DE19627663C2

DE19627663C2 - Hybride gedruckte Schaltungsplatine

Info

Publication number: DE19627663C2
Application number: DE19627663A
Authority: DE
Inventors: Terry Noe; Leonard Weber
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: JP3935529B2; DE19627663A1; JPH0946015A; US5657208A; GB2303971A; GB2303971B; GB9614938D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Entwurf und die Herstellung von gedruckten Schaltungsplatinen und insbe sondere auf die zuverlässige Verbindung von Schaltungen, die auf gedruckten Schaltungsplatinensubstraten mit unterschied lichen Wärmeausdehnungskoeffizienten implementiert sind.

Für die meisten Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen ist es notwendig nur einen Teil auf einem gedruckten Hochlei stungs-Schaltungsplatinensubstrat zu implementieren. Diese Hochleistungssubstrate sind teuer und schwierig zu verarbei ten. Aus ökonomischen Gründen bevorzugen Platinenentwickler soviel einer Schaltung als praktisch möglich auf einem preiswerten, einfach zu verarbeitenden Substrat zu implemen tieren, weswegen sie Hochleistungssubstrate nur dort verwen den, wo es notwendig ist, um einen Hochfrequenz- oder Mikro wellenbetrieb zu erreichen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das preiswerte Substrat oder die Hauptplatine 1 bei einem bekannten Ausführungsbei spiel ein Loch 2 auf, das flächenmäßig ein wenig größer als das Hochleistungssubstrat oder die Nebenplatine 3 ist. Die Nebenplatine 3 ist in das Loch 2 gesetzt, wobei die Platinen 1 und 3 mit einer Metallgußschirmung 4 zusammengeklammert sind. Signale werden von einer Platine zur anderen über axiale Zuführungskondensatoren 5 geführt, die zwischen den Platinen 1 und 3 angelötet sind. Dies ist aufgrund der Not wendigkeit nach der Schirmung 4 und aufgrund der Handarbeit, die für einen Aufbau benötigt wird, kein kosteneffektives Herstellungsverfahren. Das Loch 2 schwächt außerdem die strukturelle Integrität der Hauptplatine 1. Die charakteristische Impedanz der Signalanschlußleitungen ist schwierig zu steuern. Außerdem gibt es eine schlechte Massekontinuität zwischen der Hauptplatine 1 und der Nebenplatine 3.

Fig. 2 zeigt ein weiteres bekanntes Beispiel, bei dem eine Lötmittelpaste 6 manuell auf eine Hauptplatine 1 und eine Nebenplatine 3, die Substrate mit angepaßten Wärmeausdeh nungskoeffizienten aufweisen, aufgetragen ist. Zusätzlich zu den erhöhten Herstellungskosten sind die Verbindungen für Überbrückungen anfällig, da gegen ein Überlaufen von Lötmit tel keine Maßnahme getroffen ist. Außerdem ist keine Selbst ausrichtung der Nebenplatine 3 auf die Hauptplatine 1 mög lich, da es keine Kontaktflächen gibt, um eine Ausrichtung zu unterstützen.

Zudem sind die Lötmittelverbindungen, die in Fig. 2 gezeigt sind, in erster Linie für eine Masseebenen- und eine mecha nische Verbindung der Hauptplatine 1 und der Nebenplatine 3 vorgesehen. Folglich sind diese Lötmittelverbindungen wenige und groß, wobei sich eine Belastung an diesen Lötmittelver bindungen konzentriert. Daher würden die Lötmittelverbin dungen, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt sind, feh leranfällig sein, wenn die Hauptplatine 1 und die Nebenpla tine 3 durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten charakterisiert wären. Demgemäß ist das bekannte Beispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, nicht ohne weiteres für eine Im plementierung einer Hochfrequenz- oder Mikrowellenschaltung zugänglich, bei der gedruckte Schaltungsplatinensubstrate mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwen det werden.

