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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Herstellens einer bestückten Leiterplatte, ein Verfahren des Aufspannens von Elektronikplatten zur Bearbeitung, und eine Trägereinrichtung.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Industrielle Siebdruckmaschinen bringen typischerweise ein leitfähiges Druckmedium, wie etwa Lötpaste oder leitfähige Tinte, auf ein ebenes Werkstück auf, wie etwa eine Platine oder Elektronikplatte, durch Aufbringen des leitfähigen Druckmediums durch ein Muster von Öffnungen in einem Sieb (manchmal als eine Folie oder eine Matrize bezeichnet) hindurch unter Verwendung einer gewinkelten Klinge oder Rakel. Die gedruckte Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board), die so ausgebildet wird, kann anschließend mit elektronischen Komponenten bestückt werden, um eine bestücke Leiterplatte auszubilden, unter Verwendung eines Oberflächenbestückungstechnologie (SMT, Surface-Mount Technology)-Verfahrens, um Komponenten auf Lötpasten-Pads (oder -Tupfern) auf der Platte anzuordnen. Die Baugruppen können dann durch einen Wiederaufschmelzofen hindurch laufengelassen werden, um das Lötverfahren zu vervollständigen, wodurch die elektrische und mechanische Verbindung der Komponenten auf dem Substrat sichergestellt wird.
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Jedoch besteht ein Problem mit derartigen bekannten Methoden dahingehend, dass der Trend zur Miniaturisierung von Komponenten geht. Weil die Größe der Komponenten sich verringert, müssen die Lötpasten-Pads, die zum Befestigen der Komponenten erforderlich sind, sich entsprechend in ihrer Größe verringern. Zusätzlich werden Leiterplatten dünner, und zunehmend werden flexible Platten (sogenannte „flex-PCBs“ oder „Flexprint PCBs“) häufiger verwendet. Alle diese Trends erfordern ein sehr genaues Drucken, was eine Belastung für die Produktivität und Qualität der Herstellung bringt. Die PCB hat zugeordnete Toleranzen und Verformungen, was es schwierig macht, alle die benötigten Komponenten genau auszurichten.
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Als ein spezifisches Beispiel, enthalten FlexPCBs typischerweise sehr kleine Merkmale in einem „Cluster“ (oder einer Anhäufung) und sind des Weiteren paneeliert (oder getäfelt), so dass jedes Paneel (oder Platte) mindestens einen dieser Cluster enthält. Jedes Merkmal hat seine eigenen zugeordneten Toleranzen, und des Weiteren hat jeder Cluster seine eigenen Toleranzen in Bezug auf Cluster in anderen Paneelen. Die Toleranzen können dadurch höher sein als die Genauigkeit, die für ein erfolgreiches Drucken innerhalb eines Clusters erforderlich ist.
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Gegenwärtig werden Vakuum-Trägereinrichtungen verwendet, um Platten während des Druckverfahrens abzustützen, wobei jede Platte auf einer Trägereinrichtung durch Vakuum aufgespannt ist. Mit derartigen Trägereinrichtungen ist es nicht möglich, mehrere Ausrichtungen einer Platte bereitzustellen, und somit ist es nur möglich, mit einer mittleren Position zu drucken, das heißt, die Platte auf dem Träger an einer Position auszurichten, die für alle Cluster gleichzeitig optimiert ist, anstatt dass zwischen optimalen Positionen für individuelle Clusters neu ausgerichtet wird. Die Druckgenauigkeit ist dadurch beeinträchtigt.
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Die vorliegende Erfindung strebt danach, diese Probleme zu überwinden, und als ein Beispiel, ein Aufspannen von derartigen FlexPCBs bereitzustellen. Andere Ziele der vorliegenden Erfindung umfassen das Bereitstellen eines vereinfachten und genaueren Plattenmontageverfahrens.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch Verwenden einer neuen Form einer Trägereinrichtung, die Verwendung von elektrostatischem Aufspannen macht anstelle von Vakuum-Aufspannen.
