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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungsplatinen und auf
ein Verfahren zum Herstellen derselben, und insbesondere auf Schaltungsplatinen,
die Verbindungen zwischen Signalleiterbahnen unterschiedlicher Schichten
umfassen.
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Gedruckte
Schaltungsplatinen umfassen normalerweise eine Mehrzahl von Schichten
für Signalleiterbahnen.
Für Platinen,
die mit Signalfrequenzen von mehreren GHz arbeiten, werden gedruckte Schaltungsplatinenleiterbahnen
normalerweise durch Streifenleitungen oder Mikrostreifenleitungen realisiert.
Gedruckte Schaltungsplatinen mit einer Mehrzahl von Schichten umfassen
normalerweise eine Massereferenzebene und eine Versorgungsspannungsreferenzebene,
die Stromrückleitungswege
für Signale
der Signalschichten liefern. Jede moderne gedruckte Schaltungsplatine,
die mehr als eine Signalschicht umfasst, enthält normalerweise eine Mehrzahl
von Durchgangslöchern.
Ein Durchgangsloch ist eine Zwischenverbindung für Leiterbahnen unterschiedlicher
Signalschichten. Eine gedruckte Schaltungsplatine kann mehrere zehn
oder sogar tausende von Durchgangslöchern enthalten.
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3a zeigt eine Querschnittsansicht
eines Abschnitts einer gedruckten Schaltungsplatine mit einem Durchgangsloch.
Die Schaltungsplatine umfasst eine dielektrische Schicht 301 mit
einem Durchgangsloch 305. Eine erste Signalleiterbahn 307 ist auf
einer ersten Oberfläche
angeordnet und eine zweite Signalleiterbahn ist auf einer zweiten
Oberfläche
der dielektrischen Schicht 301 angeordnet, wobei die zweite
Oberfläche
der ersten Oberfläche
gegenüberliegt.
Das Durchgangsloch 305 umfasst eine elektrisch leitfähige Beschichtung,
die mit ringförmigen
Platten 317a, 317b auf den beiden Oberflächen der
dielektrischen Schicht 301 verbunden ist. Die Platten 317a, 317b sind
mit den Signalleiterbahnen 307, 309 verbunden.
Eine elektrisch leitfähige
Verbindung zwischen der ersten Signalleiterbahn 307 und
der zweiten Signalleiterbahn 309 ist durch die erste Platte 317a,
die Beschichtung 317 und die zweite Platte 317b vorgesehen.
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Eine
erste Versorgungsebene 321 und eine zweite Versorgungsebene 322 sind
in der dielektrischen Schicht 301 angeordnet, parallel
zu den Signalleiterbahnen 370, 309. Die Versorgungsebenen 321, 322 sind
nicht mit der Beschichtung 317 des Durchgangslochs 305 verbunden.
Ferner sind die Signalschicht, die die Signalleiterbahn 307,
die erste Versorgungsebene 321, die zweite Versorgungsebene 322 umfasst,
und die Signalschicht, die die zweite Signalleiterbahn 309 umfasst,
durch Unterschichten des Dielektrikums 301 voneinander
getrennt, sodass eine Vier-Schicht-Platine realisiert ist. Das Durchgangsloch 305 kann
ein Bohrloch sein, das metallplattiert ist, um die Beschichtung 317 zu
realisieren. Die erste Versorgungsebene 321 kann eine Leistungsebene
sein und die zweite Versorgungsebene 322 kann eine Masseebene
VDD sein.
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3b zeigt eine dreidimensionale
Ansicht des herkömmlichen
Durchgangslochs, wie es in 3a beschrieben
ist. Der Deutlichkeit halber sind die dielektrischen Schichten,
Leistungsebenen und Masseebenen in 3b nicht
gezeigt. Wie es von 3b ersichtlich
ist, sind die erste und die zweite Signalleiterbahn 307, 309 als
Streifenleitungen realisiert und sind mit den Platten 317a, 317b der
metallplattierten Beschichtung 317 des Durchgangsloch verbunden.
