DE3330738A1

DE3330738A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von elektrischen schaltungen auf leiterplatten

Info

Publication number: DE3330738A1
Application number: DE19833330738
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8912 Kaufering Rahlf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1985-03-07

Description

PATE NTANWALT

1330738

24.08.1983

Anw.-Akte: 6 0.1

PATENTANMELDUNG

Anmelder;

Gerhard Rahlf

Bürgerme ister-Sepp-Str. 14

8912 Kaufering

Titel; Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung

von elektrischen Schaltungen auf Leiterplatten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 sowie eine Haltevorrichtung und Werkzeuge zur Durchführung dieses Verfahrens.

Leiterplatten, 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 (Beizen oder Fräsen) der Kupferschicht an bestimmten Stellen das gewünschte Schema der Leiterbahnen und Anschluß- :M^;£lchen erzeugt wird, sind allgemein als "gedruckte Schaltungen oder Platinen" bekannt. (DE-AS 26 22 711) 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 oder gefräst und ergeben damit die gewünschte elektrische Trennung der einzelnen Leitungsbahnen und Anschlußflächen gegeneinander, übrig bleiben die auf der Isolierstoffplatte haftenden Kupferflächen, die den Leitungsbahnen entsprechen und in ihrer Gesamtheit das gewünschte Leitungsbild ergeben.

Dieses Verfahren ist an sich bewährt, jedoch setzt die Feinstleitertechnik diesem Herstellungsverfahren die Grenzen. Besonders bei Labormustern, die jeder Serienproduktion vorausgehen, ebenso auch in der Kleinserie bis ca. 200 Stück, die in der elektrischen Industrie häufig anfallen, ist dieses bekannte Verfahren zu aufwendig. Es sind dabei nämlich folgende Verfahrensschritte durchzuführen:

1. Entwurf des Leitungsbildes als vergrößerte (10:1) Zeichnung bzw. Klebezeichnung,

2. Übertragung der Zeichnung auf Fotofilm entweder mittels Kamera, oder über Präzisionsplotter bzw. mit Laser-Lichtkanonen.

3. Herstellung einer Drückvorlage und Bedrucken der mit Kupfer kaschierten Kunststoffplatte, oder nach Aufbringen einer fotoempfindlichen Schicht 0 direktes Belichten mit dem unter 2. erstellten Negativ.

4. Entfernen der ca. 0.01 mm starken Kupferschicht durch Ätzen mit verschiedenen, stark umweltbelastenden Säuren.

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5. Nachbehandlung sowie Reinigung und Trocknung,

6. Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme der Bauteile, sowie der Durchkontaktierungen.

Eine andere Möglichkeit, hohe Leiterbahndichten zu erreichen, ergibt sich dadurch, daß die Leiterbahnen auf mehreren Ebenen verteilt werden, was zu den Mehrlagenschaltungen oder Multilayern führt.

Der Vollständigkeit halber muß noch das Multiwire-Verfahren zur Erlangung großer Leiterbahndichten genannt werden, jedoch handelt es sich dabei nicht mehr um Kupferbahnen sondern um Kupferdrähte.

Beide zuletzt angesprochenen Verfahren sollen hier nicht weiter untersucht werden, obwohl sie von der Möglichkeit der Komplexität der zu realisierenden Schaltung her mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichbar sind, sich jedoch wesentlich in dem Erstellungsaufwand und der Erstellungskosten unterscheiden.

Von diesem bekannten Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungen geht auch die Erfindung aus.

Bei dem Verfahren, (DE-AS 26 22 711) bei welchem eine Lichtquelle zur Führung des Fräsers verwendet wird, ist eine aufwendige Mechanik sowie die Verwendung eines cirka 0,6 mm breiten Kugelkopffräserε notwendig. Dieses setzt eine große Geschicklichkeit und viele Handgriffe des Bedienenden voraus. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß lediglich im Maßstab 1:1 hergestellte Vorlagen vsirwendet werden können und daß es bei der Realisierung ovon Leiterbahnbreiten, die kleiner als 0,5 mm sind, nicht möglich ist, entsprechende Vorlagen zu verwenden. Da bereits der Lichtpunkt breiter ist als

