JPH0647240B2

JPH0647240B2 - プログラム式穿孔装置

Info

Publication number: JPH0647240B2
Application number: JP2489987A
Authority: JP
Inventors: ラツセル・ワーリントン・フリート; デービツド・クリフオード・ロング; カール・フリードリツヒ・ストロムス; ガーハード・ウエイス
Original assignee: インタ−ナショナルビジネスマシ−ンズコ−ポレ−ション
Priority date: 1986-03-10
Filing date: 1987-02-06
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: EP0236766B1; EP0236766A1; DE3783624T2; JPS62213998A; DE3783624D1

Description

【発明の詳細な説明】Ａ．産業上の利用分野この発明は薄板材料にきわめて小さい孔を穿孔する穿孔
装置に関するものであり、詳細にいえばグリーン・セラ
ミック・シートなどのシート材料に孔を形成するプログ
ラム式穿孔機に関するものである。

Ｂ．従来の技術集積回路半導体パッケージ構造体用の多層セラミック
（ＭＬＣ）基板の製造において、樹脂結合剤、微粒セラ
ミック材料、溶剤および可塑剤を含むスラリをドクタで
塗布し、ドクタで塗布されたシートを乾燥し、適切な大
きさのシートに切断することによって、複数枚のグリー
ン・セラミック・シートが形成される。次いで、バイア
・ホールを穿孔し、シートを貫通する電気接続を形成す
る。導電性のペーストをホール中に付着させ、かつシー
ト表面上に適切なパターンで付着させ、シートを積み重
ね、積層し、その後このアセンブリを焼結温度で焼成す
る。セラミック・シートにバイア・ホールを穿孔するこ
とは、これらの大きさが小さい事、密度、および必要な
ホールのパターンが複雑なことで、極めて困難な技術的
問題を提示するものである。ＩＢＭテクニカル・ディス
クロージャ・ブルテンＶｏｌ．１３、Ｎｏ．４、１９７
１年２月１３日、ｐ．２５３６または同Ｖｏｌ．１６、
Ｎｏ．１２、１９７４年５月、ｐ．３９３および米国特
許第４４２５８２９号に開示されている型式の装置によ
って、バイア・ホールを穿孔することは、公知である。
これらの装置においては、パンチ・ヘッドに格子状に配
列された複数個の穿孔素子が、間挿マスクによってカバ
ーされたグリーン・シート状に配置される。間挿マスク
はホールを穿孔するとを希望する個所に、開口を含んで
いる。パンチ・ヘッドが下方へ移動し、穿孔素子が間挿
マスクに接触すると、穿孔素子が間挿入マスクの開口を
通過し、かつセラミック・グリーン・シートを通過する
ので、開口のある場所にホールが穿孔される。間挿マス
クによってカバーされている他の領域、すなわちホール
を望まない個所においては、間挿マスクが穿孔素子をヘ
ッド中に引き込ませる。

独立してプログラム可能なパンチを利用する自動穿孔装
置が、ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・ブルテン
Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．４、１９７７年９月、ｐ．１３７
９に示唆されている。この型式の穿孔装置は上述の間挿
マスクを必要としないが、これは個々の穿孔素子をコマ
ンドに応じて電気的に作動させることができるからであ
る。この装置においては、間挿マスクを使う穿孔装置と
同様に、穿孔されるシートの各部分に対する穿孔素子を
含んでいるパンチ・ヘッドが使われる。パンチ・ヘッド
は、１００個程度の独立した穿孔素子を有していること
ができる。プログラム式パンチ・ヘッドにおいては、選
択されたパンチがソレノイドによって延ばされ、ヘッド
全体はホールを穿孔するユニットとして移動する。延長
位置まで移動したパンチが、シートにホールを穿孔す
る。引っ込んだ位置にある他のパンチは、シートへ侵入
せず、したがってホールを形成することはない。グリー
ン・シートの支承体は穿孔工程中停止し、穿孔素子が破
壊することを防止しなければならない。さらに、ホール
のパターンの一般的な全体形状は、パンチ・ヘッドの形
状によって左右される。ホールのパターンを変更するこ
とはできるが、パンチ・ホールのパターンを適宜拡大し
たり、縮小することはできない。

