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Die Erfindung betrifft den Aufbau und die Arbeitsweise elektronischer Anlagen, insbesondere die elektrische Verbindung verschiedener Teile, die Bestandteil einer elektronischen Anlage sind.
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Die meisten elektronischen Geräte werden aus einer Vielzahl funktioneller Teile zusammengebaut, die untereinander elektrisch verbunden werden müssen. Ein üblicher Teil, aus dem eine elektronische Einrichtung zusammengebaut ist, wird als „Platte“ oder „Karte“ bezeichnet. Platten bestehen aus elektronischen Bauelementen wie Speicherbauelementen, Steuerungen oder Prozessoren, gehaltert auf oder an einer „Leiterplatte“ („PCB“; Printed Circuit Board). Eine Leiterplatte enthält üblicherweise eine isolierende oder nicht-leitende Schicht, auf der oder in der elektrisch leitende Bahnen gedruckt oder geätzt sind. Die Bahnen verbinden die elektrischen Bauelemente untereinander über die Platte und in einigen Fällen auch durch die Platte hindurch. Weiterhin enthält eine Leiterplatte typischerweise mehrere solche, laminierte Plattenschichten. Bei einer solchen eher typischen Ausführungsform können leitende Schichten zwischen Isolierschichten laminiert sein, um Leiterbahnen in einer mehrschichtigen Leiterplatte zu bilden. Die elektrisch leitenden Bahnen in unterschiedlichen Plattenschichten sind elektrisch durch sog. „Vias“ verbunden. Vias werden durch die Plattenschichten gebohrt und entweder mit Metall über die Länge der Bohrung plattiert oder mit einem metallischen Stopfen ausgefüllt. Der Begriff „Via“ ist hier also in allgemeiner Bedeutung zu verstehen und beinhaltet - ohne Beschränkung - plattierte Durchgangslöcher, Sackbohrungen und auch Bohrungen, die mit metallischen Einsätzen ausgekleidet sind. Elektronische Bauelemente werden üblicherweise auf der Außenseite einer solchen „Mehrschicht“-Leiterplatte gehaltert, anstatt zwischen Schichten vor dem Laminiervorgang eingebettet zu werden.
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Die internen Funktionen, die ein Teil einer elektronischen Anlage übernimmt, sind üblicherweise durch Funktionen auf zugehörigen Leiterplatten getrennt. Platten werden häufig auch nach ihrer Funktion bezeichnet. Beispielsweise ist eine „Mutterplatte“ üblicherweise die Haupt- oder Rückwandleiterplatte eines Computers insofern, als die elektronischen Bauelemente, die den Betrieb des Computers leiten, z. B. die zentrale Verarbeitungseinheit, ein Speicher sowie Grund-Steuerungen, auf dieser Leiterplatte gehaltert sind. Aus diesem Grund wird die Mutterplatte in einigen Fällen auch als „Systemplatte“ oder „Hauptplatine“ bezeichnet. die Mutterplatine enthält typischerweise auch Verbinder zur Anbringung von Bauelementen an dem Bus des Bauteils, oder einer Ansammlung von Drähten, über die elektronische Information ausgetauscht wird. Andere Arten von Platinen, wie sie häufig angesprochen werden, beinhalten:
- - Rückwandleiterplatten oder Schaltungsplatinen, welche Fassungen enthalten, in die andere Leiterplatten eingesteckt werden können;
- - Erweiterungsplatinen, bei denen es sich um irgendeine Leiterplatte handeln kann, die in einen der Erweiterungssteckplätze eines Anlagenteils einsteckbar ist, oder die Steuerungsplatinen, lokalen Netzwerk-(LAN-)Karten sowie Videoadapter enthalten;
- - eine Tochterplatine, bei der es sich um irgendeine Platine handeln kann, welche direkt an einer anderen Platine befestigt wird;
- - Steuerplatinen, bei denen es sich um einen Spezialtyp einer Erweiterungsplatine handelt, und die eine Steuerung für ein Peripheriegerät aufweist;
- - Netzwerk-Schnittstellenkarten, das sind Erweiterungsplatinen, die es einem elektronischen Anlagenteil ermöglichen, an ein Netzwerk angeschlossen zu werden; und
- - Videoadapter, das sind Erweiterungsplatinen, die eine Steuerung für einen Graphikmonitor enthalten.
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Diese Liste ist beispielhaft, nicht aber erschöpfend. Man beachte, dass die Kategorisierungen einander überlappen, so dass irgendeine spezielle Platine auch zu einer oder mehreren anderen Arten von Platinen gerechnet werden könnte.