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3c zeigt ein Ersatzschema
des typischen Gedruckte-Schaltung-Platine-Durchgangslochs,
wie es in 3a und 3b gezeigt ist. Eine erste Impedanz
Z1 stellt die erste Signalleiterbahn dar und eine zweite Impedanz
Z2 stellt die zweite Signalleiterbahn dar. Eine Induktivität L stellt
die Beschichtung 317 dar, eine erste Kapazität C1 stellt
die erste Platte dar und eine zweite Kapazität C2 stellt die zweite Platte
des Durchgangslochs dar.
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Das
Hauptproblem bestehender Durchgangslochentwürfe ist die Notwendigkeit großer Platten 317a, 317b,
für einen
zuverlässigen
Kontakt zwischen den Signalleiterbahnen 307, 309 und
dem metallplattierten Loch 317. Normalerweise ist die Abmessung
der Platten 317a, 317b viel größer als eine Breite der Signalleiterbahnen 307, 309,
was zu einer zu hohen Kapazität
führt.
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Gedruckte-Schaltungsplatine-Signalleiterbahnen 307, 309 haben
typischerweise eine normierte Impedanz Z1, Z2 von 60 Ohm. Für Durchgangslöcher, die
in gedruckten Schaltungsplatinen für moderne DIMM-Speicher-Module
verwendet werden (DIMM = Duals In Line Memory Module), hat die Induktivität L normalerweise
einen Wert von 0,6 nH und die Kapazitäten C1, C2 haben Werte von
0,3 pF. Eine charakteristische Impedanz des in 3a bis 3c gezeigten
Durchgangslochs entspricht der Quadratwurzel für L/C1, C2 und ist typischerweise
31,6 Ohm. Somit gibt es eine Stufe bei der Impedanz für die erste Leiterbahn
zu dem Durchgangsloch und von dem Durchgangsloch zu dem zweiten
Durchgangsloch. Eine solche Impedanzstufe von 60 Ohm bis 31 Ohm verzerrt
ein Signal, das sich auf den Signalleiterbahnen ausbreitet.
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Normalerweise
arbeitet ein Durchgangsloch, wie es in 3a bis 3c gezeigt
ist, ordnungsgemäß für Frequenzen
von bis zu mehreren 100 MHz. Trotzdem führt jede Diskontinuität der Geometrie
einer Signalleiterbahn zu einer Impedanzänderung und als Folge zu unvermeidlichen
Signalreflexionen und -verzerrungen. Daher begrenzen die meisten
Entwurfsregeln bei höheren
Frequenzen die Anzahl von Durchgangslöchern pro Leiterbahn. In dem
GHz-Bereich ist normalerweise nur ein Durchgangsloch pro Leiterbahn
erlaubt.
