DE19534313C2 - Verfahren zur Erfassung von Position und Versatz von Lagen an Mehrlagenleiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Position und Versatz von mit Leiterbahnen versehenen Lagen an Leiterplatten, vorzugsweise an Mehrlagenleiterplatten (Multilayerplatinen) gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1.

In der modernen Leiterplattenfertigung liegt aufgrund der hohen Bauelementdichte neuzeitlicher Leiterplatten ein besonderes Schwergewicht auf der platzsparenden Anordnung der Bauteile und damit geringen Leiterplattengrößen. Zur Realisierung derar­ tiger geringer Leiterplattengrößen ist es von besonderer Bedeutung, die zwischen den Bauelementen der Leiterplatte notwendigen Verbindungen, die mit bekannten Verfahren auf Oberflächen der Leiterplatte aufgebracht werden, bei übersichtlicher Leitungsführung eng zu schachteln. Hierbei ist zur Vermeidung von Kreuzungen der Leiterbahnen bekannter Stand der Technik, die Leiterbahnen in mehreren Ebenen der Leiterplatte, den sogenannten Lagen oder Lagern anzuordnen. Hierzu wird vor allem bei sog. Mehrlagenleiterplatten eine Gesamtleiterplatte aus einzelnen Trägerschichten aufgebaut, wobei auf jeder der Trägerschichten einseitig eine Kontaktierungsebene für die Führung der Leiterbahnen zur Verfügung steht. Die einzelnen Trägerschichten werden dann nach dem Aufbringen der Leiterbahnen zur fertigen Leiterplatte verpreßt, die in ihrem schichtförmigen Aufbau die benötigten Verbindungen zwischen den Bauelementen zur Verfügung stellt. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen wird bei derartigen Mehrlagenleiterplatten dadurch hergestellt, daß an den vorgesehenen Verbindungsstellen Löcher gebohrt werden, die mit einer metallischen Auskleidung versehen werden. Ein derartiges Verbindungsverfahren erfordert jedoch eine mechanisch und elektrisch ausreichende Deckung der zu verbindenden Flächen der Leiterbahnen zueinander in der jeweiligen Verbindungszone. Durch Fertigungstoleranzen kommt es bei der Fertigung derartiger Leiterplatten üblicherweise jedoch zur Verschiebungen der Leiterpositionen und damit der Verbindungszonen in den einzelnen Lagen einer Leiterplatte relativ zueinander, wodurch die Bohrlöcher zur Herstellung der metallischen Auskleidung nicht mehr im Zentrum der diese Verbindungsstellen umgebenen Lötaugen bzw. sogenannten Verbindungspats liegen. Die Restringbreiten der kontaktfähigen Bereiche der einzelnen Lagen der Mehrlagenleiterplatte reichen für eine sichere Durchkontaktierung nicht mehr aus. Insbesondere bei Mehrlagenleiterplatten sind derartige Verschiebungen und ein daraus resultierender Versatz der einzelnen Lagen der Leiterplatte ein großes Problem, da ein derartiger Versatz nicht einfach optisch geprüft werden kann. Hierdurch ist eine hohe Ausschußrate bei der Fertigung von Mehrlagenleiterplatten zu erwarten, sofern nicht der Versatz der einzelnen Lagen der Mehrlagenleiterplatte relativ zueinander bestimmt werden kann. Ist eine Bestimmung der Versatzwerte hingegen möglich, so kann durch geeignete Korrekturen und dadurch bestimmbare Verschiebungen der Kontaktierungsbohrungen eine ausreichende Kontaktierung an den Verbindungsstellen sichergestellt werden.

Aus dem bisherigen Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen geeignete Meßmarken in den Randbereich der Innenlagen einer Mehrlagenleiterplatte eingebracht und diese Meßmarken im Strahlenkegel einer punktförmigen Röntgenstrahlungsquelle vermessen werden. Das erhaltene Röntgenbild kann zur Berechnung eines Versatzes und Verzuges der einzelnen Innenlagen einer Mehrlagenleiterplatte genutzt werden, um hieraus ggf. erforderliche Änderungen des Bohrprogrammes herzuleiten. Derartige Röntgenverfahren können nur auf gesonderten Maschinen mit einem hohen Kosten- und Personalaufwand vorgenommen werden, darüber hinaus ist aufgrund der danach notwendigen Umspannung der Leiterplatte auf eine Produktionsbohrmaschine nicht immer ausreichend für Reproduzierbarkeit zwischen Messung und Fertigung gesorgt.

In der EP 0 506 217 A2 ist ein Verfahren zur Messung des gegenseitigen Versatzes an Mehrlagenleiterplatten aufgezeigt, bei dem jede Lage der Mehrlagenleiterplatte in definierter Position ein optisch erkennbares Muster trägt, wobei sich diese Muster in der Mehrlagenanordnung zumindestens teilweise überdecken und daß in der Mehrlagenanord­ nung mindestens eine Inspektionsbohrung hergestellt wird, derart, daß diese die Muster jeder Lage schneidet und daß die Schnittkanten jedes Musters in der Inspektionsbohrung optisch erfaßt werden. Dieses Verfahren weist jedoch gravierende Nachteile auf, da eine komplizierte und für den Produktionsbereich wenig geeignete Meßeinrichtung Verwendung findet und eine zuverlässige optische Erkennung der in die Lagen eingebrachten Muster stark von der Herstellungsweise der Inspektionsbohrung abhängig ist. Darüber hinaus stellt die Herstellung einer Inspektionsbohrung einen deutlichen Eingriff in eine Leiterplatte dar, der insbesondere bei dichter Bestückung der Leiterplatte mit Bauelementen äußerst störend sein kann.

