DD243382A1 - Verdrahtungstraeger mit integrierten passiven elektrischen funktionselementen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen platzsparenden Traeger mit integrierten passiven elektrischen Funktionselementen fuer die Verdrahtung von Schaltkreisen und von aufsetzbaren Bauelementen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen plattenfoermigen Verdrahtungstraeger zu schaffen, der zusaetzlich zu Durchkontaktierungen passive elektrische Funktionselemente enthaelt. Der Verdrahtungstraeger, bestehend aus einer ebenen, thermisch gut leitenden Traegerplatte, ist erfindungsgemaess durch scheibenweises Zertrennen eines mit metallischen und nichtmetallischen Profilen beliebigen Querschnittes axial durchsetzten Stranges entstanden. Die Traegerplatte besitzt an definierten Stellen senkrecht angeordnete Durchkontaktierungen und wenigstens ein passives elektrisches Funktionselement, wobei dieses Funktionselement ein ohmscher Widerstand, Magnetowiderstand, Kondensator, Varistor, temperatur- oder magnetfeldempfindlicher Sensor oder eine Spule sein kann. Anwendungsgebiete sind Geraete der Rechen-, Schreib- und Buerotechnik, der Nachrichtentechnik, des wissenschaftlichen Geraetebaus, der Konsumgueterelektronik und Industrieroboter. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Verdrahtungsträger mit integrierten passiven elektrischen Funktionselementen für die Verdrahtung von Schaltkreisen und von aufsetzbaren Bauelementen. Anwendungsgebiete der Erfindung sind Gehäuse für die Mikroelektronik sowie Geräte der Rechen-, Schreib- und Bürotechnik, des wissenschaftlichen Gerätebaus und der Konsumgüterelektronik und Industrieroboter.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Der technische Fortschritt führt zu immer komplexeren und kompakteren mikroelektronischen Baugruppen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl auf engstem Raum angeordneter, in der Regel gehäuseloser mikroelektronischer Bauelemente mit zum Teil erheblicher Wärmeentwicklung sowie einer Vielzahl innerer Verbindungen und äußerer Anschlüsse. Bekannte Lösungen basieren auf einem Träger aus isolierendem Material mit aufgebrachter Dick- und Dünnschicht-Struktur.
Es sind Lösungen bekannt (DE-PS 2558361), jei denen in ein Keramiksubstrat eingebrachte Löcher mit leitfähiger Siebdruckpaste ausgefüllt und so die Verbindungen zwischen der in Dickschichttechnik aufgebrachten Verbindungsstruktur und den aufgesetzten Anschlußelementen hergestellt sind. Technologische Probleme, bedingt durch Materialeigenschaften bei der Herstellung des Keramikträgers mit ausreichend lagegenauen Löchern, schränken den Anwendungsbereich dieser Lösungen jedoch erheblich ein. Eine andere Lösung besteht darin, daß der Verdrahtungsträger aus dünnen Lagen dickschichtstrukturierter ungebrannter (sogenannter grüner) Keramik mit eingefügten Anschlußelementen zusammengesintert ist (US-PS 509772), so daß der Träger aus der Verbindungsstruktur selbst gebildet wird. Diese Lösung erfüllt weitgehend die funktionellen Anforderungen, ist jedoch in ihrem strukturellen Aufbau kompliziert und technologisch aufwendig.
Dünnschichtstrukturen ermöglichen gegenüber Dickschichtstrukturen eine wesentlich höhere Leiterzugdichte, so daß die erforderliche Anzahl an Verbindungsebenen gegenüber einer Verbindungsstruktur in Dickschichttechnik wesentlich reduziert und damit in ihrem strukturellen Aufbau unkomplizierter ist. Die Dünnschichttechnik stellt aber höchste Anforderungen an die die Verbindungsstruktur tragende Oberfläche, so daß bereits kleinste Störstellen, wiez. B der Übergang vom Träger zu einem in diesen Träger eingefügten Leiterelement, die Anwendung bekannt зг Lösungen ausschließt.