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Ein
weiterer Nachteil des in 3a bis 3c gezeigten Durchgangslochs
ist eine Unterbrechung in dem Stromrückleitungsweg eines Signals,
das sich von der ersten Signalleiterbahn zu der zweiten Signalleiterbahn
ausbreitet. Jede Signalleiterbahn hat normalerweise einen guten
Stromrückleitungsweg auf
der Referenzmasseebene oder der Referenzversorgungsebene. Dieser
Stromrückleitungsweg
wird unterbrochen, wenn das Signal von der ersten Signalleiterbahn
der oberen Schicht zu der zweiten Signalleiterbahn der unteren Schicht
springt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsplatine,
die Hochfrequenzsignalübertragungen
ermöglicht,
und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaltungsplatine
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsplatine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsplatine,
die folgende Merkmale umfasst: eine dielektrische Schicht; ein Durchgangsloch
zwischen einer ersten und einer zweiten Oberfläche der dielektrischen Schicht;
eine elektrisch leitfähige
Beschichtung, die auf einer Wand des Durchgangslochs zwischen der
ersten und zweiten Oberfläche
angeordnet ist; eine erste Signalleiterbahn, die auf der ersten
Oberfläche
angeordnet ist; eine zweite Signalleiterbahn, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet
ist; und einen Draht, der durch das Durchgangsloch verläuft, und
die erste Signalleiterbahn mit der zweiten Signalleiterbahn verbindet,
wobei der Draht und die leitfähige
Beschichtung eine Koaxialleitung bilden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Herstellen einer Schaltungsplatine, das folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer dielektrischen Schicht, die ein Durchgangsloch
zwischen einer ersten und einer zweiten Oberfläche der dielektrischen Schicht
umfasst, und einer ersten Signalleiterbahn, die auf der ersten Oberfläche angeordnet
ist, und einer zweiten Signalleiterbahn, die auf der zweiten Oberfläche der dielektrischen
Schicht angeordnet ist; Anordnen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung
auf einer Wand des Durchgangslochs zwischen der ersten und der zweiten
Oberfläche;
Anordnen eines Drahts in dem Durchgangsloch, sodass ein Dielektrikum
zwischen dem Draht und der leitfähigen
Beschichtung angeordnet ist; und Verbinden des Drahts mit der ersten
Signalleiterbahn und der zweiten Signalleiterbahn, wobei der Draht
um diese leitfähige
Beschichtung eine Koaxialleitung bilden.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein impedanzgesteuertes
Durchgangsloch vorteilhafterweise unter Verwendung einer koaxialen
Struktur verwendet erreicht werden kann, um Signalreflexionen und
-verzerrungen zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung
umfasst das Durchgangsloch ein elektrisch leitfähige Beschichtung, und ein
elektrisch trennendes Element ist zwischen der Beschichtung und
dem Draht angeordnet. Die Beschichtung kann mit einer Masse- oder
Versorgungsebene verbunden sein. Daher ist ein Durchgangsloch gemäß der vorliegenden
Erfindung als ein Stück
eines koaxialen Kabels wirksam. Durch richtiges Berechnen des Durchmessers
des Drahts, des Lochs und der dielektrischen Konstante des Trennelements kann
die Impedanz des Durchgangslochs angepasst werden an die Impedanzen
der Signalleiterbahnen der Schaltungsplatine, selbst für hohe Frequenzen. Dies
ist besonders für
dick gedruckte Schaltungsplatine ein Vorteil.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass ein Signal teilweise einen Stromrückleitungsweg
entlang dem Durchgangsloch hält,
falls die Beschichtung des Durchgangslochs mit der Masse- oder Versorgungsebene
verbunden ist. Ein plattiertes Loch, das die Beschichtung bildet,
kann in einem gleichen Verfahrens zyklus hergestellt werden wie normale
Durchgangslöcher.
Dies ist ein Vorteil, da kein zusätzlicher Herstellungsschritt
notwendig ist. Darüber
hinaus kann nur ein Teil der Durchgangslöcher einer Schaltungsplatine,
insbesondere Durchgangslöcher,
die für
Hochfrequenzleiterbahnen verwendet werden, durch koaxiale Durchgangslöcher ersetzt
werden, wie es durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird.
Für die
anderen Durchgangslöcher
kann der herkömmliche
Typ eines Durchgangslochs verwendet werden.
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Bevorzuge
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
beiliegende Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
Querschnittsansicht einer Schaltungsplatine gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1b eine
dreidimensionale Ansicht der in 1a gezeigten
Schaltungsplatine;
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1c ein
Ersatzschema der in 1b gezeigten Schaltungsplatine;
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2a eine
Querschnittsansicht eines Verdrahtungselements gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2b eine
dreidimensionale Ansicht des in 2a gezeigten
Verdrahtungselements;
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3a eine
Querschnittsansicht einer Schaltungsplatine gemäß dem Stand der Technik;
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3b eine
dreidimensionale Ansicht der in 3a gezeigten
Schaltungsplatine; und
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3c ein
Ersatzschema der in 3b gezeigten Schaltungsplatine.
