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Die Erfindung betrifft die Bearbeitung von Leiterplatten (sog. Panels), die meist automatisiert in Werkzeugmaschinen erfolgt, die die genaue Position und/oder die Ausrichtung der Leiterplatte mit hoher Genauigkeit erfassen müssen, um eine präzise Bearbeitung erreichen zu können. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bohrstation sowie ein Eintrittsmaterial (sog. Entry) zur Bearbeitung von Leiterplatten.
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Grundsätzlich ist es bekannt, dass Leiterplatten vor der eigentlichen Bearbeitung mit Referenzbohrungen versehen werden, die in nachfolgenden Bearbeitungsschritten von den Werkzeugmaschinen beispielsweise mit einer CCD-Kamera erfasst werden und/oder als Referenz genommen werden, um dann beispielsweise Bohrungen in die Leiterplatten einzubringen.
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Ein besonderer Arbeitsschritt bei der Bearbeitung von Leiterplatten ist das sog. Backdrilling. Dies ist ein Arbeitsgang, bei dem nicht benötigten Resthülsen von durchkontaktierten Bohrungen in einer mehrlagigen Leiterplatte herausgebohrt werden. Es soll also eine an der Innenwand metallisch beschichtete Bohrung so aufgebohrt werden, dass die metallische Beschichtung bereichsweise entfernt wird. Beim diesem Backdrilling gibt es die Anforderung, dass beim Herausbohren der Hülse das Zentrum der Hülse möglichst genau getroffen werden soll. Dies ermöglicht es, den Durchmesserunterschied zwischen der Vorbohrung, welche dann zunächst metallisiert wird, und dem Durchmesser mit dem die metallische Hülse später heraus gebohrt wird, zu minimieren.
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Um diesen Prozess zu optimieren, werden aktuell alle Bohrungen mittels einer an der Bohrstation angebauten CCD-Kamera vermessen. Dies ist sehr langwierig und auch problembehaftet, da durch Oxidationen, Verunreinigungen und Staub Messergebnisse verfälscht oder Teilbereiche gar nicht messbar sind. Mit der CCD Vermessung sollen Fertigungstoleranzen beim Bohren der Löcher für die Durchkontaktierungen ausgeglichen werden.
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Bedingt durch die oben beschriebenen Probleme, ist hier ein stabiler Prozess nur sehr schwer sicher zu stellen. Zudem werden die Bohrwerkzeuge beim Herausbohren der Hülse durch den Einsatz von konventionellen leitfähigen und nicht leitfähigen Eintrittsmaterialien sehr gut geführt, was jedoch die Zentrierung im vorgebohrten Loch verhindert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Bohrstation sowie ein Eintrittsmaterial (Entry) bereitzustellen, die das Einbringen von Bohrungen beim Backdrilling kostengünstig, in hoher Qualität und mit kurzen Taktzeiten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Eintrittsmaterial (Entry) im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Eintrittsmaterial aus wenigstens zwei Schichten besteht, von denen die im Benutzungszustand auf einer Leiterlatte aufliegende erste Schicht ein elektrisch leitfähiges Material mit einer Schichtdicke von höchstens 150 µm und die im Benutzungszustand der Leiterlatte abgewandte zweite Schicht ein nicht elektrisch leitfähiges Material mit einer Schichtdicke von mindestens 50 µm ist.
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Vorzugsweise ist die erste Schicht des Eintrittsmaterials eine metallische Schicht. Die erste Schicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von höchstens 75 µm, insbesondere von höchstens 50 µm, haben. Es hat sich in Versuchen als zweckmäßig erwiesen, wenn die erste Schicht eine Aluminiumfolie mit einer Schichtdicke von 5 µm bis 20 µm, insbesondere von 10 µm, ist. Alternativ kann die erste Schicht eine Kupferfolie mit einer Schichtdicke von 10 µm bis 50 µm, insbesondere von 30 µm, sein.
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Die zweite Schicht des Eintrittsmaterials kann eine zellstoffhaltige Schicht sein, beispielsweise eine Schicht Papier. Die zweite Schicht kann eine Schichtdicke von mindestens 70 µm, insbesondere von mindestens 90 µm, haben. In einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht eine Papierschicht, insbesondere eine Schicht Packpapier, mit einer Schichtdicke von 100 µm.