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Diese Lösung ist vollständig gegensätzlich zu traditionell akzeptierter Weisheit in der Druckindustrie, wo es allgemein als wesentlich angesehen wird, elektrostatische Aufladungen innerhalb der Druckmaschine zu vermeiden. Es ist jedoch bestimmt worden, dass elektrostatisches Befestigen tatsächlich eine praktikable Aufspannoption ist, weil das erzeugte Feld nur in der Oberfläche des Materials oder der Komponenten, die aufgespannt sind, in nennenswerten Stärken vorhanden ist.
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Nicht-leitfähige Materialien können auf diese Weise aufgespannt werden, wenn diese Materialien elektrische Polarisierungseigenschaften aufweisen. Ein äußeres elektrisches Feld, das an einem dielektrischen Material angelegt wird, bewirkt eine Verschiebung von gebundenen geladenen Elementen. Dies sind Elemente, die an Moleküle gebunden sind und nicht frei sind, um sich in dem Material umher zu bewegen. Positiv geladene Elemente werden in der Richtung des Feldes verschoben, und negativ geladene Elemente werden entgegengesetzt zu der Richtung des Feldes verschoben. Die Moleküle können hinsichtlich ihrer Ladung neutral bleiben, jedoch bildet sich ein elektrisches Dipolmoment aus.
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Das elektrostatische Feld kann für mehrere Tage gegenwärtig bleiben ohne das Erfordernis einer Leistungsversorgung, was erlaubt, dass dieselbe Trägereinrichtung für vielfältige verschiedene Prozesse, wie etwa Drucken, Platzierung (oder Bestückung) und Wiederaufschmelzlöten, verwendet werden kann. Des Weiteren beeinflussen die hohen Temperaturen des Wiederaufschmelzlötofens die Aufspannkraft nicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren des Herstellens einer bestückten Leiterplatte bereitgestellt, welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- i) Aufspannen einer Elektronikplatte auf eine Trägereinrichtung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an der elektronischen Platte,
- ii) Aufbringen eines Druckmediums auf die Elektronikplatte unter Verwendung eines Druckverfahrens, wobei die Elektronikplatte während des Druckverfahrens durch das elektrostatische Feld an der Trägereinrichtung aufgespannt verbleibt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren des Aufspannens von Elektronikplatten zur Bearbeitung bereitgestellt, welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- i) Bereitstellen einer Trägereinrichtung, die einen Generator für ein elektrostatisches Feld aufweist, der eingerichtet ist, aufspannende elektrostatische Felder in mindestens zwei räumlich getrennten Bereichen der Trägereinrichtung zu erzeugen,
- ii) Platzieren einer ersten Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung an einer ersten bestimmten Position innerhalb eines ersten Bereichs der Trägereinrichtung,
- iii) Aufspannen der ersten Elektronikplatte auf die Trägereinrichtung durch Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in dem ersten Bereich,
- iv) Platzieren einer zweiten Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung in einer zweiten bestimmten Position innerhalb eines zweiten Bereichs der Trägereinrichtung, und
- v) Aufspannen der zweiten Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung durch Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in dem zweiten Bereich.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Trägereinrichtung bereitgestellt zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem von dem ersten und dem zweiten Aspekt.