Aus der DE 30 45 433 C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Innenlagenversatzes von Mehrlagenleiterplatten bekannt, bei dem mittels einer Einbringung von systematisch angebrachten Bohrungen die Lage von Testmustern in verschiedenen Ebenen der Mehrlagenleiterplatte erfaßt wird. Hierbei wird mit einem aus einem länglichen Freiät­ zungsbereich bestehenden Testcoupon durch senkrecht zur Leiterplattenebene vorge­ nommene Probebohrungen mit vorgegebener Positionsstaffel erfaßt, wann sich ein elektrischer Kontakt zwischen dem Bohrer und einem leitenden Bereich des jeweiligen Testcoupons ergibt. Durch Lage und Positionsstaffelung der Bohrungen kann dabei die Lage des Testcoupons mit unterschiedlicher Genauigkeit erfaßt werden. Besonders nach­ teilig an der Vorgehensweise dieses Verfahrens ist es, daß zur Erzielung ausreichender Auflösungen eine hohe Anzahl von Bohrungen je Testcoupon erforderlich ist. Hieraus sowie zur Erzielung gleicher Bohrbedingungen kann üblicherweise nur mit geringen Vorschüben gearbeitet werden, wodurch insgesamt sehr lange Bearbeitungszeiten zur Einbringung der erforderlichen Bohrungen notwendig sind. Auch ist die erforderliche Abmessung der Testcoupons bei hohen geforderten Auflösungen sehr groß, da die Bohrungen mit vom Bohrdurchmesser abhängigen Abständen zueinander ausgeführt werden müssen. Eine wirtschaftliche Erfassung der verschiedenen Lagen einer Mehrlagenleiterplatte ist mit einem derartigen Verfahren höchstens für den Stichprobenbetrieb möglich, eine Qualitätserfassung einer hohen Zahl von Leiterplatten innerhalb einer Charge nicht wirtschaftlich durchführbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erfassung der Position und des Versatzes von Lagen vorzugsweise von Mehrlagenleiterplatten bereitzu­ stellen, mit dem mittels einfacher Meßmethoden und für eine Produktionsumgebung geeigneter Meßverfahren und Einrichtungen Korrekturwerte für die Festlegung eines Bohrbildes an Leiterplatten ermittelt werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens anzugeben.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes, hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 11 in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Erfindungswesentliches Merkmal des vorgestellten Verfahrens ist es, die Position und damit den Versatz zwischen einzelnen Lagen einer Leiterplatte, vorzugsweise einer Mehrlagenleiterplatte dadurch zu erfassen, daß das Werkzeug zumindestens in einzelnen Lagen der Leiterplatte an einer Postion eindringt, an der zumindestens einzelne Lagen der Leiterplatte jeweils gleichartige Testmuster aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen. Durch nach dem Eindringen des Werkzeuges in die Leiterplatte erfolgende Bearbeitungsbewegungen mit einer Vorschubkomponente parallel zur Leiterplattenebene wird ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Werkzeug und Teilen der Testmuster in den jeweiligen Lagen der Leiterplatte hergestellt, der durch eine noch später näher zu erläuternde, aus dem Stand der Technik grundsätzliche bekannte Erfassungseinrichtung erkannt werden kann. Während der Ausführung jeder Bearbeitungsbewegung überprüft die Erfassungseinrichtung, ob ein jeweiliger elektrischer Kontakt zwischen einem in einer Lage der Leiterplatte angeordneten Testmuster und dem Werkzeug erfolgt, wobei zum Zeitpunkt des erstmaligen Auftretens dieses elektrischen Kontaktes die Erfassungseinrichtung dieses Auftreten an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit weiterleitet. Die Auswerteeinheit bestimmt aus den Bewegungsdaten der Bearbeitungsbewegung sowie den Werkzeuggeometriedaten einen zugehörigen Berührpunkt zwischen dem Werkzeug und dem jeweiligen Testmuster, wobei die derart für jede der Bearbeitungsbewegungen ermittelten Meßwerte zur Bestimmung der exakten Position jedes der Testmuster der einzelnen Lagen genutzt werden können. Aufgrund der später noch spezifizierten Geometrie der Testmuster sowie der Wahl der Bewegungsrichtung des Werkzeuges ist für jedes Auftreten eines elektrischen Kontaktes zwischen Werkzeug und Testmuster eindeutig bestimmbar, wo der Berührpunkt zwischen Werkzeug und Testmuster in jeder Lage sich relativ zu Leiterplattenbezugspunkten befindet. Durch von der Geometrie der Testmuster abhängige, mehrfache Bearbeitungsbewegungen in unterschiedliche Richtungen der Leiterplattenebene kann so für jedes Testmuster die exakte Position und damit evtl. aufgrund von Fertigungstoleranzen aufgetretener Versatz zwischen einer Sollposition der Lage und der Istposition festgestellt werden. Aufgrund dieser bekannten Abweichungen kann dann das Bohrprogramm für die Herstellung des Leiterplattenbohrbildes korrigiert und damit der Ausschuß bei der Fertigung von Mulitlayerleiterplatten deutlich reduziert werden.

