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Anordnung zur Ausrichtung von unbelichteten
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Leiterplattenrohlingen und Fotomasken zueinander Die vorliegende
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausrichtung von unbelichteten Leiterplattenrohlingen
und Fotomasken zueinander bei der Herstellung von ein- und mehrlagigen Leiterplatten
oder Verdrahtungsträgern. Bekanntlich werden zur Herstellung von Verdrahtungsträgern
wie gedruckten Schaltungen, Keramikleiterplatten oder flexiblen Schaltungen Leiterbahnen
auf dem Substrat bzw.
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Träger dadurch erzeugt, daß eine als Vorlage dienende Fotomaske auf
eine fotoempfindliche Schicht gelegt wird, die sich auf der beispielsweise mit einer
Kupferschicht
bedeckten Trägeroberfläche befindet, und daß das Muster
der Fotomaske durch Belichtung etwa mit ultraviolettem Licht auf den Lack übertragen
wird. Der Lack besteht beispielsweise aus organischen Polymeren, die sich entweder
unter der Wirkung des Lichtes vernetzen und so weniger löslich werden, oder in denen
unter der Wirkung des Ut-Lichtes Bindungen aufbrechen, so daß an den belichteten
Stellen die Löslichkeit erhöht wird. Durch ein geeignetes Lösungsmittel lassen sich
z.B. die belichteten Bereiche des Lackes auflösen. Die verbleibenden Bereiche des
Lackes schützen den Träger vor dem Angriff eines nachfolgenden Ätzprozesses, mit
dem das Kupfer zwischen den gewünschten Leiterbahnen der Leiterplatte beseitigt
wird.
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Gewöhnlich werden bei der Herstellung einer Leiterplatte die Anschlußbohrungen
vor dem Übertragen des Musters von der Fotomaske auf den Fotolack angefertigt. Aufgrund
der generellen Tendenz, immer feinere Muster bei gleichzeitig wachsenden Gesamtabmessungen
der Leiterplatte herzustellen, liegt es auf der Hand, daß das Ausrichten der Fotomaske
im Verhältnis zu der vorgebohrten Leiterplatte zu Problemen führen kann. Eine genaue
Registrierung der Fotovorlage auf dem Basismaterial ist unbedingt erforderlich.
Vielfach wird visuell justiert, was jedoch bei großen Serien unzweckmäßig ist. In
solchen Fällen gibt es die Möglichkeit, halbautomatische Registrierrahmen zu verwenden,
die im Belichtungsgerät eingebaut sind. Der Registrierrahmen enthält dann einen
Registrierblock
mit zwei quer einstellbaren Aufnahmestiften für die Fixierung der Leiterplatte,
wobei der gesamte Registrierblock horizontal und vertikal einstellbar ist.
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Auch bei derartigen Anordnungen läßt sich jedoch eine erhebliche manuelle
Tätigkeit bei dem Ausrichten bzw.
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Registrieren nicht vermeiden.
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Wegen der ständig steigenden Anforderungen an die Geometriestabilität
der Fotomasken ist man zunehmend dazu übergegangen, Fotomasken aus Glas zu verwenden.
Bei der Ausrichtung eines derartigen Fotodruckwerkzeuges im Verhältnis zu der zu
belichtenden Leiterplatte hat man bisher vielfach im Glas sitzende Fangstifte verwendet,
die in Fangbohrungen in der Leiterplatte passen. Auch wenn es im Verlauf des Bohrens
einer Leiterplatte keine Schwierigkeit darstellt, diese Fangbohrungen an der vorgesehenen
Stelle mit ausreichender Genauigkeit zu plazieren, da diese Fangbohrungen als Teil
des gesamten Bohrprogramms der Leiterplatte hergestellt werden können, bereitet
es doch erhebliche Schwierigkeiten, die Fangstifte in der Fotomaske unterzubringen,
wie dies auch geschieht, und zwar insbesondere dann, wenn die Fotomaske aus Glas
besteht. Gewöhnlich weist die Glasmaske zwei feststehende Fangstifte auf, von denen
der eine dicht passend in eine Fangbohrung in der Leiterplatte eingreift, während
der andere Fangstift in eine Fangbohrung mit Spiel (Langloch) eingreift, um eventuell
vorhandene Längenabweichungen auszugleichen. Abgesehen von möglichen
Fehlern
bei der Plazierung der Fangstifte in der Glasmaske und von dem erheblichen Arbeitsaufwand
zum Einbringen der Fangstifte hat diese Praxis den Nachteil, daß Ausrichtfehler
"systemimmanent" sind, da das Langloch gerade zur Anpassung an solche Fehler vorgesehen
ist. Die erforderliche Registriergenauigkeit mag im Bereich des einen Fangstiftes
in der dichtpassenden Fangbohrung noch eingehalten sein, irgendwelche Verzerrungen
oder Längenänderungen in der Leiterplatte oder der Fotomaske aufgrund von Temperaturänderungen,
Luftfeuchtigkeit oder sonstigen Einflüssigen wirken sich jedoch am anderen Ende
der Leiterplatte mit dem Langloch voll aus. Dies bedeutet also, daß irgendwelche,
etwa im Verlaufe des Herstellungsprozesses auftretende Dimensionsänderungen nicht
ausgemittelt werden können, d.h.
