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Die Erfindung betrifft eine Durchgangsloch-Füllanlage zum Füllen von in einer Platte, insbesondere einer Leiterplatte, ausgebildeten Durchgangslöchern mit Füllmaterial.
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Bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten werden in diesen z.B. zur Kontaktherstellung zwischen elektrisch-leitenden Lagen Löcher ausgebildet, beispielsweise Durchgangslöcher bzw. Durchkontaktierungen, welche die Platte in Richtung der Plattendicke von einer Plattenseite zur anderen Plattenseite durchlaufen. Die Durchgangslöcher können dann mit einem elektrisch- und/oder thermisch leitfähigen Material ausgefüllt werden oder zur Einsparung eines solchen Materials z.B. nur an ihren Umfangswänden metallisch beschichtet und anschließend mit kostengünstigerem Material, wie z.B. einem Epoxidharz, wieder verschlossen werden. Das Schließen der Durchgangslöcher kann z.B. vorgenommen werden, um die Gesamtoberfläche der Leiterplatte zu minimieren.
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Durch die Erfindung wird eine Durchgangsloch-Füllanlage geschaffen, mit welcher in einer Platte, insbesondere einer Leiterplatte, ausgebildete Durchgangslöcher individuell sowie zuverlässig mit Füllmaterial verfüllt werden können.
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Die Erfindung stellt eine Durchgangsloch-Füllanlage gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Durchgangsloch-Füllanlage sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Durchgangsloch-Füllanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Abstützvorrichtung, eine Füllmaterialzuführvorrichtung, eine Führungs- und Bewegungseinrichtung, eine Bewegungs-Steuervorrichtung, eine Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung, und eine Druckdifferenz-Steuervorrichtung auf.
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Die Abstützvorrichtung kann eine Einspannvorrichtung oder eine Haltevorrichtung sein, in welcher eine Platte aufgenommen ist. Die Abstützvorrichtung ist z.B. eingerichtet und/oder anpassbar, um Platten unterschiedlicher Abmessungen aufzunehmen, z.B. Platten mit unterschiedlichen Dicken und Randlängen. Wenn die Platte in der Abstützvorrichtung abgestützt ist, ist die Platte im Wesentlichen horizontal angeordnet und fixiert, sodass eine der Plattenflächen nach unten orientiert ist (weiter als untere Plattenfläche bzw. untere Plattenseite bezeichnet) und die dieser Plattenfläche gegenüberliegende Plattenfläche nach oben orientiert ist (weiter als obere Plattenfläche bzw. obere Plattenseite bezeichnet). Die Durchgangslöcher verlaufen quer durch die Platte, z.B. zumindest im Wesentlichen vertikal zwischen der oberen und der unteren Plattenseite, das heißt z.B. in Schwerkraftrichtung. Die Einspannvorrichtung ist z.B. derart ausgebildet, dass von ihr die Platte zumindest an zwei, z.B. einander gegenüberliegenden, Plattenrändern greifbar ist und im Wesentlichen parallel zur Plattenfläche zumindest entlang einer Richtung ziehend spannbar ist. Hierzu kann die Einspannvorrichtung z.B. mit pneumatischen Spannbacken oder mit Vakuum-Haltevorrichtungen ausgestattet sein, mit welchen die Platte an wenigstens zwei Rändern greifbar ist. Damit kann z.B. einer Platten-Durchbiegung, welche z.B. bei großen und dünnen Platten auftreten kann, und die z.B. mit Positionsveränderung der Plattenflächen einhergehen kann, entgegengewirkt werden.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage weist eine Füllmaterialzuführvorrichtung mit einem Füllkopf auf, mittels dem das Füllmaterial zu mindestens einer von der oberen und der unteren Plattenseite zuführbar ist, um jeweils ein einzelnes Durchgangsloch der Platte (individuell und/oder selektiv) zu verfüllen. Der Füllkopf hat z.B. an einer Seite davon eine ebene Plattenkontaktfläche zum Kontaktieren einer Plattenfläche der oberen oder der unteren Plattenseite und eine Ausgabeöffnung zum Ausgeben des Füllmaterials in das Durchgangsloch. Die Ausgabeöffnung mündet z.B. im Wesentlichen senkrecht in der Plattenkontaktfläche aus, z.B. mittig in der Plattenkontaktfläche, wobei die Ausgabeöffnung umfänglich von der Plattenkontaktfläche umschlossen ist, z.B. ringförmig umschlossen ist. Die Ausgabeöffnung ist z.B. kreisrund ausgebildet und hat z.B. einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 0,1–0,3 mm, optional in einem Bereich von etwa 0,15–0,25 mm, optional von etwa 0,2 mm. Die Plattenkontaktfläche, welche die Ausgabeöffnung umschließt, hat einen Außenrand, welcher in radialer Richtung von einem Umfangsrand der Ausgabeöffnung im Abstand angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem Umfangsrand der Ausgabeöffnung und dem Außenrand der Plattenkontaktfläche, welcher Abstand z.B. zumindest im Wesentlichen konstant ist, liegt z.B. in einem Bereich von 1/10-Durchmesser bis 1/1-Durchmesser der Ausgabeöffnung, optional in einem Bereich von 1/4-Durchmesser bis 1/2-Durchmesser der Ausgabeöffnung. Darüber hinaus ist die Plattenkontaktfläche z.B. glatt ausgebildet. Die Ausgabeöffnung kann z.B. nur mittels der Plattenkontaktfläche des Füllkopfs gegen eine Plattenfläche der Platte abgedichtet sein. Das heißt, die Ausgabeöffnung ist z.B. Zusatz-Dichtung-Frei bzw. frei von zusätzlichen Dichtungen (z.B. Dichtring-Frei) vorgesehen. Hierzu kann die Bewegungs-Steuervorrichtung z.B. derart eingerichtet/ausgebildet sein, dass anhand von der Führungs- und Bewegungseinrichtung der Füllkopf mit der/seiner Plattenkontaktfläche mit einer vorbestimmten Kraft gegen die Plattenfläche gedrückt wird, und zwar z.B. nur und/oder genau dann, wenn der Füllkopf (z.B. mit seiner Ausgabeöffnung) an einem zu füllenden Durchgangsloch zum Füllen dieses Durchgangslochs positioniert ist. Auf diese Art wird das Füllmaterial zumindest im Wesentlichen nur in das zu verfüllende Durchgangsloch ausgegeben und die Plattenfläche wird ohne Verwendung eines zusätzlichen Dichtelements nicht durch zwischen der Plattenkontaktfläche und der Plattenfläche hindurchtretendes Füllmaterial verschmutzt. Die Plattenkontaktfläche kann z.B. auch mit einem zusätzlichen Dichtelement, z.B. einem Kunststoffdichtungsring oder einer Kunststoffdichtungslippe, das sich um die Ausgabeöffnung herum erstreckt, ausgestattet sein, um eine Dichtungswirkung zwischen der Plattenkontaktfläche des Füllkopfs und der Plattenfläche der Platte zu erzielen.
