Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von im Abstand voneinander angeordneten, isolierten elektrisch leitenden Bereichen in einer elektrisch leitenden Platte in einer Mehrfachplattenanordnung. Derartige Platten finden in einer elektrischen Mehrfachplatten-Schaltungsanordnung Verwendung.
In den letzten Jahren wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um das Zusammenpacken komplexer Hochgeschwindigkeits-Elektroniksysteme mit evtl. zu mehreren eingebauten aktiven Halbleiterschaltelementen zu optimieren. Die verfolgten Ziele waren unter anderen eine bestmögliche Raumausnutzung, ein hoher Zuverlässigkeitsgrad, die Schaffung weiter, bei hohen Frequenzen verwendbarer Bandbreitenverkettungen, minimale Kreuzkopplung und eine gesicherte Wärmeabfuhr. Gleichzeitig war man bestrebt, wirtschaftliche Herstellungsmethoden zu entwickeln.
Folgende US-Patente behandeln verschiedene Aufbaumöglichkeiten und Herstellungsverfahren für elektronische Packungen: 3 351 702, 3 351 816, 3 351 953 und 3 499 219.
Eines der schwierigsten Probleme bei der Herstellung einer Vielplatten-Schaltungsanordnung ist die Schaffung zuverlässiger Z-Achse-Verkettungen nicht nur innerhalb einer Platte, sondern insbesondere dort, wo eine Z-Achse-Verkettung durch mehrere Platten zu erfolgen hat. Diese Probleme vergrössern sich noch, wenn die fertige Vielplatten-Schaltungsanordnung unter allen Umständen billig sein soll. Demgemäss soll mit vorliegender Erfindung ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem zu niedrigen Kosten sowohl zuverlässige Z-Achse-Verkettungen als auch zuverlässige X- und Y-Achse-Verkettungen für eine Vielplatten-Schaltungsanordnung erzeugt werden können.
Zweck dieser Erfindung ist die beschriebenen Nachteile zu beheben. Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Erzeugung von im Abstand voneinander angeordneten isolierten elektrisch leitenden Bereichen in einer elektrisch leitenden Platte in einer Mehrfachplattenanordnung zu schaffen, welches wirtschaftlich ist.
Diese Aufgabe wird mit dem genannten Verfahren erfindungsgemäss gelöst durch die Verfahrensschritte:
Prägen einer Oberfläche der elektrisch leitenden Platte, um entsprechend einem bestimmten Muster eine Anzahl in sich geschlossener Ausnehmungen, die Durchgangsverbindungssegmente bilden, zu erzeugen,
Einbringen eines Isoliermaterials in die geprägten geschlossenen Ausnehmungen, und
Abtragen einer Schicht von der gegenüberliegenden Oberfläche der elektrisch leitenden Platte, um die Durchgangsverbindungssegmente elektrisch von der Platte zu isolieren, wobei das Isoliermaterial dazu dient, die so gebildeten Durchgangsverbindungen einerseits in der Platte zu halten und sie andererseits von dieser elektrisch zu isolieren.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer teilweise auseinandergenommenen elektrischen Mehrfachplatten-Schaltungsanordnung;
Fig. 2 einen Querschnitt, der zeigt, wie die Mehrfachplattenanordnung von Fig. 1 zweckmässig unter Druck innerhalb eines geeigneten Gehäuses gestapelt werden kann;
Fig. 3 eine unvollständige Draufsicht eines Teils einer Komponentplatte; Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 214 in Fig. 3; Fig. 5 eine unvollständige Draufsicht eines Teils einer Verkettungsplatte;
Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5;
Fig. 7 eine unvollständige Draufsicht eines Teils einer Anschlussplatte;
Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7;
;
Fig. 9 einen Querschnitt zur Darstellung eines typischen Stapels aus Komponent-, Verkettungs- und Anschlussplatten, wie er in der Mehrfachplatten-Schaltungsanordnung von Fig.
1 1 Verwendung finden kann;
Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer Anschlussplatte; und
Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Verkettungsplatte.
Fig. 1 zeigt eine teilweise auseinandergebaute elektrische Mehrfachplatten-Schaltungsanordnung, deren Platten gemäss vorliegender Erfindung hergestellt sind. Eine solche elektrische Schaltungsanordnung wird durch Obereinanderstapeln einer Vielzahl von leitenden Platten erhalten, die so ausgeführt sind, dass sie miteinander zusammenwirken, um gewünschte koaxiale Verbindungen in X-, Y- und Z-Richtung zu bilden. Der in Fig. 1 dargestellte Plattenstapel 10 setzt sich aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Platten zusammen, die im wesentlichen in die folgenden drei Klassen fallen: Komponentplatten 12, Verkettungsplatten 14 und Anschlussplatten 16. Wie später ersichtlich, dient eine Komponentplatte dazu, aktive Schaltungseinheiten, wie z.
B. integrierte Schaltungen, LSI-Elemente usw., physikalisch zu unterstützen und zu ihnen eine elektrische Verbindung zu schaffen. Jede Komponentplatte stellt Einrichtungen bereits, um die Anschlüsse einer aktiven Einheit mit Z-Achse-Leitern oder -Körpern zur Verkettung mit benachbarten Platten zu verbinden. Die Verkettungsplatten 14 besitzen sowohl Z-Achse-Körper als auch X-, Y-Leiter, die sich in der Plattenebene erstrecken. Die Anschlussplatten 16 weisen eine gleichförmige Matrix von Z Achse-Körpern auf, die Durchgangsverbindungen bilden, um Platte-zu-Platte-Verkettungen zu erhalten.
