DE4340249A1

DE4340249A1 - Vorrichtung zum Tiefenbohren von Leiterplatten o. dgl.

Info

Publication number: DE4340249A1
Application number: DE4340249A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kunz; Gerhard Voith; Ulrich Rock
Original assignee: Schmoll Maschinen GmbH
Current assignee: Schmoll Maschinen GmbH
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 1995-06-01
Also published as: JPH07285097A; ITBZ940062A1; IT1278342B1; ITBZ940062A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Tiefen bohren von Leiterplatten oder dgl., bei welcher eine ein Bohrwerkzeug tragende Bohrspindel in Richtung der leitenden Oberflächenschicht der auf einem Maschinentisch angeordneten Leiterplatte absenkbar und die jeweilige Höhenstellung des Bohrwerkzeuges relativ zu der Leiterplattenoberfläche mittels einer Höhenmeßeinrichtung meßbar ist.

Mehrschichtige Leiterplatten werden nicht nur mit Durchgangs bohrungen, sondern wegen der höheren Ausnutzbarkeit in hohem Maße auch mit gebohrten Sacklöchern versehen, welche von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Leiterschicht im Inneren der Leiterplatte reichen. Wegen der zunehmenden Miniaturisie rung und damit geringer werdenden Schichtdicken wird an die (relativ zu der Leiterplatten-Oberfläche gemessenen) Sack lochtiefe eine Toleranz von wenigen µm gestellt. Dieser For derung hat man bisher dadurch zu entsprechen versucht, daß der Bohrkopf mit einer Kalibriereinheit und - neben der Meß einrichtung für die Zustellung des Bohrkopfes - mit einer zweiten Tiefenmeßeinrichtung ausrüstete. Hierbei fährt der Bohrkopf nach der Werkzeugaufnahme über die Kalibriereinheit, senkt ab und gibt einen Null-Impuls an das zweite Meßsystem, durch welchen die Steuerung die jeweilige Stellung der Werk zeugspitze zur Oberfläche der Leiterplatte erkennt. Die Tie fenbohrgenauigkeit wird hier jedoch durch Ungenauigkeiten der Bohrspindel, des Z-Achsen-Vorschubs, der CNC-Steuerung, der Aufnahmeplatte, die mechanische Anbringung der zweiten Tie fenmeßeinrichtung und des Bohrwerkzeuges (z. B. aufgrund von Wärmedehnungen) sowie durch Unebenheiten des Leiterplattenma terials, Umgebungseinflüsse (z. B. Verschmutzungen) und die Maschinenwartung beeinträchtigt. Außerdem ist der maschinelle Aufwand durch die zusätzliche Meßeinrichtung und die z. B. einen Laser enthaltende Kalibriereinheit verhältnismäßig groß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche bei einfa chem Aufbau höhere Tiefenbohrgenauigkeit zuläßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann ten Art erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß zwischen dem Bohrwerkzeug und der leitenden Oberflächen schicht bzw. der n-ten Leiterschicht eine Potentialdifferenz erzeugt wird und das bei Berührung der Spitze des Bohrwerk zeuges mit der Oberflächenschicht zwischen dem Bohrwerkzeug und der Oberflächenschicht abgreifbare Signal zur Bestimmung des Nullpegels der Bohrtiefe und ggf. das bei Berührung der Spitze des Bohrwerkzeuges mit der n-ten Leiterschicht ab greifbare Signal zur Bestimmung des Endpegels der Bohrtiefe verwendet wird.