Es ist auch eine Lösung bekanntgeworden (DE-OS 2443287), bei der auf einem Keramiksubstrat mit durchmetallisierten, nachträglich verschlossenen Löchern zunächst eine mehrlagige Dickschicht-Verbindungsstruktur und auf dieser eine Dünnschicht-Verbindungsstruktur aufgebracht sind. Diese Lösung beinhaltet die bereits angeführten Nachteile von Dickschichtstrukturen und ist darüber hinaus technologisch aufwendiger, bedingt durch die Anwendung zweier unterschiedlicher Strukturierungsverfahren.
Als Träger-Werkstoffe finden üblicherweise isolierende Werkstoffe auf der Basis Phenolharz, Epoxyd-Glasgewebe, Keramik oder Glas Verwendung. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine geringe bis mäßige Wärmeleitfähigkeit aus und erfüllen nicht die wärmetechnischen Anforderungen hochkomponenter mikroelektronischer Baugruppen. Spezielle Anwendungen beinhalten Träger aus gut wärmeleitfähiger, aber im Verarbeitungszustand hochtoxischer Berylliumoxidkeramik.
Es sind auch Lösungen bekanntgeworden (DE-PS 2131205), bei denen in einen aus isolierendem Werkstoff bestehenden Träger zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit Kerne aus gut wärmeleitfähigem Werkstoff eingefügt sind. Weiterhin sind Lösungen bekanntgeworden (DD-AP 110142), bei denen der Träger aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff besteht und mit einer isolierenden Schicht, z. B. aus Emaille oder Polyesterfolie, beschichtet ist. Elektrisch leitende, voneinander isolierte Durch verbindungen sind bei diesen Lösungen nicht bzw. nur in Form von Löchern möglich, wobei die Loch wandungen vordem
Aufbringen einer leitfahigen Schicht zunächst isolierend beschichtet sein müssen Das Beschichten der Lochwandungen wird mit abnehmendem Lochdurchmesser immer schwieriger und unsicherer, so daß ein minimaler Lochdurchmesser nicht unterschritten werden kann Diese Losungen beinhalten somit (mit Ausnahme der besseren warmetechnischen Eigenschaften) alle Nachteile der bereits vorstehend beschriebenen Verdrahtungstrager mit durchmetallisierten Lochern Eine weitere Losung (DE-PS 2612747) beinhaltet als Trager fur Dunnschichtstrukturen ein Metallsubstrat aus Aluminium mit extrem glatter Oberflache, auf der eine dünne isolierende Schicht aus AI2O3 aufgebracht ist Elektrisch leitende Durchverbindungen durch den Trager sind auch bei dieser Losung nicht möglich Die extrem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und AI2O3 sind bei größeren anwendungs- oder technologisch bedingten Temperaturunterschieden kritisch Als nachteilig erweist sich außerdem der durch die verfahrenbedingte geringe AI2O3-Schichtdicke bewirkte geringe Abstand zwischen den Leiterzugen und dem Metallsubstrat, der zu kleinen Wellenwiderstanden und dam it zu den bereits erwähnten Einschränkungen in der Anwendung fuhrt Technisch breit eingeführte Verdrahtungstrager ermöglichen im wesentlichen nur die Befestigung der Bauelemente, ihre Verdrahtung untereinander und zum nächst höheren Verdrahtungsniveau Zur Erhöhung der Packungsdichte und zur Verbesserung der Signallaufzeit wurden bei Verdrahtungstragern aus Mehrlagenkeramik Kondensatoren schichtweise eingebaut (Chance, D A , el al , A Ceramic Capacitor Substratfor High Speed Switching VLSI Chip, IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufactoring Technology 5 [1982] No 4) Die im ungebrannten Zustand mit elektrischen und dielektrischen Schichten bedruckten Keramikfolien werden gestapelt, zusammengefugt und bei über 1 40O0C gesintert Die so entstandenen hochkompakten Verdrahtungstrager weisen neben den Leitbahnen und den Durchkontaktierungen zwischen den Leitbahnebenen noch geschichtete Kapazitäten auf Die hohen Sintertemperaturen verhindern das Einfügen von Werkstoffen, wie sie zur Erzeugung anderer elektronischer Bauelemente benotigt werden
