NL9000148A

NL9000148A - Mfg. machine for multilayer ceramic circuit boards - applies conductive paste to successive films of ceramic material

Info

Publication number: NL9000148A
Application number: NL9000148A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1990-01-22
Publication date: 1991-08-16

Abstract

Mounted on the main baseplate (3) of the machine a support plate (1) can be moved (x) on rails (4) from side to side w.r.t. the processing area. Below the operating area a processing support plate (2) can be moved (y) on rails (5) at right angles to the other rails (4). In the operating area of the machine, a drill mechanism (6) produces holes through the ceramic layers, a dosing mechanism (7) applies the conductive paste tracks and a press (8, 9) can be lowered onto the each layer in turn as the board is constructed. The operating mechanisms are controlled by a computer. @(10pp Dwg.No.1/4)@.

Description

Inrichting voor het samenstellen van keramische multilayersDevice for assembling ceramic multilayers

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor hetvervaardigen van uit verschillende lagen keramisch materiaalsamengestelde bedradingskaarten waarbij de lagen zijn voorzien vanelektrisch geleidende sporen en gaten voor elektrisch geleidendeverbindingen tussen de sporen van de verschillende lagen.The invention relates to a device for manufacturing wiring boards of ceramic material composed of different layers, wherein the layers are provided with electrically conductive tracks and holes for electrically conductive connections between the tracks of the different layers.

\\

Dergelijke bedradingskaarten zijn geschikt als drager vanelektronische componenten. Door gebruik te maken van keramiek alsdragermateriaal kan een grotere miniaturisatie worden verkregen danmogelljk is met bijvoorbeeld epoxy als dragermateriaal.Such wiring boards are suitable as a carrier of electronic components. By using ceramic as a support material, a greater miniaturization can be obtained than is possible with, for example, epoxy as a support material.

Een ander voordeel van keramisch dragermateriaal is de groterehittebestendigheid.Another advantage of ceramic support material is the greater heat resistance.

Uitgehard keramisch materiaal heeft echter de eigenschap hard enbros te zijn en daardoor moeilijk te bewerken. Daarom kan hetmateriaal worden geleverd in de vorm van flexibele folie welke nabewerking door middel van verhitting kan worden uitgehard. Eensoortnaam hiervoor is de zogenaamde groene (onbewerkte) keramiek.Volgens bekende zogenaamde "dikke-film"-technieken kunnenbedradingspatronen met behulp van een masker op een laag wordenaangebracht. Voor kleine series is een dergelijk masker echter duur,zeker als het definitieve ontwerp nog niet vaststaat.Cured ceramic material, however, has the property of being hard enbros and therefore difficult to machine. That is why the material can be supplied in the form of flexible foil, which can be cured by heating. One type of name for this is the so-called green (unprocessed) ceramic. According to known so-called "thick-film" techniques, wiring patterns can be applied to a layer using a mask. However, such a mask is expensive for small series, especially if the final design has not yet been established.

Een alternatief is dan het aanbrengen van geleidende sporen metbijvoorbeeld een stuurbare spuitinrichting of dispenser.An alternative is then to apply conductive tracks with, for example, a controllable spraying device or dispenser.

Hierbij komt echter het probleem dat de op deze wijze vervaardigdelagen gestapeld moeten worden waarbij de eventuele gaten vooronderlinge verbindingen of doorvoer op een laag, moeten uitkomen opde geleidende sporen of gaten van een naastliggende laag.However, there is the problem that the layers made in this way must be stacked, with any holes for interconnections or lead-through on one layer having to end up on the conductive tracks or holes of an adjacent layer.

Een bekende oplossing is dat er in het nog onbewerkte materiaalpositioneergaten zijn aangebracht ten behoeve van stapeling opuitsteeksels welke in deze positioneergaten passen.A known solution is that protuberances which fit into these positioning holes are provided in the material as yet unprocessed for the purpose of stacking.

Dit heeft echter het nadeel dat hiervoor extra bewerkingen nodigzijn en dat elke laag een individuele voorbereidende behandelingbehoeft.However, this has the disadvantage that additional operations are required for this and that each layer requires individual preparatory treatment.