Die Mehrfachplattenanordnung von Fig. 1 wird gebildet, indem geeignet ausgebildete Platten unter Druck so übereinander gestapelt werden, dass Z-Achse-Körper der Anschlussplatten mit zu ihnen ausgerichteten Körpern in benachbarten Platten in Verbindung treten können. In dieser Weise werden von Platte zu Platte elektrische Verkettungen erhalten, wobei gewünschte Schaltungspunkte von ausserhalb des Stapels zugänglich gemacht werden können.
Wie nachfolgend in grösserer Einzelheit beschrieben werden wird, werden die koaxialen X-, Y- und Z-Verkettungen in der Anordnung von Fig. 1 typischerweise erhalten, indem jede der leitenden (z. B. Kupfer-)Platten so bearbeitet wird, dass die gewünschten X-, Y- und Z-Achse-Leiter innerhalb des Profils der Platte durch Isolieren ausgewählter Inselabschnitte vom Rest des Plattenmaterials entstehen. Der isolierte Inselabschnitt wird physikalisch von der Platte gehalten und ist von dieser durch dielektrisches Material elektrisch isoliert, das zum Ersetzen des entfernten Plattenmaterials eingeführt worden ist.
Bevor der innere Aufbau der Plattenanordnungen sowie ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Platten beschrieben wird, sei anhand von Fig. 2 gezeigt, wie der Plattenstapel 10 von Fig. 1 typischerweise innerhalb eines geeigneten Metallgehäuses 20 angeordnet werden kann. Gemäss Fig. 2 ist ein Plattenstapel 10 in dem Gehäuse 20 zwischen einem Anschlussblock 24 und einer oberen Druckplatte 26 angeordnet. Der Anschlussblock 24 enthält Ausgangsanschlussklemmen 24a, die über isolierte Durchgangsleiter und eine Ausgangsanschlussplatte 16a so mit dem Stapel 10 elektrisch verbunden sind, dass eine günstige elektrische Verbindung des Stapels und des Gehäuses zu äusseren elektrischen Schaltkreisen möglich ist.
Der Stapel wird in Richtung der Z Achse mittels eines elastischen Druckkissens 28 unter Druck gehalten, das gegen die Platte 26 drückt. Das Druckkissen 28 wird durch eine mittels Bolzen 32 befestigte Deckplatte 30 in zusammengedrücktem Zustand gehalten. Die Deckplatte 30 und die Gehäusewände 34 sind in Abständen mit langgestreckten Rippen 36 versehen, die senkrecht nach aussen abstehen. Die Rippen 36 dienen in bekannter Weise zur Maximierung des Wärmeübergangs vom Gehäuse 20 zum umgebenden Kühlmedium. Um einen guten Wärmeübergang vom Stapel 10 der Fig. 1 zu den Gehäusewänden zu erhalten, sind mehrere Platten, wie z. B. die Anschlussplatten mit vorzugsweise einstückig mit den Platten ausgebildeten elastischen Fingern 37 versehen, die sich vom Plattenumfang nach aussen erstrecken.
Nach Einsetzen des Stapels in das Gehäuse berühren gemäss Fig. 2 die Finger die Innenoberfläche der Gehäusewände, um damit zu diesen einen guten Wärme übergang zu schaffen. Zum seitlichen Ausrichten des Stapels 10 in dem Gehäuse 20 sind an den Platten Keilnuten 38 (Fig. 1) vorgesehen, die mit Keilen 39 zusammenwirken.
Wie zuvor ausgeführt, können alle Platten als unter drei Typen fallend angesehen werden, nämlich als Komponentplatten 12, Verkettungsplatten 14 und Anschlussplatten 16.
Alle Platten besitzen einen ganz ähnlichen Grundaufbau insofern, als jede Platte aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. aus Kupfer, besteht und innerhalb ihres Profils Abschnitte besitzt, die vom Rest der Platte elektrisch isoliert sind, um die gewünschten X-, Y- und Z-Verkettungen zu schaffen.
Fig. 3 und 4 zeigen einen Abschnitt einer Komponentplatte 12 mit einer auf sie montierten und mit ihr verbundenen aktiven Schaltungseinheit 40. Die Komponentplatte 12 weist innerhalb ihres Profils eine Vielzahl von Z-Achse-Körpern 42 auf. Jeder Körper 42 bildet eine vom Rest der Platte durch Isoliermaterial 44 isolierte Insel. Das Isoliermaterial 44 ist in Öffnungen angeordnet, die sich zwischen der Ober- und Unterseite 46 bzw. 48 der Platte erstrecken und an dieser Ober- bzw. Unterseite freiliegen. Jeder in Fig. 3 und 4 gezeigte Körper 42 wird also innerhalb einer sich durch die Platte erstreckenden Öffnung durch Isoliermaterial 44 gehalten, das den Körper sowohl trägt als auch elektrisch von dem restlichen Plattenmaterial 50 isoliert. Die in Fig. 3 und 4 gezeigten Körper 42 sind vorteilhaft in einer gleichförmigen rechtwinkligen Matrix angeordnet, z.
B. auf 50/1000 Zoll Mittelpunktabstand sowohl in X- als auch in Y-Richtung.
Die Schaltungseinheit 40 ist eine übliche, mit einer Vielzahl von Anschlüssen versehene Einheit. Es ist wesentlich, dass jeder der Anschlüsse der aktiven Einheit mit einem anderen Z-Achse-Körper 42 in der Komponentplatte 12 verbunden werden kann. Um jeden der Anschlüsse der Einheit mit einem anderen Z-Achse-Körper verbinden zu können, ist die Platte 12 so ausgebildet, dass an ihr ein Bereich von der aktiven Einheit 40 entsprechender Gestalt geschaffen wird, in dem X-, Y-Leiter, die sich innerhalb der Plattenebene von einer Vielzahl von Z-Achse-Körpern erstrecken, enden. Beispielsweise ist ein Körper 52 mit einem X-, Y-Leiter 54 elektrisch verbunden, der sich in der Plattenebene erstreckt und an einem Anschlusspunkt 56 in dem Plattenbereich endet, in dem die Einheit 40 zu montieren ist.