Eine effiziente Verfahrensweise zum Entwurf gedruckter Schaltungsplatinen, die den modularen Platinenentwurf för dert, während die Nebenplatine als eine Entwurfskomponente berücksichtigt wird, ist wünschenswert. Ferner sollte jeg liche Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten für das Substrat der Nebenplatine bezüglich des Substrats der Haupt platine die Zuverlässigkeit von Verbindungen zwischen den Platinen nicht beeinträchtigen. Die resultierende Platine sollte ferner sowohl einfach als auch ökonomisch herzustel len sein.

Die US-A-5,355,283 beschreibt ein BGA-Element, welches ein Substrat aufweist, an dem eine oder mehrere elektronische Komponenten angeordnet sind. über Durchgangskontaktierungen innerhalb des Substrats werden Leiterbahnen auf einer Ober fläche des Substrats mit Anschlußflächen auf einer gegen überliegenden Oberfläche des Substrats verbunden. Bei den elektronischen Komponenten kann es sich um eine oder mehrere integrierte Schaltungen und/oder um passive Komponenten han deln. Die auf dem Substrat angeordneten Komponenten sind in einer Schutzschicht eingebettet.

Die US-A-5,222,014 beschreibt eine stapelbare, dreidimensio nale Mehrchip-Modulanordnung, bei der jede Chipträgerebene mit einer anderen Chipträgerebene über Lotstellen verbunden ist. Jeder Chipträger, mit Ausnahme des obersten, umfaßt ein Lotmaterial auf beiden Hauptoberflächen eines Substrats. Auf den Trägern sind einzelne oder mehrere elektronische Kompo nenten in Form von Chips angeordnet.

Die US-A-4,553,111 beschreibt eine gedruckte Schaltungspla tine für TTL-Logikkomponenten, welche zwischen externen Mi krostreifen Signalleitungen und internen Masse- und Span nungsebenen eine charakteristische Impedanz von etwa 100 Ohm sicherstellt, indem eine Dicke der einzelnen Schichten der Mehrschichtstruktur auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, um die gewünschte Charakteristik der Impedanz einzu stellen. Hierbei haben unterschiedliche Schichten auch un terschiedliche Dicken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte hybride gedruckte Schaltungsplatine zu schaffen, die eine Einstellung einer charakteristischen Impedanz von Zwischenverbindungen zwischen den mehreren Schaltungsplati nen auf einfache Art und Weise steuert, ohne die Abmessungen der verwendeten Schaltungsplatinen verändern zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch eine hybride, gedruckte Schaltungs platine nach Anspruch 1 gelöst.

Eine hybride gedruckte Schaltungsplatine, die zwei Substrate mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weist, kann unter Verwendung automatisierter Oberflächenbe festigungstechniken hergestellt werden. Eine Hauptplatine, die aus einem preiswerten Material besteht, ist mit einem Satz von Kontaktflächen auf ihrer oberen Oberfläche konfi guriert. Eine Nebenplatine mit einem entsprechenden Muster von Kontaktflächen auf ihrer unteren Oberfläche ist unter Verwendung von normalen automatisierten Oberflächenbefes tigungstechniken an der Hauptplatine befestigt, derart, daß die Kontaktflächen auf der Nebenplatine und der Hauptplatine in korrekter Ausrichtung sind.

Die Kontaktflächen können mit Signalleiterbahnen verbunden sein. Alternativ können die Kontaktflächen auf der Hauptpla tine mit einer Masseebene, die in der Hauptplatine enthalten ist, verbunden sein. Zusätzlich zu der Flexibilität beim Entwurf gibt es eine gute Massekontinuität, die die Qualität der Zwischenverbindungen verbessert. Die charakteristische Impedanz der Zwischenverbindungen kann durch Bestimmen der Größe der Stichleitungen, die unter den Kontaktflächen lie gen, gesteuert werden. Diese Entwurfsverfahrensweise fördert einen modularen Entwurf von gedruckten Schaltungsplatinen, derart, daß ein Befestigen unterschiedlicher Nebenplatinen an die Funktionalität, die der Hauptplatine zugeordnet ist, kundenspezifisch angepaßt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die begleitenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Nebenplatine, die in einem Loch in einer Hauptplatine positioniert ist (Stand der Technik);

Fig. 2 eine Nebenplatine, die entlang des Umfangs mit der Hauptplatine verbunden ist (Stand der Technik);

Fig. 3 eine isometrische Ansicht einer hybriden gedruckten Schaltungsplatine;

Fig. 4 eine Querschnittansicht der hybriden gedruckten Schaltungsplatine, die in Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der hybriden gedruckten Schaltungsplatine gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 mit Fig. 6A und 6B eine Zwischenverbindung und das elektrische Ersatzschaltbild der Zwischenverbin dung.