ワークピースを通して穿孔素子を駆動する磁気反発アク
チュエータを使う高速穿孔装置が、米国特許第３７３０
０３９号に記載されている。

Ｃ．発明が解決しようとする問題点この発明の目的は、薄板材料に極めて小さい孔を穿孔す
ることができるプログラム式の穿孔装置を提供すること
にある。他の目的は、グリーン・セラミック・シートに
バイアホールを穿孔することができる改良されたプログ
ラム式の穿孔装置を提供することにある。

Ｄ．問題点を解決するための手段この発明によれば、シート材料、特にグリーン・セラミ
ック・シート材料にホールを穿孔する穿孔装置が、改善
される。詳細にいえば、この発明は薄いシート材料にホ
ール・パターンを穿孔するプログラム式穿孔装置であっ
て、フレーム、およびこのフレーム上に直線運動を行う
ように取り付けられた穿孔素子を包含しており、しかも
運動方向に垂直に、穿孔素子に取り付けられた高導電性
材料のほぼ平坦な素子と、平坦素子と同軸であり、かつ
これに隣接している、フレームに固定された板状コイル
と、材料の薄いシートを穿孔素子の経路に配置し、この
シート材料を穿孔素子の軸線を横断する方向へ移動させ
るキャリジ手段と、導電性平坦素子を結合する磁束を発
生させるため、電気エネルギーの低周波パルスによって
コイルを付勢し、この導電性平坦素子をコイルから反発
させる手段と、端部のシートへの侵入の直後に、前記穿
孔素子を跳ね返させる手段とを包含するものである。プ
ログラム可能な手段を設け、キャリジ手段を選択的に移
動させて、穿孔素子に関してシートを特定の位置に配置
し、かつコイルを付勢させてこの手段を作動させ、これ
によって前記シート中に所定のパンチ・ホール・パター
ンを形成する。

Ｅ．実施例図面には、この発明の穿孔装置が示されている。第１図
に示すように、ベンチまたはテーブル１０はレール１６
上を矢印１８の方向へ移動するように取り付けられたパ
ンチ１４を含む穿孔装置１２、およびキャリッジ２２上
に取り付けられ、次いでレール２４上に矢印２６で示さ
れる方向へ移動するように取り付けられたシート・ワー
クピース支承体を支承している。２つのシート支承体２
０を設け、この両者をレール２４上で支承されるように
取り付けることが好ましい。適当な整合ピン２８を支承
体２０上に設け、整合孔の設けられた、穿孔されるシー
トを保持する。制御盤３０に適当な制御装置を設け、穿
孔装置１２を操作する。

第２図には、パンチ１４の詳細構造が示されている。ブ
ッシング３４およびパンチ・ガイド・ブロック３６上で
直線運動をするように、穿孔素子３２が取り付けられて
おり、小直径の穿孔素子の端部はブロック３６の孔３８
と整合している。穿孔素子３２の端部は、この素子が第
２図に示すように、引き込み位置にあるときに、孔３８
から引き出されている。導電性材料の板状素子４０がカ
ラ４２に取り付けられ、次いで穿孔素子３２の上端に固
定されている。ブッシング３４とカラ４２の衝合面に着
座したスプリング４４は、穿孔素子とこれに接続された
板状素子の重量を支え、穿孔素子を押圧し、シート４８
の衝合面４６と接触させている。穿孔素子３２の下端は
パンチ・ダイ５２の孔５０と整合している。穿孔素子３
２が下方へ動かされると、下端部はワークピース・シー
ト５４に侵入し、孔を形成し、穿孔素子３２の端部はパ
ンチ・ダイ５２の孔５０に入る。打ち抜かれた材料、す
なわちスラグは下方へ落下して、室５６に入る。

