程序。

附图说明

本发明的其它目的、特征、优点和应用可能性由以下根据附图对实施例的说明中得出。在此，所有描述的和/或图形显示的特征本身或者以任意组合均构成本发明的技术方案，同时与其在权利要求书中的总结或者其引用关系无关。在附图中示意性地：

图1以垂直剖视图示出具有本发明的制孔设备；

图2以垂直剖视图示出按照一种优选实施形式的制孔刀具；

图3以垂直剖视图示出具有印制电路板的制孔刀具的一部分；并且

图4示例性地示出在按照图3的多层印制电路板中制孔时的电压变化曲线。

具体实施方式

印制电路板LP（必要时绝缘地）布置在机床工作台4上，所述机床工作台配设有尽可能平坦且尽可能水平的表面。印制电路板LP例如具有两个导体层，即导电的表面层So和第n个导体层Sn。通常，在导体层So、Sn之间和第n个导体层Sn下方具有空气层，备选地，在图1中示出绝缘层。在印制电路板LP上方高度可调地且可转动地布置有制孔主轴2，制孔刀具1借助刀具转动件5保持在制孔主轴2中。所述制孔主轴2和/或刀具转动件5是电绝缘的。

在本发明的具体实施例中，制孔主轴2配属有金属的、即导电的夹紧装置3，所述夹紧装置在深度制孔开始之前下降到印制电路板LP的导电表面层So上。借助高度测量装置6测量制孔主轴2或刀具转动件5以及由此制孔刀具1的高度位置。

按照本发明，通过以下方式在制孔刀具1与导电表面层So和第n个导体层Sn之间产生电势差ΔP，即，例如将制孔主轴2置于p伏（p≠0）的电势Pb上，将表面层So或者与其接触的夹紧装置3置于电势Po并且将第n个导体层Sn置于电势Pn上，其中，Po和Pn可以是相等的，例如0伏，即所有层接地。如果在深度制孔开始时，制孔刀具1的梢端接触了表面层So，则可以在制孔刀具1与表面层So之间获取信号，该信号可以提供给高度测量装置6以便借助未详细示出的控制和调节单元的信号评估装置7确定制孔深度为零水平/零级。从此时起，在深度制孔期间制孔刀具1进给时，借助高度测量装置6持续地测量制孔主轴2或者刀具转动件5的高度位置，例如直至到达制孔刀具1的进给关停的目标深度/期望深度。

当盲孔应到达的第n个导体层Sn处于Pn≠Pb的电势时，在制孔刀具1的梢端接触第n个导体层Sn时，在这两个部件之间获取信号并且输送至高度测量装置6以确定制孔深度的最终水平，由此停止制孔刀具1的进给。以此方式能够以较高的精度达到期望的盲孔深度。

附图示意性地示出刀具转动件5的用于加载电势Pb的机械接触。然而，所述电势Pb也可以通过电感或电容方式施加到制孔刀具1上。

在图2中以放大视图示出制孔刀具1。可以看到制孔刀具1的芯部8，其由导电材料（通常为硬质金属）构成，还可以看到非导电覆层9，其涂覆在外表面和图2下部呈锥形缩窄的制孔刀具1梢端（刀刃）的一部分上，由此使导电的芯部8对外绝缘。在图2中，在制孔刀具1的梢端（刀刃）的最下部区域中，导电覆层10代替了非导电覆层9。作为对此的备选，也可以不设置导电覆层10而只在该区域中去除非导电覆层9。另一可能性是，首先在钻头上涂覆导电层，然后涂覆非导电层，接着再去掉刀具刀刃（芯部）前部的非导电层而不完全去掉导电层。

靠近图2下部梢端地在芯部8内设有环绕的凹穴11，非导电覆层9固定在所述凹穴中。取代环绕的凹穴11或者作为对其的补充，也可以设置单独的凹部。作为对此的备选，刀刃上也可以具有至少一个凸起。