Von besonderer Bedeutung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erfassungseinrichtung, die grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist und die elektrische Kontaktierung eines Werkzeuges mit einem mit der Erfassungseinrichtung elektrisch verbindbaren Werkstück ermöglicht. Das Grundprinzip einer derartigen Erfassungseinrichtung besteht darin, daß beispielsweise bei dem Fertigungsverfahren Bohren der Rotor einer Bohrspindel gegen den Stator isoliert ist, wobei an den Rotor der Bohrspindel und damit an das Bohrwerkzeug eine Spannung angelegt werden kann. Das Werkstück, üblicherweise eine Leiterplatte, muß eine elektrisch leitende Oberfläche besitzen, die durch ein Klemmsystem an Masse gelegt. Berührt die Bohrerspitze die Leiterplatte, so kann dieser Zeitpunkt exakt durch das erstmalige Auftreten eines Stromflusses bestimmt und zusammen mit der beispielsweise durch eine CNC-Steuerung gesteuerten Bohrspindelbewegung ausgewertet werden. Derartige Erfassungseinrichtungen werden im Stand der Technik üblicherweise zur Bestimmung der Position entlang einer Bohrbewegung genutzt, wobei bei sehr exakten Bohrungen die Sollage des Werkstückes aufgrund der meßbaren ersten Kontaktierung zwischen Werkzeug und Werkstück korrigiert werden kann. Hierdurch können insbesondere Abweichungen des Werkstückes in seiner Höhenlage oder seiner Dicke, die zwischen einzelnen Werkstücken einer Charge durchaus auch bei Leiterplatten auftreten können, erfaßt und korrigiert werden. Ebenfalls kann eine derartige Erfassungseinrichtung zur Erkennung von Bohrerbrüchen genutzt werden.

Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Erfassungseinrichtung findet nun bei der Erkennung einer Berührung zwischen Werkzeug und Testmustern der jeweiligen Lagen einer Leiterplatte während einer Bearbeitungsbewegung Anwendung, die eine Bearbeitung nicht nur senkrecht zur Ebene der Leiterplatte, sondern auch innerhalb dieser Ebene voraussetzt. Hierzu wird nicht wie bekannt eine Berührung der Werkzeugspitze mit einem leitfähigen Werkstück, sondern eine Berührung von Werkzeug und Werkstück in der Ebene der Leiterplatte ausgenutzt, die im bekannten Stand der Technik nicht beschrieben ist.

Die von der Auswerteeinrichtung ermittelten Positionen der Testmuster in den jeweiligen Lagen können nun zur Bestimmung von Positionen für Bohrpunkte von gemeinsamen Kontaktbohrungen zwischen zugehörigen Leiterbahnen der jeweiligen Lagen der Leiterplatte genutzt werden. Durch die noch später erläuterte Zuordnung von Bear­ beitungsbewegung und Geometrie der Testmuster kann schon durch eine geringe Anzahl von Bearbeitungsbewegungen eine exakte Bestimmung der Position der Testmuster innerhalb der Lagen der Leiterplatte erzielt werden. Ist die Position des Testmusters und damit ein evtl. Versatz zwischen den einzelnen Lagen bekannt, so kann durch geeignete Verfahren, beispielsweise durch Mittelung der Positionen der Testmuster der einzelnen Lagen, eine Position der Bohrpunkte des gemeinsamen Bohrbildes der Kontaktbohrungen der Leiterplatte bestimmt werden.

Hierzu wird das Werkzeug üblicherweise die Leiterplatte senkrecht zur Leiterplattenebene ganz durchtreten, so daß für alle Lagen der Leiterplatte gleiche Bearbeitungsbewegungen derart ausgeführt werden, daß alle Testmuster in den jeweiligen Lagen der Leiterplatte im Verlauf der Bewegung mit dem Werkzeug und der Erfassungseinrichtung in elektrischem Kontakt treten. Je nach der Abweichung der Testmuster in den einzelnen Lagen zueinander wird in jeder Bearbeitungsrichtung ein unterschiedlicher Berührpunkt zwischen Werkzeug und Testmuster erkannt und für die Lage mit der maximalen Abweichung von der Erfassungseinrichtung erfaßt und von der Auswerteeinrichtung weiterverarbeitet. Damit stehen nach für alle Lagen der Leiterplatte identischen Bearbei­ tungsbewegungen alle benötigten Abweichungen und Positionen zur Verfügung. Die derartige Vorgehensweise einer Ingetralmessung aller Abweichungen mittels für alle Lagen gemeinsamer Bearbeitungsvorgänge kann beispielsweise vorteilhaft für die Durchführung des Verfahrens auf Produktionsmaschinen für jede einzelne Leiterplatte genutzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens dringt das Werkzeug nur teilweise in die Leiterplatte ein und die Bearbeitungsbewegungen werden derart aus­ geführt, daß jeweils nur ein Testmuster einer ausgewählten Lage der Leiterplatte im Ver­ lauf der Bewegung mit dem Werkzeug und der Erfassungseinrichtung in elektrischen Kontakt tritt. Hierdurch kann beispielsweise im Rahmen von Stichprobenmessungen oder Messungen zur Qualitätssicherung die Vermessung einzelner Lagen einer Leiterplatte durchgeführt werden. Dies wird üblicherweise bei Stichprobenmessungen oder für aus der Produktion ausgeschleuste Leiterplatten im Rahmen der Qualitätssicherung besonders vorteilhaft sein.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Position der einzelnen Testmuster auf der Leiterplatte für jede Lage so gewählt werden, daß die Testmuster jeder Lage einzeln, d. h. ohne Berührung anderer Testmuster anderer Lagen, in ihrer Position erfaßt werden können. Beispielsweise werden die Testmuster soweit versetzt zueinander angeordnet, daß Bearbeitungsbewegungen für die Erfassung der Position eines Testmusters einer Lage außerhalb der benachbart, vorzugsweise nebeneinander, angeordneten Testmustern anderer Lagen erfolgen.

