DE4338656C2 - Vorrichtung zum Ausrichten von Leiterplatten und Bildträgern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten von gelochten Leiterplatten und Bildträgern, z. B. Filmen, bestehend aus einer Unterlage mit daran angebrachten, parallelen Stiften, die axial beweglich geführt sind und sich von der Unterlage zu ihrem freien Ende hin verjüngen.

Bei der Herstellung von Leiterplatten, z. B. den äußeren Platten von Mehrlagen-Leiterplatten, müssen jeweils eine mit einer bestimmten Anordnung von Löchern versehene Leiterplatte und ein eine bestimmte Schaltung darstellender Film (bei Her­ stellungsverfahren der Fotolithographie), Siebrahmen (bei Herstellungsverfahren der Serigraphie mittels Siebdruck) oder ein anderer Bildträger in eine ganz bestimmte Relativstellung gebracht werden, um das Bild des Bildträgers paßgenau dem Lochbild der herzustellenden Leiterplatte zu überlagern. Man hat sich zu diesem Zweck seit langem einer mehrere parallele Zentrierstifte tragenden Unterlage bedient und die Leiter­ platten und Filme jeweils mit einer Anzahl Zentrierlöchern versehen, deren Anordnung mit der Anordnung der Zentrier­ stifte übereinstimmt. Indem dann eine Leiterplatte und ein Film mit ihren Zentrierlöchern auf die Stifte aufgesteckt wurden, erreichte man ihre für die Fotolithographie bzw. Se­ rigraphie notwendige gegenseitige Ausrichtung.

Dieses Arbeitsverfahren genügt nicht mehr den Genauigkeitsan­ forderungen. Der Grund liegt in den unvermeidbaren Ferti­ gungstoleranzen, insbesondere der Leiterplatten. Dabei sum­ mieren sich die beim Bohren der Zentrierlöcher in Kauf zu nehmenden Toleranzen und die beim galvanischen Beschichten der Bohrungswände auftretenden Toleranzen der Schichtdicke. Wegen der genannten Toleranzen müssen die Zentrierstifte einen entsprechend kleineren Querschnitt haben als die Zen­ trierlöcher, mit der Folge, daß viele Leiterplatten nur lose auf den Stiften sitzen und dann beim Belichten bzw. Bedrucken das Schaltungsbild des Films bzw. Siebrahmens mit einer Relativverschiebung dem Lochbild der Leiterplatten überlagert wird.

Die auf diese Weise entstehenden Fehler werden vergrößert, wenn auch der Film oder sonstige Bildträger mit Spiel oder Verformung bewirkender Spannung auf den Zentrierstiften sit­ zen.

Es sind aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 88 11 765.0 auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die Zentrierstifte axial be­ weglich sind und sich zu ihrem freien Ende hin konisch ver­ jüngen. Nach dem Auflegen der galvanisierten Leiterplatte werden die Zentrierstifte mit Hilfe eines Druckmediums durch die infolge des Galvanisierungsprozesses verengten Zentrier­ löcher gestoßen und anschließend arretiert. Bei aufgrund von Fertigungstoleranzen versetzten Bohrungen kommt es dabei je­ doch zu Verspannungen der Leiterplatte oder gar zu Beschädi­ gungen der Zentrierlöcher, was zu nicht hinnehmbaren Aus­ richtfehlern führt.

