DE102005008878B4

DE102005008878B4 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fräswerkzeuges und ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmter Bearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102005008878B4
Application number: DE102005008878A
Authority: DE
Inventors: Stephan Wenke; Andreas Dipl-Ing. Klocke; Boris Dipl.-Ing. Heuer
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: DE102005008878A1; CN1824460B; TW200637685A; CN1824460A; JP4939816B2; US20060185144A1; US7559152B2; TWI365118B; JP2006231508A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fräswerkzeugs zur Mikrostrukturierung eines Substrates relativ zu einem das Fräswerkzeug mittels einer Aufnahme festlegenden Bearbeitungskopf, bei dem das Fräswerkzeug gegen eine Referenzfläche angelegt wird und in der gegen die Referenzfläche anliegenden Position des Fräswerkzeugs eine axiale Verschiebbarkeit des Fräswerkzeugs in der hierzu geöffneten Aufnahme relativ zu dem Bearbeitungskopf eingestellt und anschließend der Bearbeitungskopf relativ zu der Referenzfläche verfahren wird, bis ein vorbestimmter Abstand des Bearbeitungskopfes gegenüber der Referenzfläche erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug mit einem konischen Abschnitt umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung der Referenzfläche angelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fräswerkzeuges zur Mikrostrukturierung eines Substrates nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Bearbeitungskopf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Solche Fräswerkzeuge werden in der Praxis zur Herstellung von Prototypen für Leiterplatten eingesetzt. Daten aus einem CAD-Programm können dabei unmittelbar in Steuerdaten für den Bearbeitungskopf des Fräswerkzeuges umgesetzt werden, so dass eine funktionsfähige Leiterplatte bereits nach kurzer Zeit zur Verfügung steht. Eine galvanische Behandlung ist dabei nicht erforderlich, weil die Strukturen unmittelbar durch partiellen Abtrag der Leitfähigen Substratoberfläche mittels des Fräswerkzeuges erzeugt werden. Zur Einstellung der Breite der abzutragenden Bahn kann die Eindringtiefe des hierzu kegelförmigen Fräswerkzeuges durch Variation des Abstandes verändert werden.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind Strukturen von 100 μm Leiterbahnabstand und -breite sowie 150 μm Bohrungsdurchmesser realisierbar. Die Anwendungsgebiete sind breit gefächert. Beispielsweise können verschiedene starre und flexible Materialien sowie Softsubstrate aus der HF- und Mikrowellentechnik zu seriennahen Prototypen verarbeitet werden.
Beliebig oft reproduzierbare Prototypen lassen sich innerhalb kürzester Zeit herstellen und stehen so zum Test oder zur Kleinserienfertigung zur Verfügung. Darüber hinaus ist das Fräsen von Ausbrüchen in Leiterplatten oder das Heraustrennen von Leiterplatten aus dem Basismaterial selbst bei komplexen Konturen ebenso problemlos möglich wird die Herstellung von Lötstoppmasken für Leiterplattenprototypen.
In der Praxis kommen je nach Anwendungszweck verschiedene Fräswerkzeuge mit insbesondere auch unterschiedlicher Gesamtlänge zum Einsatz. Aus diesem Grund ist es erforderlich, vor Beginn der Bearbeitung des Substrates den Abstand der Fräswerkzeugspitze gegenüber dem Fräskopf zu ermitteln, um so insbesondere die Eindringtiefe des Fräswerkzeuges mit reproduzierbarer Genauigkeit einstellen zu können.
Hierzu ist es beispielsweise bekannt, mit dem das Fräswerkzeug fixierenden Fräskopf einen Berührungssensor, beispielsweise Tastschalter anzufahren, durch den bei Berührung ein Signal an eine Steuereinheit ausgelöst wird. Die daraus abgeleitete Position des Fräswerkzeuges wird dann als Referenzwert, insbesondere für die Z-Achse der nachfolgenden Bearbeitung zugrunde gelegt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren sowie ein gattungsgemäßer Bearbeitungskopf sind durch die DE 14 77 578 B2 bekannt. Dabei wird die Werkzeugspitze gegen die Bezugsfläche angelegt, um das Werkzeug in der durch die Bezugsfläche definierten Lage zu fixieren, nachdem ein genau vorgegebener Abstand relativ zu einem auf die Werkzeugspindel bezogenen Fixpunkt durch Anlegen und Verschieben des hierzu lose in dem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeuges eingestellt worden ist.