In der DE-OS 3316017 wird eine Multisubstratschaltung vorgestellt, wobei elektrische Bauelemente auf einzelne Keramiksubstrate aufgebracht werden Aus diesen Einzelsubstraten wird dann ein kompaktes Substrat zusammengesetzt Diese Losung ist technologisch aufwendig und fur eine Massenfertigung nicht geeignet Von den bisher bekannten technischen Losungen ermöglicht keine die Integration beliebiger passiver elektronischer Bauelemente im Verdrahtungstrager bei Einsatz billiger, edelmetallfreier Materialien und die ökonomische Herstellung in kleinen und großen Serien
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist ein Verdrahtungstrager fur mikroelektronische Baugruppen hoher Komplexität und Packungsdichte, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und einen breiten Anwendungs- und Temperatureinsatzbereich besitzt und eine minimale Grundflache aufweist
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen plattenförmigen Verdrahtungstrager zu schaffen, der zusatzlich zu Durchkontaktierungen passive elektrische Funktionselemente enthalt
Die Aufgabe wird mit einem Verdrahtungstrager mit integrierten passiven elektrischen Funktionselementen, bestehend aus einer ebenen, thermisch gut leitenden Tragerplatte, erfindungsgemaß dadurch gelost, daß die ebene Tragerplatte durch scheiben weises Zertrennen eines mit metallischen und nichtmetallischen Profilen beliebigen Querschnitts, bestehend aus einer Legierung,einem Metalloxid,einem Halbleiter, einem Glas,einem Dielektrikum, einem Ferroelektrikum oderemer Kombination dieser Stoffe, axial durchsetzten Stranges entstanden ist Die erfindungsgemaße Tragerplatte besitzt an definierten Stellen senkrecht angeordnete Durchkontaktierungen und wenigstens ein passives elektrisches Funktionselement Unter Funktionselement soll hier ein in die Tragerplatte integriertes Element mit passiver elektrischer Funktion, wie ζ B bei einem Widerstand, einem Thermistor oder einem Varistor verstanden werden Erfindungsgemaß besitzen ein oder mehrere massive Profile einen äußeren und em oder mehrere hohle Profile einen inneren Querschnitt, der dem Querschnitt von an diesen Stellen einzufugenden mikroelektronischen Bauelementen entspricht Die massiven Profile weisen dabei eine glatte Oberflache auf Dadurch lassen sie sich leicht aus dem Verdrahtungstrager entfernen An diesen Stellen oder in den hohlen Profilen lassen sich mikroelektronische Bauelemente platzsparend anordnen Die elektrischen Funktionselemente und die elektrischen Durchkontaktierungen besitzen einen frei wählbaren Querschnitt und alle die gleiche Hohe, so daß der Verdrahtungstrager zwei ebene oder parallele Oberflachen aufweist Die Verdrahtungsstruktur, die sich auf mindestens einer Seite des Verdrahtungstragers befindet, ist je nach schaltungstechnischen Erfordernissen mit den Durchkontaktierungen und den Funktionselementen verbunden In den /erdrahtut gstrager integrierte passive elektrische Funktionseiemente können sein Kondensatoren, Varistoren,ohmsche Widerstände, temperatur- oder magnetfeldempfindliche Sensoren oder Spulen
Dabei können zwei Spulen so angeordnet werden, daß sie einen Transformator bilden Die passiven elektrischen Funktionselemente sind in vertikaler oder horizontaler Richtung angeordnet Bei der vertikalen Anordnung erfolgt die Kontaktierung auf beiden Seiten des Verdrahtungstragers Bei horizontaler Anordnung sind die Funktionselemente auf einer Seite des Verdrahtungstragers kontaktiert
Zur elektrischen Leistungsmessung ist es vorteilhaft, über einer Spule einen Hallgenerator anzuordnen Zur Messung infraroter Strahlung kann über einer Spule ein photoelektromagnetischer Detektor angeordnet sein
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Verdrahtungsträger mit integrierten passiven elektrischen Funktionselementen Fig.2: Schnitt durch den erfindungsgemäßen Verdrahtungsträger.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Verdrahtungsträger dargestellt, wie er nach dem Zertrennen eines aus Profilen bestehenden Stranges vorliegt. Die in Längsrichtung vergossenen Profile bilden nach dem Schneiden des Stranges kurze Durchverbindungen sowie passive elektrische Funktionselemente. Je nach Art des passiven elektrischen Funktionselements bestehen die Profile z. B.