Wie erwähnt, erstreckt sich der Körper 52 zwischen der Ober- und Unterseite 46 bzw. 48 der Platte und liegt er an dieser Ober- bzw. Unterseite frei. Der mit dem Körper 52 verbundene X-, Y-Leiter 54 erstreckt sich in der Plattenebene zwischen der Ober- und Unterseite 46 bzw. 48 in Abstand davon. Er endet unterhalb der Einheit 40 in dem Anschlusspunkt 56, der sich zur Plattenoberseite 46 erstreckt und an dieser freiliegt. Isoliermaterial 57 umgibt den Körper 52, den Leiter 54 und den Anschlusspunkt 56, um diese von dem restlichen Plattenmaterial zu isolieren. Elektrisch leitendes Material 60, wie z. B.
eine geringe Menge eines Lötmittels verbindet den Anschlusspunkt 56 mit einem Anschlusspunkt an der Einheit 40.
Es ist erkennbar, dass der Körper 52 einen zentralen Leiter bildet, der von dem elektrisch leitenden Plattenmaterial 50 umgeben, jedoch von diesem durch Isoliermaterial iso liert ist, wodurch ein Koaxialleiter entsteht. Wie später vollständig klar werden wird, bilden in der fertigen Stapelschaltungsanordnung von Fig. 1 die X-, Y-Leiter 54 innerhalb jeder Platte ebenfalls zentrale Leiter von Koaxialverkettungen, da jeder Leiter koaxial von dem restlichen Material der Platte, in deren Profil er liegt, und von dem Material benachbarter Platten, die in dem Stapel oberhalb und unterhalb angeordnet sind, umgeben ist.
Die Anzahl, Grösse und die Abstände der Z-Achse-Körper und der X-Y-Leiter in den verschiedenen Platten werden mit anderen Worten mit Bezug auf den für die Anordnung beabsichtigten Betriebsfrequenzbereich gewählt, so dass alle Verkettungen innerhalb eines Stapels, d. h. sowohl die innerhalb der Platten als auch die zwischen den Platten als Koaxialverkettungen ausgeführt sind.
Fig. 5 zeigt einen Teilabschnitt einer Verkettungsplatte 14, die, wie zuvor erwähnt, sowohl X-, Y- als auch ZAchse Verkettungen umgrenzt. Die Verkettungen in der Platte 14 sind wie die zuvor beschriebenen Verkettungen in der Platte 12 aufgebaut. Eine typische Platte 14 besitzt daher eine Vielzahl von Z-Achse-Körpern 70, die sich zwischen der Oberseite 72 und der Unterseite 74 der Platte 14 erstrecken. Der Z-Achse-Körper 70 ist mit einem anderen Z-Achse-Körper 76 z. B. mittels eines zurückgesetzten X-Y-Leiters 78 verbunden. Wie zuvor anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben, sind sowohl die X-Y-Leiter und die Z-Achse-Körper von Isoliermaterial 80 umgeben, das eine elektrische Isolation zum restlichen Plattenmaterial 82 schafft.
Fig. 7 und 8 zeigen eine Anschlussplatte 16, die eine Vielzahl von vorzugsweise in einer gleichförmigen rechtwinkligen Matrix angeordneten Z-Achse-Körpern 86 besitzt. Jeder Z Achse-Körper 86 ist vollständig von Isoliermaterial 88 umgeben, das den Körper hält und ihn elektrisch von dem restlichen Plattenmaterial 90 isoliert. Jeder Z-Achse-Körper 86 liegt an der Ober- und Unterseite 92 bzw. 94 der Platte frei.
Verformbare Kontakte 96 sind vorteilhaft an beiden Enden jedes Körpers 86, d. h. sowohl an der Oberseite 92 als auch an der Unterseite 94 angeordnet. Wie nachfolgend erkennbar, sindln dem Stapel periodisch Anschlussplatten angeordnet, um Z-Achse-Verkettungen zu Platten oberhalb und unterhalb, die entweder Verkettungs- oder Komponentplatten sein können, herzustellen. Die verformbaren Kontakte 96 bestehen aus einem dehnbareren Material als die Z-Achse-Kupferkörper, so dass beim Unterdrucksetzen des Stapels innerhalb des Gehäuses 20 von Fig. 2 die Kontakte 96 durch den Angriff der ausgefluchteten Z-Achse-Körper in benachbarten Platten verformt werden, um dadurch einen guten Zusammenschluss zwischen den Platten herzustellen.
Zusätzlich zu den auf beiden Oberflächen der Anschlussplatten 16 ausgebildeten Kontakte 96 sind ähnliche verformbare Kontakte 98 auf der restlichen Oberfläche 90 der Platte 16 vorgesehen, um einen guten Zusammenschluss zwischen den Plattenoberflächen zu schaffen.
Fig. 9 zeigt den Querschnitt eines typischen Stapels 10, wie er in Fig. 1 dargestellt ist und der Komponentplatten, Anschlussplatten und Verkettungsplatten besitzt. Die in Fig. 9 dargestellte Komponentplatte 100 ist im wesentlichen identisch mit der in Fig. 3 und 4 gezeigten Komponentplatte. Die in Fig. 9 gezeigte Anschlussplatte 102 entspricht im wesentlichen der Anschlussplatte von Fig. 7 und 8 mit der Ausnahme, dass ein Abschnitt 104 aus ihr herausgeschnitten ist, um Raum für die aktive Einheit 40 zu schaffen.