穿孔素子３２はワークピース・シート５４中へ、磁気反
発によって移動させられる。板状高エネルギ・コイル５
８がシート４８上に、板状素子４０に近接して取り付け
られている。リード線６０および６１は適当な電流源に
接続されている。コイル５８を通る電流は磁場を生起
し、これは板状素子４０と結合して、コイル５８中を流
れる電流とほぼ対向する位相の電流を誘起する。板状素
子４０中のこの電流は、コイル５８の磁場と対向する磁
場をもたらす。２つの対向する磁場によって生じる力
は、板状素子４０をコイル５８から遠ざける。この力は
コイル５８のターン数、コイルおよび板状素子中で電流
が変動する回数、ならびにシステムの他の物理的パラメ
ータに比例する。好ましい実施例においては、約３０ポ
ンドの力が発生する。低い可動質量と結合したこの高い
力は、極めて高速なパンチ駆動システムをもたらす。穿
孔素子３２の運動は、カラ４２の表面４２Ａがブッシン
グ３４の表面３４Ａに当り、跳ね返ったときに終了す
る。コイル５８を通った電流のパルスは、コイル５８か
ら穿孔素子３２を極めて急速に加速する大きさである。
パンチの変位は第８図のパンチの変位対時間のグラフで
示されている。第８図に示すように、穿孔素子３２は最
初の１００マクロ秒の間に、極めて急速に加速される。
その後、さらに約１００マクロ秒の間に、コイル５８の
速度は曲線の一様な傾斜で示されるように、一定とな
る。屈曲点６２はコイル５８がごく僅か低い速度で、上
方へ移動する跳ね返り点を示している。パンチが最初の
上方位置へ到達すると、コイル５８の速度は急激に減少
する。この減衰効果は板状素子４０がスプリング４４の
作用により、と衝合面４６方向に押し返されたとき、上
記板状素子４０と衝合面４６との間に、瞬間的に空気が
トラップされることによってもたらされる。上記穿孔素
子３２の高い復帰速度はブッシング３４の表面３４Ａに
カラ４２の表面４２Ａが当り、カラ４２の跳ね返りによ
って達成される。穿孔素子３２が極めて高い跳ね返り速
度を有するので、穿孔素子３２の端部から材料のスラグ
が急速に離れ、スラグの慣性により落下を継続させる。

第７図には、電流パルスをコイル５８に印加することに
より、穿孔素子３２を作動させるのに適した回路を示す
ものである。典型的なものが１００Ｖである外部直流電
源６３は、抵抗６５を介して主エネルギ蓄積コンデンサ
６４を充電する。抵抗６６はコンデンサ６４を放電させ
るブリーダ抵抗であり、安全のため設けられている。穿
孔工程が必要となった場合に、制御装置からの正の入力
駆動信号が、端子６７の両端に印加される。パルス信号
はトランジスタ６８ａ、６８ｂおよび６８ｃによって増
幅され、接地されているトランジスタ６９をオンにす
る。これは駆動コイル５８を事実上、コンデンサ６４に
接続するものである。コイル５８中の電流は徐々に増加
し、穿孔工程をもたらす。コイルの最大電流はコイルと
回路の直流抵抗によって決定される。端子６７の両端に
負の駆動信号を印加することによって、トランジスタ６
８ａ、６８ｂ、６８ｃおよび６９はオフとなり、コイル
５８は事実上、コンデンサ６４との接続から切断され
る。コンデンサ６４をコイル５８から切り離すことによ
って、コイル５８中の電流は減衰し、ダイオード７５を
流れるようになる。ダイオード７７ａ、７７ｂ、７７
ｃ、７７ｄおよび７７ｅ、ならびに抵抗７９ａおよび７
９ｂが回路に含まれており、関連するトランジスタの迅
速なオン、オフを確実としている。

穿孔素子の速度を高くするためには、極めて高いパルス
の電流をコイル５８に流されなければならない。これは
コイルを通常は水冷によって、冷却することを必要とす
る。十分な冷却剤を流すためには、第２図に関連した詳
細図に示すように、巻線５８Ａを適当なスペーサ５８Ｂ
で隔離しなければならない。コイル５８の巻線の隔離
は、第６Ａ図ないし第６Ｄ図に示した構造の何れかによ
って、達成できる。第６Ａ図の実施例において、巻線７
１は非円形断面、たとえば方形または矩形断面を有して
おり、巻線は回旋状に捻られている。巻線をコイルに形
成した場合、結果として得られるコイルは流体を循環さ
せるため多孔性となる。第６Ｂ図の実施例において、誘
電体、たとえばナイロンのスペーサ５８Ｂは、典型的な
ものは銅線である巻線５８Ａに巻付られ、スペーサ手段
を提供する。第６Ｃ図の実施例においては、誘導体の隔
離した環状ビード７２が巻線５８Ａの周囲に配置されて
いる。第６Ｄ図の実施例においては、複数本のワイヤ７
３が共に捻られ、または編まれている。

