DE3733253C2

DE3733253C2 - Verfahren zum Bohren von Löchern in Leiterplatten

Info

Publication number: DE3733253C2
Application number: DE3733253A
Authority: DE
Inventors: Kunio Arai; Hiromi Nishiyama; Hiroshi Aoyama; Yasuhiko Kanaya
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-10-01
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2007-10-02
Also published as: JPS63156603A; JPH0547322B2; CH673000A5; DE3733253A1; US5066171A; US4997319A; US4872787A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Löchern in Leiterplatten der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der JP-A-59-205209 ist eine - auch in Fig. 7 der bei liegenden Zeichnung dargestellte - Bohrvorrichtung bekannt, mit der eine Vielzahl von schmalen Bohrlöchern unterschied licher Durchmesser in einem aus einer Deckplatte, mehreren Leiterplatten und einer Tragplatte bestehenden Plattenstapel gebohrt werden können. Dabei wird der Bohrer zusammen mit einem als Druckstempel ausgebildeten Niederhalter aus einer Startposition oberhalb der Deckplatte in Richtung auf den auf einem Werkstücktisch fest montierten Plattenstapel vor geschoben, wobei der Niederhalter gegen die Deckplatte drückt, bevor der Bohrvorgang beginnt. Der Bohrer wird zu sammen mit seiner Bohrspindel in einer kontinuierlichen Vorschubbewegung bis zum Erreichen der vorgegebenen Bohr lochtiefe vorgeschoben und anschließend im Eilgang in seine ursprüngliche Startposition zurückgezogen, wobei in der letzten Phase dieser Rückzugsbewegung der Niederhalter von der Bohrspindel mitgenommen und dadurch von der Deckplatte des Plattenstapels abgehoben wird. Mit diesem Verfahren können Löcher mit einem Tiefen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 6 problemlos und mit guter Qualität hergestellt werden. Bei sehr schmalen Löchern von einigen 10tel Millimetern Durchmesser und einem größeren Tiefen/Durchmesser-Verhältnis ergeben sich jedoch Schwierigkeiten insbesondere durch eine zu geringe Kühlung des Bohrers und einer entsprechend hohen Temperatur, die zum Erweichen und zum Verschmieren der über wiegend aus Kunststoff bestehenden Bohrspäne führt, welche dann nur unzureichend aus dem Bohrloch ausgetragen und von dem hochtourig umlaufenden Bohrer abgeschleudert werden kön nen. Bei sehr feinen Bohrern von nur wenigen 10tel Millime tern Durchmesser können ferner übermäßige Belastungen und Ausbiegungen des Bohrers beim Durchbohren der regelmäßig aus einer Al-Legierung bestehenden Deckplatte auftreten.

Es wurde auch bereits ein mit dieser bekannten Bohrvorrich tung durchzuführendes Bohrverfahren vorgeschlagen, das in Fig. 5, 6 der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt ist. Bei diesem Verfahren wird der Bohrer in mehreren Bohr intervallen aus einer Startposition A mit der Bohrgeschwin digkeit V_F vorgeschoben und nach jedem Bohrintervall in die se Startposition A im Eilgang V_R zurückgezogen. Da der Boh rerrückzug jeweils bis in die Startposition A erfolgte, wur de auch der Niederhalter der Endphase jedes Rückzugvorganges von der Deckplatte abgehoben, was zu Relativbewegungen der einzelnen Platten im Stapel und damit zu Bohrfehlern im nachfolgenden Bohrintervall führte. Ferner vergrößerten sich durch die relativ langen Rückzugsbewegungen die Totzeiten und damit die gesamte Bohrzeit.