Wie in Fig. 9 gezeigt, sind mehrere Füllplatten 106 über die Anschlussplatte 102 gestapelt, um die Höhe der aktiven Einheit 40 auszugleichen. Die Füllplatten 106 sind im wesentlichen identisch mit der Anschlussplatte 102, insofern als sie eine Matrixanordnung von Z-Achse-Körpern aufweisen.
Mehrere der Füllplatten können zusammengeschmolzen wer den, um einen Plattenstapel zu bilden. Die Füllplatten kön- nen auch infolge des von dem Gehäuse 20 einwirkenden Druckes in Z-Richtung zusammengeschlossen werden. Im letzteren Falle werden die Füllplatten 106 so ausgewählt, dass nur alternierende Schichten verformbare Kontakte aufweisen, um sicherzustellen, dass die Z-Achse-Verkettungen von einer Platte zur anderen immer zwischen einem verformbaren Kontakt und der gegenüberliegenden Oberfläche eines ausgefluchteten Z-Achse-Körpers gebildet sind.
Über die Füllplatten 106 ist eine Standardanschlussplatte 108 gestapelt, über der sich eine Verkettungsplatte 109 anschliesst.
In Anbetracht der Tatsache, dass der Druck in Z-Achsenrichtung möglicherweise nicht ausreichend durch Bereiche des Stapels übertragen wird, die mit den aktiven Einheiten vertikal ausfluchten, und um hochzuverlässige Zusammenschlüsse zwischen den Platten sicherzustellen, ist es vorteilhaft, alle erforderlichen Z-Achse-Verkettungen in dem die aktiven Einheiten umgebenden Bereich und weniger in Bereichen anzuordnen, die mit den aktiven Einheiten vertikal ausfluchten.
Auch wenn die Mehrfachplattenanordnung von Fig. 1 bevorzugt aus einem Plattenstapel aufgebaut wird, in dem alternierende Platten mit verformbaren Kontakten vorgesehen sind, um Platte-zu-Platte-Verkettungen herzustellen, so kann es in gewissen Situationen (z. B. bei Verwendung sowohl von Verkettungsplatten als auch von Füllplatten) zweckmässiger sein, eine Gruppe von Platten zur Bildung einer Verbundplatte zusammenzuschmelzen. In solch einem Fall ist es lediglich erforderlich, eine Anschlussplatte zwischen die zusammengeschmolzene Plattengruppe und die nächstbenachbarte Platte einzuschalten.
Fig. 10 erläutert ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Anschlussplatte gemäss Fig. 7 und 8.
Gemäss Fig. 10 wird im Verfahrensschritt 1 eine Metallfolie oder -platte 110 passender Grösse und Dicke vorbereitet. Die Folie 110 besteht zweckmässig aus Berylliumkupfer.
Als Verfahrensschritt 2 schliesst sich ein Präzisionsstanzen an, um in der Oberseite 112 der Folie 110 Ausnehmungen 114 gemäss einem vorbestimmten Muster der Z-Achse-Körpersegmente 115 bzw. entsprechend dem Muster der in der Anschlussplatte auszubildenden Z-Achse-Körper zu formen. Für diesen Zweck geeignete Präzisionsstanzverfahren sind allgemein bekannt.
Im Verfahrensschritt 3 werden die gestanzten Ausnehmungen 114 mit Isoliermaterial 116, wie beispielsweise mit Epoxiharz mit geeigneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, aufgefüllt. Überschüssiges dielektrisches Material wird beispielsweise durch Abschmirgeln entfernt.
Im Verfahrensschritt 4 werden verformbare Kontakte 120 auf jedem der Z-Achse-Körpersegmente 115 sowie an Zwischenpositionen auf der Folien- bzw. Plattenoberseite 112 in Übereinstimmung zu der in Fig. 7 und 8 dargestellten Anschlussplatte ausgebildet. Diese verformbaren Kontakte 120 können mittels bekannter chemischer Ätz- und Elektroplattierverfahren erzeugt werden.
Im Verfahrensschritt 5 wird eine Schicht von der Unterseite 118 der Folie 110 beispielsweise durch Abschmirgeln oder Ätzen abgetragen, so dass eine neue Unterseite 118' entsteht, in der das Isoliermaterial 116 freiliegt und dadurch jedes der Z-Achse-Körpersegmente 115 von der Folie elektrisch isoliert ist. Die so isolierten Z-Achse-Körpersegmente 115 bilden dann die in der Folie bzw. Platte gewünschten Z Achse-Körper.
Im Verfahrensschritt 6 werden sodann verformbare Kontakte 120 an dem anderen Ende jedes Z-Achse-Körpers und ebenfalls an geeigneten Zwischenpositionen auf der Unterseite 118' ausgebildet, wonach eine Anschlussplatte entsprechend der Ausbildung gemäss Fig. 7 und 8 erhalten ist.
Fig. 11 zeigt ein bevorzugtes erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung von X- und/oder Y-Achse-Leitern zusammen mit Z-Achse-Körpern in einer Platte, wie es z. B. für die in Fig. 3 und 4 dargestellte Komponentplatte oder für die in Fig. 5 und 6 gezeigte Verkettungsplatte erforderlich ist.
Gemäss dem Verfahrensschritt 1 in Fig. 11 wird eine Metallfolie 122 passender Grösse und Dicke vorbereitet, die vorzugsweise aus Berylliumkupfer besteht.