Es ist weiterhin auch bereits bekannt, das an dem Fräskopf fixierte Fräswerkzeug gegen ein elektrisch leitfähiges Element anzulegen. Ein entsprechendes Signal wird ausgelöst, sobald mittels eines Sensors ein Stromfluss zwischen dem leitfähigen Element und dem Fräswerkzeug detektiert wird.
Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalten gemäß der DE 103 45 993 A1 wird aus der erfassten Ist-Position und der rechnerisch ermittelten korrigierten Werkzeuglage eine Korrektur durch Feinstellen des Werkzeuges in dem Werkzeughalter erreicht. Hierzu dienen beispielsweise piezoelektrisch wirkende Mikroaktoren. Das Werkzeug wird dabei mittels der Aktoren mitsamt der Aufnahme, die das Werkzeug dabei fixiert, bewegt.
Die DE 40 30 176 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Werkzeuges. Hierzu wird das Werkzeug aus einer Ausgangsposition auf eine Referenzfläche bis zu deren Berührung zu bewegt. Bei Berührung werden die entstehenden Schallsignale erfasst und anschließend in elektrische Signale umgewandelt. Diese werden dann zur Ermittlung einer genauen Startposition des Bearbeitungswerkzeuges in Bezug auf das Werkstück oder einer Korrekturgröße für den Werkzeugvorschub unter Berücksichtigung der erfassten Ausgangsposition einer Recheneinheit zugeführt.
Ferner betrifft die DE 197 09 136 A1 allgemein ein Verfahren zur Mikrostrukturierung eines Substrates mit einem Fräswerkzeug.
Als nachteilig erweist es sich in der Praxis, dass die bekannten Verfahren in der Praxis zu einem erheblichen Aufwand führen. Zudem ist es in der Praxis nicht auszuschließen, dass es bei der mechanischen Kontaktierung des Fräswerkzeuges gegen das leitfähige Element zu einer Beschädigung des Fräswerkzeuges kommen kann.
Zudem ist es erforderlich, aus der erfassten Position des Fräswerkzeuges einen Korrekturwert zu ermitteln, der in das Steuerprogramm des Fräskopfes einfließt. Zusätzlich ist dabei insbesondere bei einer konturierten oder gewölbten Oberfläche des zu bearbeitenden Substrates zusätzlich eine Kollisionssimulation durchzuführen, die mit weiterem Aufwand verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Positionsbestimmung des Fräswerkzeugs zur Mikrostrukturierung eines Substrats wesentlich zu vereinfachen sowie einen zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Bearbeitungskopf zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Bearbeitungskopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 5 sowie 7 und 8 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird das Fräswerkzeug mit einem konischen Abschnitt umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung der Referenzfläche angelegt. Hierdurch wird eine konstante Fräsbreite für den derart vorbestimmten Abstand des Bearbeitungskopfs gegenüber der Referenzfläche erreicht, um so insbesondere bei Leiterbahnen eine zuverlässige Isolation durch eine geeignete Fräsbreite sicherzustellen. Hierdurch wird es möglich, einen vorbestimmten Abstand des Bearbeitungskopfs gegenüber der Referenzfläche und damit auch gegenüber dem zu bearbeitenden Substrat bei unterschiedlichen Fräswerkzeugen zu ermöglichen, sodass eine rechnerische Ermittlung eines Korrekturwerts für die Bewegungsbahn des Bearbeitungskopfs entfällt. Erfindungsgemäß bewegt sich also der Bearbeitungskopf unabhängig von der Bauform, insbesondere der Länge des Fräswerkzeuges, entlang einer konstanten Bearbeitungsbahn, wodurch das Verfahren wesentlich vereinfacht wird. Das Fräswerkzeug wird hierzu in einer durch die Referenzfläche bestimmten, ortsfesten Position gehalten, während der Bearbeitungskopf mit seiner hierzu geöffneten Aufnahme gegenüber dem Fräswerkzeug und der Referenzfläche verfahren wird, bis die gewünschte, vorbestimmte Position erreicht ist.