コイル５８に冷却流体を流す好ましい構造においては、
流体は巻線を通って、放射状に流れている。第２図に示
すように、入口通路７４は冷却流体をコイル５８の中心
へ導く。圧力によって流体は巻線を通って放射状に流
れ、巻線中において流体は室７６集められ、通路７８か
ら外部へ出される。環状シール８０を設け、冷却剤の室
７６の外への漏洩を防止する。

パンチ・ダイ５２上でのワークピース・シート５４の支
承を改善するために、第３図に示すように、複数個のエ
ア・ベアリング８２を穿孔素子３２の周囲に設ける。各
エア・ベアリングは空気通路８４および８６からなって
おり、これらの端部は整合し、対向する関係になってい
る。通路からの圧縮空気はブッシング８４Ａおよび８６
Ａのそれぞれを通り、ワークピース・シート５４の対向
面に対して流される。通路８６に接続された小さな分岐
空気通路８６Ｂが、空気をパンチ・ダイ５２の孔５０の
下端に流し、穿孔工程の完了時に穿孔素子３２から打ち
抜かれた材料のスラグを除去することを援助する。真空
源を室５６に接続し、開口８８を通して付加的な空気を
吸気し、材料のスラグその外の残滓を除去する。

通路８４の付加的な分岐通路８４Ｂが、室９０に接続さ
れている。この構成によって、穿孔サイクルの完了後、
空気が孔３８を通してブッシング３４へ、またパンチ・
ホールを通してシート５４に流される。圧力をかけた空
気が、穿孔素子を抜き出したときに、ダイまたはシート
に滞留している可能性のある材料のスラグを吹き飛ば
す。

シート５４の穿孔された孔の存在または不存在をチェッ
クするために、第２図および第３図に示すように、複数
個のホール・センサ９２を穿孔素子３２の周囲に設け
る。ホール・センサ９２は一対の光ファイバ・ケーブル
９３および９４からなっており、その端部はシート５４
の対向面に、対向して整合した関係で配置されている。
ケーブルの一方、すなわち９４は光源に接続されてお
り、他方のケーブル９３は光センサに接続されている。
シート５４のホールが光ファイバ・ケーブル９３および
９４の端部と整合すると、光センサは光を検出し、ホー
ルが存在していることを示す。ホールが存在していない
場合には、光シートによってブロックされ、このことも
センサによって検出可能である。適切なホール検査制御
装置がパンチ・シート内のホール位置の記録を管理し、
かつホールの位置が検出器の端部と整合した時期を管理
する。このことによって、隣接するホールが打ち抜かれ
ると同時に、パンチ・ホールのパターンをチェックする
ことが可能となる。

第４図および第５図には、この発明の穿孔装置の他の実
施例が示されている。第４図は、穿孔素子３２を支承す
るする回転ヘッドを平面から見た状態を示しており、第
５図は、第４図を側面から見た穿孔装置の部分断面図で
ある。なお、前記実施例と同一部材については同一符合
を使用するものとする。この実施例において、パンチ・
ヘッド１００は複数個の穿孔素子３２、およびこれを作
動させる関連素子を含んでいる。複数個のパンチ・ヘッ
ドがシート・ワークピース５４上に割り付けられ、上述
の穿孔装置と同様に、ホールを穿孔する。しかしなが
ら、ヘッドに複数個の穿孔素子３２があるため、穿孔で
きるホールの数は、多くなる。外の変更点はパンチ・ヘ
ッド１００をスパイダ１０２に取り付けたことであり、
したがって、ヘッドを穿孔位置に対して回転させること
ができる。スパイダによって、ワークピース・シート支
承装置と同時に支えるように、複数個のヘッドを取り付
けることが可能となる。動作時に、穿孔素子３２を定期
的に保守し、摩耗した穿孔素子３２の交換その他を行な
わければならない。保守を行ったパンチ・ヘッドを予備
として保持し、ヘッドの誤動作の発生時、あるいは定期
保守が必要になったときに、動作位置へ回転させること
ができる。このことは装置が長期間停止することを、防
止するものである。スパイダ素子を運動するように取付
け、パンチ・ヘッドをワークピース５４の表面上へ移動
させることができる。

