DE2622711A1

DE2622711A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von leiterplatten

Info

Publication number: DE2622711A1
Application number: DE19762622711
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Seebach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1977-11-24
Also published as: DE2622711C3; DE2622711B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur
Herstellung von Leiterplatten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von elektrischen Schaltungen unter Verwendung von Platten aus elektrisch isolierendem Material, die auf einer oder beiden Seiten eine geschlossene Auflage aus elektrisch leitendem Material tragen, wobei in der Auflage durch ein spanabhebendes Werkzeug die zur Bildung der Schaltung erforderlichen Unterbrechungen hergestellt werden, indem eine Vorlage der Schaltung abgetastet und das Werkzeug synchron nachgeführt wird.
Leitungsplatten, bei denen als Ausgangsmaterial Platten aus Isolierstoff verwendet werden, die auf einer oder auch auf beiden Seiten eine geschlossene Auflage aus Kupfer tragen und bei denen dann durch Entfernen der Kupferschicht an bestimmten Stellen das gewünschte Schema der Leitungsbahnen und Anschlußflächen erzeugt wird, sind allgemein als "gedruckte Schaltungen bekannt. Bei dem klassischen Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltung wird auf die geschlossene Kupferschicht das entworfene Leitungsbild der gewünschten elektrischen Schaltung aufgebracht. Die nicht durch das Leitungsbild abgedeckten Kupferflächen werden durch geeignete Verfahren weggeätzt und ergeben damit die gewünschte elektrische Trennung der einzelnen Leitungsbahnen und Anschlußflächen untereinander. Übrig bleiben die auf der Isolierstoffplatte haftenden Kupferflächen, die die Leitungsbahnen verkörpern und in ihrer Gesamtheit das gewünschte Leitungsbild in jeder Einzelheit wiedergeben. Dieses Verfahren ist für die Massenproduktion gut geeignet, jedoch ist dieses Verfahren für Kleinserien und Labormuster, die in der elektronischen Industrie häufig anfallen, zu aufwendig. Es sind dabei nämlich folgende Verfahrensschritte durchZuführen 1. Entwurf des Leitungsbildes als Zeichnung 2. Übertragung der Zeichnung auf Fotofilm mittels Kamera 3. Herstellung einer Druckvorlage 4. Bedrucken der mit Kupfer kaschierten Kunststoffplatte 5. Ätzen der Kupferschicht 6. Reinigung und Trocknung 7. Herstellung der Bohrungen Es hat nicht an Versuchen gefehlt, derartige Schaltungen unter Vermeidung chemischer Prozesse auf mechanischem Wege herzustellen. So ist es z.B. bekannt (DT-OS 2 000 571, CH-PS 399 559) mittels einer Graviermaschine oder durch Funkenerosion (DT-PS 1 155 497) das Ätzverfahren zu ersetzen.
Bei diesen bekannten mechanischen Verfahren wird die Vorlage zeilenweise optisch abgetastet, und aus der optischen Information werden elektrische Signale abgeleitet, die ein Naß für die in jeder Zeile auftretenden hellen und dunklen Stellen der Vorlage sind, wobei das Werkzeug analog zu diesen Signalen auf die Leiterplatte zu und von dieser fortbewegt wird, so daß Zeile für Zeile die Kupferschicht an den jeweils erforderlichen Stellen unterbrochen wird.