VV

De uitvinding beoogt nu een inrichting voor het vervaardigen vankeramische multilayers te verschaffen waarmee de bovengenoemdenadelen worden opgeheven.The object of the invention is now to provide a device for manufacturing ceramic multilayers with which the above-mentioned disadvantages are eliminated.

Overeenkomstig de uitvinding is de inrichting voorzien van: - een laagondersteunend deel; - oppakmiddelen voor het op het laagondersteunend deel reproduceer¬baar verplaatsen van een laag in een eerste bewerkingspositie naareen tweede bewerkingspositie; - eerste, ten opzichte van het laagondersteunend deelreproduceerbaar positioneerbaar uitgevoerde bewerkingsmiddelen voorhet aanbrengen van de gaten in een, op de eerste bewerkingspositiegeplaatste laag; en - tweede, ten opzichte van het laagdragend deel reproduceerbaarpositioneerbaar uitgevoerde bewerkingsmiddelen voor het vullen vande aangebrachte gaten met een elektrisch geleidend middel en hetaanbrengen van de elektrische geleidende sporen op een, op de tweedebewerkingspositie op het laagdragend deel geplaatste laag.According to the invention, the device is provided with: - a layer supporting part; pick-up means for reproducibly moving a layer on a layer supporting part in a first processing position to a second processing position; - first machining means designed to be reproducibly positionable with respect to the layer supporting part, for applying the holes in a layer placed on the first machining position; and - second machining means, which are reproducibly positionable with respect to the layer-supporting part, for filling the provided holes with an electrically conductive means and applying the electrically conductive traces to a layer placed on the second-carrying position on the layer-supporting part.

Doordat de onderlinge posities van de oppakmiddelen en debewerkingsmiddelen ten opzichte van het laagondersteunend deelreproduceerbaar zijn, zijn ook de bewerkingsposities en destapelpositie reproduceerbaar. Positioneergaten zijn nu niet nodigomdat een laag nu in eenzelfde inrichting gedefinieerdeverplaatsingen ondergaat gedurende alle bewerkingsstappen.Since the mutual positions of the picking-up and processing means with respect to the layer-supporting part can be reproduced, the processing positions and the stacking position can also be reproduced. Positioning holes are now unnecessary because a layer now undergoes defined displacements in the same device during all processing steps.

Daarnaast blijkt in de praktijk een hogere nauwkeurigheid haalbaardan op basis van positioneergaten mogelijk is.In addition, in practice it appears that a higher accuracy can be achieved on the basis of positioning holes.

Een uitvoering wordt gekenmerkt doordat de inrichting is voorzienvan een grondplaat waarop de oppakmiddelen zijn aangebracht enwaarbij het laagondersteunend deel ten opzichte van de grondplaat ineen eerste richting in een, door de bewerkingsposities bepaald vlakreproduceerbaar positioneerbaar is uitgevoerd en waarbij deinrichting verder voorzien is van een de bewerkingsmiddelen dragenddeel, welke ten opzichte van de grondplaat in een tweede, nagenoegloodrecht op de eerste richting staande richting in een tweede vlakevenwijdig met het bewerkingsvlak reproduceerbaar positioneerbaar isuitgevoerd.An embodiment is characterized in that the device is provided with a base plate on which the picking-up means are arranged, wherein the layer supporting part is designed in a first direction relative to the base plate in a plane reproducible, determined by the machining positions, and the device further comprising a supporting part carrying the machining means which, in the second direction, which is substantially perpendicular to the first direction, is reproducibly positionable in a second plane parallel to the machining plane.

Door de twee onderling loodrechte bewegingsrichtingen van degrondplaat en het de bewerkingsmiddelen dragende deel, kunnen debewerkingsmiddelen elke gewenste positie innemen boven hetbewerkingsvlak.Due to the two mutually perpendicular directions of movement of the base plate and the part carrying the machining means, the machining means can occupy any desired position above the machining plane.

