DE1807127B2

DE1807127B2 - Elektrischer schaltungsaufbau und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1807127B2
Application number: DE19681807127
Authority: DE
Inventors: William Tzarzana; Kitaguchi Tome Northridge; Calif. Griff (V.St.A.)
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1967-11-06
Filing date: 1968-11-05
Publication date: 1977-08-11
Also published as: DE1807127C3; FR1597601A; JPS576842B1; US3499219A; GB1212626A; DE1807127A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schaltungsaufbau und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei den immer weiter verkürzten Schalt- und Taktzeiten, wie man sie in den verschiedenen Anlagen, beispielsweise in digitalen Datenverarbeitungssystemen, antrifft, sind die Kennwerte der in solchen Anordnungen verwendeten elektrischen Verbindungen von großer Bedeutung. Während die Kennwerte sol-

eher elektrischer Verbindungen bei niedrigen Frequenzen nur geringe Bedeutung haben, besitzen sie jedoch großen Einfluß auf das Systemverhalten, wenn die Einschwingdauer (Anstiegs-und Abfallzeiten) der Signale einen merklichen Bruchteil der Zeit ausmacht,

die das Signal zur Ausbreitung zwischen den Schaltkomponenten benötigt. Außerdem wird das Systemverhalten sehr stark beeinflußt, wenn die Zeit für die Signalausbreitung zwischen einzelnen Schaltkreiser im Vergleich zur Systemtaktzeit nicht vernachlässigbar ist. Wenn also die Einschwingdauer mehr als 5-10% der Laufzeit beträgt, die das Signal auf der elektrischen Verbindungsleitern zwischen einzelner Schaltkreisen benötigt, muß der Schaltungsaufbai selbst als zusätzliches Bestandteil der Schaltung selbst behandelt werden, wenn genaue und vorausberechenbare Ergebnisse erzielt werden sollen.

Die Leitungen sollten eine definierte Impedan; aufweisen, um Signalreflexionen und Verzerrungen zi verhindern. Reflexionen wirken sich nachteilig auf da; Systemverhalten aus und äußern sich beispielsweisf in Schaltverzögerungen. Wenn die Ausbreitungszei auf der Verbindungsanordnung mit der Taktzeit ver gleichbar wird, bewirken die Reflexionen erhebliche Störungen, da das reflektierte Signal, wenn es nich genügend gedämpft ist, in den Bereich der folgendei Taktzeit übergreifen und dadurch ein Fehlverhaltei der Schaltung verursachen kann. Außer diesen, durcl reflektierte Signale hervorgerufenen Verzerrungei treten bei Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen wegei der Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen um magnetischen Felder während der Einschwingvor gänge Probleme durch Übersprechen auf, das durcl Kopplung zwischen benachbarten Schaltkreisen ver

ursacht wird. Diese Probleme treten insbesondere dann auf, wenn aufgrund der Mikrominiaturbauweise eine hohe Leitungsdichte erforderlich wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltungsaufbau und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der Leitungen mit definierter Impedanz und geringen Kopplungseigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und y angegebenen Erfindungen gelöst.

Zur Herstellung des Leiters wird zuerst die eine Oberfläche einer leitenden Platte so ausgeätzt, daß eine in sich geschlossene Vertiefung oder ein Kanal entsteht, der einen leitenden Flächenbereich der Platte umgibt. Die Vertiefung kann dann mit einem Isoliermaterial ausgefüllt und die gegenüberliegende Oberfläche der Platte geätzt werden, so daß diese zweite Vertiefung mit der ersten Vertiefung zusammentrifft. Die zweite Vertiefung wird ebenfalls mit einem Isoliermaterial ausgefüllt, se daß eine elektrisch leitende, aber von der übrigen Platte durch das Isoliermaterial isolierte Insel entsteht. Diese langgestreckte Insel kann ais zentraler Leiter für eine koaxiale Übertragungsleitung dienen, indem die Insel durch eine Grundplatte, die aus den übrigen Abschnitten der Platte besteht, aus der die Insel ursprünglich geformt wurde, und durch eine obere und untere leitende Platte eingehüllt wird. Die Breite und Dicke des Leiters läßt sich sehr weitgehend variieren. Die Oberflächen des Leiters können entweder auf einer Ebene mit der Oberfläche der Platte liegen, aus der der Leiter geformt wurde, oder aber er kann vertieft in die Platte eingelassen sein. Wenn der Leiter mit einer unmittelbar anschließenden leitenden Schicht der benachbarten Platte im Stapelaufbau verbunden sein soll, bildet die Leiteroberfläche mit der umgebenden Plattenobel fläche vorzugsweise eine Ebene. Auf diese Weise kann zwischen dem Leiter und der anschließenden Schicht des Stapelaufbaus ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Wenn andererseits der Leiter in die Oberfläche der umgebenden Platte versenkt ist, läßt er sich dadurch von einer benachbarten leitenden Schicht elektrisch isolieren und trennen.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Planarkoaxialleitung,