Diese Verfahren bringen zwar gegenüber dem Ätzverfahren eine Vereinfachung, jedoch ist auch hier der technische und zeitliche Aufwand noch verhältnismäßig groß. Es muß beispielsweise eine exakte Zeichnung für die Vorlage hergestellt werden, in der komplizierte Flächen und Linien mit gleichmäßiger Schwärzung zu versehen sind. Für die Umsetzung des optischen Bildes der Vorlage in die Steuerbewegungen für das Werkzeug wird eine elektronische Schaltung benötigt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß unabhängig davon, ob ein umfangreiches und kompliziertes Leitungsbild oder nur eine wenige Leitungen enthaltende Vorlage verwendet wird, stets das volle Raster durchfahren werden muß, so daß der zeitliche Aufwand für die Bearbeitung verhältnismäßig groß wird, zumal die Arbeitsgeschwindigkeit wegen der Masse der auf und ab zu bewegenden Werkzeugeinheit begrenzt ist. Ferner lassen sich mit diesen Verfahren keine scharfen Konturen bei den Unterbrechungen in der Kupferplatte herstellen, die schräg zur Zeilenrichtung verlaufen, denn diese Unterbrechungen weisen an ihren Rändern je nach Feinheit des Rasters mehr oder weniger starke Stufen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen geringeren technischen Aufwand als die bekannten Verfahren erfordert, und das auch hinsichtlich des zeitlichen Aufwandes für die Herstellung der Leiterplatten den bekannten Verfahren überlegen ist.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leitungsbahnen und Anschlußflächen dadurch gebildet werden, daß mittels eines rotierenden Fräsers ihre Umrisse in Form von durchgehenden Linien konstanter Breite in die Auflage eingefräst werden.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leiterplatte weist gegenüber den üblichen gedruckten Schaltungen ein völlig anderes Aussehen auf, weil die Unterbrechungen nur noch aus geraden, im wesentlichen zueinander orthogonalen und ggfs. auch noch unter 450 dazu geneigten Linien bestehen. Die Nachführvorrichtung wie auch die Herstellung der Vorlage wird dadurch wesentlich vereinfacht, denn die Vorlage enthält ebenfalls nur gerade Linien, so daß eine einfache Skizze genügt, und die Übertragung von der Skizze auf die Leitungsplatte kann mit einer einfachen mechanischen Vorrichtung manuell oder ggfs. auch voll automatisch erfolgen. Da jeweils nur am Beginn und am Ende einer Linie der Fräser vertikal verstellt werden muß, ergeben sich hinsichtlich der zu bewegenden Massen nicht die Schwierigkeiten wie bei den bekannten Rasterverfahren. Wenn die Leitungsplatte nur ein sehr einfaches Schaltungsschema enthält, so ist auch der entsprechende Arbeitsaufwand gering, weil nur die tatsächlich erforderlichen Trennungslinien in der Leitungsplatte hergestellt werden müssen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aber darin, daß nach Einfräsen der Linien der vertikale Hub des Fräswerkzeuges vergrößert und in die Leitungsbahnen und die Anschluflächen mit dem Fräswerkzeug die Durchgangslöcher zur Aufnahme der Anschlußdrähte der Schaltelemente gebohrt werden können. Dies bedeutet eine ganz erhebliche, zeitsparende Vereinfachung, weil kein Umspannen der Leitungsplatte in eine andere Bohrvorrichtung erforderlich ist, und die Löcher lassen sich auf bequeme Weise nach der Druckvorlage herstellen.
Zur Steuerung der Nachführung dient eine einfache Lichtquelle, die einen Lichtpunkt auf die Vorlage projiziert, der auf den Linien der Vorlage entlanggeführt wird, wobei dann automatisch der Fräser eine analoge Arbeitsbewegung durchführt.
Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß an einem Arbeitstisch Mittel zur Befestigung der Vorlage und der zu bearbeitenden Leitungsplatte vorgesehen sind, und daß auf dem Arbeitstisch eine Gleitschienenkonstruktion angebracht ist, mit der der Fräser parallel zur Arbeitsplatte in zwei Freiheitsgraden derart verschiebbar ist, daß bei Überfahren der Fläche der Vorlage durch die Nachführvorrichtung der Fräser die Fläche der Leiterplatte überfährt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung besteht die Gleitschienenkonstruktion aus einem ersten ortsfest auf der Arbeitsplatte zwischen der Vorlage und der Leitungsplatte befestigten Gleitschienenpaar und aus einem zweiten, senkrecht dazu verlaufenden, axial verschiebbaren Gleitschienenpaar, wobei auf dem ortsfesten Gleitschienenpaar eine Zwischenplatte verschiebbar gelagert ist, in der ihrerseits das zweite Gleitschienenpaar verschiebbar gelagert ist. Dabei ist die Nachführvorrichtung am einen Ende und der Fräser einschließlich seiner Antriebsmittel am anderen Ende des verschiebbaren Gleitschienenpaares angeordnet.
Damit die geraden Linien auf der Vorlage korrekt auf die Bewegung des Fräsers übertragen werden, sind Mittel zur wahlweisen Arretierung der Zwischenplatte an dem ortsfesten Gleitschienenpaar und des zweiten Gleitschienenpaares an der Zwischenplatte vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bedeuten: Fig. 1 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leitungsplatte, Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 eine Seitenansicht der auf dem ortsfesten Gleitschienenpaar gelagerten Zwischenplatte mit dem optischen System zur Nachführung, Fig. 4 den Fräser in Seitenansicht und Fig. 5 den Fräser in Stirnansicht.
