DE102015103724A1

DE102015103724A1 - Komponententräger mit Verwerfungsstabilisierungsstruktur

Info

Publication number: DE102015103724A1
Application number: DE102015103724.6A
Authority: DE
Inventors: Urs Hunziker; Markus Leitgeb
Original assignee: AT&S Austria Technologie und Systemtechnik AG
Current assignee: AT&S Austria Technologie und Systemtechnik AG
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-03-14
Also published as: DE102015103724B4; CN107637183A; WO2016146522A1; CN107637183B; US10420206B2; US20180070443A1

Abstract

Vorrichtung (100) zum elektrischen Verbinden von Komponenten, die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur (102), mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur (104), die mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) unter Bildung eines Schichtenstapels gestapelt und verfestigt ist, und eine Schichtstrukturen (102, 104) des Schichtenstapels zumindest teilweise durchziehende Verwerfungsstabilisierungsstruktur (106) zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Vorrichtung (100) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Komponenten und ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Komponenten.
In der Leiterplattenbranche sind folgende Entwicklungsrichtungen erkennbar: Es sind verschiedene Verfahren zur Einbettung von Komponenten (passiven und aktiven) innerhalb einer Leiterplatte bekannt. Diese Technik wird gemeinläufig als Embedding bezeichnet. Durch die zunehmende Miniaturisierung werden die Verbindungen zwischen den Komponenten immer kleiner und feiner. Die Schichtdicken von Leiterplatten werden immer kleiner. Die Chipmontage stellt immer höhere Anforderungen an die Leiterplatte in Bezug auf kompatible Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), immer höhere Auflösung und zunehmende Genauigkeiten. Es kommt in der Folge zur Ablösung von teilelastischen FR4 Materialien durch Gläser und andere steifen Materialien. All diese Trends führen zu unerwünschtem Verzug.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Komponenten bereitzustellen, die selbst unter wechselnden Temperatureinflüssen vor einer Schädigung geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Komponenten (die insbesondere auf der Vorrichtung montiert und/oder in der Vorrichtung eingebettet sein können, wobei solche Komponenten (zum Beispiel verkapselte bzw. gehäuste oder nackte bzw. ungehäuste) Halbleiterchips, Buchsen, etc. sein können) bereitgestellt, die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur, mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur, die mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur unter Bildung eines Schichtenstapels gestapelt und verfestigt (insbesondere verpresst) ist, und eine zumindest einen Teil der Schichtstrukturen des Schichtenstapels zumindest teilweise durchziehende Verwerfungsstabilisierungsstruktur zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Vorrichtung aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Komponenten bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur mit mindestens einer elektrisch isolierenden Schichtstruktur unter Bildung eines Schichtenstapels gestapelt und verfestigt (insbesondere verpresst) wird, und eine zumindest zwei Schichtstrukturen des Schichtenstapels zumindest teilweise durchziehende Verwerfungsstabilisierungsstruktur zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Vorrichtung gebildet wird.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einer „Schichtstruktur” eine ebene oder flächige Anordnung aus einer oder mehreren durchgehenden oder strukturierten Schichten verstanden, die zum Beispiel aus Folien, Dünnblechen, Plättchen oder abgeschiedenem oder aufgebrachtem Material gebildet sein kann. Die Strukturierung einer solchen Schicht oder Schichtstruktur kann zum Beispiel derart erfolgen, dass infolge des Strukturierens mehrere voneinander getrennte Inseln gebildet werden, oder aber eine zusammenhängende Struktur. Durch Verfestigen (insbesondere Verpressen und/oder Verkleben, gegebenenfalls unter Hinzufügung von Wärme) können die einzelnen Schichten bzw. Schichtenstrukturen zu einem einheitlichen Körper verbunden, zum Beispiel laminiert, werden.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter einer „Verwerfungsstabilisierungsstruktur” insbesondere eine mehrere der Schichtstrukturen ganz oder teilweise durchziehende körperliche Struktur verstanden, die konfiguriert ist, einer Verwerfung der Vorrichtung (insbesondere bei Vorhandensein thermomechanischer Spannungen) entgegenzuwirken. Dabei ist unter einer Verwerfung insbesondere eine Verbiegung zu verstehen, die eine äußere Gestalt der Vorrichtung gegenüber einer ebenen oder planaren Anordnung verändert, Anschaulich setzt die Verwerfungsstabilisierungsstruktur einer Verwerfungstendenz einer Vorrichtung eine diese Verwerfung hemmende Gegenkraft entgegen, insbesondere durch Bereitstellung einer internen mechanischen Vorspannung der Vorrichtung, so dass sich Verwerfungsspannung und Gegenspannung ganz oder teilweise kompensieren. Derartige Verwerfungen können zum Beispiel unter Temperatureinfluss entstehen, wenn unterschiedliche Komponenten der Vorrichtung (insbesondere die Materialien der elektrisch isolierenden Schichtstruktur(en) und jene der elektrisch leitfähigen Schichtstruktur(en)) unterschiedliche Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, was unter Temperaturveränderung zur Ausbildung innerer Spannungen in der Vorrichtung führt. Solchen inneren Spannungen entgegenwirkend kann die Verwerfungsstabilisierungsstruktur konfiguriert sein. Allerdings kann das Wirkprinzip der Verwerfungsstabilisierungsstruktur auch dahingehend ausgebildet sein, dass die Verwerfungsstabilisierungsstruktur an und/oder in der Vorrichtung eine Versteifung hervorruft, unter deren Einfluss es gar nicht erst zu dem Ausbilden einer Verwerfung kommt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann durch Integration einer oder mehrerer Verwerfungsstabilisierungsstrukturen in eine Vorrichtung deren Tendenz zum Ausbilden von Verwerfungen insbesondere unter Temperaturveränderung wirksam entgegengewirkt werden. Dies kann dahingehend erfolgen, dass durch die Verwerfungsstabilisierungsstruktur im Inneren der Vorrichtung eine die Verwerfungstendenzen hemmende Gegenkraft generiert wird. Besonders vorteilhaft können Verwerfungsstabilisierungsstrukturen synergistisch als Funktionskomponenten der Vorrichtung mitverwendet werden, zum Beispiel durch Ausgestaltung derselben als speziell konfigurierte elektrisch leitfähige Durchsteigeverbindungen, die dann auch zum elektrischen Koppeln voneinander gegenüberliegenden Hauptflächen der Vorrichtung (gegebenenfalls mit daran montierten elektronischen Komponenten, zum Beispiel elektronischen Chips) dienen.
Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Verwerfungsstabilisierungsstruktur mittels mindestens einer, insbesondere mittels einer Mehrzahl von Durchsteigeverbindungen ausgebildet sein, deren Haupterstreckungsrichtung mit mindestens einer Hauptoberfläche der Vorrichtung einen spitzen Winkel einschließt. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Haupterstreckungsrichtung” eine effektive Richtung verstanden werden, entlang derer sich die Durchsteigeverbindung relativ zu der Vorrichtung erstreckt. Die Haupterstreckungsrichtung ergibt sich insbesondere durch eine geradlinige Verbindungslinie zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächenzentren von Zugangsöffnungen der Durchsteigeverbindung an den beiden gegenüberliegenden Enden der Durchsteigeverbindung (insbesondere an den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Vorrichtung, wenn eine zugehörige Durchsteigeverbindung als zumindest teilweise materialgefülltes Durchgangsloch ausgebildet ist). Derartige Durchsteigeverbindungen können neben der Funktion als Verwerfungsstabilisierungsstruktur dazu dienen, eine elektrisch leitfähige Kopplung zwischen unterschiedlichen Bereichen der Vorrichtung zu bewerkstelligen. Zum Beispiel kann eine elektrisch leitfähige Kopplung zwischen einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Vorrichtung durch die Durchsteigeverbindung(en) bewerkstelligt werden, zum Beispiel um dort montierte elektronische Chips oder andere elektronische Komponenten miteinander elektrisch leitfähig zu koppeln. Es ist auch möglich, dass eine Durchsteigeverbindung eine elektrische Kopplung zwischen einer solchen Hauptoberfläche und einer im Inneren der Vorrichtung eingebetteten elektronischen Komponente bewerkstelligt, so dass die Durchsteigeverbindung dann nicht als Durchgangsbohrung, sondern als elektrisch leitfähig gefüllte Sacklochbohrung ausgeführt ist.
