VDE/VDI-SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG. Mechanische Bearbeitung. Bohren

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1 Seite 1 Allgemeines Bohrungen erfüllen in der Leiterplatte verschiedene Aufgaben. Sie dienen der Aufnahme der Leiterplatte für folgende Fertigungsprozesse und zur Befestigung der Bauteilanschlüsse bei Einsteckmontage. Für Leiterplatten mit mehr als einer Leiterebene erfolgt die Kontaktierung durch die Metallisierung der Bohrlochwandung, wobei die angeschnittenen Kupferschichten elektrisch leitend verbunden werden. Das erfordert höchste Präzision, da Bohrbild und Druckbild der Leitergeometrie paßgenau zugeordnet werden müssen. Bei doppelseitigen Leiterplatten sind es die Druckbilder der Vorder- und Rückseite (Bestückungs- und Lötseite). Das von mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) erfolgt nach dem Verpressen der geätzten Innenlagen. Dabei orientieren sich die zulässigen Toleranzen des Bohrversatzes an den Größen der Pad s bzw. Antipad s in den Innenlagen.

2 Seite 2 Schematische Inhaltsdarstellung Wareneingangskontrolle / Bohrer Pkt. 1 Bohrermanagement Pkt. 2 Paketieren Pkt. 3 Bohrmaschine / Einrichten Pkt. 4 Bohrer / Bohrdaten Pkt. 5 Beladen der Bohrmaschine Pkt. 6 / Bohrtechnologie Pkt. 7 Entladen der Bohrmaschine Pkt. 8 Vereinzelung der Paketierung Pkt. 9 Qualitätssicherung Pkt. 10

3 Seite 3 Prozeßablauf beim Paketieren Bohrer Bohrermanagement Bohrdaten Nachschleifen Bohrer Verschleißprüfung Vereinzeln Prüfen 1 Wareneingangskontrolle / Bohrer Aufgrund der unterschiedlichen Materialstruktur von Leiterplatten können beim nur Vollhartmetall-Spezialbohrer eingesetzt werden. Um einen sicheren Prozeßablauf zu gewährleisten kommt der Eingangskontrolle eine entscheidende Bedeutung zu. Die Wareneingangskontrolle der Bohrer sollte sich auf folgende Hauptkriterien beschränken: Bohrer-Nenndurchmesser Spirallänge (Nutlänge) L 2 Schneidengeometrie der Bohrerspitze Auf den nachfolgenden Seiten 4 und 5 sind die Abmessungen der Bohrer sowie die Schneidengeometrie der Bohrerspitze dargestellt.

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6 Seite Handhabung der Werkzeuge Zur Prüfung des Bohrerdurchmessers sollte ein optisches Meßverfahren verwendet werden, um mechanische Beschädigungen am Bohrer zu vermeiden. Nach der Prüfung sind die Bohrer wieder in ihre Originalverpackungen zu stecken. Damit ist ein sicherer und beschädigungsfreier Transport der Werkzeuge gewährleistet (auch zum Nachschleifen). 2 Bohrermanagement Unter Bohrermanagement ist die Bohrerverwaltung und -vorbereitung sowie das Werkzeughandling mit der Werkzeugkassettenverwaltung zu verstehen. Über die Bohrerverwaltung wird die auftragsspezifische Bohrerzusammenstellung vorgenommen. Hierbei werden die Bohrer magaziniert. Aus den Kassetten wechselt die Maschine nach Vorgabe im Bohrprogramm die Bohrer nach Durchmesser und Standzeit vollautomatisch aus. Um beim Microbohren das Werkzeughandling zu vereinfachen, wurde das Euromagazin entwickelt. Das Euromagazin besteht aus einem linearen Streifen aus Kunststoff, der insgesamt 11 Werkzeugpositionen aufweist. Bestückt wird das Euromagazin jedoch nur mit 10 Werkzeugen. Der zusätzliche Leerplatz wird hierbei zur optischen Trennung von neuen und gebrauchten Werkzeugen benutzt. In Bild 1 ist eine Werkzeugkassette mit 600 Bohrern und Euromagazinen dargestellt. Bild 1: Werkzeugkassette mit 600 Bohrern und Euromagazinen

