KR20220024947A - Z축 수직 론치 제조 시스템 및 방법 - Google Patents

Z축 수직 론치 제조 시스템 및 방법 Download PDF

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미하일 페브즈너
제임스 이. 베네딕트
앤드류 알. 사우스워스
토마스 브이. 시키나
케빈 와일더
매튜 수자
애런 미카엘 토르버그
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레이던 컴퍼니
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Abstract

인쇄 회로 보드(PCB) 내에서 구리 수직 론치(CVL)의 제조를 자동화하기 위한 장치는 구리 와이어 스풀로부터 구리 와이어를 공급 및 압출하기 위한 공급 메커니즘 및 공급 메커니즘으로부터 구리 와이어를 수용하고, 구리 와이어의 세그먼트를 절단 및 고정하고, PCB 내에 형성된 구멍에 구리 와이어의 세그먼트를 삽입하고, PCB의 신호 트레이스에 구리 와이어의 세그먼트의 단부를 납땜하고, PCB의 표면에 대해 구리 와이어의 세그먼트의 반대쪽 단부를 플러시 절단하기 위한 와이어 절단 및 파지 메커니즘을 포함한다. 와이어 절단 및 파지 메커니즘에는 구리 와이어의 세그먼트를 플러시 절단하는 와이어 커터와 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 수용하고 구리 와이어로부터 세그먼트를 절단 및 잡기 위한 통합 가열 그리퍼 장치가 포함된다.

Description

Z축 수직 론치 제조 시스템 및 방법
Z축 수직 론치 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.
정부의 권리
해당되지 않는다.
무선 주파수(RF) 및 전자기 회로는 기존의 인쇄 회로 보드(PCB) 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 일부 RF 및 전자기 회로는 예를 들어 빔 형성을 위한 안테나 어레이의 방사체 요소와 같은 많은 요소에 신호를 분배하고 및/또는 요소로부터의 여러 신호를 하나의 신호로 결합하기 위해 전력 분배기(전력 분배기) 및 결합기를 포함할 수 있다. 기존의 PCB 제조 공정은 라미네이션, 전기도금, 마스킹, 에칭 등을 포함할 수 있으며, 여러 단계, 고가 및/또는 위험한 재료, 여러 번의 반복, 광범위한 노동 등이 필요할 수 있으므로 모두 비용이 더 많이 들고 처리 시간이 느려진다. 또한, 기존의 PCB 제조 프로세스는 신호 트레이스 치수와 같은 작은 기능 크기를 허용하는 능력이 제한적이어서 이러한 장치에서 지원할 수 있는 최고 주파수 신호의 범위를 제한한다.
고급/적층 제조 기술(AMT) 접근 방식은 하이브리드 적층, 절삭 및 기존 PCB 제조 공정에서 상호연결을 형성하는 데 사용되는 도금 프로세스를 제거하는 기존 접근 방식이다. 이 프로세스는 패러데이 벽과 구리 수직 론치(CVL)라는 두 가지 주요 항목을 사용하여 프로세스가 작동하도록 한다. 패러데이 벽은 유전체 재료에서 먼저 밀링된 채널에 의존하는 차폐 구성요소이며, 그런 다음 전도성 페이스트가 트렌치에 분배된다. CVL은 납땜된 구리 와이어 인터페이스에 의존하여 회로 기판의 서로 다른 두 층 사이에 상호연결을 형성한다. 두 프로세스의 자동화는 인쇄 회로 보드 프로세스에서 도금 방식을 제거한다.
현재 구리 수직 론치 또는 CVL은 구리 와이어를 손으로 절단하여 생성되며, 커터는 한쪽이 평평한 절단을 허용하는 방향으로 향한 다음 다른 방향으로 돌려서 다른 쪽에 평평한 절단을 만든다. 강력한 솔더 조인트를 위해 구리 와이어 인터페이스의 양면을 준비하고 이 인터커넥트를 설치하는 자동화된 방법은 없다. 다른 방법은 가장 잘 알려져 있지 않고 일반적으로 실험실 공간에만 존재하는 수정된 3D 프린터와 같은 특수 장비로 수행될 수 있는 와이어 압출을 포함한다. 예를 들어, 납땜 인두를 사용하여 솔더 리플로우를 구현할 수 있다. CVL에서 솔더 조인트를 생성하는 가장 가까운 메커니즘은 와이어 본딩 애플리케이션에 있다.
본 개시의 일 양태는 인쇄 회로 보드(PCB) 내의 구리 수직 론치(CVL)의 제조를 자동화하기 위한 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 장치는 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 공급 및 압출하도록 구성된 공급 메커니즘, 및 공급 메커니즘으로부터 구리 와이어를 수용하고, 구리 와이어의 세그먼트를 절단 및 고정하고, PCB 내부에 형성된 구멍에 구리 와이어의 세그먼트를 삽입하고, PCB의 신호 트레이스에 구리 와이어의 세그먼트의 단부를 납땜하고, 구리 와이어의 세그먼트의 반대쪽 단부를 PCB 표면으로 플러시 절단(flush cut)하도록 구성된 와이어 절단 및 파지 메커니즘을 포함한다.
