DE10015269A1

DE10015269A1 - Innenliegende Widerstände in Bohrungen von Leiterplatten

Info

Publication number: DE10015269A1
Application number: DE2000115269
Authority: DE
Inventors: Eduard Grasser; Helmut Katzier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-06-28

Abstract

In einer Leiterplatte wird durch Einbringen von Widerstandspaste in eine Bohrung ein elektrischer Widerstand, der in verschiedenen Ebenen der Leiterplatte ankontaktiert ist, realisiert. Die vorgeschlagene Lösung bringt DOLLAR A È ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren, das in den Standardprozeß der Leiterplattenherstellung problemlos integriert werden kann, DOLLAR A È sehr gute elektrische Eigenschaften, insbesondere für Abschlußwiderstände, da die Widerstände minimale parasitäre Einflüsse haben und unmittelbar in der Nähe des abzuschließenden Bauteils plaziert werden können, DOLLAR A È eine Herstellung von Widerständen mit geringen Widerstandstoleranzen mit sich.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von elektrischen Widerständen in einer Leiterplatte und eine Leiterplatte mit integriertem elektrischem Widerstand.

Komplexe elektronische Schaltungen werden auf Multilay er(mehrlagigen)-Leiterplatten aufgebaut. Auf diesen Baugrup pen befinden sich i. a. sehr viele Einzelbauteile und integ rierte Schaltungen. Die hohe Bauteiledichte führt zu Ent flechtungsproblemen und kostenintensiven Leiterplatten mit sehr vielen Lagen. Es gibt daher Ansätze, passive Bauteile (Spulen, Kondensatoren, Widerstände) in die Leiterplatten zu integrieren um somit auf den Leiterplattenoberflächen Platz zu sparen und eine elektrisch optimale Entflechtung zu erzie len. Im allgemeinen werden auf den Leiterplatten besonders viele Widerstände benötigt. Dabei sind folgende Anwendungen zu unterscheiden:

- Serienwiderstände (Pull up/pull down-Widerstände) inner halb eines Signalweges, die größere Widerstandstoleranzen aufweisen können (z. B. ± 25%),
- Abschlußwiderstände gegen Masse, die geringere Toleranzen besitzen sollen (z. B. ± 10%).

Serienwiderstände treten insbesondere in digitalen Schaltun gen in großen Stückzahlen auf.

Abschlußwiderstände werden häufig bei elektrischen Verbindun gen zwischen kundenspezifischen Bausteinen ASICs (Application Specific Integrated Circuit) benötigt. Diese Abschlußwider stände müssen einen möglichst genauen Widerstandswert besit zen (z. B. 50 Ω ± 5%) und dürfen nur geringe elektrische Pa rasitics (Zuleitungsinduktivitäten, -kapazitäten) aufweisen. Konzentrierte Widerstände auf den Leiterplattenoberflächen müssen über Durchkontaktierungen und Lötpads mit den Signal leitungen verbunden werden. Dadurch ergeben sich erhebliche Störungen der elektrischen Signale. Innenliegende Abschlußwi derstände können direkt an die Signalleitung angeschlossen werden und wodurch der störende Einfluß von Parasitics we sentlich reduziert wird.

Der Einsatz von innenliegenden Widerständen führt zu einer wesentlichen Reduzierung der Bauteiledichte auf den Leiter platten und ermöglicht eine deutliche Verbesserung der elekt rischen Performance der systeminternen Übertragungswege.

Für die Herstellung von innenliegenden Widerständen werden von den führenden Leiterplattenherstellern zwei Verfahren fa vorisiert:

- gedruckte Widerstände (auch Dickschicht-Technik),
- geätzte Widerstände.

Bei dem Verfahren für gedruckte Widerstände werden mittels Siebdruck Widerstandspasten auf die Innenlagen gedruckt und anschließend durch einen Einbrennprozeß ausgehärtet. Unter schiedliche Widerstandswerte werden über die geometrischen Abmessungen und/oder verschiedene Pasten realisiert. Wider standspasten sind mit Widerstandswerten von 1 Ω/sq bis 1 MΩ/sq verfügbar. Allerdings kann mit einer Widerstands paste bei Berücksichtigung bestimmter Maximalgrößen nur eine begrenzte Anzahl von verschiedenen Widerstandswerten reali siert werden.