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Der Füllkopf weist weiter z.B. einen Zuführkanal zum Zuführen des Füllmaterials von einer Füllmaterialquelle zur Ausgabeöffnung und z.B. ein Füllmaterialmengen-Steuerventil auf. Die Füllmaterialquelle ist z.B. ein Behälter, z.B. in Form einer Kartusche, welcher das Füllmaterial enthält und mit einem Druckluft- oder Hydraulikkolben, der an eine Druckluft- oder Hydraulikquelle angeschlossen ist, in Verbindung steht. Die Füllmaterialquelle steht mit dem Zuführkanal des Füllkopfs in Verbindung und verdrängt das darin enthaltene Füllmaterial in den Zuführkanal. Die Füllmaterialquelle kann z.B. derart ausgeführt sein, dass das Füllmaterial mit zumindest im Wesentlichen konstantem Druck, z.B. mit etwa 2 bar, beaufschlagt ist und damit in den Zuführkanal hinein verdrängt wird. Das Füllmaterialmengen-Steuerventil, z.B. ein elektro-magnetisch oder pneumatisch betätigbares Ventil, ist z.B. im Füllkopf angeordnet und kann z.B. selektiv den Zuführkanal öffnen und schließen. Dazu können z.B. die Öffnungs- und Schließdauer und die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Füllmaterialmengen-Steuerventils von der Füllmaterialzuführvorrichtung gesteuert sein, sodass beim zumindest im Wesentlichen konstanten Druck des Füllmaterials in der Füllmaterialquelle die aus der Ausgabeöffnung ausgegebene Füllmaterialmenge z.B. ausschließlich von z.B. der Steuerzeit, das heißt von der Öffnungsdauer des Füllmaterialmengen-Steuerventils, abhängig ist. Somit kann die zum Verfüllen des Durchgangslochs benötigte Füllmaterialmenge einfach gesteuert werden, sodass das Durchgangsloch die ausschließlich für das vollständige Füllen notwendige Füllmaterialmenge erhält, um das Durchgangsloch zuverlässig zu verfüllen. Damit kann z.B. erreicht werden, dass an der oberen Plattenfläche und an der unteren Plattenfläche eine zumindest im Wesentlichen ebene oder eine ebene Oberfläche entsteht.
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Die Führungs- und Bewegungseinrichtung der Durchgangsloch-Füllanlage ist z.B. eingerichtet, um den Füllkopf zumindest zweidimensional parallel zu einer von der oberen und der unteren Plattenfläche zu bewegen, sodass der Füllkopf entlang der Plattenfläche parallel geführt bewegbar ist, wobei der Füllkopf z.B. stets/dauerhaft mit dieser Plattenfläche in Berührungskontakt ist. Wie oben erläutert ist die Führungs- und Bewegungseinrichtung z.B. eingerichtet, um den Füllkopf während des Kontaktierens der Plattenkontaktfläche mit einer der Plattenflächen mit einer vorbestimmten Druckkraft gegen die Plattenfläche zu drücken, um dessen Ausgabeöffnung gegen die Umgebung abzudichten. Hierzu kann die Führungs- und Bewegungseinrichtung den Füllkopf z.B. in einer dritten Richtung quer zur Plattenfläche bewegen, um den Füllkopf, zum Kontaktieren der Plattenfläche, zu dieser hin zu bewegen, und um den Füllkopf, zum parallelen Bewegen entlang der Plattenfläche, von der Plattenfläche weg zu bewegen, sodass der Füllkopf beim parallelen Bewegen entlang der Plattenfläche keinen Abrieb verursacht und sodass der Füllkopf z.B. Hindernissen, wie bereits an der Platte befestigten Bauteilen, ausweichen kann und/oder zur Reinigung/Wartung des Füllkopfs dieser in eine entsprechende Reinigungs-/Wartungsposition von der Platte weg bewegt werden kann. Die Führungs- und Bewegungseinrichtung weist z.B. Antriebsmittel, wie z.B. Elektromotoren, sowie Führungsmittel, wie z.B. Gleitführungen und/oder Schienenführungen/Stangenführungen, zum Bewegen und Führen des Füllkopfs in den einzelnen Bewegungsrichtungen auf. Die parallele Bewegung des Füllkopfs kann z.B. entlang der Plattenfläche durch einen Führungstisch gestützt erfolgen, beispielsweise einen Mineralguss- oder Granittisch.
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Die Bewegungs-Steuervorrichtung der Durchgangsloch-Füllanlage ist mit der Führungs- und Bewegungseinrichtung verbunden, um die Führungs- und Bewegungseinrichtung zu steuern, sodass der Füllkopf mittels der Führungs- und Bewegungseinrichtung selektiv an die zu füllenden Durchgangslöcher heran bewegbar ist. Die Horizontal-Positionen der zu verfüllenden Durchgangslöcher der Platte sowie z.B. weitere Eigenschaften der Durchgangslöcher, wie deren Durchmesser, das zu verfüllende Material oder deren Füllreihenfolge, können in einem zur verfüllenden Platte zugehörigen vorbestimmten Lochpositionsplan, z.B. in einem Gerber-Format-Lochpositionsplan, angegeben sein. Dieser Lochpositionsplan kann z.B. in der Bewegungs-Steuervorrichtung gespeichert sein und/oder kann z.B. dieser extern zugeführt werden, beispielsweise über eine Datenschnittstelle. Darüber hinaus können weitere Löcher oder Bohrungen der Platte, wie z.B. Sacklöcher und/oder Kalibrierungs-Löcher, welche von der Durchgangsloch-Füllvorrichtung nicht verfüllt werden, im Lochpositionsplan angegeben sein.