上述の穿孔装置は、米国特許第４２４５２７３号記載の
型式の半導体モジュール用の多層セラミック基板の生産
にあたって、グリーン・セラミックにホール・パターン
を穿孔するのに、特に適するものである。このような用
途において、ホールの直径は５ないし６ミル程度と非常
に小さい。セラミック・シートの厚さは通常、８ないし
１１ミルである。動作時に、ホール・パターンはプログ
ラムによって制御される。穿孔工程の速度は、穿孔工程
中にシートの運動を停止する必要がないようなものであ
る。穿孔素子３２はグリーン・シートと係合する。すな
わち、穿孔素子３２はシートへ、１０^-4秒間で進入し、
離脱する。シート支承手段はこの時間で約１０^-4インチ
移動する。この運動はグリーン・シートの可塑性によ
り、またおそらくは穿孔素子３２が若干撓むことによっ
て、調整される。

第９図には、この発明の穿孔装置の一部である、制御手
段の略図が示されている。ホール・パターンの構成、お
よび基板の焼成収縮を補償するため、パターンを拡大し
なければならない量を含んでいる処理データは、パンチ
・データ処理装置１００におけるＸおよびＹ方向への走
査に適したマトリックスに変換される。ホールの座標の
リストが穿孔データとして、工具制御装置１１２へ送ら
れる。工具制御装置はＸとＹのホール座標を取り入れ、
ＸＹステージ１１４を移動させる命令を生成する。ＸＹ
ステージ１１４は穿孔されるワークピース・シート５４
を支承し、穿孔素子３２に関して移動させる。詳細にい
えば、制御装置１１２はパンチ１４を支承しているテー
ブルのＸ方向運動と、キャリジ２２のＹ方向のステップ
運動を調和させる。工具制御装置１１２はコイル５８の
作動開始信号も生成し、これらの信号はＸＹステージを
移動させる命令と調和させられる。パンチ・ホール検査
装置１１６はフォト・デテクタ１１８からの信号を、穿
孔命令およびＸＹステージの位置データと調和させ、ホ
ールが穿孔され、残滓が残っていないことなどを検査す
る。検査は穿孔装置と同様に、穿孔素子に関するシート
の連続運動を停止させずに、行われる。フォト・デテク
タ１１８は光源１２０からの、シート５４のホールを通
過し、光ファイバ・ケーブルによって送られる光を検出
する。

さらに、この装置によってグリーン・シートに穿孔され
るホールの品質は改善される。グリーン・セラミック材
料は、粘弾性を有している。穿孔速度が比較的遅いと、
この材料は下方への穿孔を工程中に穿孔素子の周囲を流
れる傾向があり、その後シートの歪が生じる。穿孔速度
が、この穿孔装置と同様に、１０ｍ／秒程度の極めて早
いものである場合、グリーン・シート材料は脆い材料で
あるかのように反応する。このことはシートの歪を減少
させる。