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Dimensionsveränderungen bei den verschiedenen Herstellungsprozessen
bleiben unbeachtet bzw. unbemerkt und unkorrigiert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ausrichtung von Fotomasken bestand darin,
daß Schablonen verwendet wurden, mit denen zum Beispiel die Glasmasken einmal ausgerichtet
und dann fixiert wurden. Auch hierbei ist ein nicht unerheblicher Arbeitsaufwand
notwendig, so daß er insbesondere bei häufigem Wechsel der Fotomaske unzumutbar
wird.
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Alle diese Schwierigkeiten können durch die vorliegende Erfindung
vermieden werden. Insbesondere kann es als die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
angesehen werden,
eine Anordnung zur Ausrichtung oder Registrierung
von unbelichteten Leiterplattenrohlingen und Fotomasken zueinander bei der Herstellung
von ein- und mehrlagigen Leiterplatten vorzusehen, durch die ohne manuelle oder
visuelle Tätigkeiten bzw. Kontrollen eine optimale Ausrichtung der Fotomaske(n)
im Verhältnis zu der vorgebohrten Leiterplatte und auch eine gegenseitige Registrierung
von zwei Fotomasken bei beidseitiger Belichtung eines Leiterplattenrohlings ermöglicht
wird. Insbesondere soll also auch die Ausrichtung der beiden Fotomasken zueinander
vereinfacht und verbessert werden, wenn verschiedene Muster auf beide Seiten der
gegebenenfalls vorgebohrten Leiterplatte aufzubringen sind.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Positionierungshilfen
am Rand der Fotomaske(n) die Form von lichtundurchlässigen Markierungen aufweisen,
die Bestandteil des Musters der Maske sind, wobei eine Lichtquelle im wesentlichen
paralleles Licht senkrecht auf den Verbund aus Leiterplattenrohling und Fotomaske(n)
und durch die als Blende wirkenden Postionierungsbohrungen über die Markierungen
richtet, und wobei auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite des Verbundes im
Bereich jeder Positionierungsbohrung eine elektronische Zeilenkamera im Strahlengang
des hindurchtretenden Restlichtes angeordnet ist, die mit einer Auswertschaltung
zur Ermittlung der Lage des Schattens der Markierung(en) im Verhältnis zu den Positionierungslöchern
versehen
ist. Da die lichtundurchlässigen Markierungen auf den Fotomasken im Zuge der Herstellung
der Fotomaske bzw. des darauf befindlichen Layouts etwa von einem Fotoplotter erstellt
werden, was mit der höchsten Genauigkeit durchgeführt werden kann, und da diese
Meßmarkierungen ohne den Umweg von mechanischen Fangstiften auf optischem Wege zur
Einmittung der Meßmarkierungen im Verhältnis zu den Positionierungsbohrungen der
Leiterplatte führen, ergibt sich nicht nur eine wesentliche Arbeitsersparnis bei
der Registrierung bzw. Ausrichtung, sondern auch eine beachtliche Erhöhung der erzielbaren
Präzision. Denn durch Verwendung der Zeilenkamera kann über eine geeignete Auswertschaltung
direkt (z.B. digital) abgelesen werden, wie die Markierung im Verhältnis zur Positionierungsbohrung
angeordnet ist. So ist es außerdem auch möglich festzustellen, ob zwei gleiche Meßmarkierungen
zweier Fotomasken auf beiden Seiten einer Leiterplatte genau senkrecht übereinander
angeordnet sind. Denn wenn der Schatten beider übereinander angeordneter Meßmarkierungen
breiter ist als der Schatten einer einzelnen Markierung, ist es klar, daß bei parallel
einfallendem Licht ein Versatz der beiden Fotomasken zueinander gegeben ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können die Markierungen
auf der Fotomaske die einfachste denkbare Form, nämlich die Gestalt von geraden
Linien haben, die senkrecht zum Rand der Fotomaske bzw. des Leiterplattenrohlings
laufen.