aus einem Metalloxid, einem Halbleiter, einem Dielektrikum, einem Ferroelektrikum oder aus einer Kombination dieser Stoffe.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind in dem Verdrahtungsträger auf engstem Raum elektrische Durchkontaktierungen und passive elektrische und magnetische Funktionselemente integriert. Die nicht dargestellte Verdrahtung und die aufsetzbaren Bauelemente können sich auf beiden Seiten des Verdrahtungsträgers befinden. Die Masseelektrode 1 ist durch das Isolationsharz 2 von den anderen Elementen elektrisch getrennt. Zusammen mit der Potentialelektrode 3 bildet die Masseelektrode 1 die äußere Begrenzung der Verdrahtungsträgerplatte. Inmitten des Verdrahtungsträgers befinden sich die vertikal angeordneten passiven elektrischen und magnetischen Funktionselemente.
Der Ohmsche Widerstand 4 wird zur Erzeugung eines Spannungsabfalls genutzt. Der Magnetowiderstand 5 und der Thermistor 6 sind Sensoren zur Messung äußerer Magnetfelder bzw. Temperaturänderungen. Sie geben dem Verdrahtungsträger neue funktionell Eigenschaften, die bisher nur mit zusätzlich montierten Bauelementen möglich waren.
Der Varistor 7 dient der Spannungskonstanthaltung und der Kondensator 8 bewirkt eine Trennung von Gleich- und Wechselspannung.
Die Spule 9 mit ihrem inneren Kern 10 bzw. zusätzlich mit ihrem äußeren Mantel 18 bildet eine Induktivität. Der Kern und der Mantel konzentrieren die magnetischen Feldlinien. Eine darüber befindliche Eisen-Nickel-Schicht, die nur durch die elektrischen Anschlüsse der Spule unterbrochen wird, verringert zusätzlich die magnetischen Streuverluste und ermöglicht so die Gestaltung einer größeren Induktivität mit hoher Güte bei minimalem Raumbedarf.
Die innere Spule 27 bildet mit der äußeren Spule 28 einen Übertrager zur Transformation von Wechselspannungen und Wechselstromwiderständen. Das Isolierharz 29 trennt beide Spulen voneinander.
Die vertikalen elektrischen Funktionselemente sind prinzipiell auf der Vorder-und der Rückseite des Verdrahtungsträgers mit der Verdrahtungsstruktur verbunden. Die horizontalen Funktionselemente Schichtkondensator 11, Varistor 12, Thermistor 13, Magnetowiderstand 14, Ohmscher Widerstand 15 und Fotowiderstand 31 sind Schichtstrukturen, wobei das Funktionselement stets zwischen zwei Metallelektroden liegt. Die Verbindung mit der Verdrahtungsstruktur braucht dann nur auf einer Seite der Trägerplatte erfolgen und die Metallelektroden können selbst als Durchverbindung genutzt werden.
Die Felder 16 bestehen aus isolierten, dicht gepackten Drähten mit kleinem Durchmesser. Die massive Durchkontaktierung 17 setzt sich aus prismatischen isolierten Aluminiumstempeln zusammen, die für den äußeren elektrischen Anschluß des Verdrahtungsträgers auf dem nächst höheren Verdrahtungsniveau genutzt werden.
Ein oder mehrere massive Profile 32 besitzen eine glatte Oberfläche und einen äußeren Querschnitt, der dem Querschnitt von an diesen Stellen einzufügenden mikroelektronischen Bauelementen entspricht. Durch die glatte Oberfläche lassen sich die Profile 32 leicht aus dem Verdrahtungsträger entfernen und an diese Stelle können mikroelektronische Bauelemente platzsparend angeordnet werden.