Für die Tiefenmessung bedarf es auf diese Weise keiner zu sätzlichen Meßeinrichtung und auch keiner Kalibrierungssta tion. Ferner wird die Bohrtiefe immer genau von der Stelle aus gemessen, an welcher das Bohrwerkzeug ansetzt, so daß Unebenheiten der Leiterplatte keinen oder jedenfalls geringe ren Einfluß auf die Tiefentoleranz haben. Alleine die erfin dungsgemäße Bestimmung des Nullpegels führt gegenüber den bekannten Vorrichtungen zu höherer Tiefenbohrgenauigkeit, selbst wenn man von einer festen vorgegebenen Tiefenlage der n-ten Leiterschicht, bis zu welcher das Sackloch reichen soll, ausgeht. Wendet man das erfindungsgemäße Meßprinzip aber auch bei jedem Sackloch zusätzlich zur Bestimmung des Endpegels an, indem man feststellt, wann die Spitze des Bohr werkzeuges die n-te Leiterschicht berührt, können zusätzlich auch Ungenauigkeiten der Tiefenlage der n-ten Leiterschicht ausgeglichen und die Tiefentoleranz noch weiter verringert werden. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die ohne hin vorhandene Höhenmeßeinrichtung für die Zustellung der Bohrspindel auch für die Messung der Bohrtiefe einsetzbar. Von dem durch Berührung der Spitze des Bohrwerkzeuges festge stellten Nullpegel an werden die Tiefenmeßsignale lediglich zweckmäßigerweise auf einen gesonderten Zähler der vorhande nen Höhenmeßeinrichtung gegeben.

Das erfindungsgemäße Meßprinzip ist nicht auf das Bohren beschränkt, sondern gleichermaßen auch beim Fräsen oder dgl. Materialbearbeitung einwendbar. Wenn zuvor und nachfolgend von "Tiefenbohren" die Rede ist, soll dies daher keine Be schränkung auf diesen Begriff darstellen.

Das Potential Pb des Bohrwerkzeuges kann durch unmittelbare mechanische Kontaktierung des Werkzeugrotors, z. B. mittels Elektrode, aufgebracht werden. Zweckmäßigerweise kann jedoch das Potential Pb induktiv oder kapazitiv, d. h. berührungslos, auf das Bohrwerkzeug gegeben werden.

Das Potential Po der leitenden Oberflächenschicht kann entwe der durch unmittelbare Kontaktierung erfolgen, wird jedoch bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzeugt, daß ein der Bohrspindel zugeordneter, bis auf die Oberflächenschicht absenkbarer und diese kontaktierender Niederhalter aus leitendem Material, wie Metall, auf das Potential Po gelegt wird.

Damit die Feststellung des Endpegels (der gewünschten Endla ge) des Bohrwerkzeuges beim Tiefenbohren nicht durch die Maßnahmen, die zur Bestimmung des Nullpegels erfindungsgemäß getroffen sind, beeinträchtigt wird, wird das Bohrwerkzeug zweckmäßigerweise auf ein Potential Pb von 0 Volt und die Oberflächenschicht bzw. die n-te Leiterschicht auf ein Poten tial Po bzw. Pn von p Volt (p ≠ 0) gelegt. Anhand der Signal größe ist in diesem Fall auch feststellbar, von welcher Lei terschicht das Signal kommt.

Da es bei der hohen Vorschubgeschwindigkeit des Bohrwerkzeu ges gewisse Schwierigkeiten bereitet, den Vorschub schnell genug zu bremsen, wenn der Bremsvorgang erst bei Berührung der Spitze des Bohrwerkzeuges mit der n-ten Leiterschicht eingeleitet wird, bis zu welcher das Sackloch reichen soll, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zur Vorbestimmung der etwaigen Tiefenlage der n-ten Leiter schicht zunächst eine Probebohrung auszuführen. Bei der an schließenden Tiefenbohrung wird dann die Vorschubgeschwin digkeit des Bohrwerkzeugs in geringem Abstand vor Erreichen der Oberfläche der n-ten Leiterschicht (deren etwaige Tiefen lage nunmehr vorbekannt ist) auf einen geringeren Wert ge schaltet, so daß der "Bremsweg" bei Berührung der Spitze des Bohrwerkzeuges mit der n-ten Leiterschicht hinreichend gering ist.