Im Verfahrensschritt 2 wird die Oberseite 124 einer Präzisionsstanzung unterworfen, um erste Ausnehmungen 134 zu bilden, die das in der Folie bzw. Platte zu formende X-, Yund Z-Achse-Verkettungsmuster bestimmen, und um ebenfalls zweite Ausnehmungen 138 geringerer Tiefe zu erzeugen, die festlegen, in welcher Tiefe die X- und Y-Leiter unterhalb der Folienoberfläche 124 verlaufen werden. Die Ausnehmungen 134 umgrenzen nicht nur die Z-Achse-Körpersegmente 136, welche die Z-Achse-Körper der Folie bzw.
Platte bilden, sondern sie bestimmen auch die Breite der Xund Y-Leitersegmente 140, welche die in der Folie bzw. Platte vorzusehenden X- undY-Achse-Leiter bilden. Die Ausnehmungen 138 geringerer Tiefe bestimmen lediglich die Oberseite der X- und Y-Leitersegmente 140 und damit die Tiefe, in der diese unterhalb der oberen Folienoberfläche 124 verlaufen.
Im Verfahrensschritt 3 werden die Ausnehmungen 134 und 138 mit Isoliermaterial 144 aufgefüllt, wobei überschüssiges Isoliermaterial beispielsweise durch Abschmirgeln entfernt wird.
Im Verfahrensschritt 4 wird eine Schicht von der Unterseite 126 beispielsweise durch Abschmirgeln oder Ätzen abge- tragen, so dass eine neue Unterseite 126' entsteht, in der das Isoliermaterial 144 freiliegt und dadurch sowohl die Z-Achse Segmente 136 als auch die X- und Y-Leitersegmente 140 elektrisch isoliert sind.
Im Verfahrensschritt 5 werden dann die unteren Oberflächen der X- und/oder Y-Leitersegmente 140 von der Unterseite 126' abgesetzt, was vorteilhaft durch chemisches Ätzen erfolgen kann. Die entstandenen X- und Y-Leitersegmente 140 sind dann von beiden Folienoberflächen abgesetzt.
Zusammen mit den Z-Achse-Körpersegmenten 136 entsprechen sie dann den X-, Y- und Z-Verkettungen für die in Fig.
3 bis 6 dargestellten Komponent- und Verkettungsplatten.
Im Verfahrensschritt 6 können die während des Verfah rensschritts 4 in den X- und/oder Y-Leitersegmenten 140 herausgeätzten Ausnehmungen mit einem Isoliermaterial 144 aufgefüllt werden. Für die meisten Anwendungsfälle ist dies jedoch nicht erforderlich, da das zuvor zugegebene Isoliermaterial 144 in der Regel ausreicht, um einen genügenden Halt und elektrische Isolation zu gewährleisten.
In einer typischen Ausführungsform kann das in Fig. 2 gezeigte Gehäuse 20 eine Höhe von etwa 4 cm aufweisen, während die Breite und Tiefe des Gehäuses jeweils etwa 7 cm betragen. Der Stapel 10 kann dann eine Höhe von ca. 2,3 cm und eine Breite und Tiefe von etwa 4,8 cm besitzen. Ein aktives Schaltungselement kann typischerweise eine Grösse von etwa 1,5 cm aufweisen, so dass etwa 4 Elemente von einer Komponentplatte getragen werden können. Zur Bestimmung der für ein Schaltungselement erforderlichen Plattenfläche (d. h. Zellgrösse) sollte berücksichtigt werden, wieviele freie (unverbundene) Z-Achse-Körper erforderlich sind, um Systemplattenlogik oberhalb und unterhalb der Zelle zu verketten. Im allgemeinen werden etwa 1,5 freie Z-Achse-Körper für jeden Elementenanschluss benötigt.
Ein beispielhafter Schaltungsstreifen mit 44 Leitungen würde deshalb 44 X 2,5 = 110 Z-Achse-Körper zur Systemverkettung benötigen. In einer typischen 12 X 12 Matrix von Körpern würden bei spielsweise 25 Körper mit den Elementen ausgefluchtet und damit unbrauchbar sein. Die restlichen 119 Körper wären zur Schaltungs- und Systemverkettung verfügbar. Die erforderliche Zellengrösse ist deshalb von der standardisierten 50/1000 Zoll-Matrix (50-mill matrix) der Durchgangskörper und vom Faktor 2,5 X Anzahl der Schaltungsleiter bestimmt.
Es sei angenommen, dass die 44-Leiter-Elementenzelle in der Plattenebene etwa 1,5 cm X 1,5 cm = 2,25 cm2 und in der Höhe etwa 1,2 mm misst. Da jedem Element im Durchschnitt 2 Verkettungsplatten zugeordnet sind, die einschliesslich den Anschlussplatten insgesamt etwa 0,48 mm dick sind und die gleiche Zellenfläche (2,25 cm2) aufweisen, kann das Zellenvolumen durch Multiplikation der Zellenfläche mit der Summendicke einer Verkettungsplatte (etwa 0,48 mm), einer Komponentplatte (etwa 1,2 mm) und zweier Anschlusswände (jede 0,127 mm) berechnet werden. Beispielsweise ergibt sich dann 2,25 cm2 X (0,48 mm + 1,2 mm + 0,254 mm) = 435 mm3/Element (2,3 Elemente/cm3).
Da ein 44-Leiter-MOS FEB-Element etwa 100 Gatter oder mehr enthält, beträgt die Schaltungsdichte in dem Plattenstapel typischerweise 100/435 mm3 = 230 Gatter/cm3.
The present invention relates to a method for producing spaced apart, insulated electrically conductive areas in an electrically conductive plate in a multiple plate arrangement. Such plates are used in multiple plate electrical circuitry.
In recent years, considerable efforts have been made to optimize the packing together of complex high-speed electronic systems with possibly several built-in active semiconductor switching elements. The objectives pursued were, among other things, the best possible use of space, a high degree of reliability, the creation of further bandwidth links that could be used at high frequencies, minimal cross-coupling and secure heat dissipation. At the same time, efforts were made to develop economical production methods.
