DE10224371A1

DE10224371A1 - substrate stack

Info

Publication number: DE10224371A1
Application number: DE10224371A
Authority: DE
Inventors: Hermann Oppermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-07-31

Abstract

Ein Substratstapel umfaßt ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, das gegenüber dem ersten Substrat angeordnet ist, einen Rahmen, der das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbindet, und ein Kernelement, das ebenfalls das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbindet und innerhalb des Rahmens angeordnet ist, wobei der Rahmen ein geschlossener Rahmen ist oder eine oder mehrere Öffnungen aufweist, wobei der eine oder mehreren Öffnungen weniger als die Hälfte eines Umfangs des Rahmens einnehmen.A substrate stack includes a first substrate, a second substrate that is disposed opposite the first substrate, a frame that connects the first substrate and the second substrate, and a core element that also connects the first substrate and the second substrate and within of the frame, the frame being a closed frame or having one or more openings, the one or more openings occupying less than half a circumference of the frame.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbundvorrichtung, bei der zwei parallel angeordnete Substrate verbunden sind, und insbesondere auf eine solche Verbundvorrichtung, die eine Hochfrequenzsignalleitung zwischen den Substraten umfaßt. The present invention relates to a Composite device in which two substrates arranged in parallel are connected, and in particular to such Composite device that a high-frequency signal line between the Includes substrates.

Zwei Substrate, beispielsweise eine Leiterplatte und ein Chipträger, werden herkömmlich mittels eines BGA (BGA = Ball Grid Array = gitterförmige Anordnung von Kugeln oder Lotkugeln) elektrisch leitfähig verbunden. Um Höhenunterschiede bzw. Abweichungen der einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Substrate von einer perfekten Planparallelität auszugleichen und eine gute Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sind die Lotkugeln des BGA mit einem Durchmesser von ca. 300 µm bis 450 µm möglichst hoch. Im Falle eines keramischen Chipträgers und einer Leiterplatte werden hochbleihaltige Lotkugeln mit einem Durchmesser von typischerweise 700 µm bis 800 µm oder sogar bis zu 2.000 µm lange Lotsäulen verwendet, um mechanische Spannungen zu verringern, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Chipträgers und der Leiterplatte auftreten. Two substrates, for example a circuit board and one Chip carriers are conventionally used by means of a BGA (BGA = Ball Grid Array = grid-shaped arrangement of balls or Solder balls) electrically connected. Around Differences in height or deviations of the opposing Surfaces of the two substrates of a perfect Compensate plane parallelism and good reliability too ensure the solder balls of the BGA with a Diameters from approx. 300 µm to 450 µm as high as possible. In the event of a ceramic chip carrier and a printed circuit board lead balls with a diameter of typically 700 µm to 800 µm or even up to 2,000 µm long solder columns used to apply mechanical stress reduce that due to the different thermal Expansion coefficient of the ceramic chip carrier and the circuit board occur.

Für Hochfrequenzanwendungen ist ein BGA meist so aufgebaut, daß ein Kontakt für die Signalleitung von mehreren Massekontakten umgeben ist. Die einzelnen Kontaktelemente sind dabei untereinander gleich und werden aus den Lotkugeln gebildet. Wenn anstelle der Lotkugeln Stifte (Pins) verwendet werden, spricht man von einem PGA (PGA = Pin Grid Array). For high-frequency applications, a BGA is usually designed that one contact for the signal line of several Ground contacts are surrounded. The individual contact elements are doing the same with each other and are made from the solder balls educated. If pins are used instead of the solder balls are referred to as a PGA (PGA = Pin Grid Array).

Zur Verringerung bzw. zur Aufnahme der mechanischen Spannungen wird ferner der Zwischenraum zwischen den beiden Substraten mit einem Polymermaterial teilweise oder vollständig aufgefüllt. Das Polymermaterial muß bestimmte Anforderungen hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten und seines Elastizitätsmoduls erfüllen. Diesbezüglich wurden die besten Ergebnisse mit Epoxydharzen mit keramischen Füllstoffen erzielt. Gefüllte Epoxydharze sind jedoch wegen ihrer dielektrischen Eigenschaften und ihrer Dämpfungsverluste für Hochfrequenzanwendungen nicht geeignet. To reduce or absorb the mechanical Tension also becomes the gap between the two Partially or substrates with a polymer material completely filled. The polymeric material must be certain Thermal requirements Expansion coefficient and its elastic modulus. In this regard, the best results have been achieved with epoxy resins ceramic fillers. Filled epoxy resins are however, because of their dielectric properties and their Attenuation losses for high frequency applications are not suitable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Substratstapel, der für Hochfrequenzanwendungen geeignet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und ein Substrat und ein Hilfssubstrat zur Verwendung in dem Herstellungsverfahren zu schaffen. The present invention is based on the object an improved substrate stack that is suitable for High frequency applications is suitable, as well as a method for its Manufacture and a substrate and an auxiliary substrate for use to create in the manufacturing process.

