DE2212735B2

DE2212735B2 - Hochfrequenz-Übertragungsleitung in Streifenleiterbauweise

Info

Publication number: DE2212735B2
Application number: DE2212735A
Authority: DE
Inventors: Y Hill
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-03-19
Filing date: 1972-03-16
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2212735A1; CA963110A; DE2212735C3; FR2130098B1; FR2130098A1; JPS5329831B1; GB1315918A; IT947671B; US3740678A

Description

Die Erfindung betrifft eine HF-Übertragungsleitung in Streifenleiterbauweise mit vorbestimmtem Wellenwiderstand, die wenigstens einen streifenförmigen Signalleiter enthält, der sich in einer plattenförmigen Isolierschichtstruktur bestimmter Dielektrizitätskonstante parallel in vorbestimmten Abständen zu deren Oberflächen erstreckt, die beide mit einem als Masse dienenden elektrisch leitenden metallischen Belag versehen sind, insbesondere in miniaturisierter Bauweise.

Derartige Übertragungsleitungen finden sich in den Schaltkreisen von Computern oder Steuerungsanlagen, bei denen eine große elektronische Datenverarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden soll, das heißt die Signallaufzeiten zwischen den Schaltkreisen sollen möglichst kurz sein.

In Hochleistungs-Computersystemen ist zur Erzielung der hohen elektrischen Daten ^erarbeitungsgeschwindigkeit erforderlich, daß die Übertragungsleitungen zwischen den Schaltkreisen eine minimale Verzögerung für die zu übertragenden Signale, sowie einen angepaßten Wellenwiderstand aufweisen, um eine sehr schnelle und möglichst unverzerrte Signalübertragung zu bekommen. Die derzeit in diesen Computern gebräuchlichen integrierten Schaltungsanordnungen ermöglichen ultrahohe Schaltgeschwindigkeiten und äußerst kurze Verzögerungen der Signalübertragung, die beide etwa im Bereich von einer Nanosekunde oder noch weniger liegen. Diese extrem hohen Geschwindigkeiten der integrierten Schaltkreise kommen in einem System nicht voll zur Wirkung, bei dem die Signalverzögerung durch die Übertragungsleitungen, welche die Schaltkreise miteinander verbinden, dominiert. Bei den bisher allgemein gebräuchlichen Übertragungsverbindungen, bei denen die Signal- und Masseleiter auf Epoxydglasschichten angeordnet sind, beträgt die Signallaufzeit bzw. die Verzögerung bei einer 150 mm langen Verbindungsstrecke ca. eine Nanosekunde.

Zur Verkürzung dieser Laufzeiten bzw. der Signal-

Übertragungsverzögerungen verkürzt man die Übertragungsleitungen in den Schaltungsanordnungen bekannterweise soweit, daß sich Strukturen ergeben, die eine hohe Dichte von Zwischenverbindun^en aufweisen. Diese Mikro-Strukturen haben außer dem Vorzug der kürzeren Signallaufzeiten jedoch auch Nachteile, die in Abhängigkeit von der Vergrößerung der Packungsdichte der Übertragungsleitungen immer stärker in den Vordergrund treten. Durch die größere Packungsdichte der Übertragungsleitungen ergibt sich zwangsläufig auch eine Verkleinerung der Abstände zwischen einander benachbarten Übertragungsleitungen. Dadurch erhöht sich die Kopplung zwischen diesen Leitungen und damit das Neben- bzw. Übersprechen, außerdem ändert sich der Wellenwiderstand der Übertragungsleitungen. Durch die Übersprech-Kopplung wird in unerwünschter Weise Energie von einer Übertragungsleitung entzogen und diese auf eine andere Leitung übertragen, wo sie in den an diese Leitungen angeschlossenen sehr empfindlichen Schallkreisen unerwünschte und falsche Schaltvorgänge auslösen kann. Die Abweichung des Wellenwiderstandes vom Anpassungswert bewirkt, daß auf den Leitungen Reflexionen entstehen und die zu übertragenden Signale verzerrt und verzögert werden. Bei der Schaltkreisentwicklung für derartige miniaturisierte Strukturen sind somit der Laufzeit bzw. der Leitungsverzögerung, der Neben- bzw. Übersprechkopplung der Übertragungs'.eitur.gen und der Anpassung des Wcllcnwiderstandes besondere Beachtung zu schenken. Um jo eine betriebssichere Mikro-Struktur zu erhalten, die eine hohe Dichte von Übertragungsverbindungen aufweist, wird man zwischen den vorgenannten Eigenschaften der Übertragungsleitungen einen Kompromiß wählen.