Die hohlen Profile 33 mit einem inneren Querschnitt, der dem Querschnitt von einzufügenden mikroelektronischen Bauelementen entspricht, verbleiben im Verdrahtungsträger.
Die mikroelektronischen Bauelemente werden im Hohlraum angeordnet.
In Fig. 2 wird der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Verdrahtungsträgers für die Montage von Nacktchips gezeigt. Die Masseelektrode 1 bildet zusammen mit der Potentialelektrode 3 den Rand des Verdrahtungsträgers. Das Epoxydharzglasseidenlaminat 2 verbindet alle Teile des Verdrahtungsträgers. Der Kleber 19 ermöglicht die dauerhafte quasi hermetische Befestigung des Deckels 20, der dem Schutz des Speicherschaltkreises 21 dient. Über die Bonddrähte 22 wird die elektrische Verbindung zur Verdrahtungsstruktur 23 hergestellt. Die Verdrahtungsstruktur auf der Unterseite der Trägerplatte ist über das Druckkontaktierungsfeld 16, die Elektroden 11 a und 11 b oder die massive Durchkontaktierung 17 mit der Leitbahnstruktur auf der Oberseite verbunden.
Der horizontale Kondensator mit seinem Dielektrikum 11 und seinen Elektroden 11 a und 11b sowie der vertikale Varistor 7 sind zwei der möglichen passiven elektrischen Funktionselemente. Die Spule 9 mit ihrem Kern 10 befindet sich unmittelbar unter dem Hallgenerator 25 und ermöglicht so die Bestimmung der elektrischen Leistung, die auf dem gesamten Verdrahtungsträger umgesetzt wird. Damit ist ein wirkungsvoller Schutz von Kompaktbaugruppen vor Zerstörung infolge von Überlastung gegeben.
Die Anschlußstifte 26 dienen der elektrischen Verbindung zum nächst höheren Verdrahtungsniveau.

Claims (8)

1. Verdrahtungsträger mit integrierten passiven elektrischen Funktionselementen für mikroelektronische Bauelemente, bestehend aus einer ebenen, thermisch gut leitenden Trägerplatte, wobei mindestens eine Seite der Trägerplatte eine Verdrahtungsstruktur aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die ebene Trägerplatte durch scheibenweises Zertrennen eines mit metallischen und nichtmetallischen Profilen beliebigen Querschnittes, bestehend aus einer Legierung, einem Metalloxid, einem Halbleiter, einem Glas, einem Dielektrikum, einem Ferroelektrikum oder einer Kombination dieser Stoffe, axial durchsetzten Stranges entstanden ist, daß die Trägerplatte an definierten Stellen senkrecht angeordnete Durchkontaktierungen (16,17) und wenigstens ein passives elektrisches Funktionselement (4,... 15, 30,31) enthält, daß ein oder mehrere massive Profile (32) einen äußeren und ein oder mehrere hohle Profile (33) einen inneren Querschnitt besitzen, der dem Querschnitt von an diesen Stellen einzufügenden mikroelektronischen Bauelementen entspricht und daß die massiven Profile (32) eine glatte Oberfläche aufweisen,
2. Verdrahtungsträger nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das passive elektrische Funktionselement ein vertikal oder horizontal angeordneter Kondensator ist.
3. Verdrahtungsträger nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das passive elektrische Funktionselement ein vertikal oder horizontal angeordneter Varistor (7,12) ist.
4. Verdrahtungsträger nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das passive elektrische Funktionselement ein vertikal oder horizontal angeordneter ohmscher Widerstand (4,15) ist.
5. Verdrahtungsträger nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das passive elektrische Funktionselement ein temperatur- oder magnetfeldempfindlicher Sensor (5, 6,13,14) ist.
6. Verdrahtungsträger nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das passive elektrische Funktionselement eine Spule (9) ist.
7. Verdrahtungsträger nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß zwei in definierter Weise angeordnete, magnetisch verkoppelte Spulen (26, 27) einen Transformator bilden.
8. Verdrahtungsträger nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß über der Spule (9) ein Hallgenerator (25) oder ein photoelektromagnetischer Detektor angeordnet ist.
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