The following US patents deal with various designs and manufacturing methods for electronic packages: 3,351,702, 3,351,816, 3,351,953 and 3,499,219.
One of the most difficult problems in the manufacture of a multi-plate circuit arrangement is the creation of reliable Z-axis linkages not only within one plate, but especially where a Z-axis linkage has to be made through several plates. These problems are compounded if the finished multi-plate circuit is to be inexpensive under all circumstances. Accordingly, the present invention is intended to provide a method with which both reliable Z-axis linkages and reliable X- and Y-axis linkages can be produced for a multi-plate circuit arrangement at low cost.
The purpose of this invention is to remedy the disadvantages described. The object is thus to create a method for producing isolated electrically conductive areas arranged at a distance from one another in an electrically conductive plate in a multiple plate arrangement, which method is economical.
This object is achieved according to the invention with the method mentioned by the method steps:
Embossing a surface of the electrically conductive plate in order to produce a number of self-contained recesses, which form through-connection segments, in accordance with a specific pattern,
Introducing an insulating material into the embossed closed recesses, and
Removal of a layer from the opposite surface of the electrically conductive plate in order to electrically isolate the through connection segments from the plate, the insulating material serving to hold the through connections thus formed on the one hand in the plate and on the other hand to electrically isolate them from this.
Further details and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 is a perspective view of a partially disassembled multi-plate electrical circuit assembly;
Figure 2 is a cross-sectional view showing how the multiple plate assembly of Figure 1 can conveniently be stacked under pressure within a suitable housing;
3 is a fragmentary plan view of part of a component board; Figure 4 is a cross-section along line 214 in Figure 3; Fig. 5 is a fragmentary plan view of part of an interlinking plate;
Figure 6 is a cross section taken along line 6-6 in Figure 5;
7 is a fragmentary plan view of part of a connection plate;
Fig. 8 is a cross section taken along line 8-8 in Fig. 7;
;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a typical stack of component, interlinking and connection boards as used in the multi-board circuit arrangement of FIG.
1 1 can be used;
10 is a diagram for explaining a preferred method for producing a connection plate; and
11 is a diagram for explaining a further method for producing an interlinking plate.
Fig. 1 shows a partially disassembled multiple plate electrical circuit arrangement, the plates of which are made in accordance with the present invention. Such an electrical circuit arrangement is obtained by stacking a plurality of conductive plates which are designed to cooperate with one another to form desired coaxial connections in the X, Y and Z directions. The plate stack 10 shown in Fig. 1 is composed of a plurality of different plates, which essentially fall into the following three classes: component plates 12, interlinking plates 14 and connection plates 16. As will be seen later, a component plate is used to connect active circuit units such .
B. integrated circuits, LSI elements, etc., to physically support and to create an electrical connection to them. Each component board already provides facilities to connect the terminals of an active unit to Z-axis conductors or bodies for daisy-chaining with adjacent boards. The interlinking plates 14 have both Z-axis bodies and X, Y conductors that extend in the plane of the plate. The terminal plates 16 have a uniform matrix of Z-axis bodies which form through-connections to obtain plate-to-plate linkages.
The multiple plate assembly of Figure 1 is formed by stacking suitably formed plates under pressure so that Z-axis bodies of the connector plates can interface with aligned bodies in adjacent plates. In this way, electrical linkages are obtained from plate to plate, it being possible to make desired circuit points accessible from outside the stack.
As will be described in greater detail below, the X, Y and Z coaxial links in the arrangement of FIG. 1 are typically obtained by machining each of the conductive (e.g., copper) plates so that the desired X-, Y- and Z-axis conductors are created within the profile of the plate by isolating selected island sections from the rest of the plate material. The isolated island portion is physically supported by and electrically isolated from the plate by dielectric material introduced to replace the removed plate material.
Before describing the internal structure of the plate assemblies and a preferred method of manufacturing the plates, FIG. 2 shows how the plate stack 10 of FIG. 1 can typically be arranged within a suitable metal housing 20. According to FIG. 2, a plate stack 10 is arranged in the housing 20 between a connection block 24 and an upper pressure plate 26. The connection block 24 contains output connection terminals 24a which are electrically connected to the stack 10 via insulated through conductors and an output connection plate 16a in such a way that a favorable electrical connection between the stack and the housing and external electrical circuits is possible.
The stack is held under pressure in the direction of the Z axis by means of an elastic pressure pad 28 which presses against the plate 26. The pressure pad 28 is held in a compressed state by a cover plate 30 fastened by means of bolts 32. The cover plate 30 and the housing walls 34 are provided at intervals with elongated ribs 36 which protrude vertically outward. The ribs 36 are used in a known manner to maximize the heat transfer from the housing 20 to the surrounding cooling medium. In order to obtain a good heat transfer from the stack 10 of FIG. 1 to the housing walls, several plates, such as, for. B. the connection plates are provided with elastic fingers 37, which are preferably designed in one piece with the plates and extend outward from the plate circumference.
After the stack has been inserted into the housing, according to FIG. 2, the fingers touch the inner surface of the housing walls in order to create a good heat transfer to them. For the lateral alignment of the stack 10 in the housing 20, keyways 38 (FIG. 1) are provided on the plates, which cooperate with keys 39.
As stated previously, all plates can be viewed as falling under three types, namely component plates 12, manifold plates 14 and connection plates 16.
All plates have a very similar basic structure in that each plate is made of an electrically conductive material, such as. B. made of copper, and has sections within its profile that are electrically isolated from the rest of the plate to create the desired X, Y and Z linkages.
