DE4435670A1

DE4435670A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten

Info

Publication number: DE4435670A1
Application number: DE19944435670
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Kunz
Original assignee: Schmoll Maschinenbau Werk GmbH
Current assignee: Schmoll Maschinenbau Werk GmbH
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Leiter platten oder dgl., bei dem eine ein Bohrwerkzeug tragende Bohrspindel auf die auf einem Maschinentisch angeordnete Leiterplatte abgesenkt, bis zu der gewünschten Bohrtiefe in die Leiterplatte eingeführt und anschließend wieder bis zu einer Halteposition über der Leiterplatte angehoben wird, bei dem die Bohrspindel horizontal zu der nächsten Bohrposition verschoben wird, bei dem die jeweilige Höheneinstellung des Bohrwerkzeugs relativ zu der Leiterplattenoberfläche mittels einer Höhenmeßeinrichtung gemessen wird, und bei dem durch Erzeugung eines elektrischen Signals beim Berühren der Spitze des Bohrwerkzeugs mit der Oberfläche der Leiterplatte der Nullpegel des Eintritts des Bohrwerkzeugs in die Leiterplatte ermittelt wird, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Leiterplatten werden, insbesondere im Fall von mehrschichti gen Leiterplatten, mit Durchgangsbohrungen sowie zur Erhöhung der Ausnutzbarkeit mit gebohrten Sacklöchern versehen, die von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Leiterschicht im Inneren der Leiterplatte reichen. Da auf Leiterplatten auf kleinstem Raum immer kompliziertere Schaltungen vorgesehen werden, ist eine Vielzahl von Bohrungen erforderlich, die bei größeren Leiterplatten leicht eine Größenordnung von mehreren Tausend Bohrungen pro Leiterplatte annehmen kann. Üblicher weise wird zur Herstellung einer solchen Bohrung die Bohr spindel aus der Halteposition mit dem Bohrvorschub in Rich tung der Leiterplatte abgesenkt. Beim Absenken der Bohrspin del trifft dabei vor dem Bohrer ein Niederhalter auf die Leiterplatte auf, der diese zur Verbesserung der Lagegenauig keit auf dem Maschinentisch festpreßt. Das rotierende Bohr werkzeug wird nun weiter abgesenkt, bis die Spitze des Bohr werkzeugs die gewünschte Bohrtiefe erreicht. Anschließend wird die Bohrspindel mit maximalem Vorschub wieder angehoben bis der Niederhalter um einen bestimmten Sicherheitsabstand von der Leiterplatte abhebt und die Bohrerspitze wird in den Niederhalter hinein zurückgezogen. Nach Erreichen der Halte position wird die Bohrspindel entlang der X- und Y-Achse horizontal zu der nächsten Bohrposition verfahren und dort erneut abgesenkt. Nachteilig hierbei ist, daß der Leerhub zwischen der Halteposition und dem Eintritt der Bohrerspitze in die Leiterplatte sowie das daran anschließende horizontale Verfahren der Bohrspindel zur nächsten Bohrposition relativ viel Zeit beansprucht. Bei der erwähnten hohen Anzahl von Bohrungen pro Leiterplatte werden dadurch die Fertigungs kosten stark erhöht.