Ein Hauptproblem bei der Herstellung von Dickschicht-Wider ständen liegt bei der Gewährleistung von genügend geringen Toleranzen. Da der Widerstandswert entscheidend von den geo metrischen Abmessungen abhängt, werden die Widerstandstole ranzen durch die Toleranzen bei dem Siebdruck bestimmt. Zur Zeit können die Leiterplattenhersteller Widerstände mit Tole ranzen von + 25% ohne Abgleich herstellen. Für pull up und pull down Widerstände in digitalen Schaltungen sind solche Toleranzen völlig ausreichend. Für Widerstände in analogen Schaltungen, insbesondere Abschlußwiderstände, werden aber wesentlich geringere Toleranzen benötigt (z. B. + 5%). Theo retisch können die Toleranzen von gedruckten Widerständen mittels Laserabgleich auf + 5% reduziert werden. Der Laser abgleich ist aber sehr teuer.

Die Kostenvorteile von innenliegenden Widerständen gegenüber konventionellen diskreten Widerständen hängen ganz wesentlich von der Anzahl der vergrabenen Widerstände, der Anzahl der notwendigen Widerstandslagen und den verschiedenen Wider standspasten ab.

Bei dem Verfahren für geätzte Widerstände werden die vergra benen Widerstände mit Hilfe einer speziellen Kupferfolie (z. B. Ohmega-ply®) hergestellt. Diese Kupferfolie ist auf der Unterseite mit einer metallischen Widerstandsschicht be schichtet. Die Widerstände werden durch einen separaten Ätzprozeß bei der Leiterplattenherstellung erzeugt. Mit dem Ätzprozeß können genauere Geometrien und damit geringere Wi derstandstoleranzen (± 7%) als beim Siebdruck realisiert werden. Ein wesentlicher Nachteil von geätzten Widerständen sind die deutlich höheren Kosten als bei Pastenwiderständen.

Beide Verfahren sind sehr kostenintensiv. Insbesondere innen liegende Widerstände, deren Toleranzen durch Laserabgleich reduziert werden, können in kommerziellen Leiterplatten auf grund der hohen Kosten nicht eingesetzt werden.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, ein Ver fahren zur Herstellung eines Widerstandes in einer Leiter platte und eine Leiterplatte mit einem Widerstand anzugeben, die die angegebenen Nachteile vermeiden.

Das Problem wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Erfindung bringt durch Füllung von mechanisch gebohrten Bohrungen mit Widerstandspasten eine Herstellung von kosten günstigen und genauen innenliegenden Widerständen mit sich.

Im einzelnen ergeben sich folgende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Technologie:

- einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren welches in den Standardprozeß der Leiterplattenherstellung problem los integriert werden kann,
- sehr gute elektrische Eigenschaften, insbesondere für Abschlußwiderstände, da die Widerstände minimale parasitäre Einflüsse haben und unmittelbar in der Nähe des abzuschlie ßenden Bauteils plaziert werden können,
- Herstellung von Widerständen mit geringen Widerstandstole ranzen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden als Ausführungs beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an hand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1a und Fig. 1b erfindungsgemäße Widerstände in der Bohrung einer Leiterplatte als Serien widerstände in einer Signalleitung,

Fig. 1c und Fig. 1d erfindungsgemäße Widerstände in der Bohrung einer Leiterplatte als Abschlußwiderstände zwischen Signal leitung und Versorgungs- bzw. Masse ebenen,

Fig. 2 Kurvenscharen mit den Parameter R/ρ in Abhängigkeit des Bohrdurchmessers D und der Höhe H zwischen den Ankontak tierungen, sowie

Fig. 3 den Toleranzbereich des Widerstandes in Abhängigkeit des Bohrdurchmesser.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele mente.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren werden die innenliegen den Widerstände mit Hilfe von Widerstandspasten WP und kreis zylindrischen Bohrungen in der Leiterplatte FR4-ML (Multilay er) realisiert. Der Widerstandswert wird durch den spezifi schen Widerstand ρ der Widerstandspaste, den Durchmesser der Bohrung D und die Länge der Bohrung H zwischen den Ankontak tierungen bestimmt (Fig. 1). Der Zusammenhang zwischen den Geometrie und Materialdaten lautet:

Die Ankontaktierung der Widerstandspaste erfolgt an den Me tallisierungsflächen der (Signal-)Leitungen (strichliert dargestellt) bzw. Versorgungs- und Masseebenen (als durchge hende Linie dargestellt). Mit dem Verfahren können sowohl Se rienwiderstände in einer Signalleitung (Fig. 1a/b) als auch Abschlußwiderstände zwischen Signalleitung und Versorgungs- und Masseebenen (Fig. 1c/d) realisiert werden. Die Wider stände lassen sich während unterschiedlichen Prozeßschritten der Leiterplatten-Herstellung anfertigen. Durch Bohrungen in vollständig verpreßten Multilayern (Fig. 1a, c), Bohrungen in mehrfach verpreßten Multilayern (Fig. 1b) oder mit z- achsenrichtigen Bohrungen (Fig. 1d).

Mit den heute verfügbaren Widerstandspasten können in Abhän gigkeit der Bohrgeometrien beliebige Widerstandswerte reali siert werden.

Fig. 2 zeigt Kurvenscharen mit den Parameter R/ρ in Abhän gigkeit des Bohrdurchmessers D und der Höhe H zwischen den Ankontaktierungen. Die Kurven zeigen, daß mit den in Leiter platten kostengünstig realisierbaren mechanischen Bohrungen und den heute verfügbaren Widerstandspasten alle erforderli chen Widerstandswerte realisiert werden können.

Beispiel: Für einen 50 Ω Widerstand mit einem Kontaktie rungsabstand von H = 1.5 mm und einer Widerstandspaste mit einem spezifischen Widerstand von ρ = 25 Ω mm (d. h. R_sq = 2 KΩ/sq) wird eine Bohrung mit einem Durchmesser von D = 1.0 mm benötigt.

Die Widerstandstoleranzen werden durch die Toleranzen der Wi derstandspaste, des Bohrdurchmessers und des Ankontaktierab standes bestimmt. Fig. 3 zeigt den Toleranzbereich des Wi derstandes in Abhängigkeit des Bohrdurchmesser bei einer Bohrtoleranz von ± 25 µm. Die Kurven verdeutlichen, daß mit den üblichen Bohrdurchmessern problemlos Widerstandstoleran zen kleiner als ± 5% erreicht werden können. Zu den Toleran zen des Bohrdurchmessers kommen allerdings noch die Toleran zen der Widerstandspaste (≈ 5%) und des Ankontaktierungsab standes (≈ 10%) hinzu.

Serienwiderstände mit großen Toleranzen (≈ 20%) können mit dem beschriebenen Verfahren problemlos realisiert werden. Für Abschlußwiderstände mit Toleranzen kleiner als ± 5% müssen Widerstandspasten mit geringen Toleranzen verwendet werden und insbesondere die Ankontaktierungsabstände genau reali siert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Widerständen in einer Leiterplatte, demzufolge

- in eine Leiterplatte (FR4-ML) eine Bohrung eingebracht wird,
- in die Bohrung eine Widerstandspaste (WP) eingebracht wird, derart, dass sie in verschiedenen Schichten der Leiterplatte jeweils eine Ankontaktierung mit einem e lektrischen Leiter bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leiterplatte eine weitere Leiterplattenschicht aufgepresst wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Leiterplatte jeweils eine weitere Leiterplattenschicht aufgepresst werden.

4. Leiterplatte (FR4-ML) mit integriertem elektrischem Wider stand, bei der eine Widerstandspaste (WP) in eine Bohrung der Leiterplatte eingebracht ist, derart, dass die Widerstands paste in verschiedenen Schichten der Leiterplatte jeweils ei ne Ankontaktierung mit einem elektrischen Leiter bildet.

5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte eine mehrlagige Leiterplatte ist und die Widerstandspaste mit einem zwischen zwei Lagen angeordne ten Leiter ankontaktiert ist.

6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige Bohrung durch den elektrischen Lei ter die Ankontaktierungsfläche für die Widerstandspaste bil det.