Fig. 2a eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Planarkoaxialleitung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2b eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Planarkoaxialleitung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine teilweise abgebrochene Schnittdarstellung entlang der Ebene 3-3 aus Fig. 2a,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene 4-4 aus Fig. 3,

Fig. 5a bis f eine Schnittdarstellung der einzelnen Verfahrensschritte dev erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene 6-6 auf Fig. 5f,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene 7-7 aus Fig. 5f,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene 8-8 aus Fig. 5f,

Fig. ^l)n bis c weitere Verfahrensschritte des erl'indungsgema'ßen Verfahrens zur Herstellung einer in nur einer Ebene verlaufenden Koaxialleitung.
Im einzelnen besteht die Anordnung aus Fig. I aus einer ersten leitenden Platte 10 und einer zweiten leitenden Platte 12, die so aufeinander geschichtet sind, daß die Unterseite der Platte 10 an der Oberseite der Platte 12 anliegt. Eine erste Vertiefung 14 reicht von der Unterseite der Platte 10 in die Platte hinein, und

ίο eine zweite Vertiefung 16 leicht von der Oberseite der Platte 12 in diese hinein. Die Vertiefungen 14 und 16 werden zueinander ausgerichtet und dazwischen ein zentraler Leiter 18 eingebracht. Der Leiter 18 ist von den Platten 10 und 12 vollständig eingeschlossen; dabei sind die beiden Platten elektrisch miteinander verbunden und bilden eine Grundplatte oder -ebene. Der Leiter 18 bildet also zusammen mit den Platten 10 und 12 eine Koaxialleitung. Der Leiter 18 wird durch ein Isoliermaterial 20, beispielsweise

so Epoxydharz, in den Vertiefungen 14 und 16 gehalten und von den Platten 10 und 12 elektrisch isoliert. Die Platten 10 und 12 können in einem aus mehreren Platten bestehenden Plattenstapel verwendet werden, der weitere Verbindungen für Hoehgeschwindigkeitsschaltkreise enthält. Der Leiter 18 soll zwei in einer Ebene liegende, entfernte Punkte miteinander verbinden und wird in diesem Zusammenhang als ebener Leiter bezeichnet. Der Leiter 18 kann mit einem in einer anderen Platte verlaufenden ebenen Leiter mit Hilfe eines Durchgangsleiters verbunden werden (nicht dargestellt in Fig. I), der durch eine Platte hindurchgeführt, aber elektrisch von dieser isoliert ist. Der Durchgangsleiter kann beispielsweise aus einer öffnung bestehen, deren Innenfläche mit einem leitenden Material beschichtet ist.

In Fig. 2a und 2b sind Schaltanordnungen gezeigt, die Verbindungsanordnungen darstellen, die die gleiche Funktion erfüllen wie die in Fig. 1 gezeigte Anordnung. Im einzelnen umfaßt die in Fig. 2a dargestellte Anordnung mindestens drei leitende Platten 30,32 und 34. Die Platte 32 liegt zwischen den Platten 30 und 34, und alle drei Platten sind miteinander verbunden, entweder direkt an den Grenzflächen oder aber auf andere Weise, beispielsweise durch innen plattierte Öffnungen, die durch alle drei Platten hindurchreichen.

Eine Öffnung 35 reicht durch die Platte 32 hindurch und erstreckt sich in deren Längsrichtung. In der Öffnung 35 wird durch ein Isoliermaterial 38 ein Leiter 36 gehalten, der durch das Isoliermaterial gegen die Platte isoliert ist.