Die Bearbeitungsbewegungen des Werkzeuges werden, in Abhängigkeit von der später noch näher ausgeführten vorteilhaften Geometrie der Testmuster, derart ausgeführt, daß das Werkzeug von einem Eindringpunkt in die Leiterplatte zuerst entlang einer ausgewählten Richtung in der Leiterplattenebene jeweils eine Bewegung in positive und negative Koordinatenrichtung ausführt. Eine zweite Bearbeitungsrichtung wird vorteilhafterweise dann in einer dazu senkrechten, ebenfalls in der Leiterplattenebene lie­ genden Richtung festgelegt, in die wiederum eine Bewegung in positive und negative Koordinatenrichtung ausgeführt wird. Mit einer derartigen Durchführung von Bear­ beitungsbewegungen ist es möglich, mit nur vier einzelnen Bearbeitungsstrecken, die nur kurze Bearbeitungszeiten erfordern, eine exakte Bestimmung der Position eines Testmusters zu erreichen. Im Gegensatz zu anderen Verfahren zur Ermittlung des Versatzes zwischen den Lagen einer Leiterplatte liegt der zeitliche Aufwand hierzu im Bereich weniger Prozent der gesamten Bearbeitungszeit der Leiterplatte zur Herstellung des Bohrbildes. Dadurch wird auch eine für jede Leiterplatte erneut durchgeführte Be­ stimmung des Versatzes wirtschaftlich realisierbar. Auch ist eine stichprobenartige oder nur an jeder ersten Leiterplatte einer Charge vornehmbare Bestimmung des Versatzes ohne erheblichen Zeitaufwand möglich.

Vorteilhafterweise werden die Bearbeitungsbewegungen bei der integralen Messung aller Lagen einer Leiterplatte bis zum Erfassen aller Kontakte mit den Testmustern der ausgewählten Lagen der Leiterplatte ausgeführt.

Neben der Korrektur des Bohrbildes aufgrund der Meßwerte, die besonders vorteilhaft direkt auf der Produktionsmaschine zur Herstellung des Bohrbildes erfolgt, ist eine Erstellung von Listen mit Korrekturwerten für die nachgelagerten Fertigungsverfahren sowie die Qualitätssicherung möglich, darüber hinaus kann bei Fertigung auf nachgelagerten Maschinen ein Einbringen von Aufnahmesystemen für die Ausrichtung der Leiterplatten auf diesen Maschinen einfach durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Position und Versatz von mit Leiterbahnen versehenen Lagen an Leiterplatten, vorzugsweise an Mehrlagenleiterplatten und insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 weist eine Bear­ beitungsmaschine auf, eine Erfassungseinrichtung, mit der während eines Bearbei­ tungsvorganges mit einer Vorschubkomponente parallel zur Leiterplattenebene elektrisch leitfähige Kontakte zwischen einem Werkzeug und Bereichen oder Teilbereichen der Leiterplatte aus elektrisch leitfähigem Material erfaßbar sind, darüber hinaus Kontaktie­ rungselemente, die die Erfassungseinrichtung elektrisch mit dem leitfähigen Material der Leiterplatte verbinden. In jeder der Lagen der Leiterplatte wird üblicherweise mindestens je ein Testmuster aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, wobei die Testmuster der einzelnen Lagen jeweils im wesentlichen in gleicher Position und senkrecht zur Leiterplattenebene übereinander angeordnet sind und mit den Kontaktierungselementen elektrisch leitend verbindbar sind. Das Werkzeug ist hierbei derart positionierbar und bewegbar, daß in einer die Leiterplatte zumindest teilweise durchtretenden Lage des Werkzeuges während vorgebbarer Bearbeitungsbewegungen ein elektrischer Kontakt zwischen Werkzeug und den Testmustern der jeweiligen Lagen erfaßbar und an eine Auswerteeinheit weiterleitbar ist, in der der zugehörige Berührungspunkt zwischen Werkzeug und jeweiligem Testmuster ermittelbar ist. Aufgrund der Fertigungstoleranzen kommen die Testmuster, beispielweise einer Mehrlagenleiterplatte, nach dem Verpressen der einzelnen Lagen nicht exakt senkrecht zur Leiterplattenebene übereinander zu liegen, sondern weisen in der Regel jeweils einen leichten Versatz zu einer Sollposition auf. Im wesentlichen sind sie jedoch derart übereinander angeordnet, daß ein Eindringen eines Werkzeuges in einen dafür vorgesehenen Bereich der Testmuster möglich ist, ohne daß ein elektrisch leitender Kontakt zwischen Werkzeug und einem oder mehreren der Testmuster erfolgt.