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Leiterplatten (Platinen) sollen typischerweise untereinander „verbunden“ werden können, um ihre vorgesehenen Funktionen erfüllen zu können. Diese Verbindungen haben Einfluß auf die Leistungsfähigkeit. Mit der sich entwickelnden Technologie und mit dem Komplexer-Werden elektronischer Anlagen haben diese Verbindungen einen noch größeren Einfluß auf die elektrische Leistungsfähigkeit und erlangen damit zunehmende Bedeutung. In einigen Fällen wird eine Platine direkt in eine andere Platine gesteckt, so wie eine Tochterplatine und eine Mutterplatine. In anderen Fällen sind an den Leiterplatten Verbinder gehaltert, und es werden Kabel in die Verbinder gesteckt, um die Platinen zu verbinden. In jedem Fall hat jede Verbindung abträglichen Einfluß auf die Signalqualität und den Informationsdurchsatz. Selbst eine einzelne Verbindung, kann, wenn sie ausreichend schlecht ausgeführt ist, die elektrische Leistungsfähigkeit der Anlage mindern. Mit steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit nimmt auch die Bedeutung der Verbindungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit zu.
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Ein relativ alter Verbindungstyp ist die „Durchgangslochverbindung“. Diese Vorgehensweise wurde spätestens in den frühen 60ern entwickelt und wurde dann rasch verbessert. Ein Beispiel für diese Vorgehensweise findet sich in dem
US-Patent 3 436 819 mit dem Titel „Multilayer Laminate“ vom 8. April 1969 von Litton Systems, Inc. als Anmelder und David Lunine als Erfinder („das Patent „819“). Im Grunde genommen erfordert diese Art von Verbindung, dass die Schaltungen auf den verschiedenen Metallschichten innerhalb der Platine vertikal miteinander fluchtende „Kontaktflächen“ oder „Pads“ aus Metall aufweisen. Dann wird durch die Platine ein Loch gebohrt, und das Loch wird mit Metall plattiert. Die Metallbeschichtung der Bohrung verbindet die unterschiedlichen Schaltkreise auf der Platine elektrisch untereinander. Eine zweite Platine trägt einen Stift oder Pin, und dieser Pin passt zu der metallisierten Bohrung, wodurch eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Platine geschaffen wird.
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Allerdings hat diese Methode zahlreiche charakteristische Merkmale, welche die Leistungsfähigkeit begrenzt haben. Beispielsweise schränken diese charakteristischen Merkmale die Platzierung von Leiterbahnen und die Dichte auf den Platinen ein, womit sich der Stand der Technik dann befasste. Man vergleiche das Patent '819, Spalte 1, Zeile 52 bis Spalte 2, Zeile 11; das
US-Patent 4 787 853 mit dem Titel „Printed Circuit Board with Through-Hole Connection“ vom 29. November 1988 von Kabushiki Kaisha Toshiba als Anmelderin und Yutaka Igarashi als Erfinder. Außerdem deckte der Stand der Technik auf, dass man ein Innenprofil eines Durchgangslochs manipulieren kann, um die interne Leiterbahnanordnung zu erleichtern und dadurch die Leistungsfähigkeit zu steigern. Man vergleiche das
US-Patent 5 038 252 mit dem Titel „Printed Circuit Boars With Improved Electrical Current Control“ vom 6. August 1991 mit Teradyne, Inc. als Anmelderin und Lennard B. Johnson als Erfinder.
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WO 83/ 02 074 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer strukturierten Beschichtung auf eine Leiterplatte ohne die Verwendung einer Mustermaske. Eine Oberfläche der Leiterplatte ist mit ungehärtetem Material beschichtet, das einer Härtungsreaktion unterliegt, die durch die Anwesenheit von Sauerstoff gehemmt wird. Die Dicke des Materials auf den Flächen, die Löcher durch die Leiterplatte umgeben, wird reduziert, indem ein Teil des Materials in die Löcher fließt. Das Material wird dann in Gegenwart von Sauerstoff einer Energiequelle ausgesetzt, welche nur die Härtungsreaktion von Unterschichten des Materials, die durch Deckschichten des Materials von dem Sauerstoff getrennt sind, beschleunigt. Oberflächenschichten des Materials, einschließlich im Wesentlichen der gesamten Dicke der Bereiche reduzierter Dicke der Schicht, bleiben ungehärtet, was eine anschließende selektive Entfernung der ungehärteten Teile des Materials ermöglicht. In Seitenwände der Löcher werden mit Metall beschichtet.
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US 5 961 349 A offenbart eine Baugruppe mit mindestens einem abgeschirmten Verbinder. Jeder abgeschirmte Verbinder ist mit einer vorbestimmten Seite der Platine verbunden und mit mindestens einem Signalkontaktelement versehen, das in eine Öffnung in der Platine eingepasst ist. Der Verbinder weist eine Abschirmung auf, um jedes Signalkontaktelement abzuschirmen. Die Platine ist, außer in einem Bereich, in dem Verbinder an der Platine angebracht sind, auf einer Seite mit einer ersten durchgehenden elektrisch leitenden Schicht und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer zweiten durchgehenden elektrisch leitenden Schicht versehen. Dabei ist jedes der abgeschirmten Verbindergehäuse elektrisch mit einer der Schichten verbunden, um zu verhindern, dass sich elektromagnetische Strahlung, die von einem der Signalkontaktelemente erzeugt wird, nach außen ausbreitet.