eine derartige Leiterbahnbreite. Weitere Nachteile sind darin zu sehen, daß der Fräser erheblich tief eindringt und dadurch eine Verletzung des Trägermaterials nicht ausgeschlossen ist, ebenso ist eine Standartisierung der Lochdurchmesser von ebenfalls 0,6 mm erforderlich. Die herkömmlichen Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren, Transformatoren und dergleichen weisen dagegen Durchmesser ihrer Anschlüsse von etwa 1 mm auf. Bei Verwendung eines Fräsers mit 1 nun Durchmesser wiederum erhöht sich auf der Abstand der Bahnen zueinander auf mehr als 1 mm. Auch die eingeschränkte Möglichkeit, nur in Geraden und im Winkel von 90 zueinander verlaufenden Linien zu fräsen muß als nachteilig angesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungen zu schaffen, das einen geringeren technischen Aufwand als das bekannte Verfahren erfordert und das auch hinsichtlich des zeitlichen Aufwandes für die Herstellung derartiger Leiterplatten dem bekannten Verfahren überlegen ist. Weiterhin soll die Auflösung selbst kompliziertester Schaltungen möglich sein, deren Realisierung über den Weg der fototechnischen Möglichkeit über Fotofilm wirtschaftlich nicht mehr möglich ist. Darüber hinaus sollen Vorlagen Verwendung finden, die einen größeren Maßstab als 1:1 aufweisen, um so eine noch bessere Möglichkeit zu schaffen, mehr Leiterbahnen auf kleinerem Raum unterzubringen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, diese Aufgabe zu lösen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Verwendung eines feineres Fräsers Leiterbahnen hergestellt werden können, die eine geringere Breite als 0,6 mm haben. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß vor, nach oder während des Einfräsens der Linien mit dem gleichen Fräswerkzeug Bohrungen mit unterschiedlichem Durchmesser zur

Aufnahme der elektronischen Bauelemente angebracht werden können. Es findet dabei das gleiche Fräswerkzeug Verwendung und wird definiert tiefer geführt. Dadurch wird eine erhebliche Vereinfachung im Arbeitsverfahren erreicht, 15- da kein Umspannen der Leitungsplatte in eine andere Bohrvorrichtung erforderlich ist.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß an einem Arbeitstisch Mittel zur genauen Zentrierung sowie Befestigung der Leiterplatte zum Umschlag und zur Bearbeitung der Rückseite sowie Freiräume zum Eindringen des Fräsers vorhanden sind.

Zur Steuerung und Führung des Fräsers dient eine mit einem CAD-System (Computer Aided Design) entworfene Schaltung, die auf einem Datenträger abgespeichert eine Präzisionsfräsmaschine, analog den eingegebenen Koordinaten für die X- und Y- sowie die der Z-Achse, über die 0 Leiterplatte führt und entsprechende Bewegungen des Werkzeuges steuert. Damit eine unnötige Verletzung des Tr-ägerrnaterials verhindert wird, kann über eine separate Meß- und Steuereinrichtung die Materialsstärke der Leiterplatte erfaßt und dadurch die Z-Achse mit einer Genauig*-' keit von 0,02 mm nachgesteuert werden.

Um den Anforderungen der Feinstieitertechnik (Leiterbahnbreiten zz 50 um ) gerecht zu werden, sind zweckmäßigerweise Maschinenspindeln mit einer Umlaufgeschwindigkeit von größer 100 000 UpM einzusetzen. :

Ein wesentlicher Anteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Konstruktion der zur Verwendung kommenden kombinierten Fräser mit um etwa 0,2 mm stufenweiser Ver-

breiterung von 0,6 bis 1,4 mm Schnittbreite, die je nach den erforderlichen Lochdurchmessern durch Absenkung in der Z-Achse "ζψο Anwendung gelangt. Durch Verlängern der Tiefe der Schnittbreiten für 0,6 mm bis 1,4 mm über die Materialstärke von Leiterplatten (Standard 1,5 mm) hinaus auf 2 mm ist auch ein mehrmaliges Schärfen der Schnittkante für die

Leiterbahnen möglich.

Ein besonderes Problem bei der Herstellung von zweiseitig beschichteten¹Leiterplatten besteht darin, die Übereinstimmung der Maßhaltigkeit zwischen der sogenannten Be-0 stückungs- und der Lötseite sicherzustellen.. Dadurch, daß die Bearbeitung der Leiterbahnen und die der erforderlichen Löcher, z. B. auf der Lötseite, in einem Arbeitsablauf stattfindet und somit ohne jede Toleranz erfolgt, konzentriert sich das Problem allein auf die Bestückungsseite. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, mit einer Toleranz von kleiner als 0,1 mm zu arbeiten. Dazu wird erfindungsgemäß eine Arbeitsplatte verwendet, die abwechselnd mit Gewindebolzen und Stiften versehen ist. Die Stifte dienen zur Zentrierung, die Gewindebolzen 0 zur Befestigung der Leiterplatte. Zwischen Stiften und Gewindebolzen sind Aussparungen vorgesehen, um ein Eindringen des Fräswerkzeuges zu ermöglichen. Weiterhin sind Zwischenstege auf der Arbeitsplatte angebracht, auf denen sich beim Einsatz eines oder mehrerer Fräswerkzeuge die Leiterplatte abstützen kann. Dadurch werden