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Bei
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen für ähnliche
Elemente in den unterschiedlichen Zeichnungen verwendet, wobei eine
wiederholte Beschreibung dieser Elemente ausgelassen wird.
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1a zeigt
eine Querschnittsansicht einer Schaltungsplatine gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Schaltungsplatine umfasst eine dielektrische
Schicht 101 mit einer ersten Oberfläche 103 und einer
zweiten Oberfläche 104,
wobei die erste Oberfläche 103 der
zweiten Oberfläche 104 gegenüberliegt.
Die dielektrische Schicht 101 umfasst ein Durchgangsloch 105 zwischen
der ersten Oberfläche 103 und
der zweiten Oberfläche 104.
Eine erste Signalleiterbahn 107 ist auf der ersten Oberfläche 103 angeordnet
und eine zweite Signalleiterbahn 109 ist auf der zweiten
Oberfläche 104 angeordnet.
Ein Draht 111 verbindet die erste Signalleiterbahn 107 über das
Durchgangsloch 105 mit der zweiten Signalleiterbahn 109.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Draht 111 durch Lötmittelhöcker 113, 115 mit
den Signalleiterbahnen 107, 109 verbunden.
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Der
Draht 111 liefert eine elektrische Verbindung zwischen
der ersten Signalleiterbahn 107 und der zweiten Signalleiterbahn 109.
Die Signalleiterbahnen 107, 109 sind als Streifenleitungen
oder Mikrostreifenleitungen auf den Oberflächen 103, 104 der
dielektrischen Schicht 101 gebildet. Das Durchgangsloch 105 oder
Bohrloch ist metallplattiert, sodass dasselbe eine elektrisch leitfähige Beschichtung 117 umfasst.
Um den Draht 111 von der Beschichtung 117 zu trennen
ist ein elektrisch trennendes Element 119 zwischen dem
Draht 111 und der Beschichtung 115 angeordnet.
Eine detaillierte Beschreibung des Trennelements 119 folgt
mit Bezugnahme auf 2a, 2b.
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Wie
es in 1a ersichtlich ist, sind die
Signalleiterbahnen 107, 109 von dem Durchgangsloch 105 beabstandet,
um eine elektrische Verbindung zwischen den Signalleiterbahnen 107, 109 und
der Beschichtung 117 zu verhindern.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
umfasst die Schaltungsplatine Versorgungsebenen 121, 122.
Die erste Versorgungsebene 121 ist mit der Beschichtung 117 verbunden.
Die zweite Versorgungsebene 122 ist von der Beschichtung 117 getrennt.
Die Versorgungsebenen 121, 122 können Leistungsebenen oder
Masseebenen sein, die in der dielektrischen Schicht 101 parallel
zu den Oberflächen 103, 104 der dielektrischen
Schicht 101 angeordnet sind.
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Die
erste Oberfläche 103 liefert
eine erste Signalschicht und die zweite Oberfläche 104 liefert eine zweite
Signalschicht. Die erste Versorgungsebene 121 ist von der
ersten Signalschicht und der zweiten Versorgungsschicht 122 durch
dielektrische Unterschichten getrennt. Die zweite Versorgungsschicht 122 ist
durch eine dielektrische Unterschicht von der zweiten Signalschicht
getrennt. Somit umfasst die dielektrische Schicht 101 drei
dielektrische Unterschichten. Die Schaltungsplatine, wie sie in 1a gezeigt
ist, ist eine Vier-Schicht-Platine, die zwei Signalschichten 103, 104 und
zwei Versorgungsschichten 121, 122 umfasst.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist die erste Versorgungsebene 121 eine Referenzebene für die erste
Signalleiterbahn 107. Somit wird ein Stromrückleitungsweg
für ein
Signal, das sich auf der ersten Signalleiterbahn 107 ausbreitet,
durch die Referenzebene 121 geliefert. Darüber hinaus
liefert die Referenzebene 121 einen Stromrückleitungsweg
für ein Signal,
das sich auf dem Draht 111 durch das Durchgangsloch 105 ausbreitet.