7 Seite 7 Die Werkzeugkassetten-Verwaltung ist ein entscheidender Faktor zur Erhöhung der Produktivität beim. Bei manuellen Bohrmaschinen kommen heute 100 oder 200 Werkzeuge pro Spindel zum Einsatz. Bei den automatischen Bohrmaschinen sind 400 Werkzeuge oder mit Euromagazinen 600 bis Werkzeuge je Bohrkopf notwendig (Bild 2). Um diese Vielzahl von Werkzeugen verwalten zu können, ist ein separater Werkzeugbestückungsplatz erforderlich. Die Aufgabenstellung, Werkzeugkassetten für die Produktion zur Verfügung zu stellen, kann auf unterschiedliche Weise gelöst werden. Eine Möglichkeit besteht darin, mit Standard- Werkzeugkassetten zu arbeiten. Dabei wird für alle Aufträge die gleiche Kassettenbestückung gewählt. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Bestückung der Werkzeugkassetten exakt am Bedarf eines zu produzierenden Auftrages durchzuführen. Die so erzeugten Werkzeugkassetten werden als auftragsspezifische Werkzeugkassetten bezeichnet. Ihre Bestückung ist für jeden Auftrag anders. Werkzeugverwaltung Manuelle Maschinen Autom. Maschinen 100 Werkzeuge 400 Werkzeuge 200 Werkzeuge Euro -Magazin 200 Werkzeuge 200 Werkzeuge Werkzeug- Bestückungsplatz Bild 2: Werkzeugverwaltung bei manuellen und automatischen Maschinen Die Bestückung von Standard-Werkzeugkassetten wird so gewählt, daß alle in der Produktion benötigten Werkzeuge mindestens einmal in der Kassette vorhanden sind.

8 Seite 8 Häufig benötigte Werkzeuge sind mehrfach vorhanden (Schwesterwerkzeuge). Gewechselt werden die Kassetten entweder, nachdem mehrere Aufträge bearbeitet wurden, oder wenn für einen Werkzeugtyp kein Schwesterwerkzeug mehr vorhanden ist. Bei den auftragsspezifischen Werkzeugkassetten erfolgt die Bestückung der Kassetten aufgrund des zu fertigenden Auftrages. Dazu steht eine Software zur Verfügung, welche die Belegung der Kassette generiert. Vom Bediener sind nur die Losgrößen und die Namen der Bohrprogramme einzugeben. Aus dem Bohrprogramm, den Bohrparametern und den Losgrößen wird der Werkzeugbedarf ermittelt und ein Datensatz für die Werkzeugkassette erstellt. Vorteile der auftragsspezifischen Kassetten gegenüber Standard-Werkzeug-kassetten: optimale Ausnutzung der Kassettenkapazität keine Unterbrechung der Produktion durch fehlende Werkzeuge, da genau bekannt ist, wann die Kassetten getauscht werden müssen Der Werkzeugbestückungsplatz besteht aus einem grafischen Werkzeugkassetten-Editor und einer Vorrichtung zur Aufnahme der Werkzeugkassetten. Der grafische Werkzeugkassetten-Editor ist ein effektives Hilfsmittel zum Erstellen neuer und zum Bestücken abgelaufener Werkzeugkassetten. Mit ihm lassen sich sowohl Einzelwerkzeuge als auch Euromagazine verwalten. 2.1 mit Distanzring Zur Positionierung des Bohrers in der Bohrspindel wird ein Kunststoff-Distanzring in Bezug zur Bohrerspitze auf den Spannschaft gepreßt. Von der genauen Position des Ringes stellt die CNC-Steuerung einen Bezug zur Bohrerspitze her. 2.2 ohne Distanzring Bei diesem Bohrverfahren wird die 0-Position der Z-Achse nach jedem Werkzeugwechsel mittels einer mechanischen Kalibrierstation oder durch ein Lasermeßgerät (siehe Kapitel 4.2) geprüft und danach der Bohrhub ausgeführt. Der Bezug zur Bohrerspitze wird hierbei über die Werkzeuglänge vorgegeben. Für Leiterplattenbohrmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel werden die Bohrer aus den Magazinen entnommen und in die Bohrspindel eingeführt. Anschließend erfolgt die Klemmung am Werkzeugschaft durch die Spannzange in der Spindel.

9 Seite Bohrerverschleiß / Nachschleifen Die mögliche Bohrstrecke (Hubzahl x Paketdicke) ist abhängig von Basismaterial, Schnittund Vorschubgeschwindigkeit, Bohrerdurchmesser, geforderter Bohrlochqualität und Werkzeug. Bei durchmetallisierten Leiterplatten aus FR4-Material gelten folgende Richtwerte: Bohrerdurchmesser 0,3 mm, Bohrstrecke 3 bis 7 m Bohrerdurchmesser 0,5 mm, Bohrstrecke 5 bis 10 m Bohrerdurchmesser 1,0 mm, Bohrstrecke 15 bis 25 m Nach Erreichen der Richtwerte können die Werkzeuge bis maximal 3 x nachgeschliffen werden. Beim Nachschleifen wird immer nur die Bohrerspitze regeneriert. Die Nebenschneiden werden bei zu langem Einsatz des Bohrers ebenfalls abgenutzt. Deshalb die Limitierung auf dreimaliges Nachschleifen (Bild 3). Bild 3: Nachschliff beim Bohrer 3 Paketieren Für die Serienbearbeitung werden aus Rationalisierungsgründen mehrere Zuschnitte - zusätzlich mit Bohrunter- und Bohrauflagen - übereinander gestapelt. Zweck der Bohrunterlage: Zweck der Bohrauflage: Verminderung von Bohrgrat, Auslauf der Bohrerspitze Verminderung von Bohrgrat, Schutz der Kupferkaschierung, Werkzeugreinigung Als Bohrunterlagen werden verwendet: Phenolharzpapier

