Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Kühlung von Mikrobohrern, die in Bohrwerken zur Herstellung von Kleinstbohrungen in Leiterplatten Verwendung finden, sowie zum Abtransport des Bohraushubs aus der engeren Bohrerumgebung, bei dem der Mikrobohrer aus einer Zuleitung mit einem Kühlmittel angeströmt wird.

In der modernen Leiterplattentechnik nehmen die Anforderungen an die Größe und Qualität der Leiterplattenbohrungen ständig zu. Der Bedarf an hochkomplexen elektronischen Schaltungen führt zum vermehrten Einsatz von Leiterplatten in Multilayer-Technik. Durch die Verkleinerung der Leiterbahnbreiten und Lötaugen müssen die Fertigungstoleranzen mit Multilayern immer mehr eingeengt werden. Die Grenze der Verkleinerung wird zu einem erheblichen Teil durch die notwendigen Leiterplattenbohrungen bestimmt. Durch den Einsatz der SMD- Technik (Surface mounted device) werden zwar Durchgangsbohrungen nur noch selten für die Bauteilaufnahme benötigt, dafür vergrößert sich mit der Miniaturisierung der Bauteile die Komplexität der Schaltungen. So können bei gleichbleibender Platinengröße mehr Schaltungen pro Platine untergebracht werden. Das bewirkt jedoch eine Zunahme der sich kreuzenden Leiterbahnen. Diese Kreuzungen umgeht ein Leiterplattenentflechter mit sogenannten Umsteigebohrungen und Leiterbahnen auf anderen Platinenebenen. Um die Leiterbahnen verschiedener Verdrahtungsebenen. Um die Leiterbahnen verschiedener Verdrahtungsebenen miteinander verbinden zu können, müssen die Umsteigerbohrungen nachträglich mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen werden.

Um nun den verfügbaren Platz auf einer Platine optimal zu nutzen, sollten die Umsteigerbohrungen einen möglichst kleinen Durchmesser haben. Je kleiner der

Bohrungsdurchmesser ist, desto kleiner kann der Durchmesser der Lötaugen sein, die als Landeplätze für die Umsteigerbohrung dienen. Kleine Lötaugen erlauben eine höhere Leiterbahndichte, wodurch die eine oder andere Verdrahtungsebene in eine Multilayer-Platine eingespart werden kann.

Bei mehreren in einem Multilayer in verschiedenen Verdrahtungsebenen übereinander liegenden Lötaugen mit kleinen Durchmessern werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Bohrwerkes und die Geometrie der Bohrerspitze gestellt. So muß der Bohrer nicht nur genau positioniert werden, sondern er darf weder auf die obersten Metallschichten während des Anbohrvorganges verrutschen, noch darf er in der Bohrung verlaufen.

Neben der Lage und Form solcher Bohrungen, spielt die Qualität der Bohrlochwandung für die spätere Durchkontaktierungen eine wesentliche Rolle. Denn eine fehlerhafte Durchkontaktierung beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Schaltung. Die Qualität ist weitgehend abhängig vom Aufbau der Platine und dem Verschleißzustand des Bohrwerkzeugs. Der größere Teil der heute eingesetzten Multilayer-Platinen besteht aus mehrlagigen Epoxid- Glasgewebeschichten. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Verbundes aus Epoxidharz und Glasgewebe stellt ein großes Problem dar. Das Bohrwerkzeug erhitzt sich aufgrund der mangelhaften Wärmeabfuhr durch den Platinenwerkstoff. Die Temperatur an der Spitze des Bohrwerkzeuges erreicht Werte, die über der Preßtemperatur bei der Platinenherstellung liegen. Folglich erweicht das Harz in der unmittelbaren Umgebung des Werkzeuges. Die dabei verklebenden Spannuten des Bohrwerkzeugs verhindern ein wirkungsvolles Austragen des zerspanten Materials. Die Stauwirkung erhöht weiter die

Temperatur im Bohrloch. Somit wird das nicht ausgetragene zähflüssige Epoxidharz an der Bohrwandung entlanggeschmiert. Auf diese Weise können die metallischen Kontaktflächen in schon durchbohrten Lötaugen oberer Leiterbahnschichten mit Epoxidharz isoliert werden. Hier ist ein späteres Durchkontaktieren ohne hohen Lochreinigungsaufwand nicht mehr möglich.