Diese zur Signalübertragung zwischen Schaltkreisen dienenden Übertragungsleitungen sind nach bekanntem Verfahren der Photolithographie und Ätztechnik Js sog. gedruckte Leitungen ausgeführt und in mehreren übereinanderliegenden dielektrischen Schichten, welche miteinander verbunden sind, angeordnet. Derartige Übertragungsleitungen sind als sehr zuverlässige Verbindungen zur Übertragung von hochfrequenten Signalen geeignet. Um die gewünschten Übertragungseigenschaften zu erhalten, sind einige Punkte zu beachten, sehr wichtig ist z. B. die Anordnung der isolierenden tragenden Schichten, die Dielektrizitätskonstante dieser isolierenden Schichten, die Dicke und die Abstände dieser Isolierschichten und die Gesamtabmessungen der Struktur. Weitere wesentliche Gesichtspunkte für die Betrachtung sind die Anordnung der Leitungsführung, die Abmessungen der Signalleiter und die Gesamtausführung des Schaltungsaufbaues sowie die Einflüsse der Temperatur und der Preßstücke auf die Materialien während des Herstellungsprozesses der Übertragungsleitungen in einer integrierten Schichtstruktur.

Durch die US-PS 28 10 892 wurde eine in Streifenleiterbauweise ausgeführte Übertragungsleitung bekannt, die zwei Signalleiter verschiedener Breite enthält, bo welche in einem bestimmten Luft-Abstand einander gegenüberliegen und auf jeweils einer Isolierschicht angeordnet sind, deren äußere Oberflächen mit einem als Masse dienenden metallischen Belag versehen sind. Infolge ihres Luft-Abstandes und durch die überein- t>5 anderliegenden Signalleiter ist eine derartige Übertragungsleitung nur für spezielle Zwecke und nicht als Massenprodukt in Computerschaltkreisen geeignet.

Eine Kreuzungsstelle von zwei in Streifenleiterbauweise ausgeführten Übertragungsleitungen, die mit geringem Luft-Abstand übereinanderliegen und deren Signal- und Masseleiter ebenfalls auf Isolierschichten angeordnet sind,jst in der US-PS 31 04 363 beschrieben. Auch für diese Übertragungsleitung treffen die vorgenannten Nachteile des Luft-Abstandes zu.

Durch die DE-OS 19 64 670 wurde ein Wellenleiter mit einem dielektrischen Träger bekannt, an dessen einer Oberfläche ein streifenfönniger Signalleiter und mit Abstand danebenliegend wenigstens ein Masseleiter angeordnet ist, wobei die Dielektrizitätskonstante des Trägers wesentlich größer ist als die des der Oberfläche des Trägers benachbarten Mediums, derart, daß das elektrische Feld einer sich längs des Wellenleiters ausbreitenden Welle hauptsächlich zwischen dem streifenförmigen Signalleiter und dem Masseleiter begrenzt ist Dieser Wellenleiter hat den Nachteil, daß durch die nebeneinanderliegende Anordnung des Signal- und des Masseleiters viel PJatz beansprucht wird und bei mehreren Signalleitern keine so große Packungsdichte erzielbar ist, wie sie für die neuzeitlichen in mikrominiaturisierter Bauweise ausgeführten Schaltungsanordnungen erforderlich ist. Außerdem sind mit diesem bekannten Wellenleiter nicht die geforderten kurzei. Verzögerungszeiten erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus mehreren dielektrischen Schichten bestehende Übertragungsleitung in Streifenleiterbauweise zu schaffen, die bei kleinstmöglichen Abmessungen und einer minimalen Dicke eine gute mechanische Festigkeit aufweist und zur Verwendung in miniaturisierten Schaltungsanordnungen geeignet ist. Die Struktur der Übertragungsleitung soll so ausgelegt sein, daß sich eine große Packungsdichte von Verbindungsleitungen ergibt, wobei die Kopplungen zu benachbarten Leitungen klein sein sollen, damit sich nur geringe Verluste durch Überoder Nebensprechen ergeben. Bezüglich der elektrischen Charakteristik sollen sich gegenüber den bekannten Ausführungen bei gleichem Wellenwiderstand verkürzte Verzögerungszeiten ergeben. Außerdem soll der Wellenwiderstand durch geringe Variationen des Materials oder bei der Herstellung der Struktur einer Übertragungsleitung leicht an einen geforderten Wert anzupassen sein. Das Herstellungsverfahren für die neue Übertragungsleitung soll einfach, billig und für die Massenfertigung geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Isolierschichtstruktur aus drei übereinanderliegenden fest miteinander verbundenen Isolierschichten gebildet wird, von denen die beiden äußeren mit dem Massebelag versehen sind, daß die Materialien für die beiden äußeren Isolierschichten eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante (ε_Γ) und das Material für die mittlere Isolierschicht eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (e_r) aufweisen, daß Signalleiter in den Verbindungsflächen zwischen der unteren und der mittleren Isolierschicht sowie zwischen der mittleren und der oberen Isolierschicht eingebettet sind, und daß die Signalleiter in der einen Verbindungsfläche sich in der X- Richtung und die in der anderen Verbindungsfläche sich in der V-Richtung erstrecken.