Ｆ．発明の効果以上説明したように、この発明によれば、薄いシート材
料に、極めて小さな孔を有するホールパターンを穿孔す
るためのプログラム式穿孔装置が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、穿孔装置とシート材料の支承体の間の全体的
な関係を示す、この発明の装置全体の斜視図である。第２図は、この発明の素子を示す穿孔装置の断面図であ
る。第３図は、第２図の３−３線上図面である。第４図は、この発明の好ましい外の特定な実施例である
穿孔素子を支承する回転ヘッドを示す、破断断面詳細図
である。第５図は、第４図の５−５線断面図である。第６Ａ図、第６Ｂ図、第６Ｃ図および第６Ｄ図は、この
発明のコイルの特徴のさまざまな実施例を示す図面であ
る。第７図は、この発明の穿孔装置を作動させるために使う
ことのできる電気回路の回路図である。第８図は、パンチの変位と時間の間の関係を示すグラフ
である。第９図は、この発明の穿孔装置のさまざまな素子を制御
するための制御手段の略図である。１０……テーブル、１２……穿孔装置、１４……パン
チ、１６……レール、１８……矢印、２０……シート支
承体、２２……キャリッジ、２４……レール、２６……
矢印、２８……整合ピン、３０……制御盤、３２……穿
孔素子、３４……ブッシング、３４Ａ……表面、３６…
…パンチ・ガイド・ブック、３８……孔、４０……板状
素子、４２……カラー、４２Ａ……表面、４４……スプ
リング、４６……衝合面、４８……シート、５０……
孔、５２……パンチ・ダイ、５４……ワークピース・シ
ート、５６……室、５８……コイル、５８Ａ……巻線、
５８Ｂ……スペーサ、６０、６１……リード線、６２…
…屈曲点、６３……直流電源、６４……コンデンサ、６
５、６６……抵抗、６７……端子、６８Ａ、６８Ｂ、６
８Ｃ、６９……トランジスタ、７１……巻線、７２……
環状ビード、７３……ワイヤ、７４……入口通路、７
５、７７Ａ、７７Ｂ、７７Ｃ、７７Ｄ、７７Ｅ……ダイ
オード、７６……室、７８……通路、７９Ａ、７９Ｂ…
…抵抗、８０……環状シール、８２……エア・ベアリン
グ、８４、８６……空気通路、８４Ａ、８６Ａ……ブッ
シング、８４Ｂ……分岐通路、８６Ｂ……分岐空気通
路、８８……開口、９０……室、９３、９４……光ファ
イバ・ケーブル、１００……パンチ・ヘッド、１０２…
…スパイダ、１１０……パンチ・データ処理装置、１１
２……工具制御装置、１１４……ＸＹステージ、１１６
……パンチ・ホール検査装置、１１８……フォト・デテ
クタ、１２０……光源。

フロントページの続き (72)発明者カール・フリードリツヒ・ストロムスアメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンジヤーズ・ホールズ、フロスト・ロード、アール・デイ２番地 (72)発明者ガーハード・ウエイスアメリカ合衆国ニユーヨーク州ラグランジビル、バーモア・ロード（番地なし) (56)参考文献実開昭62−100898（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレーム、および該フレーム上に直線運動
を行うように取り付けられた穿孔素子を包含する、薄い
シート材料にホール・パターンを穿孔するプログラム式
穿孔装置において、 (a)前記穿孔素子に直接取り付けられたカラ素子と、 (b)前記カラ素子の直径よりも大きく、運動方向に垂直
に、前記カラ素子に取り付けられた高導電性材料からな
る板状素子と、 (c)前記穿孔素子と同軸に、かつ前記板状素子に隣接し
て、前記穿孔装置の前記フレームに固定された、平坦コ
イルと、 (d)穿孔される材料の薄いシートを前記穿孔素子の進路
に配置し、該シートを前記穿孔素子の軸線を横断する方
向へ移動させるキャリッジ手段と、 (e)前記板状素子を前記平坦コイルから反発させるため
に、前記板状素子を結合する磁束を発生させるための電
気エネルギーの低周波パルスによって前記平坦コイルを
付勢する手段と、 (f)前記穿孔素子を摺動可能に支承し、一端に前記カラ
素子が衝突したとき、前記穿孔素子を跳ね返させる手段
と、 (g)前記キャリッジ手段を選択的に移動させ、前記穿孔
素子に関して前記シートを特定の位置に配置し、かつ前
記コイルを付勢させて該手段を作動させ、これによって
前記シート中に所定のパンチ・ホール・パターンを形成
する、プログラム可能な手段とからなる、プログラム式穿孔装置。
【請求項２】前記穿孔素子を跳ね返させる手段が、前記
シート材料への前記穿孔素子端部の侵入直後に、穿孔素
子の移動方向を変える、特許請求の範囲第(１)項記載の
プログラム式穿孔装置。