Diese Aufgaben werden durch einen Substratstapel gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10, ein Substrat gemäß Anspruch 15 und ein Hilfssubstrat gemäß Anspruch 17 gelöst. These tasks are accomplished by a substrate stack Claim 1, a method according to claim 10, a substrate according to claim 15 and an auxiliary substrate according to claim 17 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß zwei Substrate durch einen Rahmen und ein Kernelement, das innerhalb des Rahmens angeordnet ist, verbunden werden. The present invention is based on the idea that two substrates by a frame and a core element that is arranged within the frame to be connected.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Rahmen eine stabile mechanische Verbindung zwischen den beiden Substraten schafft. An advantage of the present invention is that the frame a stable mechanical connection between the creates both substrates.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und das Kernelement elektrisch leitfähig, wobei das Kernelement eine elektrisch leitfähige Verbindung zur Übertragung von Signalen zwischen den Substraten schafft, und der Rahmen eine elektromagnetische Abschirmung des Kernelements bewirkt, wozu er vorzugsweise mit Masse verbunden ist. According to a preferred embodiment, the frame and the core element is electrically conductive, the Core element is an electrically conductive connection to the Transmission of signals between the substrates creates, and the Frame an electromagnetic shielding of the core element causes what it is preferably connected to ground.

Ein besonderer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Rahmen eine vollständige Abschirmung des Kernelements bzw. der über das Kernelement übertragenen Signale gegenüber äußeren elektromagnetischen Einflüssen bildet. There is a particular advantage of this embodiment in that the frame is a complete shield of the Core element or that transmitted via the core element Signals against external electromagnetic influences forms.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Zwischenraum zwischen den Substraten außerhalb dea Rahmens durch eine Vergußmasse bzw. einen Underfiller, vorzugsweise ein gefülltes Epoxydharz, im flüssigen Zustand aufgefüllt. Die Vergußmasse bildet nach dem Aushärten einen Verbindungskörper, der eine weitere mechanische Verbindung zwischen den Substraten schafft. In diesem Zusammenhang besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß der Rahmen ein Vordringen der flüssigen Vergußmasse in den Zwischenraum zwischen dem Kernelement und dem Rahmen verhindert. Dadurch werden eine Beeinträchtigung des durch das Kernelement und den Rahmen gebildeten Signalwegs zwischen den Substraten durch etwaige mangelhafte dielektrische Eigenschaften oder Dämpfungsverluste in der Vergußmasse vermieden und hervorragende elektrische Eigenschaften auch im Hochfrequenzbereich gewährleistet. According to a further preferred embodiment a gap between the substrates outside dea Frame by a casting compound or an underfiller, preferably a filled epoxy resin, in the liquid state refilled. The sealing compound forms one after hardening Connection body, which is another mechanical connection creates between the substrates. In this context there is another advantage of the present invention in that the frame penetrates the liquid potting compound in the space between the core element and the frame prevented. This will adversely affect the the core element and the frame formed signal path between the substrates due to any defective dielectric properties or attenuation losses in the Potting compound avoided and excellent electrical properties also guaranteed in the high frequency range.

Eine bevorzugte Anwendung findet die vorliegende Erfindung bei einem Stapel aus Substraten, die verschiedene Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, beispielsweise einer Leiterbahn aus organischem Material und einem keramischen Chipträger. In solchen Fällen können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu großen mechanischen Belastungen der Verbindung zwischen den Substraten führen. Gemäß dem letztgenannten Ausführungsbeispiel werden diese mechanischen Spannungen von dem Verbindungskörper aufgenommen, wodurch der Rahmen und das Kernelement mechanisch entlastet werden. Die Zuverlässigkeit der durch das Kernelement und den Rahmen gebildeten elektrischen Verbindung zwischen den Substraten wird dadurch stark verbessert. Gleichzeitig kann die Verbindungshöhe, d. h. der Abstand der beiden Substrate voneinander, auf 50 µm bis 200 µm oder auch auf noch kleinere Werte deutlich reduziert werden, da der Verbindungskörper thermomechanische Belastungen von dem Kernelement und dem Rahmen weitgehend fern hält. Diese kurzen Verbindungshöhen sind im Hinblick auf eine reflexionsarme Signalübertragung besonders vorteilhaft und erwünscht. The present invention finds a preferred application with a stack of substrates that are different Materials with different thermal Have expansion coefficients, for example a conductor track organic material and a ceramic chip carrier. In in such cases, the different thermal Expansion coefficient for large mechanical loads the connection between the substrates. According to the the latter embodiment will be mechanical stresses absorbed by the connecting body, whereby the frame and the core element are mechanically relieved become. The reliability of the core element and the frame formed electrical connection between the This greatly improves substrates. At the same time the connection height, d. H. the distance between the two substrates from each other, to 50 µm to 200 µm or even more smaller values can be significantly reduced because of the Connection body thermomechanical loads from the core element and largely keeps the frame away. These short ones Connection heights are low in terms of reflection Signal transmission particularly advantageous and desirable.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit auf einmalige Weise eine verbesserte mechanische Stabilität und damit eine verbesserte Zuverlässigkeit eines Substratstapels und gleichzeitig eine Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften. Letztere resultiert sowohl aus der verringerten Verbindungshöhe als auch aus der Abwesenheit der Vergußmasse bzw. des Verbindungskörpers zwischen dem Kernelement und dem Rahmen. The present invention thus enables unique Way improved mechanical stability and thus improved reliability of a substrate stack and at the same time an improvement in High frequency characteristics. The latter results from both the reduced Connection height as well as the absence of the potting compound or the connecting body between the core element and the frame.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Substratstapels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a schematic sectional view of a substrate stack according to a first embodiment of the present invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rahmens und eines Kernelements gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel; und FIG. 2 shows a schematic illustration of a frame and a core element according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1; and