Een inrichting overeenkomstig de uitvinding zal nu aan de hand vande volgende figuren worden toegelicht, waarbijAn apparatus according to the invention will now be elucidated with reference to the following figures, wherein

Fig. 1 schematisch een uitvoering weergeeft in een bewerkingsfasewaarin simultaan in een eerste laag gaten worden gemaakt enin een tweede laag geleidende sporen worden aangebracht ofgaten worden gevuld;Fig. 1 schematically represents an embodiment in a machining phase in which holes are simultaneously made in a first layer and conductive tracks are made or holes are filled in a second layer;

Fig. 2 schematisch de uitvoering van fig. 1 weergeeft in een bewerkingsfase waarin de eerste laag wordt opgepakt dooreen oppakmechanisme;Fig. 2 schematically illustrates the embodiment of FIG. 1 in a processing phase in which the first layer is picked up by a pick-up mechanism;

Fig. 3 schematisch de uitvoering van fig. 1 weergeeft in een bewerkingsfase waarin de eerste en tweede laag boven elkaarworden gebracht; enFig. 3 schematically illustrates the embodiment of FIG. 1 in a processing phase in which the first and second layers are superimposed; and

Fig. 4 schematisch de uitvoering van fig. 1 weergeeft in eenbewerkingsfase waarin een nieuwe laag wordt opgepakt.Fig. 4 schematically illustrates the embodiment of FIG. 1 in an operation phase in which a new layer is picked up.

De in fig. 1 weergegeven uitvoering toont een uit eenlaagondersteunend deel 1 en een bewerkingsmiddelen dragend deel 2opgebouwde inrichting, met het laagondersteunend deel 1 in eenx-richting beweegbaar en het bewerkingsmiddelen dragend deel 2 ineen loodrecht op de x-richting staande y-richting beweegbaar. Debeweging van het laagondersteunend deel 1 in de x-richting wordtmogelijk gemaakt-.door op een grondplaat 3 bevestigde x-geleiderails4. De beweging in de y-richting van het bewerkingsmiddelen dragenddeel 2 wordt mogelijk gemaakt door, eveneens op de grondplaat 3bevestigde y-geleiderails 5. Op het bewerkingsmiddelen dragend deel2 zijn een boorinrichting 6 voor het maken van gaten en eendoseerinrichting 7 voor het aanbrengen van geleidend materiaalaangebracht. Op de grondplaat 3 is een als een liftmechanismeuitgevoerde oppakinrichting 8 bevestigd. Een oppakdeel 9 hiervan isbeweegbaar in een richting loodrecht op de grondplaat 3 en kan, dooreen atmosferische onderdruk aan te brengen, een laag oppakken.The embodiment shown in Fig. 1 shows a device built up from a layer supporting part 1 and a processing means carrying part 2, with the layer supporting part 1 movable in a x direction and the processing means carrying part 2 movable in a y direction perpendicular to the x direction. The movement of the layer supporting part 1 in the x direction is made possible by x guide rails 4 mounted on a base plate 3. The movement in the y-direction of the working means carrying part 2 is made possible by y-guide rails 5, which are also mounted on the base plate 3. On the working means carrying part 2, a drilling device 6 for making holes and a metering device 7 for applying conductive material are arranged . A pick-up device 8 designed as a lifting mechanism 8 is mounted on the base plate 3. A pick-up part 9 thereof is movable in a direction perpendicular to the base plate 3 and can, by applying an atmospheric underpressure, pick up a layer.