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JP H03 145 791 A beschreibt eine Leiterplatte, die aus einer ersten Platine und einer zweiten Platine besteht. Die erste Platine ist mit einem Durchgangsloch versehen, in das ein Leiterstift eingeführt ist. Die zweite Platine ist mit einem Lötfüllloch versehen, dessen Durchmesser größer als der des Durchgangslochs ist und das sich über dem Durchgangsloch befindet. Ein Kopf des Leiterstifts ist in das Durchgangsloch eingeführt. An dem Leiterstift ist ein Kragen vorgesehen, um auf einem Steg aufzuliegen. Die Innenwand des Durchgangslochs ist mit einer Beschichtung beschichtet. Die Beschichtung ist elektrisch mit dem Steg auf der Vorderseite der Platine und mit einem Steg auf der Rückseite der Platine verbunden.
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Mit dem stetigen Komplexer-Werden elektronischer Anlagen und einer andauernden raschen Zunahme der Leistungsfähigkeit unterliegen sämtliche Bereiche des Systementwurfs einer neuerlichen Überprüfung. Verbindungen sind dabei keine Ausnahme. Selbst geringe Verbesserungen beim Entwurf einer Verbindung kann die Leistungsfähigkeit eines Systems bei Hochleistungsanwendungen signifikant beeinflussen. Darüber hinaus ist im Stand der Technik bislang noch nicht vollständig verstanden worden, wie der Einfluss des Entwurfs der Verbindung auf die elektrischen Eigenschaften des Signalwegs ist.
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Eine der typischen Erwägungen bei der Gestaltung einer Verbindung ist die Entwicklung eines guten, soliden elektrischen Kontakts zwischen dem Pin und der Fassung, die die Verbindung bilden. Vergleiche das US-Patent
5 619 791 mit dem Titel
„Method for Fabricating Highly Conductive Vias" vom 15. April 1997 der Anmelderin Lucent Technologies, Inc. der Erfinder Vincent G. Lambrecht, Jr., et al. Eine typische Vorgehensweise ist die, dass die gesamte Länge des Vias mit Metall überzogen wird, um die Fläche für den leitenden Kontakt zwischen dem Stift und der Buchse zu maximieren. Darüber hinaus glauben einige Fachleute, dass „längere“ oder „tiefere“ Vias dazu beitragen, unerwünschte Induktivitäten zwischen einzelnen Schichten zu reduzieren oder zumindest zu beherrschen, zumindest bei kleinen Via-Durchmessern, siehe das US-Patent
5 841 975 mit dem Titel
„Method for Reducing Via Inductance in an Electronic Assembly and Article" vom 24. November 1998 mit W. L. Gore & Associates, Inc. als Anmelderin und David A. Hanson als Erfinder. Außerdem nehmen einige Fachleute an, dass der Entwurf eines Kontakts der Verbindung geringen Einfluss auf die elektrische Leistungsfähigkeit hat. Allerdings wurde festgestellt, dass diese Vorgehensweisen tatsächlich der Leistungsfähigkeit abträglich sind, insbesondere bei Hochleistungs-Rechneranwendungen.
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Überwunden werden diese Probleme durch eine elektrische Verbindung gemäß Anspruch 1.
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Die Erfindung ist eine Verbindung zur Verwendung in einer elektronischen Anlage. Die Verbindung enthält eine Leiterplatte mit mit mehreren isolierenden Schichten, wenigstens einer elektrischen Leiterbahn, die zwischen zwei der isolierenden Schichten eingebettet ist, und mit einem Via, wobei das Via eine Bohrung mit einem Umfang und einer Gesamttiefe aufweist. Die Verbindung enthält auch eine elektrisch leitende Hülse, die sich um zumindest einen Teil des Umfangs der Bohrung erstreckt, wobei die Hülse die Leiterbahn kontaktiert, und ein Kontaktstück mit einem in der Hülse positionierten ersten Ende. Das erste Ende enthält einen nachgiebigen Presssitzteil mit einer nachgiebigen „C“-Struktur, der im Presssitz an der Leiterplatte angebracht ist. Die Hülse hat eine vorbestimmte Tiefe derart, dass sich die Hülse über eine erste isolierende Schicht hinaus erstreckt, die auf einer ersten Seite der Leiterbahn an die Leiterbahn angrenzt, wobei die vorbestimmte Tiefe geringer als die Gesamttiefe der Bohrung ist, und derart, dass sich die Hülse nicht über eine zweite isolierende Schicht hinaus erstreckt, die auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterbahn an die Leiterbahn angrenzt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschriebene. Es zeigen:
- 1 eine fragmentarische, isometrische rechtwinklige Schnittansicht einer Verbindung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine isometrische Ansicht einer speziellen Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Kontakts;
- 3A eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht eines Vias, beispielsweise des Vias in der Verbindung nach 1, aufgebaut gemäß der Erfindung;
- 3B-3F Schnittebenen alternativer Ausführungsformen für erfindungsgemäß ausgebildete Vias;
- 4 die Verbindung nach den 1 bis 3A, aus deren Zusammenhang 1 herausgenommen ist;
- 5 die Mutterplatinen-Steckeranordnung und die Tochterplatinen-Buchsenanordnung der Verbindung nach 4 in teilweise auseinandergezogener Ansicht;
- 6 eine Alternative der Steckeranordnung gegenüber 5, welche bei dem Kontakt eingesetzt werden kann; und
- 7A-7B Ausführungsformen des Kontakts gemäß der Erfindung entspre- chend der 2.