3 and 4 show a section of a component board 12 with an active circuit unit 40 mounted on it and connected to it. The component board 12 has a plurality of Z-axis bodies 42 within its profile. Each body 42 forms an island isolated from the rest of the plate by insulating material 44. The insulating material 44 is disposed in openings which extend between the top and bottom surfaces 46 and 48 of the plate and are exposed at these top and bottom surfaces, respectively. Each body 42 shown in FIGS. 3 and 4 is thus held within an opening extending through the plate by insulating material 44 which both supports the body and electrically isolates it from the remainder of the plate material 50. The bodies 42 shown in Figures 3 and 4 are advantageously arranged in a uniform rectangular matrix, e.g.
B. to 50/1000 inch center spacing in both the X and Y directions.
The circuit unit 40 is a conventional multi-terminal unit. It is essential that each of the terminals of the active unit can be connected to a different Z-axis body 42 in the component board 12. In order to be able to connect each of the connections of the unit to a different Z-axis body, the plate 12 is designed in such a way that an area of the active unit 40 of the corresponding shape is created on it, in the X, Y conductors, the extend within the plane of the plate from a plurality of Z-axis bodies. For example, a body 52 is electrically connected to an X, Y conductor 54, which extends in the plane of the plate and ends at a connection point 56 in the plate area in which the unit 40 is to be mounted.
As mentioned, the body 52 extends between the top and bottom surfaces 46 and 48 of the plate and is exposed at these top and bottom surfaces, respectively. The X, Y conductor 54 connected to the body 52 extends in the plane of the plate between the top and bottom sides 46 and 48 at a distance therefrom. It ends below the unit 40 in the connection point 56, which extends to the plate top side 46 and is exposed on this. Insulating material 57 surrounds body 52, conductor 54 and connection point 56 to isolate them from the rest of the plate material. Electrically conductive material 60, such as. B.
a small amount of solder connects connection point 56 to a connection point on unit 40.
It can be seen that the body 52 forms a central conductor which is surrounded by the electrically conductive plate material 50, but is insulated therefrom by insulating material, whereby a coaxial conductor is produced. As will become fully clear later, in the finished stacked circuit arrangement of FIG. 1, the X, Y conductors 54 within each plate also form central conductors of coaxial linkages, since each conductor is coaxial with the remaining material of the plate in whose profile it lies. and is surrounded by the material of adjacent panels located above and below the stack.
In other words, the number, size and spacing of the Z-axis bodies and the X-Y conductors in the various plates are chosen with reference to the intended operating frequency range for the arrangement, so that all concatenations within a stack, i.e. H. Both those within the plates and those between the plates are designed as coaxial linkages.
FIG. 5 shows a section of an interlinking plate 14 which, as mentioned above, delimits both the X, Y and Z-axis interlinkings. The linkages in plate 14 are constructed like the links in plate 12 described above. A typical plate 14 therefore has a plurality of Z-axis bodies 70 that extend between the top 72 and bottom 74 of the plate 14. The Z-axis body 70 is connected to another Z-axis body 76, for. B. connected by means of a recessed X-Y conductor 78. As previously described with reference to FIGS. 3 and 4, both the X-Y conductors and the Z-axis bodies are surrounded by insulating material 80, which provides electrical insulation from the remaining plate material 82.
7 and 8 show a connection plate 16 which has a plurality of Z-axis bodies 86, preferably arranged in a uniform rectangular matrix. Each Z axis body 86 is completely surrounded by insulating material 88 that holds the body and electrically isolates it from the rest of the plate material 90. Each Z-axis body 86 is exposed on the top and bottom 92 and 94, respectively, of the plate.
Deformable contacts 96 are advantageously at both ends of each body 86, i.e. H. arranged both on the top 92 and on the bottom 94. As can be seen below, connection plates are periodically arranged in the stack in order to produce Z-axis linkages to plates above and below, which can be either linkage or component plates. The deformable contacts 96 are made of a more ductile material than the Z-axis copper bodies so that when the stack within the housing 20 of FIG. 2 is pressurized, the contacts 96 are deformed by the attack of the aligned Z-axis bodies in adjacent plates, in order to create a good connection between the plates.
In addition to the contacts 96 formed on both surfaces of the terminal plates 16, similar deformable contacts 98 are provided on the remainder of the surface 90 of the plate 16 to provide a good connection between the plate surfaces.
FIG. 9 shows the cross section of a typical stack 10, as is shown in FIG. 1 and which has component plates, connection plates and manifold plates. The component plate 100 shown in FIG. 9 is essentially identical to the component plate shown in FIGS. 3 and 4. The connection plate 102 shown in FIG. 9 corresponds essentially to the connection plate of FIGS. 7 and 8 with the exception that a section 104 is cut out of it in order to create space for the active unit 40.
As shown in FIG. 9, a plurality of filler plates 106 are stacked over the connector plate 102 to compensate for the height of the active unit 40. The filler plates 106 are essentially identical to the connector plate 102 in that they have a matrix arrangement of Z-axis bodies.
Several of the filler plates can be fused together to form a stack of plates. The filling plates can also be closed together as a result of the pressure exerted by the housing 20 in the Z direction. In the latter case, the filler plates 106 are selected so that only alternate layers have deformable contacts to ensure that the Z-axis linkages from one plate to another are always formed between a deformable contact and the opposite surface of an aligned Z-axis body are.
A standard connection plate 108 is stacked over the filling plates 106, above which a linking plate 109 is connected.
In view of the fact that the Z-axis pressure may not be sufficiently transmitted through areas of the stack that are vertically aligned with the active units and to ensure highly reliable interconnections between the plates, it is advantageous to have all the necessary Z-axis linkages in the area surrounding the active units and less in areas that are vertically aligned with the active units.