Da die Zentrierung der Leiterplatten und Bildträger auf Stif­ ten mit unvermeidbar erscheinenden Ungenauigkeiten behaftet war, wurden in letzter Zeit optische Einrichtungen entwickelt, die automatisch durch Bewegung der Platten relativ zum Film Zentrierlöcher in den Platten und Zentrierpunkte auf dem Film zur Deckung bringen. Derartige Einrichtungen sind jedoch im Vergleich zu Stiftrahmen außerordentlich aufwendig und in der erreichbaren Genauigkeit ebenfalls durch die Fertigungs­ toleranzen der Zentrierlöcher in den Leiterplatten begrenzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfa­ che Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine wesentlich genauere gegenseitige Ausrichtung der bereits gelochten, in Fertigung befindlichen Leiterplatte und des Bildträgers gestattet als die bisher verwendeten Vorrichtun­ gen mit Zentrierstiften.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stifte einen polygonalen Querschnitt mit angefasten oder abgerundeten Ecken und planparallele gegenüberliegende Sei­ tenflächen besitzen, wobei sich die Fasen bzw. Radien der ab­ geflachten Ecken von der Unterlage zum freien Ende hin ver­ größern, und die Stifte in angehobener Stellung axial nach­ giebig gelagert sind.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß die Stifte unmittelbar über der Unterlage, an welcher der Film und die zu fertigende Leiterplatte beim Ablichten axial abgestützt werden, trotz der zu berücksichtigenden Toleranzen in der Lage und im Durchmesser der Zentrierlöcher in den Platten einen verhältnismäßig großen Querschnitt haben können, der nur minimal kleiner ist als der Sollquerschnitt der Zentrier­ löcher in ihrer Sollstellung. Wenn nun ein Zentrierloch in­ folge Fertigungstoleranzen eine von der Sollstellung abwei­ chende Lage und/oder einen vom Nennmaß abweichenden Durchmes­ ser hat, gestattet die erfindungsgemäß vorgesehene Verjüngung des Querschnitts der Stifte zu ihrem freien Ende hin auf je­ den Fall das Aufstecken der Leiterplatte mit allen Zentrier­ löchern auf die ihnen zugeordneten Stifte. Dabei wird ein Zentrierloch, bei dem die Fertigungstoleranzen besonders groß sind und/oder sich addieren, bereits während der Aufsteckbe­ wegung einseitig an dem zugeordneten Stift zur Anlage kommen. Dank des weiteren erfindungsgemäß vorgesehenen Merkmals, daß die Stifte axial nachgiebig gelagert sind, läßt sich jedoch gleichwohl die Leiterplatte in einer durch die Gesamtheit der Stifte ausgerichteten Position bis zur Abstützung an der Un­ terlage weiterbewegen.

Die angegebene Form der Stifte hat den Vorzug, daß allein mittels der konvergierenden Fasen oder abgerundeten Ecken die erfindungsgemäße Querschnittsverjüngung zum freien Ende der Stifte hin erreicht wird, so daß die planparallelen gegen­ überliegenden Seitenflächen unabhängig davon, ob ein Stift beim Aufstecken einer Platte axial nachgeben mußte oder nicht, für eine allseitig steife, seitliche Lagerung und Füh­ rung des Stifts sorgen. Außerdem hat bei dieser Stiftform das Niederdrücken eines Stifts keine Auswirkungen auf die Führung des in bekannter Weise mit Langlöchern als Zentrierlöchern versehenen Films. Die Stifte bieten in jeder axialen Lage mit ihren planparallelen gegenüberliegenden Seitenflächen breite Führungsflächen mit konstantem Abstand, der genau auf die Breite der Zentrierlöcher des Films abgestimmt ist, so daß das Niederdrücken eines Stifts durch eine mit einer Bohrungs­ wand an einer Fase des Stifts anstoßenden Platte keine Aus­ wirkungen auf die Führung des Films durch zwei gegenüberlie­ gende Seitenflächen dieses Stifts hat.

Um unterschiedliche Plattenformate auf derselben Stiftanord­ nung aufnehmen zu können und gleichzeitig eine hohe Aus­ richtgenauigkeit zu erzielen, ist in bevorzugter Ausgestal­ tung der Erfindung vorgesehen, daß die Stifte in Draufsicht in zwei Reihen stehen, die im rechten Winkel aufeinander stoßen, und jeweils mehr als zwei Stifte in jeder Reihe ange­ ordnet sind. Gute Erfahrungen wurden z. B. mit einer Stiftan­ ordnung gemacht, die in der einen Reihe fünf und in der ande­ ren Reihe vier Stifte hat, wobei ein Stift im Scheitelpunkt des rechten Winkels beiden Reihen gemeinsam ist und die Sei­ tenflächen der Stifte zweckmäßigerweise parallel zu den Stiftreihen liegen.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung haben die Stifte einen im wesentlichen rechteckigen, vorzugsweise qua­ dratischen, Querschnitt. Die breiten Flanken gewähren eine sichere Führung des Films auch dann, wenn ein Stift infolge einer Toleranzabweichung teilweise in die Unterlage einge­ drückt ist.