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Während die Erfindung zahlreichen Abwandlungen und alternativen Bauformen zugänglich ist, sind hier spezielle Ausführungsformen in den Zeichnungen als Beispiel dargestellt, und diese werden hier im Einzelnen erläutert. Allerdings versteht sich, dass die vorliegende Beschreibung spezieller Ausführungsformen die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausgestaltungen beschränken soll; ganz im Gegenteil soll die Erfindung sämtliche Abwandlungen, Äquivalente sowie Alternativen, die in den Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung gemäß den beigefügten Patentansprüchen fallen, abdecken.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben. Im Interesse der Klarheit werden nicht sämtliche Merkmale einer aktuellen Implementierung in der vorliegenden Beschreibung erläutert. Natürlich erkennt man, dass im Zuge der Entwicklung jeder solchen aktuellen Ausführungsform zahlreiche implementierungs-spezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um den spezifischen Zielen des Entwicklers zu entsprechen, so zum Beispiel Flexibilität gegenüber systemspezifischen und geschäftsspezifischen Beschränkungen, die von einer Implementierung zur anderen unterschiedlich sind. Darüber hinaus sieht man, dass solche Entwicklungsbemühungen, auch wenn sie komplex und zeitraubend sind, für den Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung Routinearbeit darstellen.
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Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, stellt 1 eine fragmentarische rechtwinklige Schnittansicht einer Verbindung 100 zwischen einer mehrlagigen Leiterplatte 110 und einer anderen Komponente dar, z. B. einer zweiten (nicht gezeigten) Leiterplatte. Die Verbindung 100 ist eine Ausführungsform der Erfindung, aufgebaut gemäß deren Lehre. Man beachte, dass die Erfindung nicht notwendigerweise beschränkt ist auf Verbindungen zwischen Leiterplatten, und dass die Verbindung auch u. a. zwischen einem Verbinder eines Kabels, einem aktiven Bauelement und einer Leiterplatte bei anderen Ausführungsformen sein könnte. Die Verbindung 100 wird grundsätzlich implementiert durch das Einführen eines Kontaktstücks 100 in ein Via 130 und die Schaffung einer abtrennbaren Schnittstelle 140, wie dies weiter unten erläutert wird. 1 zeigt lediglich eine einzige Anordnung aus Kontaktstück 120, Via 130 und trennbarer Schnittstelle 140 im Rahmen der Verbindung 100. Wie allerdings der Fachmann im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung erkennt, enthält eine Verbindung typischerweise eine Mehrzahl derartiger Kombinationen.
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2 ist eine isometrische Ansicht einer speziellen Ausführungsform eines Kontaktstücks 120a, welches erfindungsgemäß gestaltet ist. Bei dieser speziellen Ausführungsform enthält das Kontaktstück 120 einen Körper 200, der aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist. Geeignete Werkstoffe für die Herstellung enthalten - jedoch ohne Beschränkung - Kupfer, modifiziertes Kupfer, Eisenkupfer, rostfreien Stahl, Bronze, Phosphorbronze sowie Berylliumkupfer. Der Kontaktkörper 200 enthält ein erstes Ende 220 und ein zweites Ende 240, die beide einer gestalterischen Abwandlung zugänglich sind. Man beachte zum Beispiel, dass das zweite Ende 240 des Kontaktstücks 120a in 2 sich von demjenigen des Kontaktstücks 120 nach 1 unterscheidet. Diese und weitere Abwandlungen werden im Folgenden näher diskutiert.