In der DE-B 19905 Ib/49a ist ein Verfahren zum Bohren von Löchern in ein massives Werkstück beschrieben, bei dem der Bohrer aus einer Startposition im Eilvorlauf bis an das fest aufgespannte Werkstück herangebracht und in einem ersten Bohrintervall bis in eine vorgegebene Tiefe mit verminderter Bohrgeschwindigkeit vorgeschoben wird. Nach diesem ersten Bohrvorschub wird der Bohrer im Eilgang bis vor das Werk stück zurückgezogen. Darauf folgt ein weiterer Eilvorschub des Bohrers bis kurz vor den Bohrlochgrund des im ersten Bohrintervall erzeugten Bohrlochs, woraufhin auf die gerin gere Bohrgeschwindigkeit umgeschaltet und nach Erreichen des Bohrlochgrundes bis in eine vorgegebene Tiefe weitergebohrt wird. Diese Vorgänge wiederholen sich bis zum Erreichen der vorgegebenen Endtiefe, woraufhin der Bohrer in seine Start position zurückgezogen wird. Durch diesen Intervallbetrieb läßt sich ein problemloser Austrag des Bohrkleins und der Späne auch aus tiefen Bohrlöchern bei relativ kurzen Bohr zeiten erzielen. Die Herstellung von sehr schmalen Bohrlö chern mit nur wenigen 10tel Millimetern Durchmesser in auf einandergestapelten Leiterplatten, die regelmäßig aus mehre ren Schichten unterschiedlicher Materialien aufgebaut sind, läßt sich mit diesem Verfahren nicht ohne weiteres durchfüh ren, weil die genaue Lagefixierung der einzelnen Platten des jeweiligen Stapels während der verschiedenen Bohrintervalle nicht sichergestellt ist und durch Relativbewegungen der einzelnen Platten während der Rückzugphasen des Bohrers La gefehler auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bohren von Löchern in aufeinandergestapelten Leiterplatten aufzuzeigen, mit dem auch sehr schmale Löcher mit vergrößertem Tiefen/ Durchmesser-Verhältnis in guter Qualität und mit akzeptabler Produktivität hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentan spruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch den intervallartigen Bohrbetrieb bei kontinuierlich wirksamem Niederhalter auch während der Rückzugbewegungen des Bohrers wird eine effektive Fixierung der Platten unter Vermeidung von Relativverlagerungen gewährleistet, so daß die in jeder Leiterplatte des Stapels erzeugten Löcher genau gleiche Form und Abmessungen haben. Ferner wird eine aus reichende Kühlung des Bohrers während der Rückzugsphasen sichergestellt, wodurch auch bei extrem feinen Bohrern das Erweichen der Kunststoffspäne vermieden und deren Austrag aus dem Bohrloch gewährleistet wird. Das Durchbohren der Deckplatte mit gegenüber der Bohrgeschwindigkeit der Leiter platten verminderter Vorschubgeschwindigkeit verbessert die Positioniergenauigkeit beim Anbohren und vermindert die Ge fahr von Ausbiegungen des Bohrers. Das Zurückziehen des Boh rers in eine Zwischenlage unmittelbar über dem Plattenstapel gewährleistet einen effektiven Austrag der Späne und des Bohrkleins bei relativ kurzen Totzeiten, was sich insbeson dere bei großflächigen Leiterplatten auswirkt, in die einige tausend oder einige zehntausend Löcher von unterschiedlichen Durchmessern gebohrt werden müssen. Wenn beispielsweise die zum Bohren eines Lochs insgesamt benötigte Zeit um nur 0,1 s verkürzt wird, können Zeiteinsparungen bei großflächigen Leiterplatten von bis zu einigen Stunden erzielt werden.

Im folgenden werden eine Bohrvorrichtung sowie mehrere Ver fahrens-Varianten zum Herstellen von Löchern in Leiterplat ten anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung eines Bohr vorganges gemäß der Erfindung in Form eines Weg-Zeit-Diagrammes;

Fig. 2 eine Plattenanordnung im Schnitt beim Bohren eines Lochs gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines ab gewandelten Bohrvorgangs gemäß der Er findung im Weg-Zeit-Diagramm;

Fig. 4 eine Plattenanordnung im Schnitt beim Bohren eines Lochs gemäß der Verfahrens- Variante nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Plattenanordnung im Schnitt beim Bohren eines Lochs nach einem älteren Verfahrens-Vorschlag;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Bohrvor gangs nach Fig. 5 im Weg-Zeit-Diagramm;

Fig. 7 eine bekannte Bohrvorrichtung mit einer Bohrspindel und einem Niederhalter zur Durchführung der Bohrverfahren nach den Fig. 1 bis 6.