10 Seite 10 speziell gefertigte Holzspanplatten, mit und ohne Kaschierungen aus Papier oder Melaminharz. Die üblichen Plattendicken betragen 2-5 mm. Als Bohrauflagen kommen zum Einsatz: Material Phenolharzhartpapier 0,4-0,5 mm alle Aluminiumblech Leg. F 0,2-0,3 mm > 0,2 mm Kunststoff-Folie 0,1 mm < 0,2 mm Anmerkung: Bei der Verwendung von Aluminiumfolien (unter 0,24 mm) entsteht das Problem der Blasenbildung : Durch den hohen Anpreßdruck des Niederhalters (20-30 kp) wird die Al- Folie deformiert. Die Folie wölbt sich in die Niederhalteröffnung hinein (Bild 4). Dies führt zu Gratbildund und Bohrerverlauf. Außerdem kann die Position des Bohrers beim Auftreffen auf die Aluminiumfolie verlaufen. Eine Abhilfe wird durch eine möglichst kleine Bohrung im Niederhalter-Druckring erreicht. Bild 4: Blasenbildung der Aluminiumfolie

11 Seite Paketieren mit Stiften In das zusammengelegte Paket werden mit einer Bohr- und Verstiftmaschine nacheinander die Stiftaufnahmebohrungen eingebracht und die Stifte eingepreßt. Die Stifte dienen zum Zusammenhalten des Paketes und als Aufnahmestifte zum Registrieren auf dem Maschinentisch. Stiftdurchmesser und Stiftlänge sind auf den Bohrmaschinentisch abzustimmen. 3.2 Paketieren ohne Stifte Das Arbeiten ohne Stifte setzt den Einsatz von Zuschnitten mit genauen Kanten voraus und wird immer häufiger eingesetzt. Die Fixierung der Zuschnitte als Paket erfolgt mit einem selbstklebenden Bandabschnitt von der Oberseite über die Kante zur Unterseite des Paketes. Pro Kante wird ein Klebestreifen gesetzt. Das Positionieren des Paketes wird über feste und pneumatisch betätigte Anschläge auf dem Maschinentisch vorgenommen. Diese Anschläge sind gleichzeitig als Spannpratzen ausgebildet, die für eine spielfreie Aufspannung des Paketes sorgen. 4 Bohrmaschine / Einrichten Leiterplattenbohrmaschinen stehen als Ein- oder Mehrspindel-Ausführung zur Verfügung. Der Grundaufbau der heutigen Bohrmaschinen ist bei den meisten Herstellern aus Granit gefertigt, wobei das Prinzip der geteilten Achsen am häufigsten anzutreffen ist. Die Führung der X- und Y-Achse erfolgt durch Prä-zisionsluftlager mit einer Luftspaltkompensation. Dieses Prinzip kompensiert jede Längenänderung zwischen Granit, Traversenschlitten und Maschinentisch bei Temperaturschwankungen. Die moderne CNC-Steuerung ermöglicht in Verbindung mit den Achsantrieben und den linearen Meßsystemen ein schwingungsfreies Positionieren der X- und Y-Achse bei optimalen Positionierzeiten und höchster Positioniergenauigkeit. Die bisher eingesetzten DC-Servomotoren werden heute durch AC-Servomotoren ersetzt, die entscheidende Vorteile aufweisen: Sie sind bürstenlos, wartungsfrei, bieten eine sehr gute Dynamik und höhere Leistungen bei gleicher Motorabmessung. Um die Bohrzeiten und damit die Durchlaufzeiten zu halbieren, wurde die TWIN- Bohrmaschine entwickelt. Bei diesem Maschinentyp ist die X-Achse mit zwei Bohrköpfen ausgestattet, die mittels zweier CNC-Achsen das Leiterplattenpaket gleichzeitig bohren (Bild 5). Dadurch ergibt sich eine höhere Produktivität, die bei 70 % bis 100 % liegt. Dieser Maschinentyp ist einer Zweispindel-Maschine in bezug auf Produktivität nahezu gleichzusetzen.