장치의 실시예는 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 수용하고 구리 와이어로부터 세그먼트를 절단 및 잡기 위해 통합 가열 그리퍼 장치 및 구리 와이어의 세그먼트를 플러시 절단하도록 구성된 와이어 커터를 구비하는 절단 및 파지 메커니즘을 포함할 수 있다. 와이어 커터는 와이어 그리퍼 어셈블리 아래에 와이어 커터를 배치하는 데 사용되는 슬라이드에 장착될 수 있다. 와이어 그리퍼 어셈블리는 각각 구리 와이어를 파지 및 절단하는데 사용되는 한 쌍의 죠(jaw) 및 반전된 와이어 커터를 포함할 수 있으며, 와이어 공급 메커니즘은 그리퍼 죠로 구리 와이어의 단부를 전달하도록 구성된다. 반전된 와이어 커터는 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 절단하여 구리 와이어의 세그먼트를 생성하고, 와이어 그리퍼 어셈블리의 와이어 가이드로 구리 와이어의 세그먼트를 후퇴(retract)시키도록 구성될 수 있다. 와이어 그리퍼 어셈블리는 트리밍 작업 동안 구리 와이어를 절단하는 것으로부터 생성된 폐기물을 보내기(channel) 위해 그 안에 형성된 채널을 갖는 진공 장치 또는 플리넘(plenum)을 더 포함할 수 있다. 진공 장치는 폐기물을 이동하는데 필요한 흡입을 제공하기 위해 진공원에 연결될 수 있다. 공급 메커니즘은 구리 와이어의 스풀을 수용하도록 구성된 포스트를 포함할 수 있다. 공급 메커니즘은 가이드, 구리 와이어를 집거나(pinch) 잡도록(grab) 구성된 핀치 롤러 세트, 및 가요성 튜브에 연결된 다른 가이드를 더 포함할 수 있다. 와이어의 스풀로부터의 구리 와이어가 가이드를 통해 핀치 롤러 사이에, 및 가요성 튜브에 연결된 제2가이드로 공급되도록 배열된다. 와이어 절단 및 파지 메커니즘은 힘 감지 그리퍼 어셈블리의 단부에 위치된 와이어 가이드를 포함할 수 있으며, 와이어 가이드는 와이어 가이드에 공급되고 있는 구리 와이어의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는다. 공급 메커니즘은 구리 와이어를 공급하기 위해 기어를 구동하는 스테퍼 모터를 더 포함할 수 있다. 장치는 구리 와이어가 PCB의 구멍에 삽입되면, 솔더를 리플로우하도록 구성된 PCB 리플로우 예열기 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 예열기 메커니즘은 단지 리플로우 온도 아래로 PCB의 온도를 상승시키도록 구성된 핫 플레이트(hot plate)를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양태는 인쇄 회로 보드(PCB) 내의 구리 수직 론치(CVL)의 제조를 자동화하는 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 방법은: 구리 와이어를 와이어 절단 및 파지 메커니즘에 공급하는 단계; 구리 와이어의 세그먼트를 절단 및 고정하는 단계; PCB 내에 형성된 구멍으로 구리 와이어의 세그먼트를 삽입하는 단계; PCB의 신호 트레이스에 구리 와이어의 세그먼트의 단부를 납땜하는 단계; 및 PCB의 표면에 대한 구리 와이어의 세그먼트의 반대 단부를 플러시 절단하는 단계;를 포함한다.
방법의 실시예는 구리 와이어 스풀로부터 구리 와이어를 수용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 트리밍 작업 동안 구리 와이어를 절단함으로써 발생하는 폐기물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 폐기물을 제거하는 단계는 폐기물을 이동시키는 데 필요한 흡입을 제공하기 위해 폐기물 및 진공원을 보내도록 그 안에 형성된 채널을 갖는 진공 장치 또는 플리넘을 포함할 수 있다. 구리 와이어를 공급하는 단계는 구리 와이어를 집거나 잡도록 구성된 핀치 롤러 세트 및 가요성 튜브에 연결된 다른 가이드로 구리 와이어를 가이드하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 구리 와이어가 PCB의 구멍에 삽입되면, 솔더를 리플로우하도록 구성된 PCB 리플로우 예열기 메커니즘으로 PCB를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 실시예의 다양한 양태는 축척으로 그려지도록 의도되지 않은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 논의된다. 도면은 다양한 양태 및 실시예의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하지만, 본 개시내용의 제한을 정의하는 것으로 의도되지 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 유사한 번호로 표시될 수 있다. 명확성을 위해, 모든 구성 요소가 모든 그림에 표시되지 않을 수 있다. 그림에서:
도 1a 및 도 1b는 구리 수직 론치(CVL)를 생성하는 프로세스 단계를 보여주는 인쇄 회로 보드(PCB)의 일부의 단면도이다.
도 2는 2개의 트레이스 신호를 연결하는 데 사용되는 조립된 CVL의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예의 일체형 Z축 CVL 설치 장치의 측면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 구리 와이어를 압출하고 구리 와이어를 절단하는 순서를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 개시의 실시예의 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘의 사시도이다.
도 6은 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘의 일부의 확대 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 폐기물을 진공청소기로 청소하는데 사용되는 플리넘의 사시도이다.
도 8은 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘의 다른 부분의 확대 사시도이다.
도 9는 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘의 다른 부분의 확대 사시도이다.
도 10은 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘의 다른 부분의 확대 사시도이다. 그리고
도 11은 본 개시의 실시예의 가열기 메커니즘의 개략도이다.
다양한 양태들 및 실시예들은 종래의 시스템 및 방법보다 더 높은 주파수 및 작은 크기를 허용하는, 소형의 로우 프로파일 전자기 회로 및 이의 개선된 제조 방법에 관한 것이다. 설명된 양태들 및 예시들은 저비용의 자동화 제조를 제공하는 적층 및 절삭 제조 기술을 유리하게 적용하는 인쇄 회로 보드(PCB) 내에 구리 수직 론치들(CVLs)을 제조하는 예들을 제공한다. 여기에 설명된 제조 프로세스는 적합한 절삭(예를 들어, 밀링, 드릴링) 및 적층(예를 들어, 3D 프린팅, 충전) 제조 설비를 사용하여 8 내지 75GHz 이상의 범위, 잠재적으로는 최대 300GHz 이상의 전자기 신호들을 지지할 수 있는 작은 회로 특징부들을 갖는 이러한 회로 구조의 제조에 특히 적합할 수 있다. 여기에 설명된 시스템 및 방법에 따른 전자기 회로 구조는 밀리미터파 통신, 센싱, 레인징 등을 포함하여 28 내지 70GHz 시스템에 적용하기에 특히 적합할 수 있다. 설명된 양태들 및 실시예들은 또한 S 대역(2 - 4GHz), X 대역(8 - 12GHz) 또는 기타와 같은 더 낮은 주파수 애플리케이션에 적합할 수 있다. 이 주파수들은 Ka 대역 (26.5 내지 40GHz), V 대역 (40-75GHz) 및 W 대역 (75-110 GHz) 위상 어레이 시스템을 포함한다.