Wie Fig. 2a zeigt, schließt die obere und untere Fläche des Leiters 36 mit der oberen und unteren Fläche der Platte 32 ab. Um zu verhindern, daß zwischen den Oberflächen des Leiters 36 und den Oberflächen der Platten 30 und 34 elektrischer Kontakt herrscht, sind Ausnehmungen 42 und 44 in den entsprechenden Platten 30 und 34 vorgesehen. Die Ausnehmungen 42 und 44 können mit Isoliermaterial ausgefüllt werden, das den Leiter 36 von den Platten isoliert.

Fig. 2b zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der keine Vertiefungen in der oberen und unteren Platte erforderlich sind. Die Anordnung aus Fig. 2b

besteht aus den aufeinandergeschichteten Platten 48, 50 und 52. Die Platte 50 enthält eine Öffnung 54, die durch die Platte hindurchreicht und sich in Längsrichtung der Platte erstreckt. Ein zentraler Leiter 56

wird durch ein Isoliermaterial 58 in der Öffnung gehalten. Der Leiter 56 aus Fig. 2b ist dünner als der Leiter 36 aus Fig. 2a, so daß seine obere und untere Fläche tiefer als die Oberflächen der Platte 50 liegen. Die obere und untere Fläche des Leiters 56 liegt also zwischen den Ebenen der Außenflächen der Platte 50. Das Isoliermaterial 58 isoliert also nicht nur den Leiter 56 von der übrigen Platte 50, sondern hüllt den Leiter 56 vollständig ein, so daß er auch gegenüber den Platten 48 und 52 isoliert ist.

Fig. 3 und 4 zeigen, daß der Leiter 36 in Längsrichtung der Plattcnebenc 32 verläuft. Der Leiter 36 ist außerdem rings gegen die umgebende Platte 32 durch ein Isoliermaterial 38 isoliert, das sich in einem in sich geschlossenen Kanal befindet, der die leitende Insel 36 bildet.

Um den in Fig. 3 gezeigten ebenen Leiter 36 mit einem zwischen anderen Platten, beispielsweise zwischen den Platten 30 und 64 verlaufenden Leiter zu verbinden, kann der Leiter 36 einem Durchgangsleiter 66 angeschlossen werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Der Leiter 66 bildet elektrischen Kontakt mit einem entsprechenden Leiter 68, der sich durch die Platte 30 bis zur Platte 64 erstreckt. Die Anordnungen aus Fig. 2—4 zeigen also Koaxialleiter, die in nur einer Ebene verlaufen und die mit Hilfe von Durchgangsverbindungen 66 und 68 an andere ebene Leiter angeschlossen werden können.

Fig. 5 zeigt die einzelnen Abschnitte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens, mit dem drei verschiedene Leitertypen hergestellt werden können. Der erste, in Fig. 5f dargestellte Leitertyp 72 bildet mit seiner Ober- und Unterflächc eine Ebene mit den Außenflächen der Platte, aus der er hergestellt wurde. Der zweite, in Fig. 5f dargestellte Leitertyp 74 liegt nur mit seiner einen Oberfläche in der Ebene der entsprechenden Plattcnobcrflache, während seine andere Oberfläche durch das Isoliermaterial 76 von der Bcgrcnzungsebcnc der Platte getrennt ist. Der dritte, ebenfalls in Fig. 5f dargestellte Leitertyp 78 liegt mit beiden Außenflächen zwischen den Bcgrenzungscbcnen der Platte. Der Leiter 78 kann also durch das Isoliermaterial 80 vollkommen umhüllt werden, so daß kein elektrischer Kontakt mit darüber und darunter befindlichen Platten gebildet wird.

Eine die drei zentralen Leiter 72, 74 und 78 tragende leitende Platte hat vorzugsweise die Dicke von etwa 0,25 mm (10 mils). Die Abmessungen der zentralen Leiter 72,74,78 werden ihrer jeweiligen Funktion entsprechend gewählt. Wenn sie als Montageplatten verwendet werden sollen und hohe Ströme zu führen haben, können sie relativ breit sein, etwa 0,4-2,5 mm (15-100 mils). Meistens sollen die Leiter jedoch niedrige Ströme führen und können deshalb etwa 0,05-0,1 mm (2-4 mils) breit und 0,025-0,25 mm (1-10 mils) dick sein. Ein Leiter mit einer Querschnittsfläche von 6,25 · 10"'¹ mm² (1 square mil) kunn einen maximalen Strom von etwa 200 Milliumperc führen.