Die Aufnahme könnte das Fräswerkzeug in der derart vorbestimmten Position insbesondere reibschlüssig halten. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Fräswerkzeug in der gewünschten Position mit einem vorbestimmten Abstand des Bearbeitungskopfes gegenüber der Referenzfläche in der Aufnahme kraftschlüssig festgelegt wird. Hierdurch wird die vorbestimmte Position des Fräswerkzeuges während der nachfolgenden Substratbearbeitung zuverlässig eingehalten. Ergänzend ist auch eine formschlüssige Fixierung des Fräswerkzeuges denkbar. Dabei eigenen sich grundsätzlich eine Vielzahl an sich bekannter Spannzangen als Aufnahme für das Fräswerkzeug, wobei gegebenenfalls eine Verlagerung aus der vorbestimmten Position durch das Schließen der Spannzange zu berücksichtigen ist.
Grundsätzlich könnte das Fräswerkzeug an der Referenzfläche vorübergehend derart festlegbar sein, dass durch eine der Fräswerkzeugspitze abgewandte Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes der Abstand zwischen der Fräswerkzeugspitze und dem Bearbeitungskopf vergrößert werden könnte, um so die vorbestimmte Position einstellen zu können. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn der Bearbeitungskopf in Richtung der Referenzfläche verfahren und dadurch das ortsfest gegenüber der Referenzfläche festgelegte Fräswerkzeug in die Aufnahme eingeschoben wird. Hierdurch genügt als Referenzfläche ein Anschlag, weil eine zusätzliche Führung für das Fräswerkzeug nicht erforderlich ist. Vielmehr ist das in dem Fräswerkzeug schiebebeweglich gehaltene Fräswerkzeug lediglich mit einem Freiheitsgrad beweglich. Das Verfahren wird dadurch wesentlich vereinfacht.
Zur Einstellung des gewünschten Abstands des Bearbeitungskopfs gegenüber der Referenzfläche kann der Bearbeitungskopf abgesenkt werden, bis das Fräswerkzeug um den gewünschten Betrag in der Aufnahme eingeschoben ist. Hierzu ist lediglich die messtechnische Erfassung der jeweiligen Position des Bearbeitungskopfes unter Einbeziehung der Position der Referenzfläche erforderlich. Besonders einfach ist es hingegen, wenn der Bearbeitungskopf einen Frästiefenbegrenzer trägt, welcher zur Einstellung eines vorbestimmten Abstandes gegen die Referenzfläche angelegt wird, so dass der Abstand durch die Abmessungen des Frästiefenbegrenzers bestimmt ist. Die Einstellung ist dadurch beliebig reproduzierbar. Zudem ist dadurch der Abstand unmittelbar aufgrund des bei dem Bearbeitungsverfahren eingesetzten Frästiefenbegrenzers bestimmt, so dass die Erfassung des Abstandes als Messgröße entbehrlich ist.
Hierzu ist es besonders sinnvoll, wenn die Referenzfläche zwei Ebenen zur Festlegung eines vorbestimmten Abstandes des Frästiefenbegrenzers gegenüber der maximalen Erstreckung des Fräswerkzeuges hat. Beispielsweise ist dabei die erste Ebene durch den Grund einer Ausnehmung, beispielsweise einer Tasche, gebildet, während die zweite Ebene durch den demgegenüber vorspringenden Randbereich der Ausnehmung gebildet ist.
Eine ebenfalls besonders zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dann erreicht, wenn die Aufnahme in einer Position oberhalb der Referenzfläche geöffnet wird, sodass das Fräswerkzeug unter dem Einfluss der Schwerkraft in der Aufnahme bis auf die Referenzfläche axial abgleitet. Hierdurch wird in einfacher Weise eine definierte axiale Verlagerung aus der Aufnahme heraus, begrenzt durch die einen Anschlag bildende Referenzfläche erreicht, der sich das definierte Einschieben des Fräswerkzeuges in die Aufnahme anschließt. Die vorbestimmte Position wird dadurch auch bei Fräswerkzeugen mit einer vergleichsweise kurzen axialen Erstreckung zuverlässig erreicht.