또 다른 양태, 예 및 이점이 아래에서 상세히 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시예는 본 명세서에 개시된 원리들 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시예와 결합될 수 있으며, "실시예", "일부 실시예", "대체 실시예", "다양한 실시예", "일 실시예" 등에 대한 언급은 반드시 상호 배타적인 것은 아니고 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 나타내기 위한 것이다. 본 명세서에서 이러한 용어의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 여기에 설명된 다양한 양태 및 실시예는 설명된 방법 또는 기능 중 임의의 것을 수행하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
여기에 논의된 방법 및 장치의 실시예는 구성의 세부 사항 및 다음 설명에 제시되거나 첨부 도면에 예시된 구성요소의 배열에 대한 적용으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 방법 및 장치는 다른 실시예에서 구현될 수 있고 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 특정 구현의 예는 예시 목적으로만 여기에 제공되며 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 여기에서 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한적으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는", "포함하는", "갖는", "함유하는", "포함하는" 및 이들의 변형의 사용은 이후에 열거된 항목 및 이들의 등가물 및 추가 항목을 포괄하는 것을 의미한다. "또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 단일, 하나 이상 및 설명된 모든 용어 중 임의의 것을 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 전방과 후방, 왼쪽과 오른쪽, 상단과 하단, 상부와 하부, 단부, 측면, 수직 및 수평 등에 대한 임의의 언급은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 시스템 및 방법 또는 그 구성 요소를 임의의 하나의 위치 또는 공간 방향으로 제한하지 않는다.
본 명세서에 사용된 용어 "무선 주파수"는 문맥에 의해 명시적으로 언급 및/또는 구체적으로 나타내지 않는 한 특정 주파수, 주파수 범위, 대역, 스펙트럼 등으로 제한되도록 의도되지 않는다. 유사하게, "무선 주파수 신호" 및 "전자기 신호"라는 용어는 상호 교환 가능하게 사용되며 임의의 특정 구현을 위한 정보 전달 신호의 전파를 위한 다양한 적절한 주파수의 신호를 나타낼 수 있다. 이러한 무선 주파수 신호는 일반적으로 킬로헤르츠(kHz) 범위의 주파수에 의해 로우 엔드에서 바인딩되고 수백 GHz까지의 주파수에 의해 하이 엔드에서 바인딩될 수 있으며 마이크로파 또는 밀리미터파 범위의 신호를 명시적으로 포함한다. 일반적으로, 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법에 따른 시스템 및 방법은 광학 분야에서 통상적으로 취급되는 것보다 낮은 주파수, 예를 들어 적외선 신호보다 낮은 주파수에서 비이온화 방사선을 취급하는 데 적합할 수 있다.
무선 주파수 회로의 다양한 실시예는 다양한 주파수에서 동작하도록 선택된 및/또는 명목상 제조된 치수로 설계될 수 있다. 적절한 치수의 선택은 일반적인 전자기 원리에서 얻을 수 있으며 여기에서 자세히 설명하지 않는다. 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 반응성 빔형성기는 밀리미터파 주파수에 특히 적합하다.
여기에 설명된 방법 및 장치는 기존의 프로세스가 가능한 것보다 더 작은 배열 및 치수를 지원할 수 있다. 그러한 종래의 회로 보드는 약 30GHz 이하의 주파수로 제한될 수 있다. 여기에 설명된 방법 및 장치는 더 안전하고 덜 복잡한 제조를 사용하여 더 낮은 비용으로 더 높은 주파수에서 작동되도록 의도된 무선 주파수 회로에 적합한 더 작은 치수의 전자기 회로의 제조를 허용하거나 수용할 수 있다.
본 명세서에 기술된 것에 따른 전자기 회로 및 제조 방법은 기존의 회로 및 방법보다 더 낮은 프로파일과 감소된 비용, 사이클 시간 및 설계 위험으로 더 높은 주파수를 처리할 수 있는 전자기 회로 및 구성요소를 생산하기 위한 다양한 적층 제조 기술을 포함한다. 기술의 예로는 기판 표면에서 전도성 물질을 밀링하여 기존 PCB 프로세스에서 허용하는 것보다 훨씬 작은 치수의 신호 트레이스 또는 구멍을 형성하는 것, 트렌치를 형성하기 위해 하나 이상의 기판을 밀링하는 것, 패러데이 벽(최소 간격을 갖는 일련의 접지 비아와 반대되는 연속 전기 장벽)을 형성하기 위해 트렌치에 인쇄된 전도성 잉크를 증착하도록 3차원 인쇄 기술을 사용하는 것, 수직 론치 전도성 와이어(일부 실시예에서는 구리일 수 있음) 주위에 패러데이 벽을 형성하는 것을 포함할 수 있는 기판(또는 대향 기판)의 표면에 배치된 신호 트레이스와 전기적으로 접촉하기 위해, 와이어가 배치되고(및/또는 전도성 잉크가 인쇄됨) 기판의 일부를 통해 구멍을 밀링(드릴)하여 형성된 "수직 론치" 신호 경로, 및 3차원 인쇄 기술을 사용하여 인쇄된 저항성 잉크를 증착하여 저항성 구성요소를 형성하는 것을 포함한다. 임의의 위의 예시적인 기술 및/또는 기타(예를 들어, 납땜 및/또는 솔더 리플로우)는 다양한 전자기 구성요소를 만들기 위해 결합될 수 있다. 이러한 기술의 양태 및 예는 전자기 신호를 전자기 회로의 층으로 또는 그로부터 전달하기 위한 무선 주파수 인터커넥트와 관련하여 여기에서 설명되고 예시되지만, 설명된 기술은 다양한 전자기 구성요소, 커넥터, 회로, 어셈블리 및 시스템을 형성하는 데 사용될 수 있다.