Bei der in Fig. 7 dargestellten - aus der JP-A-59-205209 be kannten - Bohrvorrichtung ist ein Bohrer 4 in einem Bohrfut ter 101a am Vorderende einer Spindel 101 befestigt. Ein in Richtung der Bohrerachse verschiebbarer Niederhalter in Form eines Druckstempels 5 enthält einen Ringkolben 104, dessen oberer Endteil in einem Ringraum 103a eines Zylinders 103 geführt wird und an dessen unterem Ende ein Bund 105 angeordnet ist. Ein am Unterende des Zylinders 103 angeformter Flansch 103b kommt mit einem oberen Endflansch 104a des Kolbens 104 in Anlage. Die Innenwand des Zylinders 103, die Außenwand der Spindel 101 und der Endflansch 104a des Kolbens 104 bilden eine Arbeitskammer 115, in die Druckluft unter vorbestimmtem Druck P durch eine Leitung 116 von einer - nicht dargestell ten - Druckluftversorgung eingeleitet wird. Der Zylinder 103 wird von einer - nicht dargestellten - Hubvorrichtung auf- und abbewegt.

Der Plattenstapel umfaßt eine Deckplatte 2, mehrere Leiter platten 1 und eine auf einem - nicht dargestellten - Werk stücktisch aufliegende Stützplatte 3.

Zum Durchbohren der Leiterplatten 1 wird der Zylinder 103 zusammen mit der Spindel 101 nach abwärts bewegt, bis der an der Unterseite des Bundes 105 ausgebildete Ansatz 105a die Deckplatte 2 kontaktiert, wodurch die Leiterplatten 1 und die Deckplatte 2 gegen die Stützplatte 3 gedrückt und damit die Leiterplatten unverrückbar fixiert werden. Anschließend wird die Spindel 101 weiter abgesenkt, wobei sich der Flansch 103b des Zylinders 103 vom Flansch 104a des Kolbens 104 löst und durch die Verschiebung des Flansches 104a an der Innenwand 103a des Zylinders 103 das Volumen der Kammer 115 verringert wird. Die Bohrerspitze 4a des Bohrers 4 ragt dann aus dem Bund 105 heraus, so daß ein Loch von vorbe stimmter Tiefe in die Leiterplatten 1 gebohrt werden kann. Während des Bohrvorganges wird der Raum 117 um den Bohrer 4 evakuiert, um die Bohrspäne abzusaugen. Nach Beendigung des Bohrvorgangs wird die Spindel 101 in ihre Ausgangslage zu rückgezogen, wobei sich das Volumen der Kammer 115 ver größert. Nachdem der Bohrer aus dem Bohrloch in den Leiter platten 1 und in der Deckplatte 2 herausgezogen ist, wird der Bund 105 des Druckstempels mit zurückgezogen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens erläu tert.

Der Bohrvorgang beginnt aus einer Startlage A des Bohrers 4, in welcher der als Niederhalter wirkende Druckstempel 5 die Deckplatte 2 nicht kontaktiert und die Bohrerspitze 4a in einem vertikalen Abstand G über der Unterseite des Druck stempels 5 steht (vgl. Fig. 2).

In der Bohrerlage C drückt der Druckstempel 5 auf die Deck platte 2 und die Bohrerspitze 4a steht in einem Abstand g über der Deckplatte 2. Dabei drückt der Druckstempel 5 auf die Deckplatte 2, die Leiterplatten 1 und die Stützplatte 3 mit einer Kraft, die der Differenz der Abständen G und g umgekehrt proportional ist.