Diese Übertragungsleitung hat in ihren Isolierschichten zwei verschiedene Isoliermaterialien mit unterschiedlichen dielektrischen Werten. In der Isolierschichtstruktur ist als Basis- oder Kernmaterial Epoxydglas mit einer Dielektrizitätskonstanten (ε_Γ=4,4) oder Polyamid ^r= 3,5) für die mittlere Isolierschicht

vorgesehen. Jedes dieser beiden vorgenannten Isoliermaterialien hat einen Schmelzpunkt oder eine Erweichungstemperatur, die wesentlich von dem Schmelzpunkt des Materials der äußeren Isolierschichten abweicht und welches vorwiegend dazu dient, der Übertragungsleitung die mechanische Festigkeit zu geben. Diese mittlere Isolierschicht soll der dünnen Übertragungsleitung die mechanische Festigkeit geben. Für die äußeren Isolierschichten ist ein Material vorgesehen, das eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (tr) aufweist, beispielsweise Polytetrafiuoräthylen ^_r= 2,1) oder Polyäthylen (ε,·= 2,35). Durch dieses Material der zweiten oder äußeren Isolierschichten wird vorwiegend die gewünschte elektrische Charakteristik der Übertragungsleitung geschaffen. Durch die verschiedenen Schmelzpunkte bzw. Erweichungstemperaturen der Materialien für die inneren und äußeren Isolierschichten wird erreicht, daß sich die Isolierschichten und die Signalleiter bei der Herstellung der Übertragungsleitung besser ineinanderfügen. Wird die mittlere Isolierschicht auf beiden Oberflächenseiten mit in X- und V-Richtung verlaufenden streifenförmigen Leiterbahnen, die als Signalleiter dienen, versehen und wird auf die mittlere Schicht jeweils auf beiden Oberflächen noch eine äußere Isolierschicht aufgesetzt, dann ergibt sich eine Übertragungsleiterstruktur mit Signalleiterbahnen, die in zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen der einen Ebene in der A"-Richtung und die Leiterbahnen der anderen Ebene sich in der V-Richtung erstrecken. Da die X- und V-Signalleiter eine orthogonale Richtung zueinander aufweisen, ergibt sich eine vernachlässigbare Kopplung zwischen den übereinanderliegenden und sich kreuzenden Signalleitern. Durch eine derartige Anordnung der Signalleiter ist es möglich, beliebige Zwischenverbindungen zu den Anschlüssen der Schaltkreise oder einer Schaltkarte bzw. Schaltungstafel vorzunehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der F i g. 1 bis 6 ausführlicher beschrieben. Von den Figuren stellen dar

F i g. 1 eine Übertragungsleitung, enthaltend drei übereinanderliegende Isolierschichten und zwei Signaileiter in auseinandergezogener isometrischer Abbildung,

Fig. 2 eine Schnittansicht, welche drei Isolierschichten enthält,

F i g. 3 eine Schnittansicht von mehreren übereinandergeschichteten Übertragungsleitungen, wobei jede Übertragungsleitung drei Isolierschichten umfaßt,