통합 Z축 구리 수직 론치 설치 장치
일 실시예에서, PCB의 Z 축 상호연결의 목적을 위해, 특정 길이의 구리 와이어를 압출하는 시스템 및 방법이 여기에 도시되고 설명된다. 고급/적층 제조 기술(AMT)은 구리 와이어가 PCB에서 전기 도금된 비아를 교체할 수 있도록 이용된다. 일 실시예에서, 구멍은 PCB의 상단으로부터 PCB의 내부 층 상의 패드, 예를 들어, 구리 패드까지 천공된다. 패드는 리플로우 동안 와이어와 패드 사이의 납땜된 연결을 가능하도록 솔더가 미리 주석 처리된다. 와이어는 연결을 만들기 위해 층 사이에 삽입되고 리플 로우된다.
도 1a 및 도 1b는 이러한 프로세스를 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 일반적으로 10으로 표시된 다층 PCB의 일부는 각각 구리 층 또는 트레이스(18, 20)에 의해 분리된 3개의 유전체 층(12, 14, 16)을 포함한다. 구멍(22)은 PCB의 내부 층에 제공된 구리 트레이스(20)에 의해 생성된 패드(24)에 유전체 층(12), 구리 층(18) 및 유전체 층(14)을 통해 PCB의 상단으로부터 PCB(10)를 통해 천공된다. 다른 실시예에서, 구멍은 보드 라미네이션 전에 미리 사전 천공된 구멍을 갖는 층을 적층하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 패드는 리플로우 시 솔더 연결을 제공하기 위해 솔더로 미리 주석 처리된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 구리 와이어의 단부가 패드(24)에 접촉되도록 구리 와이어(26)는 구멍(22)에 삽입된다. PCB(10)는 와이어(26)가 패드(24) 및 도전성 트레이스(20)에 연결되는 리플로우 온도로 가열된다. 1b에 도시된 바와 같이, 솔더 재료(28)는, 예를 들면, PCB에 구성 요소를 고정하는 구리 와이어(26)의 상단에 증착될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일반적으로 30으로 표시된 Z-축 상호연결이 도시되고 설명된다. 도시된 바와 같이, Z-축 상호연결부(30)는 상단 유전체 층(34)의 상부 표면 상에 제공된 신호 트레이스(32)와 하단 유전체 층(38)의 하부 표면 상에 제공된 신호 트레이스(36) 사이의 연결을 제공하며, 이는 예를 들어 PCB 내부에 있을 수 있다. Z-축 상호연결부(30)는 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법을 사용함으로써 제조될 수 있다.
생산 환경에서 AMT RF CCA에 CVL Z축 상호연결을 설치하는 통합 접근 방식은 없다. 현재 제조 기술은 실험실 설정에서 수동으로 수행되며, 실험실의 현재 자동화 접근 방식은 다소 임시적이며 모든 프로세스를 하나의 설정으로 통합하지 않아 일관된 양의 결과를 생성할 수 있다. 최근에는 실험실 환경에서 제한된 양의 CVL을 자동화하여 생산할 수 있도록 자동화 기술이 적용되었다. 이전에는, 이러한 CVL을 수작업으로 제작했으며, 이는 노동 집약적이며 비용이 많이 든다.
본 개시내용의 실시예의 시스템 및 방법은 다음 장치 및 프로세스를 통합함으로써 CVL 설비를 설치하기 위한 통합되고 자동화된 접근을 가능하게 한다. 도 3을 참조하면, 일반적으로 40으로 표시된 장치는 PCB 내에서 CVL을 제조하기 위해 제공된다. 일 실시예에서, 장치(40)는 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 공급 및 압출하기 위해 일반적으로 42로 표시된 메커니즘을 포함한다. 장치(40)는 일반적으로 46으로 표시된 와이어 절단 및 파지 메커니즘을 더 포함하며, 처리 시 와이어 인터커넥트의 양쪽에서 완벽하게 평평한 종단을 가능하게 하는 파편(debris) 제거 기능이 있으며, 이는 구리 와이어와 패드 사이에 우수한 솔더 조인트 연결을 달성하는 데 중요하다. 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘(46)은 구리 와이어를 플러시 절단하도록 구성된 와이어 커터와 와이어 스풀로부터 구리 와이어를 수용하고 인쇄 회로 보드 내부에 솔더 조인트 형성을 형성하고 생성하는 데 사용되는 구리 와이어로부터 세그먼트를 절단 및 잡는(고정) 통합 가열 그리퍼 장치를 포함한다. 장치(40)는 구리 와이어가 PCB의 구멍에 삽입되면 솔더를 리플로우하기 위해 일반적으로 52로 표시된 PCB 리플로우 예열기 메커니즘을 더 포함한다. 여기에 설명된 시스템 및 방법의 실시예는 강력하고 순응적인 Z축 상호연결을 생성하고 생산 등급 장비에서 자동화를 가능하게 한다.