Demgegenüber wird bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Abwandlung der Erfindung das Fräswerkzeug mittels eines Federelementes gegen die Referenzfläche relativ zu der Aufnahme bewegt, um so beispielsweise auch eine Positionierung des Fräswerkzeuges in einer Überkopfposition oder in einer Position, in welcher die Referenzfläche abweichend von einer horizontalen Position, beispielsweise vertikal ausgerichtet ist, zu ermöglichen. Hierbei dient das Federelement oder ein beispielsweise mittels Luftdruck betätigbarer Antrieb der axialen Verlagerung in Richtung der Referenzfläche.
Die zweitgenannte Aufgabe, einen zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Bearbeitungskopf mit einer Aufnahme für das Fräswerkzeug zur Mikrostrukturierung eines Substrates zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Fräswerkzeug mit einem konischen Abschnitt umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung einer Referenzfläche anlegbar ist. Hierdurch wird es möglich, das Fräswerkzeug in der gelösten Position, insbesondere vertikal oberhalb der Referenzfläche unter dem Einfluss der Schwerkraft auf die Referenzfläche abgleiten zu lassen, wobei durch die Schiebeführung ein einziger Freiheitsgrad sichergestellt ist. Nach Einstellung der gewünschten Relativposition zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Fräswerkzeug wird dann in der Bearbeitungsposition das Fräswerkzeug in der Aufnahme fixiert.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipskizze in
1 ein in einer Aufnahme eines Bearbeitungskopfs fixiertes Fräswerkzeug;
2 den in 1 gezeigten Bearbeitungskopf mit dem gegen eine Referenzfläche anliegenden Fräswerkzeug;
3 den gegenüber 2 abgesenkten Fräskopf mit einem in die Aufnahme eingeschobenen Fräswerkzeug;
4 den in 3 gezeigten Bearbeitungskopf, wobei das Fräswerkzeug mit seinem Umfang gegen einen Randbereich einer Ausnehmung anliegt;
5 ein gegenüber 4 abweichendes, gegen einen Randbereich der Ausnehmung umfangsseitig anliegendes Fräswerkzeug;
6 ein mit einem Frästiefenbegrenzer ausgestatteten Bearbeitungskopf.
1 zeigt einen Bearbeitungskopf 1 zur Mikrostrukturierung eines in den 2 und 3 gezeigten Substrates 2, welcher ein Fräswerkzeug 3 in einer Aufnahme 4 fixiert. Das Fräswerkzeug 3 hat einen Schaft 5 sowie einen konischen Schneidkopf 6. Die jeweilige Länge des Fräswerkzeugs 3 kann bauartbedingt unterschiedlich bemessen und in unterschiedlichen Bauformen realisierbar sein.
Um eine einfache Bearbeitung des Substrates 2 mit unterschiedlichen Fräswerkzeugen 3 insbesondere ohne eine Korrektur des Fräsprogrammes zu erreichen, wird das Fräswerkzeug 3 wie in 2 gezeigt zunächst gegen eine durch einen Bereich des Substrates 2 gebildete Referenzfläche 7 unter dem Einfluss der Schwerkraft oder eines nicht gezeigten Federelementes angelegt. Dabei wird die Fixierkraft der kraftschlüssigen Aufnahme 4 derart eingestellt, dass eine Schiebebeweglichkeit des Fräswerkzeuges 3 gegenüber der als Spannzange ausgeführten Aufnahme 4 erreicht wird. Der Bearbeitungskopf 1 kann dadurch in Pfeilrichtung 8 auf das Substrat 2 abgesenkt werden, wobei sich das Fräswerkzeug 3 in die Aufnahme 4 einschiebt, bis der in 3 gezeigte vorbestimmte Abstand D des Bearbeitungskopfs 1 gegenüber dem Substrat 2 erreicht ist. Dieser Abstand D wird übereinstimmend für unterschiedliche Fräswerkzeuge 3 bestimmt, so dass die im Bearbeitungsprozess erreichte Frästiefe für unterschiedliche Fräswerkzeuge 3 übereinstimmt.