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Zurückkehrend zu der 2, enthält bei dieser speziellen Ausführungsform das erste Ende 220 einen nachgiebigen Presssitzteil 210. Das zweite Ende 240 enthält eine kästchenähnliche oder „kastenförmige“ StiftAnschlussbuchse 230. Der Presssitzteil 210 ist insbesondere eine nachgiebige „C“-Struktur, kann alternativ aber auch eine Nadelöhrstruktur oder in anderen Ausführungsformen ein Splint sein. Eine handelsübliche Splint-Struktur, die sich für einige Aspekte der vorliegenden Erfindung eignet, findet sich in dem Kontakt, der unter der Handelsbezeichnung ACTION PIN® der Firma AMP, Inc., der Anmelderin der vorliegenden Erfindung vermarktet wird. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann das erste Ende 220 sogar eine Lötfahne sein, die weder nachgiebig noch eine Presssitzstruktur ist. Eine Struktur 250 erstreckt sich von dem Presssitzteil 210 über einen ersten Hals 252, und die Stiftanschlussbuchse 230 erstreckt sich ausgehend von der Struktur 250 über einen zweiten Hals 254. Die Struktur 250 ist bei dieser speziellen Ausführungsform etwa quadratisch geformt, allerdings ist die Form der Struktur 250 für die praktische Umsetzung der Erfindung nicht zwingend. Einige alternative Ausführungsformen des Kontaktstücks 120 können sogar ohne die Struktur 250 auskommen.
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Die Stiftanschlussbuchse 230 umfasst das zweite Ende 240 des Kontaktstücks 120 und dient zur Schaffung eines elektrischen Kontakts. Dieser elektrische Kontakt ist eine lösbare Schnittstelle, die es ermöglicht, die Verbindung je nach Wunsch zustande kommen zu lassen oder zu trennen. Dieser elektrische Kontakt bildet einen Signalweg im Verein mit der Struktur 250 und dem Presssitzteil 210 zwischen zwei Leitern, beispielsweise elektrischen Leiterbahnen in zwei verschiedenen Leiterplatten. Man beachte, dass jede geeignete, aus dem Stand der Technik bekannte Struktur dazu hergenommen werden kann, den elektrischen Kontakt an dem zweiten Ende 240 herzustellen. Daher können alternative Ausführungsformen irgendeinen anderen Mechanismus zur Schaffung einer lösbaren Schnittstelle einsetzen. Ein Mittel zur Schaffung eines Oberflächenkontakts, beispielsweise einer Lötstelle, ist ebenfalls möglich. Damit ist die Stiftanschlussbuchse 230 des Kontaktstücks 120 als Beispiel nur eine Einrichtung zur Schaffung des zweiten elektrischen Kontakts gemäß der Erfindung.
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3A ist eine teilweise geschnittene, isometrische Ansicht eines Vias 330, so zum Beispiel des Vias 130 in der Verbindung 100 nach 1, aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Via 330 enthält eine Bohrung 310, gebildet in einer Leiterplatte 305. Die Leiterplatte 305 ist eine mehrlagige Leiterplatte, sie umfasst mehrere Schichten 305a-305f, von denen jede einen Abschnitt der Bohrung 310 bildet. Die Schichten 305a, 305c, 305d, 305d und 305g sind Isolatoren, wohingegen die Schichten 305b und 305e Leiter sind. Die Schicht 305b enthält die Leiterbahn 345, und die Schicht 305e enthält die Leiterbahn 335, wie weiter unten diskutiert wird. Über zumindest einen Teilbereich des Umfangs der Bohrung 310 ist eine elektrisch leitende Hülse 320 gebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Hülse 320 über den gesamten Umfang der Bohrung 310 ausgebildet. Allerdings bedeckt die Hülse 320 nicht die vollständige Tiefe der Bohrung 310, vielmehr ist die Hülse 320 über eine vorbestimmte Tiefe dp der Bohrung ausgebildet, die kleiner ist als die Gesamttiefe d1 der Bohrung.
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Typischerweise erstreckt sich die vorbestimmte Tiefe dp vom oberen Ende 306 oder dem Boden 208 der Bohrung 310 bis gerade an der Leiterbahn 335 vorbei, mit der eine Kontaktgabe erwünscht ist, wie aus 3A hervorgeht. Aber auch bei Ausführungsformen, bei denen die Hülse 320 nicht an dem oberen Ende 306 (oder dem unteren Ende 308) der Bohrung 310 beginnt, endet die Hülse 320 kurz hinter der Leiterbahn 335. Insoweit bestimmt die Leiterbahn die vorbestimmte Tiefe dp. Wie der Fachmann sieht, sind die Begriffe „oberes Ende“ und „unteres Ende“ relativ und lassen sich je nach dem Entwerfer, dem Zusammenbauer oder dem Installateur austauschen. Die Leiterplatte 305 lässt sich gemäß üblicher Praxis anfertigen. Hierzu lässt sich jede geeignete Methode verwenden.