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Wie hierin verwendet, wird der Ausdruck „Elektronikplatte“ verwendet, um flexible oder starre, gedruckte oder nicht-gedruckte, Platten, Substrate oder Werkstücke zum Tragen von elektronischen Schaltkreisen, Komponenten oder Einrichtungen zu bezeichnen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrostatische Trägereinrichtung in der Lage, individuelle, vereinzelte Schaltkreise oder Cluster (oder Anhäufungen) (beispielsweise von einer Flex-PCB) gesondert aufzuspannen. Die entsprechende Platte kann auf der Trägereinrichtung präzise angeordnet werden, beispielsweise unter Verwendung eines Bestückungsautomaten, und dann in Position durch Einschalten eines elektrostatischen Feldes aufgespannt werden. Sie kann in genau dieser Position durchgehend während des gesamten Herstellungsverfahrens, d.h. Drucken, Bestücken und Wiederaufschmelzlöten, gehalten werden. Zusätzliche Schaltkreise oder Cluster können gesondert auf der Trägereinrichtung positioniert und individuell aufgespannt werden, so dass jede Leiterplatte oder Clusterplatte an einer optimalen Position aufgespannt werden kann. Am Ende des Herstellungsverfahrens kann das Aufspannen durch Entladen des elektrostatischen Feldes gelöst werden.
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Andere spezifische Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen (nicht maßstabsgetreu) beschrieben werden, wobei:
- 1 schematisch eine Seitenansicht einer elektrostatischen Trägereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
- 2 schematisch eine Querschnittsansicht der elektrostatischen Trägereinrichtung der 1, entlang der Linie A-A, zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer elektrostatischen Trägereinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Trägereinrichtung 1 ist als eine geschichtete Struktur ausgebildet, die eine ebene, oberseitige Oberfläche aufweist, die geeignet ist zum Abstützen von mindestens einer Elektronikplatte dort drauf in Verwendung, wobei zwei gesonderte Platten 6a, 6b in 1 als abgestützt seiend gezeigt sind. Die unterste Schicht der Trägereinrichtung 1 in Verwendung ist eine Trägerbasis 2, die eine strukturelle Steifigkeit für die Trägereinrichtung 1 bereitstellt. Die Trägerbasis 2 könnte vielfältige Materialien aufweisen, wie etwa Glas, Silizium, Metall oder organische Materialien. In der gezeigten Ausführungsform ist eine untere dielektrische Isolationsschicht 3, die beispielsweise durch Dünnschichttechnologie ausgebildet ist, oben auf der Trägerbasis 2 angeordnet. Die untere dielektrische Isolationsschicht 3 wird nur benötigt, wenn die Trägerbasis 2 aus einem leitfähigen Material, wie etwa Aluminium AI oder einem anderen Metall, ausgebildet ist. Oben auf der unteren Isolationsschicht 3 angeordnet ist eine Elektrodenschicht 4, die unten in näherer Einzelheit beschrieben werden wird. Wenn die untere Isolationsschicht 3 nicht vorhanden ist, dann kann die Elektrodenschicht 4 direkt auf der Trägerbasis 2 positioniert werden. Oben auf der Elektrodenschicht 4 angeordnet ist eine obere dielektrische Schicht 5, die ähnlich wie die untere Isolationsschicht 3 ausgebildet werden kann. Die obere und die untere dielektrische Schicht können aus vielfältigen Materialien ausgebildet werden, einschließlich beispielsweise Polymeren, wie etwa Polyvinylchlorid (PVC) oder Polycarbonat, oder nicht Nicht-Polymermaterialien, wie etwa SiO2. Die individuellen Schichten können gesondert ausgebildet werden und dann zusammen verbunden werden, beispielsweise unter Verwendung kleiner Mengen eines Klebemittels, oder Dünnschichttechnologie.
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Die obere dielektrische Schicht 5 wirkt als eine Abstützoberfläche für eine oder mehrere Elektronikplatten 6a, 6b. Es sollte angemerkt werden, dass die Dicke der oberen Isolationsschicht 5 die Aufspannkraft, die auf die Elektronikplatte anwendbar ist, beeinflusst, und sollte somit, um ein effektives Aufspannen der unteren Isolationsschicht 5 sicherzustellen, so dünn wie möglich gehalten werden. Wenn ein PVC oder Polycarbonat als die obere dielektrische Schicht 5 verwendet wird, dann sind derzeit Dicken von um die 10 µm erreichbar, während mit Dünnschichttechnologie eine Schichtdicke von um die 50 nm möglich ist, beispielsweise mit SiO2.