Da die Tiefenlage der n-ten Leiterschicht innerhalb der Lei terplatte aufgrund von Fertigungstoleranz variiert, wodurch die Tiefenbohrgenauigkeit beeinträchtigt werden kann, wird bei einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgese hen, daß bei jeder Tiefenbohrung die bei der vorhergehenden Tiefenbohrung festgestellte Tiefenlage der n-ten Leiter schicht bei der Umschaltung der Vorschubgeschwindigkeit auf einen geringeren Wert unmittelbar vor Erreichen der n-ten Leiterschicht berücksichtigt wird. Hierbei macht man sich die Erfahrung zunutze, daß die Tiefenlage der Leiterschichten innerhalb der Leiterplatte sich nicht sprunghaft ändert, sondern nur allmählich. Auf diese Weise wird bei der jeweils nächsten Tiefenbohrung berücksichtigt, in welcher Tiefenlage das Nachbarsackloch endete.

Abgesehen von den bereits geschilderten Vorteilen (Vermeidung zahlreicher die Tiefenbohrgenauigkeit beeinträchtigender Fak toren) wird mit der erfindungsgemäßen Lösung eine automati sche z-Achseneinstellung und der damit verbundene Geschwin digkeitsvorteil erreicht, ferner ist eine Überwachung auf Bohrerbruch möglich.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur veranschaulicht im vertikalen Schnitt sche matisch eine die Erfindung aufweisende Tiefenbohrvorrichtung.

Eine Leiterplatte LP ist auf einem mit möglichst ebener und möglichst horizontaler Oberfläche versehenen Maschinentisch 4, wenn erforderlich, isoliert angeordnet. Die Leiterplatte LP ist bspw. mit zwei Leiterschichten, der leitenden Ober flächenschicht So und der n-ten Leiterschicht Sn, veranschau licht. Zwischen den Leiterschichten So, Sn und unter der n- ten Leiterschicht Sn befinden sich i.d.R. im Wechsel weitere (nicht dargestellte) Isolier- und Leiterschichten. Oberhalb der Leiterplatte LP ist höhenverstellbar und rotierbar eine Bohrspindel 2 angeordnet, in welcher ein Bohrwerkzeug 1 mit tels eines Werkzeugrotors 5 gehalten ist. Entweder die Bohr spindel 2 oder/und der Werkzeugrotor 5 ist/sind elektrisch isoliert. Der Bohrspindel 2 ist bei dieser besonderen Ausge staltung der Erfindung ein metallener, d. h. leitfähiger Nie derhalter 3 zugeordnet, welcher vor Beginn des Tiefenbohrens auf die leitende Oberflächenschicht So der Leiterplatte LP abgesenkt wird. Die Höhenstellung der Bohrspindel 2 bzw. des Werkstückrotors 5 und damit des Bohrwerkzeuges 1 wird mittels einer Höhenmeßeinrichtung 6 gemessen.

Erfindungsgemäß wird zwischen dem Bohrwerkzeug 1 und der leitenden Oberflächenschicht So und der n-ten Leiterschicht Sn eine Potentialdifferenz ΔP dadurch erzeugt, daß die Bohr spindel 2 bspw. auf ein Potential Pb von 0 Volt, die Oberflä chenschicht So bzw. der mit dieser kontaktierte Niederhalter 3 auf ein Potential Po von po Volt (po ≠ 0) und die n-te Lei terschicht Sn auf einem Potential Pn von pn Volt (pn ≠ 0) gelegt wird. Berührt bei Beginn des Tiefenbohrens die Spitze des Bohrwerkzeuges 1 die Oberflächenschicht So, so ist zwi schen dem Bohrwerkzeug 1 und der Oberflächenschicht So ein Signal abgreifbar, welches mittels einer Signalauswertung 7 zur Bestimmung des Nullpegels der Bohrtiefe an die Höhenmeß einrichtung 6 geliefert werden kann. Von da an wird beim Vor schub des Bohrwerkzeugs 1 während des Tiefenbohrens die Hö henstellung der Bohrspindel 2 bzw. des Werkzeugrotors 5 mit tels der Höhenmeßeinrichtung 6 laufend gemessen, z. B. bis zum Erreichen einer Solltiefe, bei welcher der Vorschub des Bohr werkzeugs 1 abgeschaltet wird.