Hierzu werden die Testmuster jeder Lage der Leiterplatte als vorzugsweise geschlossene, symmetrisch ringförmige und aus leitfähigem Material bestehende Formen ausgebildet, in deren Innenbereich eine freibleibende Zone nichtleitfähigen Basismaterials der Leiterplatte angeordnet ist. Der nichtleitfähige Innenbereich des Testmusters dient zum ganz oder teilweisen Durchtreten des Werkzeuges mit der Leiterplatte, ohne daß es zu einem leitenden Kontakt zwischen Werkzeug und Testmustern kommt. Üblicherweise wird dieser Innenbereich des Testmuster so dimensioniert, daß auch bei größeren noch akzeptablen Versätzen zwischen den Lagen der Leiterplatte ein kontaktfreies Eindringen des Werkzeuges möglich ist. Die Testmuster jeder Lage sind besonders vorteilhaft hinsichtlich ihrer Abmessungen identisch ausgebildet, wobei symmetrisch-ringförmige, um den Innenbereich als geschlossene oder auch offene Form angeordnete leitfähige Bereiche zur Kontaktierung mit dem Werkzeug dienen. In besonders vorteilhafter Weise wird die Ringform eines Testmusters rechteckig, in besonders bevorzugter Ausgestaltung quadratisch ausgeführt. Darüber hinaus sind weitere, ggf. an bestimmte Einsatzzwecke angepaßte Formgebungen denkbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Testmuster jeder Lage der Leiterplatte als aus vorzugsweise linearen Abschnitten gebildete Muster ausgeführt sein, die nach Einbringen von Bohrungen nahe an den Mustern durch Bearbeitungsbewegungen mit dem Werkzeug in Kontakt bringbar sind. Beispielsweise kann aus kreuzartig angeordneten, aus leitfähigem Material bestehenden Segmenten ein derartiges Muster gebildet werden, das zur Positionsbestimmung der jeweiligen Lage nutzbar ist.

In besonders vorteilhafter Weise werden die Testmuster der einzelnen Lagen der Leiterplatte in einem gemeinsamen Herstellungsschritt mit den Leiterbahnen auf das Ba­ sismaterial der Leiterplatte aufgebracht.

In einer weiteren Ausführungsform wird jeweils ein Kontaktstift in die Leiterplatte einge­ bracht und derart elektrisch mit einem zugehörigen Testmuster einer ausgewählten Lage verbunden, daß damit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen je dem zugehörigen Testmuster und der Erfassungseinrichtung herstellbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in jeder Lage der Leiterplatte mehr als ein Testmuster an unterschiedlichen Positionen angeordnet, wobei für jedes dieser Testmuster die Position innerhalb der Leiterplatte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelbar ist. Eine derartige Anordnung mehrerer Testmuster für jede Lage der Leiterplatte ermöglicht es, neben linearen Verschiebungen der einzelnen Lagen zu­ einander auch Drehungen, Dehnungen oder Schrumpfungen der einzelnen Lagen zu erfassen und ggf. zu korrigieren.

In besonders vorteilhafter Weise wird das Werkzeug als ein Bohr- und/oder Fräswerkzeug ausgelegt. Hierbei kann in besonders vorteilhafter Weise nach dem Erfassungsvorgang für Position und Versatz der Lagen untereinander dasselbe oder ein zugehöriges Werkzeug zur Bearbeitung des Bohrbildes auch auf der gleichen Maschine zum Einsatz kommen.

In einer anderen Ausprägung der Vorrichtung kann das Werkzeug ein Nibbelwerkzeug sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Kontakt zwischen leitfähigen Bereichen einzelner Lagen der Leiterplatte und dem Werkzeug dadurch erkannt, daß eine Erfassungseinrichtung zwischen der jeweiligen Lage und einer weiteren Lage der Leiterplatte angeordnet wird, die flächig vollständig mit leitfähigem Material versehen ist. Die jeweilige Lage mit dem Testmuster und die flächig leitfähige Lage werden auf unterschiedliche Potentiale gelegt, die durch das Werkzeug während der Bearbei­ tungsbewegungen in elektrisch leitfähigen Kontakt gebracht werden. Hierdurch kann insbesondere die Erfassungseinrichtung stark vereinfacht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagenen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Mehrlagenleiterplatte mit in den Lagen der Mehrlagenleiterplatte einge­ brachten Testmustern in Seitenansicht und Vergrößerung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Mehrlagenleiterplatte gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine beispielhafte Ausführung eines Testmusters sowie die Anordnung eines Kontaktstiftes, wobei im Testmuster ein Bohrfräswerkzeug im Eingriff angedeutet ist,

Fig. 4 Möglichkeiten zur Anordnung von Testmustern auf einem Leiterplatten­ rohling.