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Die erste Schicht ist vorzugsweise mit der zweiten Schicht verbunden. So kann die erste leitende Schicht auf die zweite nicht leitende Schicht auflaminiert oder aufgedampft sein.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das erfindungsgemäße Eintrittsmaterial eine oder mehrere weitere Schichten aus elektrisch leitendem oder nicht leitendem Material aufweist. Zudem können die Schichtdicken variieren. Die Gesamtdicke des Eintrittsmaterials sollte erfindungsgemäß maximal 1.000 µm, vorzugsweise maximal 400 µm, insbesondere zwischen 90 µm und 250 µm, beispielsweise etwa 150 µm, betragen.
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Das erfindungsgemäße Eintrittsmaterial weist den Vorteil auf, dass es eine Gratbildung beim Bohren zwar wirksam verhindert, allerdings gleichzeitig den Bohrer nicht oder allenfalls minimal führt, so dass der Bohrer beim Backdrilling im Wesentlichen durch die bereits vorhandene Bohrung zentriert wird. Um Probleme durch zu frühe Kontakte wegen Spänen an der Bohrerspitze und ähnliche Probleme zu vermeiden, wird erfindungsgemäß zusätzlich zu der elektrisch leitfähigen ersten Schicht als zweite Schicht ein nicht leitfähiges Abdeckmaterial verwendet, welches die gleichen (nicht zentrierenden) Voraussetzungen erfüllt wie das leitfähige Eintrittsmaterial der ersten Schicht.
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Eine erfindungsgemäße Bohrstation zur Bearbeitung von Leiterplatten weist vorzugsweise eine Auflage zur Aufnahme wenigstens einer Leiterplatte, wenigstens einen Bohrer, der mit einer Steuerung verbunden ist und mittels der Steuerung relativ zu der Auflage bewegbar ist, und mit wenigstens einer Kamera, beispielsweise einer CCD-Kamera, die mit der Steuerung verbunden ist, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Bohrer an Positionen relativ zu wenigstens zwei von der Kamera detektierten Ausrichtmarken (Passermarken) zu bewegen. Die wenigstens eine Leiterplatte ist dabei vorzugsweise auf der der Aufnahme abgewandten Seite mit einem Eintrittsmaterial der oben genannten Art bedeckt. Die Bewegung des Bohrers mittels der Steuerung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Steuerung den Bohrer und/oder entsprechende Antriebsglieder, die dem Bohrer zugeordnet sind, derart ansteuert, dass sich der Bohrer entsprechend relativ zu den Ausrichtmarken bewegt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Bohrstation ist die Steuerung dazu eingerichtet, den wenigstens einen Bohrer innerhalb mehrerer Bereiche einer Leiterplatte an Positionen relativ zu wenigstens zwei von der Kamera detektierten Ausrichtmarken innerhalb des jeweiligen Bereichs zu bewegen.
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Unabhängig von den zuvor beschriebenen Merkmalen ist es ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, für Bohrungen, insbesondere beim Backdrilling von Leiterplatten, den Messaufwand dadurch zu reduzieren, dass die Leiterplatten (Panels) datentechnisch segmentiert werden. Jedes einzelne dieser Segmente wird mit der CCD-Kamera der Maschine optisch ausgerichtet. Als Ausrichtmarken können beispielsweise Bohrungen verwendet werden, welche in der gleichen Aufspannung gebohrt wurden wie die Bohrung für die Durchkontaktierungen. Alternativ können auch die Löcher der Durchkontaktierungen zur Ausrichtung verwendet werden. Die Anzahl der Ausrichtmarken kann frei gewählt werden, wobei mindestens zwei Ausrichtmarken zu empfehlen sind. Der Abstand in beiden Achsen sollte möglichst groß sein. Jedoch ist eine Ausrichtung über vier Ausrichtmarken empfehlenswerter. Auch hier sollte auf möglichst große Abstände in beiden Achsen geachtet werden. Auf diesem Weg können sowohl die Zeit für die Ausrichtung als auch die Fehlermöglichkeiten bei der Ausrichtung reduziert werden.
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Bei der Berechnung dieser Ausrichtungen werden vorzugsweise auch Schrumpf- und Dehnwerte berücksichtigt sowie ggf. die X/Y Positionen. Die Positionen der Durchgangsbohrungen mit Durchkontaktierung relativ zu den Ausrichtmarken sind vorzugsweise in der Steuerung gespeichert. Üblicherweise sind diese Daten ohnehin in der Steuerung hinterlegt, da die Ausrichtmarken und die Durchgangsbohrungen in der gleichen Aufspannung einer Bohrstation gebohrt werden.