Fig. 1 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leitungsplatte 1, in deren Metallkaschierung Unterbrechungen in Form von orthogonalen Linien 2 eingefräst und in der zugleich Löcher 3 zur Aufnahme der Anschlußdrähte der Schaltungselemente angebracht worden sind.
Die in Fig. 2 in Draufsicht dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung solcher Leitungsplatten besteht aus einer Arbeitsplatte 4, auf der im Abstand voneinander eine Vorlage 5 und die zu bearbeitende Leitungsplatte 1 angebracht werden können. Zwischen dem Feld für die Vorlage und dem Feld für die Leitungsplatte sind-parallel zueinander auf der Arbeitsplatte 4 zwei Konsolen 6 befestigt, zwischen denen parallel zur Oberfläche der Arbeitsplatte 4 ein Gleitschienenpaar 7 angeordnet ist. Auf diesem Gleitschienenpaar 7 ist eine Zwischenplatte 8 in Richtung der Achsen des Gleitschienenpaares 7 in Lagern 9 (Fig. 3) verschiebbar gelagert, und auf der Zwischenplatte 8 sind Lager 10 angebracht, in denen ein Gleitschienenpaar 11 verschiebbar gelagert ist, das senkrecht zum Gleitschienenpaar 7 orientiert ist.
Am einen Ende des Gleitschienenpaares 11 ist eine Konsole 12 befestigt, in der ein optisches System 13 angebracht ist, mit desß ein Iichtpzunkt auf die Vorlage 5 projiziert werden kann. Am anderen Ende des Gleitschienenpaares 11 ist ein Träger 14 (Fig.4.u.5).befestigt, an dem der Motor 15 mit dem Fräswerkzeug 16 über Halterungen 17 einschließlich eines Schubmagneten 18 für die Steuerung der vertikalen Bewegung des Fräswerkzeuges 16 gelagert ist.
Durch einen Griff 19 an der Konsole 12 kann die Zwischenplatte 8 einerseits auf dem Gleitschienenpaar 7 und andererseits das Gleitschienenpaar 11 in bezug auf die Zwischenplatte hin und her bewegt werden. Durch diese Bewegung kann der von dem optischen System erzeugte Lichtpunkt auf den Strichen der Vorlage entlanggeführt werden, wobei das Fräswerkzeug eine analoge Bewegung ausführt. Ein nicht dargestellter Fußschalter bewirkt, daß der Schubmagnet 18 betätigt wird, der den Motor 15 in seiner Halterung 17 senkrecht auf die Leitungsplatte 1 soweit zu bewegt, daß das Fräswerkzeug 16 in der Metallauflage der Leitungsplatte seine spanabhebende Funktion zur Erzeugung der linienförmigen Unterbrechungen entfalten kann. Eine nicht dargestellte Rückholfeder sorgt dafür, daß bei Unterbrechung der Stromzufuhr zum Schubmagneten 18 der Motor 15 in seine obere Ausgangslage zurückkehrt.
Durch eine Schraube 21 kann die relative Lage eines Anschlages 20 in bezug auf das Fräswerkzeug 16 verstellt werden, so daß damit genau die Eindringtiefe des Fräswerkzeuges in# die Leitungsplatte einstellbar ist. Dadurch, daß sich der Anschlag auf der Leitungsplatte abstützt, wird gewährleistet, daß unabhängig von der Dicke der zu bearbeitenden Leitungsplatte die einmal eingestellte Frästiefe stets beibehalten wird.
Um die Leitungsplatte zu bearbeiten, rückt man das optische System so über den Entwurf, daß der Lichtpunkt am Anfangspunkt einer gezeichneten Trennungslinie. steht. Dann wird das Fräswerkzeug durch Einschaltung des Schubmagneten 18 auf die Leitungsplatte 1 gedrückt und dabei das Nachführungssystem mittels des Griffes 19 per Hand in Richtung der Trennungslinie bewegt, und am Ende der Trennungslinie wird der Schubmagnet abgeschaltet, so daß das Fräswerkzeug in die Ruhestellung über der Leitungsplatte zurückgleitet.