장치(40)는 PCB로의 CVL의 자동화된 조립을 가능하게 하고 노동 시간과 비용을 대폭 감소시키면서 연결의 수율 및 신뢰성을 증가시킨다.
장치(40)는 적층 제조 솔루션에 통합되어 적층 시장에서 사용할 수 없는 개념인 전도성 구리 와이어를 3D 인쇄 부품에 삽입하는 기능을 추가할 수 있다. 더욱이, 여기에 개시된 시스템 및 방법은 신속한 프로토타이핑을 가능하게 하고 AMT 프로세스가 더 큰 규모로 훨씬 더 빠르게 수행될 수 있도록 한다. Z-축 상호연결은 "습식" 도금 공정 또는 솔더 조인트가 내부적으로 다른 어셈블리로 리플로우되어야 하는 기타 응용 분야에 대한 필요성을 제거하여 "건식" 공정을 제공한다. 장치 및 관련 방법을 사용하면 PCB에서 Z축 상호연결을 생성하기 위해 구리 와이어를 지정된 길이로 압출할 수 있다. 이러한 AMT 공정 기술은 구리 와이어가 PCB의 전기도금된 비아를 대체할 수 있도록 한다.
여기에 설명된 시스템 및 방법은 PCB의 구멍에 와이어를 공급하고 PCB 내부의 패드에 와이어를 납땜한 다음 PCB의 상단 표면에서 와이어를 절단하는 자동화 장치(40)를 구현한다. 이 프로세스는 지속 가능하지 않거나 대량 생산에 적합하지 않은 절단 및 가열/리플로우 작업을 수동으로 수행해야 하는 문제를 해결한다.
Z축 상호연결을 위한 자동화된 와이어 압출 메커니즘
본 개시내용의 실시예는 PCB에서 Z-축 상호연결을 위해 구리 와이어를 특정 길이로 압출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이 프로세스를 실행하는 시스템은 PCB의 층들 사이에 와이어를 효과적으로 배치한다. 이 시스템에는 기어 또는 톱니 베어링을 구동하는 데 사용되는 스테퍼 모터가 포함되어 있으며, 이는 차례로 구리 와이어를 제어된 방식으로 지정된 길이로 구동한다. 여기에 설명된 바와 같이, 통합된 절단 및 파지 메커니즘은 각 절단 전후에 와이어의 길이를 조정하고 와이어의 끝을 정사각형으로 만든다. 일 실시예에서, 시스템은 PCB 내의 CVL의 자동화된 배치를 위해 CNC 갠트리 시스템에 장착된다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 와이어를 공급하고 압출하기 위한 메커니즘(42)은 포스트(56) 상에 제공된 구리 와이어의 스풀(54)을 갖는 와이어 공급 시스템을 포함한다. 메커니즘(42)은 가이드(58), 구리 와이어를 집거나 잡도록 구성된 60으로 표시된 핀치 롤러 세트(2개), 및 가요성 튜브(64)에 연결되어 있는 다른 가이드(62)를 포함한다. 와이어의 스풀(54)로부터 구리 와이어가 가이드(58)를 통해 핀치 롤러(60) 사이로 그리고 가요성 튜브(64)에 연결된 제2가이드(62)로 공급되도록 배열된다. 특정 실시예에서, 튜브(64)는 구리 와이어가 튜브를 통해 쉽게 미끄러질 수 있도록 Teflon® 재료로 제조된다. 와이어 공급 시스템은 구리 와이어를 집고 와이어를 튜브(64) 아래로 절단 및 파지 메커니즘(46)과 관련된 카바이드 와이어 가이드(66)로 공급하도록 구성되며, 이는 아래에서 더 자세히 설명된다. 이 와이어 가이드(66)는 와이어 가이드 내로 공급되는 구리 와이어의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 와이어 가이드(66)는 구리 와이어의 직경보다 0.002인치 더 큰 직경을 갖는다.
이 접근 방식을 사용하면 CVL을 PCB에 자동으로 조립할 수 있으며 연결의 수율과 신뢰성을 높이는 동시에 노동 시간을 크게 줄일 수 있다. 또한, 메커니즘(42)의 와이어 공급 시스템은 반드시 PCB에서가 아닌 임의의 2개의 일반적인 위치 사이에서 와이어를 공급 및 압출하도록 구성된 메커니즘으로서 수정되고 보다 일반적으로 만들어질 수 있다. 메커니즘(42)은 적층 제조 솔루션에 통합되어 전도성 구리 와이어를 3D 인쇄 부품에 삽입하는 기능을 추가할 수 있으며, 이는 현재 적층 시장에서 사용할 수 없는 개념이다.
일 실시예에서, 메커니즘(42)은 구리 와이어를 압출하거나 공급하는 기어를 구동하는 스테퍼 모터(68)를 더 포함한다. 스테퍼 회전은 압출된 상관물 거리에 (압출 거리에 대한 피드백을 위한 센서와 잠재적으로 협력하여) 사용된다. 구리 와이어가 길이로 구동되면, 자동 플러시 커터가 와이어를 트리밍하며, 이는 더 상세히 후술될 것이다. 일 실시예에서, 커터의 제2세트는 와이어의 스풀로부터 와이어를 절단하여 와이어의 절단 부분을 잡기 위해 사용된다. 다른 실시예에서, 플러시 커터는 그 다음 와이어의 삽입을 위한 준비로 다시 와이어를 플러시 절단하도록 플립된다. 이 프로세스는 도 4a-4c에 순차적으로 도시되어 있다. 도 4a는 가공된 PCB로부터 잉여 재료를 절단하는 데 사용되는 와이어 커터를 나타낸다. 도 4b는 제2와이어 커터 또는 다음 CVL에 사용되는 와이어의 단부를 절단하는 데 사용되는 반전된 와이어 커터를 도시한다. 도 4C는 진공 장치에 의해 영역으로부터 비워진 과잉 재료와 함께, 반전된 와이어 커터에 의해 절단된 후의 와이어의 단부를 나타낸다.