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Somit liegen keine individuellen Messwerte für jede einzelne Backdrilling-Bohrung vor. Es besteht daher das Risiko, dass individuelle Ungenauigkeiten bei einzelnen Bohrungen nicht erkannt werden. Versuche belegen jedoch, dass bei Versätzen der Bohrposition bis zu 50 µm zur Vorbohrung ein solcher kleinerer Versatz durch die Vorbohrung wieder eingefangen werden können, insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen Eintrittsmaterials. Das bedeutet, dass der Bohrer durch die bereits bestehende Bohrung sauber in dieser zentriert wird. Dieser Effekt kann allerdings nur beobachtet werden wenn keine konventionellen Eintrittsmaterialien verwendet werden. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Eintrittsmaterials reduziert dagegen die Gratbildung und erlaubt es dem Werkzeug, sich in der vorgebohrten Bohrung zu zentrieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 in Schnittansicht eine Leiterplatte (Panel) während des Einbringens einer Backdrilling-Bohrung, und
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2 in Draufsicht eine Leiterplatte.
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1 zeigt im schematischen Querschnitt eine Leiterplatte 1, die in einer Bohrstation 2 bearbeitet wird. Die Bohrstation 2 weist hierzu eine Auflage 3 auf, auf welcher die Leiterplatte bspw. eingespannt ist. Weiter ist die Bohrstation mit einem Bohrer 4 versehen, der über eine Steuerungseinrichtung, die auch Antriebselemente umfassen kann, betätigbar ist. Der Bohrer 4 kann dabei insbesondere mittels der Steuerung 5 relativ zu der Leiterplatte bewegt werden, d.h. bspw. in der Ansicht der 1 nach oben und unten bzw. nach rechts und links bewegt werden sowie in Rotation versetzt werden.
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Die Leiterplatte 1 ist, obwohl dies in 1 nicht im Detail gezeigt ist, beispielsweise eine mehrlagige Leiterplatte. In der Leiterplatte 1 sind mehrere Durchgangsbohrungen 6 bzw. 7 vorhanden. In einem vorherigen Arbeitsschritt sind diese Durchgangsbohrungen 6, 7 durchkontaktiert worden, d.h. auf ihrer Innenseite mit einer metallischen elektrisch leitenden Beschichtung versehen worden. Diese Durchkontaktierung ist als in der Bohrung 6 bzw. 7 angeordnete Hülse 8 zu erkennen. In dem in 1 dargestellten Arbeitsgang des Backdrillings soll diese Hülse 8 ganz oder teilweise mittels des Bohrers 4 aus der Bohrung 6 bzw. 7 entfernt werden. In 1 ist dabei die Bohrung 6 bereits durch den Bohrer 4 bearbeitet dargestellt, so dass die Hülse 8 teilweise entfernt ist. Dagegen ist in der Bohrung 7 die Hülse 8 noch vollständig vorhanden.
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Um die Gradbildung während des Bohrens zu vermeiden oder zu minimieren, ist auf der dem Bohrer 4 zugewandten oberen Seite der Leiterplatte ein sog. Eintrittsmaterial (Entry) 9 aufgebracht. Zudem ist auf der dem Bohrer 4 gegenüberliegenden Seite, d.h. zwischen der Auflage und der Leiterplatte 1 ein Backup-Material 10 vorgesehen, welches ebenfalls die Gradebildung beim Bohren reduziert.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Eintrittsmaterial 9 dargestellt, welches einen zweischichtigen Aufbau aufweist. Auf der der Leiterplatte 1 zugewandten Seite ist zunächst eine, insbesondere dünne, erste Schicht 11 eines elektrisch leitfähigen Materials vorgesehen. Auf dieser liegt auf der dem Bohrer 4 zugewandten Seite eine beispielsweise dickere zweite Schicht 12, aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erste Schicht eine Schicht aus Aluminium oder Kupfer mit einer Schichtdicke zwischen bspw. 10 µm bis etwa 30 µm sein. Die zweite Schicht 12 kann bspw. aus handelsüblichem Packpapier bestehen und eine Stärke von etwa 100 µm haben. Die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 sind dabei in der dargestellten Ausführungsform so miteinander verbunden, dass das Eintrittsmaterial 9 als eine einzelne Lage gehandhabt werden kann. Es ist daher nicht erforderlich, die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 getrennt voneinander auf der Leiterplatte 1 aufzubringen.
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Diese Ausgestaltung des Eintrittsmaterials 9 mit der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 bewirkt, dass einerseits eine verstärkte Gradbildung während des Bohrvorgangs ganz oder jedenfalls weitgehend vermieden werden kann, ohne dabei jedoch den Bohrer 4 in dem Eintrittsmaterial 9 zu stark zu führen. Vielmehr kann der Bohrer 4 selbst bei einem leichten Versatz des Bohrers 4 relativ zu den Durchgangsbohrungen 6 bzw. 7, bspw. bei einem Versatz um bis zu 50 µm, im Wesentlichen durch die Durchgangsbohrungen 6 bzw. 7 zentriert werden.
