DE4219045A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Mikrobohrern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Kühlung von Mikrobohrern, die in Bohrwerken zur Herstellung von Kleinstbohrungen in Leiterplatten Verwendung finden, sowie zum Abtransport des Bohraushubs aus der engeren Bohrerumgebung, bei dem der Mikrobohrer aus einer Zuleitung mit einem Kühlmittel angeströmt wird.

In der modernen Leiterplattentechnik nehmen die Anforderungen an die Größe und Qualität der Leiterplattenbohrungen ständig zu. Der Bedarf an hochkomplexen elektronischen Schaltungen führt zum vermehrten Einsatz von Leiterplatten in Multilayer-Technik. Durch die Verkleinerung der Leiterbahnbreiten und Lötaugen müssen die Fertigungstoleranzen bei Multilayern immer mehr eingeengt werden. Die Grenze der Verkleinerbarkeit wird zu einem erheblichen Teil durch die notwendigen Leiterplattenbohrungen bestimmt. Durch den Einsatz der SMD-Technik werden zwar Durchgangsbohrungen nur noch selten für die Bauteilaufnahme benötigt, dafür vergrößert sich mit der Miniaturisierung der Bauteile die Komplexität der Schaltungen. So können bei gleichbleibender Platinengröße mehr Schaltungen pro Platine untergebracht werden. Das bewirkt jedoch eine Zunahme der sich kreuzenden Leiterbahnen. Diese Kreuzungen umgeht ein Leiterplattenentflechter mit sog. Umsteigerbohrungen und Leiterbahnen auf anderen Platinenebenen. Um die Leiterbahnen verschiedener Verdrahtungsebenen miteinander verbinden zu können, müssen die Umsteigerbohrungen nachträglich mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen werden.

Um nun den verfügbaren Platz auf einer Platine optimal zu nutzen, sollten die Umsteigerbohrungen einen möglichst kleinen Durchmesser haben. Je kleiner der Bohrungsdurchmesser ist, desto kleiner kann der Durchmesser der Lötaugen sein, die als Landeplätze für die Umsteigerbohrung dienen. Kleine Lötaugen erlauben eine höhere Leiterbahndichte, wodurch die eine oder andere Verdrahtungsebene in einer Multilayer-Platine eingespart werden kann.

Bei mehreren in einem Multilayer in verschiedenen Verdrahtungsebenen übereinander liegenden Lötaugen mit kleinen Durchmessern werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Bohrwerks und die Geometrie der Bohrerspitze gestellt. So muß der Bohrer nicht nur genau positioniert werden, sondern er darf weder auf der obersten Metallbeschichtung während des Anbohrvorganges verrutschen, noch darf er in der Bohrung verlaufen.

Neben der Lage und Form solcher Bohrungen spielt die Qualität der Bohrlochwandung für das spätere Durchkontaktieren eine wesentliche Rolle. Denn eine fehlerhafte Durchkontaktierung beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Schaltung. Die Qualität ist weitgehend abhängig vom Aufbau der Platine und dem Verschleißzustand des Bohrwerkzeugs. Der größte Teil der heute eingesetzten Multilayer-Platinen besteht aus mehrlagigen Epoxid-Glasgewebeschichten. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Verbunds aus Epoxidharz und Glasgewebe stellt ein großes Problem dar. Das Bohrwerkzeug erhitzt sich aufgrund der mangelhaften Wärmeabfuhr durch den Platinenwerkstoff. Die Temperatur an der Spitze des Bohrwerkzeugs erreicht Temperaturen, die über der Preßtemperatur bei der Platinenherstellung liegen. Folglich erweicht das Harz in der unmittelbaren Umgebung des Werkzeuges. Die dabei verklebenden Spannuten des Bohrwerkzeugs verhindern ein wirkungsvolles Austragen des Aushubs. Die Stauwirkung erhöht weiter die Temperatur im Bohrloch. Somit wird das nicht ausgetragene zähflüssige Epoxidharz an der Bohrwandung entlanggeschmiert. Auf diese Weise können die metallischen Kontaktflächen in schon durchbohrten Lötaugen oberer Leitbahnschichten mit Epoxidharz isoliert werden. Hier ist ein späteres Durchkontaktieren ohne hohen Lochreinigungsaufwand nicht mehr möglich.