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Die Hülse 320 in 3A wird hergestellt, indem die Bohrung 310 auf der gesamten Strecke beginnend am oberen Ende 306 bis hin zu dem Boden 308 der Bohrung 310 durchgehend plattiert wird. Die Hülse 320 kann aus dem gleichen Material gefertigt werden wie das Kontaktstück 120, wenngleich dies unwahrscheinlich ist. Typischerweise wird die Hülse 320 aus Kupfer hergestellt, wohingegen das Kontaktstück 120 aus einem anderen Material, beispielsweise Phosphorbronze, hergestellt wird. Im Gegensatz zur üblichen Praxis wird die Bohrung 310 von dem unteren Ende 308 her in Richtung nach oben eingesenkt, bis gerade unter die Leiterbahn 335, um das Plattierungsmaterial unterhalb der Leiterbahn 335 auszuräumen. Dieses Ausräumen bildet eine Bodenkante 312 der Hülse 320. Bei dieser Ausführungsform fällt die Bodenkante 312 der Hülse 320 zusammen mit dem Boden der Schicht 305f. Allerdings sind Grenzflächen zwischen einzelnen Schichten bei dieser speziellen Ausführungsform ohne Bedeutung - die Lage der Leiterbahn 335 legt die vorbestimmte Tiefe dp fest.
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Die Ausgestaltung und die Fertigung der Bohrung 310 und der Hülse 320 ermöglichen eine Abwandlung gegenüber der in 3A dargestellten Ausführungsform. 3B bis 3F zeigen alternative Ausführungsformen 330a bis 330e, bei denen die jeweilige Bohrung und die Hülse durch Loch-Fräsen, durch Bohren, durch Gegen-Formen oder durch eine Kombination dieser drei Bearbeitungsarten gebildet sind. 3B bis 3F sind sämtlich Schnitt-Draufsichten. Insbesondere:
- - zeigt 3B eine Sack-Via, dessen Bohrung 310a mit dem oberen Ende 306 eingeformt ist, und dessen Hülse 320 gebildet ist durch Plattieren eines Abschnitts der Bohrung 310a;
- - zeigt 3C eine Bohrung 310b, deren oberes Ende 306 durch Formen eingesenkt ist, und deren unteres Ende 308 als Loch ausgebohrt ist, während die Hülse 320 mittels Durchplattieren eines Teils der Bohrung 310b gebildet ist;
- - zeigt 3D eine Bohrung 310c, deren oberes und unteres Ende 306, 308 durch Loch-Fräsen gebildet sind, nachdem die Bohrung 310c durchgehend plattiert wurde;
- - zeigt 3E eine Bohrung 310d, deren unteres Ende 308 als Loch ausgefräst wurde, nachdem die Bohrung 310d durchplattiert wurde; und
- - zeigt 3F eine Bohrung 310e, deren oberes Ende 306 ausgeformt ist, und deren unteres Ende 308 ausgefräst wurde, wobei die Hülse 320 gebildet ist mittels Durchplattierung der Bohrung 310e, nachdem das obere Ende 306 ausgeformt wurde, jedoch bevor das untere Ende 308 ausgefräst wurde.
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Allgemein gesprochen, wird eine Bohrung 310 oder 310d-310e durch Loch-Fräsen von derjenigen Seite her gebildet, die der Seite abgewandt ist, von der her die Kontaktstücke 120 eingesetzt werden. Im Fall der Bohrung 310c ist dies nicht möglich, da sie von beiden Seiten durch Fräsen einsenkt ist. Man beachte, dass bei einigen Ausführungsformen die Hülse 220 mindestens einen Flansch 322 besitzt, der sich über die obere und/oder die untere Fläche 332, 334 um den Umfang herum erstreckt. Die Flansche 322 sind dort, wo sie angetroffen werden, Artefakte des Herstellungsverfahrens, mit dessen Hilfe diese spezielle Ausführungsform gefertigt wird, sind aber nicht notwendig für die praktische Umsetzung der Erfindung.
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Ein Aspekt der Erfindung minimiert die vorbestimmte Tiefe dp unterhalb der Leiterbahn 335, soweit dies im Hinblick auf die Fertigungstechnologie und verfügbaren Werkstoffe möglich ist. Es wurde herausgefunden, dass eine Vergrößerung der Länge der Hülse 320 in der Bohrung 310 oder eines Vias 130 oder 330 die Kapazität erhöht, mit der der Signalweg durch das Via belastet ist. Der durch die Hülse 320 und das Kontaktstück 120 zustandekommende elektrische Kontakt sollte dennoch ausreichend gut sein, um eine Signalverschlechterung zu vermeiden. Damit wird die Länge der Hülse 320 nicht nur durch die verfügbare Fertigungstechnologie und die verfügbaren Werkstoffe beeinflusst, sondern auch durch Signalkennwerte. Die Art und Weise, auf die diese Faktoren zusammenspielen und das beeinflussen, was eine „minimal akzeptierbare“ vorbestimmte Tiefe dp darstellt, ergibt sich für den Fachmann durch die Lektüre der vorliegenden Offenbarung. Bei der in 3A dargestellten Ausführungsform besitzt die derzeitige Technologie des Senkbohrens oder zylindrischen Versenkens (counter-boring) typischerweise eine Toleranz von ± 4 mil, so dass die vorbestimmte Tiefe unterhalb der Leiterbahn 335 etwa 4 mil beträgt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung minimiert die Strecke, um welche das erste Ende 220 über die Hülse 120, 320 hinausragt, wenn die Verbindung hergestellt ist. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung dieser Strecke die kapazitive Last für die übertragenen Signale steigert, wenn auch nicht in dem Ausmaß wie eine übergroße Hülse. Im Idealfall ragt die vordere Spitze des ersten Endes 220 nicht über den Bodenrand 320 der Hülse 320 vor, wenn die Verbindung hergestellt ist. Bei einigen Ausführungsformen jedoch lässt sich jeder Idealfall möglicherweise nur auf Kosten einer minderen Leistungsfähigkeit erreichen. Die Gründe für ein Nicht-Erreichen des Idealfalls sind verschiedenartig und sind teilweise spezifisch für die Implementierung. Damit strebt die Erfindung vorzugsweise ein gewisses minimal akzeptierbares Überstehen über den unteren Rand 312 an.