Aus der US-PS 4,765,784 ist eine Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten bekannt, bei der die Tiefengenauigkeit der Bohrungen dadurch erhöht werden soll, daß der Nullpegel des Eintritts der Spitze des Bohrwerkzeugs in die Leiterplatte durch Erzeugen eines elektrischen Signals beim Auftreffen des Bohrwerkzeugs auf die Leiterplattenoberfläche festgestellt wird und daß ab diesem festgestellten Nullpegel bis zu einer programmierten Tiefe gebohrt wird. Durch die Verwendung des beim Eintritt des Bohrwerkzeugs in die Leiterplatte erzeugten Signals als Referenz für die Bohrtiefe kann der Einfluß von Fertigungsungenauigkeiten, die ansonsten die Einhaltung der geforderten Toleranzen von wenigen -im für die Bohrtiefe er schweren, weitgehend eliminiert werden. Auch bei dieser Vor richtung ist jedoch das Absenken der Bohrspindel mit Bohrvor schubgeschwindigkeit, das anschließende Anheben der Bohr spindel und die danach erfolgende horizontale Verschiebung der Bohrspindel zur nächsten Bohrposition sehr zeitaufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gat tungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, daß das Bohren von Leiterplatten schneller erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß beim Anheben und/oder Absenken der Bohrspindel die horizontale Verschiebung der Bohrspindel bzw. des Maschi nentischs wenigstens teilweise gleichzeitig mit der vertika len Verschiebung der Bohrspindel erfolgt. Durch die Ermitt lung des Nullpegels der Tiefenbohrung beim Eintritt des Bohr werkzeugs in die Leiterplatte wird gleichzeitig die Position des Austritts des Bohrwerkzeugs aus der Leiterplatte fest gestellt, so daß nach dem Austritt des Bohrwerkzeugs aus der Leiterplatte die Horizontalverschiebung der Bohrspindel ein geleitet werden kann. Durch die gleichzeitige horizontale und vertikale Verschiebung der Bohrspindel zur nächsten Bohr position kann der zwischen zwei Bohrungen liegende Zeitraum wesentlich verkürzt werden, so daß sich die Herstellungs kosten verringern.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beginnt die Horizontalverschiebung der Bohrspindel, sobald die Spitze des Bohrwerkzeugs aus der Leiterplatte heraustritt. Dadurch kann eine maximale Zeitersparnis erreicht werden.

Es ist jedoch ebenso Bestandteil der Erfindung, daß die Hori zontalverschiebung der Bohrspindel erst dann beginnt, wenn die Spitze des Bohrwerkzeugs einen Sicherheitsabstand von der Leiterplatte aufweist, so daß gewährleistet ist, daß die Leiterplatte bei der horizontalen Verschiebung des Bohrwerk zeugs nicht durch dieses beschädigt wird.

Die Zeitersparnis läßt sich erfindungsgemäß dadurch weiter erhöhen, daß das Absenken der Bohrspindel beginnt, bevor die nächste Bohrposition erreicht ist.

Wird zur Verbesserung der Lagegenauigkeit die Leiterplatte über einen Niederhalter mit Druck gegen den Maschinentisch gepreßt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß nach Abheben der Spitze des Bohr werkzeugs über die Oberfläche der Leiterplatte, die Bohr spindel bei auf der Leiterplatte gelagertem Niederhalter horizontal verfahren wird. Damit entfällt das bisher übliche vollständige Abheben des Niederhalters von der Leiterplatte um 2 bis 3 µm, und der Arbeitsvorgang läßt sich wesentlich beschleunigen.

Um eine Beschädigung der Leiterplatte durch den daran anlie genden Niederhalter zu vermeiden, wird dieser erfindungsgemäß soweit angehoben, daß er bei einem horizontalen Verfahren der Bohrspindel im wesentlichen keine Seitenkräfte auf die Lei terplatte ausübt.

Dieses "Schweben" des Niederhalters über die Leiterplatte wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens dadurch er reicht, daß der Niederhalter bei der horizontalen Verschie bung der Bohrspindel über Rollen, Bürsten, Luftlager oder dgl. auf der Leiterplatte anliegt.

Die für eine Bohrung erforderliche Zeit kann bei einer Wei terbildung der Erfindung dadurch wesentlich verringert wer den, daß der ermittelte Nullpegel der Berührung der Spitze des Bohrwerkzeugs mit der Oberfläche der Leiterplatte als Referenz für die nächste Bohrung verwendet wird, daß beim nächsten Bohrvorgang die Bohrspindel aus der Halteposition bis zum Nullpegel oder kurz vor diesem mit normaler oder maximaler Vorschubgeschwindigkeit abgesenkt wird, und daß beim Eintritt in die Leiterplatte oder kurz vor diesem auf eine geringere Bohrvorschubgeschwindigkeit umgeschaltet wird. Durch die Berücksichtigung des vorhergehenden Bohrvorgangs können Fertigungstoleranzen, durch die sich die Höhe der Leiterplatte geringfügig verändern kann, ausgeglichen werden. Hierbei macht man sich die Erfahrung zunutze, daß sich die Dicke der Leiterplatte nicht sprunghaft, sondern nur all mählich ändert.