Der Stromrückleitungsweg bleibt
nur in dem Fall einer Vdd/GND-Ebene ununterbrochen. Im Fall von
zwei Vdd/GND-Ebenen, wie bei der in 1a gezeigten
Implementierung, wird der Stromrückleitungsweg
geschnitten, aber ein Nebensprechen mit benachbarten Durchgangslöchern ist aufgrund
einer Abschirmung durch die koaxiale Durchgangslochstruktur reduziert.
In diesem Fall ist es möglich,
einen perfekten Gleichstromrückleitungsweg
beizubehalten, durch Anordnen eines Kondensators zwischen dem unteren
Teil des leitfähigen
Zylinders 117 und der Versorgungsebene 122, was
ein zusätzliches
Durchgangsloch erfordert. Ein solcher Kondensator könnte einmal
pro Gruppe von Durchgangslöchern
eingefügt
werden. Die zweite Referenzebene 122 ist eine Referenzebene
für die
zweite Signalleiterbahn 109.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
die dielektrische Schicht nur eine einzige Referenzebene, die mit
der Beschichtung des Durchgangslochs verbunden ist. Bei einem solchen
Ausführungsbeispiel
gibt es keine Unterbrechung in dem Stromrückleitungsweg eines Signals,
das sich von der ersten Signalleiterbahn über den Draht zu der zweiten
Signalleiterbahn ausbreitet, da die Signalreferenzebene eine Referenzebene
für erste
und zweite Signalleiterbahn sowie für den Draht ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel kann
die Beschichtung des Durchgangslochs mit einer Versorgungsspannungsleiterbahn
auf der ersten oder der zweiten Oberfläche der dielektrischen Schicht
verbunden sein.
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1b zeigt
eine dreidimensionale Ansicht der Signalleiterbahnen 107, 109 und
des koaxialen Durchgangslochs, das die Beschichtung 117,
das Trennelement 119 und den Draht 111 umfasst.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind
die dielektrischen Schichten, Leistungsebenen und Masseebenen in 1b nicht
gezeigt. Wie es von 1b ersichtlich ist, sind keine
ringförmigen
Platten notwendig, um die Signalleiterbahnen 107, 109 mit
dem Durchgangsloch zu verbinden.
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1c zeigt
ein Ersatzschema der in 1a und 1b gezeigten
Koaxialdurchgangslöcher. Eine
erste Impedanz Z1 und eine zweite Impedanz Z2 stellen die erste
und die zweite Signalleiterbahn dar. Das koaxiale Durchgangsloch,
das von dem Draht 111, der Beschichtung 117 und
dem Trennelement 119 gebildet wird, ist durch die Impedanz
Z3 dargestellt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
sind die Abmessungen des Drahts 111, der Abstand zwischen dem
Draht 111 und der Beschichtung 117 sowie die dielektrische
Konstante des Trennelements 119 derart, dass die Impedanz
Z3 16 Ohm ist, was gleich den Impedanzen Z1, Z2 der Signalleiterbahnen
ist.
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Aufgrund
der Abwesenheit von Platten, die das Durchgangsloch mit den Signalleiterbahnen 107, 109 verbinden,
gibt es in dem Ersatzschema keine störende Kapazität. Darüber hinaus
gibt es aufgrund des Drahts 111, der zusammen mit der Beschichtung 105 ein
Koaxialkabel bildet, in dem Ersatzschema keine Induktivität. Dies
führt zu
einer fortlaufenden Impedanz entlang dem Signalweg von der ersten
Signalleiterbahn 107 über
das Durchgangsloch zu der zweiten Signalleiterbahn 109.