F i g. 4 eine Skizze, welche die elektrische Feldverteilung in einer Übertragungsleitung zeigt, die drei Isolierschichten aus verschiedenen dielektrischen Materialien enthält,

F i g. 5 ein Schaubild, das zeigt, wie die Verzögerung der Signallaufzeit in einer Übertragungsleitung durch die Wahl von Isoliermaterialien, welche verschiedene Dielektrizitätskonstanten ε_Γ aufweisen, zu beeinflussen ist,

F i g. 6 eine stark vergrößerte Ansicht einer 90-Ohm-Übertragungsleitung, die zeigt, wie durch die Wahl von Isoliermaterialien, die verschiedene Dielektrizitätskonstanten t_r aufweisen, der Abstand zwischen den Signalleitern vorteilhaft geändert werden kann.

In der F i g. 1 ist die Struktur einer Übertragungsleitung, welche drei Isolierschichten 10, 12, 14 und zwei Streifenleiter als Signalleiter 15,16 enthält, dargestellt Diese Übertragungsleitung hat den im folgenden beschriebenen Aufbau: Eine obere ebene Isolierschicht 10 ist an der oberen Oberflächenseite mit einer elektrisch leitenden Überzugsschicht versehen, die als Masseschicht 11 dient. Diese obere Isolierschicht 10 liegt auf einer mittleren Isolierschicht 14, welche wiederum auf einer unteren Isolierschicht 12 aufliegt und mit dieser fest verbunden ist. Diese untere Isolierschicht 12 ist in ihrem Aufbau der oberen Isolierschicht 10 gleich, jedoch ist die leitende Überzugsschicht, weiche ebenfalls als Masse 13 dient, an

ίο der unteren Oberfläche der Isolierschicht 12 angeordnet. Die zwischen der oberen und unteren Isolierschicht 10, 12 liegende mittlere ebene Isolierschicht 14 ist auf jeder Oberflächenseite mit einem Signalleiter 15,16 zu versehen, der als Streifenleiter ausgeführt ist. Diese beiden Streifenleiter erstrecken sich orthogonal zueinander. Dabei verläuft der obere Signaiieiter i5 in der A"-Richtung und der untere Signalleiter 16 in der V-Richtung. Die mittlere Isolierschicht 14, welche zwischen der oberen und der unteren Isolierschicht 10, 12 liegt, wird mit diesen beiden äußeren Isolierschichten 10, 12 fest verbunden, indem bei der Herstellung des Schichtstapels unter Einwirkung von Druck und Hitze ein zwischen die Auflageflächen gelegter dünner Film aus Kunstharz zum Schmelzen gebracht wird. Die Anschlußverbindungen zu den in der Stapelstruktur befindlichen Signalleitern 15, 16 können entweder an den Kanten der Stapelstruktur oder in bekannter Weise auch durch Bohrungen hergestellt werden, die die Isolierschichten 10, 12 durchdringen, wie dies dem Fachmann aus der Schaltkarten- bzw. Schalttafelfertigung bekannt ist. Durch Experimente und Untersuchungen wurde festgestellt, daß eine erfindungsgemäße Übertragungsleitung in der vorgenannten Stapelstruktur auf einfache Weise nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt werden kann.

Bei dem ersten Herstellungsverfahren wird mit der mittleren Isolierschicht 14 begonnen. Als Schichtmaterial wird platten- oder folienförmiges Epoxydharz in vorbestimmter Stärke verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde für die mittlere Isolierschicht 14 eine Schichtdicke von 0,10 mm gewählt. Diese mittlere Isolierschicht 14 wird dann auf beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer 0,175 mm dicken Kupferfolie beschichtet. In diesen Kupferleitschichten werden dann

durch photolithographische, chemische und Ätzverfahren die Signalleitungen 15, 16 in der X- und V-Ebene gebildet. Die Herstellungsverfahren der X- und V-Signalleiter 15, 16 als Streifenleitungen in Form gedruckter Leiterbahnen sind die gleichen wie bei der