Des weiteren werden bei einem harzverschmierten Bohrer die Metallrückstände neu durchbohrter Lötaugen nicht mehr aus dem Bohrloch transportiert, sondern in die Bohrwandung verdrängt. Das kann aber zu ungewollten Kontaktierungen mit Leiterbahnen führen, die in unmittelbarer Nähe einer - möglicherweise verlaufenen - Bohrung liegen.

Dieser Verdrängungs- und Verschmiereffekt verursacht zusätzlich eine Auflockerung des Platinenmaterials in der Bohrlochumgebung. Durch den aufgeworfenen Grat auf der Platinenoberfläche wird die Kontaktierung zu den später auf der Platine befestigten Bauteilen beeinträchtigt. Auch füllen sich die in den Zwischenlagen entstandenen Ausbrüche und Kapillaren in der Regel mit Flüssigkeit, die dann beim Lötvorgang schlagartig verdampft und zu den bekannten Zinneruptionen aus den Löchern führt.

Die genannten Nachteile wie Verrutschen der Bohrerspitze beim Anbohrvorgang, Verlaufen des Bohrers in der Bohrung und das Verschmierungs- und Verdrängungsproblem lassen sich auf die hohe Arbeitstemperatur des im Eingriff befindenden Bohrerteils zurückführen. Die hohe Arbeitstemperatur fördert den schnellen Verschleiß des Bohrers. Der Verschleiß zeigt sich am Stumpfwerden der Quer- und Hauptschneide, sowie der Nebenflächenfase. Mit wachsendem Verschleiß nehmen die obengenannten Probleme so lange zu, bis der Mikrobohrer bricht.

In der US-PS 4,917,547 wird u. a. eine Bohrmilchzuführung in einer Leiterplattenbohrmaschine beschrieben. Dabei wird die Bohrmilch über eine im Leiterplattenniederhalter untergebrachte Leitung in Richtung Bohrer abgegeben. Dieses Naßbohrverfahren sorgt für eine Umspülung des Mikrobohrers im Niederhalterraum. Die einströmende Bohrmilch transportiert den Bohraushub aus der unmittelbaren Bohrerumgebung heraus und gibt ihn an eine leistungsfähige Absaugeinrichtung ab.

Nachteilig ist hier die ungenügende Benetzung des Bohrwerkzeugs mit Bohrmilch. Das Bohrwerkzeug, ein Mikrobohrer mit einem Bohrerdurchmesser vom 0,3 mm, muß, um eine Schnittgeschwindigkeit von 100 m/min zu erreichen, mit einer Drehzahl angetrieben werden, die über 100 000 U/min liegt. Dabei erwärmt sich der Mikrobohrer auf ca. 280°C. Es entsteht um den aus dem Bohrloch herausragenden Bohrermantel eine ringförmige, umlaufende Grenzschichtströmung aus verdampfter Bohrmilch. Das Dampfpolster verhindert eine wirksame Benetzung des Mikrobohrers mit Bohrmilch. Als Folge hiervon ist die Standzeit der Mikrobohrer und die Qualität der Bohrlochwandungen bei diesem Verfahren nur unwesentlich höher bzw. besser als bei einem reinen Trockenbohrvorgang.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Standzeit eines Werkzeuges zur mechanischen Herstellung von Mikrobohrungen in Leiterplatten und die Qualität dieser Mikrobohrungen erheblich verbessert wird. Auch sollen die aus dem Stand der Technik zu dieser Problematik bekannten Nachteile vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe wird erzielt durch ein Verfahren zur Kühlung von Mikrobohrern, die in Bohrwerken zur Herstellung von Kleinstbohrungen in Leiterplatten Verwendung finden, sowie zum Abtransport des Bohraushubs aus der engeren Bohrerumgebung, bei dem der Mikrobohrer aus einer Zuleitung mit Kühlflüssigkeit angeströmt wird. Dabei wird erfindungsgemäß die Kühlflüssigkeit mit Hilfe eines unter Druck stehenden Gases beschleunigt ausgetragen. Die Austragung der Kühlflüssigkeit mit unter Druck stehendem Gas erzeugt am Ausgang der Kühlmittelzuführung einen sehr schnell strömenden Kühlmittelstrahl. Dieser Kühlmittelstrahl trifft auf die den Mikrobohrer umgebende - aus verdampfter Kühlflüssigkeit (Bohrmilch) gebildeten - Grenzschichtströmung. Die Energie des Kühlmittelstrahls ist so groß, daß sie die Grenzschichtströmung aufreißt. Somit kommen die zum Strahl gebündelten Nebeltröpfchen mit dem Mikrobohrer in Kontakt und kühlen den heißen Bohrer. Die Bohrertemperatur sinkt unter die Platinenpreßtemperatur. Folglich wird das Epoxidharz im Bohrloch nicht mehr zähflüssig. Harz und Glasgewebe werden zerspant und in Form von Bohrmehl über die nicht mehr verklebenden Spannuten aus der Bohrung ausgetragen. Dieser Bohraushub, einschließlich der zerspanten Leiterplattenreste, wird zugleich vom Kühlmittelstrahl aus der Bohrerumgebung entfernt.