Durch eine hochgenaue Erfassung des elektrischen Signals beim Auftreffen der Bohrerspitze auf die Leiterplattenoberfläche kann neben der Verwendung als Signal für die Bohreraustritts position erfindungsgemäß auch eine Überwachung auf Bohrer bruch durchgeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens mit einer ein Bohrwerkzeug tragenden Bohrspindel, die in Richtung der leitenden Oberflächenschicht einer auf einem Maschinentisch angeordneten Leiterplatte verstellbar ist, mit einer Höhenmeßeinrichtung zur Erfassung der jeweiligen Höhen stellung des Bohrwerkzeugs relativ zu der Leiterplattenober fläche und mit einem bis auf die leitende Oberflächenschicht absenkbaren Niederhalter, sind an dem Niederhalter erfin dungsgemäß Rollen, Bürsten, Luftlager oder dgl. vorgesehen, über die der Niederhalter an der Leiterplattenoberfläche anliegt. Der Niederhalter liegt mit Druck gegen die Ober fläche der Leiterplatte an, so daß er sich erst kurz nach dem Austritt des Bohrwerkzeugs aus der Leiterplatte von dieser löst. Um bei der horizontalen Verschiebung der Bohrspindel eine Beschädigung der Leiterplatte durch den an dieser anlie genden Niederhalter zu vermeiden, ist dieser über die Rollen, Bürsten oder Luftlager auf der Leiterplatte gelagert und kann, ohne Seitenkräfte auf die Leiterplatte auszuüben, auf dieser gleiten.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig in ihrer Zusammenfassung in den An sprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Bohrvorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Eine Leiterplatte LP ist auf einem mit möglichst ebener und möglichst horizontaler Oberfläche versehenen Maschinentisch ggf. isoliert angeordnet. Die Leiterplatte LP weist eine leitende Oberflächenschicht S_o sowie ggf. weitere Leiter schichten S_n auf. Zwischen den Leiterschichten S_o und S_n be finden sich Isolierschichten S_i. Selbstverständlich können auch mehrere Leiterschichten S_n vorgesehen sein, die jeweils durch isolierschichten S_i getrennt sind.

Oberhalb der Leiterplatte LP ist höhenverstellbar und rotier bar eine Bohrspindel 2 angeordnet, in der ein Bohrwerkzeug 3 über einen Werkzeugrotor 4 gehalten ist. Der Bohrspindel 2 ist ein Niederhalter 5 zugeordnet, der vor Beginn des Bohrens auf die leitende Oberflächenschicht S_o der Leiterplatte LP abgesenkt wird. Der Niederhalter 5 stützt sich dabei über Rollen 6 auf der Leiterplatte LP ab. Anstelle der Rollen 6 können auch Bürsten oder Druck übertragende Luftpolster vor gesehen sein. Die Höhenstellung der Bohrspindel 2 bzw. des Werkzeugrotors 4 und damit des Bohrwerkzeugs 3 wird mittels einer Höhenmeßeinrichtung 7 gemessen.

Zum Bohren einer in der Zeichnung bspw. bis zur n-ten Leiterschicht S_n reichenden Sacklochbohrung B_s oder auch einer Durchgangsbohrung (nicht dargestellt) wird die Bohrspindel 2 aus einer Halteposition A über der Leiterplatte LP in Rich tung der Leiterplatte LP abgesenkt, bis die Spitze des Bohr werkzeugs 3 die Oberflächenschicht S_o berührt. Diese Kontakt position, die dem Nullpegel der Bohrtiefe entspricht, ist mit dem Bezugszeichen C bezeichnet. Durch Erzeugung eines elek trischen Signals beim Berühren der Spitze des Bohrwerkzeugs 3 mit der leitenden Oberflächenschicht S_o, bspw. über eine Potentialdifferenz ΔP zwischen dem Potential PB des Bohrwerk zeugs 3, dem Potential P_o der Oberflächenschicht S_o und/oder dem Potential P_n der ersten Leiterschicht S_n, kann der Null pegel C festgestellt, in der Höhenmeßeinrichtung 7 gespei chert und als Referenz für die Bohrtiefe verwendet werden. Das erhaltene Signal kann außerdem zur Überprüfung des Zu standes des Bohrwerkzeugs verwendet werden. So können auch nur wenige µm betragende Bohrerbrüche festgestellt werden.