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 is a schematic sectional view of a further embodiment of the present invention.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Substratstapel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Schnitt senkrecht zu einem ersten Substrat 10 und einem zweiten Substrat 12 bzw. parallel zur Stapelrichtung der Substrate angeordnet ist. Das erste Substrat 10 ist beispielsweise eine Mehrschichtleiterplatte und weist an einer ersten Oberfläche 20 eine erste Leiterbahn 22 und eine zweite Leiterbahn 24 auf. Das zweite Substrat 12 ist beispielsweise ein keramischer Chipträger aus LTCC (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramic), das einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, oder aus einem anderen Keramikmaterial. Es weist an einer ersten Oberfläche 30 eine dritte Leiterbahn 32 und eine vierte Leiterbahn 34 auf. Ferner weisen die Substrate 10, 12 an ihren zweiten Oberflächen 40, 42 und/oder in ihrem Inneren jeweils eine oder mehrere weitere Leiterbahnen 44, 46, 48, 50 auf, die durch Vias bzw. Durchgangslochleiter 52, 54, 56, 58 miteinander und/oder mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Leiterbahnen 22, 24, 32, 34 elektrisch leitfähig verbunden sind. Fig. 1 is a schematic representation of a section through a substrate stack according to a first embodiment of the present invention, the section being on a first substrate 10 and a second substrate 12 disposed perpendicular and parallel to the stacking direction of the substrates. The first substrate 10 is, for example, a multilayer printed circuit board and has a first conductor track 22 and a second conductor track 24 on a first surface 20 . The second substrate 12 is, for example, a ceramic chip carrier made from LTCC (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramic), which has a particularly low coefficient of thermal expansion, or from another ceramic material. It has a third conductor track 32 and a fourth conductor track 34 on a first surface 30 . Furthermore, the substrates 10 , 12 each have on their second surfaces 40 , 42 and / or in their interior one or more further conductor tracks 44 , 46 , 48 , 50 which are connected to one another by vias or through-hole conductors 52 , 54 , 56 , 58 and / or are electrically conductively connected to the first, second, third and fourth conductor tracks 22 , 24 , 32 , 34 .

Vorzugsweise sind die erste Leiterbahn 22 und die weitere Leiterbahn 46 mit Masse verbunden, wobei der Durchgangslochleiter 52 durch dieselben und durch eine ringförmige Anordnung von nicht dargestellten Durchgangslochleitern zwischen der ersten Leiterbahn 32 und der weiteren Leiterbahn 46 gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern abgeschirmt ist. Desgleichen sind vorzugsweise die dritte Leiterbahn 32 und die weitere Leiterbahn 50 mit Masse verbunden, wobei der Durchgangslochleiter 58 durch dieselben und durch eine ringförmige Anordnung von ebenfalls nicht dargestellten Durchgangslochleitern zwischen der dritten Leiterbahn 32 und der weiteren Leiterbahn 50 gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern abgeschirmt ist. The first conductor track 22 and the further conductor track 46 are preferably connected to ground, the through hole conductor 52 being shielded from external electromagnetic fields by the same and by an annular arrangement of through hole conductors (not shown) between the first conductor track 32 and the further conductor track 46 . Likewise, the third conductor track 32 and the further conductor track 50 are preferably connected to ground, the through-hole conductor 58 being shielded from external electromagnetic fields by the same and by an annular arrangement of through-hole conductors, also not shown, between the third conductor track 32 and the further conductor track 50 .

Die erste Oberfläche 20 des ersten Substrats 10 und die erste Oberfläche 30 des zweiten Substrats 12 sind einander gegenüberliegend angeordnet und vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander. Die zweite Leiterbahn 24 und die vierte Leiterbahn 34 sind vorzugsweise spiegelbildlich einander gegenüberliegend angeordnet und durch ein Kernelement 70 mechanisch und elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die erste Leiterbahn 22 und die dritte Leiterbahn 32 sind zumindest teilweise einander gegenüberliegend angeordnet und durch einen ringförmigen Rahmen 72 miteinander mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden. Die Bereiche der ersten Leiterbahn 22 und der dritten Leiterbahn 32, welche nicht an den Rahmen 72 grenzen, sind mit Lötstoppschichten 76 bedeckt. Der Rahmen 72 umschließt das Kernelement 70 in lateraler Richtung ganz oder zumindest teilweise, wie unten mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 näher erläutert wird. The first surface 20 of the first substrate 10 and the first surface 30 of the second substrate 12 are arranged opposite one another and preferably essentially parallel to one another. The second conductor track 24 and the fourth conductor track 34 are preferably arranged opposite one another in mirror image and are mechanically and electrically conductively connected to one another by a core element 70 . The first conductor track 22 and the third conductor track 32 are arranged at least partially opposite one another and are connected to one another in a mechanically and electrically conductive manner by an annular frame 72 . The regions of the first conductor track 22 and the third conductor track 32 , which do not adjoin the frame 72 , are covered with solder stop layers 76 . The frame 72 completely or at least partially surrounds the core element 70 in the lateral direction, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.

Ein Zwischenraum 78 zwischen dem Kernelement 70, der zweiten Leiterbahn 24 und der vierten Leiterbahn 34 einerseits und dem Rahmen 72, der ersten Leiterbahn 22 und der dritten Leiterbahn 32 andererseits ist vorzugsweise mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt und isoliert das Kernelement 70 und den Rahmen 72 elektrisch voneinander. Außerhalb des Rahmens 72 ist ein Verbindungskörper 80 zwischen dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 12 bzw. zwischen den Lötstoppschichten 76 angeordnet, der dieselben miteinander mechanisch verbindet. A gap 78 between the core element 70 , the second conductor 24 and the fourth conductor 34 on the one hand and the frame 72 , the first conductor 22 and the third conductor 32 on the other is preferably filled with air or another gas and insulates the core element 70 and the frame 72 electrically from each other. Outside the frame 72 , a connecting body 80 is arranged between the first substrate 10 and the second substrate 12 or between the solder stop layers 76 , which connects them mechanically to one another.