Der Bohrer 4 nimmt Zwischenlagen M₁ und M₂ mit zunehmender Lochtiefe ein, wobei die erste Zwischenlage M₁ das Anbohren der obersten Leiterplatte kennzeichnet. In der Endlage B ist der Bohrer 4 etwa 1 mm in die Stützplatte 3 eingedrungen. Die Deckplatte 2 wird mit einer auf einen geeigneten Wert eingestellten Anbohrvorschubgeschwindigkeit V_E durchbohrt und die Bohrvorschubgeschwindigkeit V_F ist auf einen Wert eingestellt, der ein Bohrloch höchster Qualität gewährlei stet. Der Rückzug des Bohrers erfolgt mit einer Eilgeschwin digkeit V_R, die auf einen solchen Wert eingestellt ist, daß die Qualität des Bohrlochs nicht verschlechtert wird.

Bei einem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bohrvorgang wird der Bohrer 4 zuerst aus der Bohrerstartlage A mit der An bohr-Vorschubgeschwindigkeit V_E an der Rückzugslage C vorbei in die erste Zwischenlage M₁ vorgeschoben, wobei die oberste Leiterplatte 1 durch die Deckplatte 2 hindurch angebohrt wird. Aus dieser Zwischenlage M₁ wird der Bohrer 4 mit der Eilgeschwindigkeit V_R in die Rückzugslage C zurückgezogen, um die anhaftenden Späne abzuschleudern und den Bohrer abzu kühlen. Aus der Rückzugslage C wird der Bohrer 4 anschlie ßend mit der Bohrvorschubgeschwindigkeit V_F in die nächst folgende Zwischenlage M₂ vorgeschoben, so daß Leiterplatten 1 durchbohrt werden. Dabei dient das vorgebohrte Loch als Führung für den Bohrer 4, so daß dieser exakt wieder in der Bohrlage positioniert wird. Nachfolgend wird der Bohrer 4 mit der Eilgeschwindigkeit VR aus der Zwischenlage M₂ in die Rückzugslage c zurückgezogen, wobei in dieser Periode die Späne aus dem Loch entfernt werden und der Bohrer 4 abkühlt. Danach wird der Bohrer 4 aus der Rückzugslage C mit der Bohrvorschubgeschwindigkeit V_F in die Bohrendlage B bewegt, die innerhalb der Stützplatte 3 liegt. Aus dieser Bohrend lage B wird der Bohrer 4 mit der Eilgeschwindigkeit V_R in die Startposition A zurückgezogen, wodurch der Bohrvorgang beendet ist.

Danach werden die Leiterplatten 1 gegenüber dem Bohrer 4 ho rizontal verschoben, um einen weiteren Bohrvorgang auszufüh ren.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird im folgenden eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens erläutert, wo bei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie bei der Variante gemäß Fig. 1, 2 versehen sind.

Bei einem Bohrvorgang gemäß Fig. 3, 4 sind Umschaltlagen H₀, H₁, H₂ vorgesehen. In der Umschaltlage H₀ kontaktiert der Druckstempel 5 die Deckplatte 2 bzw. befindet sich in einer geringfügig über der Deckplatte 2 liegenden Position. Die Umschaltlagen H₁ und H₂ liegen in vorbestimmten Abstän den über den Zwischenlagen M₁ und M₂.

Bei einem Bohrvorgang nach Fig. 3 wird der Bohrer 4 zuerst aus der Bohrerstartlage mit der Eilgeschwindigkeit V_R in die erste Umschaltlage H₀ und aus dieser mit der Anbohr-Vor schubgeschwindigkeit V_E an der Rückzugslage C vorbei in die Zwischenlage M₁ vorgeschoben, um durch die Deckplatte 2 hin durch die oberste Leiterplatte 1 anzubohren. Anschließend wird der Bohrer 4 mit der Eilgeschwindigkeit V_R aus der Zwi schenlage M₁ in die Rückzugslage C und aus dieser in die Umschaltlage M₁ bewegt. Aus dieser Umschaltlage H₁ wird der Bohrer 4 mit der Bohrgeschwindigkeit V_F zur nächsten Zwi schenlage M₂ vorgeschoben. Aus dieser Zwischenlage M₂ wird der Bohrer 4 mit der Eilgeschwindigkeit V_R in die Rückzugs lage C und aus dieser in die Umschaltlage H₂ bewegt. In die ser Umschaltlage H₂ wird wiederum von Eilgang auf Bohrge schwindigkeit umgeschaltet, so daß die unterste Leiterplatte 1 durchbohrt und die Stützplatte 3 angebohrt werden. Danach kehrt der Bohrer 4 im Eilgang V_R in die Startlage A zurück.