Die Absenkung der Bohrertemperatur hemmt den Verschleiß der Bohrerschneiden. Der weitgehende Erhalt der Schneidengeometrie garantiert über die Bohrerstandzeit die Qualität der Bohrung. So ist die Gefahr des Abrutschens mit scharfer Querschneide beim Anbohrvorgang gering. Das Verlaufen des Bohrers ist unwahrscheinlich, solange die Hauptschneiden weder stumpf noch ausgebrochen sind. Auch kann sich der Bohraushub nicht zwischen Bohrer und Bohrlochwand zwängen, solange die Nebenschneiden nicht verschlissen sind. Folglich wird ein Verschmieren der Bohrungswand und ein Auflockern der einzelnen Platinenlagen vermieden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die gedachte Mittellinie des Kühlmittelstrahls tangential den Mikrobohrermantel oberhalb - der dem Mikrobohrer zugewandten Seite - der Leiterplattenoberfläche an der Stelle berührt, an der die Horizontalkomponente des Kühlmittelstrahls frontal auf die den Mikrobohrer umgebende Grenzschichtströmung trifft. Unter dieser Anstrahlbedingung wird die Grenzschichtströmung sehr wirkungsvoll abgerissen, da hier der Kühlmittelstrahl direkt auf die ihm entgegenkommende, den Bohrer umgebende Strömung ausgerichtet ist. Die Geschwindigkeit der horizontalen Komponente des Kühlmittelstrahls ist wesentlich größer als die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Grenzschichtströmung. Folglich reißt die Grenzschichtströmung schon im Anfangsbereich der Kollision mit dem Kühlmittelstrahl ab, womit die effektive Bohrerbenetzungsfläche größer wird.

Des weiteren läßt sich das Verfahren dadurch optimieren, daß der Anströmwinkel zwischen der gedachten Mittellinie des Kühlmittelstrahls und der Leiterplattenoberfläche vorzugsweise zwischen 20 und 45° liegt. Bedingt durch diesen relativ großen Anströmwinkel wird eine Bohrerbiegung durch den Kühlmittelstrahl - im Verhältnis zu einer horizontalen Anströmung - soweit verringert, daß der Kühlmittelstrahl schon vor dem Aufsetzen des Bohrers auf der Platine eingeschaltet werden kann, ohne daß ein Verlaufen des Bohrers zu befürchten ist. Ferner kann durch einen großen Anstrahlwinkel verhindert werden, daß Bohraushub, der noch zwischen der Strahldüse und dem Bohrer liegt, in die Bohrzone geblasen wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn bei diesem Verfahren als Kühlflüssigkeit eine wäßrige Lösung verwendet wird, die 0,1 . . . 1,0 Gew.-% Tetra-ethylammoniumperfluoro-octansulfonat, 0,05 . . . 1,0% 1-Polyvinyl-3-methylimidazoliniummethosulfat und 0,4 . . . 2,0% para-n-Nonylphenyl-nonyl-ethoxy-polyether enthält. Diese wäßrige Lösung zeigt ein besonders gutes Benetzungsverhalten. Dadurch wird die Wärmeabgabe des Bohrers an die ihn berührenden Kühlmitteltröpfchen gefördert, was zu einer weiteren Absenkung der Bohrertemperatur führt. Außerdem weist diese Bohrlösung keine hautreizenden Eigenschaften auf.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß als Gas Druckluft verwendet wird. So kann die Bohrmaschine über einen Druckminderer aus dem Standarddruckluftnetz versorgt werden. Mit dem Druckminderer kann die Kühlmittelstrahlgeschwindigkeit auf einfache Weise gesteuert werden.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Strahlpumpe vorgesehen, mit der die Kühlflüssigkeit und das unter Druck stehende Gas gemischt und ausgetragen wird. Eine solche Strahlpumpe, auch Injektorpumpe genannt, hat einen vergleichbaren Aufbau mit einem Bunsenbrenner oder einer Wasserstrahlpumpe. Ohne bewegliche Teile zu haben, fördert sie Flüssigkeiten oder Gase mit einem Wirkungsgrad von 20 . . . 25%. Bei der vorliegenden Vorrichtung beschleunigt die Strahlpumpe mit Hilfe von Druckluft die an den Bohrer zu fördernde Kühlflüssigkeit. Neben einer erheblichen Geschwindigkeitszunahme des Kühlmittelstrahls wird die Kühlflüssigkeit fein zerstäubt. Gegenüber anderen Zerstäubern und/oder Vergasern hat die Strahlpumpe kleine Bauabmessungen und ist zudem wartungsfrei.