Das Kernelement 70 und der Rahmen 72 bilden zusammen eine im wesentlichen koaxiale Anordnung zur elektromagnetisch abgeschirmten Übertragung von elektrischen Signalen zwischen den Substraten 10, 12. Ein elektrisches Signal wird dabei über den Durchgangslochleiter 52, die zweite Leiterbahn 24, das Kernelement 70, die vierte Leiterbahn 34 und den Durchgangslochleiter 58 von einer Leiterbahn 44 im ersten Substrat 10 zu einer Leiterbahn 48 im zweiten Substrat 12 übertragen oder umgekehrt. Der Rahmen 72 bildet zusammen mit der ersten Leiterbahn 22 und der dritten Leiterbahn 32 eine elektromagnetische Abschirmung für diesen Signalweg und ist dazu über Durchgangslochleiter 54, 56 mit einer weiteren Leiterbahn 50 verbunden, welche eine Abschirmung für den Signalweg im zweiten Substrat 12 bildet. Vorzugsweise sind die Außenabmessungen des Kernelements 70 und die Innenabmessungen des Rahmens 72 bzw. die Abmessungen des Zwischenraums 78 so gewählt, daß der Signalweg zwischen den Substraten 10, 12 eine erwünschte Impedanz bzw. einen erwünschten Wellenwiderstand aufweist, beispielsweise 50 Ω. The core element 70 and the frame 72 together form an essentially coaxial arrangement for the electromagnetically shielded transmission of electrical signals between the substrates 10 , 12 . An electrical signal is transmitted via a through hole conductor 52 , the second conductor track 24 , the core element 70 , the fourth conductor track 34 and the through hole conductor 58 from a conductor track 44 in the first substrate 10 to a conductor track 48 in the second substrate 12 or vice versa. The frame 72 forms, together with the first conductor track 22 and the third conductor track 32, an electromagnetic shield for this signal path and, for this purpose, is connected via via hole conductors 54 , 56 to a further conductor track 50 , which forms a shield for the signal path in the second substrate 12 . The outer dimensions of the core element 70 and the inner dimensions of the frame 72 or the dimensions of the intermediate space 78 are preferably selected such that the signal path between the substrates 10 , 12 has a desired impedance or a desired characteristic impedance, for example 50 Ω.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts parallel zu den Oberflächen 20, 30, 40, 42 der Substrate 10, 12 durch das Kernelement 70 und den Rahmen 72. Der Verbindungskörper 80 ist nicht dargestellt. Der Rahmen 72 hat die Form eines Kreisrings und ist koaxial zu dem Kernelement 70 angeordnet. Innendurchmesser des Rahmens 72 und Außendurchmesser des Kernelements 70 bestimmen die Impedanz des Signalweges. FIG. 2 is a schematic representation of a section parallel to the surfaces 20 , 30 , 40 , 42 of the substrates 10 , 12 through the core element 70 and the frame 72 . The connecting body 80 is not shown. The frame 72 has the shape of a circular ring and is arranged coaxially with the core element 70 . The inner diameter of the frame 72 and the outer diameter of the core element 70 determine the impedance of the signal path.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Substratstapel gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Schnitt wiederum parallel zu den Oberflächen der Substrate und zwischen denselben angeordnet ist. Im Unterschied zu Fig. 2 ist auch der Verbindungskörper 80 dargestellt. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten nur dadurch, daß der Rahmen 72 eine Öffnung 82 aufweist. Die Öffnung 82 ist dafür vorgesehen, um während des Herstellungsvorgangs im Zwischenraum 78 entstehende flüssige oder auch gasförmige Stoffe (beispielsweise Flußmittelbestandteile beim Löten) abzuleiten. Der Verbindungskörper 80 grenzt außen an den Rahmen 72 an und umgibt ihn vollständig. Er reicht ferner in die Öffnung 82, nicht jedoch in den Zwischenraum 78 zwischen dem Rahmen 72 und dem Kernelement 70 hinein. Fig. 3 is a schematic representation of a section through a substrate stack according to another preferred embodiment of the present invention, the section being in turn arranged parallel to the surfaces of the substrates and between them. In contrast to FIG. 2, the connecting body 80 is also shown. The embodiment shown in FIG. 3 differs from that shown in FIGS. 1 and 2 only in that the frame 72 has an opening 82 . The opening 82 is provided in order to discharge liquid or gaseous substances (for example flux components during soldering) which arise in the intermediate space 78 during the production process. The connecting body 80 borders on the outside of the frame 72 and completely surrounds it. It also extends into the opening 82 , but not into the space 78 between the frame 72 and the core element 70 .