Durch diesen Bohrvorgang kann die Bohrzeit T gegenüber der ersten Verfahrens-Variante verkürzt werden, weil der Bohrer in einer größeren Anzahl von Bewegungsphasen mit der Eil ganggeschwindigkeit V_R5 bewegt wird.

Die Bohrzeit T verkürzt sich weiter, wenn der Bohrer mit einer höheren als der Eilgeschwindigkeit V_R zwischen der Bohrstartlage A und der Umschaltlage H₀ bewegt wird. Ferner können auch mehr als zwei Zwischenlagen M₁ und M₂ vorgesehen sein.

Mit zunehmender Tiefe des Bohrloches kann zur effektiven Entfernung der Bohrspäne der Abstand zwischen den Zwischen lagen M_m und M_n kleiner gewählt werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Verfahrens-Varianten werden die Leiterplatten von dem als Niederhalter wirkenden Druck stempel 5 unmittelbar nach Beginn des Bohrvorganges bis un mittelbar vor der Rückkehr des Bohrers in die Startlage A nach unten gedrückt. Infolgedessen können sich die Leiter platten 1 während des Bohrvorganges nicht verschieben, was ein sehr genaues Bohren von Löchern in mehreren aufeinander gestapelten Leiterplatten 1 ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zum Bohren von Löchern mit einem Tiefe-zu- Durchmesserverhältnis von < 6 in Leiterplatten, bei dem

- ein aus einer oberen Deckplatte (2), mehreren Leiter platten (1) und einer unteren Tragplatte (3) bestehen der Plattenstapel auf einem Werkstücktisch fixiert wird,
- eine Bohrspindel (101) und ein Bohrer (4) zusammen mit einem hohlzylindrischen Niederhalter (5) aus einer vor gegebenen Ausgangsstellung (A) gegen den Plattenstapel vorgeschoben wird, wobei der Niederhalter (5) den Plattenstapel im Umfangsbereich des zu bohrenden Lochs zusammenpreßt,
- anschließend das Loch im Plattenstapel durch eine wei tergehende Vorschubbewegung des Bohrers (4) gebohrt wird und
- daraufhin die Bohrspindel (101) mit dem Bohrer (4) bis in die Ausgangsstellung (A) zurückgezogen und der Nie derhalter (5) vom Plattenstapel abgehoben wird, gekennzeichnet , durch die Kombination folgender Merkmale
- die Bohrspindel (101) mit dem Bohrer (4) wird in meh reren aufeinanderfolgenden Bohrintervallen jeweils mit vorgegebener Geschwindigkeit vorgeschoben und nach je dem Bohrintervall im Eilgang bis in eine Zwischen stellung (C) unmittelbar über der Deckplatte (2) zurückgezogen,
- im ersten Bohrintervall wird die Deckplatte (2) des Plattenstapels mit einer gegenüber der normalen Vorschubgeschwin digkeit (V_F) verringerten Geschwindigkeit (V_E) durch gebohrt und
- der vom Niederhalter (5) auf den Plattenstapel ausge übte Preßdruck wird während der wiederholten Vorschub bewegungen und der Rückzugbewegungen des Bohrers (4) bis in seine Zwischenstellung (C) aufrechterhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer (4) in jedem Bohrintervall mit einer kon stanten Geschwindigkeit vorgeschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer (4) in jedem der dem ersten Bohrintervall folgenden Bohrintervalle bis unmittelbar vor den Lochgrund im Eilgang und anschließend mit der normalen Vorschubgeschwindigkeit (V_F) vorgeschoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit tieferwerdendem Loch die Bohrintervalle verkürzt werden.