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Um die im Lochpositionsplan angegebenen Horizontal-Lochpositionen, z.B. die Lochpositionen der Durchgangslöcher, mit den Horizontal-Lochpositionen der in der Abstützvorrichtung abgestützten Platte relativ zur Führungs- und Bewegungseinrichtung zu vergleichen, sodass die horizontale Bewegung des Füllkopfs parallel zur Plattenfläche auf die (horizontale) Lage der Platte relativ zur Führungs- und Bewegungseinrichtung abgestimmt werden kann, weist die Bewegungs-Steuervorrichtung der Durchgangsloch-Füllanlage z.B. weiter eine Lochposition-Erfassungsvorrichtung auf, z.B. eine Kameravorrichtung oder eine Laserentfernungsmessungsvorrichtung. Mittels der Lochposition-Erfassungsvorrichtung kann z.B. die Horizontal-Position einer Mehrzahl von in die Platte eingebrachten Kalibrierungs-Löchern erfasst werden. Die Kalibrierungs-Löcher können z.B. Durchgangslöcher sein, welche z.B. elektrisch die Leiterplattenlagen verbinden (z.B. Kontaktierungen zur Bildung von vorbestimmten elektrischen Widerständen in den Durchgangslöchern). Die Kalibrierungs-Löcher können z.B. Sacklöcher sein, welche nur in eine Plattenseite eingebracht sind. Zum Beispiel sind wenigstens drei Kalibrierungs-Löcher vorgesehen, welche z.B. auf der Platte einen großen Abstand voneinander haben, das heißt, dass die Kalibrierungs-Löcher z.B. in verschiedenen einander gegenüberliegenden Randbereichen der Platte eingebracht sein können. Es können z.B. auch wenigstens drei Kalibrierungs-Löcher vorgesehen sein, welche in einem räumlich begrenzten Teil der Platte eingebracht sind und voneinander einen bezüglich des Abstands der gegenüberliegenden Plattenrändern geringeren Abstand haben, z.B. in einem Plattenbereich eingebracht sind, welcher z.B. in einer Plattenhälfte oder z.B. in einem Plattenviertel liegt. Das Erfassen der Kalibrierungs-Loch-Positionen kann z.B. von der Bewegungs-Steuervorrichtung automatisch gesteuert ausgeführt sein, oder ein Maschinenbediener kann z.B. manuell die zu erfassenden Kalibrierungs-Löcher auswählen. Dazu kann die Durchgangsloch-Füllanlage mit einer Anzeigevorrichtung, z.B. mit einem Monitor, zum Anzeigen der von der Lochposition-Erfassungsvorrichtung optisch aufgenommenen/erfassten Platte sowie einer Eingabevorrichtung, z.B. mit einer Tastatur oder mit einem berührungssensitiven Monitor, zum Eingeben der vom Maschinenbediener gewählten Kalibrierungs-Loch-Positionen ausgestattet sein.
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Auf Basis eines Vergleichs der von der Lochposition-Erfassungsvorrichtung erfassten Horizontal-Lochpositionen der in der Platte vorhandenen Kalibrierungs-Löcher und deren im Lochpositionsplan angegebenen Horizontal-Positionen relativ zu den zu verfüllenden Durchgangslöchern können von der Bewegungs-Steuervorrichtung die Horizontal-Positionen anderer Löcher der Platte, z.B. der zu verfüllenden Durchgangslöcher, relativ zur Führungs- und Bewegungseinrichtung bestimmt werden (z.B. relativ zu einem Bewegungs-Koordinatensystem der Führungs- und Bewegungseinrichtung). Die Bewegung des Füllkopfs kann auf Basis dieses Vergleichs/ dieser Kalibrierung auf die Lage der Platte relativ zur Führungs- und Bewegungseinrichtung abgestimmt werden. Somit ist es möglich, die Bewegung des Füllkopfs gemäß dem Lochpositionsplan zu steuern, um damit die Durchgangslöcher der Platte mit dem Füllkopf selektiv und/oder individuell genau anfahren und kontaktieren zu können.
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Die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung der Durchgangsloch-Füllanlage ist eingerichtet, um eine Druckdifferenz zwischen der oberen Plattenseite und der unteren Plattenseite zu erzeugen, wobei z.B. eine von der oberen und von der unteren Plattenseite einem Druck ausgesetzt ist, welcher zumindest im Wesentlichen einem Atmosphärendruck (bzw. einem Außen-Umgebungsdruck der Durchgangsloch-Füllanlage) entspricht. Die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung weist z.B. eine z.B. von einem Elektro- oder Pneumatikmotor angetriebene Über- oder Unterdruck erzeugende Pumpe auf, welche mit einem Raum in Fluidverbindung steht, der zu zumindest einer der beiden Plattenseiten angrenzt, um diesen Raum entweder mit Druck zu beaufschlagen oder zu evakuieren. Mittels der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung kann z.B. an der unteren Plattenseite ein Überdruck bezogen auf Atmosphärendruck, welcher an der oberen Plattenseite vorliegt, erzeugt werden oder kann z.B. an der oberen Plattenseite ein Unterdruck bezogen auf Atmosphärendruck, welcher an der unteren Plattenseite vorliegt, erzeugt werden. Beispielsweise kann ein mittels der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung an einer Unterdruckseite der Platte weggeförderter Gas-Volumenstrom, z.B. davon abgesaugte Luft, zu einer Überdruckseite der Platte geführt werden, um die Druckdifferenz zwischen den beiden Plattenseiten herzustellen.