Das Kernelement 70 und der Rahmen 72 sind vorzugsweise aus einem Lot gebildet, beispielsweise aus SnPb, SnAg, SnCu. Die Herstellung des Substratstapels umfaßt in diesem Fall einen einfachen Lötvorgang. Das Lot wird kostengünstig durch Applizieren einer Lotpaste mittels einer Schablonen- oder Siebdrucktechnik aufgebracht. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Preforms oder Lotkugeln, die sich insbesondere für die Bildung des Kernelements 70 anbietet. Wenn der Rahmen 72 aus Lot gebildet wird, ist eine Bildung von einer oder mehreren Öffnungen 82 in dem Rahmen 72 einfach dadurch realisierbar, daß die Metallisierung, auf die das Lot aufgebracht wird, d. h. die erste Leiterbahn 22 und/oder die zweite Leiterbahn 32, an den entsprechenden Stellen unterbrochen wird, da die meisten Substratmaterialien durch ein Lot nicht benetzt werden. Die gleiche Wirkung ist erzielbar, wenn eine der oder beide Lötstoppschichten 76 zungenförmig nach innen bis zu dem Zwischenraum 78 reichend ausgebildet werden, da auch eine Lötstoppschicht von einem Lot nicht benetzt wird. The core element 70 and the frame 72 are preferably formed from a solder, for example from SnPb, SnAg, SnCu. In this case, the production of the substrate stack comprises a simple soldering process. The solder is applied inexpensively by applying a solder paste using a stencil or screen printing technique. It is also advantageous to use preforms or solder balls, which are particularly suitable for forming the core element 70 . If the frame 72 is formed from solder, one or more openings 82 can be formed in the frame 72 simply by the metallization to which the solder is applied, ie the first conductor track 22 and / or the second conductor track 32 , interrupted at the appropriate points, since most substrate materials are not wetted by a solder. The same effect can be achieved if one or both of the solder stop layers 76 are formed in tongue-like fashion reaching inwards as far as the intermediate space 78 , since a solder stop layer is also not wetted by a solder.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Substratstapels wird zunächst die Lotpaste in der Form des Rahmens und des Kernelements auf das Substrat 10 bzw. die erste Leiterbahn 22 und die zweite Leiterbahn 24 und/oder auf das Substrat 12 bzw. die dritte Leiterbahn 32 und die vierte Leiterbahn 34 aufgetragen. Die Lotpaste wird dann umgeschmolzen, indem sie auf eine Temperatur oberhalb ihrer Schmelztemperatur erwärmt wird, wobei das Lot alle nicht mit der Lötstoppschicht 76 bedeckten Bereiche der Metallisierungen bzw. Leiterbahnen 22, 24, 32, 34 benetzt. Die Lötstoppschicht 76 bestimmt somit die äußere Form des Rahmens 72 und, wenn sie auch im Bereich des Zwischenraumes 78 vorgesehen ist, auch die Form des Kernelements 70 und des inneren Randes des Rahmens 72. When producing the substrate stack according to the invention, the solder paste in the form of the frame and the core element is first applied to the substrate 10 or the first conductor track 22 and the second conductor track 24 and / or to the substrate 12 or the third conductor track 32 and the fourth conductor track 34 applied. The solder paste is then remelted by heating it to a temperature above its melting temperature, the solder wetting all areas of the metallizations or conductor tracks 22 , 24 , 32 , 34 that are not covered with the solder stop layer 76 . The solder stop layer 76 thus determines the outer shape of the frame 72 and, if it is also provided in the region of the intermediate space 78 , also the shape of the core element 70 and the inner edge of the frame 72 .

Das beim Umschmelzen frei werdende Flußmittel wird anschließend vorzugsweise abgewaschen. Insbesondere zur Bildung des Kernelements 70, aber auch zur Bildung des Rahmens 72 kann anstatt einer Lotpaste ein Lothöcker oder eine bzw. mehrere Lotkugeln verwendet werden. The flux that is released during melting is then preferably washed off. In particular to form the core element 70 , but also to form the frame 72 , a solder bump or one or more solder balls can be used instead of a solder paste.

Auf die beschriebene Weise kann entweder das erste Substrat 10 oder das zweite Substrat 12 oder auch beide Substrate vorbereitet werden. Wenn nur eines der Substrate 10, 12 mit Lot versehen wird, wird das andere der Substrate 10, 12 vorzugsweise an den zu lötenden Stellen mit Flußmittel versehen. Anschließend werden beide Substrate stapelförmig übereinander angeordnet. Durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Lots wird dieses erneut umgeschmolzen, wobei es sowohl die erste Leiterbahn 22 und die zweite Leiterbahn 24 als auch die dritte Leiterbahn 32 und die vierte Leiterbahn 34 benetzt und die in den Fig. 1 und 2 bzw. 3 dargestellte Struktur bildet. In the manner described, either the first substrate 10 or the second substrate 12 or both substrates can be prepared. If only one of the substrates 10 , 12 is provided with solder, the other of the substrates 10 , 12 is preferably provided with flux at the points to be soldered. Then both substrates are stacked one above the other. The solder is remelted by heating to a temperature above the melting temperature of the solder, whereby it wets both the first conductor track 22 and the second conductor track 24 as well as the third conductor track 32 and the fourth conductor track 34 and which is shown in FIGS. 1 and 2 or 3 structure shown.

Anstelle von Lot können das Kernelement 70 und/oder der Rahmen 72 auch aus anderen Materialien gebildet werden, beispielsweise aus elektrisch leitfähigen Klebstoffen oder Kunststoffen oder aus Metall, insbesondere aus gestanzten oder anderweitig vorgefertigten Metallteilen. Unabhängig von Material und Herstellungsverfahren können der Rahmen 72 und/oder das Kernelement 70 entweder direkt auf einem der Substrate 10, 12 erzeugt werden oder aber zunächst auf einem Hilfssubstrat, beispielsweise auf einer Kunststoff- oder Metallfolie, um dann auf eines der Substrate 10, 12 übertragen zu werden. Instead of solder, the core element 70 and / or the frame 72 can also be formed from other materials, for example from electrically conductive adhesives or plastics or from metal, in particular from stamped or otherwise prefabricated metal parts. Regardless of the material and manufacturing method, the frame 72 and / or the core element 70 can either be produced directly on one of the substrates 10 , 12 or initially on an auxiliary substrate, for example on a plastic or metal foil, and then on one of the substrates 10 , 12 to be transferred.