통합 센서는 와이어 분배를 추적하고 제어하기 위한 피드백 루프를 제공하도록 이용될 수 있다. 다른 유형의 모터 드라이버 및 압출용 와이어 파지 방법이 제공될 수 있다.
Z축 상호연결을 위한 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘
Z-축 상호연결을 생성하기 위해 구리 와이어를 준비하는 데 사용되는 알려진 접근 방식은 일반적으로 고르지 않고 뾰족한 단부를 생성하는 단일 와이어 커터를 사용하여 어셈블리의 기계적 및 전기적 성능에 영향을 미치는 불량한 납땜 조인트를 초래한다. 현재는, 손으로 와이어를 절단하고 커터는 한 쪽에서 평평하게 절단한 다음 다른 방향으로 돌려 다른 쪽을 평평하게 절단할 수 있는 방식으로 배향된다.
본 개시내용의 실시예의 시스템 및 방법은 절단된 와이어 세그먼트의 양측에 평평한 와이어 표면을 생성하여 PCB에서 Z축 상호연결을 위한 강력하고 유연한 솔더 조인트를 가능하게 한다. 일 실시예에서, 절단 및 파지 메커니즘(46)은 와이어를 절단하기 위해 반대 방향으로 배향되는 2개의 후퇴 가능한(retractable) 커터를 포함한다. 이중 플러시 절단 시스템은 완벽한 평평한 단면 절단을 용이하게 하여, 구리 수직 상호연결을 가능하게 한다. 메커니즘(46)은 구리 파편을 제거함으로써 생산 환경에서 고속으로 실행될 수 있는 솔루션을 제공하는 파편 제거 진공 장치를 더 포함한다.
다시 도 3을 참조하면, 도 5 및 도 6에 추가로, 이중 와이어 절단 및 파지 메커니즘(46)은 일반적으로 70으로 표시된 와이어 플러시 커터 어셈블리, 일반적으로 72로 표시된 힘 감지 와이어 그리퍼 어셈블리, 및 디지털 정밀 레귤레이터(74)를 포함한다. 와이어 커터 어셈블리(70)는 와이어를 절단하기 위해 와이어 커터(76)를 포함한다. 일 실시예에서, 와이어 커터(76)는 와이어 그리퍼 어셈블리(72) 아래에 와이어 커터를 위치시키는 데 사용되는 슬라이드(78)에 장착된다. 와이어 그리퍼 어셈블리(72)는 각각 구리 와이어을 잡고 자르는 데 사용되는 반전된 와이어 커터(82) 및 한 쌍의 그리퍼 죠(80)를 구비한다. 와이어 공급 및 압출 메커니즘(42)은 와이어의 단부를 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 그리퍼 죠(80)에 위치시키는 데 사용된다. 와이어는 반전된 와이어 커터(82)에 의해 절단된 다음 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 와이어 가이드(66) 내로 후퇴되며, PCB에 삽입하기 위해 준비된다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 와이어 그리퍼 어셈블리(72)는 트리밍 작업 동안 와이어를 절단하여 생성된 폐기물을 보내기 위해 내부에 형성된 채널(86)을 갖는 진공 장치 또는 플리넘(84)을 포함한다. 진공 장치(84)는 폐기물을 이동시키는 데 필요한 흡입을 제공하기 위해 진공원에 연결된다. 와이어 커터(76)는 슬라이드(78) 위로 후퇴되며, 와이어 커터 어셈블리(70)의 와이어 커터는 삽입 프로세스의 나머지 동안 방해가 되지 않는 상태로 남아 있다.
일 실시예에서, PCB 리플로우 예열기(52)를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, PCB는 250°C까지 PCB를 예열하기 위해 사용되는 PCB 리플로우 예열기의 가열판(heat plate) 상의 와이어 가이드(66) 아래에 배치된다. 추가로 도 8 내지 도 10을 참조하면, 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 툴링(tooling)은 모두 인라인 리니어 베어링에 장착되고 중력은 툴링을 스트로크의 바닥에 설정한다. 디지털 릴리프 레귤레이터에 결합된 저마찰 실린더는 툴링의 무게가 상쇄되고 시스템이 가벼운 완충 스프링을 압축하기 시작할 때 툴링이 리니어 베어링에서 상승할 때까지 압력을 천천히 램프(ramp)하는 데 사용된다. 스프링이 예압으로 압축되면(실험을 통해 설정) 레귤레이터는 해당 압력으로 설정된다. 마그네틱 리니어 엔코더(linear encoder)가 캐리지에 장착되어 이 프로세스 전반에 걸쳐 툴링의 위치를 측정하여 툴링 위치에 폐쇄 루프를 생성한다.
와이어 절단 어셈블리(70)의 와이어 커터(76) 및 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 그리퍼 죠(80)는 PCB 상의 각각의 위치로 하강한다. 초음파 센서를 사용하여 어셈블리를 정확한 높이에 배치하고 서보 축과 결합된 자기식 리니어 엔코더(magnetic linear encoder)가 이 작업을 위해 루프를 폐쇄한다. 이 아날로그 초음파 센서를 통해 시스템은 실시간으로 보드 및 기타 구성 요소의 열 팽창에 적응할 수 있다. PCB에 매우 근접하여 구리 와이어가 와이어 가이드를 통해 공급되고 PCB의 구멍으로 시작된다. 와이어 가이드는 추가 와이어가 공급되는 동안 PCB에서 멀어지도록 후퇴된다. 이것은 와이어가 PCB 구멍에서 시작된 상태를 유지하는 것을 허용하지만, 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 그리퍼 죠(80)에 의해 와이어를 파지할 공간을 허용한다.