Desweiteren werden bei einem harzverschmierten Bohrer die Metallrückstände neu zu bohrender Lötaugen nicht mehr geschnitten und/oder aus dem Bohrloch transportiert, sondern in die Bohrwandung verdrängt. Das kann aber zu ungewollten Kontaktierungen mit Leiterbahnen führen, die in unmittelbarer Nähe einer - möglicherweise verlaufenden - Bohrung liegen.

Dieser Verdrängungs- und Verschmiereffekt verursacht zusätzlich eine Auflockerung des Platinenmaterials, beispielsweise Ausfransen der Glasfasern oder ähnliches in der Bohrlochumgebung. Durch aufgeworfenen Grat auf der

Platinenoberfläche kann die Kontaktierung zu den später auf die Platine befestigten Bauteilen beeinträchtigt werden. Auch füllen sich die in den Zwischenlagen entstandenen Ausbrüche und Kapillaren in der Regel mit Flüssigkeit, die dann beim Lötvorgang schlagartig verdampft und zu den bekannten Zinneruptionen aus den Löchern führt.

Die genannten Nachteile wie Verrutschen der Bohrerspitze beim Anbohrvorgang, Verlaufen des Bohrers in der Bohrung und das Verschmierungs- und Verdrängungsproblem lassen sich auf die hohe Arbeitstemperatur des im Eingriff befindenden Bohrerteils zurückzuführen. Die hohe Arbeitstemperatur fördert den schnellen Verschleiß des Bohrers. Der Verschleiß zeigt sich am stumpf werden der Quer- und Hauptschneide, sowie der Nebenflächenfase. Mit wachsendem Verschleiß nehmen die oben genannten Probleme solange zu, bis der Mikrobohrer bricht.

In der US-PS 4,917,547 wird u.a. eine Bohrmilchzuführung in einer Leiterplattenbohrmaschine beschrieben. Dabei wird die' Bohrmilch über eine im Leiterplattenniederhalter untergebrachten Leitung in Richtung Bohrer abgegeben. Dieses Naßbohrverfahren sorgt für eine Umspülung des Mikrobohrers im Niederhalterraum. Die einströmende Bohrmilch transportiert den Bohraushub aus der unmittelbaren Bohrerumgebung heraus und gibt ihn an eine leistungsfähige Absaugeinrichtung ab.

Nachteilig ist hier die ungenügende Benetzung des Bohrwerkzeugs mit Bohrmilch. Das Bohrwerkzeug, z.B. ein Mikrobohrer der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Art mit einem Bohrerdurchmesser von 0,3 mm, muß, um eine Schnittgeschwindigkeit von 100 m/min zu erreichen, mit einer Drehzahl angetrieben werden, die über 100000 Umdrehungen/min liegt. Dabei erwärmt sich der Mikrobohrer auf ca. 280 °C. Es entsteht um den aus dem Bohrloch herausragender Bohrermantel eine ringförmige, umlaufende Grenzschichtströmung aus verdampfter Kühlflüssigkeit. Das Dampfpolster verhindert eine wirksame Benetzung des Mikrobohrers mit Bohrmilch. Als Folge hiervon ist die Standzeit der Mikrobohrer und die Qualität der Bohrlochwandungen bei diesem Verfahren nur unwesentlich höher bzw. besser, als bei einem reinen Trockenbohrvorgang,

Aus der CH 596 946 ist ebenfalls eine Werkzeugmaschine für das Bohren von Leiterplatten bekannt, bei der innerhalb einer Absaugkammer am Bohrloch eine Luft-Flüssigkeits- Mischung auf die Bearbeitungsstelle, das heißt die Werkstückoberfläche, gegebenenfalls mit Hilfe von Druckluft, gespritzt wird, um Späne wegzuspülen, wobei angeblich auch das Werkzeug mitgekühlt wird. In der Praxis wurde festgestellt, daß auch diese Art der Kühlmittelzuführung keine ausreichende Kühlung des Mikrobohrers ermöglicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Standzeit eines Werkzeuges zur mechanischen Herstellung von beispielsweise Mikrobohrungen erheblich verbessert wird. Auch sollen die aus dem Stand der Technik zu dieser Problematik bekannten Nachteile vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe wird erzielt durch ein Verfahren zur Kühlung von Mikrobohrern, die in Bohrwerken zur Herstellung von Kleinstbohrungen in Leiterplatten Verwendung finden, sowie zum Abtransport des Bohraushubs aus der engeren Bohrerumgebung, bei dem der Mikrobohrer aus einer in einer Düse endenden Zuleitung mit Kühlflüssigkeit angeströmt wird. Dabei wird erfindungsgemäß die Kühlflüssigkeit mit