图3示出制孔刀具1在多层印制电路板内形成的制孔。出于直观的原因，图3中省去了制孔刀具1的非导电覆层9。

在图4中示出了在制孔刀具1和例如印制电路板LP的共同接地的层So或Sn上获取的电压关于时间的变化曲线。陡峭的侧边示出导电的制孔刀具梢端接触导电的或者接地的印制电路板层的位置，以及导电梢端离开该层并且再次进入印制电路板LP的两层之间的（例如填充有空气的）绝缘的间隙中的位置。对于层So可以看出，一旦制孔刀具1到达层So则电压首先降低，只要制孔刀具1与导电层So处于接触则电压在很大程度上保持恒定，并且最后当制孔刀具1离开层So且仅有制孔刀具1的经由非导电覆层9绝缘的区域仍与层So接触时，电压又升高。

如图4所示，可以与制孔刀具1的进给速度无关地只通过电压曲线的变化识别每个单独的层，这通过评估电压变化次数实现。对于在制孔期间变化的进给速度，电压曲线的特征性变化可能更密集地出现或者彼此距离更远。

附图标记列表

1 制孔刀具

2 制孔主轴

3 夹紧装置

4 机床工作台

5 刀具转动件

6 高度测量装置

7 信号评估装置

8 芯部

9 非导电覆层

10 导电覆层

11 凹穴

LP 印制电路板

So 表面层

Sn 第n个导体层

Pb （钻头的）电势

Po （表面层或者夹紧装置的）电势Pn （第n个导体层的）电势

Claims (10)

1.一种用于对具有多个导电的导体层（Sn）的印制电路板（LP）进行制孔的设备，具有承载能更换的制孔刀具（1）的制孔主轴（2），其特征在于，所述制孔刀具（1）具有外表面和芯部（8），所述外表面至少局部地配设有非导电覆层（9），所述芯部（8）至少局部地导电。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述制孔刀具（1）的芯部（8）配设有导电覆层（10）。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在外表面和/或制孔刀具（1）的背离制孔主轴（2）的锥形表面内设有用于固定所述非导电覆层（9）和/或导电覆层（10）的凸起和/或凹穴（11）或者类似的凹部。

4.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述制孔主轴（2）能够朝向布置在机床工作台（4）上的印制电路板（LP）的导体层（Sn）下降，其中，在制孔刀具（1）与第n个导体层（Sn）之间产生电势差（ΔP），并且，在制孔刀具（1）的梢端与第n个导体层（Sn）接触时能获取的信号用于确定制孔深度和/或用于确定所述第n个导体层（Sn）在印制电路板（LP）内的位置。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，将制孔刀具（1）置于p伏（p≠0）的电势（Pb）上，并且将所述导体层（Sn）置于0伏的电势上。

6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述制孔刀具（1）和导体层（Sn）与控制和调节单元相连，所述控制和调节单元具有至少一个用于评估电势差（ΔP）的微处理器。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述制孔主轴（2）具有用于降低至印制电路板（LP）的驱动器，所述驱动器与所述控制和调节单元这样连接，使得能够根据由微处理器获得的电势差（ΔP）操作所述驱动器。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述控制和调节单元配有指示装置，通过所述指示装置能够根据由微处理器获得的电势差（ΔP）指示导体层（Sn）的位置。

9.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，附加地设有高度测量装置（6），借助所述高度测量装置（6）能够测量制孔刀具（1）相对于印制电路板（LP）的表面的相应高度位置。

10.一种用于借助能更换的制孔刀具（1）加工多个叠置的导电的导体层（Sn）的方法，所述制孔刀具局部导电且局部不导电，其中，在制孔刀具（1）与第n个导体层（Sn）之间产生电势差（ΔP），并且，在制孔刀具（1）的梢端与第n个导体层（Sn）接触时能获取的信号用于确定制孔深度和/或用于确定所述第n个导体层（Sn）在印制电路板（LP）内的位置。