erfindungsgemäß Toleranzen von unter 0,02 mm erreicht. Durch Einlegen von geeignetem Material in die Aussparungen der Arbeitsplatte läßt sich außerdem ein Durchbiegen der zu bearbeitenden Leiterplatten durch den vertikalen Druck der Fräser verhindern.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung wird es möglich, das Preis-/Leistungsverhältnis bei der Herstellung von Leiterplatten insbesondere der Feinstleitertechnik zu verbessern.

Außerdem ist es möglich, innerhalb eines halben Werktages MusterIeitungsplatten nach einer Änderungsmitteilung des Anwenders herzustellen, da keine umständlichen Arbeitsschritte mehr notwendig sind, wie es aus der Einleitung der Beschreibung hervorgeht. Das Anfertigen neuer Klebezeichnungen, von Bohrplänen sowie fototechnische und chemische Prozesse, wie sie bisher notwendig waren, entfallen. Die Bedienung aller erfoderlichen Einrichtungen zur Herstellung von Leiterplatten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt keine Fachkräfte; der Einsatz von chemischen Substanzen wird auf unter 10 % der bisherigen Mengen reduziert.

Darüber hinaus ist es mit der Erfindung möglich, auch eine ' Serienfertigung durchzuführen, wobei lediglich mehrere Maschinenspindeln mit Fräsern eingesetzt werden müssen und diese erlauben es, Leiterplatten in beliebiger Stückzahl synchron anzufertigen.

Die bisher in der feinsten Leitertechnik verwendeten etwa 0,01 mm starken Kupferlaminate brauchen bei der Verladung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr verwendet werden. Bekanntlich waren derartig geringe Kupferauflagen notwendig, um die Unterätzungsgefahren auszuschalten. Da hat zur Folge, daß bei gleicher

Leiterbahnbreite die Strombelastbarkeit beispielsweise bei 35 lim starker Folie um den Faktor 3,5 bzw. bei 70 (am starker Folie um 7 ansteigt, ohne eine Unterätzung befürchten zu müssen.

Als besonders^;einsatzfähig hat sich das erfindungsgemäße Verfahre^ in seiner Anwendung für Mikrogeräte gezeigt. Es lassen sich dabei durch den Fräser in einem Arbeitsgang Aussparungen in das Trägermaterial, z.B. Epoxidharz, Glashartgewebe oder dergleichen einarbeiten, die dann zur Aufnahme von IC-Chips dienen. Wenn besondere Anforderungen an die mechanische Stabilität des Trägermaterials gestellt werden, lassen sich spezielle Glasvliesplat-jren einsetzen. Es ist dabei empfehlenswert,

die Kupferschicht der Rückseite als Lichtschutz für den Halbleiter stehen zu lassen und nicht mit Leitungsführungen zu vergehen. Die Anschlüsse der Chips werden dann über Bondverbindungen vorgenommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein im Maßstab 15:1 gezeichnetes Schaltbild einer Leiterplatte in einfacher Sehneidtechnik (ausschließlich Trennung),

Fig. 2 Schaltbild nach Fig. 1 in doppelter Schneidtech-0 nik (Umschlingung der Bahnen).

Fig. 3 die Einarbeitung eines IC-Chips im Trägermaterial und

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Arbeitsplatte.

Fig. 5 einen Fräser zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie es aus Fig. 1 zu erkennen ist, die eine in einfächer Sehneidtechnik nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Leiterplatte im Maßstab 15:1 zeigt, werden auf die Trägerplatte 1 Fräsbahnen 2 von kleiner als 0,1 mm aufgebracht, durch deren geeignete Gestaltung das vorgegebene Leiterbahnbild entsteht. Durch die Fr äsnuten werden die Kupferteile der Platten voneinander getrennt und es entstehen die entsprechenden Leiter beispielsweise zwischen den Bohrungen 3 und 4 bzw. 5 und 6. Es ist ebenfalls möglich, Bauteilnamen 7 und beim Fräsen einzuarbeiten.