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Mehrlagenleiterplatte 1 dargestellt, die aus vier Kontaktierungsebenen 2, 3 in vier Lagen besteht, wobei jeweils eine Lage 2 auf der Oberseite und der Unterseite der Gesamtleiterplatte 1 Leiterbahnen trägt und zwei Zwi­ schenlagen 3 im Innern der Gesamtleiterplatte 1 angeordnet sind. Zwischen den Kontak­ tierungsebenen 2 bzw. 3 sind Schichten aus Basismaterial 4 aus einem üblicherweise nichtleitenden Trägermaterial angeordnet. Diese Schichten aus Basismaterial 4 trennen die Kontaktierungsebenen 2 bzw. 3 elektrisch voneinander.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer Mehrlagenleiterplatte 1 dargestellt, der die Anordnung von Testmustern 5 in den jeweiligen Lagen 2 bzw. 3 der Leiterplatte 1 darstellen. Hierbei ist ein Testmuster 5 in den Lagen 2 bzw. 3 derart ausgebildet, daß ein auch in der Fig. 2 noch zu erkennender quadratischer Innenbereich 15 jedes Testmusters 5 von elektrisch leitfähigen Bereichen flächig umschlossen ist. Diese elektrisch leitfähigen Bereiche, die analog zu den Leiterbahnen und ggf. auch in einem gemeinsamen Her­ stellungsschritt aufgebracht werden, sind in der Darstellung der Fig. 1 stark vergrößert dargestellt. Die Testmuster 5 sind im wesentlichen senkrecht zur Leiterplattenebene übereinander angeordnet, wobei die Innenbereiche der Testmuster 5 mit ihren Be­ grenzungsflächen 6, 6', 6", 6''' sowie 7, 7', 7" und 7''' versetzt zueinander angeordnet sind. Zur Erreichung eines zuverlässigen Durchkontaktierens zwischen den einzelnen Lagen 2 bzw. 3 der Mehrlagenleiterplatte 1 ist es erforderlich, daß der Versatz zwischen den Testmustern 5 der einzelnen Lagen 2 bzw. 3 bestimmte Toleranzwerte nicht überschreitet. Liegen keine derartigen Überschreitungen vor, die automatisch einen Ausschuß der Leiterplatte 1 bedeuten, so ist die Kenntnis des Versatzes zwischen den einzelnen Lagen 2 bzw. 3 von Bedeutung, um das Bohrbild der Gesamtleiterplatte 1 ggf korrigieren zu können.

Hierzu wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Innenbereich 15 der Testmuster 5, die nicht mit leitfähigem Material beschichtet sind, ein Werkzeug 20, in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform ein Bohr/Fräswerkzeug 20, senkrecht von oben einbohren, wobei entweder die gesamte Leiterplatte 1 oder nur Teilbereiche der Leiterplatte 1 durchdrungen werden. In der Fig. 1 ist ein Bohr/Fräswerkzeug 20 ange­ deutet, das die gesamte Dicke der Leiterplatte 1 durchdringt. Nach dem Einbohren des Werkzeuges 20 in die Leiterplatte 1 wird das Werkzeug 20 in noch bei der Fig. 3 näher beschriebenen Weise Bearbeitungsbewegungen ausführen, die zu einer Zerspanung des Leiterplattenmaterials zwischen der Eindringposition des Werkzeuges 20 und den Kanten 6, 6', 6", 6''' sowie 7, 7', 7", 7''' der Leiterplatte 1 führen. Bei der Zerspanung wird im Laufe der Bearbeitungsbewegung das Werkzeug 20 zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit den Katen 6, 6', 6", 6''' sowie 7, 7', 7", 7''' Kontakt bekommen, wobei dieser Kontakt durch eine nicht dargestellte Erfassungseinrichtung und ebenfalls nicht dargestellte Kontaktstifte erfaßbar ist. Da zum gleichen Zeitpunkt die Position des Werkzeuges 20 relativ zu Bezugspunkten der Leiterplatte 1 aufgrund der Steuerung der hier als Bohr/Fräsmaschine ausgestalteten Bearbeitungsmaschine bekannt ist, kann eindeutig der Berührpunkt des Bohrfräswerkzeuges 20 mit der jeweiligen Kante 6, 6', 6", 6''' sowie 7, 7', 7", 7''' bestimmt werden. Dies erfolgt in einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit, an die die Erfassungseinrichtung ihre Signale weiterleitet. Werden nun die Bearbeitungsbewegungen des Werkzeuges 20 in Form eines Kreuzes senkrecht auf alle die Innenbereiche der Testmuster 5 begrenzenden Kanten 6, 6', 6", 6''' sowie 7, 7', 7", 7''' und hierzu orthogonale Kanten durchgeführt, so kann aus den jeweils vier Meßwerten der Lage mit der maximalen Abweichung der Leiterplatte 1 eindeutig die Lage des zugehörigen Testmusters 5 ermittelt werden. Diese einzelnen Positionen können in einem weiteren Schritte dazu genutzt werden, eine gemittelte optimale Bohrposition 8 für eine Bohrung durch die Innenbereiche 15 der Testmuster 5 zu bestimmen. Üblicherweise erfolgt eine derartige Bestimmung durch Mittelung der Positionsabweichung der einzelnen Lagen 2 bzw. 3. Hierbei gibt der größte Abweichungswert die Position der optimalen Bohrung bzw. ein Maß für den Ausschuß der Leiterplatte vor.