Allerdings haben sich insbesondere herkömmlich verwendete, senkrecht zu den Hauptoberflächen der plattenartigen Vorrichtung orientierte Durchsteigeverbindungen mit konstantem Radius (d. h. kreiszylindrische Vias mit konstantem Radius, die sich entlang einer Stapelrichtung der Schichtstrukturen erstrecken) aufgrund ihres hohen Grades an Symmetrie nicht als geeignet erwiesen, eine verwerfungsunterdrückende Wirkung zu entfalten. Anschaulich kann dies dadurch erklärt werden, dass es gerade mechanische Verspannungen infolge von spitzwinklig zu den Hauptoberflächen der Vorrichtung angeordneten, vorzugsweise asymmetrisch aufgebauten Durchsteigeverbindungen sind, die der Verwerfungstendenz wirksam entgegenwirken. Wichtig für die verwerfungsstabilisierende Wirkung solcher schrägen Durchsteigeverbindungen ist, dass diese einen von 0° bzw. 90° unterschiedlichen Winkel mit den Hauptoberflächen der Vorrichtung einschließen, da gerade dadurch ein verwerfungsunterdrückender Symmetrieverlust eintritt, der in vorteilhafter Weise Spannungen im Inneren der Vorrichtung generiert, die eine unerwünschte Verwölbung der Vorrichtung unter Temperatureinfluss verhindern.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der spitze Winkel in einem Bereich zwischen 70° und 89°, insbesondere in einem Bereich zwischen 80° und 88° liegen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere relativ geringe Abweichungen der Haupterstreckungsrichtung der Durchsteigeverbindungen gegenüber einer Flächennormale der Hauptoberflächen der plattenförmigen Vorrichtung zu einer besonders wirksamen Unterdrückung von Verwerfungen führen. Werden die Winkel zu klein, so wird einerseits der Material- und Flächenaufwand der Verwerfungsstabilisierungsstruktur zu groß, andererseits geht die Neigung zur Verwerfungsunterdrückung dann wieder zurück. Wird der Winkel dagegen zu groß, so nähert sich die Durchsteigeverbindung zu sehr einer herkömmlichen und die Verwerfung nicht unterdrückenden Vertikalorientierung an. Insbesondere ein Winkelbereich zwischen 80° und 88° hat sich als besonders vorteilhaft für die Unterdrückung von Verwerfungstendenzen herausgestellt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil von unterschiedlichen der Mehrzahl von Durchsteigeverbindungen mit unterschiedlichen Werten des spitzen Winkels bezüglich der mindestens einen Hauptoberfläche angeordnet und somit zueinander nicht parallel, vorzugsweise zueinander windschief, sein. Gemäß dieser Ausgestaltung, die zu einer besonders effektiven Unterdrückung von Verwerfung geführt hat, sind nicht nur die Durchsteigeverbindungen relativ zu der Hauptoberfläche der Vorrichtung geneigt, sondern sind auch die Haupterstreckungsrichtungen unterschiedlicher Durchsteigeverbindungen zueinander gezeigt. Durch diesen weiteren gewollten Symmetrieverlust, der herkömmlichen Tendenzen zur Ausbildung einer möglichst symmetrischen Anordnung von Durchsteigeverbindungen entgegenwirkt, geht die Ordnung in der Vorrichtung noch weitergehender verloren, was überraschenderweise die Tendenz der Vorrichtung zur Ausbildung von Verwerfungen weiter reduziert.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, gefüllt sein. Wenn die Durchsteigeverbindungen mit einem elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer gefüllt werden, können diese neben ihrer verwerfungsunterdrückenden Funktion auch eine elektrisch leitfähige Funktion wahrnehmen. Bei der Verwendung von Kupfer, das das übliche elektrisch leitfähige Material für Kontaktierungen von Vorrichtungen ist, ist es vorteilhaft entbehrlich, ein weiteres Material in den Prozess einzuführen, was zu einer kostengünstig ausbildbaren Vorrichtung führt. Haftprobleme und elektrisch leitfähige Kontaktprobleme an Grenzen zwischen zu vielen unterschiedlichen Materialien sind dadurch vermieden. Ferner führt die Verwendung von Kupfer zum Füllen der Durchsteigeverbindungen dazu, dass keine temperaturbedingten Verwerfungen zwischen den Durchsteigeverbindungen und den elektrisch leitfähigen Schichtstrukturen (die vorteilhaft ebenfalls aus Kupfer ausgebildet werden) zu befürchten ist.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitfähige Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung zumindest entlang eines Teils der Erstreckung der mindestens einen Durchsteigeverbindungen durch die Vorrichtung hindurch direkt an die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur angrenzen. Indem die Durchsteigeverbindungen mit schräger Orientierung entlang zumindest eines Teils ihrer Erstreckung im Inneren der Vorrichtung an das elektrisch isolierende Material angrenzen, kann eine effektive Verkeilung bzw. Verspannung zwischen dem elektrisch leitfähigen Material der Durchsteigeverbindung und dem elektrisch isolierenden Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur erfolgen. Dies reduziert die Tendenz zur Verwerfungsbildung weiter.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung materialfrei sein. Gemäß dieser alternativen Ausgestaltung können die Durchsteigeverbindungen auch ganz oder teilweise materialfrei verbleiben, mithin als hohle oder nur teilgefüllte Sack- oder Durchgangslöcher ausgebildet sein, und dennoch eine verwerfungsunterdrückende Wirkung entfalten. Derartige partiell oder vollständig ungefüllte Durchsteigeverbindungen können synergistisch als Montagestrukturen zum mechanischen Montieren (zum Beispiel Aufstecken) von Komponenten auf der Vorrichtung oder der Vorrichtung an einem elektronischen Peripheriegerät dienen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchsteigeverbindung mittels einer einzigen, insbesondere materialgefüllten, Schrägbohrung ausgebildet sein, wobei die Schräge auf die zueinander parallelen Hauptoberflächen der Vorrichtung bezogen ist. Eine einzige (zum Beispiel im Wesentlichen kreiszylindrische) Schrägbohrung, die zum Beispiel mittels eines mechanischen Bohrers oder eines von einer Seite der Vorrichtung einwirkenden Laserstrahls erzeugt werden kann, ist in besonders einfacher Weise prozessierbar und führt zu guten Verwerfungsunterdrückungsergebnissen. Hierfür ist die Orientierung des Lasers bzw. des mechanischen Bohrers gegenüber einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen der Vorrichtung zu verkippen. Alternativ kann das Zentrum des Bohrloches von der Mitte der Vorrichtung nach oben oder unten abweichen. Insbesondere kann das Loch schief bzw. spitzwinklig gegenüber einer Hauptoberfläche der Vorrichtung ausgebildet sein. Auch ist es möglich, ein Zentrum des Lochs in Dickenrichtung der Vorrichtung asymmetrisch auszugestalten, wobei ein solches Zentrum insbesondere durch eine Grenze zwischen zwei Teilbohrungen definiert sein kann, die zum gemeinsamen Bilden des Lochs ausgehend von gegenüberliegenden Hauptflächen der Vorrichtung in der Vorrichtung geformt werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchsteigeverbindung mittels mindestens zwei miteinander verbundener und zueinander asymmetrisch ausgebildeter (insbesondere seitlich zueinander versetzter und/oder zueinander verkippter) Bohrungen (insbesondere Sacklochbohrungen) ausgebildet sein. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung, die zu hervorragender Unterdrückung von Verwerfungstendenzen führt, wird die Asymmetrie der jeweiligen Durchsteigeverbindung dadurch gesteigert, dass die Durchsteigeverbindung aus zwei sich voneinander gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Vorrichtung aus erstreckenden Teilbohrungen, die miteinander in Verbindung gebracht werden, erzeugt wird. Anders ausgedrückt können Teilflächen an den Enden der beiden einander gegenüberliegenden Bohrungen miteinander gerade bzw. nur teilweise überlappen, um dadurch insbesondere im Grenzbereich einen stufenartigen Übergangsbereich zu schaffen, an dem die Symmetrie besonders niedrig ist. Dies kann zum Beispiel durch einen entsprechenden Versatz eines Lasers oder eines mechanischen Bohrers bewerkstelligt werden, der an zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen (vorzugsweise nacheinander, optional aber auch simultan) einwirkt. Dadurch kann es zum Beispiel zum Ausbilden von zwei seitlich zueinander versetzten kreiszylindrischen Bohrungen mit einem Überlappungsbereich kommen, oder zu einer Sanduhrgeometrie durch zwei miteinander seitlich versetzt in Verbindung gebrachte konische Bohrungen. Es ist auch möglich, alternativ oder ergänzend zu einer seitlichen Versetzung der beiden Teilbohrungen diese mit unterschiedlichen Durchmessern, unterschiedlichen Querschnittsformen und/oder unterschiedlichen Eindringtiefen (einstellbar zum Beispiel durch unterschiedlich lange Bohrzeiten und/oder Laserleistungen beim Ausbilden der ausgehend von den Hauptoberflächen der Vorrichtung gebildeten Teilbohrungen) in die Vorrichtung vorzusehen, um eine Asymmetrie zu bewirken.