Although the multiple plate arrangement of FIG. 1 is preferably constructed from a plate stack in which alternating plates with deformable contacts are provided in order to produce plate-to-plate linkages, in certain situations (e.g. when using both Linking plates as well as filler plates) are more useful to fuse a group of plates to form a composite plate. In such a case it is only necessary to connect a connection plate between the fused-together plate group and the next adjacent plate.
FIG. 10 explains a preferred method for producing a connection plate according to FIGS. 7 and 8.
According to FIG. 10, in method step 1, a metal foil or plate 110 of suitable size and thickness is prepared. The foil 110 is expediently made of beryllium copper.
Process step 2 is followed by precision punching in order to form recesses 114 in the upper side 112 of the film 110 according to a predetermined pattern of the Z-axis body segments 115 or according to the pattern of the Z-axis body to be formed in the connection plate. Precision stamping processes suitable for this purpose are well known.
In method step 3, the punched recesses 114 are filled with insulating material 116, for example with epoxy resin with suitable mechanical and electrical properties. Excess dielectric material is removed, for example, by sanding.
In method step 4, deformable contacts 120 are formed on each of the Z-axis body segments 115 and at intermediate positions on the foil or plate top 112 in accordance with the connection plate shown in FIGS. 7 and 8. These deformable contacts 120 can be created using known chemical etching and electroplating processes.
In method step 5, a layer is removed from the underside 118 of the foil 110, for example by sanding or etching, so that a new underside 118 ′ is created in which the insulating material 116 is exposed and thereby electrically isolates each of the Z-axis body segments 115 from the foil is. The Z-axis body segments 115 isolated in this way then form the Z-axis bodies desired in the film or plate.
In method step 6, deformable contacts 120 are then formed at the other end of each Z-axis body and also at suitable intermediate positions on the underside 118 ', after which a connection plate corresponding to the design according to FIGS. 7 and 8 is obtained.
11 shows a preferred method according to the invention for the production of X and / or Y-axis conductors together with Z-axis bodies in a plate, as is e.g. B. for the component plate shown in Fig. 3 and 4 or for the manifold plate shown in Fig. 5 and 6 is required.
According to method step 1 in FIG. 11, a metal foil 122 of suitable size and thickness is prepared, which preferably consists of beryllium copper.
In method step 2, the upper side 124 is subjected to a precision stamping in order to form first recesses 134, which determine the X, Y and Z axis interlinking pattern to be formed in the film or plate, and in order also to produce second recesses 138 of smaller depth, which determine the depth to which the X and Y conductors will run below the film surface 124. The recesses 134 not only delimit the Z-axis body segments 136, which the Z-axis body of the film or
They also determine the width of the X and Y conductor segments 140 which form the X and Y axis conductors to be provided in the film or plate. The recesses 138 of lesser depth determine only the top of the X and Y conductor segments 140 and thus the depth in which they run below the upper film surface 124.
In method step 3, the recesses 134 and 138 are filled with insulating material 144, with excess insulating material being removed, for example, by sanding.
In method step 4, a layer is removed from the underside 126, for example by sanding or etching, so that a new underside 126 ′ is created in which the insulating material 144 is exposed and, as a result, both the Z-axis segments 136 and the X and Y segments -Conductor segments 140 are electrically isolated.
In method step 5, the lower surfaces of the X and / or Y conductor segments 140 are then separated from the lower side 126 ′, which can advantageously be done by chemical etching. The resulting X and Y conductor segments 140 are then separated from both foil surfaces.
Together with the Z-axis body segments 136, they then correspond to the X, Y and Z concatenations for the in Fig.
3 to 6 shown component and manifold sub-bases.
In method step 6, the recesses etched out in the X and / or Y conductor segments 140 during the method step 4 can be filled with an insulating material 144. For most applications, however, this is not necessary, since the previously added insulating material 144 is generally sufficient to ensure adequate hold and electrical insulation.
In a typical embodiment, the housing 20 shown in FIG. 2 can have a height of approximately 4 cm, while the width and depth of the housing are each approximately 7 cm. The stack 10 can then have a height of approximately 2.3 cm and a width and depth of approximately 4.8 cm. An active circuit element can typically be about 1.5 cm in size, so that about 4 elements can be supported by a component board. To determine the plate area (i.e. cell size) required for a circuit element, account should be taken of how many free (unconnected) Z-axis bodies are required to concatenate system plate logic above and below the cell. Generally about 1.5 free Z-axis bodies are required for each element connection.
An exemplary 44-lead circuit strip would therefore require 44 X 2.5 = 110 Z-axis bodies for system daisy chaining. In a typical 12 X 12 matrix of bodies, for example, 25 bodies would be aligned with the elements and thus be unusable. The remaining 119 bodies would be available for interlinking circuits and systems. The required cell size is therefore determined by the standardized 50/1000 inch matrix (50-mill matrix) of the passage bodies and by a factor of 2.5 times the number of circuit conductors.
It is assumed that the 44-conductor element cell measures approximately 1.5 cm x 1.5 cm = 2.25 cm2 in the plane of the plate and approximately 1.2 mm in height. Since each element is assigned an average of 2 manifold sub-bases, which, including the sub-bases, are approximately 0.48 mm thick and have the same cell area (2.25 cm2), the cell volume can be calculated by multiplying the cell area by the total thickness of an interlinking sub-base (approx. 48 mm), a component plate (approx. 1.2 mm) and two connection walls (each 0.127 mm). For example, this results in 2.25 cm2 X (0.48 mm + 1.2 mm + 0.254 mm) = 435 mm3 / element (2.3 elements / cm3).
Since a 44-conductor MOS FEB element contains about 100 gates or more, the circuit density in the plate stack is typically 100/435 mm3 = 230 gates / cm3.