12 Seite 12 Bild 5: Innenraum einer TWIN-Bohrmaschine 4.1 Bohrköpfe mit Bohrspindeln An dem Traversenschlitten sind die Bohrköpfe befestigt. Diese nehmen die Bohrspindeln auf. Die Hubbewegung der Bohrspindeln erfolgt über die Z-Achsensteuerung. Dem Z- Achsenvorschub kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zu. Eine optimale Lösung wird durch den Einsatz der Multi-Z-Achse (Bild 6) erreicht. Hierbei erfolgt die Hubbewegung der Bohrköpfe durch einzelne Kugelgewindetriebe in Verbindung mit einzelangetriebenen AC-Motoren. Beim kommen heute überwiegend luftgelagerte Spindeln mit einem Drehzahlbereich von U/min zum Einsatz. Bild 6: Bohrkopf mit AC-Antrieb

13 Seite Bohrerbruchkontrolle und Lasermeßsystem Die Bohrerbruchkontrolle überwacht den ordnungsgemäßen Zustand der Werkzeuge während des s. Zur ständigen Kontrolle ist im Niederhalter eine Lichtschranke eingebaut, die folgende Maschinenfunktionen überwacht: Werkzeugaufnahme aus dem Magazin, Werkzeugablage im Magazin und Werkzeugbruch beim (Durchmesser bis 0,2 mm). Beim Mikrobohren wird die Position des gebohrten Loches in starkem Maße von der Rundlaufabweichung der Bohrspindel und des Mikrobohrers beeinflußt. Hierbei ist zu beachten, daß sich beide Toleranzen im ungünstigsten Fall addieren können. Die berührungslose Überprüfung der Rundlaufabweichung kann mit einem speziellen Lasermeßgerät automatisch nach jedem Werkzeugwechsel durchgeführt werden (Bild 7). Die Messung erfolgt dynamisch mit der programmierten Drehzahl am Maschinentisch für jede Bohrspindel. Weiterhin können Durchmesser und Einspannlängen der Bohrer kontrolliert werden. Bild 7: Systembild des Lasermeßgerätes 4.3 DNC-Betrieb mit Vernetzung Bohrmaschinen können im DNC-Betrieb ohne jegliche Datenträger in der Produktion arbeiten. Der Abruf von Programmen aus der DNC-Anlage erfolgt direkt vom Maschinenbediener an der CNC-Steuerung. Dazu gibt der Bediener lediglich die Bezeichnung des gewünschten Programmes ein. Die DNC-Anlage sucht jetzt auf der Festplatte nach dem gewünschten Programm und sendet es an die Steuerung. Eine weitere Vereinfachung besteht darin, das Programm mit Hilfe eines Barcode-Lesers an der Maschine über den Barcode-Streifen auf den Auftragspapieren einzulesen. Der Datenaustausch zwischen den Steuerungen der Bohrmaschinen, dem Leitrechner (Panel-Manager) und weiteren Rechnern (DNC) erfolgt über ein Ethernet Netzwerk. Für eine Gruppe von Maschinen ist ein Fileserver installiert. Der Fileserver dient zur Speicherung

14 Seite 14 lokaler Daten und als Brücke zu anderen Rechnern bzw. Netzen (DNC). Eine Anbindung an unterschiedliche Netzwerksysteme ist möglich. 4.4 Einrichten der Bohrmaschine Beim Einrichten der Bohrmaschine ist zu prüfen, welche Leiterplattentypen (wie z.b. einseitige LP, doppelseitige LP oder Multilayer) zu bohren sind. Diese Informationen sind den Auftragspapieren des jeweiligen Bohrauftrages zu entnehmen. Anhand der Auftragspapiere ist die Maschinenzuordnung ebenfalls festgelegt. Speziell bei Multilayern werden zur Fixierung der Leiterplatten auf dem Maschinentisch vier Aufnahmebohrungen (Soft-Tools) in Kunststoffeinsätze gebohrt. Diese Einsätze sind entweder im Maschinentisch integriert oder auf Aluminium-Adapterplatten montiert. Nach dem der Soft-Tools werden vier Aufnahmestifte manuell eingesetzt, wodurch die Registrierung der Multilayer möglich ist. Vor dem eigentlichen Bohrvorgang wird mit Hilfe des graphischen Werkzeugkassetten- Editors die Werkzeugkassette auf die ausreichende Menge der benötigten Bohrer überprüft. Danach wird das Bohrprogramm mittels Diskette oder über die DNC-Anlage in die CNC- Steuerung der Bohrmaschine eingelesen. Bei manuell beladenen Bohrmaschinen werden anschließend die Leiterplatten-Pakete auf den Maschinentisch gelegt und fixiert. Durch Betätigung der Starttaste an der CNC- Steuerung erfolgt das Abarbeiten des Bohrprogrammes mit den unterschiedlichen Bohrdurchmessern. Bei automatisch beladenen Bohrmaschinen wird der Belader mit Leiterplatten-Paketen bestückt. Durch Betätigung der Starttaste an der CNC-Steuerung werden die Pakete auf den Maschinentisch transportiert, dort fixiert, und anschließend erfolgt das Abarbeiten des Bohrprogrammes wie bei den manuellen Bohrmaschinen.