Ein metallischer Rahmen und/oder ein metallisches Kernelement, die nicht aus Lot bestehen, können zwischen der ersten Leiterbahn 22 und der dritten Leiterbahn 32 bzw. zwischen der zweiten Leiterbahn 24 und der vierten Leiterbahn 34 eingeklemmt oder mit diesen durch dünne leitfähige Klebstoffschichten oder dünne Lotschichten mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden werden. A metallic frame and / or a metallic core element, which are not made of solder, can be clamped between the first conductor track 22 and the third conductor track 32 or between the second conductor track 24 and the fourth conductor track 34 or with these by thin conductive adhesive layers or thin solder layers mechanically and electrically conductive.

Vorzugsweise wird nach der Bildung des Kernelements 70 und des Rahmens 72 zwischen den Substraten 10, 12 außerhalb des Rahmens 72 der Verbindungskörper 80 gebildet, der die Substrate 10, 12 mechanisch miteinander verbindet. Der Verbindungskörper 80 nimmt mechanische Spannungen zwischen den Substraten 10, 12, die beispielsweise von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten herrühren können, auf und reduziert auf diese Weise die mechanische Belastung des Kernelements 70 und des Rahmens 72. Dadurch wiederum wird die Zuverlässigkeit des Substratstapels erhöht. Der Verbindungskörper 80 weist vorzugsweise ein Polymer, beispielsweise ein mit einem keramischen Füllmaterial gefülltes Epoxyd bzw. Epoxydharz auf. Der Verbindungskörper 80 wird gebildet, indem das ungehärtete Epoxyd direkt an dem Spalt zwischen den Substraten 10, 12 dispensiert und anschließend erwärmt wird. Dabei wird das Epoxyd verflüssigt bzw. seine Viskosität nimmt ab und es wird durch Kapillarkräfte in den Spalt zwischen den Substraten 10, 12 hineingezogen. Dort wird es anschließend gehärtet. After the formation of the core element 70 and the frame 72 between the substrates 10 , 12, the connection body 80 is preferably formed outside the frame 72 , which mechanically connects the substrates 10 , 12 to one another. The connecting body 80 absorbs mechanical stresses between the substrates 10 , 12 , which may result, for example, from different coefficients of thermal expansion, and in this way reduces the mechanical load on the core element 70 and the frame 72 . This in turn increases the reliability of the substrate stack. The connecting body 80 preferably has a polymer, for example an epoxy or epoxy resin filled with a ceramic filler material. The connecting body 80 is formed by dispensing the uncured epoxy directly at the gap between the substrates 10 , 12 and then heating it. The epoxy is liquefied or its viscosity decreases and it is drawn into the gap between the substrates 10 , 12 by capillary forces. It is then hardened there.

Die in Fig. 2 zu erkennende geschlossene Ringstruktur des Rahmens 72 verhindert dabei, daß das Epoxyd in den Zwischenraum 78 zwischen dem Rahmen 72 und dem Kernelement 70 eindringen kann. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da das Epoxyd ungünstige dielektrische und Dämpfungseigenschaften aufweist und deshalb innerhalb des Zwischenraums 78 unerwünscht ist. Die geschlossene Ringstruktur des Rahmens 72 ermöglicht somit einerseits die vorteilhafte Bildung des Verbindungskörpers 80 ohne andererseits Impedanz und Dämpfungseigenschaften des durch das Kernelement 70 und den Rahmen 72 gebildeten Signalwegs zwischen den Substraten 10, 12 zu beeinflussen. The closed ring structure of the frame 72 which can be seen in FIG. 2 prevents the epoxy from penetrating into the intermediate space 78 between the frame 72 and the core element 70 . This is an important advantage because the epoxy has poor dielectric and damping properties and is therefore undesirable within the gap 78 . The closed ring structure of the frame 72 thus enables on the one hand the advantageous formation of the connecting body 80 without on the other hand influencing the impedance and damping properties of the signal path formed by the core element 70 and the frame 72 between the substrates 10 , 12 .

Gleichzeitig wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine besonders kurze Verbindungshöhe bzw. ein besonders geringer Abstand der beiden Substrate 10, 12 voneinander realisierbar, und zwar auch, wenn das Keramikmaterial des zweiten Substrats 12 einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und sich dadurch stark von der Leiterplatte 10 unterscheidet. Es sind Verbindungshöhen zwischen 50 µm und 200 µm oder auch unterhalb von 50 µm erreichbar. Diese kurzen Verbindungshöhen sind im Hinblick auf eine reflexionsarme Signalübertragung zwischen den Substraten 10, 12 vorteilhaft und erwünscht. At the same time, according to the present invention, a particularly short connection height or a particularly small distance between the two substrates 10 , 12 can be realized, even if the ceramic material of the second substrate 12 has a particularly low coefficient of thermal expansion and is therefore very different from the printed circuit board 10 different. Connection heights between 50 µm and 200 µm or even below 50 µm can be achieved. These short connection heights are advantageous and desirable with regard to low-reflection signal transmission between the substrates 10 , 12 .