Die gesamte Vorrichtung kann dadurch verbessert werden, daß zusätzlich zu der den Kühlmittelstrahl abgebenden Strahlpumpe mindestens eine Hilfsstrahlpumpe und/oder Hilfsdüse vorgesehen wird. Die Hilfsdüsen blasen während des Bohrvorganges kontinuierlich oder stoßweise Druckluft in den Niederhalterraum. Sie sind nahezu parallel zur Platinenoberfläche angeordnet, um so möglichst vollständig den nicht von dem Kühlmittelstrahl erfaßten Bohraushub einer Absaugvorrichtung zuzuführen. Ihre Aufgabe ist es nicht, den Bohrer anzublasen oder zu kühlen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der teilweise schematisch dargestellten Ausführungsformen.

Fig. 1 Längsschnitt durch den unteren Teil einer Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine mit Werkstückniederhalter und Kühlmittelzufuhr.

Fig. 2 Unteransicht zu Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt zeigt den unteren Teil einer Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine. Ein Mikrobohrer (1) ist über eine Spannvorrichtung (2) von einer Bohrspindel (3) aufgenommen. Die Bohrspindel (3) ist in einer (nicht dargestellten) Lagerplatte einer Spindelglocke eines Mehrspindelautomaten drehbar gelagert. Für die Zustellung und den Vorschub des Mikrobohrers (1) wird die Spindelglocke relativ zum Mehrspindelautomat in Richtung der Bohrerachse bewegt.

Die Bohrspindel (3), die Spannvorrichtung (2) und der Mikrobohrer (1) werden von einem rohrförmigen Werkstückniederhalter (4) umgeben. Der Werkstückniederhalter (4) drückt das Werkstück, z. B. eine Leiterplatte (5), über einen elastischen Ring (8) gegen eine Bohrplatte (7). Fig. 1 zeigt den Werkstückniederhalter (4) in Arbeitsposition.

Der Werkstückniederhalter (4) beinhaltet u. a. eine mehrteilige Kühlmittelzufuhr in Form einer Strahlpumpe (9). Die Strahlpumpe (9) besteht aus einer Treibdüse (10), einer Fangdüse (11) mit dem Saugbereich (12) und einer Kühlflüssigkeitsleitung (13). Die Strahlpumpe (9) wird über eine Schlauchleitung (15) mit Gas versorgt, vorzugsweise mit Druckluft, die unter einem Druck von 3 bar steht. Das Gas strömt mit großer Geschwindigkeit aus der Treibdüse (10) und mischt sich in der Fangdüse (11) mit der im Saugbereich (12) über die Bohrung (14) aus der Kühlflüssigkeitsleitung (13) angesaugten Kühlflüssigkeit. Der Kühlmittelstrahl verläßt gebündelt die Fangdüse (11), um so den Mikrobohrer im Bereich des Bohrlochrandes zu kühlen und zu schmieren. Gleichzeitig spült der Kühlmittelstrahl den Bohraushub, bestehend aus Bohrmehl des Platinengrundmaterials und Bohrspänen der metallischen Platinenbeschichtung (Leiterbahnen), auf die der Strahlpumpe (9) abgewandten Seite.