Fig. 3 zeigt eine planare Ansicht einer hybriden gedruckten Schaltungsplatine 10. Eine Hauptplatine 12 weist ein Array von Kontaktflächen 12A in einem vorbestimmten Muster auf einer oberen Oberfläche 12B auf. Eine Nebenplatine 14 weist ein Array von Kontaktflächen 14A in einem identischen Muster auf einer unteren Oberfläche 14B auf. Die Nebenplatine 14 kann passive oder aktive Komponenten aufweisen, wie z. B. einen Widerstand 11A und einen Verstärker 11B, die auf der selben befestigt sind. Vorzugsweise ist eine Lötmittelzu sammensetzung 16 auf den Kontaktflächen 12A auf der Haupt platine 12 aufgetragen. Alternativ kann eine Lötmittelzu sammensetzung auf den Kontaktflächen 14A auf der Nebenpla tine 14 aufgetragen sein.

Die Hauptplatine 12 besteht typischerweise aus einem preis werten Material für gedruckte Schaltungsplatinen, wie z. B. einem Sechs-Schicht-Laminat aus Getek, das von General Electric hergestellt wird. Wenn die Substratdicke der Haupt platine 12 0,142 cm (0,056 Zoll) beträgt, beträgt der zu geordnete Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebene der Hauptplatine, die aus diesem Material besteht, 12 bis 14 ppm/°C. Die Nebenplatine 14 ist aus einem Hochleistungs substrat, wie z. B. Arlon CuClad 250, gebildet. Wenn die Substratdicke der Nebenplatine 14 0,152 cm (0,060 Zoll) be trägt, beträgt der zugeordnete Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebene der Nebenplatine, die aus diesem Material be steht, 9 bis 10 ppm/°C. Das erste und das zweite Array von Kontaktflächen 12A, 14A bestehen aus elektrisch leitfähigem Material, wie z. B. Gold oder Kupferleiterbahnen, die mit Lötmittel plattiert sind. Die Nebenplatine 14 ist unter Ver wendung normaler automatisierter Oberflächenbefestigungs techniken an der Hauptplatine 12 befestigt.

Die Lötmittelzusammensetzung 16 wird auf der Hauptplatine 12 zur Befestigung der Nebenplatine 14 und zusätzlicher Kompo nenten (nicht gezeigt) schablonenhaft aufgetragen. Als nä chstes werden die Komponenten und die Nebenplatine 14 unter Verwendung einer Aufnahme-und-Bestückungsmaschine, wie z. B. einer Fuji IP-II, auf die Hauptplatine 12 geladen. Die Kon taktflächen 14A der Nebenplatine 14 werden nach den Kontakt flächen 12A der Hauptplatine 12 ausgerichtet, derart, daß es eine Selbstausrichtung der Nebenplatine und der Hauptplatine vorhanden ist. Die Lötmittelzusammensetzung 16 wird dann ge schmolzen, um die Befestigung der Komponenten und der Neben platine 14 an der Hauptplatine sicherzustellen. Da es eine Mehrzahl von Kontaktflächen 12A, 14A in dem vorbestimmten Muster über der Oberfläche 12B der Hauptplatine 12 und über der Oberfläche 14B der Nebenplatine 14 gibt, sind Bela stungskräfte aufgrund des Unterschiedes zwischen den Wärme ausdehnungskoeffizienten der Substrate der Hauptplatine und der Nebenplatine über eine Anzahl von Lötmittelverbindungen verteilt, die räumlich über der Grenzfläche zwischen den Platinen angeordnet sind. Dies schafft eine höhere Zuverlässigkeit, als durch das be kannte Beispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, geschaffen ist.