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In 2 ist die Draufsicht auf eine zu bearbeitende Leiterplatte 1 gezeigt. Auf der Leiterplatte 1 sind in dem in 2 gezeigten Beispiel 9 Nutzen als rechteckige Bereiche gekennzeichnet. Diese Nutzen können beispielsweise Bereiche sein, die bei der weiteren Verarbeitung aus der Leiterplatte 1 herausgetrennt werden, um eine eigene Schaltung zu bilden. Weiter sind in der Darstellung der 2 mehrere Ausrichtmarken (Passermarken) 13 dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist jeder Nutzen mit insgesamt vier solchen Ausrichtmarken 14 versehen. Die Ausrichtmarken 13 können beispielsweise Durchgangsbohrungen sein, die in der gleichen Aufspannung gebohrt wurden, wie die in 2 nicht dargestellten Bohrungen 6, 7 für die Durchkontaktierung. In jedem Nutzen sind üblicherweise eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 6, 7 für die Durchkontaktierung zusätzlich zu den Ausrichtmarken 13 vorhanden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, Durchgangsbohrungen 6 bzw. 7 für die Durchkontaktierung als Ausrichtmarken 13 zu verwenden.
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Nach der Erfindung ist es vorgesehen, beim Backdrilling die Leiterplatte 1 datentechnisch zu segmentieren, beispielsweise indem die Leiterplatte 1 in die in 2 gezeigten verschiedenen Nutzen aufgeteilt wird. Vor dem Backdrilling wird jeder einzelne Nutzen, d.h. jeder segmentierte Bereich der Leiterplatte 1 durch eine Kamera, die Bestandteil der Steuerung 5 sein kann oder eine separate mit der Steuerung 5 verbundene Kamera sein kann, optisch erfasst. Anders als bisher ist es dabei nicht mehr erforderlich, jede einzelne Durchgangsbohrung 6 bzw. 7 zu erfassen und den Bohrer 4 entsprechend der durch die Kamera erfassten Position der Durchgangsbohrung 6 bzw. 7 auszurichten. Vielmehr ist es ausreichend, für jeden Nutzen lediglich die Ausrichtmarken 13 zu erfassen, wodurch bei bekannten Positionen der Durchgangsbohrungen 6, 7 relativ zu den Ausrichtmarken 13 der Bohrer 4 allein basierend auf den erkannten Positionen der Ausrichtmarken 13 relativ zu der Leiterplatte 1 bewegt werden kann.
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Die Positionen der Durchgangsbohrungen 6, 7 mit Durchkontaktierung relativ zu den Ausrichtmarken 13 sind in der Steuerung gespeichert, da die Ausrichtmarken 13 und die Durchgangsbohrungen 6, 7 in der gleichen Aufspannung von einer Bohrstation gebohrt werden. Dieses Verfahren, bei dem beim Backdrilling innerhalb einzelner Segmente einer Leiterplatte 1 leidglich Ausrichtmarken 13 optisch erfasst werden und das Backdrilling dann an Positionen relativ zu diesen Ausrichtmarken 13 erfolgt, bringt einen erheblichen Zeitvorteil bei der Bearbeitung von Leiterplatten mit sich. Zudem können die Fertigungstoleranzen verbessert werden, da durchkontaktierte Bohrungen teilweise durch Oxidationen, Verunreinigungen und/oder Staub in ihrer individuellen Position nicht ideal erfassbar sind.
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Bei gleichzeitiger Verwendung des erfindungsgemäßen Eintrittsmaterials 9 ist es zudem möglich, dass ein minimaler Versatz des Bohrers 4 zu den durchkontaktierten Bohrungen 6, 7 dadurch ausgeglichen wird, dass sich der Bohrer 4 innerhalb der Bohrungen 6, 7 zentriert, ohne durch das Eintrittsmaterial 9 zu stark geführt zu werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte (Panel)
- 2
- Bohrstation
- 3
- Auflage
- 4
- Bohrer
- 5
- Steuerung
- 6
- Bohrung
- 7
- Bohrung
- 8
- Hülse (Durchkontaktierung)
- 9
- Eintrittsmaterial (Entry)
- 10
- Backup
- 11
- erste Schicht
- 12
- zweite Schicht
- 13
- Ausrichtmarke