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Das erste Ende 220 des Kontaktstücks 120 erstreckt sich daher, wenn es in der Bohrung 310 angeordnet ist, nicht wesentlich über die Hülse 320 hinaus. Wie erwähnt, bedeutet „minimal akzeptierbar“ im Idealfall Null, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Was ein „minimal akzeptierbares“ Überstehen bedeutet, ist implementierungsspezifisch, abhängig von einer Reihe von Faktoren. Beispiele für solche Faktoren sind die verfügbaren Werkstoffe, die verfügbaren Fertigungstechnologien, die elektrischen Kennwerte der zu übertragenden Signale und die Handhabungsprozeduren beim Zusammenbau. Das erste Ende 220 des Kontaktstücks 120 steht in diesem Zusammenhang nicht „wesentlich“ über oder vor, wenn es sich derart dich an der Bodenkante 312 der Hülse 320 befindet, wie dies im Hinblick auf solche Faktoren in der Praxis vernünftig ist.
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Zwei Methoden, mit deren Hilfe ein Via 130, 330 erfindungsgemäß hergestellt werden kann, sind gegenüber der gängigen Praxis modifiziert. Wie oben erwähnt, lässt sich die Hülse 320 herstellen durch Elektroplattieren des elektrisch leitenden Materials, so dass dieses die gesamte Innenfläche der Bohrung 310 bedeckt. Die Bohrung 310 wird dann von unten (oder oben) mit einer Versenkung (counter-sunk) versehen, um das plattierte Material bis zu einem Punkt auszuräumen, beispielsweise der Bodenkante 312, der gerade vor der Leiterbahn liegt, um das zu bilden, was dann zu der Hülse 320 wird. Man beachte, dass das Einsenken nicht den elektrischen Kontakt zwischen der Leiterbahn 335 und der Hülse 320 abträglich beeinflussen sollte. Bei einigen Abwandlungen dieser Methode kann die Bohrung 320 anstatt durch Fräsen (counter-sunk) auch durch Formen (counter-formed) gebildet werden. Alternativ kann die Hülse 320 in dem Abschnitt der Bohrung 310 ausgebildet werden, die durch jede einzelne Schicht 305a-g verläuft, solange sämtliche oder einige der Leiterplattenschichten 305a-305g hergestellt werden, aber bevor diese zusammen-laminiert werden. Diese Methode wird gegenüber dem in dem oben diskutierten Patent '819 offenbarten Verfahren modifiziert und eignet sich besonders gut für Sack-Vias, obschon sie für Durchgangs-Vias kaum eingesetzt wird. Man kann auch von anderen Methoden Gebrauch machen.
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4 zeigt die Verbindung 100 in größerem Zusammenhang 400, aus dem heraus die 1 herausgebrochen ist. Insbesondere wird das Kontaktstück 120 im Verein mit einer Verbindungsanordnung 500 eingesetzt, am Besten in 5 zu erkennen. Die Verbindungsanordnung 500 enthält bei dieser speziellen Ausführungsform eine Mutterplatinen-Buchsenverbindeanordnung 510 und eine zweiteilige Tochterplatinen-Pin-Verbindeanordnung 520. Die Mutterplatinen-Zwischenverbindeanordnung 510 und die Tochterplatinen-Pin-Verbindeanordnung 520 können irgendeine aus dem Stand der Technik bekannte Unteranordnung sein.