15 Seite 15 5 Bohrer / Bohrdaten Bild 8 : DIN Bezeichnungen am Spiralbohrer Es wird mit Vollhartmetall-Bohrern gearbeitet, die sich durch hohe Verschleiß- und Biegefestigkeit auszeichnen. Überwiegend werden Bohrer mit einheitlichem Spannschaft 3,175 mm (1/8") eingesetzt (Bild 8). 5.1 Was ist Vollhartmetall? Vollhartmetall ist ein naturhartes Sintermetall, das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt wird. Seine Hauptbestandteile Wolframcarbid (ca. 92 %), Kobalt (ca. 6 %) und weitere Zusätze werden pulverisiert, gepreßt und bei C gesintert. Bei diesem Prozeß (Korngröße ca. 0,5 µ) sintern die Materialien zu einem dichten Rohling mit einer Vickershärte von ca HV zusammen (zum Vergleich HSS ca. 850 HV). Die Werkstoffeigenschaften sind hohe Verschleißfestigkeit und Biegefestigkeit.

16 Seite Bohrergeometrie Der Anschliff der Bohrerspitze ist von größter Bedeutung. Beim Vierflächen-Anschliff wird jede Freifläche in zwei ebene Flächen aufgeteilt. Dadurch erhält das Zentrum des Bohrers eine definierte Spitze, die ihn besser zentriert. Die Winkel an der Schneide sind der erste Freiwinkel mit 15 und der zweite Freiwinkel mit 30. Der Spitzenwinkel ist vom Bohrerdurchmesser abhängig. Für den Durchmesserbereich von 0,1 bis 3,175 mm ist er 130. Im Durchmesserbereich ab 3,2 mm beträgt er 165. Die Problematik bei der Festlegung von Span- und Freiwinkel an einem Bohrer zum Bearbeiten von gedruckten Schaltungen liegt in den verschiedenen Materialien, die in einem Arbeitsgang bearbeitet werden sollen. Glasfasern, Epoxidharz und Kupfer verhalten sich beim Zerspanungsvorgang völlig verschieden, so daß letztlich nur ein Kompromiß zur Einstellung der Zerspanungsparameter geschlossen werden kann. 5.3 Bohrdaten Die Arbeitsbedingungen für ein Werkzeug werden im wesentlichen durch Vorschub und Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Dabei ist die Schnittgeschwindigkeit V die Geschwindigkeit in m/min, die von den Schneidenecken in Drehrichtung erreicht wird. Unter Vorschub S (mm/u) versteht man den Weg, den der Bohrer bei einer Umdrehung ins Material eindringt (Spanabnahme pro Umdrehung) oder als Z-Achsen-Vorschub (Meter pro Minute) ausgedrückt, den Weg, den der Bohrer in einer Minute ins Material eindringt. Auf Seite 17 sind übliche Zerspanungsparameter angegeben. 6 Beladen der Bohrmaschine Die Beladung der Bohrmaschine kann manuell durch eine Bedienperson oder vollautomatisch mittels Beladesystem durchgeführt werden. Beim manuellen Beladen der Bohrmaschine wird das Leiterplattenpaket auf den Aufnahmeplatten des Maschinentisches registriert und der Ablauf des Bohrprogrammes durch Betätigung der Starttaste an der Bedieneinheit eingeleitet. Zur optimalen Registrierung der Leiterplatten auf dem Maschinentisch kommen folgende Aufnahmeplatten zum Einsatz: spielfreie Zentrierung mittels pneumatischer Prisma- und Schlitzklemmung zusätzliche Klemmung durch Pilze, die das LP-Paket auf die Aufnahmeplatten drücken (Bild 9 ) Aufnahme von Multilayer: Hierbei werden spezielle Delrin-Buchsen nach einem Rastersystem in die eigentlichen Aufnahmeplatten eingeschraubt. Danach erfolgt das der vier Aufnahmebohrungen für die Multi-layer-Stifte mit den einzelnen Bohrspindeln. Diese Methode garantiert eine optimale Position der Multilayer-Stifte und damit eine hohe Biegefestigkeit zum Leiterbild.