so Herstellung von gedruckten Schaltkreisen, und sie sind dem Fachmann bekannt. Im folgenden Verfahrensschritt wird die mittlere Isolierschicht 14, welche jetzt an ihren Oberflächen die Signalleiter 15, 16 trägt, auf beiden Seiten mit einer etwa 0,10 mm dicken Folie, beispielsweise bestehend aus Polytetrafiuoräthylen, beschichtet. Dieser Folienauftrag entspricht der oberen und der unteren Isolierschicht f.0 und 12 in der Struktur der Übertragungsleitung. In dieser Stapelstruktur sind nun die X- und y-Signalleitungen 15, 16 in den Verbindungsflächen zwischen der mittleren Isolierschicht 14 und den äußeren Isolierschichten 10, 12 eingebettet. Im gleichen Verfahrensschritt werden die beiden äußeren aus Isolierschichten 10, 12 der Stapelstruktur mit einer Kupferfolie beschichtet Diese aufkaschierten Kupferschienten 11, 13, welche in der Übertragungsleitung vorwiegend als Masseleitschicht dienen, sind mit dem Polytetrafluoräthylen-Material fest verbunden. Diese Verbindung wird durch Klebung

geschaffen, unter Verwendung von Kunstharz als Klebemittel und ggf. unter Einwirkung von Hitze zum Beschleunigen des Aushärtens der Klebestelle.

Aus der F i g. 2, welche die Ansicht eines Schnittes durch die Struktur einer Übertragungsleitung darstellt, ist besonders deutlich die Anschlußverbindung für die streifenförmigen Signalleitungen 15,16 zu ersehen. Die elektrische Verbindung zu den inneren Signalleitungen 15 und 16 der Schichtstruktur kann dadurch erfolgen, daß eine Bohrung 17, welche die drei Isolierschichten 10, ι ο 12, 14 durchdringt, nach bekannten Verfahren mit elektrisch gut leitendem Material plattiert wird. Die die Bohrung 17 auskleidende plattierte Metallschicht kann an den beiden Oberflächenseiten der Stapelstruktur einen kleinen Bord 18 aufweisen, welcher durch eine is Ausätzung in der Umgebung der Bohrung 17 von den Masseschichten 11, 13 elektrisch isoliert und getrennt ist. An der Verbindungsbohrung 17 können somit Signale, die ein von Masse abweichendes Potential aufweisen, eingespeist oder abgenommen werden.

Alternativ zu dem erstgenannten Verfahren zur Herstellung der Übertragungsleitung mit einer Schichtstruktur, die drei Isolierschichten 10, 12, 14 und die Streifenleiter 15, 16 enthält, ist auch noch ein zweites einfaches Herstellungsverfahren möglich. Unter Hinweis auf die F i g. 1 wird bei diesem zweiten Herstellungsverfahren zuerst das Polytetrafluoräthylen-Material der beiden äußeren Isolierschichten 10, 12, welche bei der fertigen Stapelstruktur die untere und die obere Isolierschicht bilden, mit der 0,175 mm dicken Kupferfo-He jeweils auf beiden Oberflächenseiten kaschiert Von diesem beidseitig mit der Kupferfolie beschichteten Material dient der eine Metallbelag wieder als elektrisch leitende Masseschicht 11,13 und der andere Metallbelag zur Herstellung der Signalleitungen 15, 16, die durch bekannte photolithographische und Ätzverfahren aus diesen kaschierten Metallschichten gewonnen werden. Dabei werden auf der oberen Isolierplatte 10 die X-Signalleiter 15 und auf der unteren Isolierplatte 12 die K-Signalleiter 16 gebildet. Durch Aufeinanderschichtung dieser beiden beschichteten Isolierplatten 10 und 12 derart, daß ihre aufkaschierten Masseschichten 11,13 nach außen zeigen, und durch das Zwischenfügen der mittleren Isolierschicht 14, welche aus 0,10 mm dickem Epoxydharz besteht, und die Signalleiter 15, 16 voneinander trennt, wird eine Stapelstruktur gebildet, die durch Hinzufügen von Kunstharz an den Verbindungsstellen und durch die Einwirkung von Druck und Hitze nach einem der bekannten Härteverfahren zu einer kompakten Struktur polymerisiert, die nach Anbringung der Anschlußverbindungen die Übertragungsleitung bildet. Diese Anschlußverbindungen für die Signalleiter 15,16 der Übertragungsleitung können, wie bereits vorstehend beim ersten Herstellungsverfahren beschrieben wurde, entweder an den Kanten der Stapelstruktur oder durch metallische plattierte Bohrungen 17 gemäß der F i g. 2 hergestellt werden.