Hilfe eines unter Druck stehenden Gases im Innenbereich vor der Düsenöffnung beschleunigt. Die Austragung der Kühlflüssigkeit mit unter Druck stehendem Gas erzeugt am Ausgang der Kühlmittelzuführung einen sehr schnell strömenden Kühlmittelstrahl. Dieser Kühlmittelstrahl trifft auf die den Mikrobohrer umgebende - aus verdampfter Kühlflüssigkeit (Bohrmilch) gebildet -

Grenzschichtströmung. Die Energie des Kühlmittelstrahls ist so groß, daß sie die Grenzschichtströmung aufreißt. Somit kommen die zum Strahl gebündelten Kühlmitteltröpfchen mit dem Mikrobohrer in Kontakt und kühlen den heißen Bohrer. Die Bohrertemperatur sinkt unter die

Platinenpreßtemperatur. Folglich wird das Epoxidharz im Bohrloch nicht mehr zähflüssig. Harz und Glasgewebe werden zerspant und in Form von Bohrmehl über die nicht mehr verklebenden Spannuten aus der Bohrung ausgetragen. Dieser Bohraushub, einschließlich der zerspanten Leiterplattenreste, wird zugleich von diesem Kühlmittelstrahl oder ergänzenden Kühlmittelstrahlen aus der Bohrerumgebung entfernt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirken auf die

Bohreroberfläche bei aufgerissener Grenzschichtstromung noch die folgenden positiven physikalischen Effekte: Wärmeaufnahme durch Expansion des auf den Bohrer auftreffenden Gases und Wärmeentzug am Bohrer durch Verdampfungswärme für verdampfendes Kühlmittel.

Die Absenkung der Bohrertemperatur hemmt den Verschleiß der Bohrerschneiden. Der weitgehende Erhalt der Schneidengeometrie garantiert über die Bohrerstandzeit die Qualität der Bohrung. So ist die Gefahr des Abrutschens mit scharfer Querschneide beim Anbohrvorgang gering. Das Verlaufen des Bohrers ist unwahrscheinlich, solange die Hauptschneiden weder stumpf noch ausgebrochen sind. Auch kann sich der Bohraushub nicht zwischen Bohrer und Bohrlochwand zwängen, solange die Nebenschneiden nicht verschlissen sind. Folglich wird ein Verschmieren der Bohrungswand und ein Auflockern der einzelnen Platinenlagen vermieden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die gedachte Mittellinie des Kühlmittelstrahls tangential den Mikrobohrermantel oberhalb - der dem Mikrobohrer zugewandten Seite - der Leiterplattenoberfläche an der Stelle berührt, an der die Horizontalkomponente des Kühlmittelstrahls frontal auf die den Mikrobohrer umgebende Grenzschichtstromung trifft. Unter dieser Anstrahlbedingung wird die

Grenzschichtstromung sehr wirkungsvoll aufgerissen, da hier der Kühlmittelstrahl direkt auf die ihm entgegenkommende den Bohrer umgebende Strömung ausgerichtet ist. Die Geschwindigkeit der horizontalen Komponente des Kühlmittelstrahls ist wesentlich größer, als die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Grenzschichtstromung. Folglich reißt die Grenzschichtstromung schon im Anfangsbereich der Kollision mit dem Kühlmittelstrahl ab, womit die effektive Bohrerbenetzungsflache größer wird.

Desweiteren läßt sich das Verfahren dadurch optimieren, daß der Anströmwinkel zwischen der gedachten Mittellinie des Kühlmittelstrahls und der Leiterplattenoberfläche bei 5 bis 45°, vorzugsweise zwischen 15 bis 35°, liegt. Mit zunehmendem Anströmwinkel kann eine Bohrerbiegung durch den Kühlmittelstrahl - im Verhältnis zu einer horinzontalen Anströmung - verringert werden, so daß der Kühlmittelstrahl schon vor dem Aufsetzen des Bohrers auf die Platine eingeschaltet werden kann, ohne daß ein Verlaufen des Bohrers zu befürchten ist. Durch Wahl eines geeigneten Anstrahlwinkels kann verhindert werden, daß Bohraushub, der noch zwischen der Strahldüse und dem Bohrer liegt, in die Bohrzone geblasen wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn bei diesem Verfahren als Kühlflüssigkeit eine wäßrige Lösung verwendet wird, die 0,1 ...1,0 Gew.-% Tetra-ethylammoniumperfluoro-octansulfonat, 0,05 ... 1,0 Gew.-% Polyvinyl-3-methylimi-dazo- liniummethosulfat und 0,4 ... 2,0 Gew.-% para-n-Nonyl- phenyl-nonyl-ethoxy-polyether enthält.