Eine Bohrung kann gegebenenfalls auch gestuft sein. Zum Beispiel kann eine Bohrung mit größerem Durchmesser weniger tief, und eine andere Bohrung mit kleinerem Durchmesser tiefer ausgebildet werden. Ebenfalls möglich sind Ausführungsbeispiele mit einem Mehrfachem davon, d. h. das gestufte Einbringen von mindestens drei Teilbohrungen unterschiedlicher Durchmesser. Die Teilbohrungen können wahlweise von einer oder von beiden Seiten bzw. Hauptoberflächen der Vorrichtung aus eingebracht werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die seitlich zueinander versetzten Bohrungen senkrecht zu mindestens einer Hauptoberfläche der Vorrichtung ausgerichtet sein. Gemäß dieser Ausgestaltung führt nicht die schräge Orientierung der Teilbohrungen selbst, sondern deren seitlicher Versatz zu einer Haupterstreckungsrichtung, die von der Normalen zu der Hauptoberfläche der Vorrichtung abweicht.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die seitlich zueinander versetzten Bohrungen jeweils im Wesentlichen eine kreiszylindrische Gestalt haben. Eine solche kreiszylindrische Gestalt kann zum Beispiel durch einen mechanischen Bohrer bewirkt werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die seitlich zueinander versetzten Bohrungen jeweils im Wesentlichen eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Gestalt haben. Eine solche Geometrie kann zum Beispiel durch einen Laserbohrer bewirkt werden, der an einer Außenseite der Vorrichtung in der Regel eine größere Querschnittsfläche einer Teilbohrung erzeugt als in deren Inneren.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die sich ausgehend von den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Vorrichtung erstreckenden Bohrungen zueinander einen seitlichen Versatz in einem Bereich zwischen 3 μm und 50 μm haben, wenn die Vorrichtung als Leiterplatte bzw. Printed Circuit Board (PCB) ausgebildet ist. Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel können die sich ausgehend von den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Vorrichtung erstreckenden Bohrungen zueinander einen seitlichen Versatz in einem Bereich zwischen 0.5 μm und 3 μm (insbesondere zwischen 0.5 μm und 2 μm) haben, wenn die Vorrichtung als Substrat ausgebildet ist (insbesondere deshalb, da ein Substrat insgesamt geringere Dimensionen aufweist als eine Leiterplatte). Ist der seitliche Versatz zu gering, so wird der verwerfungsunterdrückende Effekt zu gering bzw. verschwindet ganz. Wird der seitliche Versatz zu groß, so kann die mechanische Stabilität der Verwerfungsstabilisierungsstruktur selbst unter diesem Umstand leiden, weil die Überlappung zu klein wird und zu einer Abschnürung der Teilkomponenten der Verwerfungsstabilisierungsstruktur führen kann. Der genannte Bereich hat sich als besonders vorteilhafter Bereich im Zusammenhang mit den obigen beiden Erfordernissen erwiesen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchsteigeverbindung in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur und/oder in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur mit einer mechanischen Vorspannung integriert sein, die einer komponententrägerplattenintrinsischen Verwerfungskraft entgegenwirken. Gemäß diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch den Herstellungsprozess der Durchsteigeverbindung selbst eine mechanische Vorspannung in die Vorrichtung eingeimpft, die dann von einer verwerfungsinduzierenden Kraft überwunden werden muss, bevor Verwerfungen auftreten. Insbesondere thermomechanische Effekte während des Herstellens der aus heterogenen Materialien aufgebauten Vorrichtung können während eines nachfolgenden Abkühlprozesses zur Ausbildung von herkömmlich unerwünschten, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung aber hocherwünschten inneren Spannungen der Vorrichtung führen und somit nutzbar gemacht werden. Mit anderen Worten ist mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass das herkömmliche Vorurteil, innere mechanische Spannungen der Vorrichtung führten zwangsläufig zu einem Qualitäts- oder sogar Funktionsverlust, in dieser Allgemeinheit unzutreffend sind. Vielmehr können solche Spannungen gerade zur Unterdrückung unerwünschter Verwerfungen beitragen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung als die Vorrichtung vollständig durchdringende Durchkontaktierung oder als die Vorrichtung nur genau teilweise durchdringende Ankontaktierung ausgebildet sein. Somit kann gemäß einer Ausgestaltung die Durchsteigeverbindung als Via ausgebildet werden, das beide Hauptoberflächen der Vorrichtung miteinander elektrisch leitfähig koppelt. Alternativ kann auch ein nur teilgefülltes bzw. sacklochartiges Element als Durchsteigeverbindung realisiert werden, zum Beispiel um im Inneren der Vorrichtung eingebettete elektronische Komponenten zu kontaktieren.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann eine Anzahl von Durchsteigeverbindungen pro Fläche einer Hauptoberfläche der Vorrichtung, wenn diese als Leiterplatte ausgebildet ist, in einem Bereich zwischen 50 mm^–2 (d. h. eine Anzahl von 50 Durchsteigeverbindungen pro Quadratmillimeter Hauptoberfläche der Leiterplatte) und 1000 mm^–2, insbesondere in einem Bereich zwischen 200 mm^–2 und 500 mm^–2, sein. Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel kann eine Anzahl von Durchsteigeverbindungen pro Fläche einer Hauptoberfläche der Vorrichtung, wenn diese als Substrat ausgebildet ist, in einem Bereich zwischen 4000 mm^–2 (d. h. eine Anzahl von 4000 Durchsteigeverbindungen pro Quadratmillimeter Hauptoberfläche des Substrats) und 8000 mm^–2 sein. Mit den beschriebenen Flächendichten der Anzahl von Durchsteigeverbindungen von Leiterplatten bzw. Substraten hat sich ergeben, dass dort die Verwerfungsstabilisierung besonders gut funktioniert. Wird die Flächendichte der asymmetrischen Durchsteigeverbindungen oder sonstigen Verwerfungsstabilisierungsstrukturen zu klein, so verschwindet der gewünschte Effekt oder ist vernachlässigbar klein. Wird dagegen die Anzahl der Durchsteigeverbindungen pro Fläche zu groß, so führt dies einerseits zu einem hohen Flächenaufwand und der Gefahr des Ausbildens parasitärer elektrisch leitfähiger Kanäle, andererseits führt eine dann übermäßige Eigenspannung im Inneren der Vorrichtung, verursacht durch die Durchsteigeverbindungen, wiederum zu einer Verschlechterung der Verwerfungsunterdrückungstendenzen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein, insbesondere mittlerer, Abstand zwischen benachbarten Durchkontaktierungen an einer Hauptoberfläche der Vorrichtung, wenn diese als Leiterplatte ausgebildet ist, in einem Bereich zwischen 30 μm und 200 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 μm und 90 μm, sein. Ist dagegen die Vorrichtung als Substrat ausgebildet, so kann der Abstand in einem Bereich zwischen 1 μm und 30 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 μm und 20 μm, sein. Wird der Abstand benachbarter Durchsteigeverbindungen (Pitch) mit schräger Haupterstreckungsrichtung zu klein, so werden die elektrisch isolierenden Materialbereiche zwischen den schrägen Durchsteigeverbindungen so klein, so dass diese an mechanischer Festigkeit verlieren und der ausgebildeten Eigenspannung im Inneren der Vorrichtung nicht mehr standhalten können. Es kann dann zu Rissbildungen oder sonstigen unerwünschten Effekten kommen. Wird dagegen ein Abstand zwischen benachbarten Durchkontaktierungen zu groß, so geht die verwerfungsstabilisierende Wirkung bis zu einem letztlich dann nicht mehr akzeptablen Maße verloren.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die Durchsteigeverbindungen mittels mechanischen Bohrens oder Laserbohrens ausgebildet werden. Allerdings sind andere Verfahren zum Erzeugen von Durchsteigeverbindungen ebenfalls möglich, wie zum Beispiel ein chemisches Ätzen (optional in Kombination mit Lithographie).