17 Seite 17 Bild 9: Aufnahmeplatte mit Prisma-, Schlitz- und Pilzklemmung Bei den vollautomatisch arbeitenden Bohrmaschinen erfolgt die Beladung mit Hilfe eines zusätzlich installierten Beladesystems. Hierbei unterscheidet man zwischen den zwei Ausführungsarten Autark- und In-Line-Produktion (Bild 10). Die Autark-Systeme werden in der "mannlosen Schicht" eingesetzt. Hierbei kommen Ein-Spindelmaschinen sowie Mehr- Spindelmaschinen mit zwei bis fünf Spindeln zum Einsatz. Bei den Multi-Stationsmaschinen sind drei bis sechs Ein-Spindel- oder Twin-Bohrmaschinen in einer Linie zusammengestellt. Alle Autark-Systeme stellen eine kostengünstige Lösung dar und ermöglichen eine

18 Seite 18 schrittweise Automatisierung bei günstiger Wirtschaftlichkeit. In Bild 11 und 12 ist eine 5- spindlige Bohrmaschine mit autarker Beladung dargestellt. Beladesysteme Autark-Systeme In-Line-Systeme 1-Spindler 1-Spindler 2 bis 5- Spindler 2 bis 5- Spindler Multi-Stationen Bild 10: Ausführungsarten von Beladesystemen Die In-Line-Systeme kommen bei der Produktion von großen Losgrößen zum Einsatz. Diese automatisierten Bohrmaschinen sind verkettet und werden über ein gemeinsames Zuführsystem beladen. Bei der Verkettung von Ein-Spindlern oder TWIN-Bohrmaschinen erfolgt die Beladung der LP-Pakete mit Transportsystemen von hinten in die Maschine. Dieses Prinzip zeichnet sich durch eine gute Flexibilität aus, hat jedoch Nachteile: hohe Investitionskosten und großer Platzbedarf. Eine kostengünstigere Fertigung ist dagegen bei der Verkettung von 5 bis 6-Spindlern zu erzielen. Mit diesem System ergeben sich niedrigere Investitionskosten pro Spindel bei geringerem Platzbedarf.

19 Seite 19 Bild 11: 5-spindlige Bohrmaschine mit Beladesystem Bild 12: Riemenbelader der Maschine nach Bild 11

20 Seite 20 7 Beim bestehen die ungünstigsten Bedingungen innerhalb der spanabhebenden Verfahren. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Schnitt-verhältnissen entlang der beiden Hauptschneiden und an der Bohrerspitze. Im Zentrum ist die Schnittschwindigkeit Null, wobei der Vorschub der gleiche ist wie an den Schneidecken am Bohrerdurchmesser. Deshalb schneidet der Bohrer im Zentrum nicht, er drückt dort nur. Im Gegensatz dazu sind die Schnittverhältnisse an den Schneidecken am günstigsten. Hier ist die Schnittgeschwindigkeit am höchsten und die Schneidengeometrie wirkt sich auf den Schnitt optimal aus. Die zum Durchmetallisieren benötigte Lochwandqualität in Glas/Epoxid-Laminaten (ca max. 40 µm Rauhigkeit) kann nur durch erreicht werden. Da der Lochdurchmesser durch die Metallisierung kleiner wird, müssen die Löcher größer als der Nenndurchmesser gebohrt werden. Beim von Mehrlagen-Leiterplatten wird wegen möglicher Harzver-schmierungen an der Schnittfläche der Cu-Innenlagen die Bohrtiefe (Paketdicke) sowie die max. Hubzahl des Bohrers im Vergleich zum der doppelseitigen Leiterplatten reduziert. Der größere Cu-Anteil bei Mehrlagen-Leiterplatten führt zu größerem Verschleiß des Bohrers (Wärmeverschleiß). Weiterhin ist eine gute Spanabsaugung erforderlich, um Spänestau und ein Überhitzen des Werkzeuges zu verhindern. Ungenügende Kühlung vermindert die Standzeit des Werkzeuges und verstärkt die Harzverschmierung an der Lochwandung. In Abhängigkeit vom Bohrerdurchmesser und Spirallänge ergibt sich die max. Bohrtiefe (Aspect Ratio). 7.1 Arbeiten mit Bohrern Folgende Aspekte sollten näher betrachtet werden, um dem Anwender zu vermitteln, wie gute Qualität beim erreicht wird: Bohrparameter (siehe Tabelle) Die Spirallängen sollten der Bohrtiefe angepaßt sein (Bild 13) Die Spindel der Bohrmaschine und der Maschinentisch sollten so "schwingungsfrei" wie möglich sein. Die Spannzange der Spindel und die Spannvorrichtung der Aufnahmeplatten müssen schmutzfrei arbeiten. Auf den Seiten 21 und 22 sind die unterschiedlichen Probleme beim, ihre möglichen Ursachen und deren Beseitigung dargestellt.

