DE202020101145U1 - Device for stacking, aligning and connecting layers of printed circuit boards - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Stapeln, Ausrichten und Verbinden von Leiterplattenlagen (8, 9), die elektrisch leitende Schichten oder Strukturen (6, 7) aufweisen und miteinander in einem Stapelraum (16) der Vorrichtung verbunden werden, umfassend eine Halteeinrichtung (22) zum Halten einer oberen Leiterplattenlage (8) und eine Ausrichteinrichtung zum Ausrichten der oberen Leiterplattenlage (8) relativ zu einer sich im Stapelraum (16) befindenden unteren Leiterplattenlage (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung eine parallelkinematische Bewegungseinrichtung (18) mit sechs oder mehr Linearaktoren (19) umfasst, die gemeinsam auf die Halteeinrichtung (22) zum Halten der oberen Leiterplattenlage (8) einwirken. Device for stacking, aligning and connecting circuit board layers (8, 9) which have electrically conductive layers or structures (6, 7) and are connected to one another in a stacking space (16) of the device, comprising a holding device (22) for holding an upper one Circuit board layer (8) and an alignment device for aligning the upper circuit board layer (8) relative to a lower circuit board layer (9) located in the stacking space (16), characterized in that the alignment device is a parallel kinematic movement device (18) with six or more linear actuators (19 ), which act together on the holding device (22) for holding the upper circuit board layer (8).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stapeln, Ausrichten und Verbinden von Leiterplattenlagen, die elektrisch leitende Schichten oder Strukturen aufweisen und miteinander in einem Stapelraum der Vorrichtung verbunden werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for stacking, aligning and connecting circuit board layers, which have electrically conductive layers or structures and are connected to one another in a stacking space of the device, according to the preamble of
Multilayer-Leiterplatten umfassen häufig mehrere Leiterplattenlagen in der Form von Innenlagen, die insbesondere aus sog. Kernen („cores“) bestehen und mittels Prepreglagen miteinander verklebt werden.Multilayer circuit boards often include several circuit board layers in the form of inner layers, which in particular consist of so-called cores and are glued to one another by means of prepreg layers.
Prepregs bestehen häufig aus einem mit Harz getränkten Glasgewebe, das vorgetrocknet, aber nicht ausgehärtet ist, so dass das Harz, wenn es durch Erwärmen aktiviert wird, wieder fließt, klebt und danach vollständig vernetzt. Prepregs sind somit wärmeaktivierbare Kleberschichten, die in der Regel mit Glasgewebe verstärkt sind.Prepregs often consist of a resin-impregnated glass fabric that is pre-dried but not hardened so that the resin, when activated by heating, flows again, sticks and then completely cross-links. Prepregs are therefore heat-activated adhesive layers that are usually reinforced with glass fabric.
Als Leiterplatten-Kerne bezeichnet man üblicherweise vorgepresste Schichtungen mit dem Aufbau: Kupferfolie-Prepreg-Kupferfolie.Printed circuit board cores are usually referred to as pre-pressed layers with the structure: copper foil-prepreg-copper foil.
Bei der Herstellung der Leiterplatten werden die einzelnen Leiterplattenlagen und die dazwischenliegenden Prepreglagen nacheinander in der richtigen Reihenfolge aufeinandergelegt, exakt zueinander ausgerichtet und zunächst nur lokal begrenzt bzw. punktuell miteinander verbunden (vorlaminiert), um einen zusammenhängenden Lagenstapel mit exakt zueinander positionierten Leiterplattenlagen zur weiteren Bearbeitung zu erhalten. Die Endlamination der Leiterplattenlagen erfolgt später in einer Heizpresse.During the production of the circuit boards, the individual circuit board layers and the prepreg layers in between are laid one on top of the other in the correct order, exactly aligned with one another and initially only locally limited or connected to one another at certain points (pre-laminated) in order to create a coherent stack of circuit board layers with precisely positioned circuit board layers for further processing receive. The final lamination of the circuit board layers takes place later in a heating press.