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Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, kann die Trägereinrichtung auch mit Identifizierungsmarkierungen, wie etwa 2D- oder 3D-Strichcodes, oder einem RFID-Tag versehen werden, so dass sie durch den gesamten nachfolgenden Herstellungsprozess nachverfolgt (oder ausfindig gemacht) werden kann.
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2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht der elektrostatischen Trägereinrichtung der 1, entlang der Linie A-A. In dieser Ansicht ist die interne Struktur der Elektrodenschicht 4 sichtbar. Die relativen darüberliegenden Positionen der Elektronikplatten 6a, 6b sind im Umriss gezeigt, und so wie das in näherer Einzelheit unten dargelegt wird, sind auch vielfältige Trägerbezugspunkte 10, die auf der Oberseite der oberen Isolationsschicht 5 angeordnet sind, gezeigt. Die Elektrodenschicht 4 weist einen Generator für ein elektrostatisches Feld auf, der mindestens einen, hier drei, Untergeneratoren für ein elektrostatisches Feld aufweist, in der Form von elektrostatischen Aufspannbereichen, die durch ein kapazitives, interdigitales Kamm-Elektrodenmuster definiert sind. Jedes Muster ist aus einer interdigitalen Anordnung von einer Anodenelektroden-Kammstruktur 8a-c und einer Kathodenelektroden-Kammstruktur 9a-c ausgebildet. Jede Kammstruktur ist unabhängig über einen entsprechenden elektrischen Kontaktpunkt 7 mit einer externen Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) elektrisch verbindbar. Wenn sie so verbunden sind, erzeugt jeder Untergenerator ein elektrostatisches Feld, das betreibbar ist, um eine abwärts gerichtete Kraft oder Aufspannkraft auf eine Elektronikplatte, die auf der oberseitigen Oberfläche der Trägereinrichtung 1 angeordnet ist, zu beaufschlagen. Um die Verbindung zu unterstützen, ist jeder elektrische Kontaktpunkt 7 leitfähig verbunden mit einem Punkt auf einer äußeren Oberfläche der Trägereinrichtung 1 (nicht gezeigt), mit der die äußere Spannung verbunden ist.
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Die Elektrodenschicht 4 kann in vielfältigen Arten und Weisen ausgebildet werden, so wie das für Fachleute in dem technischen Gebiet offensichtlich werden wird, beispielsweise durch Drucken der erforderlichen Elektrodenmuster auf ein dielektrisches Substrat, indem eine leitfähige Paste durch eine geeignete Maske gedrängt wird, oder unter Verwendung von PCB-Herstellungstechnologie oder Dünnschichttechnologie.
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Die drei gezeigten Muster sind räumlich getrennt entlang der Trägereinrichtung 1 gezeigt, und erzeugen daher in Verwendung, d.h. wenn jedes mit der äußeren Spannungsquelle verbunden ist, drei lokalisierte Bereiche oder Zonen der Trägereinrichtung mit relativ hohem elektrostatischen Feld. So wie das oben angemerkt ist, ist jedes Muster individuell mit einer externen Spannungsquelle verbindbar, und somit ist jedes Muster, und folglich jeder Feldbereich, individuell und wahlweise betreibbar. Auf diese Weise können verschiedene Elektronikplatten 6 auf entsprechende Bereiche der Trägereinrichtung 1, die allgemein den individuellen Mustern entsprechen, getrennt oder sequenziell aufgespannt werden. 2 zeigt eine Ausführungsform, in der eine Elektronikplatte auf jeden Bereich aufgespannt sein kann, jedoch kann es in anderen Ausführungsformen möglich sein, mehr als eine Elektronikplatte auf denselben Bereich aufzuspannen, obwohl eine derartige Ausführungsform nachteilig wäre dahingehend, dass beide dieser Platten gleichzeitig aufgespannt werden würden, so dass es nicht möglich sein würde, eine erste Platte aufzuspannen, und dann eine zweite Platte zu positionieren und anschließend aufzuspannen.