Verder is een los hulpstuk 10 aanwezig welke in een daartoe bestemdeen in fig. 3 weergegeven vorkachtige opening 11 in hetbewerkingsmiddelen dragend deel 2 rust. Het oppakdeel 9 past in hethulpstuk 10 waarbij deze mede door de in de bodem van het hulpstuk10 aanwezige openingen via onderdruk met laag en al kan wordenopgepakt. De boorinrichting 6 is uitgevoerd als een ponsmechanismegeschikt om gaten met een diameter kleiner dan 0,3 mm te maken. Hethulpstuk 10 houdt verder een laag vast door middel van onderdrukgedurende het aanbrengen van gaten. Een alternatief voor eenponsmechanisme is een CO2-laser. Bij een als ponsmechanismeuitgevoerde boorinrichting is in het bewerkingsmiddelen dragend deel2 een, in fig. 4 weergegeven hard stempel 12 nodig. Daardoor is hetnodig om de laag boven het bewerkingsmiddelen dragend deel 2 tekunnen verplaatsen. Bij een laser kan strikt genomen worden volstaanmet een uit één geheel bestaande en in de x/y-richtingenpositioneerbaar deel.There is furthermore a loose accessory 10 which rests in a part 2 intended for this purpose, which is shown in a fork-like opening 11 shown in fig. The pick-up part 9 fits into the fitting 10, which can also be picked up with vacuum through the openings present in the bottom of the fitting 10 via vacuum. The drilling device 6 is designed as a punch mechanism suitable for making holes with a diameter smaller than 0.3 mm. The attachment 10 further retains a layer by means of underpressure during hole making. An alternative to a single punch mechanism is a CO2 laser. In the case of a drilling device designed as a punching mechanism, a hard punch 12, shown in Fig. 4, is required in the machining means. It is therefore necessary to be able to move the layer 2 carrying part 2 above the processing means. Strictly speaking, a laser unit can suffice with a single unit which can be positioned in the x / y directions.

De doseerinrichting 7 moet met een karakteristieke doseersnelheidvan bijv. 0,5 mm /s en een doseerhoogte van bijv. 10 μια degeleidende pasta aan kunnen brengen. De snelheid waarmee dan eengeleidend spoor kan worden aangebracht is bij voorkeur groter dan 50mm/sec. De spoorbreedte ligt in grootte-orde van 200 μπι. Daarnaastmoet de doseerinrichting 7 ook gaten kunnen vullen met geleidende pasta ten behoeve van doorverbindingen (via's) tussen de lagen.The dosing device 7 must be able to apply the conductive paste at a characteristic dosing speed of, for example, 0.5 mm / s and a dosing height of, for example, 10 μα. The speed with which a conductive track can then be applied is preferably greater than 50 mm / sec. The track width is in the order of 200 μπι. In addition, the dosing device 7 must also be able to fill holes with conductive paste for the purpose of interconnections (vias) between the layers.

\\

Dergelijke doseerinrichtingen zijn bekend van de zogenaamde"dikke-film"- technologie. Geschikte geleidende pasta's zijn Mo of Wals de keramische lagen gesinterd moeten worden of Ag en Au als hetuitharden door "co-firing" kan gebeuren. Bij het laatste proces zijnde keramische deeltjes in onbewerkte vorm omgeven door glasdeeltjes.Bij beide processen wordt er gebruik gemaakt van binders enoplosmiddelen. Een extra voordeel van deze inrichting is dat er voorhet vullen van de gaten en het aanbrengen van de geleidende sporen,van eenzelfde geleidende pasta met dezelfde viscositeit gebruik kanworden gemaakt. De lagen worden namelijk, zoals bij de volgendefiguren duidelijk zal worden gemaakt, niet meer van hetbewerkingsvlak genomen maar op elkaar gestapeld. Daardoor zal de ineen gat aangebrachte pasta niet wegvloeien, hetgeen tot dusverrewerd voorkomen door een vulpasta met hogere viscositeit te nemen.Such dispensers are known from the so-called "thick film" technology. Suitable conductive pastes are Mo or Waltz, the ceramic layers to be sintered or Ag and Au if curing can be done by co-firing. In the latter process, unprocessed ceramic particles are surrounded by glass particles. Both processes use binders and solvents. An additional advantage of this device is that the same conductive paste with the same viscosity can be used for filling the holes and applying the conductive traces. Namely, as will be made clear in the following figures, the layers are no longer taken from the working plane but stacked on top of each other. As a result, the apertured paste will not flow out, which has hitherto been prevented by taking a higher viscosity filling paste.