Anschließend wird das rotierende Bohrwerkzeug 3 bis zu der gewünschten Bohrtiefe D, die im dargestellten Ausführungsbei spiel der Leiterschicht S_n entspricht, abgesenkt. Dann wird das Bohrwerkzeug 3 angehoben und die Bohrspindel 2 während des Anhebens entlang der X- und Y-Achse zur nächsten Bohr position verfahren, sobald die Spitze des Bohrwerkzeugs 3 wieder aus der Leiterplatte LP heraustritt. Anstelle der Horizontalverschiebung der Bohrspindel 2 kann auch eine hori zontale Verschiebung des Maschinentisches 1 oder eine in X- und Y-Richtung aufgeteilte Horizontalverschiebung der Bohr spindel 2 und des Maschinentisches 1 vorgesehen sein. Der Zeitpunkt des Austritts der Bohrwerkzeugspitze läßt sich über die Höhenmeßeinrichtung 7 genau erfassen, da die Kontaktposi tion C beim Berühren des Bohrwerkzeugs 3 mit der gleitenden Oberflächenschicht S_o ermittelt wurde. Auch das Absenken des Bohrwerkzeugs 3 kann schon vor Beendigung der Verschiebung entlang der X- und Y-Achse erfolgen, um weitere Zeit ein zusparen.

Der Niederhalter 5 liegt über Rollen 6, Bürsten oder durch Luftpolster gebildete Luftlager an der Oberflächenschicht S_o der Leiterplatte an, so daß bei der horizontalen Verschiebung der Bohrspindel 2 sichergestellt wird, daß die Oberflächen schicht S_o nicht durch den Niederhalter 5 beschädigt wird, selbst wenn der Niederhalter 5 noch an der Leiterplatte LP anliegt. Es reicht daher aus, das Bohrwerkzeug 3 nur um die Entfernung A′-A in den Niederhalter 5 hinein zu verschieben und den Druck auf dem Niederhalter so weit zu verringern, daß bei der horizontalen Verschiebung der Bohrspindel 2 durch den Niederhalter 5 keine Seitenkräfte auf die Leiterplatte LP ausgeübt werden.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beginnt die horizontale Verschiebung der Bohrspindel 2 zur nächsten Bohr position erst, wenn das Bohrwerkzeug 3 um einen durch die Position B bezeichneten Sicherheitsabstand von der Leiter platte LP abgehoben ist.

Durch die gleichzeitige Vertikal- und Horizontalbewegung der Bohrspindel beim Verfahren zur nächsten Bohrposition und zusätzlich durch den Verzicht auf ein vollständiges Abheben des Niederhalters 5 von der Leiterplatte LP kann die zwischen zwei Bohrvorgängen vergehende Zeit erheblich verkürzt werden, so daß bei der Vielzahl von herzustellenden Bohrungen die Fertigungszeit der Leiterplatte LP und damit die Herstel lungskosten wesentlich verringert werden.

Die bei einem Bohrvorgang ermittelte Kontaktposition C wird als Referenz für den nächsten Bohrvorgang verwendet, so daß das Absenken des Bohrwerkzeugs 3 bis kurz vor die Kontaktpo sition C mit normalem oder maximalem Vorschub F_max erfolgen kann, und erst dann auf die geringere Bohrvorschubgeschwin digkeit F_B umgeschaltet wird. Nach Erreichen der Bohrtiefe D wird das Bohrwerkzeug mit maximaler Vorschubgeschwindigkeit F_max angehoben und zur nächsten Bohrposition verfahren. Da der Leerhub üblicherweise 2 bis 4 mm beträgt während die Bohr tiefe D meist nur 50 bis 300 µm beträgt, wird hierdurch eine wesentliche Leistungssteigerung möglich. Aber auch bei größe ren Bohrtiefen D von 3 bis 5 mm, wie sie beim Herstellen von Durchgangsbohrungen auftreten, ergibt sich ein wesentlicher Geschwindigkeitsvorteil.

Bezugszeichenliste

1 Maschinentisch
2 Bohrspindel
3 Bohrwerkzeug
4 Werkzeugrotor
5 Niederhalter
6 Rollen
7 Höhenmeßeinrichtung
B_s Bohrung
LP Leiterplatte
S_o Oberflächenschicht
S_n Leiterschicht
S_i Isolierschicht
A, A′ Halteposition
B Sicherheitsabstand
C Kontaktposition
D Bohrtiefe
F_max maximale Vorschubgeschwindigkeit
F_B Bohrvorschubgeschwindigkeit
P_B Potential (Bohrer)
P_o Potential (Oberflächenschicht)
P_n Potential (Leiterschicht)