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2 zeigt eine Mehrzahl von Trägerbezugspunktmarkierungen („Bezugspunkte“) 10, die optisch erkennbare Markierungen sind, die auf der oberen Oberfläche der Trägereinrichtung angeordnet sind. Zusätzlich, und so wie das im Stand der Technik bekannt ist, ist jede Elektronikplatte 6a, 6b mit entsprechenden Plattenbezugspunkten 11 versehen.
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Die Träger- und die Plattenbezugspunkte 10, 11 können bei der akkuraten Anordnung der Elektronikplatten 6 auf der Trägereinrichtung 1 helfen, so wie das in näherer Einzelheit unten dargelegt ist.
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Ein beispielhaftes Verfahren des Herstellens einer bestückten Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden.
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In einem anfänglichen Schritt wird eine Trägereinrichtung, so wie die, die in den 1 und 2 gezeigt ist, bereitgestellt und elektrisch entladen, so dass es kein von der Trägereinrichtung erzeugtes elektrostatisches Feld gibt.
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Eine erste Elektronikplatte kann dann auf der Trägereinrichtung an einer ersten bestimmten Position innerhalb eines ersten Bereichs der Trägereinrichtung platziert werden. Eine derartige Platzierung kann beispielsweise unter Verwendung eines Bestückungsautomaten, der in der Lage für hochgenaue Platzierung ist, ausgeführt werden. Die richtige Positionierung der Elektronikplatten kann erreicht werden, indem die Plattenbezugspunkte 11 auf der Elektronikplatte relativ zu den Trägereinrichtungsbezugspunkten 10 positioniert werden. Allgemein weisen Bestückungsautomaten optische Positionssensoren auf, die eingerichtet sind, um derartige Bezugspunkte zu erkennen.
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Die erste Elektronikplatte wird dann auf der Trägereinrichtung aufgespannt durch Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in dem ersten Bereich, durch Verbinden der Kathoden- und Anodenelektroden des entsprechenden Untergenerators für das elektrostatische Feld mit einer Spannungsquelle.
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Falls erforderlich, und wenn die erste Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung aufgespannt ist, können zusätzliche Elektronikplatten nacheinander auf der Trägereinrichtung an entsprechenden bestimmten Positionen innerhalb entsprechender Bereiche der Trägereinrichtung platziert werden, in einer ähnlichen Art und Weise wie für die erste Elektronikplatte, und nach dem Positionieren durch Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in dem entsprechenden Bereich aufgespannt werden.
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Es wird angemerkt, dass es diese Methode ermöglicht, dass jede Platte optimal platziert wird, was mit bekannten Vakuumaufspannverfahren nicht möglich ist. Insbesondere ermöglicht es diese Methode, dass vereinzelte FlexPCBs platziert werden und hochgenau aufgespannt werden können.
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Wenn eine Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung einmal aufgespannt ist, kann der entsprechende Untergenerator für das entsprechende elektrostatische Feld von der Spannungsquelle getrennt werden, weil das elektrostatische Feld ausreichend hoch verbleiben kann, um ein Aufspannen für mehrere Tage durchzuführen. Dies ermöglicht, dass die Elektronikplatte durchgängig während mehr als einem Herstellungsverfahren auf derselben Trägereinrichtung aufgespannt verbleibt, und die Trägereinrichtung kann zwischen Verfahren transportiert werden.