Demgegenüber zeigen die 4 und 5 eine andere Bauform einer Referenzfläche 9, die beispielsweise ebenfalls durch einen Bereich eines Substrates gebildet sein kann. Dabei liegt das in den 1 bis 3 gezeigte Fräswerkzeug 3 mit seinem konischen Schneidkopf 6 umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung 10 mit der Weite a der Refe renzfläche 9 an. 5 zeigt dabei ein gegenüber 4 abgewandeltes Fräswerkzeug 11, dessen konischer Schneidkopf 12 eine wesentlich geringere Steigung aufweist. Durch die Ausnehmung 10 mit der Weite a wird für beide Fräswerkzeug 3, 11 eine konstante Fräsbreite in dem zu bearbeitenden Substrat für einen derart vorbestimmten Abstand des Bearbeitungskopfes 1 gegenüber der Referenzfläche 9 erreicht.
6 zeigt den mit einem Frästiefenbegrenzer 13 ausgestatteten Bearbeitungskopf 1, welcher eine weiter vereinfachte Einstellung der jeweiligen Position des Bearbeitungskopfes 1 ermöglicht. Zur Einstellung eines vorbestimmten Abstandes d des Frästiefenbegrenzers 13 gegenüber dem Fräswerkzeug 3, wird der Frästiefenbegrenzer 13 gegen die Referenzfläche 14 angelegt. Hierzu hat die Referenzfläche 14 zwei Ebenen 15, 16, wobei die untere Ebene 15 durch eine taschenartige Vertiefung zur Aufnahme des Fräswerkzeugs 3 und die oberen Ebene 16 durch einen die Vertiefung einschließenden Rand zur Anlage des Frästiefenbegrenzers 13 der Festlegung des vorbestimmten Abstandes d dient. Dieser Abstand d ist damit also durch die Abmessungen des Frästiefenbegrenzers 13 geometrisch bestimmt, so dass die messtechnische Erfassung des Abstandes entbehrlich ist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fräswerkzeugs zur Mikrostrukturierung eines Substrates relativ zu einem das Fräswerkzeug mittels einer Aufnahme festlegenden Bearbeitungskopf, bei dem das Fräswerkzeug gegen eine Referenzfläche angelegt wird und in der gegen die Referenzfläche anliegenden Position des Fräswerkzeugs eine axiale Verschiebbarkeit des Fräswerkzeugs in der hierzu geöffneten Aufnahme relativ zu dem Bearbeitungskopf eingestellt und anschließend der Bearbeitungskopf relativ zu der Referenzfläche verfahren wird, bis ein vorbestimmter Abstand des Bearbeitungskopfes gegenüber der Referenzfläche erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug mit einem konischen Abschnitt umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung der Referenzfläche angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug in der gewünschten Position mit einem vorbestimmten Abstand des Bearbeitungskopfes gegenüber der Referenzfläche in der Aufnahme kraftschlüssig festgelegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf in Richtung der Referenzfläche verfahren und dadurch das ortsfest gegenüber der Referenzfläche festgelegte Fräswerkzeug in die Aufnahme eingeschoben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme in einer Position oberhalb der Referenzfläche geöffnet wird, sodass das Fräswerkzeug unter dem Einfluss der Schwerkraft in der Aufnahme bis auf die Referenzfläche axial abgleitet.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug mittels eines Federelementes gegen die Referenzfläche relativ zu der Aufnahme bewegt wird.
Bearbeitungskopf (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Aufnahme (4) für das Fräswerkzeug (3, 11) zur Mikrostrukturierung eines Substrates (2), wobei eine das Fräswerkzeug (3, 11) axial fixierende Bearbeitungsposition und eine axiale Schiebeführung bildende gelöste Position mit einer hierzu geöffneten Aufnahme des Bearbeitungskopfs einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug (3, 11) mit einem konischen Abschnitt umfangsseitig gegen einen Randbereich einer Ausnehmung (10) einer Referenzfläche (9) anlegbar ist.
Bearbeitungskopf (1) nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (1) einen Frästiefenbegrenzer (13) trägt, welcher zur Einstellung eines vorbestimmten Abstandes gegen eine Referenzfläche (14) anlegbar ist.
Bearbeitungskopf (1) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (14) zwei Ebenen (15, 16) aufweist.