Diese wäßrige Lösung zeigt ein besonders gutes Benetzungsverhalten. Dadurch wird die Wärmeabgabe des Bohrers an die ihn berührenden Kühlmitteltröpfchen gefördert, was zu einer weiteren Absenkung der Bohrertemperatur führt. Außerdem weist diese Bohrlösung keine hautreizenden Eigenschaften auf.

Vergleichbares gilt für die Verwendung von Aminocarboxylaten oder deren Betaine als Inhaltsstoffe von Bohrlösungen, wie sie aus der DE-OS 41 26 513 und der DE-OS 41 27 441 bekannt sind. Der Anteil an Aminocarboxylaten und/oder deren Betaine kann in einer Bohrlösung 0,01 ... 10 Gew.-% betragen. Vorzugsweise liegt die Konzentration dieser Anteile bei 0,5 ... 3 Gew.-%. Es ist auch ein Anteil von 0,3 ... 5 Gew.-% denkbar.

Die Verbindungen können jeweils allein oder im Gemisch mit mehreren Verbindungen oder im Gemisch mit Lösungsmitteln

verwendet werden. Geeignete Lösungsmittel sind u.a. Wasser, Alkohole, Ketone oder Ester. Als Alkohole werden besonders Methanol, Äthanol, Propanol oder Isopropanol bevorzugt.

Desweiteren können der Bohrlösungen geeignete Zusatzstoffe hinzugefügt werden, um der Bohrlösung die gewünschte Viskosität zu geben.

Bevorzugt soll als Gas Druckluft verwendet werden. So kann die Bohrmaschine über einen Druckminderer aus dem Standarddruckluftnetz versorgt werden. Mit dem Druckminderer kann die Gasgeschwindigkeit und damit die Kühlmittelstrahlgeschwindigkeit auf einfache Weise gesteuert werden. Die Verwendung anderer, aber teureren Gase ist möglich, wenn die physikalischen Eigenschaften der Gase entsprechend berücksichtigt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Strahlpumpe vorgesehen, mit der die Kühlflüssigkeit und das unter Druck stehende Gas gemischt und ausgetragen wird. Eine solche Strahlpumpe, auch Injektorpumpe genannt, hat einen vergleichbaren Aufbau mit einem Bunsenbrenner oder einer Wasserstrahlpumpe. Ohne bewegliche Teile zu haben, fördert sie Flüssigkeit oder Gase mit einem Wirkungsgrad von 20 ... 25%. Bei der vorliegenden Vorrichtung beschleunigt die

Strahlpumpe mit Hilfe von Druckluft die an den Bohrer zu fördernde - gegebenenfalls selbst unter Druck stehende - Kühlflüssigkeit. Neben einer erheblichen Geschwindigkeitszunahme des Kühlmittelstrahls wird die Kühlflussigkeit fein zerstäubt. Gegenüber anderen

Zerstäubern und/oder Vergasern hat die Strahlpumpe kleine Bauabmessungen und ist zudem wartungsfrei.

Die gesamte Vorrichtung kann dadurch verbessert werden, daß zusätzlich zu der, den Kühlmittelstrahl abgebenden,

Strahlpumpe mindestens eine Hilfsstrahlpumpe und/oder Hilfsdüse vorgesehen wird. Die Hilfsdüsen blasen während

des Bohrvorganges kontinuierlich oder stoßweise Druckluft in den Niederhalterraum. Sie sind nahezu parallel zur Platinenoberfläche angeordnet, um so möglichst vollständig den nicht von dem Kühlmittelstrahl erfaßten Bohraushub einer Absaugvorrichtung zuzuführen. Ihre Aufgabe ist es nicht, den Bohrer anzublasen oder zu kühlen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der teilweise schematisch dargestellten Ausführungsformen. Es zeigen:

Figur 1: Schnitt durch den unteren Teil einer Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine mit Werkstückniederhalter und Kühlmittelzufuhr sowie ein zu bohrendes Werkstück;

Figur 2: Unteransicht zu Figur 1.

Der in Figur 1 dargestellte Schnitt zeigt den unteren Teil einer Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine. Ein Mikrobohrer 1 ist über eine Spannvorrichtung 2 von einer Bohrspindel 3 aufgenommen. Die Bohrspindel 3 ist in einer (nicht dargestellten) Lagerplatte einer Spindelglocke eines

Mehrspindel automaten drehbar gelagert.