Während die Leiterplatte nach Fig. 1 in einfacher Schneidtechnik ausgeführt ist, wird die in Fig. 2 gezeigte Leiterplatte in doppelter Sehne idtechnik durch Umschlingung der Bahnen hergestellt. Die Leiterbahnen 9 und 10 sind, wie es die Fig. 2 deutlich zeigt, mit unterschiedlichen Bahnbreiten versehen. Bekannterweise werden die Bahnbreiten nach der Strombelastung festgelegt. Erfindungsgemäß ist es er>enfalls möglich, unterschiedliche Bohrdurchmesser mit dem gleichen Werkzeug herzustellen, wie es die Bohrungen 11 und 12 zeigen. Die Fräsbahnen 2 sind etwa 0,1 mm breit. Die helle Fläche stellt die KupferIeitbahnen 9 und 10 dar. Die Großflächen sind immer geerdet (Ground); infolgedessen sind für die Groundverbindung 13 keine Lötaugen notwendig.

In Fig. ">■·. ist die Anwendung dsr»erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Mikrogeräten gezeigt. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, in das Material der Platte 1 ein Chip 15 in einer durch das Fräswerkzeug hergestellten Aussparung 16 anzuordnen. Dabei dient

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die Kupferschicht 10 auf der Rückseite als Lichtschutz für den Halbleiter und ist nicht mit Leitungsführungen

versehen. Die Anschlüsse des Chips 15 werden über Bondverbindungen 17 vorgenommen.
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Fig. 4 zeigt eine Arbeitsplatte 17, die mit Aussparungen 18 versehen ist. Um ein festes Aufliegen der Leiterplatte 1 auf diese Arbeitsplatte zu gewährleisten, sind Stege 19 angebracht, in die Gewindebolzen 20 zur Befestigung der Leiterplatte beispielsweise durch Flügelmuttern erfolgt. Die Stifte 21 dienen zur Fixierung der Leiterplatte auf der Arbeitsplatte 17. Durch das Einlegen von geeigneten Material in die Aussparungen der Arbeitsplatte 17 läßt sich ein Durchbiegen der zu bearbeitenden Leiterplatten 1 durch den vertikalen Druck des Fräswerkzeuges verhindern.

Fig. 5 zeigt einen Fräser 22, bei dem deutlich die stufenförmigen Verdickungen 24 ersichtlich sind. Die eigentliehe Schneide 25 des Fräsers für die Bahnen ist so beschaffen, daß ein mehrmaliges Schärfen gewährleistet ist.

COPY

Claims

PATENTANSPRÜCHE :

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungen unter Verwendung von Leiter-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 Fräswerkzeug die zur Bildung der Schaltung erforderlichen Unterbrechungen hergestellt werden, indem eine Vorlage der Schaltung abgetastet wird und die Leitungsbahnen und Anschlußflächen dadurch gebildet werden, daß eine synchron nachgeführtes Präswerkzeug die Umrisse der Leiterbahnen und Anschlußflächen in Form von Linien konstanter Breite in das elektrisch leitende Material einfräst, dadurch gekennze ichnet, daß die Schaltungsvorlage auf elektronischem Weg erstellt wird und diese das Fräswerkzeug steuert, wobei frei zueinander verlaufende Linien in die Leiterplatten gefräst werden und vor, während oder nach dem Einfräsen der Linien der vertikale Hub des Fräswerkzeuges stufenweise vergrößert bzw. verkleinert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Hub des Fräs-Werkzeuges in der Weise gesteuert wird, daß Bohrungen und/oder Durchkontaktierungen gleicher oder/und unterschiedlicher Durchmesser zur Aufnahme der Anschluß-•idrähte der Schaltelemente erzeugt werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Vorlage für die Führung des Fräswerkzeuges ein auf elektronischem Weg mittels Computer Aided Design (CAD) hergestellter Entwurf mit abgespeicherten Koordinaten für Leitbahnen, Bohrlöcher, Beschriftungen und Umrisse der Leiterplatten verwendet wird.
4. Fräswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch g e -

kennze lehnet , daß es aus einem an sich bekannten Stufenbohrer besteht, der Linien mit einer Breite von 0,05 bis 0,5 mm und Löcher von 0,6 bis 1,5 mm herstellt.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ze ichnet , daß die Vorrichtung zum Aufspannen der zu bearbeitenden Leiterplatte Abstands- und Gewindebolzen zur Befestigung «und/oder Fixierung der Leiterplatte und Aussparungen bzw. Stege aufweist.