Es ist bekannt, das Handling der Leiterplattenlagen, d.h. das Zuführen und Ausrichten, mit Maschinen durchzuführen, die Mischformen aus seriellen und parallelen Kinematiken aufweisen, die maximal vier Freiheitsgrade, d.h. Bewegungen um vier Achsen, ermöglichen. Damit kann die auszurichtende Leiterplattenlage in z-Richtung (nach oben und unten), in xy-Richtung (Verschiebung in der Horizontalebene) verschoben und um die z-Achse gedreht werden. Bei seriellen Kinematiken sind mehrere Aktoren hintereinander geschaltet, so dass ein Aktor einen anderen Aktor mitbewegen muss. Unter paralleler Kinematik versteht man in diesem Zusammenhang mehrere Aktoren, die nebeneinander angeordnet sind und gleichzeitig auf dasselbe Teil einwirken.It is known that the handling of the printed circuit board layers, i. the feeding and alignment, to be carried out with machines that have mixed forms of serial and parallel kinematics that have a maximum of four degrees of freedom, i.e. Movements around four axes. The printed circuit board layer to be aligned can thus be shifted in the z-direction (up and down), in the xy-direction (shift in the horizontal plane) and rotated around the z-axis. With serial kinematics, several actuators are connected in series so that one actuator has to move another actuator. In this context, parallel kinematics are understood to mean several actuators that are arranged next to one another and act simultaneously on the same part.
Nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtungen, dass damit die auszurichtende Leiterplattenlage lediglich mit vier Freiheitsgraden bewegt werden kann. Ungleichheiten des Maschinengestells können daher nicht im gewünschten Maße ausgeglichen werden. Weiterhin wäre es wünschenswert, die Wiederholgenauigkeit derartiger Vorrichtungen beim Ausrichtvorgang zu verbessern und die Geschwindigkeit beim Handling der Leiterplattenlagen zu erhöhen.The disadvantage of these known devices is that the printed circuit board layer to be aligned can only be moved with four degrees of freedom. Inequalities in the machine frame can therefore not be compensated for to the desired extent. Furthermore, it would be desirable to improve the repeatability of such devices during the alignment process and to increase the speed when handling the circuit board layers.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Stapeln, Ausrichten und Verbinden von Leiterplattenlagen zu schaffen, mit der insbesondere der Stapel- und Ausrichtvorgang mit möglichst hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit durchgeführt werden kann.The invention is therefore based on the object of creating a device for stacking, aligning and connecting layers of printed circuit boards, with which the stacking and aligning process in particular can be carried out with the highest possible accuracy and speed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.According to the invention, this object is achieved by a device having the features of
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung eine parallelkinematische Bewegungseinrichtung mit sechs oder mehr Linearaktoren umfasst, die gemeinsam auf die Halteeinrichtung zum Halten der oberen Leiterplattenlage einwirken.The device according to the invention is characterized in that the alignment device comprises a parallel kinematic movement device with six or more linear actuators, which act together on the holding device for holding the upper circuit board layer.
Der Begriff „untere Leiterplattenlage“ bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf diejenige Leiterplattenlage, die sich bereits im Stapelraum befindet, während sich der Begriff „obere Leiterplattenlage“ auf diejenige Leiterplattenlage bezieht, die nachfolgend, insbesondere zusammen mit einer auf ihrer Unterseite angeordneten Prepreglage, auf die untere Leiterplattenlage aufgesetzt und relativ zu dieser ausgerichtet wird.In the context of the present invention, the term "lower circuit board layer" refers to that circuit board layer that is already in the stacking space, while the term "upper circuit board layer" refers to that circuit board layer which is subsequently, in particular together with a prepreg layer arranged on its underside, is placed on the lower circuit board layer and aligned relative to this.
Die erfindungsgemäße parallelkinematische Bewegungseinrichtung mit sechs oder mehr Linearaktoren verbessert die Dynamik, Präzision und Geschwindigkeit des Stapel- und Ausrichtvorgangs erheblich. Die erreichbaren Wiederholgenauigkeiten der Positionierung sind wesentlich höher als bei seriellen Mechaniken. Die rein parallele Kinematik mit sechs oder mehr Linearaktoren ermöglicht darüber hinaus nicht nur eine Ausrichtung mit maximal vier Achsen (Verschiebung in x-, y-, und z-Richtung sowie Drehung um die z-Achse), sondern zusätzlich auch eine Ausrichtung durch Drehung um die x- und y-Achsen (Verkippen der Ausrichtebenen), so dass insgesamt sechs Freiheitsgrade gegeben sind. Hierdurch können auf sehr einfache und schnelle Weise Ungenauigkeiten vom Maschinengrundgestell her ausgeglichen werden. Durch den Einsatz von mehr als sechs Linearaktoren kann eine kinematische Redundanz geschaffen werden, welche die Präzision und Sicherheit des Ausrichtvorgangs nochmals erhöht. Ferner ist die Energiebilanz der erfindungsgemäßen parallelkinematischen Bewegungseinrichtung gegenüber seriellen Mechaniken oder Hybridausführungen