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Die von der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung erzeugte Druckdifferenz ist derart, dass eine aus der Druckdifferenz resultierende (Flächen) Kraft auf mindestens einer Plattenseite der Platte entgegen der Schwerkraftrichtung wirkt. Das heißt, die aus der Druckdifferenz resultierende Kraft wirkt in Richtung von der unteren Plattenseite zur oberen Plattenseite. Da die Durchgangslöcher beide Plattenseiten miteinander verbinden, wirkt die resultierende Kraft ebenfalls auf das bereits in die Durchgangslöcher eingebrachte Füllmaterial und wirkt somit der Gewichtskraft des Füllmaterials entgegen, wodurch z.B. verhindert wird, dass das Füllmaterial in den Durchgangslöchern nach unten absinkt. Das Absinken des Füllmaterials in den Durchgangslöchern oder ein Heraustreten des Füllmaterials aus den Durchgangslöchern kann somit effektiv verhindert werden, sodass die Oberflächenqualität auf beiden Plattenflächen, sowie z.B. die elektrische- und/oder thermische Leitfähigkeit zwischen verschiedenen Lagen, mittels des Füllmaterials in den Durchgangslöchern der Platte sichergestellt ist.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage weist z.B. zum Erzeugen der Druckdifferenz weiter eine Kammer auf, welche in z.B. einem stationären oder bewegbaren, z.B. vertikal bewegbaren und/oder schwenkbaren Gehäuse, ausgebildet und/oder vom Gehäuse per se definiert ist. Weiter ist das Gehäuse z.B. ausgebildet, um diverse, z.B. sämtliche, Komponenten der Durchgangsloch-Füllanlage, beispielsweise die Füllmaterialquelle, aufzunehmen. Die Kammer ist mit der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung fluidverbunden, um von der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung mit Unter- oder Überdruck beaufschlagbar zu sein. Weiter ist z.B. die Kammer über eine im Gehäuse ausgebildete Öffnung an der Unterseite der Kammer zugänglich, wobei die Abstützvorrichtung und/oder die in der Abstützvorrichtung abgestützte Platte z.B. an der Unterseite der Kammer angeordnet sind/ist, um z.B. die Öffnung des Gehäuses zumindest annähernd gasdicht zu verschließen, z.B. zumindest im Wesentlichen bis auf einen durch die noch nicht verfüllten Durchgangslöcher hindurchtretenden Luftvolumenstrom, z.B. mittels Überlappens der Abstützvorrichtung/Platte mit einem die Gehäuseöffnung definierenden Begrenzungsrand und/oder z.B. mittels sich um die Gehäuseöffnung erstreckenden Dichtungselementen zwischen der Abstützvorrichtung/Platte und dem Gehäuse. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Abstützvorrichtung und/oder die Platte ihrerseits aufgrund der erzeugten Druckdifferenz eine Kraft erfahren, welche wirkt, um die Abdichtung der Gehäuseöffnung zu erzielen, beispielsweise so wirkt, dass die Platte auf die Überlappungsfläche mit dem die Gehäuseöffnung definierenden Begrenzungsrand gedrückt wird und die Gehäuseöffnung gasdicht abdichtet. Das Gehäuse ist z.B. eingerichtet, um öffenbar zu sein, z.B. mittels eines Kammerdeckels oder schwenkend mittels Scharnieren, sodass die Abstützvorrichtung zur Bestückung mit Platten zugänglich ist. Weiter kann das Gehäuse z.B. mit einer transparenten Scheibe und/oder einem Fenster ausgestattet sein, sodass ein Maschinenbediener die zu füllenden Durchgangslöcher in der Kammer optisch erfassen kann.
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Die Druckdifferenz-Steuervorrichtung der Durchgangsloch-Füllanlage weist z.B. eine Druckdifferenz-Ermittlungseinrichtung, z.B. einen Drucksensor, auf, mit welcher es möglich ist, die aktuell zwischen der unteren und der oberen Plattenseite anliegende Druckdifferenz zu ermitteln bzw. zu erfassen. Weiter ist die Druckdifferenz-Steuervorrichtung mit der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung verbunden und kann die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung derart steuern, dass die während des Verfüllens der Durchgangslöcher einer Platte erzeugte Druckdifferenz zwischen der unteren und der oberen Plattenseite zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird. Somit kann z.B. ein sich über die Dauer des Füllvorgangs der Platte ändernder Durchströmungsquerschnitt durch die Platte hindurch, der zu einem sich ändernden Luftvolumenstrom zwischen der Plattenober- und unterseite führen kann, welcher durch die noch nicht gefüllten Durchgangslöcher der Platte hindurchtritt, berücksichtigt werden, um die Druckdifferenz zwischen der unteren und der oberen Plattenseite zumindest im Wesentlichen konstant oder konstant zu halten. Dies ermöglicht es, die infolge der Druckdifferenz auf das Füllmaterial wirkende Kraft ebenfalls zumindest im Wesentlichen konstant zu halten bzw. einzustellen, sodass das Füllmaterial zuverlässig in den Durchgangslöchern gehalten wird.
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Die Platte kann zum Beispiel eine Leiterplatte, z.B. eine mehrlagige Leiterplatte, sein. In der Regel weist eine Leiterplatte eine Vielzahl, z.B. hundert bis mehrere tausend, von Durchgangslöchern mit unterschiedlichen Durchmessern auf, welche z.B. mit unterschiedlichem Füllmaterial verfüllt werden, beispielsweise durchmessergrößere Durchgangslöcher mit elektrisch- und/oder wärmeleitfähigen Füllmaterial und/oder (relativ dazu) durchmesserkleinere Durchganslöcher mit elektrisch nicht-leitfähigem Füllmaterial. Die Platte kann aber auch eine andere beliebige Platte sein, wie z.B. eine Möbelplatte, in der zu füllende Durchgangslöcher (z.B. Bohrungen) vorgesehen sind. Das Füllmaterial kann z.B. eine zähflüssige Paste sein, die nach dem Einfüllen in das Loch aushärtet, z.B. durch Bestrahlen (z.B. mit UV-Strahlen) und/oder durch Wärme. Im Fall von Leiterplatten kann das Füllmaterial z.B. eine elektrisch- und/oder wärmeleitfähige Füllmasse sein, wie z.B. eine Silberpaste, welche z.B. durch eine nachfolgende Wärmebehandlung aushärtbar ist. Das Füllmaterial kann z.B. auch ein auf Epoxidharzbasis basierende Füllpaste sein, welche elektrisch nicht leitfähig ist.