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die Durchsteigeverbindungen mittels Bohrens ausgehend von beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Vorrichtung ausgebildet werden. Ein einstellbarer Versatz beim Bohren von gegenüberliegenden Seiten ermöglicht es daher, die gewünschte Asymmetrie zwischen unterschiedlichen Durchsteigeverbindungsabschnitten präzise einzustellen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann während des Herstellens der mindestens einen Durchsteigeverbindung in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Struktur und/oder in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur die mindestens eine Durchsteigeverbindung mit einer mechanischen Vorspannung in dem sie umgebenden Material der Vorrichtung integriert werden, die einer Verwerfungskraft entgegenwirkt. Somit kann die verwerfungsunterdrückende Wirkung der Verwerfungsstabilisierungsstruktur bereits während deren Herstellungsprozess in der Vorrichtung angelegt werden, indem gezielt mechanische Verspannungen in die Vorrichtung implementiert werden. Die resultierenden internen Kräfte der Vorrichtung, die anschaulich zu einer Verkeilung von deren Konstituenten führen können, wirken einer Verwerfungstendenz, die durch thermische Ausdehnung einhergehen kann, somit entgegen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mechanische Vorspannung erzeugt werden, indem eine Temperatur zum Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung höher eingestellt wird als eine Temperatur zum Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur. Während des Erwärmungs- bzw. Abkühlprozesses zum Ausbilden der materialgefüllten Durchsteigeverbindung kommt es dadurch zum Injizieren der beschriebenen Vorspannung in die Vorrichtung und während des Betriebs zu einer reduzierten Tendenz, Verwerfungen zu bilden. Auch durch mechanischen Stress, der auf die Verwerfungsstabilisierungsstruktur insbesondere während des Einbringens in die Vorrichtung ausgeübt wird, kann eine solche mechanische Vorspannung generiert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur mit einem kleineren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung. Bei dieser Konfiguration der Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist das durch das temperaturintensive Ausbilden der Durchsteigeverbindung bedingte Erzeugen von Eigenspannungen in der Vorrichtung besonders ausgeprägt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mechanische Vorspannung erzeugt werden, indem eine Temperatur zum Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung niedriger eingestellt wird als eine Temperatur zum Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur. Gemäß dieser Ausgestaltung kann ein hochtemperaturbasiertes Prozessieren der Schichtstrukturen im Vergleich zu einem temperaturmilderen Ausbilden der Durchsteigeverbindungen die mechanischen Eigenspannungen der Vorrichtung bewirken.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur mit einem größeren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung. Die zuvor beschriebene Ausgestaltung ist bei der genannten Konfiguration von Werten des thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders stark ausgeprägt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mechanische Vorspannung erzeugt werden, indem nach dem Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung und nach dem Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur die Vorrichtung einer zeitweisen Temperaturerhöhung ausgesetzt wird, wodurch es zur Anpassung der Materialien der Vorrichtung aneinander und zum Aufbau einer mechanischen Klammerspannung (als besondere Ausprägung der mechanischen Vorspannung) kommt. Durch Tempern der Vorrichtung nach deren Fertigstellung können Eigenspannungen erzeugt werden und kann gleichzeitig ein Ausgleich von eventuell verbleibenden Hohlräumen im Inneren der Vorrichtung durch Fließen von Material (zum Beispiel Harz der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur) die Verwerfungstendenzen weiter unterdrücken.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus Harz (insbesondere aus Bismaleimid-Triazin Harz), Glasfasern, Prepreg-Material, Polyimid, einem Flüssigkristallpolymer, Epoxid-basierte Build-Up Films und FR4 Material. Harzmaterial kann als mechanisch stabile Matrix dienen, die gleichzeitig der jeweiligen Struktur elektrisch isolierende Eigenschaften verleiht. Das Vorsehen von Glasfasern stärkt das elektrisch isolierende Material mechanisch und kann außerdem eine gewünschte räumliche Anisotropie der mechanischen Eigenschaften bewirken. Prepreg-Material ist eine Vorform von FR4-Material und weist eine Mischung von Harz und Glasfasern auf. Durch die Verwendung entsprechender Prepreg-Folien mit Ausnehmungen kann die Grundlage dafür geschaffen werden, dass elektronische Bausteine in den Öffnungen aufgenommen werden (oder direkt im Material verpresst werden) und nach Verpressen der so erhaltenen Struktur mit weiteren Prepreg-Folien die elektronischen Bausteine in dem elektrisch isolierenden Material vollumfänglich eingebettet werden. FR4 (flame resistant) bezeichnet ein gängiges Material für Vorrichtungen, das für eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine hohe mechanische Robustheit bei niedrigen Kosten ermöglicht. Die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur kann auch Glas aufweisen oder daraus bestehen. Als weitere Materialien für die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur sind eine Keramik und/oder ein Metalloxid möglich.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur Kupfer aufweisen oder daraus bestehen. Alternative Materialien sind Aluminium, Silber, Nickel oder andere geeignete Metalle.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung als Leiterplatte (Printed Circuit Board (PCB) ausgebildet sein. Eine Leiterplatte (die auch als Leiterkarte oder Platine bezeichnet werden kann) kann als ein Träger für elektronische Bauteile zeichnet werden. Eine Leiterplatte dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Leiterplatten weisen elektrisch isolierendes Material als Trägerstruktur mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, d. h. Leiterbahnen und Kontaktstrukturen, auf. Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff möglich, insbesondere aufweisend Epoxidharz, FR4 und/oder Prepreg. Die Leiterbahnen können aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung als Substrat ausgebildet sein. Unter einem Substrat kann in diesem Zusammenhang ein Träger für elektrische Verbindungen bzw. ein Komponententräger ähnlich einer PCB-Leiterplatte verstanden werden, jedoch mit einer wesentlich höheren Dichte von lateralen (Leiterbahnen) und/oder vertikalen (Bohrungen) Verbindungsstellen, wie sie etwa zur Herstellung von elektrischer und mechanischer Verbindung von gehäusten oder ungehäusten Bauelementen (insbesondere einem IC Chip) und einer PCB-Leiterplatte eingesetzt werden. Unter den Begriff „Substrate” fallen somit „IC Substrate”.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei der Vorrichtung mindestens eine elektronische Komponente in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur und/oder in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur eingebettet sein. Eine solche elektronische Komponente bzw. ein solcher „elektronischer Baustein” kann insbesondere jede aktive elektronische Komponente (wie zum Beispiel ein elektronischer Chip, insbesondere ein Halbleiterchip) oder jede beliebige passive elektronische Komponente (wie zum Beispiel ein Kondensator, ein Widerstand oder eine Induktivität) sein. Beispiele der eingebetteten Bausteine bzw. Komponenten sind ein Datenspeicher wie zum Beispiel ein DRAM (oder jeder andere beliebige Speicher), ein Filter (der zum Beispiel als ein Hochpassfilter, ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter konfiguriert sein kann, und der zum Beispiel zum Frequenzfiltern dienen kann), ein integrierter Schaltkreis (wie zum Beispiel ein Logik IC), eine Signalverarbeitungskomponente (wie zum Beispiel ein Mikroprozessor), eine Leistungsmanagementkomponente, ein optisch-elektrisches Schnittstellenelement (zum Beispiel ein optoelektronisches Bauelement), ein Spannungswandler (wie zum Beispiel ein DC/DC Konverter oder ein AC/DC Konverter), ein elektromechanischer Wandler (z. B. ein PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) Sensor und/oder Aktor), eine Sende- und/oder Empfangseinheit für elektromagnetische Wellen (z. B. ein RFID-Chip oder Transponder), eine kryptografische Komponente, eine Kapazität, eine Induktivität, ein Schalter (zum Beispiel ein Transistor-basierter Schalter) und eine Kombination von diesen und anderen funktionalen elektronischen Bauteilen. Die Komponente kann auch ein mikroelektromechanisches System (MEMS), eine Batterie, eine Kamera oder eine Antenne aufweisen.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
1 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 bis 9 zeigen Strukturen, anhand derer eine Ausbildung einer Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung abgeleitet wird.