Die Erfindung wird vorzugsweise noch dahin weiter ausgestal­ tet, daß die Stifte durch einen Stellantrieb zwischen einer relativ zur Unterlage vorgeschobenen und zurückgezogenen Stellung verschiebbar sind. Dieser Vorschlag bietet die Mög­ lichkeit, die Stifte nach dem Belichtungs- bzw. Bildübertra­ gungsvorgang ganz oder teilweise in die Unterlage zurückzu­ ziehen, bevor die Leiterplatte von den Stiften abgehoben wird. Man vermeidet dadurch ein Verkanten der Platte auf den Stiften beim Abheben mit der Folge einer eventuellen Beschä­ digung der Platte bzw. ihrer Beschichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Belichtungsrahmens mit daran angebrachten Zentrierstiften für Leiterplatten und Filme sowie daneben eine Teil-Draufsicht auf die Vorrichtung und einen darin zen­ trierten Film;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1 mit der Einfachheit halber über­ einander dargestellten, darin aufzuneh­ menden Leiterplatten unterschiedlicher Formate;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen der Stifte der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines der Stifte der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 in größerem Maßstab;

Fig. 5 einen axialen Längsschnitt durch einen der Stifte der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 sowie dessen Lagerung und Stellan­ trieb.

In Fig. 1 ist der untere Teil 10 eines üblichen Glasrahmens dargestellt, wie er zur Belichtung von Leiterplatten für elektronische Schaltungen benutzt wird. Nicht gezeigt ist die andere Hälfte des Glasrahmens, die mit der gezeigten Hälfte zusammenwirkt, um dazwischen die zu belichtende Leiterplatte und den das Bild einer Schaltung tragenden Film einzuspannen. In Fig. 1 sind ein unterer Film 12 und ein oberer Film 14 ge­ zeigt, zwischen denen eine nicht gezeigte Leiterplatte einzu­ spannen wäre, die beidseitig belichtet werden soll. Wenn, wie im Fall einer Außenlage einer Mehrlagen-Leiterplatte nur die eine Seite einer Platte belichtet werden soll, braucht man nur den unteren Film 12. Dieser wird flach auf die als Unter­ lage dienende untere Hälfte 10 des Belichtungsrahmens aufge­ legt, darauf wird dann die zu belichtende Platte gelegt und anschließend die nicht gezeigte obere Hälfte des Belichtungs­ rahmens darüber gespannt.

Um den Film 12 und die darüberzulegende, vorgebohrte Platte relativ zueinander zu zentrieren, d. h. in einer ganz be­ stimmten Relativstellung, in der das Schaltungsbild des Films paßgenau zum Lochbild der vorgebohrten Leiterplatte liegt, auszurichten, ist die als Unterlage dienende untere Hälfte 10 des Belichtungsrahmens mit mehreren senkrecht nach oben ra­ genden Zentrierstiften 16 versehen. Sie sind in zwei Reihen angeordnet, die im rechten Winkel zusammenstoßen. Im Bei­ spielsfall nach Fig. 1 und 2 enthält die eine Reihe ein­ schließlich des im Scheitelpunkt des rechten Winkels angeord­ neten Stifts insgesamt fünf Stifte, während die andere Reihe zusammen mit dem Stift im Scheitelpunkt insgesamt vier Stifte aufweist.

Sämtliche Stifte 16 haben einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt. Die rechteckigen Filme 12 und 14 sind an zwei benachbarten Randkanten jeweils mit einer Reihe von Langlö­ chern 18 versehen, deren Zwischenabstand und Lage dem Abstand und der Anordnung der Stifte 16 entsprechen. Die Längskanten der Langlöcher liegen jeweils parallel zu der Randkante des Films, neben der sich das jeweilige Langloch befindet. Die Breite der Langlöcher 18 paßt sehr genau zur Breite des Quer­ schnitts der Stifte, d. h. zum Abstand der jeweils gegenüber­ liegenden, planparallelen Seitenflächen der Stifte 16. Ledig­ lich im Scheitelpunkt der Lochreihen im Film 12 bzw. 14 wird man statt eines Langlochs 18 ein zum quadratischen Quer­ schnitt der Stifte 16 passendes, quadratisches Loch 20 vorse­ hen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, gestattet die rechtwinklige Anord­ nung der Stiftreihen die Aufnahme unterschiedlicher Platten­ formate. Im Beispielsfall wird eine kleine Leiterplatte 22′ mittels fünf Stiften 16 ausgerichtet. Für eine etwas größere Leiterplatte 22′′ verwendet man in der einen Reihe einen Stift mehr, und wenn die im Beispielsfall größte Leiterplatte 22′′′ belichtet werden soll, wird sie auf allen acht vorhan­ denen Stiften 16 aufgenommen.