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Daher kann nachfolgend zu dem Aufspannen, so wie das oben umrissen worden ist, die Trägereinrichtung innerhalb einer Druckmaschine genau angeordnet werden, beispielsweise durch Ausrichten der Trägereinrichtungsbezugspunkte oder der Plattenbezugspunkte, so wie das im Stand der Technik bekannt ist. Ein Druckmedium, beispielsweise ein leitfähiges Druckmedium, wie etwa eine Lötpaste, kann dann auf die Elektronikplatte aufgebracht werden unter Verwendung eines Druckverfahrens, das typischerweise das Aufbringen des Druckmediums auf die obere Oberfläche der Elektronikplatte aufweist durch Streichen einer Rakelklinge über eine geeignet gemusterte Matrize, wodurch das Druckmedium durch die Öffnungen in der Matrize gedrängt wird.
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Nachfolgend zu diesem Druckprozess kann die bedruckte Elektronikplatte mit einer oder mehreren elektronischen Komponenten ausgerüstet werden, während die Elektronikplatte an der Trägereinrichtung aufgespannt verbleibt. In vorteilhafter Weise kann die Trägereinrichtung, beispielsweise entlang eines Förderbandes, zu einem Bestückungsautomaten transportiert werden, und innerhalb eines Platzierungsbereichs des Automaten genau positioniert werden. Die Trägereinrichtungs- und/oder die Plattenbezugspunkte können wiederum verwendet werden, um eine geeignete Ausrichtung sicherzustellen, so wie das im Stand der Technik bekannt ist.
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Nachfolgend zu dem Bestückungsprozess kann die ausgerüstete Elektronikplatte einem Wiederaufschmelzlötverfahren unterworfen werden, während die Elektronikplatte auf der Trägereinrichtung aufgespannt verbleibt. In vorteilhafter Weise kann die Trägereinrichtung, beispielsweise entlang eines Förderbandes, zu einem Wiederaufschmelzlötofen zur Wärmebehandlung transportiert werden, so wie das im Stand der Technik wohlbekannt ist. Die elektrostatische Aufspannfunktion der Trägereinrichtung ist durch die hohen Temperaturen innerhalb des Ofens unbeeinflusst.
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Nachfolgend zu dem Wiederaufschmelzlötprozess können die oder jede Elektronikplatte von der Trägereinrichtung gelöst werden, indem die entsprechenden elektrostatischen Felder entladen werden, beispielsweise durch Kurzschließen der Anoden- und Kathodenelektroden eines jeden Musters.
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Durchgängig in allen diesen Schritten kann die Trägereinrichtung durch geeignetes Lesen ihrer Identifikationsmarkierungen in jeder Maschine nachverfolgt werden, so dass auf dieser Trägereinrichtung das richtige Verfahren für die oder jede Platte ausgeführt wird.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur beispielhaft, und andere Möglichkeiten und Alternativen innerhalb des Umfangs der Erfindung werden für Fachleute offensichtlich sein. Beispielsweise können die in 2 gezeigten interdigitalen Kammelektrodenmuster durch irgendein kapazitives Elektrodenmuster ersetzt werden. Jede Trägereinrichtung kann mit einem oder mehreren Mustern ausgerüstet werden, wobei die obere Grenze durch die physikalischen Abmessungen der in Rede stehenden Trägereinrichtung diktiert werden. Die Trägereinrichtung ist in der Lage, vielfältige Materialien, Cluster (oder Anhäufungen) und Komponenten, einschließlich dünnes Glas (z.B. um die 150 µm Dicke) zum Mikrostrukturieren aufzuspannen.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- elektrostatische Trägereinrichtung
- 2 -
- Trägerbasis
- 3 -
- untere dielektrische Isolationsschicht
- 4 -
- Elektrodenschicht
- 5 -
- obere dielektrische Isolationsschicht
- 6a, 6b -
- Elektronikplatten
- 7 -
- elektrischer Kontaktpunkt
- 8a-c -
- Anodenstrukturen
- 9a-c -
- Kathodenstrukturen
- 10 -
- Trägereinrichtungsbezugspunkte
- 11 -
- Plattenbezugspunkte