Die in Fig. 5 f dargestellten Leiter werden aus einer leitenden Platte 82 hergestellt, die in Fig. 5a gezeigt ist und die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen kann. Die Dicke der Plutte 82 hiingt von der gewünschten Dicke des Leiters ab. Die Plutte sollte natürlich einen geeigneten Rand besitzen und mit Löchern versehen sein, die eine geeignete Ausrichtung für fotografische Vcrurbeitungsverfuhren ermöglichen. In du; Oberfläche der Platte 82 werden in sich geschlossene, längliche Vertiefungen geformt, indem zuerst die Plattcnoberfläche mit einem Material bedeckt wird, das einen lichtelektrischen Widerstand aufweist, und dann sämtliche Flächen bis auf die Fläehe der Vertiefung belichtet werden. Die belichteten Flächen werden dadurch widerstandsfähig gegen Ätzen. Die Vertiefungen werden chemisch ausgeätzt, beispielsweise mit einem Eisenchlorid. Die Vertiefungen sollen vorzugsweise bis auf eine Tiefe ausgeätzt

ίο werden, die etwas mehr als die halbe Plattenticfe beträgt. Die Plattenoberfläche wird durch ein geeignetes Lösungsmittel von dem Widerstandsmaterial befreit und anschließend gereinigt. Die Vertiefungen 84 werden dann mit einem Isoliermaterial 86 gefüllt, wie Fig. 5c zeigt, und dann mit Hitze behandelt. Das überschüssige Isoliermaterial wird entfernt, beispielsweise abgeschliffen. Das gleiche lichtelektrische Verfahren kann dann zum Ätzen der Vertiefungen 90 auf der Unterseite der Platte 82 verwendet werden. Die

ao Vertiefungen 90 werden mit einem Isoliermaterial 92 gefüllt, wodurch die drei Leiter 72,74,78/1 entstehen, wie Fig. 5e zeigt. Beide Oberflächen der Platte werden dann erneut mit lichtelektrischer« Material beschichtet und bis auf die Ober- und Unterflächen des Leiters 78/1 erneut belichtet. Die Oberflächen des Leiters 78/1 werden ausgeätzt und mit einem Isoliermaterial gefüllt, so daß der Leiter 78 entsteht, wie Fig. 5f zeigt.

Fig. 6, 7 und 8 zeigt die Leiter 72, 74 und 78 in Seitenansicht. Der Leiter 72 wird für spezielle Zwecke verwendet, bei denen Ströme mittlerer Größe verwendet werden, so daß ein Isolieren gegen ober- und unterhalb befindliche leitende Schichten nicht erforderlich ist. Der in Fig. 7 gezeigte Leiter 74 hat eine größere Qucrschnittsflächc und kann also für höhere Ströme verwendet werden, wobei eine elektrische Isolierung nur an der einen Seite erforderlich ist. Der Leiter 78 aus Fig, 8 wird für niedrige Ströme verwendet, wobei eine Isolierung von beiden Seiten crfordcrlieh ist. In Fig. 6-8 sind Durchgangsverbindungen 94 dargestellt, die mit den ebenen Leitern 72, 74,78 verbunden sind.

Im Zusammenhang mit Fig. 2a und 2b wurde erwähnt, daß Koaxiallcitungcn dadurch hergestellt werden können, daß die Platte 80 aus Fig. 5 zwischen eine obere und untere leitende Platte gebracht wird, die gemeinsam mit dem Material der Plutte 82 den in der Platte 82 gebildeten Leiter einhüllen. Fig. ¹J zeigt dagegen als Beispiel, wie die Platte 82 aus Fig. 5 weiterhin bearbeitet werden kann, um eine Koaxialleitung herzustellen, ohne daß extra eine Boden- und Deckplatte erforderlich wiiren. Die Verfahrensschritte aus Fig. 9 beziehen sich uuf die Platte 82, wie sie beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist. Die Pintle 82

wird auf ihrer Ober- und Unterseite mit einer leitenden Schicht 100 und 102, beispielsweise aus Kupfer beschichtet. Diese Beschichtung kann uus einer erster stromlosen Kupfcrbeschlchtung und einer nachfol gendcn Elcktropluttierung mit Kupfer bestehen