verbessert.The parallel kinematic movement device according to the invention with six or more linear actuators improves the dynamics, precision and speed of the stacking and aligning process considerably. The repeatability of the positioning that can be achieved is much higher than with serial mechanics. The purely parallel kinematics with six or more linear actuators not only enable alignment with a maximum of four axes (displacement in x, y, and z directions as well as rotation around the z axis), but also alignment by rotation around the x- and y-axes (tilting the alignment planes), so that a total of six degrees of freedom are given. In this way, inaccuracies from the machine base frame can be compensated for in a very simple and quick manner. By using more than six linear actuators, kinematic redundancy can be created, which further increases the precision and safety of the alignment process. Furthermore, the energy balance of the parallel kinematic movement device according to the invention is improved compared to serial mechanisms or hybrid designs.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Linearaktoren elektromotorisch bewegte Hubzylinder. Derartige Linearaktoren können auf sehr schnelle und äußerst präzise Weise Längenänderungen vornehmen. According to an advantageous embodiment, the linear actuators are lifting cylinders that are moved by an electric motor. Such linear actuators can make changes in length in a very fast and extremely precise manner.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Ausrichteinrichtung mindestens ein Kamerasystem zur optischen Positionserkennung der oberen Leiterplattenlage relativ zur unteren Leiterplattenlage auf, wobei das Kamerasystem Steuerungssignale zur Ansteuerung der parallelkinematischen Bewegungseinrichtung erzeugt. Die Ist-Position der sich bereits im Stapelraum befindenden Leiterplattenlage und/oder der auf diese Leiterplattenlage aufzusetzenden Leiterplattenlage kann auf diese Weise insbesondere durch auf die Leiterplattenlagen aufgeätze Orientierungsmarker durch das Kamerasystem erkannt werden. Die parallelkinematische Bewegungseinrichtung wird dann derart angesteuert, dass sie Ausgleichsbewegungen durchführt, bis die Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position minimal ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit sind vorzugsweise mehrere Kamerasysteme, insbesondere zwei Kamerasysteme, vorgesehen.According to an advantageous embodiment, the alignment device has at least one camera system for optical position detection of the upper circuit board layer relative to the lower circuit board layer, the camera system generating control signals for activating the parallel kinematic movement device. The actual position of the circuit board layer already in the stacking space and / or the circuit board layer to be placed on this circuit board layer can in this way be recognized by the camera system, in particular through orientation markers placed on the circuit board layers. The parallel kinematic movement device is then controlled in such a way that it carries out compensatory movements until the deviation of the actual position from the target position is minimal. A plurality of camera systems, in particular two camera systems, are preferably provided to increase the accuracy.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Transporteinrichtung zum Transport der Leiterplattenlagen von einer Aufnahmestation zum Stapelraum, wobei die parallelkinematische Bewegungseinrichtung ein Teil der Transporteinrichtung ist. Dies bedeutet, dass die parallelkinematische Bewegungseinrichtung zwischen dem Aufnahmeraum, in dem die zu stapelnde Leiterplattenlage, gegebenenfalls zusammen mit einer oder mehrerer Prepreglagen, entweder manuell oder mittels eines Roboters bereitgestellt wird, und dem Stapelraum verfahren werden kann.According to an advantageous embodiment, the device comprises a transport device for transporting the printed circuit board layers from a receiving station to the stacking space, the parallel kinematic movement device being part of the transport device. This means that the parallel kinematic movement device can be moved between the receiving space, in which the printed circuit board layer to be stacked, optionally together with one or more prepreg layers, either manually or by means of a robot, and the stacking space.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Halteeinrichtung zum Halten der Leiterplattenlage Vakuumsauger, die zum Ansaugen und Halten der Leiterplattenlage mittels Unterdruck ausgebildet sind. Hierdurch kann die zu transportierende und zu stapelnde Leiterplattenlage auf sehr einfache und schnelle Weise aufgenommen und sicher zum Stapelraum transportiert werden. Andere Halteeinrichtungen, beispielsweise mechanisch oder magnetisch wirkende Greifeinrichtungen, sind grundsätzlich jedoch auch denkbar.According to an advantageous embodiment, the holding device for holding the printed circuit board layer comprises vacuum suction cups which are designed to suck in and hold the printed circuit board layer by means of negative pressure. As a result, the printed circuit board layer to be transported and stacked can be picked up in a very simple and rapid manner and safely transported to the stacking space. However, other holding devices, for example mechanically or magnetically acting gripping devices, are in principle also conceivable.