Um sicherzustellen, daß auch tatsächlich gerade Linien entsprechend der geraden Linien auf der Vorlage in die Leitungsplatte eingefräst werden, sind Mittel zur wahlweisen Arretierung der Zwischenplatte 8 an dem ortsfesten Gleitschienenpaar 7 und des zweiten Gleitschienenpaares 11 an der Zwischenplatte 8 vorgesehen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Arretierungsmittel aus auf der Zwischenplatte 8 gelagerten Solenoiden 22, deren Anker durch Betätigung jeweils eines Schalters 23 bzw. 24 wahlweise an wenigstens eine Schiene der Gleitschienenpaare 7 bzw. 11 anlegbar ist. Ein Schalter 25 dient zur Einschaltung des Motors 15 für das Fräswerkzeug.
Der Anschlag 20 ist an seiner Unterseite ballig ausgebildet, damit er ohne Schwierigkeiten auf der Oberfläche der Leitungsplatte gleiten kann. Die Höhenlage des Anschlages in bezug auf die Spitze des Fräswerkzeuges kann in Richtung der Achse des Motors 15 um etwa 5 mm verstellt werden. Durch Verwendung eines Feingewindes kann diese Höheneinstellung bis zu einer Genauigkeit von 1/10 mm erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, daß in die Vorlage zur Herstellung der Leitungsbahnen auch gleichzeitig die erforderlichen Bohrungen eingezeichnet werden können, denn nachdem die Trennlinien gefräst worden sind braucht dann lediglich der Lichtpunkt auf die die Bohrung anzeigenden Zeichnungspunkte eingestellt und der Schubmagnet betätigt zu werden, nachdem zuvor der Anschlag 20 soweit verstellt worden ist, daß das Fräswerkzeug die ganze Dicke der Leitungsplatte durchdringen kann.
Die Befestigung der Vorlage 5 und der Leiterplatte 1 auf dem Arbeitstisch 4 erfolgt .vorzugsweise durch Klebebänder.
Stattdessen kann aber im Bedarfsfall auch ein anderes Befestigungsmittel verwendet werden, z.B. kann der Andruck mittels Leisten oder Klötzen aus magnetischem Material erfolgen, wenn der Arbeitstisch aus Stahl oder dergleichen besteht.
Die Erfindung ermöglicht, sowohl einzelne Leitungsplatten als auch in der Fertigung zahlreiche Leitungsplatten in kürzester Zeit ohne chemische und fototechnische Prozesse und ohne entsprechende Fachkräfte herzustellen, wobei die bei allen bisherigen Verfahren erforderlichen speziellen Bohrmaschinen zur Herstellung der Löcher zur Einführung der Schaltungselemente entfallen. Eine derartige Vorrichtung ist deshalb insbesondere für Werkstätten, wissenschaftliche Institute und Entwicklungslabors geeignet, bei denen häufig die Aufgabe besteht, Einzelstücke oder Muster herstellen zu müssen. Außerdem ist die Erfindung für Betriebe geeignet, die sich auf die Herstellung von elektronischen und elektrischen Spezialgeräten eingerichtet haben und davon nur kleine Stückzahlen produzieren.
Die Erfindung ist aber auch für eine Massenfertigung einsetzbar, indem beispielsweise fünf bis zehn Fräswerkzeuge synchron über eine entsprechende Zahl von Leitungsplatten geführt werden. Wird die Führung z.B. durch Antriebe mit Spindeln und Schrittmotoren vorgenommen, ist auch eine programmierte Steuerung der Maschine möglich. Die Eingabe kann dabei so erfolgen, daß wiederum ein optisches System verwendet wird, dessen Lichtpunkt bei der Programmierung über die Entwurfszeichnung geführt wird.
In diesem Falle erfolgt dies allerdings nicht mehr durch Handbetrieb sondern z.B. über die Handbetätigung eines Koordinatenschalters, der die Schrittmotoren und ihre Drehrichtung steuert.
Der Schubmagnet 18 wird über den Fußschalter betätigt und seine Funktion in das Programm mit aufgenommen. Der Anschlag 21 wird in diesem Falle konstruktiv so ausgebildet, daß seine Verstellung ebenfalls über die Programmierung möglich ist. Nach abgeschlossener Programmierung kann die Maschine mittels des gespeicherten Programms in beliebiger Stückzahl Leiterplatten fertigen.