Dunn wird lichtelektrische» Mutcrinl uuf die Oberfl!! chen 100 und 102 aufgebracht und mit Ausnahme de zur Isolierung dienenden Flächenbereiche 104 bcliclv tct. Die Flüchen werden dann geätzt, so daß leitend« Zupfen 106 entstehen, die mit dem Leiter 94 elek

irisch verbunden sind, Die Flüchen 104 werden dam mit einem Isoliermaterial 108 gefüllt. In Fig. 9c is uuf diese Weise der Leiter 78 vollständig mit leiten dem Material umgeben, das die benachbarten Ab

schnitte der Platte 82, aus der der Leiter 78 hergestellt wurde, und Abschnitte der Schichten 100 und 102 umfaßt, die auf die Platte 82 aufgebracht worden waren.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der Schaltungsaufbau elektrische Eigenschaften aufweist, der die Eigenschaften herkömmlicher Koaxialleitungen hat. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen enthalten alle einen zentralen Leiter, der durch ein

Isoliermaterial in einer öffnung gehalten wird, die siel durch eine leitende Platte erstreckt, wobei der Leite in einzelnen Ausführungsbeispielen ein Segment dei Platte darstellt, von der er getragen wird. Obwoh einige der hier beschriebenen Ausführungsformen au: drei übereinandergeschichteten Platten bestehen, se erwähnt, daß diese Platten ein aus mehreren Schichtei geeignet zusammengefügtes Schichtelement darstel len können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 532/35

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schaltungsaufbau, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Platte' (32, 50, 82) mit zueinander parallelen Oberflächen, eine durch die Platte von einer zur anderen Oberfläche hindurchreichenden Öffnung (35, 54), die sich in Längsrichtung der Plattenebene erstreckt, elektrisch isolierendes Material (38, 58, 86), das sich in der öffnung befindet und einen langgestreckten elektrischen Leiter (36, 56, 66, 72, 74, 78), der sich in der öffnung befindet und durch das elektrisch isolierende Material getragen wird und gegen die Platte (32, 50, 82) elektrisch isoliert ist.

2. Schaltungsaufbau nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Platte (32, 50, 82) eine zweite elektrisch leitende Platte (30 bzw. 34; 48 bzw. 52; 100 bzw. 102) vorgesehen ist, die mit der ersten Platte (32, 50, 82) elektrisch leitend verbunden ist.

3. Schaltungsaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Platte (30, 34) eine entlang dem in der ersten Platte (32) vorgesehenen Leiter (36) verlaufende Ausnehmung (42, 44) vorgesehen ist.

4. Schaltungsaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (42, 44) durch Isoliermaterial ausgefüllt ist.

5. Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (36, 56, 66, 72, 74, 78) wenigstens eine sich parallel zu der Oberfläche der ersten Platte (32, 50,82) erstreckende Oberfläche aufweist, die zwischen den Ebenen liegt, die durch diese Platte gebildet werden.

6. Schaltungsaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (36, 56, 66, 72, 74, 78) eine sich parallel zu der Oberfläche der ersten Platte (32, 50,82) erstreckende Oberfläche aufweist, die zwischen den Ebenen liegt, die durch diese Platte gebildet werden.

7. Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Platte (30) ein Leiter (68) vorgesehen ist, der mit dem Leiter (66) in der ersten Platte (32) in elektrisch leitendem Kontakt steht.

8. Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in der ersten Platte (50, 82) vorgesehene Leiter (56, 72, 74, 78, 94) aus einem Segment der Platte besteht.

9. Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsaufbaus nach einem der Ansprüche L bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Entfernen von Material aus der ersten leitenden Platte, so daß eine erste in sich geschlossene, langgestreckte Vertiefung entsteht, die sich von einer Seite aus in die Platte hinein erstreckt;

b) Einbringen eines Isoliermaterials in diese Vertiefung;

c) Entfernen von Material auf der anderen Seite der Platte, so daß eine zweite in sich geschlossene, langgestreckte Vertiefung entsteht, die sich bis zu dem in die erste Vertielung eingebrachten Isoliermaterial erstreckt, so daß zwischen dem in sich geschlossenen Isoliermaterial ein langgestreckter Leiter gebildet wird, der von der übrigen Platte elektrisch isoliert ist.

10. Verfahren nach Anspruch y, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite Vertiefung Isoliermaterial eingebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Material von der Oberfläche des Leiters abgetragen wird, so daß dieser in die Oberfläche der Platte hineinversenkt ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche y bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teiloberflächc der Platte mit einer zweiten elektrisch leitenden Platte abgedeckt wird, die von dem in der ersten Platte befindlichen Leiter elektrisch isoliert und mit der ersten Platte elektrisch verbunden ist.