De inrichting heeft een karakteristieke positioneringsnauwkeurigheidin het bewerkingsvlak. De lagen worden ten opzichte van debewerkingsmiddelen 6 en 7 in de juiste positie gebracht doorverplaatsing van de delen 1 en 2. Doordat de onderlinge afstandtussen de boorinrichting 6 en de doseerinrichting 7 vastligt, zijner geen positioneergaten in de lagen nodig indien deze lagen opeen reproduceerbare wijze onder deze inrichtingen worden geplaatst.Het oppakken en verplaatsen van een laag wordt aan de hand van devolgende figuren toegelicht.The device has a characteristic positioning accuracy in the machining plane. The layers are brought into position with respect to the processing means 6 and 7 by displacing parts 1 and 2. Since the mutual distance between the drilling device 6 and the dosing device 7 is fixed, no positioning holes are required in the layers if these layers are reproduced in a reproducible manner. These devices are placed. Picking up and moving a layer is explained with the help of the following figures.

In fig. 2 is de bewerkingsstap weergegeven waarin een van de nodigegaten voorziene laag door de oppakinrichting 8 wordt opgepakt.Hiertoe is het laagonderstemend deel 1 in een zodanige positiegebracht dat de betreffende laag recht onder het oppakdeel 9 ligt.Fig. 2 shows the processing step in which a layer provided with the necessary holes is picked up by the pick-up device 8. For this purpose, the layer-supporting part 1 is placed in such a position that the relevant layer lies directly under the pick-up part 9.

In fig. 3 is de bewerkingsfase weergegeven waarin de oppakinrichting8 het hulpstuk 10 met laag en al boven dat deel van hetlaagondersteunende deel 1 houdt waar het aanbrengen van degeleidende sporen en vullen van gaten plaatsvindt. De opgepakte laagkan zo nauwkeurig op de, op dat deel al aanwezige laag (of lagen)worden gestapeld.Fig. 3 shows the processing phase in which the pick-up device 8 holds the attachment 10 with layer and all above that part of the layer-supporting part 1 where the conductive tracks and the filling of holes take place. The picked-up layer can be stacked so precisely on the layer (or layers) already present on that part.

In fig. 4 is de bewerkingsstap weergegeven waarin hetlaagondersteunend deel 1 en het bewerkingsmiddelen dragend deel 2zodanige posities hebben ingenomen, dat het hulpstuk 10 boven een ophet bewerkingsmiddelen dragend deel 2 geplaatste nieuwe, nogonbewerkte laag 13 wordt gebracht. Een nieuwe laag wordt dan met hethulpstuk 10 op een, in fig. 1 weergegeven positie gebracht, geschiktvoor het aanbrengen van gaten door de boor inrichting 6.Fig. 4 shows the processing step in which the layer supporting part 1 and the processing means carrying part 2 have occupied such positions that the accessory 10 is brought above a new, still unprocessed layer 13 placed on the processing means carrying part 2. A new layer is then brought with the aid 10 to a position shown in Fig. 1, suitable for making holes through the drilling device 6.

De stapel met lagen kan na voltooiing als één geheel wordengedroogd, geperst en daarna in een oven worden uitgehard zonder datde lagen van elkaar behoeven te worden genomen.The stack of layers can be dried, pressed as a whole upon completion and then oven cured without having to take the layers apart.

Claims

Device for the production of wiring boards composed of different layers of ceramic material, the layers being provided with electrically conductive tracks and holes for electrically conductive connections between the tracks of the different layers, characterized in that the device is provided with: - a layer supporting part; pick-up means for reproducibly moving a layer on a layer supporting part in a first processing position to a second processing position; first machining means, which can be positioned in a reproducible position relative to the layer supporting part, for applying the holes in a layer placed on the first machining position; and - second machining means, which are reproducibly positionable with respect to the layer-supporting part, for filling the provided holes with an electrically conductive means and applying the electrically conductive traces to a layer placed on the second-carrying position on the layer-supporting part.

2. Device as claimed in claim 1, characterized in that the device is provided with a base plate on which the pick-up means are arranged and wherein the layer-supporting part with respect to the base plate is in a first direction reproducibly positionable in a plane determined by the processing positions and wherein the device is further is provided with a processing means-carrying part, which is designed to be reproducibly positionable in a second plane, substantially perpendicular to the first direction in a second plane parallel to the working plane, relative to the base plate.

3. Device as claimed in claim 2, wherein a low-packing part of the pick-up means is designed to be displaceable in a direction perpendicular to the plane determined by the processing positions.