10 bis 15 sowie 17 zeigen Querschnittsansichten von Leiterplatten gemäß anderen exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
16 zeigt eine Draufsicht einer Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, sollen noch einige allgemeine Aspekte der Erfindung erläutert werden:
Leiterplatten können im Rahmen des eigenen Fertigungsprozesses und/oder des nachfolgenden Bestückungsprozesses ein gewisses Mass an Verwerfung erleben. Dies wird durch die unterschiedlichen Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE-Werte) der beteiligten Materialen, durch die mechanische Beanspruchung und/oder die Abbindungs- und Trocknungsprozesse in der Verarbeitung hervorgerufen. Diese Verwerfung ist im einfachsten Falle eine Eigenschaftsveränderung der bestückten Leiterplatte im Sinne der Qualitätssicherung, führt aber unter Umständen zum funktionalen Ausfall der gesamten Leiterplatte. Leiterplattenfertiger versuchen seit langem, den Verzug zu reduzieren und zu minimieren.
Es ist ferner bekannt, dass Durchkontaktierungen und Vias in einer Leiterplatte im rechten Winkel (z-Achse) gegenüber der Leiterplatte (xy Ebene) hergestellt werden.
Es ist weiter bekannt, dass im Baubereich spezielle Konstruktionen und Festigkeiten mittels Spannbeton erreicht werden können. Dabei werden mittels eingebetteten Systemen Zugspannungen gegenüber der druckstabilen Tragkonstruktion aufgebaut. Es ist aus der Baubranche ebenfalls bekannt, dass auch nachträglich eine Kabelvorspannung erreicht werden kann, indem Spannkabel in einer Führungshülse lose einbetoniert werden und nachträglich gespannt werden.
Mittels spezieller Techniken ist es bei Leiterplatten möglich, eine Durchkontaktierung herzustellen, die nicht genau senkrecht zur Leiterplattenebene verläuft. Ferner sind bestimmte Formen von Durchkontaktierungen möglich, bei denen die angreifenden Kräfte im Wesentlichen einer schrägen Durchkontaktierung entsprechen, das heißt, dass sich auch aus versetzten senkrechten Komponenten einer Durchkontaktierung ein kraftäquivalentes System zu einer schrägen Durchkontaktierung aufbauen lässt.
Es wurde erstaunlicherweise gefunden, dass durch geschickte Dimensionierung des Durchmessers der Durchkontaktierung (Spannseil als Analogon zum Spannbeton) gegenüber der umgebenden Isolationsschicht (zum Beispiel FR4, was im Analogon vom Spannbeton dem Beton entspricht) ein ähnlicher Effekt im Inneren einer Leiterplatte erzielen lässt. Je nach Dimensionierung sind auch Systeme mit Teilvorspannung herstellbar. Die mechanischen Spannungen können gezielt so dimensioniert werden, dass sie einer Verwerfung bei der Fertigung entgegenwirken.
Es wurde weiter gefunden, dass sich solche Spannungen durch grundsätzlich unterschiedliche Mechanismen aufbauen und steuern lassen:

Gruppe A: Wenn der CTE der Isolation (d. h. der elektrisch isolierenden Schichtstrukturen) kleiner ist als der CTE des Leiters (das heißt der elektrisch leitfähigen Schichtstrukturen), wie zum Beispiel bei der Kombination Glas/Kupfer
1) Dadurch, dass die Durchkontaktierung bei einer höheren Temperatur erfolgt als die nachträglichen Betriebstemperaturmittel, lässt sich eine Grundspannung entlang einer gewünschten Trajektorie in der Leiterplatte gezielt aufbauen. Dies entsteht dadurch, dass der CTE von Kupfer höher ist als derjenige des Isolators.
2) Im Rahmen eines Curing-Prozesses (oder eines Nachcuringprozesses) des FR4 werden die Schichtstrukturen zu einem bestimmten Maß erwärmt. Dabei dehnt sich das Kupfer mit seinem großen CTE relativ stark aus. In diesem gedehnten Zustand passt sich die FR4-Masse/das Prepreg und/oder andere Isolatoren den neuen mechanischen Platzverhältnissen des ausgedehnten Kupfers an. Die nachfolgende Abkühlung des nun ausgehärteten Harzes führt zum Aufbau einer Klammerspannung durch das sich bei der Abkühlung mehr als das Isolationsmaterial zusammenziehende Kupfer.
3) Eine normal hergestellte Durchkontaktierung wird in einem Erhitzungsprozess der ganzen Leiterplatte erwärmt (dieser Erhitzungsprozess kann sowohl bei bestimmten Prozessschritten ein Nachcuring des Basismaterials sein, aber auch im Rahmen des eigentlichen Reflow-Lötprozesses stattfinden). Da sich das Kupfer wegen seinem größeren CTE stärker ausdehnt als der umgebende Isolator, wird zuerst eine Delamitationsspannung aufgebaut (d. h. eine mechanische Spannung, die versucht, die Schichten des Leiterplattenaufbaus in maßgeblich vertikaler Richtung auseinanderzuziehen. Durch geeignete Dimensionierung von Lochgröße und Wandstärke der Kupferfüllung (bis zur Vollfüllung) kann ein Punkt gefunden werden, wo Kupfer durch die zusammenhaltenden Kräfte der Isolationsschicht (insbesondere bei Glas sehr hoch) an seine Elasitzitätsgrenze gelangt und sich plastisch verformt (d. h. gestreckt wird). Dieser Punkt ist bei Kupfer (und allenfalls minimalen Legierungszusätzen) zwischen 40 MPa und 300 MPa planbar. Die nachfolgende Abkühlung führt zum Aufbau einer mechanischen Spannung und kann so geplant werden, dass diese Kräfte einer Verwerfung entgegenwirken.
Gruppe B: Wenn der CTE der Isolation größer ist als der CTE des Leiters (zum Beispiel gewisse FR4 Materialien, wobei der CTE in x/y-Richtung anders ist als in z-Richtung)
1) Dadurch, dass die Durchkontaktierung bei einer tieferen Temperatur erfolgt als die nachträglichen Betriebstemperaturmittel oder durch die erhöhten Temperaturen im Reflowprozess, lässt sich eine Grundspannung entlang einer vorgebbaren Linie gezielt aufbauen. Dies entsteht dadurch, dass der CTE von Kupfer niedriger ist als derjenige von FR4 bzw. anderen Isolatoren.
2) Durch den Aufbau einer Teilvorspannung im Rahmen des Curingprozesses von zum Beispiel FR4 ist es auch möglich, eine gesteuerte Verwerfung vor dem Reflowlöten zu konditionieren. Der nachfolgende Reflowprozess führt dann aufgrund der Teilvorspannung zu weniger Verwerfungen.
3) Die Bohrungen können so gelegt werden, dass die Temperaturerhöhung während des Reflowprozesses zu einer Spannung und dadurch kontrollierten Versteifung der Leiterplatte führt. Nach der Abkühlung sind die Eigenschaften der Leiterplatte wie ohne diese Versteifungen, d. h. dieser Prozess ist auch geeignet für entsprechende flexible Leiterplatten, solange die Elastizität des flexiblen Teils nur bei tiefen Temperaturen gegeben ist. Isolationsmaterialien mit temperaturabhängigem variablem Elastizitätsmodul können hierbei zum Einsatz kommen.

Ein Ausführungsbeispiel besteht in dem Vorsehen mindestens einer schrägen Bohrung. Als Variante hierzu ist es möglich, nur Durchkontaktierungen oder auch gefüllte Durchkontaktierungen vorzusehen. Es ist möglich, ein an einer Hauptoberfläche der Leiterplatte endendes Via und/oder ein vergrabenes („buried”) Via als Verwerfungsstabilisierungsstruktur vorzusehen. Das Vorsehen einer Verwerfungsstabilisierungsstruktur kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn Embedding bereits stattgefunden hat, gerade stattfindet oder erst noch stattfinden wird. Ein Isolator kann Teil eines Substrats sein, das Material kann dabei auch Glas sein. Ein anderes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf mehrere Durchkontaktierungen, die sich entlang unterschiedlicher Richtungen bzw. Haupterstreckungsrichtungen erstrecken. Noch ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft zwei (vorzugsweise miteinander im Inneren der Leiterplatte verbundene) Sacklöcher, die sich ausgehend von den gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) in deren Inneres hinein erstrecken. Ein anderes Ausführungsbeispiel stellt konische Bohrungen bereit. Noch ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft Kegelstümpfe als sich berührende Elemente, auch bei unterschiedlichen Winkeln der schrägen Flanken oder weiteren Asymmetrien. Ein Füßen der Durchkontaktierungen mit einem Material eines bestimmten CTE Werts ist möglich, wodurch ein noch gezielteres Reagieren auf eine Temperaturänderung erreichbar ist (zum Beispiel Aluminium).
Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zunächst ein Bohren von Löchern in der Leiterplatte erfolgen, gefolgt von einem Aufbringen einer stromlosen Keim- oder Seedschicht aus Kupfer (oder aus einem anderen hierfür geeigneten Metall). Dem kann sich eine Verfüllung mit Elektrolysekupfer anschließen. Der letzte Prozess kann so gewählt werden, dass eine deutlich erhöhte Temperatur eingehalten wird (zum Beispiel 80°C). Kupfer als guter Wärmeleiter kann sich anders zusammenziehen als die Substratumgebung und als Verwerfungsstabilisierungsstruktur eine mechanische Spannung in der Platte bewirken, die verstärkend, verzugshemmend und/oder stabilisierend wirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Leiterplatte bereitgestellt werden, die mindestens eine Durchkontaktierung enthält, die in einem anderen Winkel als 90 Grad zur Leiterplattenrichtung orientiert ist. Alternativ oder ergänzend kann mindestens eine Durchkontaktierung gegenüber einer direkten und geraden Durchkontaktierung eine Asymmetrie aufweisen.
Eine Bohrlochgröße kann unterhalb von 100 μm (insbesondere unterhalb von 30 μm) sein. Als elektrisch isolierendes Basismaterial der Leiterplatte ist zum Beispiel FR4, Epoxidharz, Teflon, Polyamid, Polyimid, Cyanatester und/oder Bismaleimid-Triazin Harz möglich, alternativ oder ergänzend auch Gläser und glasartige Trägermaterialien (zum Beispiel Multilayer Glas), sowie Keramiken oder Metalloxide. Eine Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann mindestens eine eingebettete Komponenten beinhalten. Eine Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine oder mehrere Durchkontaktierungen aufweisen, die sich aus leicht versetzten (insbesondere Sackloch-)Bohrungen von jeder Leiterplattenseite ergeben kann. Bei einer solchen Durchkontaktierung kann ein Bohrungsdurchmesser mit der Tiefe der Bohrung variieren (insbesondere in einer Weise, um im Querschnitt ein Sanduhrprofil zu bilden). Eine Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Rolle eines Substrates bzw. eines Chipträgers spielen. Isolationsmaterialen einer Leiterplatte gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann Harze, Gläser, Keramiken oder Metalloxide enthalten. Eine Durchkontaktierung kann aus Kupfer, Silber oder ähnlichen Materialien mit hohem Leitwert bestehen.
1 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 (PCB, printed circuit board) gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Leiterplatte 100 enthält eine aus einer oder mehreren miteinander verpressten Schichten oder Folien zusammengesetzte elektrisch isolierende Schichtstruktur 102 aus FR4 bzw. Prepreg Material. Es ist auch möglich, mehrere elektrisch isolierende Schichtstrukturen 102 vorzusehen. Darüber hinaus weist die Leiterplatte 100 als strukturierte Kupferfolien ausgebildete elektrisch leitfähige Schichtstrukturen 104 auf, die mit der elektrisch isolierenden Schichtstruktur 102 unter Bildung eines Laminats verpresst ist. Der Schichtenstapel, der aus der elektrisch isolierenden Schichtstruktur 102 und den elektrisch leitfähigen Schichtstrukturen 104 aufgebaut ist, ist in der gemäß 1 vertikalen Stapelrichtung vollständig von einer Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Leiterplatte 100 durchzogen.
Die Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 ist mittels einer Vielzahl von als Vias ausgebildeten schräg verlaufend ausgebildeten Durchsteigeverbindungen 108 ausgebildet, von denen in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine gezeigt ist. Die gezeigte Durchsteigeverbindung 108 erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsrichtung 114 und schließt mit den einander gegenüberliegenden parallelen Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100 einen spitzen Winkel α von ca. 80° ein. Die Haupterstreckungsrichtung 114 der gegenüber dem Schichtenstapel schräg verlaufenden Durchsteigeverbindungen 108 ergibt sich durch eine geradlinige Verbindung zwischen Flächenschwerpunkten 120, 122 der freiliegenden Endflächen der Durchsteigeverbindungen 108 an den Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100. Um eine besonders wirksame Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 zu generieren, können unterschiedliche der Durchsteigeverbindungen 108 mit unterschiedlichen Werten des spitzen Winkels α bezüglich den Hauptoberflächen 110, 112 angeordnet und somit zueinander nicht parallel oder windschief orientiert werden. Die Durchsteigeverbindungen 108 sind vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Material, im gezeigten Ausführungsbeispiel Kupfer, gefüllt. Die Durchsteigeverbindungen 108 sind somit als metallgefüllte Schrägbohrungen ausgebildet. Das elektrisch leitfähige Material der Durchsteigeverbindungen 108 grenzt an Material der elektrisch isolierende Schichtstruktur 102 und der elektrisch leitfähigen Schichtstrukturen 104 an.
Die Durchsteigeverbindungen 108 in den elektrisch leitfähigen Schichtstrukturen 104 und in der elektrisch isolierenden Schichtstruktur 102 sind mit einer mechanischen Vorspannung integriert, die einer Verwerfungskraft entgegenwirkt.
Gemäß 1 durchstößt die als schräge Durchsteigeverbindung 108 ausgebildete Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 die ebene Leiterplatte 100, insbesondere deren zueinander parallel angeordnete Schichtstrukturen 102, 104, schräg bzw. unter dem spitzen Winkel α. Im Vergleich zu einer symmetrischen, vertikalen Orientierung eines Vias durch eine Leiterplatte ist gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Symmetrie reduziert und eine intrinsische mechanische Spannung in die Leiterplatte 100 implementiert. Dadurch ist es unter Temperatureinfluss unterdrückt, dass die aus unterschiedlichen Materialien gebildeten Schichtstrukturen 102, 104 bzw. die Durchsteigeverbindungen 108 selbst, aufgrund ihrer unterschiedlichen Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter Erzeugung einer Verwerfung Eigenspannungen ausbilden. Stattdessen ist durch die schräge Integration der Durchsteigeverbindungen 108 die Ausbildung einer solchen Verwerfungstendenz unterdrückt. Insbesondere ist die gezeigte Durchsteigeverbindung 108 mit ihrer schrägen Orientierung simultan verwendbar, um in 1 nicht gezeigte, an den einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 110, 112 zu montierende elektronische Komponenten elektrisch zu kontaktieren bzw. miteinander zu verbinden. Dadurch kann quasi ohne zusätzlichen hardwaretechnischen Aufwand ein in die Leiterplattenfunktionalität eingebettete Durchsteigeverbindung 108 als Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 geschaffen werden.
2 bis 9 zeigen Strukturen aus dem Gebiet der Bautechnik. Die im Weiteren angestellten Überlegungen wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Leiterplattentechnologie übertragen und dafür nutzbar gemacht, um exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung zu entwickeln.
2 zeigt ein Betonbauelement 200 zwischen einem Festanker 202 und einem Spannanker 204. Auch ist in 2 ein Spannglied 204 gezeigt. 3 zeigt das Betonbauelement 200 nach Anlegen einer Vorspannung p. Eine Zugspannung σ_c (siehe Bezugszeichen 300) und eine Druckspannung σ_c (siehe Bezugszeichen 302) führen zu einer Verwerfung des Betonbauelements 200. 4 zeigt das Betonbauelement 100 bei Anlegen einer äußeren Belastung q. 5 stellt die Überlagerung der Betonspannungen bei Anlegen der Vorspannung p und der äußeren Belastung q dar.
In der Baubranche kann auch nachträglich eine Kabelvorspannung erreicht werden, indem Spannkabel in einer Führungshülse lose einbetoniert werden und nachträglich gespannt werden:
6 zeigt wie Spannstahl 600 in einem Hüllrohr 602 in einem Betonbauteil 200 implementiert ist. 7 zeigt ein Vorspannen des Spannstahls 600 gegen den erhärteten Beton des Betonbauteils 200. In 8 ist die Herstellung eines Verbundes gezeigt, wenn das Hüllrohr 602 mit Zementmörtel 800 verpresst wird. Eine entsprechende Seitenansicht ist in 9 gezeigt. Das gezielte Implementieren einer Vorspannung in einem Betonbauteil 200 kann dessen mechanische Festigkeit verbessern.
Gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine zum Beispiel schräge oder in sonstiger Weise asymmetrische Durchsteigeverbindung 108 als Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 in eine Leiterplatte 100 integriert, um eine Strukturstabilität und eine Unterdrückung von Verwerfungstendenzen der Leiterplatte 100 zu erreichen. Besonders wirksam kann das Implementieren einer mechanischen Vorspannung in die Leiterplatte 100 durch eine asymmetrische Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 erreicht werden.
10 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß 10 sind Durchsteigeverbindungen 108 mittels jeweils zwei miteinander verbundener und zueinander asymmetrisch angeordneter, im gezeigten Ausführungsbeispiel nämlich seitlich zueinander versetzter, materialgefüllter Teilbohrungen 1002, 1004 ausgebildet. Die seitlich zueinander versetzten und jeweils als Sackloch ausgebildeten Teilbohrungen 1002, 1004 sind senkrecht zu den Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100 ausgerichtet und haben eine kreiszylindrische Gestalt. Die Teilbohrungen 1002, 1004 sind zum Beispiel durch einen mechanischen Bohrer gebildet, der von beiden Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100 aus materialabtragend wirkt. Die Teilbohrungen 1002, 1004 können zueinander einen seitlichen Versatz in einem Bereich zwischen 3 μm und 50 μm haben. Gemäß 10 ist die in Bezug auf die Haupterstreckungsrichtung 114 schräg gegenüber den Hauptoberflächen 110, 112 verlaufende Durchsteigeverbindung 108 durch zwei kreiszylindrische Teilbohrungen 1002, 1004 realisiert, die einen Überlappungsbereich 1010 aufweisen und zum Beispiel mittels eines mechanischen Bohrers durch eine abrasive Einwirkung auf die beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 110, 112 erzeugt wurde.
Eine elektronische Komponente 1000, zum Beispiel ein Halbleiterchip oder ein Kupferblock, ist in der elektrisch isolierenden Schichtstruktur 102 eingebettet und mittels eines Vias 1020 mit der elektrisch leitfähigen Schichtstruktur 104 an der Hauptoberfläche 112 der Leiterplatte 100 elektrisch leitfähig verbunden. 10 zeigt also ferner, dass eine elektronische Komponente 1000 in der Leiterplatte 100 eingebettet ist. Bei Einbettung eines elektronischen Chips oder einer anderen elektronischen Komponente 1000 in eine Leiterplatte 100 kommt eine weitere Materialkomponente (insbesondere Silizium eines Halbleiterchips) hinzu, die hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten gänzlich unterschiedliche Eigenschaften haben kann als die Materialien der Schichtstrukturen 102, 104 bzw. der Durchsteigeverbindung 108. Gerade Silizium hat eine stark unterschiedliche thermische Ausdehnung gegenüber den in der Leiterplattentechnologie herkömmlich verwendeten Materialien Kupfer und FR4. Somit führt die Implementierung einer Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 bei der in 10 gezeigten Konfiguration mit eingebetteter Komponente 1000 zu besonderen Vorteilen und führt selbst bei dieser hinsichtlich Verwerfungen besonders kritischen Ausgestaltung zu verwerfungsfreien Leiterplatten 100.
Die Löcher 1002 und 1004 können, aber müssen nicht, Rundlöcher sein, sondern können auch rechteckige oder verrundete rechteckige Formen aufweisen oder Ovale sein. Insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen kann es im Hinblick auf eine erwünschte möglichst störungsfreie Propagation von elektromagnetischen Hochfrequenzsignalen entlang elektrisch leitfähiger Pfade vorteilhaft sein, die geometrische Form von Leiterzügen und Vias möglichst ähnlich, insbesondere identisch, auszugestalten. Da Leiterzüge häufig einen rechteckigen oder abgerundet-rechteckigen Querschnitt haben, kann eine entsprechende Form der Vias ebenfalls vorteilhaft sein.
11 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 11 zeigt eine Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106 in Form einer als die Leiterplatte 100 bzw. deren Schichtstrukturen 102, 104 nur teilweise durchdringenden Durchsteigeverbindung 108, die somit als materialgefülltes (alternativ als materialfreies) schräg zu den Hauptoberflächen 110, 112 verlaufendes Sackloch ausgebildet ist. Auch das nur teilweise Ausbilden der Durchsteigeverbindung 108 ohne vollständige Durchdringung aller Schichtstrukturen 102, 104 der Leiterplatte 100 reduziert die Asymmetrie der Anordnung weiter und stärkt damit die Verwerfungsunterdrückungsfunktionalität.
12 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 12 zeigt somit eine Ausgestaltung der Leiterplatte 100, bei der mehrere schräge Durchsteigeverbindungen 108 gezeigt sind, die (zum Beispiel gruppenweise) in unterschiedlichen Haupterstreckungsrichtungen 114 ausgerichtet sind. Somit sind die einzelnen Durchsteigeverbindungen 108 gemäß 12 zueinander nicht parallel, sondern ebenfalls unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Dies verbessert die Verwerfungsstabilisierung weiter, da durch diese unsymmetrische Anordnung in verschiedenen Richtungen der Leiterplatte 100 eine verwerfungsunterdrückende mechanische Vorspannung eingepflanzt werden kann.
13 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 13 zeigt eine wiederum aus zwei Teilbohrungen 1002, 1004 zusammengesetzte Durchsteigeverbindung 108 (siehe Überlappungsbereich 1010), bei der ein zusätzlicher Grad an Asymmetrie durch das Vorsehen der Teilbohrungen 1002, 1004 mit unterschiedlichen Durchmessern erreicht wird. Auch dies verbessert die verwerfungsunterdrückende Stabilisierung. Gemäß 13 sind die Teilbohrungen 1002, 1004 ohne seitlichen Versatz zueinander, mithin achsparallel, ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch ein seitlicher Versatz zwischen den Teilbohrungen 1002, 1004 möglich, um den Grad der Asymmetrie und somit die verwerfungsstabilisierende Wirkung zusätzlich zu erhöhen.
14 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. wobei die seitlich zueinander versetzten Teilbohrungen 1002, 1004 gemäß 14 jeweils im Wesentlichen eine kegelförmige Gestalt haben. Gemäß 14 sind zwei einander in einem Überlappungsbereich 1400 überlappende kegelförmige Teilbohrungen 1402, 1404 gezeigt, wie sie beispielsweise mittels Laserbohrens von einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100 aus erhalten werden. Insbesondere bei einer nur mäßigen Versetzung der beiden kegelförmigen Teilbohrungen 1402, 1404 kann eine hervorragende Unterdrückung der Verwerfung erreicht werden, insbesondere bei Realisierung der Dichtebedingungen gemäß 16 bzw. der Abstandsbedingungen gemäß 17.
15 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß 15 sind die beiden Teilbohrungen 1002, 1004 als seitlich zueinander versetzte Kegelstümpfe ausgebildet. Der Grad der Asymmetrie gemäß 15 ist besonders hoch, da neben dem Überlappungsbereich 1010 auch Stufenabschnitte 1500 gebildet sind.
16 zeigt eine Draufsicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer als schräge Durchsteigeverbindungen 108 ausgebildeten Verwerfungsstabilisierungsstruktur 106. Die Durchsteigeverbindungen 108 sind in beiden zueinander orthogonalen Richtungen der Papierebene von 16 entlang von Zeilen und Spalten matrixförmig angeordnet. Gemäß 16 beträgt die Dichte der Anzahl von Durchsteigeverbindungen 108 an der Hauptoberfläche 110 pro Fläche 250 Stück/mm². Die Durchsteigeverbindungen 108 sind gemäß 16 matrixförmig, das heißt entlang von Zeilen und Spalten angeordnet. Gemäß anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung kann jedoch auch eine unregelmäßige Anordnung der Durchsteigeverbindungen 108 an den einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 110, 112 implementiert werden.
17 zeigt eine Querschnittansicht einer Leiterplatte 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Durchsteigeverbindungen 108 durch miteinander verbundene kegelförmige oder kegelstumpfförmige Teilbohrungen mittels Laserbohrens an beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen 110, 112 erhalten wurden. Gemäß 17 sind die resultierenden sanduhrförmigen Strukturen untereinander heterogen ausgebildet, das heißt haben unterschiedliche Formen und Haupterstreckungsrichtungen. Besonders gemäß dieser Ausgestaltung ist eine extrem gute Verbesserung der Verwerfungseigenschaften ermöglicht.