와이어 가이드(66)가 후퇴된 상태에서, 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 그리퍼 죠(80)는 와이어 상에서 폐쇄되고 서보 축은 와이어와 함께 구멍 내로 하강한다. 일 실시예에서, 그리퍼 죠(80)는 그리퍼 죠에 의해 유지되는 구리 와이어의 세그먼트를 예열하도록 가열된다. 그리퍼 죠(80)는 저하중 로드 셀에 장착되고 버퍼 스프링에 의해 유지되는 균형 시스템의 일부이다. 구리 와이어가 구멍 바닥의 솔더 패드와 접촉함에 따라 버퍼 스프링이 무너지기 시작하고 서보 시스템은 솔더 리플로우가 발생하는 동안 와이어에 가해지는 부하의 균형을 유지한다. 솔더가 리플로우되면서 와이어가 PCB의 솔더 패드 쪽으로 하강하기 시작한다. 버퍼 스프링이 언로드되기 시작하고 서보가 더 하강하여 와이어 기둥에 하향 압력을 유지한다. 자기식 리니어 인코더와 로드 셀을 사용하여 시스템은 솔더 범프에 와이어가 성공적으로 배치(deployment)되었음을 보여주는 힘 거리 곡선을 개발할 것이다.
와이어는 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 가열된 그리퍼 죠(80)에 의해 해제된다. 와이어 절단 어셈블리(70)의 슬라이드는 맞춤형 플러시 커터(76)를 와이어에 가져오는 데 사용되며 서보 축은 PCB로부터 절단 거리를 제어한다. 플러시 커터(76)는 와이어를 폐쇄하고 절단한다. 플러시 커터(76)가 열리고, 플러시 커터가 후퇴하며 두 서보 축이 모두 상승하여 프로세스를 다시 시작한다. 그리퍼 죠와 관련된 통합 가열 메커니즘은 접촉면을 증가시켜 열 전도를 개선하고 추가 도구를 제거한다. 메커니즘(46)은 대량 생산을 위한 Z축 상호연결을 자동화하는 데 사용되는 프로세스 및 메커니즘을 결합한다.
이 접근 방식을 사용하면 CVL을 PCB에 자동으로 조립할 수 있으며 연결의 수율과 신뢰성을 높이는 동시에 노동 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다. 또한 이 접근 방식은 PCB가 아닌 두 개의 일반 위치 사이에서 와이어를 압출하는 시스템으로 수정 및 더 일반화될 수 있다.
장치(40)의 메커니즘은 적층 제조 솔루션에 통합되어 적층 시장에서 사용할 수 없는 개념인 전도성 구리 와이어를 3D 인쇄 부품에 내장하는 기능을 추가할 수 있다. 따라서 갠트리가 도달할 수 있는 모든 곳에 배치되는 지정된 길이로 와이어를 압출 및 절단하는 자동화된 방법이 제공되며, 특히 주로 Z축 상호연결을 위한 PCB 애플리케이션에 와이어를 배치하는 애플리케이션에 제공된다.
가열 방식과 결합된 이 시스템을 사용하면 두 위치 간에 와이어를 납땜할 수 있다.
Z축 상호연결을 위한 가열기 메커니즘
위에서 설명한 바와 같이 PCB의 Z축 상호연결을 위해 구리 와이어를 지정된 길이로 압출하는 시스템 및 방법이 설명된다. 일 실시예에서, 홀은 PCB의 상단으로부터 내부 층 상의 패드까지 천공된다. 패드는 솔더로 미리 주석 처리되어 있다. 와이어가 층들 사이에 삽입되고 리플로우된다. 도 11을 참조하면, 특정 실시예에서, PCB는 PCB의 온도를 리플로우 온도 바로 아래로 만드는 핫 플레이트(90) 상에 배치된다. 와이어는 핫 엔드, 예를 들어 와이어 그리퍼 어셈블리(72)의 그리퍼 죠(80)와 관련된 통합 가열 요소가 있는 열 블록을 통해 구동된다. 와이어가 내부 주석 도금 트레이스 솔더 리플로우와 접촉할 때, 어셈블리의 팁은 사전 밀링된 개구로 이동된다. 와이어는 위에서 설명한 대로 플러시 절단되고 어셈블리는 장치에서 멀리 이동된다. 솔더가 냉각되고 구리 수직 론치 상호연결이 PCB 내에서 이루어진다.
와이어 솔더 연결을 가열하고 리플로우할 수 있는 솔루션은 존재하지 않는다. 특히, PCB에서 Z축 상호연결을 생성하기 위해 와이어를 납땜하도록 와이어를 자동으로 가열할 수 있는 알려진 시스템이 없다.
본 개시내용의 실시예는 작업편을 솔더 리플로우 온도에 근접하게(그러나 여전히 아래에) 가져오기 위해 가열된 플랫폼 상에 작업편을 배치하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 와이어는 가열 요소가 내장된 금속 블록과 같은 핫 엔드를 통해 구동되며 PID로 제어되어 작업편을 리플로우 온도보다 높게 유지한다. 와이어가 내부 구리 트레이스에 대한 사전 밀링된 구멍으로 핫 엔드를 통해 구동될 때 와이어는 내부 트레이스의 솔더 패드와 접촉하고 솔더를 리플로우한다. 이 시점에서 와이어는 플러시 절단(flush-cut)되고 핫 엔드는 와이어에서 멀어져 냉각되고 응고된다.
현재 시장에는 이 문제를 위해 설계된 솔루션이 없다. 여기에 설명된 장치의 실시예는 도금 프로세스 없이 Z축 상호연결을 제조하는 자동화된 방법을 생성하는 갠트리 상에 구성될 수 있다. PCB 인터커넥트용 와이어 납땜을 위해 가열되고 온도가 제어되는 가열 블록을 통해 와이어를 구동하는 기능은 우수한 결과를 생성한다.