Wenn die n-te Leiterschicht Sn, welche mit dem Sackloch gera de erreicht werden soll, auf einem Potential Pn ≠ Pb liegt, kann, wenn die Spitze des Bohrwerkzeuges 1 die n-te Leiter schicht Sn berührt, ein Signal zwischen diesen beiden Kom ponenten abgegriffen und zur Bestimmung des Endpegels der Bohrtiefe der Höhenmeßeinrichtung 6 zugeführt werden, worauf der Vorschub des Bohrwerkzeugs 1 abgestellt wird. Die ge wünschte Sacklochtiefe kann auf diese Weise mit hoher Genau igkeit erreicht werden.

Zeichnerisch dargestellt ist schematisch eine mechanische Kontaktierung des Werkzeugrotors 5 zur Beaufschlagung mit dem Potential Pb. Das Potential Pb kann jedoch auch induktiv oder kapazitiv auf das Bohrwerkzeug 1 aufgebracht werden.

Bezugszeichenliste

1 Bohrwerkzeug
2 Bohrspindel
3 Niederhalter
4 Maschinentisch
5 Werkzeugrotor
6 Höhenmeßeinrichtung
7 Signalauswertung
LP Leiterplatte
So Oberflächenschicht
Sn n-te Leiterschicht
Pb Potential (Bohrer)
Po Potential (Oberflächenschicht bzw. Niederhalter)
Pn Potential (n-te Leiterschicht)

Claims

1. Vorrichtung zum Tiefenbohren von Leiterplatten (LP) od. dgl., bei welcher eine ein Bohrwerkzeug (1) tragende Bohr spindel (2) in Richtung der leitenden Oberflächenschicht (So) der auf einem Maschinentisch (4) angeordneten Leiterplatte (LP) absenkbar und die jeweilige Höhenstellung des Bohrwerk zeuges (i) relativ zu der Leiterplattenoberfläche mittels einer Höhenmeßeinrichtung (6) meßbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Bohrwerkzeug (1) und der leitenden Oberflächenschicht (So) bzw. der n-ten Leiterschicht (Sn) eine Potentialdifferenz (ΔP) erzeugt wird und das bei Berüh rung der Spitze des Bohrwerkzeuges (1) mit der Oberflächen schicht (So) zwischen dem Bohrwerkzeug (1) und der Oberflä chenschicht (So) abgreifbare Signal zur Bestimmung des Null pegels der Bohrtiefe und ggf. das bei Berührung der Spitze des Bohrwerkzeuges (1) mit der n-ten Leiterschicht (Sn) ab greifbare Signal zur Bestimmung des Endpegels der Bohrtiefe verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential (Pb) des Bohrwerkzeuges (1) durch unmittelbare Kontaktierung des Werkzeugrotors (5), induktiv oder kapazitiv aufgebracht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Bohrspindel (2) ein bis auf die leitende Ober flächenschicht (So) absenkbarer Niederhalter (3) zugeordnet ist und das Potential (Po) der leitenden Oberflächenschicht (So) dadurch erzeugt wird, daß der Niederhalter (3) auf das Potential (Po) gelegt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnete daß das Bohrwerkzeug (1) auf ein Potential (Pb) von 0 Volt und die Oberflächenschicht (So) bzw. die n-te Leiterschicht (Sn) auf ein Potential (Po) bzw. (Pn) von p Volt (p ≠ 0) gelegt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbestimmung der etwaigen Tiefenlage der n-ten Leiterschicht (Sn) eine Probebohrung ausgeführt wird und daß bei der Ausführung der anschließenden Tiefen bohrung die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges (1) in geringem Abstand vor Erreichen der Oberfläche der n-ten Lei terschicht (Sn) auf einen geringeren Wert geschaltet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Tiefenbohrung die bei der vor hergehenden Tiefenbohrung feststellbare Tiefenlage der n-ten Leiterschicht (Sn) bei der Umschaltung der Vorschubgeschwin digkeit auf einen geringeren Wert unmittelbar vor Erreichen der n-ten Leiterschicht (Sn) berücksichtigt wird.