Ein mittlerer Lochmitte-Lochmitte-Abstand zwischen benachbarten Durchsteigeverbindungen 108 an einer der Hauptoberflächen 110, 112 der Leiterplatte 100 liegt gemäß 17 zum Beispiel in einem Bereich zwischen 50 μm und 100 μm.
Wenngleich die bezugnehmend auf die Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung auf Leiterplatten bezogen sind, können alle für Leiterplatten beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auch auf Substrate (mit gegebenenfalls angepassten Dimensionen, siehe die obige Beschreibung) oder andere Komponententrägervorrichtungen angewendet werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Vorrichtung (100) zum elektrischen Verbinden von Komponenten, wobei die Vorrichtung (100) aufweist: mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur (102); mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur (104), die mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) unter Bildung eines Schichtenstapels gestapelt und verfestigt ist; eine zumindest zwei der Schichtstrukturen (102, 104) des Schichtenstapels zumindest teilweise durchziehende Verwerfungsstabilisierungsstruktur (106) zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Vorrichtung (100).
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Verwerfungsstabilisierungsstruktur (106) mittels mindestens einer Durchsteigeverbindung (108), insbesondere mittels einer Mehrzahl von Durchsteigeverbindungen (108), ausgebildet ist, deren Haupterstreckungsrichtung (114) mit mindestens einer Hauptoberfläche (110) der Vorrichtung (100) einen spitzen Winkel (α) einschließt.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, wobei der spitze Winkel (α) in einem Bereich zwischen 70° und 89°, insbesondere in einem Bereich zwischen 80° und 88° liegt.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei zumindest ein Teil von unterschiedlichen der Mehrzahl von Durchsteigeverbindungen (108) mit unterschiedlichen Werten des spitzen Winkels (α) bezüglich der mindestens einen Hauptoberfläche (110) angeordnet und somit zueinander nicht parallel sind.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, gefüllt ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, wobei das elektrisch leitfähige Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) zumindest entlang eines Teils der Erstreckung der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) durch die Vorrichtung (100) hindurch direkt an die mindestens eine elektrisch isolierende Schichtstruktur (102) angrenzt.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) materialfrei ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die mindestens eine Durchsteigeverbindung (108) mittels einer einzigen, insbesondere zumindest teilweise materialgefüllten, Schrägbohrung ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die mindestens eine Durchsteigeverbindung (108) mittels mindestens zwei miteinander verbundener und zueinander asymmetrisch ausgebildeter, insbesondere seitlich zueinander versetzter, insbesondere zumindest teilweise materialgefüllter, Bohrungen, insbesondere Sacklochbohrungen, ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, wobei die seitlich zueinander versetzten Bohrungen senkrecht zu mindestens einer Hauptoberfläche (110) der Vorrichtung (100) ausgerichtet sind.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die seitlich zueinander versetzten Bohrungen jeweils im Wesentlichen eine kreiszylindrische Gestalt haben.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die seitlich zueinander versetzten Bohrungen jeweils im Wesentlichen eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Gestalt haben.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Bohrungen zueinander einen seitlichen Versatz in einem Bereich zwischen 0,5 μm und 50 μm haben, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 μm und 3 μm oder in einem Bereich zwischen 3 μm und 50 μm.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die mindestens eine Durchsteigeverbindung (108) in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) und/oder in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) mit einer mechanischen Vorspannung integriert ist, die einer Verwerfungskraft entgegenwirkt.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) einen größeren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108).
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) einen kleineren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108).
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei zumindest ein Teil der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) als die Vorrichtung (100) in einer Stapelrichtung des Schichtenstapels vollständig durchdringende Durchkontaktierung oder als die Vorrichtung (100) in einer Stapelrichtung des Schichtenstapels nur genau teilweise durchdringende Ankontaktierung ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mindestens eine elektronische Komponente (1000) in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) und/oder in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) eingebettet ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 18, wobei die mindestens eine elektronische Komponente (1000) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer aktiven elektronischen Komponente, einer passiven elektronischen Komponente, einem Datenspeicher, einem Filter, einem integrierten Schaltkreis, einer Signalverarbeitungskomponente, einer Leistungsmanagementkomponente, einem optisch-elektrischen Schnittstellenelement, einem Spannungswandler, einer kryptografischen Komponente, einer Kapazität, einem Widerstand, einer Sende- und/oder Empfangseinheit, einem elektromechanischen Wandler, einer Induktivität, einem Schalter, einem mikroelektromechanisches System, einer Batterie, einer Kamera und einer Antenne.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 19, wobei eine Anzahl von Durchsteigeverbindungen (108) pro Fläche einer Hauptoberfläche (110) der Vorrichtung (100) in einem Bereich zwischen 50 mm^–2 und 1000 mm^–2 insbesondere in einem Bereich zwischen 200 mm^–2 und 500 mm^–2, ist, oder in einem Bereich zwischen 4000 mm^–2 und 8000 mm^–2.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 20, wobei ein, insbesondere mittlerer, Abstand zwischen benachbarten Durchsteigeverbindungen (108) an einer Hauptoberfläche (110) der Vorrichtung (100) in einem Bereich zwischen 30 μm und 200 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 μm und 90 μm, ist, oder in einem Bereich zwischen 1 μm und 30 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 μm und 20 μm, ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die elektrisch isolierende Schichtstruktur (102) mindestens ein Material aus einer Gruppe aufweist, die besteht aus Harz, insbesondere Bismaleimid-Triazin Harz, Cyanatester, Glas, insbesondere Glasfasern, Prepreg-Material, Polyimid, ein Flüssigkristall-Polymer, Epoxid-basierten Build-Up Film, FR4 Material, einer Keramik, und einem Metalloxid.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die mindestens eine elektrisch leitfähige Schichtstruktur (104) Kupfer aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, ausgebildet als Leiterplatte oder als Substrat.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (100) zum elektrischen Verbinden von Komponenten, wobei das Verfahren aufweist: Stapeln und Verfestigen von mindestens einer elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) mit mindestens einer elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) unter Bildung eines Schichtenstapels; Bilden einer zumindest zwei der Schichtstrukturen (102, 104) des Schichtenstapels zumindest teilweise durchziehenden Verwerfungsstabilisierungsstruktur (106) zum verwerfungsunterdrückenden Stabilisieren der Vorrichtung (100).
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die Verwerfungsstabilisierungsstruktur (106) mittels mindestens einer Durchsteigeverbindung (108), insbesondere mittels einer Mehrzahl von Durchsteigeverbindungen (108), ausgebildet wird, deren Haupterstreckungsrichtung (114) mit mindestens einer Hauptoberfläche (110) der Vorrichtung (100) einen spitzen Winkel (α) einschließend ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei ein Durchbrechen der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) zum Bilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) mittels Ionenbeschusses, chemischen Ätzens, mechanischen Bohrens oder Laserbohrens durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei die mindestens eine Durchsteigeverbindung (108) mittels zweimaligen Bohrens ausgehend von beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (110, 112) der Vorrichtung (100) ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei während des Herstellens der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Struktur (104) und/oder in der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) die mindestens eine Durchsteigeverbindung (108) mit einer mechanischen Vorspannung in dem sie umgebenden Material der Vorrichtung (100) integriert wird, welche mechanische Vorspannung einer Verwerfungskraft entgegenwirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei die mechanische Vorspannung erzeugt wird, indem eine Temperatur beim Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) höher eingestellt wird als eine Temperatur beim Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104).
Verfahren gemäß Anspruch 30, wobei ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) mit einem kleineren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt wird als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108).
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei die mechanische Vorspannung erzeugt wird, indem eine Temperatur beim Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) niedriger eingestellt wird als eine Temperatur beim Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104).
Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei ein Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) mit einem größeren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt wird als zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus einem Material der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (102) und einem Material der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei die mechanische Vorspannung erzeugt oder verstärkt wird, indem nach dem Ausbilden der mindestens einen Durchsteigeverbindung (108) und nach dem Prozessieren der mindestens einen elektrisch isolierenden Schichtstruktur (102) und/oder der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schichtstruktur (104) die Vorrichtung (100) einer zeitweisen Temperaturerhöhung ausgesetzt wird, wodurch es zur Anpassung der Materialien der Vorrichtung (100) aneinander und zum Aufbau einer mechanischen Klammerspannung kommt.