이와 같이 적어도 하나의 실시예의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 당업자에게 용이하게 일어날 것임을 인식해야 한다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시의 일부로 의도되고 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 예시에 불과하다.
주장되는 내용은 다음과 같다.

Claims (20)

  1. 인쇄 회로 보드(PCB) 내의 구리 수직 론치(CVL)의 제조를 자동화하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 공급 및 압출하도록 구성된 공급 메커니즘; 및
    상기 공급 메커니즘으로부터 구리 와이어를 수용하고, 구리 와이어의 세그먼트를 절단 및 고정하고, 상기 PCB 내부에 형성된 구멍에 구리 와이어의 상기 세그먼트를 삽입하고, 상기 PCB의 신호 트레이스에 구리 와이어의 상기 세그먼트의 단부를 납땜하고, 상기 구리 와이어의 상기 세그먼트의 반대쪽 단부를 상기 PCB의 표면으로 플러시 절단하도록 구성된 와이어 절단 및 파지 메커니즘;
    을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 절단 및 파지 메커니즘은 구리 와이어의 상기 세그먼트를 플러시 절단하도록 구성된 와이어 커터 및 구리 와이어의 상기 스풀로부터 상기 구리 와이어를 수용하고 구리 와이어로부터의 세그먼트를 절단 및 잡기 위한 통합 가열 그리퍼 장치를 포함하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어 커터는 와이어 그리퍼 어셈블리 아래에 상기 와이어 커터를 위치시키기 위해 사용되는 슬라이드 상에 장착되는, 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 와이어 그리퍼 어셈블리는 각각 상기 구리 와이어를 파지 및 절단하는 데 사용되는 한 쌍의 그리퍼 죠 및 반전된 와이어 커터를 포함하고, 와이어 공급 메커니즘은 상기 구리 와이어의 단부를 상기 그리퍼 죠 내로 전달하도록 구성된, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반전된 와이어 커터는 구리 와이어의 상기 스풀로부터 상기 구리 와이어를 절단하여 구리 와이어의 세그먼트를 생성하고, 구리 와이어의 상기 세그먼트를 상기 와이어 그리퍼 어셈블리의 와이어 가이드로 후퇴시키도록 구성되는, 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 와이어 그리퍼 어셈블리는 트리밍 작업 동안 상기 구리 와이어를 절단하여 생성된 폐기물을 보내기 위해 내부에 형성된 채널을 갖는 진공 장치 또는 플리넘을 더 포함하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진공 장치는 진공원과 연결되어 상기 폐기물의 이동에 필요한 흡입을 제공하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공급 메커니즘은 구리 와이어의 상기 스풀을 수용하도록 구성된 포스트를 포함하는, 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공급 메커니즘은 가이드, 상기 구리 와이어를 집거나 잡도록 구성된 핀치 롤러 세트, 및 가요성 튜브에 연결된 다른 가이드를 더 포함하고, 와이어의 상기 스풀로부터 상기 구리 와이어가 상기 가이드를 통해 상기 핀치 롤러 사이, 그리고 상기 가요성 튜브에 연결된 제2가이드로 공급되도록 배열되는, 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 와이어 절단 및 파지 메커니즘은 힘 감지 그리퍼 어셈블리의 단부에 위치된 와이어 가이드를 포함하고, 상기 와이어 가이드는 상기 와이어에 공급되는 상기 구리 와이어의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는, 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공급 메커니즘은 기어를 구동하여 구리 와이어를 공급하는 스테퍼 모터를 더 포함하는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 구리 와이어가 상기 PCB의 구멍에 삽입되면 솔더를 리플로우하도록 구성된 PCB 리플로우 예열기 메커니즘을 더 포함하는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 예열기 메커니즘은 상기 PCB의 온도를 리플로우 온도 바로 아래로 상승시키도록 구성된 핫 플레이트를 포함하는, 장치.
  14. 제1항에 기재된 상기 장치를 이용하여 CVL을 제조하는 방법.
  15. 인쇄 회로 보드(PCB) 내에서 구리 수직 론치(CVL)의 제조를 자동화하는 방법으로서, 상기 방법은,
    와이어 절단 및 파지 메커니즘에 구리 와이어를 공급하는 단계;
    구리 와이어의 세그먼트를 절단하고 고정하는 단계;
    상기 PCB 내에 형성된 구멍에 구리 와이어의 세그먼트를 삽입하는 단계;
    상기 PCB의 신호 트레이스에 구리 와이어 상기 세그먼트의 단부를 납땜하는 단계; 및
    상기 구리 와이어의 상기 세그먼트의 반대쪽 단부를 상기 PCB의 표면으로 플러시 절단하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    구리 와이어를 공급하는 단계는 구리 와이어의 스풀로부터 구리 와이어를 수용하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    트리밍 작업 중 상기 구리 와이어를 절단하는 단계로부터 발생하는 폐기물을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    폐기물을 제거하는 단계는 상기 폐기물을 이동시키는 데 필요한 흡입을 제공하도록 진공원 및 폐기물을 보내기 위해 그 안에 채널이 형성된 진공 장치 또는 플리넘을 포함하는 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    구리 와이어를 공급하는 단계는 상기 구리 와이어를 집거나 잡도록 구성된 핀치 롤러 세트 및 가요성 튜브에 연결된 다른 가이드로 구리 와이어로 상기 구리 와이어를 가이드하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 구리 와이어가 상기 PCB의 구멍에 삽입되면 솔더를 리플로우하도록 구성된 PCB 리플로우 예열기 메커니즘으로 상기 PCB를 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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