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Es ist aber durchaus denkbar und in manchen Anwendungsfällen
auch
vorteilhaft, wenn die Markierungen andere Formen haben, so beispielsweise keilförmig.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Positionierungslöcher und
die zugeordneten Markierungen jeweils in der Mitte der Ränder der Fotomaske(n) bzw.
der Leiterplatte anzuordnen.
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Hierdurch wird beispielsweise bei einer rechteckigen Leiterplatte
das Zentrum derselben optimal eingemittet, d.h. daß eine aufgrund des Herstellungsprozesses,
erfolgte ungewollte Längenzunahme der gesamten Fotomaske maximal nur zur Hälfte
zur Auswirkung kommt, nämlich jeweils nur zu 50 % an jedem Rand.
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Wenn die eindimensional stehende" Zeilenkamera parallel zum Rand des
Leiterplattenrohlings orientiert ist, kann die Kamera besonders platzsparend untergebracht
werden.
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Bei Ausbildung der Fotomaske als Glasmaske ergibt sich in bekannter
Weise eine besondere Dimensionsstabilität für die Fotomaske. Allerdings ist die
vorliegende Erfindung bei derartigen Fotomasken auch von besonderem Vorteil, weil
das Einbringen von Fangstiften gerade bei Glasmasken besonders schwierig ist.
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Es ist möglich, das über die Auswertschaltung anzuzeigende Meßergebnis
der Zeilenkamera dazu zu Verwenden, die Fotomaske(n) und/oder den Leiterplattenrohling
in ihrer/seiner
Ebene mit Hilfe von Stellmotoren verdrehbar bzw.
in Richtung der jeweiligen X-Y-Koordinaten verschieblich anzuordnen, wobei diese
Motoren von der Auswertschaltung gesteuert zur Optimierung der Mittigkeit der Markierungen
im Verhältnis zu den positionierungslöchern vorgesehen sind.
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Die Fotomaske(n) und/oder der Leiterplattenrohling sind zweckmäßigerweise
in der optimierten Lage fixierbar. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß
vakuumbetätigte oder pneumatisch wirkende Mittel an den Masken und/oder der Leiterplatte
angreifen.
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Die Verwendung einer Fotomaske mit Markierungen, die Bestandteil des
lichtundurchlässigen Musters der Fotomaske sind, in der erfindungsgemäßen Anordnung
wird als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme
die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die das Ausführungsbeispiel in prinzipieller
Darstellung zeigen.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Randabschnitt des Verbundes
aus einer Leiterplatte und zwei Fotomasken, deren Markierungen im Sichtbereich einer
Zeilenkamera an der Positionierungsbohrung der Leiterplatte anliegen,
Fig.
2 zeigt in einer Draufsicht eine bevorzugte Anordnung der Positionierungsbohrungen
und der Meßmarkierungen auf der Leiterplatte bzw. der Fotomaske im Verhältnis zum
Sichtfenster der Zeilenkamera, und Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches den Verlauf
der Helligkeit darstellt, wie sie von der Zeilenkamera in einem Anwendungsfall ermittelt
wird (vor der Optimierung).
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Auf beiden Seiten einer mit Fotolack beschichteten Leiterplatte 10
sind Fotomasken 1, 2, beispielsweise Glasmasken angeordnet, die auf der der Leiterplatte
zugewandten Fläche mit einer lichtundurchlässigen Schicht 3 bzw. 4 versehen, die
ein Muster entsprechend dem gewünschten Muster auf der Leiterplatte ausbildet. Dieses
Muster bildet also entsprechend der bekannten Technik lichtdurchlässige und lichtundurchlässige
Bereiche aus. Als Bestandteil dieses Musters sind erfindungsgemäß Markierungen 6,
8 in diesen Schichten 4, 3 ausgebildet, die im Bereich der Positionierungs- oder
Blendenbohrung 12 der Leiterplatte angeordnet sind. Auf der von der Leiterplatte
10 abgewandten Seite der oberen Fotomaske 1 ist eine Zeilenkamera 14 so angeordnet,
daß von der entgegengesetzten Seite dieses Verbundes aus Leiterplatte und Fotomasken
einfallendes, im wesentlichen paralleles Licht durch die Positionierungsbohrung
12 auf die Zeilenkamera 14 fällt.
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Dabei bildet sich auf der eindimensional sehenden Zeilenkamera
ein
Schattenbild der Positionierungsbohrung 12 und der innerhalb derselben angeordneten
Markierungen 6, 8 ab. In Fig. 1 sind die Schattengrenzen der Markierungen 6, 8 bzw.