Um die allgemein mit 22 bezeichneten Leiterplatten unter­ schiedlicher Formate auf die Stifte 16 mit genauer Ausrich­ tung aufstecken zu können, sind sie mit Zentrierlöchern 24 versehen, deren Anordnung und Zwischenabstand der Anordnung und dem Abstand der Stifte 16 entsprechen. Die Zentrierlöcher 24 sind gebohrte, runde Löcher. Sie können gleichzeitig mit den mit 26 bezeichneten Löchern gebohrt werden, die Schal­ tungszwecken dienen.

Im Beispielsfall sind die Zentrierlöcher 24 mit einem 4 mm- Bohrer gebohrt. Nach der galvanischen Beschichtung der Platte, die vor der Belichtung stattfindet, haben die Zen­ trierlöcher 24 einen Durchmesser von etwa 3,955-3,985 mm. Zusätzlich zu berücksichtigen ist eine Toleranz der Lage bzw. Bohrgenauigkeit von ± 40 µ. Unter diesen Umständen dürfte der Durchmesser runder Zentrierstifte kaum größer als 3,87 mm sein, wenn sich die Platten 22 in allen Fällen einwandfrei aufstecken lassen sollen. Andererseits würden aber viele Platten auf Stiften mit einem derartig kleinen Durchmesser mit Spiel sitzen, so daß die genaue Ausrichtung zu den Filmen 12, 14 nicht gewährleistet wäre.

Es ist deshalb vorgesehen, daß sich die Stifte 16 von der Un­ terlage 10 zu ihrem freien Ende hin im Querschnitt verjüngen und axial nachgiebig an der Unterlage 10 gelagert sind. Die Verjüngung wird bei grundsätzlich konstantem quadratischen Querschnitt über die Höhe des Stifts 16 dadurch erreicht, daß seine Längskanten zum freien Ende hin zunehmend stärker ange­ fast sind. Fig. 4 zeigt deutlich eine der vier sich nach oben zunehmend verbreiternden Fasen 28, an deren Stelle auch Ab­ rundungen mit nach oben zunehmend größerem Radius treten könnten. Abgesehen von dieser Besonderheit der sich nach oben verbreiternden Fasen oder zunehmend größer werdenden Abrun­ dungen hat der Stift grundsätzlich die Form eines Quaders bzw. Prismas mit quadratischer Grundfläche, d. h. die beiden jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen 30 sind planparal­ lel. Das obere Ende der Stifte 16 ist, wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, angespitzt oder ballig geformt, um das Einführen in die Zentrierlöcher der Platten 22 zu erleichtern.

Wegen der nach oben konvergierenden Flächen der Fasen 28 bzw. seiner nach oben abnehmenden Diagonalabmessung kann der Stift 16 auch in solche Zentrierlöcher 24 eindringen, in die ein anderer Stift mit über die Höhe konstantem Querschnitt und derselben Querabmessung wie am unteren Ende der Stifte 16 we­ gen ungenauer Lage und verhältnismäßig kleinen Durchmessers des Zentrierlochs nicht eindringen könnte. Im Beispielsfall hat der quadratische Querschnitt der Stifte 16 gemäß Fig. 3 eine Kantenlänge von 3 mm. Das Diagonalmaß beträgt am unteren Ende der Stifte etwa 3,915-3,925 mm und verringert sich nach oben wegen der zunehmend größeren Fasen 28 auf z. B. 3,84 mm. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Länge der Stifte 8,5 mm.

Passend zu den genannten Maße der Stifte 16 haben die Langlö­ cher 18 im Film 12 bzw. 14 eine Breite von 3,01 mm. Ihre Län­ ge kann z. B. 5 mm betragen.

Der Längsschnitt durch einen Stift 16 gemäß Fig. 5 läßt er­ kennen, daß er gegen die Kraft einer Druckfeder 32 axial ela­ stisch nachgiebig an der als Unterlage dienenden unteren Hälfte des Belichtungsrahmens 10 gelagert ist. Die Feder 32 ist zwischen der Unterseite des Stifts 16 und einer Buchse 34 eingespannt, die mit einem Außengewinde in ein Innengewinde eines Lagers 36 eingeschraubt ist. Die Feder 32 übt auf den Stift 16 eine Kraft von etwa 4-10 N aus.