Für die Zustellung und den Vorschub des Mikrobohrers 1 wird die Spindelglocke relativ zum Mehrspindelautomat in

Richtung der Bohrachse bewegt.

Die Bohrspindel 3, die Spannvorrichtung 2 und der Mikrobohrer 1 werden von einem rohrförmigen Werkstückniederhalter 4 umgeben. Der Werkstückniederhalter 4 drückt das Werkstück, z.B. eine mehrlagige Leiterplatte 5 über einen elastischen Ring 8 gegen eine Bohrplatte 7. Figur 1 zeigt den Werkstückniederhalter 4 in Arbeitsposition.

Der Werkstückniederhalter 4 beinhaltet u.a. eine mehrteilige Kühlmittelzufuhr in Form einer Strahlpumpe 9.

Die Strahlpumpe 9 besteht aus einer Treibdüse 10, einer Fangdüse 11 mit dem Saugbereich 12 und einer Kühlflüssigkeitsleitung 13. Die Strahlpumpe 9 wird über eine Schlauchleitung (15) mit Gas versorgt, vorzugsweise mit Druckluft, die unter einem Druck von etwa 3 bar steht. Das Gas strömt mit großer Geschwindigkeit aus der Treibdüse 10 und mischt sich in der Fangdüse 11 mit der im Saugbereich 12 über die Bohrung 14 aus der Kühlflüssigkeitsleitung 13 mit einem Druck von 0,3 bis 0,6 zugeführten Kühlflüssigkeit. Der Kühlmittelstrahl verläßt gebündelt die Fangdüse 11, um so den Mikrobohrer, der etwa 0,3 mm Durchmesser hat und mit 100000 Umdrehungen/min in das Werkstück schneidet, im Bereich des Bohrloches zu kühlen und zu schmieren. Gleichzeitig spült der Kühlmittelstrahl den Bohraushub, bestehend aus Bohrmehl des Platinengrundmaterials und Bohrspänen der metallischen Platinenbeschichtung (Leiterbahnen) , auf die der Strahlpumpe 9 abgewandten Seite. Es ist denkbar, die Strahlpumpe aus Gründen der Vereinfachung so auszulegen, daß die Fangdüse 11 und die Treibdüse 10 aus beabstandeten zylindrischen Rohren besteht.

Gegenüber der Strahlpumpe 9 befindet sich ein Saugrohr 18, das in eine Schlauchleitung 19 übergeht. Die

Schlauchleitung 19 ist mit einer nicht dargestellten Saugpumpe verbunden. Das Saugrohr 18 nimmt den aus der Umgebung des Mikrobohrers 1 weggespülten Bohraushub auf.

Figur 2 zeigt den Werkstückniederhalter 4 mit den

Kühlmittel- und Saugleitungen. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß die Strahlpumpe 9 nicht mittig auf die Achse des Mikrobohrers 1 gerichtet ist. Die Strahlpumpe 9 ist so versetzt angeordnet, daß ihre gedachte Mittellinie 16 den Mantel des Mikrobohrers 1 gerade berührt. Dabei dreht sich die den Mikrobohrer 1 umgebende Grenzschichtstromung dem Kühlmittelstrahl entgegen und wird von dem Kühlmittelstrahl

aufgerissen.

Zur verbesserten Spanabfuhr und Reinigung wird die Strahlpumpe 9 flankiert von zwei Druckluftrohren 20, 20 ^Λ . In sie strömt über die Leitungen 21, 21 Druckluft ein. Beide Druckluftrohre sind so orientiert, daß sich die Projektionen ihrer Mittellinien auf die

Leiterplattenoberfläche 6, vgl. Figur 1, vor dem Einlaß des Saugrohres 18 schneiden. Die Mittellinien der unter dem Winkel von ca. 15 ° zur Leiterplattenoberlfäche 6, vgl. Figur 1, geneigten Druckluftrohre 20, 20'schneiden die Leiterplattenoberfläche beidseitig einige mm neben dem Mikrobohrer 1. Dadurch ist gewährleistet, daß bei einer Druckbeaufschlagung dieser Druckluftrohre der einzelnen Druckluftstrahl Aushubanhäufungen außerhalb des

Kühlmittelstrahls erfassen kann, um sie dem Saugrohr 18 zuzuführen.

Mit einer Anordnung gemäß den Ausführungsbeispielen unter Verwendung der angegebenen Kühlflüssigkeit konnte die

Standzeit des Mikrobohrer um das 6 - 15 fache gegenüber einem Trockenbohrverfahren gesteigert werden, bei gleichzeitiger erheblicher Steigerung der Qualität der Bohrungen.