-Patentansprüche-

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungen unter Verwendung von Platten aus elektrisch isolierendem Material, die auf einer oder beiden Seiten eine geschlossene Auflage aus elektrisch leitendem Material tragen, wobei in der Auflage durch ein spanabhebendes Werkzeug die zur Bildung der Schaltung erforderlichen Unterbrechungen hergestellt werden, indem eine Vorlage der Schaltung abgetastet und das Werkzeug synchron nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsbahnen und Anschlußflächen dadurch gebildet werden, daß mittels eines rotierenden Fräsers ihre Umrisse in Form von durchgehenden Linien konstanter Breite in die Auflage eingefräst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfräsen in Form von rechtwinklig und ggfs. unter 450 zueinander orientierten Linien erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einfräsen der Linien der vertikale Hub des Fräswerkzeuges vergrößert und in die Leitungsbahnen und die Anschlußflächen mit dem Fräswerkzeug die Durchgangslöcher zur Aufnahme der Anschlußdrähte der Schaltelemente gebohrt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Linien mit einer Breite von etwa 0,6 mm eingefräst werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorlage für die Nachführung des Fräsers der in normaler Zeichentechnik hergestellte Entwurf der Leitungsplatte verwendet wird, und daß die Nachführung optisch mittels eines Lichtpunktes erfolgt, der auf den in der Vorlage eingezeichneten Linien entlanggeführt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an eins Arbeitsplatte (4) Mittel zur Befestigung der Vorlage (5) und der zu bearbeitenden Leitungsplatte (1) vorgesehen sind, und daß auf der Arbeitsplatte eine Gleitschienenkonstruktion angebracht ist, mit der der Fräser parallel zum Arbeitstisch in zwei Freiheitsgraden derart verschiebbar ist, daß bei Überfahren der Flächen der Vorlage durch die Nachführvorrichtung der Fräser die Fläche der Leiterplatte überfährt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschienenkonstruktion aus einem ersten ortsfest auf der Arbeitsplatte (4) zwischen der Vorlage (5) und der Leitungsplatte (1) befestigten Gleitschienenpaar (7) und aus einem zweiten, senkrecht dazu verlaufenden, axial verschiebbaren Gleitschienenpaar (11) besteht, wobei auf dem ortsfesten Gleitschienenpaar (7) eine Zwischenplatte (8) verschiebbar gelagert ist, in der ihrerseits das zweite Gleitschienenpaar (11) verschiebbar gelagert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführvorrichtung am einen Ende und der Fräser einschließlich seiner Antriebsmittel am anderen Ende des verschiebbaren Gleitschienenpaares (11) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur wahlweisen Arretierung der Zwischenplatte (8) an dem ortsfesten Gleitschienenpaar (7) und des zweiten Gleitschienenpaares (11) an der Zwischenplatte (8) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierungsmittel aus auf der Zwischenplatte (8) gelagerten Solenoiden (22) bestehen, deren Anker durch Betätigung jeweils eines zugeordneten Schalters (23, 24) wahlweise an wenigstens eine Schiene der Gleitschienenpaare (7, 11) anlegbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierungsmittel aus auf der Zwischenplatte (8) gelagerten Hebelystemen bestehen, über die an wenigstens eine Schiene der Gleitschienenpaare wahlweise eine Bremsbacke anlegbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fräser mit seiner Einspannung und dem Antriebsmotor (12) an dem bewegbaren Gleitschienenpaar (11) senkrecht zur Arbeitsplatte (4) verschiebbar zwischen einer Ruhestellung und einer Arbeitsstellung gelagert ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung des Fräsers in Richtung auf die Arbeitsplatte (4) ein Elektromagnet (7) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung des Fräsers ein Anschlag (2) vorgesehen ist, der sich auf der auf der Arbeitsplatte (4) befindlichen Leitungsplatte (1) abstützt und die Eindringtiefe des Fräsers in die Leitungsplatte bestimmt
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (16) verstellbar ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellweg so groß bemessen ist, daß der Fräser zugleich als Bohrer zur Herstellung der Löcher in den Leitungsplatten für die Aufnahme der Anschlußdrähte der Schaltungselemente verwendbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Nachführvorrichtung eine Lichtquelle dient, mit der auf die Vorlage ein Lichtpunkt projizierbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Nachführvorrichtung über die Gleitschienenpaare (7, 11) mehrere Fräswerkzeuge so gekuppelt sind, daß gleichzeitig mehrere Leitungsplatten (1) nach einer Vorlage bearbeitbar sind.