Das Lager 36 ist am Belichtungsrahmen 10 befestigt und im oberen Bereich mit einer im Querschnitt quadratischen Durch­ brechung 38 versehen, deren Wandung mit genauer Passung an den Seitenflächen des Stifts 16 anliegt und eine seitliche Führung für diesen bildet. Der Stift 16 ist daher nur axial beweglich, seitlich jedoch im Lager 36 genau geführt.

Der Stift 16 ist fest mit einer sich senkrecht nach unten er­ streckenden Betätigungsstange 40 verbunden, welche sich durch eine zentrale Bohrung in der Buchse 34 erstreckt und nach un­ ten aus dieser und dem Lager 36 herausragt. Dort ist sie im Ausführungsbeispiel mit einem sich in axialer Richtung er­ streckenden Längsschlitz oder Langloch 42 versehen, in wel­ ches ein Gelenkzapfen 44 eingreift. Letzterer ist an einem zweiarmigen Hebel 46 angebracht, der an einer mit dem Belich­ tungsrahmen 10 verbundenen Halterung 48 drehbar gelagert und mittels einer ebenfalls mit dem Belichtungsrahmen 10 verbun­ denen Zylinder-Kolben-Einheit 50 über eine gelenkig mit dem Hebel 46 verbundene Kolbenstange 52 derart verschwenkbar ist, daß der Gelenkzapfen 44 über die Betätigungsstange 40 den Stift 16 nach unten zurückzieht. Im ganz oder teilweise in die Unterlage zurückgezogenen Zustand der Stifte 16 läßt sich die belichtete Leiterplatte 22, ohne zu verkanten, von den Stiften 16 und der Unterlage 10 abheben und aus dem Belich­ tungsrahmen entnehmen.

Das Langloch 42 oder eine funktionsgleiche Konstruktion ge­ währleistet, daß in derjenigen Stellung der Zylinder-Kolben- Einheit 50, in welcher der Stift 16 die nach oben herausge­ schobene Stellung gemäß Fig. 5 einnimmt, ein elastisches Nie­ derdrücken des Stifts gegen die Kraft der Feder 32 möglich ist. Die zum Verschwenken des Hebels 46 notwendige Querbewe­ gung des Gelenkzapfens 44 relativ zur Betätigungsstange 40 kann durch eine entsprechend gewählte Breite des Langlochs 42 ermöglicht werden, oder es wird alternativ für Verschieblich­ keit des Gelenkzapfens 44 in Längsrichtung des Hebels 46 ge­ sorgt.

Es versteht sich, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel vielfache Abwandlungen gestattet. So können z. B. die Stifte 16 statt eines quadratischen auch einen rechteckigen oder sonstigen polygonalen Querschnitt bei einer insgesamt prisma­ tischen Form haben. Statt der nur beispielhaft gezeigten Zy­ linder-Kolben-Einheit 50 kommen auch z. B. elektrische oder von Hand betätigbare Antriebe zum Zurückziehen der Stifte 16 in Frage.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten von gelochten Leiterplatten und Bildträgern, z. B. Filmen, bestehend aus einer Unterlage (10) mit daran angebrachten, paral­ lelen Stiften (16), die axial beweglich geführt sind und sich von der Unterlage (10) zu ihrem freien Ende hin ver­ jüngen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) einen polygonalen Querschnitt mit angefasten oder abgerundeten Ecken und planparallele gegenüberliegende Seitenflächen (30) besitzen, wobei sich die Fasen (28) bzw. Radien der abgeflachten Ecken von der Unterlage zum freien Ende hin vergrößern, und die Stifte (16) in angehobener Stellung axial nachgiebig gelagert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) in Draufsicht in zwei Reihen stehen, die im rechten Winkel aufeinanderstoßen, und jeweils mehr als zwei Stifte (16) in jeder Reihe angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils zwei Seitenflächen (30) parallel zu den Stiftreihen liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) einen im wesentlichen rechteckigen, vor­ zugsweise quadratischen Querschnitt haben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stifte (16) am freien Ende zu allen Seitenflächen (30) hin angeschrägt oder abgerundet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stifte (16) bei ihrer axialen Bewe­ gung in einer Führung (38) seitlich unbeweglich geführt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stifte (16) gegen die Kraft einer Feder (32) axial nachgiebig gelagert sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stifte (16) durch einen Stellan­ trieb (50, 52, 46, 40) zwischen einer relativ zur Unter­ lage (10) vorgeschobenen und zurückgezogenen Stellung verschiebbar sind.