Die resultierende, hybride gedruckte Schaltungsplatine 10 fördert einen effizienten modularen Entwurf gedruckter Schaltungsplatinen, der die Nebenplatine 14 als eine Ent wurfskomponente berücksichtigt. Die Hauptplatine 12 kann flexibel entworfen werden, derart, daß die Nebenplatine 14 mit den Komponenten 11A, 11B an die Funktionalität, die der Hauptplatine zugeordnet ist, kundenspezifisch angepaßt ist. Die resultierende hybride Schaltungsplatine 10 ist ebenfalls einfach herzustellen.

Fig. 4 stellt eine Querschnittansicht der hybriden gedruck ten Schaltungsplatine 10 dar. Die Kontaktflächen 14A können irgendwo auf der unteren Oberfläche 14B der Nebenplatine 14 positioniert sein. Die Kontaktflächen 12A, 14A der Hauptpla tine 12 und der Nebenplatine 14 können entweder an die Si gnalleiterbahnen 13 oder an die Masseebene 15, die in der Hauptplatine enthalten sind, angeschlossen werden. Die Kom ponenten 11A, 11B, die in Fig. 3 gezeigt sind, sind wiederum an die Signalleiterbahnen 13 auf der Nebenplatine 14 ange schlossen. Elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktflä chen 12A, 14A und den Signalleiterbahnen 13 und zwischen den Kontaktflächen und der Masseebene 15 sind durch Zwischen verbindungen 17 geschaffen. Die Zwischenverbindungen 17 kön nen plattierte Durchgangslöcher sein. Zusätzlich zu einer Flexibilität beim Entwurf gibt es eine gute Massekontinui tät, die die Qualität der Zwischenverbindungen durch Steuern der charakteristischen Impedanz der Zwischenverbindungen 17 verbessert. Diese Entwurfsverfahrensweise fördert einen mo dularen Entwurf von gedruckten Schaltungsplatinen, derart, daß ein Befestigen der Nebenplatine 14 an die Funktionali tät, die der Hauptplatine 12 zugeordnet ist, kundenspezi fisch angepaßt ist.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer hybriden gedruckten Schaltungsplatine 10' dar. Eine zweite Nebenplatine 14 oder eine Komponente (nicht gezeigt) kann auf der Oberseite der Nebenplatine 14 positioniert werden. Die Nebenplatine 14 und die optionale Platine 18 werden unter Verwendung der Lötmittelzusammensetzung und der norma len automatisierten Oberflächenbefestigungstechnik, die im vorhergehenden beschrieben sind, vor der Befestigung der Ne benplatine 14 an die Hauptplatine 12 befestigt.

Fig. 6A und 6B zeigen eine bevorzugte Zwischenverbindung 17 und ein Ersatzschaltbildmodell derselben. Fig. 6A ist eine Darstellung der Zwischenverbindung 17. Fig. 6B zeigt ein elektrisches Modell für die Zwischenverbindung 17. Dieses Modell wird verwendet, um die Größe von Stichleitungen 19A, 19B zu bestimmen, die benötigt werden, um die Übergangsimpe danz zu steuern, die durch die Zwischenverbindung 17 gebil det wird.

Wie in Fig. 6A gezeigt ist, ist eine Ausgangsübertragungs leitung 20 auf der Nebenplatine 14 mit einer Eingangsüber tragungsleitung 22 auf der Hauptplatine 12 verbunden. In diesem Beispiel weisen die Eingangs- und die Ausgangsüber tragungsleitung 20, 22 eine charakteristische Impedanz Z₀ auf. Unter Verwendung von Gleichung 1 wird die Induktivität L des plattierten Durchgangsloches der Zwischenverbindung 17 in Mikrohenry bestimmt.

L = .002t[Log₁₀(2T/R_pth) - 1] (1)

Dabei ist t die Dicke der Nebenplatine 14 in Zentimeter. Die Nebenplatine 14 weist ferner eine gegebene dielektrische Konstante auf, die von dem Material abhängt, aus dem die Ne benplatine aufgebaut ist. R_pth ist der Radius des plattier ten Durchgangsloches in Zentimeter. In Gleichung 2 wird die Kapazität bestimmt, die benötigt wird, um L zu kompensieren.