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Auf einer Plattenoberfläche, deren Löcher wieder eben verfüllt sind, können z.B. Anlötsockel-Pads für an die Leiterplatte anzuschließende Bauteile, wie z.B. Transistoren, ICs etc., vorgesehen werden. Darüber hinaus kann das Schließen der Durchgangslöcher vorgenommen werden, um Wärmeleitung von einer Seite der Leiterplatte, z.B. auf welcher sich stark erwärmende Bauteile befinden, wie z.B. Prozessoren oder Linearspannungsregler, zur anderen Seite der Leiterplatte oder zu Zwischenlagen der Leiterplatte zu verbessern. Weiter kann mittels Schließens der Durchgangslöcher ein vorbestimmter elektrischer Widerstandswert zwischen zwei Leiterplattenlagen erzeugt werden. Dazu wird Füllmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstandswert in die Durchgangslöcher eingebracht, um die zwei Leiterplattenlagen mit einem vorbestimmten elektrischen Widerstandswert miteinander zu verbinden.
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Bei der Durchgangsloch-Füllanlage kann die Kammer z.B. auch so eingerichtet sein, dass sich die Öffnung des Gehäuses an der Kammeroberseite befindet und die Kammer unterhalb der unteren Plattenseite der Platte angeordnet ist und mit Überdruck bezogen auf die obere Plattenseite beaufschlagbar ist. Das heißt, die Kammer wird z.B. vom Gehäuse unterhalb der Platte gebildet. Es können z.B. die Abstützvorrichtung, die Füllmaterialzuführvorrichtung, die Führungs- und Bewegungseinrichtung, die Bewegungs-Steuervorrichtung, die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung sowie die Druckdifferenz-Steuervorrichtung unterhalb der Platte im Gehäuse, das heißt in der Kammer, angeordnet sein und es kann z.B. die Lochposition-Erfassungsvorrichtung oberhalb der Platte, das heißt außerhalb der Kammer, angeordnet sein. Diese Gestaltung kann es z.B. der Lochposition-Erfassungsvorrichtung ermöglichen, die obere Plattenseite in einfacher Weise frei zu erfassen (ohne Hindernisse, welche die Löcher verdecken), und kann z.B. einen freien, das heißt unbeschränkten Zugang zur Abstützvorrichtung und zur Platte ermöglichen, sodass eine einfache und schnelle Bestückung der Durchgangsloch-Füllanlage mit Platten von oben möglich ist. Außerdem können die Qualität und die Zuverlässigkeit der Durchgangslochfüllung gleichzeitig von einem Maschinenbediener und/oder der Lochposition-Erfassungsvorrichtung überprüft werden.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage kann z.B. eingerichtet sein, sodass die Füllmaterialzuführvorrichtung mit mehreren Füllmaterialquellen ausgestattet ist und der Füllkopf mehrere, voneinander unabhängige Ausgabeöffnungen für das Füllmaterial aufweist. Jede Ausgabeöffnung kann z.B. mit einem jeweiligen Zuführkanal verbunden sein, welcher von z.B. einem jeweiligen Füllmaterialmengen-Steuerventil selektiv geöffnet und geschlossen werden kann. Weiter sind die jeweiligen Zuführkanäle z.B. mit jeweiligen Füllmaterialquellen verbunden, die z.B. jeweilig unterschiedliches Füllmaterial aufweisen, sodass mittels einer Ausgabeöffnung jeweils eine Art von Füllmaterial ausgegeben werden kann. Beispielsweise kann ein derartiger Füllkopf mit zwei Ausgabeöffnungen ein elektrisch-leitfähiges Füllmaterial und ein elektrisch-nichtleitfähiges Füllmaterial ausgeben, sodass Durchgangslöcher individuell und/oder abschnittsweise sowie jeweils mit unterschiedlichen Füllmaterialien verfüllt werden können. Zudem können auf diese Art mit einem Füllkopf verschiedene Füllmaterialien verwendet werden, ohne dass der Füllkopf bei einem Füllmaterialwechsel zwischenzeitlich gereinigt werden muss bzw. teures Füllmaterial verloren geht.