Wenn der Rahmen 72 keine geschlossene Ringstruktur, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, sondern eine oder mehrere Öffnungen 82 aufweist, sind diese Öffnungen vorzugsweise so klein, daß sie einerseits die elektromagnetische Abschirmung nicht beeinträchtigen und andererseits auch kein Eindringen des Epoxyds in den Zwischenraum 78 zwischen dem Kernelement 70 und dem Rahmen 72 ermöglichen. Dazu ist es in der Regel ausreichend, die Öffnung 82 schmal und lang und insbesondere kleiner als den Abstand zwischen den Substraten 10, 12 auszuführen. Die Öffnung 132 kann sich in vertikaler Richtung von der ersten Oberfläche 20 des ersten Substrats 10 bis zu der ersten Oberfläche 30 des zweiten Substrats 12 erstrecken oder aber nur an die erste Oberfläche 20 des ersten Substrats 10 oder nur an die erste Oberfläche 30 des zweiten Substrats 12 angrenzen. Die konkrete Dimensionierung der Öffnung 82 hängt dabei von den Kapillarkräften bzw. der Größe der Oberflächenspannung des Epoxyd, von der Viskosität des Epoxyd sowie von der Zeitdauer, während der das Epoxyd flüssig ist, ab. If the frame 72 does not have a closed ring structure, as shown in FIG. 2, but has one or more openings 82 , these openings are preferably so small that on the one hand they do not impair the electromagnetic shielding and on the other hand no penetration of the epoxy into the interspace 78 between the core member 70 and the frame 72 allow. For this purpose, it is generally sufficient to make the opening 82 narrow and long and in particular smaller than the distance between the substrates 10 , 12 . The opening 132 can extend in the vertical direction from the first surface 20 of the first substrate 10 to the first surface 30 of the second substrate 12 or only to the first surface 20 of the first substrate 10 or only to the first surface 30 of the second substrate Adjoin 12 . The specific dimensioning of the opening 82 depends on the capillary forces or the size of the surface tension of the epoxy, on the viscosity of the epoxy and on the length of time during which the epoxy is liquid.

Abweichend von der Darstellung in den Fig. 2 und 3 kann der Rahmen 72 anstelle einer kreisringförmigen eine elliptische, ovale, rechteckige oder beliebige andere Form aufweisen. Im Inneren des Rahmens 72 können mehrere Kernelemente 70 angeordnet sein, die beispielsweise zur parallelen und gleichzeitigen Übertragung mehrerer elektrischer Signale vorgesehen sind. Jedes einzelne Kernelement kann dabei ebenfalls abweichend von den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 anstelle eines kreisförmigen Querschnitts einen rechteckigen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen. Der Rahmen 72 kann, wie bereits erwähnt, eine oder mehrere Öffnungen 82 aufweisen, wobei jedoch vorzugsweise die Summe der Öffnungsbreiten der Öffnungen nicht größer als die Hälfte des Umfanges des Rahmens 72 ist. Notwithstanding the frame, instead of a circular ring having an elliptical, oval, rectangular or any other shape of the illustration in FIGS. 2 and 3 72nd A plurality of core elements 70 can be arranged inside the frame 72 , which are provided, for example, for the parallel and simultaneous transmission of a plurality of electrical signals. Each individual core element can also differ from the representations in FIGS. 2 and 3, instead of a circular cross section, have a rectangular or any other cross section. As already mentioned, the frame 72 can have one or more openings 82 , but preferably the sum of the opening widths of the openings is not greater than half the circumference of the frame 72 .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Rahmen 72 und das Kernelement 70 an einem Rand des ersten Substrats 10 und/oder an einem Rand des zweiten Substrats 12 angeordnet, wobei der Rahmen 72 näherungsweise die Gestalt eines Hufeisens aufweist, dessen Öffnung zu dem Rand bzw. zu den Rändern dar Substrate 10, 12 gerichtet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr gute Abschirmung des durch den Kern 70 gebildeten Signalweges gegenüber allen von den Substraten 10, 12 ausgehenden elektromagnetischen Störungen sowie eine mechanisch stabile Verbindung der beiden Substrate miteinander. Gleichzeitig ermöglicht diese Ausgestaltung eine großzügige Öffnung des Rahmens 72, die ein leichtes Entweichen von während des Herstellungsvorgangs im Zwischenraum 78 entstehenden flüssigen oder auch gasförmigen Stoffen (beispielsweise Flußmittelbestandteilen beim Löten) ermöglicht. According to an advantageous embodiment of the present invention, the frame 72 and the core element 70 are arranged on an edge of the first substrate 10 and / or on an edge of the second substrate 12 , the frame 72 approximately having the shape of a horseshoe, the opening of which towards the edge or is directed towards the edges of substrates 10 , 12 . This configuration enables a very good shielding of the signal path formed by the core 70 against all electromagnetic interference emanating from the substrates 10 , 12 and a mechanically stable connection of the two substrates to one another. At the same time, this configuration enables a generous opening of the frame 72 , which enables liquid or gaseous substances (for example flux components during soldering) which arise in the intermediate space 78 during the manufacturing process to escape easily.

Ferner können die Formen des Kernelements 70 und/oder des Rahmens 72 an der ersten Oberfläche 20 des ersten Substrats 10 von denen an der ersten Oberfläche 30 des zweiten Substrats 12 abweichen. Beispielsweise kann die erste Leiterbahn 22 einen anderen Innendurchmesser aufweisen als die dritte Leiterbahn 32 und/oder die zweite Leiterbahn 24 kann einen anderen Durchmesser oder eine andere Form aufweisen als die vierte Leiterbahn 34. Diese unterschiedlichen Formen können von unterschiedlichen Herstellungsverfahren des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 herrühren. Unterschiedliche Geometrien der Leiterbahnen an den beiden Substraten 10, 12 können jedoch auch vorgesehen sein, um bei unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten bzw. Permittivitätszahlen der Materialien in beiden Substrate die gleiche Impedanz zu erzeugen. Furthermore, the shapes of the core element 70 and / or the frame 72 on the first surface 20 of the first substrate 10 may differ from those on the first surface 30 of the second substrate 12 . For example, the first conductor track 22 can have a different inner diameter than the third conductor track 32 and / or the second conductor track 24 can have a different diameter or a different shape than the fourth conductor track 34 . These different shapes can result from different production methods of the first substrate 10 and the second substrate 12 . Different geometries of the conductor tracks on the two substrates 10 , 12 can, however, also be provided in order to generate the same impedance in the case of different dielectric constants or permittivity numbers of the materials in both substrates.