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der Bohrung 12 strichliniert dargestellt. Dies führt dann auf der
Zeilenkamera 14 beispielsweise zu einer Helligkeitsverteilung in Abhängigkeit von
der Breite, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 1 betrachtet sieht die Zeilenkamera
- von links kommend gesehen - zunächst Dunkelheit, um danach einen hellen Bereich
zu erkennen, der in Fig. 3 mit A bezeichnet ist. Der sich anschließende Schatten
der beiden Markierungen 6, 9 ist mit C bezeichnet, während rechts davon wieder ein
belichteter Bereich B vorhanden ist, an den sich dann wieder Schatten anschließt,
da die Positionierungs- oder Blendenbohrung 12 das übrige Licht zurückhält.
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Wenn der Schattenbereich C der beiden Markierungen 6, 8 kleinstmöglich
ist - vorausgesetzt beide haben die gleiche Größe - und wenn weiterhin die belichteten
Bereiche A und B gleich groß sind, sind die beiden Fotomasken genau aufeinander
ausgerichtet und zudem exakt in der Mitte der Positionierungsbohrung.
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Wenn die Meßmarkierungen 6, 8 und die Postionierungsbohrungen 12 der
Leiterplatte 10 in der Mitte der jeweiligen Ränder angeordnet sind, wie dies in
Fig. 2 dargestellt ist, und wenn das Sichtfenster 16 der Zeilenkamera 14 im jeweiligen
Meßbereich, also beispielsweise parallel zu den Rändern, die
Blendenbohrung
überdeckend angeordnet ist, dann läßt sich die Leiterplatte im Verhältnis zu der
Fotomaske über die Meßmarkierungen in Richtung der X-Koordinate in Richtung der
Y-Koordinate einmitten und umgekehrt. Dies bedeutet, daß dann das Zentrum von Leiterplatte
und Fotomasken in der bestmöglichen Weise zueinander eingemittet sind. Dadurch daß
jeweils eine Kamera nur eine Richtung mißt, kann die Leiterplatte so ausgerichtet
und belichtet werden, daß die theoretische Mitte optimal erhalten bleibt.
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Die als solche bekannte Zeilenkamera (CCD-Zeile) besteht im Prinzip
aus kleinen nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Abschnitten, z.B. Dioden,
deren Mittenabstand im Berich von 13 fim liegen kann. Parallel dazu sind kleine
Kondensatoren vorgesehen, wobei das Ganze als integrierte Schaltung ausgebildet
ist. Beim Auftreffen von Licht werden die Dioden leitend, was dann zur Messung der
Lage der Licht-bzw. Schattenbereiche verwendet werden kann. Das Auf lösungsvermögen
der Kamera entspricht dem Mittenabstand der einzelnen Dioden.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel eines Belichtungsgerätes für
ein- oder zweiseitig zu belichtende Leiterplatten sind zwei Rahmen zur Aufnahme
der beiden Fotomasken mit den Meßmarkierungen, vorzugsweise Glasmasken, vorgesehen.
Diese beiden Rahmen können entweder an einer Längsseite scharnierartig verbunden
sein, so daß sie zum Einführen der zu belichtenden
Leiterplatte
auseinanderklappbar sind oder sie sind mittels geeigneter Geradführungen senkrecht
gegeneinander bzw. auseinander bewegbar. Wenn es wie bei Multilayer-Leiterplatten
auf die gegenseitige Registrierung der Fotomasken ankommt, werden diese mit Hilfe
der von der Lichtquelle beleuchteten Markierungen gegeneinander ausgerichtet (Schatten
C in Fig. 3), wonach die Fotomasken dann etwa pneumatisch oder mit Vakuum in diesem
Rahmen fixiert werden.
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Wenn anschließend die zu belichtetende Leiterplatte mit ihren Positionierungsbohrungen
zwischen die dann schon aufeinander ausgerichteten Fotomasken eingebracht wird,
braucht nur noch die Leiterplatte derart ausgerichtet zu werden, daß die Bereiche
A und B in Fig. 3 im Bereich jeder Zeilenkamera einander (so gut wie möglich) gleichen.
Dies kannd mit von der Auswertschaltung in geeigneter Weise gesteuerten Stellmotoren
selbsttätig geschehen. Wie in Fig. 2 angedeutet ist, arbeitet dieses konkrete Ausführungsbeispiel
mit jeweils einer Zeilenkamera, einer Meßmarkierung und einer Positionierungsbohrung
in der Randmitte der vier Ränder eines rechteckigen Arbeitsbereiches einer solchen
Belichtungsmaschine.
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