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2a zeigt
eine Querschnittsansicht eines Verdrahtungselements, das den Draht 111 und
das Trennelement 119 umfasst.
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2b zeigt
eine dreidimensionale Ansicht des Verdrahtungselements, wie es in 2a gezeigt ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfasst der Draht 111 einen Mittelabschnitt, der durch
das Trennelement 119 an zwei Endabschnitten umgeben ist,
die nicht durch das Trennelement 119 umgeben sind. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist das Trennelement 119 durch ein dielektrisches Rohr
oder einen Zylinder, der aus dielektrischem Material hergestellt ist,
gebildet. Das dielektrische Rohr 119 hat eine Länge, die
der Dicke der dielektrischen Schicht 101 entspricht, oder
die etwas höher
ist als die dielektrische Schicht 101, um einen Kontakt
zwischen dem zentralen Draht 111 und dem leitfähigen Zylinder 119 zu verhindern,
und eine Breite, die der inneren Breite des Durchgangslochs 105 entspricht, das
in 1a gezeigt ist. Der Draht 111 ist in
der Mitte der trennenden Röhre 119 angeordnet.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
mehr als ein Draht in ein solches Durchgangsloch eingefügt. Die
Drähte
werden dann in unterschiedlichen Richtungen zu unterschiedlichen
Leiterbahnen hin geknickt.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsplatine mit einem
Koaxialkabeldurchgangsloch gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung beschreiben.
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Bei
einem erste Schritt wird ein Drahtelement, wie es in 2a, 2b gezeigt
ist, in ein Bohrloch der Schaltungsplatine eingefügt. Die
Schaltungsplatine kann eine Mehrzahl von Signalschichten, Versorgungsschichten
und dielektrischen Unterschichten zum Trennen des Signals und der
Versorgungsschichten umfassen. Vorzugsweise ist das Durchgangslochelement
in das Bohrloch eingefügt, sodass
das Trennelement das gesamte Bohrloch ausfüllt.
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Bei
einem zweiten Schritt werden die Endabschnitte des Drahtelements
geknickt oder gebogen, sodass jeder Endabschnitt in Kontakt mit
Signalleiterbahnen der Oberfläche
der dielektrischen Schicht gelangt. Um die Enden des Durchgangslochs an
den Signalleiterbahnen zu befestigen, kann das Durchgangsloch an
die Signalleiterbahnen gelötet werden.
Der Schritt des Knickens der Endabschnitte des Drahts und der Schritt
des Lötens
der Endabschnitte an die Signalleiterbahnen kann in einem normalen
Verfahrenszyklus durchgeführt
werden, zusammen mit dem Befestigen oder Löten anderer Komponenten.
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- 101
- dielektrische
Schicht
- 103
- erste
Oberfläche
der dielektrischen Schicht
- 104
- zweite
Oberfläche
der dielektrischen Schicht
- 105
- Durchgangsloch
- 107
- erste
Signalleiterbahn
- 109
- zweite
Signalleiterbahn
- 111
- Draht
- 113,
115
- Lötmittelhöcker
- 117
- Beschichtung
- 119
- Trennelement
- 121
- erste
Versorgungsschicht
- 122
- zweite
Versorgungsschicht
- 301
- dielektrische
Schicht
- 305
- Durchgangsloch
- 307
- erste
Signalleiterbahn
- 309
- zweite
Signalleiterbahn
- 317
- Beschichtung
- 317a
- erste
Platte
- 317b
- zweite
Platte
- 321
- dritte
Versorgungsschicht
- 322
- zweite
Versorgungsschicht
- Z1
- Impedanz
der ersten Signalleiterbahn
- Z2
- Impedanz
der zweiten Signalleiterbahn
- Z3
- Impedanz
des koaxialen Durchgangslochs
- L
- Induktivität der Beschichtung
- C1,
C2
- Kapazität der Platten