21 Seite 21 Fehlersuche beim von gedruckten Schaltungen Problem Mögliche Ursachen Beseitigung Ungenaue Bohrlochpositionierung Bohrerverlauf Spänewicklung am Bohrer Schlechte Oberflächenqualität Bohrerbruch Nagelkopfbildung Spindelverlauf ist zu groß, oder Fixierung ungenügend Bohrergeometrie ist ungenau ungenügende Spanabsaugung Vorschub zu gering (Kupferspäne sind zu lang) Bohrer 3,175 mm hat keine Spanleitnut (Kupferspäne sind zu lang). Verschmierungen durch schlechte Spanabfuhr Verschmierungen durch stumpfe oder ausgebrochene Schneidkanten Plattenmaterial ungenügend ausgehärtet Späne verkleben die Spannuten zu viel Schnittdruck Spindelverlauf Bohrerverlauf Der Bohrer ist stumpf oder beschädigt. Der Vorschub ist zu hoch. Verweilzeit des Bohrers in der untersten Bohrung ist zu lang. falsche Schnittparameter Auflagematerial (Holzspanplatte-Alu-minium) verwenden Vorschub verringern Spindel überprüfen Toleranz der Bohrerspitze prüfen Absaugsystem säubern und prüfen Vorschub erhöhen Bohrer mit Spanleitnut (Spanbrecher) verwenden Spanabfuhr verbessern Schneidkanten und Parameter nochmals prüfen Spindelverlauf überprüfen. Qualität des Laminats überprüfen. Bohrer verwenden, der für die Schnittbedingungen geeignet ist (Geometrie) Vorschub verrringern Spindel auf Verlauf prüfen Auflagematerial mit 0,3 mm Dicke verwenden Bohrerschneidkanten auf Ausbrüche/Verschleiß prüfen Vorschub reduzieren Verweilzeit verkürzen Schnittbedingungen auf das verwendete Laminat abstimmen.

22 Seite 22 Problem Mögliche Ursachen Beseitigung Deformation an der Eintrittsund/oder untersten Bohrung Harzverschmierung Deformation der Innenlagen Gratbildung an der Eintritts- und/ oder untersten Bohrung Ausgasung falsche Schnittparameter beschädigter oder verbrauchter Bohrer zu geringer Niederhalterdruck zu hohe Temperatur beim Wegen schlechter Spanabfuhr erhitzen sich die Späne zwischen Bohrwand und Bohrerrücken Laminat nicht genügend ausgehärtet Bohrer verschlissen oder ausgebrochen. zu hohe mechanische Kräfte während des s: a) Späne verkleben die Spannut b) Bohrer ist stumpf schlechter Laminatverbund Bohrerschneidkanten sind ausgebrochen oder abgenutzt. Vorschub zu hoch Unterlagematerial zu weich zu wenig Niederhalterdruck (Punkt 1 und 2 sind gewöhnlich die Ursache für Gratbildung an der Bohrungsoberseite, Punkt 3 und 4 an der Bohrungsunterseite) schlechte Metallisierung rissige Oberfläche der Bohrwandung falsche Schnittparameter Restfeuchtigkeit im Laminat Vorschub wie in der Parametertabelle empfohlen Auflagematerial 0,3 mm dick verwenden Niederhalterdruck auf 20 kp erhöhen Vorschub erhöhen, Schnittgeschwindigkeit reduzieren Spanabfuhr überprüfen, Köpfchenbohrer verwenden, dadurch weniger Berührungsfläche beim Laminat überprüfen Bohrer auf Ausbrüche oder Verschleiß prüfen Spanabfuhr des Bohrers verbessern Späneförderung prüfen, Vorschub verringern Bohrerschneidkanten und Schnittbedingungen nochmals überprüfen Vorschub reduzieren, Auflagematerial mit 0,3 mm Dicke verwenden Unterlagenmaterial auswechseln Niederhalterdruck überprüfen Metallisierung prüfen Problem: schlechte Oberflächenqualität Parameter prüfen Laminat tempern

23 Seite 23 Bild 13: Formel zur Bestimmung der Bohrtiefe 7.2 Ausspänautomatik Beim von Multilayer-Schaltungen ab einer Dicke von 3 bis 4 mm und einer Bohrer- Spirallänge von 5 mm ist es wegen der besseren Späneabfuhr sinnvoll, 2 bis 3 mal auszuspänen. Hierfür ist die CNC-Steuerung mit einer speziellen Software ausgerüstet. Über die Programmierung wird die zyklische Bohrtiefe und damit die Anzahl der Ausspänungen vorgegeben. Hierbei können zwei unterschiedliche Verfahren, nämlich das Ausspänen mit Spanbrechen und das Ausspänen mit Rückhub eingesetzt werden. Beim Ausspänen mit "Spanbrechen" wird der Bohrer nach einer Bohrtiefe von etwa 5 xd ca. 0,2 mm abgehoben und dadurch der Span gebrochen (Bild 14). Dieses Verfahren ist günstiger als Ausspänen mit vollem Rückhub, da die Wärmeentwicklung im Bohrloch geringer ist und somit eine