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Es können auch wenigstens zwei Füllköpfe mit z.B. jeweils einer Ausgabeöffnung vorgesehen sein, wobei die Füllköpfe wie in dieser Anmeldung beschrieben ausgebildet sind und mit Füllmaterialquellen verbunden sind, und wobei jedem Füllkopf z.B. ein bestimmtes Füllmaterial zugeordnet sein kann, wobei z.B. wenigstens zwei Füllköpfen ein voneinander verschiedenes Füllmaterial zugeordnet ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Durchgangsloch-Füllanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Detailansicht eines Füllkopfs der erfindungsgemäßen Durchgangsloch-Füllanlage von 1, und
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3 eine schematische Schnittansicht einer Durchgangsloch-Füllanlage gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
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In der Zeichnung sind für wesensgleiche Teile der Erfindung gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt eine Durchgangsloch-Füllanlage 1 zum Füllen von in einer Leiterplatte 3 ausgebildeten Durchgangslöchern 5 mit (einem) Füllmaterial 7.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage 1 weist eine Abstützvorrichtung 9 auf, auf/an welcher die Leiterplatte 3 abgestützt ist und im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist sowie von der Abstützvorrichtung 9 fixiert bzw. fixierbar ist. Die Leiterplatte 3 ist durch die Abstützvorrichtung 9 ausgerichtet, sodass die Leiterplatte 3 eine nach oben weisende obere Plattenseite (bzw. Plattenfläche) 3a und eine nach unten weisende untere Plattenseite (bzw. Plattenfläche) 3b hat, wobei die in der Leiterplatte 3 vorhandenen Durchgangslöcher 5, welche quer durch die Leiterplatte 3 verlaufen, damit z.B. zumindest im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, das heißt im Wesentlichen in Schwerkraftrichtung ausgerichtet sind. Die Durchgangslöcher 5 können verschiedene Größen haben und sind z.B. als spanend hergestellte Bohrungen ausgeführt. Weiter sind in der oberen Plattenseite 3a z.B. Kalibrierungs-Löcher 11 eingebracht (z.B. in Form von Sacklöchern), welche von der Durchgangsloch-Füllanlage 1 nicht verfüllt werden. Darüber hinaus ist die Leiterplatte 3 an zwei sich gegenüberliegenden Rändern der Leiterplatte 3 mittels Spannmitteln 13 der Abstützvorrichtung 9 mechanisch eingespannt und wird in eine x-Richtung parallel zur Plattenfläche auseinandergezogen bzw. ist in dieser Richtung auseinanderziehbar, um einer Durchbiegung der Leiterplatte 3 entgegenzuwirken.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage 1 weist ferner eine Füllmaterialzuführvorrichtung 15 mit einem Füllkopf 17 zum Zuführen des Füllmaterials 7 zu den Durchgangslöchern 5 auf. Der Füllkopf 17 ist an der unteren Plattenseite 3b angeordnet und kann von einer Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 in einer x-y-Ebene, welche hier durch einen Führungstisch 21 definiert ist, parallel zur unteren Plattenseite 3b mittels Antriebs- und Führungselementen (z.B. ist in der 1 ein Antriebs- und Führungselement 23 für die Bewegung in der x-Richtung gezeigt, jedoch ist kein Antriebs- und Führungselement für die Bewegung in der y-Richtung gezeigt) der Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 geführt bewegt werden. Hier ist das Antriebs- und Führungselement 23 eine z.B. von einem Elektromotor angetriebene Gewindespindel mit Führungsschienen zur Linearführung- und Bewegung des Füllkopfs 17 in der x-Richtung. Darüber hinaus ist der Füllkopf 17 mittels eines Antriebs- und Führungselements 25, welches analog zum Antriebs- und Führungselement 23 ausgebildet ist, durch die Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 geführt bewegbar in eine z-Richtung, welche eine Richtung quer zur Plattenunterseite 3b ist. Die Bewegung in die z-Richtung ermöglicht, dass der Füllkopf 17 mit der unteren Plattenseite 3b in Kontakt bringbar ist und dass, z.B. während des Ausgebens des Füllmaterials 7 in ein Durchgangsloch 5, der Füllkopf 17 beim Verfüllen eines Durchgangslochs 5 gegen die untere Plattenseite 3b mit einer vorbestimmten Kraft gedrückt werden kann. Der Füllkopf 17 kann also in drei Richtungen (x, y und z) bewegt werden, um die zu füllenden Durchgangslöcher 5 einzeln, das heißt selektiv, zum Verfüllen anzufahren und (deren Umfangsbegrenzung) kontaktieren zu können. Die Steuerung der Bewegung der Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 und des Füllkopfs 17 erfolgt durch eine weiter unten beschriebene Bewegungs-Steuervorrichtung 27.
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Die Füllmaterialzuführvorrichtung 15 weist weiter eine Füllmaterialquelle 29 auf, welche gemäß dieser Ausführungsform als Kartusche 31 ausgebildet ist, in welcher ein Kolben 33 vorgesehen ist und an die zur axialen Bewegung des Kolbens 33 z.B. eine Druckluftquelle (nicht gezeigt) angeschlossen ist, sodass durch ein axiales Bewegen des Kolbens 33 in der Kartusche 31 das Füllmaterial 7 aus der Kartusche 31 in einen Zuführkanal 35 des Füllkopfs 17 verdrängt werden kann. Hier kann die Füllmaterialzuführvorrichtung 15 z.B. die Druckluftquelle so steuern, dass das Füllmaterial 7 mit zumindest im Wesentlichen konstantem Druck beaufschlagt wird.
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Wie in der 2 im Detail gezeigt weist der Füllkopf 17 eine kreisrunde Ausgabeöffnung 37 mit einem Durchmesser D auf, welche in einer an einer Oberseite des Füllkopfs 17 angeordneten Plattenkontaktfläche 39 mittig ausmündet. In dieser Ausführungsform ist die Ausgabeöffnung 37 ringförmig von der Plattenkontaktfläche 39 umschlossen, sodass ein zur Ausgabeöffnung 37 in Radialrichtung außen gelegener Rand der Plattenkontaktfläche 39 zu einem Umfangsrand der Ausgabeöffnung 37 einen zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand A hat. Hier ist D etwa 0,2 mm und A etwa 0,05 mm. Die Ausgabeöffnung 37 ist an den bzw. die unterschiedlichen Querschnitte der zu verfüllenden Durchgangslöcher 5 angepasst, wobei der Querschnitt (Durchmesser) der Ausgabeöffnung 37 dem Querschnitt des zu verfüllenden Durchgangslochs 5 nicht entsprechen muss bzw. dessen Querschnitt nicht vollständig abdecken muss, sondern auch größer oder kleiner sein kann. Die Plattenkontaktfläche 39 ist in ihrem Durchmesser abhängig von der Ausgabeöffnung 37 ausgeführt, wobei der Durchmesser der Plattenkontaktfläche 39 größer als das größte zu verfüllende Durchgangsloch 5 ist und beim Füllvorgang der außen gelegene Rand der Plattenkontaktfläche 39 das jeweilige Durchgangsloch 5 komplett umschließt (bzw. eine an den Begrenzungsrand des Durchgangslochs 5 angrenzende Fläche komplett überlappt). Das heißt, jedes Durchgangsloch 5, welches verfüllt werden soll, hat einen kleineren Durchmesser als die Plattenkontaktfläche 39. Durch das komplette umfängliche Überlappen der Plattenkontaktfläche 39 mit der Begrenzungsrandfläche des jeweilig zu verfüllenden Durchgangslochs 5 und des oben beschriebenen Andrückens der Plattenkontaktfläche 39 gegen die untere Plattenseite 3b kann eine Abdichtung der Ausgabeöffnung 37 gegenüber der Umgebung ohne zusätzliche Dichtelemente erreicht werden. Weiter ist die Ausgabeöffnung 37 mit einem Ende des Zuführkanals 35 verbunden, welcher an seinem anderen Ende mit der Füllmaterialquelle 29 verbunden ist, um das aus der Füllmaterialquelle 29 verdrängte Füllmaterial 7 zugeführt zu bekommen. Ferner ist im Füllkopf 17 ein elektro-magnetisch betätigbares Ventil 41 angeordnet, welches den Zuführkanal 35 selektiv öffnen und schließen kann, sodass die der Ausgabeöffnung 37 zugeführte Füllmaterialmenge gesteuert werden kann. Das Steuern des Öffnens/Schließens des Ventils 41, also das Steuern der auszugebenden Füllmaterialmenge, erfolgt z.B. durch die Füllmaterialzuführvorrichtung 15.