Claims

1. Verfahren zum Bohren von Leiterplatten (LP) oder dgl., bei dem eine ein Bohrwerkzeug (3) tragende Bohrspindel (2) auf die auf einem Maschinentisch (1) angeordnete Leiterplatte (LP) abgesenkt, bis zu der gewünschten Bohrtiefe (D) in die Leiterplatte (LP) eingeführt und anschließend wieder bis zu einer Halteposition (A) über der Leiterplatte (LP) angehoben wird, bei dem die Bohrspindel (2) horizontal zu der nächsten Bohrposition verschoben wird, bei dem die jeweilige Höhenein stellung des Bohrwerkzeugs (3) relativ zu der Leiterplatten oberfläche mittels einer Höhenmeßeinrichtung (7) gemessen wird, und bei dem durch Erzeugung eines elektrischen Signals beim Berühren der Spitze des Bohrwerkzeugs (3) mit der Ober fläche (S_o) der Leiterplatte (LP) der Nullpegel (C) des Ein tritts des Bohrwerkzeuges (3) in die Leiterplatte (LP) er mittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anheben und/oder Absenken der Bohrspindel (2) die horizontale Ver schiebung der Bohrspindel (2) bzw. des Maschinentisches (1) wenigstens teilweise gleichzeitig mit der vertikalen Ver schiebung der Bohrspindel (2) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Horizontalverschiebung der Bohrspindel (2) beginnt, so bald die Spitze des Bohrwerkzeugs (3) aus der Leiterplatte (LP) heraustritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Horizontalverschiebung der Bohrspindel (2) beginnt, so bald die Spitze des Bohrwerkzeugs (3) einen Sicherheitsab stand (B) von der Oberfläche der Leiterplatte (LP) aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absenken der Bohrspindel (2) beginnt, bevor die nächste Bohrposition erreicht ist.

5. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Bohrspindel (2) über einen Niederhalter (5) auf der Leiterplatte (LP) abstützt, und wobei nach Beendigung des Bohrvorgangs die Spitze des Bohrwerkzeugs (3) angehoben wird, bis sie oberhalb der Oberflächenschicht (S_o) der Lei terplatte (LP) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrspindel (2) bei auf der Leiterplatte (LP) gelagertem Niederhalter (5) horizontal verfahren wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (5) soweit angehoben wird, daß er bei einem horizontalen Verfahren der Bohrspindel (2) im wesentlichen keine Seitenkräfte auf die Leiterplatte (LP) ausübt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß der Niederhalter (5) bei der horizontalen Verschie bung der Bohrspindel (2) über Rollen (6), Bürsten, Luftlager oder dgl. auf der Leiterplatte (LP) aufliegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Nullpegel (C) der Berüh rung der Spitze des Bohrwerkzeugs (3) mit der Oberfläche (S_o) der Leiterplatte (LP) als Referenz für die nächste Bohrung verwendet wird, daß beim nächsten Bohrvorgang die Bohrspindel (2) aus der Halteposition (A) bis zum Nullpegel (C) oder kurz vor diesem mit normalem oder maximalem Vorschub (F_max) abge senkt wird, und daß beim Eintritt in die Leiterplatte (LP) oder kurz vorher auf eine geringere Bohrvorschubgeschwindig keit (F_B) umgeschaltet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch hochgenaue Kontaktgabe beim Berüh ren der Spitze des Bohrwerkzeugs (3) mit der Oberfläche (S_o) der Leiterplatte (LP) eine Überprüfung des Bohrwerkzeugs (3) auf Bohrerbruch erfolgt.

10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer ein Bohrwerkzeug (3) tragen den Bohrspindel (2), die in Richtung der leitenden Oberflä chenschicht (S_o) einer auf einem Maschinentisch (1) angeord neten Leiterplatte (LP) verstellbar ist, mit einer Höhenmeß einrichtung (7) zur Erfassung der jeweiligen Höhenstellung des Bohrwerkzeugs (3) relativ zu der Leiterplattenoberfläche (S_o) und mit einem bis auf die leitende Oberflächenschicht (S_o) absenkbaren Niederhalter (5), dadurch gekennzeichnet, daß an dem Niederhalter (5) Rollen (6), Bürsten, Luftlager oder dgl. vorgesehen sind, über die der Niederhalter (5) an der Leiterplattenoberfläche (S_o) anliegt.