Claims

1. Substrate stack with the following features:
a first substrate ( 10 );
a second substrate ( 12 ) arranged opposite the first substrate ( 10 );
a frame ( 72 ) interconnecting the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ), the frame ( 72 ) being a closed frame or having one or more openings ( 82 ) that are less than half a circumference occupy the frame ( 72 ); and
a core element ( 70 ), which likewise connects the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) to one another and is arranged within the frame ( 72 ).

2. The substrate stack of claim 1, wherein the frame ( 72 ) and the core member ( 70 ) are electrically conductive and spaced apart.

3. The substrate stack according to claim 2, wherein the area inside the frame ( 72 ) and the area of the core element ( 70 ) determine a predefined characteristic impedance.

4. The substrate stack according to one of claims 1 to 3, wherein the frame ( 72 ) has exactly one opening ( 82 ) which occupies a predetermined portion of the circumference of the frame ( 72 ).

5. substrate stack according to one of claims 1 to 4, wherein the one or more spaced apart openings ( 82 ) are formed so that a flowable material between the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) can not be introduced into the frame ( 72 ) penetrates.

6. The substrate stack according to one of claims 1 to 5, further comprising a connecting body ( 80 ) which is arranged in an intermediate space between the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) and the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) mechanically connects with each other.

7. The substrate stack according to claim 6, wherein the connecting body ( 80 ) is arranged exclusively outside the frame ( 72 ).

8. The substrate stack according to one of claims 1 to 7, wherein the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) have different materials.

9. The substrate stack according to one of claims 1 to 8, in which the core element ( 70 ) forms an electrically conductive connection for transmitting a signal between the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ), and in which the frame ( 72 ) forms an electromagnetic shield for the core element ( 70 ).

10. The substrate stack according to one of claims 1 to 9, wherein the core element ( 70 ) and the frame ( 72 ) are arranged on an edge of the first substrate ( 10 ) and / or on an edge of the second substrate ( 12 ), wherein one the one or more openings ( 82 ) is arranged on the edge of the first substrate ( 10 ) or on the edge of the second substrate ( 12 ).

11. A method for producing a substrate stack comprising the following steps:
Providing a first substrate ( 10 );
Providing a second substrate ( 12 );
Applying a frame ( 72 ) to the first substrate ( 10 ), the frame ( 72 ) being a closed frame or having one or more openings ( 82 ), the one or more openings ( 82 ) being less than half a circumference of the Take frame ( 72 );
Applying a core element ( 70 ) to the first substrate ( 10 ) or to the second substrate ( 12 ); and
Applying the frame ( 72 ) to the second substrate ( 12 ) in order to connect the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ) to one another, the core element ( 70 ) being arranged inside the frame ( 72 ).

12. The method according to claim 11,
wherein the step of applying the frame (72) on the first substrate (10) includes a step of applying a solder paste on the first substrate (10); and
wherein the step of applying the frame ( 72 ) to the second substrate ( 12 ) comprises a step of remelting the solder paste, in which the solder paste wets the second substrate ( 12 ).

13. The method according to claim 12, further comprising a step of applying a further solder paste or a flux to the second substrate ( 12 ).

14. The method according to any one of claims 11 to 13, further comprising the following steps:
Flowing a bonding material into a space between the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ); and
Curing the bonding material in the space to create a mechanical bond ( 80 ) between the first substrate ( 10 ) and the second substrate ( 12 ).

15. The method according to claim 14, wherein in the step of flowing the connecting material does not penetrate into the frame ( 72 ).

16. substrate ( 10 ) with the following features:
a frame ( 72 ) mounted on the substrate ( 10 ) and closed or having one or more openings ( 82 ), the one or more openings ( 82 ) occupying less than half a circumference of the frame ( 72 ) ; and
a core member ( 70 ) mounted on the substrate ( 10 ) within the frame ( 72 );
the frame ( 72 ) and the core element ( 70 ) being provided for connecting the substrate ( 10 ) to a further substrate ( 12 ).

17. The substrate ( 10 ) according to claim 16, wherein the one or more openings ( 82 ) are formed so that after connecting the substrate ( 10 ) to the further substrate ( 12 ) one between the substrate ( 10 ) and the other Flowable medium introduced into the substrate ( 12 ) does not penetrate into the frame ( 72 ).

18. The substrate ( 10 ) according to claim 16 or 17, wherein the core element ( 70 ) and the frame ( 72 ) are arranged at an edge of the substrate ( 10 ), wherein one of the one or more openings ( 82 ) at the edge of the first substrate ( 10 ) or on the edge of the second substrate ( 12 ).

19. Auxiliary substrate with the following features:
a frame ( 72 ) mounted on the auxiliary substrate and which is closed or has one or more openings, the one or more openings occupying less than half a circumference of the frame; and
a core member ( 70 ) mounted on the auxiliary substrate within the frame ( 72 );
wherein the frame ( 72 ) and the core element ( 70 ) are intended to be transferred from the auxiliary substrate to a first substrate ( 10 ) in order to connect the first substrate ( 10 ) to a second substrate ( 12 ).