C_c = L/Z_o ² (2)

Dabei ist Z_o die gewünschte charakteristische Impedanz der Verbindung. C_c ist die Kapazität, die notwendig ist, um die Induktivität des plattierten Durchgangsloches zu kompen sieren.

Die Stichleitungen 19A, 19B, wie z. B. Kupferstellen, sind der Nebenplatine hinzugefügt, derart, daß die Kapazität von jeder Kupferfläche C_c/2 beträgt. Die Stichleitung 19B liegt vorzugsweise unter der Kontaktfläche 14A der Nebenplatine 14. Die Größe der Stichleitungen 19A, 19B, die notwendig ist, um diese Kapazität zu erreichen, hängt von der Plati nendicke t und der dielektrischen Konstante des Nebenplati nenmaterials ab. Dieselbe kann numerisch oder analytisch be rechnet oder experimentell bestimmt werden.

Claims

1. Hybride gedruckte Schaltungsplatine (10) mit einem er sten und einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, die folgende Merkmale aufweist:
eine Hauptplatine (12) mit dem ersten Wärmeausdehnungs koeffizienten und mit Signalleiterbahnen, wobei jede Signalleiterbahn in einer Kontaktfläche auf einer Ober fläche der Hauptplatine endet, und die Kontaktflächen (12A) in einem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche der Hauptplatine angeordnet sind;
eine Nebenplatine (14) mit dem zweiten Wärmeausdeh nungskoeffizienten und mit Signalzwischenverbindungen, wobei jede Zwischenverbindung in einer Kontaktfläche auf einer Oberfläche der Nebenplatine endet, und die Kontaktflächen (14A) in einem vorbestimmten Muster an geordnet sind;
ein Array einer Lötmittelzusammensetzung (16), das zwi schen der Oberfläche der Hauptplatine und der Ober fläche der Nebenplatine positioniert ist, wobei das Array in dem vorbestimmten Muster zwischen den Kontakt flächen der Hauptplatine und der Nebenplatine angeord net ist;
zusätzliche Kontaktflächen, die in einem zweiten Muster auf einer zweiten Oberfläche der Nebenplatine angeord net sind;
eine zweite Nebenplatine (18) mit einer Oberfläche, wo bei die Oberfläche der zweiten Nebenplatine Kontaktflä chen aufweist, die in dem zweiten Muster angeordnet sind;
ein zweites Array einer Lötmittelzusammensetzung, das zwischen der zweiten Oberfläche der ersten Nebenplatine und der Oberfläche der zweiten Nebenplatine zwischen den zusätzlichen Kontaktflächen der ersten Nebenplatine und den Kontaktflächen der zweiten Nebenplatine posi tioniert ist; und
Stichleitungen (19A, 19B), wobei jede Stichleitung eine leitfähige Region mit einem Bereich aufweist, der unter den Kontaktflächen auf der Nebenplatine liegt, die ka pazitive Platten für die Signalzwischenverbindungen bilden;
wobei die Signalzwischenverbindungen (17) eine Indukti vität und eine gewünschte charakteristische Impedanz (Z_o) aufweisen; und
wobei eine Fläche der leitfähigen Regionen der Stichleitungen derart gewählt ist, daß ein durch die leitfähigen Regionen gebildeter Kondensator eine Kapazität aufweist, um die Induktivität der Signalzwischenverbindung (17) zu kompensieren.

2. Hybride gedruckte Schaltungsplatine gemäß Anspruch 1, bei der leitfähige Regionen der Stichleitungen (19A, 19B) auf der Nebenplatine gleiche Flächen aufweisen.

3. Hybride gedruckte Schaltungsplatine gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Nebenplatine (14) für Hochfrequenzan wendungen geeignet ist.

4. Hybride gedruckte Schaltungsplatine gemäß einem der An sprüche 1 bis 3, bei der die Hauptplatine (12) ferner eine vergrabene Masseebene und Signalzwischenverbindungen aufweist, die mit den Kontaktflächen der Hauptplatine verbunden sind, wobei mindestens eine Signalzwischenverbindung der Hauptplatine die vergrabene Masseebene schneidet.