Zweckmäßigerweise ist die Halteeinrichtung an einer unteren Basisplatte der parallelkinematischen Bewegungseinrichtung befestigt, wobei ein Ende eines jeden Linearaktors mit der Basisplatte gelenkig verbunden ist. Handelt es sich bei der parallelkinematischen Bewegungseinrichtung beispielsweise um einen Hexapoden, so kann auf diese Weise die Bewegung der unteren Basisplatte des Hexapoden unmittelbar auf die Halteeinrichtung und von dieser auf die auszurichtende Leiterplattenlage übertragen werden.The holding device is expediently attached to a lower base plate of the parallel-kinematic movement device, one end of each linear actuator being connected in an articulated manner to the base plate. If the parallel kinematic movement device is a hexapod, for example, the movement of the lower base plate of the hexapod can be transmitted directly to the holding device and from there to the printed circuit board layer to be aligned.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Prepreg-Aktivierungseinrichtung in der Form einer Ultraschallerzeugungseinrichtung mit mindestens einer Sonotrode zum lokalen Aktivieren einer zwischen der oberen und unteren Leiterplattenlage angeordneten Prepreglage mittels Ultraschall.According to an advantageous embodiment, the device comprises a prepreg activation device in the form of an ultrasound generating device with at least one sonotrode for locally activating a prepreg layer arranged between the upper and lower circuit board layers by means of ultrasound.
Eine derartige Ultraschallerzeugungseinrichtung bietet den Vorteil, dass das Vorlaminieren des Lagenstapels, d.h. das lokal begrenzte Erwärmen und Härten der Prepreglage(n) und damit das lokal begrenzte Verbinden der einzelnen Leiterplattenlagen des Lagenstapels mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgen kann. Für das Erwärmen und Härten der Prepreglagen wird nur ein Bruchteil derjenigen Zeit benötigt, die übliche Vorrichtungen benötigen, die mit üblichen Heizelementen arbeiten. Die Fertigungszeiten für die Leiterplatten können daher entsprechend verkürzt bzw. der Durchsatz kann entsprechend erhöht werden. Weiterhin ist der für das Vorlaminieren benötigte Energieaufwand wesentlich niedriger als bei bekannten Verfahren, da durch die kürzere Bondingzeit weniger Abwärme verlorengeht und der Wirkungsgrad höher ist. Es wird weniger Abwärme erzeugt, die nicht dem Vorlaminierungsprozess dient. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine speziellen Muster aus Kupfer auf der Leiterplatte zur Optimierung des Wärmetransports erforderlich sind. Der Bereich, in dem gebondet wird, kann sehr schmal bzw. klein sein, was dazu beiträgt, die Materialausnutzung des Rohmaterials zu verbessern.Such an ultrasonic generating device offers the advantage that the pre-lamination of the stack of layers, i.e. the locally limited heating and hardening of the prepreg layer (s) and thus the locally limited connection of the individual printed circuit board layers of the stack of layers can take place at very high speed. Only a fraction of the time required for conventional devices that work with conventional heating elements is required for heating and curing the prepreg layers. The production times for the circuit boards can therefore be shortened accordingly or the throughput can be increased accordingly. Furthermore, the energy expenditure required for pre-lamination is significantly lower than with known methods, since less waste heat is lost due to the shorter bonding time and the efficiency is higher. Less waste heat is generated that is not used for the pre-lamination process. Another advantage is that no special copper patterns are required on the circuit board to optimize heat transfer. The area in which the bond is made can be very narrow or small, which helps to improve the utilization of the raw material.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ultraschallerzeugungseinrichtung eine Mehrzahl von Sonotroden, die im Stapelraum um die parallelkinematische Bewegungseinrichtung herum angeordnet und an einer gemeinsamen Hubeinrichtung zum Absenken und Aufsetzen der Sonotroden auf die obere Leiterplattenlage und Entfernen von der oberen Leiterplattenlage befestigt sind. Hierdurch lässt sich eine relativ einfache Bauweise mit wenigen Bauteilen realisieren. Es ist jedoch auch möglich, die Sonotroden unabhängig voneinander an getrennten Hubeinrichtungen vorzusehen.According to an advantageous embodiment, the ultrasound generating device comprises a plurality of sonotrodes which are arranged in the stacking space around the parallel kinematic movement device and are attached to a common lifting device for lowering and placing the sonotrodes on the upper circuit board layer and removing them from the upper circuit board layer. In this way, a relatively simple design can be implemented with a few components. However, it is also possible to provide the sonotrodes independently of one another on separate lifting devices.