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Wie in der 1 gezeigt weist die Durchgangsloch-Füllanlage 1 die mit der Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 verbundene Bewegungs-Steuervorrichtung 27 auf. Die Bewegungs-Steuervorrichtung 27 steuert die Bewegung der Führungs- und Bewegungseinrichtung 19, sodass der Füllkopf 17 selektiv an die zu verfüllenden Durchgangslöcher 5 heranbewegt werden kann. Dazu ist die Bewegungs-Steuervorrichtung 27 mit einer Lochposition-Erfassungsvorrichtung 43 verbunden, welche in dieser Ausführungsform als eine Kameravorrichtung zum optischen Erfassen der in der der oberen Plattenseite 3a vorhandenen Löcher ausgebildet ist. Die Kameravorrichtung erfasst die Horizontal-Positionen der in die obere Plattenseite 3a eingebrachten Löcher, also die Lochpositionen in der x-y-Ebene, z.B. die Horizontal-Positionen der Durchgangslöcher 5 sowie der Kalibrierungs-Löcher 11. Die Positionen der Kalibrierungs-Löcher 11 werden erfasst, um diese als Referenz- bzw. Kalibrierungspositionen relativ zu den Durchgangslöcher 5 verwenden zu können. Dazu ist die Bewegungs-Steuervorrichtung 27 weiter ausgestattet und eingerichtet, um einen Lochpositionsplan zu speichern, beispielsweise digital zu speichern, in welchem die Horizontal-Positionen der Löcher, wenigstens jedoch der Kalibrierungs-Löcher 11 und der Durchgangslöcher 5, der Leiterplatte 3 hinterlegt sind, z.B. als Vektoren in einem Leiterplattenkoordinatensystem. Der Lochpositionsplan ist zur jeweilig zu bearbeitenden Leiterplatte 3 zugehörig und kann der Bewegungs-Steuervorrichtung 27 über eine Datenschnittstelle (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt werden. Auf Grundlage eines Vergleichs der erfassten Kalibrierungs-Loch-Positionen der Kalibrierungs-Löcher 11 und deren im Lochpositionsplan hinterlegten Lochpositionen kann das Leiterplattenkoordinatensystem, und somit die Horizontal-Positionen der zu verfüllenden Durchgangslöcher 5, mit einem Bewegungs-Koordinatensystem der Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 abgeglichen werden, und die Bewegungs-Steuervorrichtung 27 kann die Führungs- und Bewegungseinrichtung 19 auf Grundlage dieses Vergleichs steuern, um den Füllkopf 17 basierend auf dem vorgegebenen Lochpositionsplan zu den Horizontal-Positionen der Durchgangslöcher 5 zu bewegen bzw. zu führen.
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Weiter weist die Durchgangsloch-Füllanlage 1 ein Gehäuse 45 mit einer darin bzw. davon ausgebildeten Kammer 46 auf, welches an dessen Unterseite eine Öffnung 47 als Zugang zur Kammer 46 hat. An die Öffnung 47 des Gehäuses 45 grenzt die Abstützvorrichtung 9 zusammen mit der in der Abstützvorrichtung 9 abgestützten Leiterplatte 3 an, um damit die Öffnung 47 zur Kammer 46 zu begrenzen. In der Kammer 46, und somit im Gehäuse 45, ist die Lochposition-Erfassungsvorrichtung 43 aufgenommen. Darüber hinaus ist das Gehäuse 45 nach oben hin öffenbar und hierzu beispielsweise als ein aufklappbarer Deckel ausgebildet. Das Gehäuse 45 (bzw. die Kammer 46), die Öffnung 47 und die Abstützvorrichtung 9 sind eingerichtet, sodass eine in der Abstützvorrichtung 9 abgestützte Leiterplatte 3 an ihrer unteren Plattenseite 3b vom Füllkopf 17 zum Verfüllen der Durchgangslöcher 5 zugänglich ist. Zumindest während des Füllvorgangs der Leiterplatte 3 ist die Öffnung 47 des Gehäuses 45 mittels der Abstützvorrichtung 9 und der darin abgestützten Leiterplatte 3 derart verschlossen, dass die Kammer 46 gegenüber der Umgebung annähernd gasdicht abgedichtet ist. Dazu verläuft z.B. ein Gummidichtring (nicht gezeigt) in einer Kontaktfläche zwischen der Abstützvorrichtung 9 und dem Gehäuse 45 sowie z.B. zwischen der Leiterplatte 3 und der Abstützvorrichtung 9. Zum Bestücken der Abstützvorrichtung 9 mit Leiterplatten 3 kann z.B. der Gehäusedeckel des Gehäuses 45, beispielsweise mittels Schwenkmitteln (nicht gezeigt), von der Abstützvorrichtung 9 weg geschwenkt werden, das heißt, in eine Auf-Position geschwenkt werden, sodass die Abstützvorrichtung 9 von oben aus frei zugänglich ist, und kann zum Verfüllen der Durchgangslöcher 5 Leiterplatte 3 wieder geschlossen werden.