Es ist auch denkbar, die Strahlpumpe aus Gründen der Vereinfachung so auszulegen, daß die Fangdüse (11) und die Treibdüse (10) aus beabstandeten zylindrischen Rohren bestehen.

Gegenüber der Strahlpumpe (9) befindet sich ein Saugrohr (18), das in eine Schlauchleitung (19) übergeht. Die Schlauchleitung (19) ist mit einer nicht dargestellten Saugpumpe verbunden. Das Saugrohr (18) nimmt den aus der Umgebung des Mikrobohrers (1) weggespülten Bohraushub auf.

Fig. 2 zeigt den Werkstückniederhalter (4) mit den Kühlmittel- und Saugleitungen. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß die Strahlpumpe (9) nicht mittig auf die Achse des Mikrobohrers (1) gerichtet ist. Die Strahlpumpe (9) ist so versetzt angeordnet, daß ihre gedachte Mittellinie (16) den Mantel des Mikrobohrers (1) gerade berührt. Dabei dreht sich die den Mikrobohrer (1) umgebende Grenzschichtströmung dem Kühlmittelstrahl entgegen.

Die Strahlpumpe (9) wird flankiert von zwei Druckluftrohren (20, 20′). In sie strömt über die Leitungen (21, 21′) Druckluft ein. Beide Druckluftrohre sind so orientiert, daß sich die Projektionen ihrer Mittellinien auf die Leiterplattenoberfläche (6), vgl. Fig. 1, vor den Einlaß des Saugrohres (18) schneiden. Die Mittelinien der unter einem Winkel von ca. 15° zur Leiterplattenoberfläche (6), vgl. Fig. 1, geneigten Druckluftrohre (20, 20′) schneiden die Leiterplattenoberfläche beidseitig einige mm neben dem Mikrobohrer (1). Dadurch ist gewährleistet, daß bei einer Druckbeaufschlagung dieser Druckluftrohre der einzelne Druckluftstrahl Aushubanhäufungen außerhalb des Kühlmittelstrahls erfassen kann, um sie dem Saugrohr (18) zuzuführen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kühlung von Mikrobohrern, die in Bohrwerken zur Herstellung von Kleinstbohrungen in Leiterplatten Verwendung finden, sowie zum Abtransport des Bohraushubs aus der engeren Bohrerumgebung, bei dem der Mikrobohrer aus einer Zuleitung mit Kühlflüssigkeit angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß hierzu die Kühlflüssigkeit mit Hilfe eines unter Druck stehenden Gases beschleunigt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gedachte Mittellinie (16) des aus Kühlflüssigkeit und Gas gebildeten Kühlmittelstrahls tangential den Mikrobohrermantel oberhalb - der dem Mikrobohrer (1) zugewandten Seite - der Leiterplattenoberfläche (6) an der Stelle berührt, an der die Horizontalkomponente des Kühlmittelstrahls frontal auf die den Mikrobohrer (1) umgebende Grenzschichtströmung trifft.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmwinkel zwischen der gedachten Mittellinie (16) des Kühlmittelstrahls und der Leiterplattenoberfläche (6) vorzugsweise zwischen 20 und 45° liegt.

4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Kühlflüssigkeit eine wäßrige Lösung, 0,1 . . . 1,0 Gew.-% Tetraethylammoniumperfluoro-octansulfonat, 0,05 . . . 1,0% 1-Polyvinyl-3-methylimidazoliniummethosulfat und 0,4 . . . 2,0% para-n-Nonylphenyl-nonyl-ethoxy-polyether enthaltend, verwendet wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Gas Druckluft verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit und das unter Druck stehende Gas mittels einer Strahlpumpe (9) gemischt und ausgetragen wird.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der, den Kühlmittelstrahl abgebenden Strahlpumpe (9) mindestens eine Hilfsstrahlpumpe und/oder Hilfsdüse (20, 20′) vorgesehen ist.