24 Seite 24 bessere Lochqualität erreicht wird. Das Ausspänen mit "vollem Rückhub" hat sich bei Material mit hohem Cu-Anteil und beim von Cu und Aluminium bewährt. Bild 14: Ausspänen mit Spanbrechen 7.3 Tiefenbohren (Sacklochbohren) Der Bedarf an hochkomplexen, elektronischen Baugruppen führt zum vermehrten Einsatz von hochwertigen Leiterplatten mit feinsten Leiterzügen und Mikrobohrungen. Multilayer sind heute nicht nur in der High-Tech-Fertigung, sondern auch in der Massenproduktion anzutreffen. Bei derartigen Leiterplatten werden in zunehmendem Maße Sacklochbohrungen als elektrische Verbindungsbohrungen eingesetzt. Hierbei kommt es darauf an, daß eine bestimmte Innenlage von der Oberfläche der Leiterplatte mit einer hohen Tiefengenauigkeit angebohrt wird.

25 Seite 25 Bild 15: Schliffbild beim Sacklochbohren (Kontaktbohren) Beim herkömmlichen Tiefenbohren ist dafür jeder Bohrkopf mit einem zweiten Meßsystem und einer Laser-Kalibrierstation ausgerüstet. Mit Hilfe des Lasers und des zweiten Meßsystems wird der Abstand zwischen Niederhalter-Unterkante und Bohrerspitze bezogen auf die ML-Oberfläche exakt gemessen. Entsprechend der Programmierung ist es somit möglich, Sacklöcher von der Leiterplattenoberfläche aus in der gewünschten Tiefe mit der Toleranz von ± 25 µ zu bohren. Durch die Verringerung der Leiterhöhe bei den Innenlagen werden die Multilayer in Zukunft mit immer geringerer Dicke gefertigt. Für diese neue Technologie ist die obige Toleranz nicht mehr ausreichend. Bei derartigen Multilayern wird eine Toleranz von ± 15 µ gefordert. Um diese höhere Tiefengenauigkeit unter Produktionsbedingungen sicherzustellen, wurde das Kontaktbohren entwickelt. Das Kontaktbohren arbeitet in der Weise, daß beim Auftreffen des Bohrers auf der oberen Kupferschicht ein Signal für die CNC-Steuerung erzeugt wird. Durch dieses Signal wird die Position des Bohrkopfes (Z-Achse) gespeichert und von dort aus die genaue Tiefe berechnet. Da bei diesem neuartigen Verfahren keinerlei mechanische Elemente die Tiefengenauigkeit beeinflussen, wird die Toleranz von ± 15 µ im Produktionsprozeß sicher eingehalten. In Bild 15 ist ein Schliffbild dieses neuartigen Verfahrens dargestellt.

26 Seite Quickdrill Die Bohrköpfe arbeiten bei diesem Bohrverfahren mit einer Z-Achsen-Kompensation, so daß unterschiedliche Pakethöhen in kürzester Zeit automatisch gefertigt werden können. Beim ersten Aufsetzen des Niederhalters auf das Leiterplatten-Paket wird die Dicke des Paketes erfaßt und beim der weiteren Löcher durch die Software der Z-Achsensteuerung ständig kompensiert. Bei unterschiedlichen Pakethöhen wird somit nur der geringstmögliche Z-Achsenhub ausgeführt, was ein in der kürzesten Zeit ermöglicht. 8 Entladen der Bohrmaschine Nachdem das Bohrprogramm mit den unterschiedlichen Bohrdurchmessern abgearbeitet wurde, erfolgt das Entladen der Bohrmaschine. Die Leiterplatten-Pakete werden bei den manuellen Bohrmaschinen dem Maschinentisch entnommen. Danach werden die Decklage entfernt und die Stifte mit Hilfe einer Handpresse aus dem Leiterplatten-Paket herausgedrückt. Anhand eines dem Auftrag zugeordneten Filmes werden die gebohrten Leiterplatten stichproben-artig und visuell auf das Vorhandensein aller Bohrungen geprüft. Bei automatischen Bohrmaschinen werden die Leiterplatten-Pakete dem Belader entnommen. Danach erfolgt ebenfalls das Entfernen der Decklage, das Entstiften und die Stichprobenkontrolle mittels Film. 9 Vereinzeln der Pakete Bei den verstifteten Paketen werden die Paketierstifte mit einer Handpresse oder einer pneumatischen Entstiftmaschine aus dem Paket herausgedrückt. Die Stifte werden wieder verwendet. Bei unverstifteten Paketen werden die Klebestreifen von Hand abgezogen. Danach ist die Vereinzelung möglich. 10 Qualitätssicherung Zur Qualitätssicherung der gebohrten Leiterplatten werden folgende Kontrollen ausgeführt: Vollständigkeit aller Bohrungen: visuell mit Bohrkontrollfilm auf Leuchtkasten Versatz zum Aufnahmeloch / Rasternullpunkt: visuell mit Bohrkontrollfilm auf Leuchtkasten oder