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Das Gehäuse 45 grenzt zusammen mit der Leiterplatte 3 und der Abstützvorrichtung 9 einen Raum, das heißt die Kammer 46, oberhalb der Leiterplatte 3 ab, welcher (d.h. die Kammer 46) mit einer Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 fluidverbunden ist. Die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 ist z.B. mit einer Vakuumpumpe 53 ausgestattet, mittels welcher in der Kammer 46 oberhalb der Leiterplatte 3 ein Unterdruck bezogen auf die untere Plattenseite 3b erzeugt werden kann. Da die Kammer 46 oberhalb der Leiterplatte 3 durch die noch nicht verfüllten Durchgangslöcher 5 mit einem Raum unterhalb der Leiterplatte 3 fluidverbunden ist und sich mit fortschreitender Verfüllung der Durchgangslöcher 5 der Durchtrittsquerschnitt, das heißt die Anzahl der Durchgangslöcher 5, durch welche Luft von der unteren Plattenseite 3b zur oberen Plattenseite 3a strömen kann, verringert, ist die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 zur Steuerung der zwischen den zwei Plattenseiten 3a, 3b anliegenden Druckdifferenz mit einer Druckdifferenz-Steuervorrichtung 55 verbunden. Die Druckdifferenz-Steuervorrichtung 55 erfasst mittels zumindest eines einzelnen damit verbundenen Drucksensors 57, welcher z.B. in der Kammer 46 angeordnet ist, die aktuell zwischen den zwei Plattenseiten 3a, 3b anliegende Druckdifferenz und steuert die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51, sodass die Druckdifferenz während der gesamten Dauer des Verfüllvorgangs der Durchgangslöcher 5 der Leiterplatte 3 zumindest annähernd konstant oder konstant gehalten wird. Mittels einer aus der Druckdifferenz resultierenden und auf das bereits in die Durchgangslöcher 5 verfüllte Füllmaterial 7 wirkenden Kraft, welche der Gewichtskraft des Füllmaterials 7 entgegen gerichtet ist, kann das Füllmaterial 7 in den Durchgangslöchern 5 gehalten werden, und ein Absinken des Füllmaterials 7 nach unten bzw. ein Heraustreten aus den Durchgangslöchern kann verhindert werden.
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Die 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Durchgangsloch-Füllanlage 1 zum Füllen von in einer Leiterplatte 3 ausgebildeten Durchgangslöchern 5 mit (einem) Füllmaterial 7, wobei hier eine Kammer 46 unterhalb der Leiterplatte 3 angeordnet ist und durch ein Gehäuse 45 ausgebildet ist.
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Die Durchgangsloch-Füllanlage 1 weist das Gehäuse 45 auf, welches die Kammer 46 definiert. Das Gehäuse 45 hat an dessen Oberseite eine Öffnung 47, wobei eine Abstützvorrichtung 9 an der Außenseite des Gehäuses 45 zur Öffnung 47 angrenzt. Die Abstützvorrichtung 9 kann zusammen mit der Leiterplatte 3 die Öffnung 47, und somit die Kammer 46 bzw. das Gehäuse 45, zumindest während des Füllvorgangs der Durchgangslöcher 5 der Leiterplatte 3 annähernd gasdicht verschließen. Die wie oben beschriebenen und ausgeführten Komponenten Füllmaterialzuführvorrichtung 15, Führungs- und Bewegungseinrichtung 19, Bewegungs-Steuervorrichtung 27, Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 und Druckdifferenz-Steuervorrichtung 55 sind in dieser Ausführungsform ihrerseits in der Kammer 46 angeordnet und eine wie oben beschriebene und ausgeführte Lochposition-Erfassungsvorrichtung 43, welche mit der Bewegungs-Steuervorrichtung 27 verbunden ist, ist oberhalb der Leiterplatte 3, also außerhalb der Kammer 46, angeordnet. Die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 weist eine Überdruckpumpe 53 auf, z.B. eine Kolbenpumpe, die eine Fluidverbindung zwischen der Außenseite des Gehäuses 45 und der Innenseite des Gehäuses 45 herstellt, das heißt die Außenseite des Gehäuses 45 mit der Kammer 46 fluidverbindet. Eine weitere Fluidverbindung zwischen der Kammer 46 und der Außenseite des Gehäuses 45 ist aufgrund der noch nicht verfüllten Durchgangslöcher 5 der Leiterplatte 3 vorhanden. Mittels der Druckdifferenz-Steuervorrichtung 55, welche zumindest einen Drucksensor 57 in der Kammer 46 hat, um einen Kammerinnendruck bezogen auf einen Kammeraußendruck (bzw. Gehäuse-Umgebungsdruck) zu erfassen, kann die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 derart gesteuert werden, dass die Überdruckpumpe 53 durch Ansaugen von Außenluft, Unter-Druck-Setzen der angesaugten Außenluft und Einleiten der unter Druck gesetzten Außenluft in die Kammer 46 in der Kammer 46 einen Überdruck bezogen auf die Außenseite des Gehäuses 45 erzeugen kann. Folglich wird auch eine Druckdifferenz zwischen den zwei Plattenseiten 3a, 3b erzeugt, wobei an der unteren Plattenseite 3b ein Überdruck bezogen auf die obere Plattenseite 3a vorliegt. Weiter ist die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung 51 eingerichtet, um den Kammerinnendruck zu steuern, das heißt, trotz des aus der Kammer 46 durch die unverfüllten Durchgangslöcher 5 heraustretenden Luftvolumenstroms die Druckdifferenz zwischen den zwei Plattenseiten 3a, 3b konstant oder annähernd konstant zu halten bzw. einzustellen. Aus der zwischen den zwei Plattenseiten 3a, 3b erzeugten und zumindest im Wesentlichen während des gesamten Füllvorgangs der Durchgangslöcher 5 der Leiterplatte 3 annähernd konstanten Druckdifferenz resultiert eine (annähernd konstante) Kraft, welche auf das Füllmaterial 7 wirkt und der Gewichtskraft des Füllmaterials entgegen gerichtet ist, sodass das Füllmaterial 7 in den Durchgangslöchern 5 gehalten wird.