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Die Verbindung 100 (dargestellt in den 1 und 4) wird dadurch zusammengebaut, dass man das zweite Ende 240 des Kontaktstücks 120 in das (nicht gezeigte) untere Ende der (in 5 gezeigten) hochstehenden jeweiligen Buchsen 514 der Mutterplatinen-Zwischenverbindeanordnung 510 einführt. Das erste Ende 220 des Kontaktstücks 120 wird dann in das Via 130 eingeführt, und die zusammengebaute Mutterplatinen-Zwischenverbindeanordnung 510 und das Kontaktstück 120 werden im Presssitz an der Leiterplatte 110 angebracht. Die Tochterplatinen-Unteranordnung 520 wird dann zusammengebaut und bei dieser speziellen Ausführungsform in eine zweite (nicht gezeigte) Leiterplatte eingesetzt. Die Mutterplatinenanordnung, umfassend die Unteranordnung 510 und die Leiterplatte 110, wird dann mit der Tochterplatinenanordnung, umfassend die Unteranordnung 520 und die (nicht gezeigte) zweite Leiterplatte, zusammengefügt. Man beachte, dass dies eine lösbare Schnittstelle erzeugt, so z. B. die in 1 gezeigte lösbare Schnittstelle 140. Die vollständig zusammengebaute Verbindung ist in den 1 und 4 dargestellt.
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6 zeigt eine zu der Anordnung 500 nach 5 alternative Anordnung 600, bei der das Kontaktstück 120 dazu eingesetzt werden kann, eine Hochgeschwindigkeitsverbindung gemäß der Erfindung zu schaffen. Die Mutterplatinen-Unteranordnung 610 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Mutterplatinen-Unteranordnung 500, allerdings sind die hochstehenden Buchsen 614 etwas anders, um unterschiedlichen Ausgestaltungen der (nicht gezeigten) hier mitwirkenden Stifte Rechnung zu tragen. Die zweiteilige Tochterplatinen-Pin-Anordnung 620 ist ähnlich abweichend aufgebaut zwecks Anpassung an unterschiedliche Pin-Gestaltungen. Der Zusammenbau der Verbindung 100 mit der Anordnung 600 geschieht in der gleichen Weise wie bei der Anordnung 500, wie dies oben diskutiert wurde.
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7A-7B veranschaulichen Ausführungsformen des Kontaktstücks 120 gemäß der Erfindung als Alternative zu der Ausgestaltung nach den 1 und 2. Das Kontaktstück 120b in 7A unterscheidet sich von dem Kontaktstück 120a in 2 sowohl bezüglich des ersten Endes 220 als auch bezüglich des zweiten Endes 240. Das erste Ende 220 enthält einen nadelöhrähnlichen nachgiebigen Abschnitt 210a, das zweite Ende enthält eine zweite Struktur 230a mit einem Paar von Zinken 702, 704. Das Kontaktstück 120c in 7B unterscheidet sich von dem Kontaktstück 120 nach 2 darin, dass die zweite Struktur 230b die kästchenähnliche Stiftaufnahme 230 ersetzt. Die zweite Struktur 230b ist eine Lötfahne, mit deren Hilfe das Kontaktstück 120c an einer Leiterplatte oder einen Verbinder angelötet werden kann, um anstelle eines Presssitzes einen Flächenkontakt zu bilden. Damit sind die zweiten Strukturen 230a bis 230b ein Beispiel für eine zweite bzw. eine dritte Einrichtung zur Schaffung einer elektrischen Verbindung, alternativ zu der kästchenförmigen Stiftaufnahme 230 in 2. Weitere Ausführungsformen könnten noch weitere Abwandlungen des Kontaktstücks 120 verwenden.
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Man beachte, dass zwar die dargestellten Ausführungsformen die Verbindung von zwei Leiterplatten beinhalten, die Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt ist. Beispielsweise ist in 3A ein zweites Via 340 mit einer Hülse 320a dargestellt. Die Hülse 320a kontaktiert sowohl die Leiterbahn 345 als auch die Leiterbahn 335. Das oben diskutierte Einsetzen des Kontaktstücks 120 würde somit eine Zwischenschichtverbindung zwischen den Schichten 305a-305e der Leiterplatte 120 schaffen.
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Wie oben erwähnt, könnte die Verbindung bei einigen alternativen Ausführungsformen ein Kabel und eine Leiterplatte beinhalten.
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Bei einer speziellen Implementierung des dargestellten Ausführungsbeispiels ist das Kontaktstück 120 aus Phosphorbronze hergestellt, die Hülse 320 besteht aus Kupfer. Die Hülse 320 kann hergestellt werden durch Galvanisieren von Kupfer durch die Bohrung 310 hindurch. (Überschüssiges Kupfer an der Oberfläche 332 der Platine 305 wird weggeätzt, und die Oberfläche 332 wird gereinigt.) Die vorbestimmte Tiefe dp beträgt etwa 1 mm, wenn die Leiterbahn 335 sich 1 mm unterhalb der Oberseite 332 der Platine 305 befindet. Das Kupfer wird zu einer Dicke von 0,035 mm aufgalvanisiert. Die Schichten 305a bis 305g haben eine Gesamtdicke von etwa 4 mm. Damit beträgt die Gesamttiefe d1 der Bohrung 310 etwa 4 mm.