In der Fig. 3 ist ein einzelnes Testmuster 5 in Vergrößerung dargestellt, das aus einem quadratischen, ringförmig angeordneten Bereich 14 leitfähigen Materials besteht, das einen ebenfalls quadratischen und symmetrisch dazu angeordneten, nicht leitfähigen Innenraum 15 umgrenzt. Innerhalb dieses Innenraums 15 und eine Innenkante des leitfähigen Materials 14 berührend ist ein Fräser 20 dargestellt, der gerade aufgrund der Zerspanung in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Testmuster 5 eingetreten ist. Der Fräser 20 ist, dies ist nicht dargestellt, mit einer Erfassungseinrichtung verbunden, die wiederum elektrisch leitend mit einem Kontaktstift 13 verbunden ist, der in einer leitfähigen Fläche 16 für den Kontaktstift 13 eingesetzt ist. Die elektrisch leitfähige Fläche 16 sowie die elektrisch leitfähige Fläche 14 des Testmusters 5 sind über einen Verbindungssteg 18 aus ebenfalls leitfähigem Material verbunden. Tritt also der Fräser 20 mit dem ringförmigen Bereich 14 aus leitfähigem Material in Verbindung, so kann eine an dem Fräser 20 über die Erfassungseinrichtung anliegende Spannung zu einem Stromfluß und damit zu einem detektierbaren Signal führen. Dieses Signal wird von der nicht dargestellten Erfassungseinrichtung erfaßt und an die ebenfalls nicht dargestellte Auswerteeinrichtung weitergemeldet. Ebenfalls an der elektrisch leitfähigen Fläche 16 des Kontaktstiftes 13 ist ein weiterer Anschluß 17 vorgesehen, der mit weiteren Testmustern 5 dieser Lage 2 bzw. 3 in Verbindung stehen kann.

Der Fräser 20 wird das Testmuster 5 im Innenbereich 15 durchtreten und anschließend in die vier Bearbeitungsrichtungen 19 Bearbeitungsbewegungen ausführen. Hierdurch tritt der Fräser 20 nacheinander mit jeder der die Innenfläche 15 begrenzenden Kanten des Testmusters 5 in elektrisch leitenden Kontakt, wobei an jedem Kontaktpunkt ein Signal von der nicht dargestellten Erfassungseinrichtung erfaßt wird.

In der Fig. 4 ist die Anordnung von Testmustern 5 entsprechend der vorstehenden Ausführungen an einem Leiterplattenrohling 1 dargestellt, wobei der Leiterplattenrohling 1 aus einer Nutzfläche 10 der Leiterplatte sowie einem die Nutzfläche 10 umgebenden Galvanikrand 9 besteht. Üblicherweise werden Testmuster 5 in diesem Galvanikrand 9 angeordnet, der nach der Herstellung der Leiterplatte üblicherweise entfernt wird. In der Fig. 4 sind Positionen 11 bzw. 12 angegeben, an denen Testmuster 5 in Abhängigkeit von der Anzahl der Testmuster 5 je Leiterplatte 1 angeordnet werden sollten. Werden nur zwei hier nicht näher dargestellte Testmuster 5 auf der Leiterplatte 1 benötigt, so werden diese in die Symmetrieebene der Leiterplatte 1 angeordnet. Bei vier Testmustern 5 können diese an den Positionen 12 angeordnet sein.

Claims (22)

1. Verfahren zur Erfassung von Position und Versatz von mit Leiterbahnen ver­ sehenen Lagen (2, 3) an Leiterplatten (1), vorzugsweise an Mehrlagenleiterplatten (1), dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. ein mit einer Erfassungseinrichtung für elektrische Kontakte verbindbares Werkzeug (20) zumindest einzelne Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) an einer Position durchtritt, an der zumindest einzelne Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) jeweils gleichartige Testmuster (5) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen,
• 2. das Werkzeug (20) Bearbeitungsbewegungen mit einer Vorschubkomponente parallel zur Leiterplattenebene ausführt, bei denen ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Werkzeug (20) und Teilen der Testmuster (5) in den jeweiligen Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) hergestellt wird,
• 3. die Erfassungseinrichtung bei jeder einzelnen Bearbeitungsbewegung des Werkzeuges (20) das erstmalige Auftreten der jeweiligen elektrischen Kontakte erfaßt und an eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung weiterleitet,
• 4. die Auswerteeinrichtung den zugehörigen Berührpunktpunkt zwischen Werkzeug (20) und jeweiligem Testmuster (5) ermittelt, und
• 5. die Auswerteeinrichtung nach der Durchführung aller derartigen Bearbeitungsbewegungen aus den Meßwerten die exakte Position jedes der Testmuster (5) der einzelnen Lagen (2, 3) bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung aus den ermittelten Positionen der Testmuster (5) in den jeweiligen Lagen Bohrpositionen (8) von gemeinsamen Kontaktbohrungen zwischen zugehörigen Leiterbahnen der jeweiligen Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohr­ positionen (8) der gemeinsamen Kontaktbohrungen durch Mittelung der Positionen der Testmuster (5) in den einzelnen Lagen (2, 3) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (20) die Leiterplatte (1) senkrecht zur Leiterplattenebene ganz durchtritt und für alle La­ gen (2, 3) der Leiterplatte (1) gleiche Bearbeitungsbewegungen derart ausgeführt, daß alle Testmuster (5) in den jeweiligen Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) im Verlauf der Bewegung mit dem Werkzeug (20) und der Erfassungseinrichtung in elektrischen Kontakt treten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (20) nur teilweise in die Leiterplatte (1) eindringt und Bearbeitungsbewegungen derart ausgeführt, daß jeweils nur ein Testmuster (5) einer ausgewählten Lage (2, 3) der Leiterplatte (1) im Verlauf der Bewegung mit dem Werkzeug (20) und der Erfassungseinrichtung in elektrischen Kontakt tritt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbei­ tungsbewegungen des Werkzeuges (20) derart ausgeführt werden, daß das Werkzeug (20) von dem Eindringpunkt in die Leiterplatte (1) zuerst entlang einer ausgewählten Richtung (19) in der Leiterplattenebene jeweils eine Bewegung in positive und negative Koordinatenrichtung ausführt und dann in einer dazu senkrechten, ebenfalls in der Leiterplattenebene liegenden Richtung (19) wiederum eine Bewegung in positive und negative Koordinatenrichtung ausführt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewe­ gungsrichtungen (19) des Werkzeuges (20) entlang der Außenkanten der Leiterplatte (1) angeordnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ wegungrichtungen (19) des Werkzeuges an die Form und die Lage der Testmuster (5) auf den Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) angepaßt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ arbeitungsbewegungen (19) bis zum Erfassen aller Kontakte mit den Testmustern (5) der ausgewählten Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) ausgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Positionen von Testmustern (5) in einer Aufspannung der Leiterplatte (1) und auf der­ selben Maschine durchgeführt wird, auf der auch das Bohrbild der Leiterplatte (1) her­ gestellt wird.