Vorteilhafterweise umfasst die Prepreg-Aktivierungseinrichtung eine Sonotrode, die mittels eines beweglichen Roboterarms innerhalb des Stapelraums bewegbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Sonotrode im Stapelraum beliebig zu positionieren und die gestapelten Leiterplattenlagen an beliebigen Stellen miteinander zu verkleben. Eine derartige frei bewegliche Sonotrode kann insbesondere zusätzlich zu weiteren Sonotroden vorgesehen sein, welche die Vorlaminierung in den Randbereichen des Lagenstapels durchführen.The prepreg activation device advantageously comprises a sonotrode that can be moved within the stacking space by means of a movable robot arm. This makes it possible to position the sonotrode as desired in the stacking space and to glue the stacked circuit board layers to one another at any point. Such a freely movable sonotrode can in particular be provided in addition to further sonotrodes which carry out the prelamination in the edge regions of the stack of layers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Halteeinrichtung zum Halten der Leiterplattenlage Klammereinheiten, die zum Zusammenklemmen der Prepreglage und der Leiterplattenlage beim Transport vom Aufnahmeraum zum Stapelraum ausgebildet sind. Hierdurch ist es insbesondere möglich, im Aufnahmeraum einen Stapel aus einer oder mehreren Prepreglagen und einer Leiterplattenlage mit mindestens einer leitenden Schicht oder Struktur, beispielsweise eine Kernlage, bereitzustellen, wobei dann dieser Stapel durch die Klammereinheiten während des Transports des Stapels zum Stapelraum zusammengehalten wird. According to an advantageous embodiment, the holding device for holding the circuit board layer comprises clip units which are designed to clamp the prepreg layer and the circuit board layer together during transport from the receiving space to the stacking space. This makes it possible in particular to provide a stack of one or more prepreg layers and a printed circuit board layer with at least one conductive layer or structure, for example a core layer, in the receiving space, this stack then being held together by the clip units during the transport of the stack to the stacking space.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung Klemmeinheiten zum Fixieren des sich im Stapelraum befindenden Lagenstapels auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die exakt zueinander ausgerichteten Leiterplattenlagen exakt zueinander positioniert bleiben und beim Aufsetzen der Sonotroden nicht verschoben werden.According to an advantageous embodiment, the device has clamping units for fixing the stack of layers located in the stacking space. This ensures that the printed circuit board layers, which are exactly aligned with one another, remain exactly positioned with one another and are not shifted when the sonotrodes are placed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Lagenaufbaus einer Leiterplatte mit sechs Leiterplattenlagen, die leitende Schichten oder Strukturen aufweisen, -
2 : eine räumliche Darstellung von Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausrichten und Vorlaminieren von Leiterplattenlagen; -
3 : einen Vertikalschnitt durch einen Teil der Komponenten von2 in vergrößertem Maßstab; und -
4 : die Einzelheit IV von3 in vergrößertem Maßstab.
-
1 : a schematic representation of a layer structure of a circuit board with six circuit board layers, which have conductive layers or structures, -
2 : a three-dimensional representation of components of the device according to the invention for aligning and prelaminating circuit board layers; -
3 : a vertical section through part of the components of2 on an enlarged scale; and -
4th : the detail IV of3 on a larger scale.
In
Die in
Die Innenlagen
Die Dicke der Prepreglage
Oberhalb der oberen Innenlage
Weiterhin ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel unterhalb der unteren Innenlage
Anhand der
Die in
Hierzu weist die Vorrichtung eine Transporteinrichtung
Die Transporteinrichtung
Bei den Linearaktoren
Die obere Halteplatte
An der unteren Basisplatte
Aus den
Die Vorrichtung weist ferner Klemmeinheiten
Zweckmäßigerweise können die vier Klemmeinheiten
Nachdem die obere Innenlage
Die mittels der Sonotroden
Die Sonotroden
Im Folgenden wird der Ablauf beim Ultraschallbonden am Beispiel von zwei Innenlagen
Zunächst wird die untere Innenlage
Anschließend wird die nächste Innenlage
Im Stapelraum
Die Soll-Position der oberen Innenlage
Wenn der Ausrichtevorgang abgeschlossen ist, wird die Position des Lagenstapels
Anschließend werden die Ultraschallwandler, d.h. die Sonotroden
Anschließend erfolgt der Bondingvorgang mit Hilfe der Sonotroden
Nach diesem Bondingvorgang wird, falls weitere Lagen auf den Lagenstapel
Im Rahmen der Erfindung sind eine Vielzahl von Varianten möglich. Die Anzahl der Ultraschallwandler (Sonotroden
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- 2020-03-02 DE DE202020101145.6U patent/DE202020101145U1/en not_active Expired - Lifetime
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