11. Vorrichtung zur Erfassung von Position und Versatz von mit Leiterbahnen ver­ sehenen Lagen (2, 3) an Leiterplatten (1), vorzugsweise an Mehrlagenleiterplatten (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, aufweisend

• 1. eine Bearbeitungsmaschine,
• 2. eine Erfassungseinrichtung, mit der während eines Bearbeitungsvorganges elektrisch leitfähige Kontakte zwischen einem Werkzeug (20) und Bereichen oder Teilbereichen der Leiterplatte (1) aus elektrisch leitfähigem Material erfaßbar sind,
• 3. Kontaktierungselemente (13), die die Erfassungseinrichtung elektrisch mit dem leitfähigen Material der Leiterplatte (1) verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. jede der Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) mindestens je ein Testmuster (5) aus dem elektrisch leitfähigem Material aufweist,
• 2. die Testmuster (5) der einzelnen Lagen (2, 3) jeweils im wesentlichen an gleicher Position und senkrecht zur Leiterplattenebene übereinander angeordnet und mit den Kontaktierungselementen (13) elektrisch leitend verbunden sind,
• 3. das Werkzeug (20) derart positionierbar und bewegbar ist, daß in einer die Leiterplatte (1) zumindest teilweise durchtretenden Stellung des Werkzeuges (20) während vorgebbarer Bearbeitungsbewegungen mit einer Vorschubkomponente parallel zur Leiterplattenebene ein elektrischer Kontakt zwischen Werkzeug (20) und den Testmustern (5) der jeweiligen Lagen (2, 3) erfaßbar und an eine Auswerteeinheit weiterleitbar ist, in der der zugehörige Berührpunktpunkt zwischen Werkzeug (20) und jeweiligem Testmuster (5) ermittelbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmuster (5) jeder Lage (2, 3) der Leiterplatte (1) vorzugsweise geschlossene, symmetrisch-ringför­ mige und aus leitfähigem Material bestehende Formen aufweisen, in deren Innenbereich (15) eine freibleibende Zone nichtleitfähigen Basismaterials der Leiterplatte (1) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringform eines Testmusters (5) rechteckig, vorzugsweise quadratisch ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (15) aus nichtleitfähigem Basismaterial in ihren Abmessungen größer als die zugehörigen Abmessungen des Werkzeuges (20) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmuster (5) der einzelnen Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) in einem gemeinsamen Herstellungsschritt mit den Leiterbahnen auf das Basismaterial der Leiterplatte (1) aufbringbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kontaktstift (13) in die Leiterplatte (1) einbringbar und derart elektrisch mit jedem zuge­ hörigen Testmuster (5) einer Lage (2, 3) verbunden ist, daß damit eine elektrisch leit­ fähige Verbindung zwischen dem Testmuster (5) und der Erfassungseinrichtung herstellbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Testmuster (5) in jeder Lage (2, 3) der Leiterplatte (1) an vorgebbaren Positionen angeordnet ist und für jedes dieser Testmuster (5) die Position innerhalb der Leiterplatte (1) ermittelbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmuster (5) der einzelnen Lagen (2, 3) der Leiterplatte (1) derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß Bearbeitungsbewegungen zur Erfassung des Testmusters (5) einer Lage (2, 3) ohne Kontakt zu Testmustern anderer Lagen ausführbar sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsmaschine eine Bohr-/Fräsmaschine zur serienmäßigen Herstellung von Bohrbildern auf Leiterplatten (1) ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmuster (5) jeder Lage (2, 3) der Leiterplatte (1) vorzugsweise lineare, im wesentlichen strichartig ausgebildete Segmente aus leitfähigem Material aufweisen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen, strichartigen Segmente kreuzartig zueinander ausgerichtet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (20) einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen einem Testmuster (5) einer Lage (2, 3) der Leiterplatte (1) sowie einer weiteren Lage der Leiterplatte herstellt, die flächig vollständig mit leitfähigem Material versehen ist.