Aus der Fi g. 3 ist zu ersehen, wie die Übertragungsleitungen nach Fig. 1, welche drei Isolierschichten enthalten, in integrierter Bauweise in einer Schaltungs- oder Verteilertafel angeordnet werden können. Bei der in Fig.3 in Schnittansicht dargestellten Schalttafel dient die obere Seite mit der Bohrung 30 als Anschlußstelle zur Einspeisung oder Abnahme der Signale, und die untere Seite der Schalttafel ist die Montageseite, welche als Träger für die elektrischen Bauelemente dient Der Signalanschluß eines Bauelementes ist mit dem unteren Ende z. B. der Signaleinspeisungsstelle der Bohrung 30 verbunden. Bei einer derartigen Anordnung ist dann die Oberfläche der Schalttafel zugänglich für Meßzwecke oder für auszuführende Schaltungsänderungen. Die Signal-Anschlüsse haben an der Oberseite der Schalttafel eine Verbindung zu benachbarten X- y-Anschlußpunkten, z. B. 31. Diese Anschlußpunkte sind vorbestimmt mit Signalleitern in der Stapelstruktur verbunden; beispielsweise besteht eine Verbindung zwischen dem Anschlußpunkt 31 und der K-Signalleitung 32 in der Stapelstruktur. Durch solch eine Anordnung der Signalanschlüsse an der Schalttafel ist es leicht möglich, Schaltungsänderungen vorzunehmen, da eine wahlweise Zugänglichkeit zu den verschiedenen Signalleitungen SX, SY, 32, gegeben ist. Es können somit Schaltungsänderungen vorgenommen werden, ohne daß ein Bauelement entfernt werden muß. Mit anderen Worten erläutert, kann eine nicht vorhandene oder schadhafte innere Schaltverbindung leicht an der Oberseite der Schalttafel ergänzt werden, z. B. wo eine Drahtverbindung von der Signalanschlußstelle 30 zur Signalanschlußstelle 31 hergestellt wird. Solch eine Anordnung, die es ermöglicht, noch nachträglich äußere Schaltverbindungen herzustellen, ist ein Vorzug der aus drei Isolierschichten bestehenden Übertragungsleitung.

Der Steckerstift 33, welcher an der Unterseite der Schalttafel in eine plattierte Anschlußbohrung 34 hineinragt, kann der Anschlußstift eines elektronischen Bauelementes sein. Diese Bauelemente können mehrere Anschlußstifte aufweisen, die zur Signalübertragung dienen, und die das gleiche Rastermaß aufweisen wie die plattierten Anschlußbohrungen in der Schalttafel, in die sie gesteckt und mit denen sie verlötet werden.

Um bei den Übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern 15,16 die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, sind bestimmte Grundprinzipien zu beachten. Es ist von Bedeutung zu wissen, wie die dielektrischen Eigenschaften der Isoliermaterialien und deren Abmessungen sowie die Dimensionierung und die Führung der Signalleiter 15, 16 voneinander abhängig sind, um die Charakteristik der Übertragungsleitung beeinflussen zu können. Besteht beispielsweise das Dielektrikum bei einer Übertragungsleitung nicht aus einem festen Material, sondern aus Luft, dann erhöht sich die Laufzeit bzw. die Verzögerungszeit der Übertragungsleitung, wodurch sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals entlang der Signalleiter 15,16 vermindert, und dies hat zur Folge, daß die Wellenlänge der zu übertragenden Signale ebenfalls reduziert wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals in einer Übertragungsleitung wird im wesentlichen durch deren Dielektrizitätskonstant bestimmt. Dabei ist vorausgesetzt, daß als Dielektrikum keine magnetischen Materialien Verwendung finden und daß die Permeabilität dieser dielektrischen Materialien μ = 1 ist. Soll die Übertragungsleitung einen bestimmten Wert des Wellenwiderstandes aufweisen, dann sind zur Herstellung der Übertragungsleitungen bestimmte Materialien bzw. Elemente erforderlich, die bezüglich ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer Abmessungen aufeinander abgestimmt werden müssen, da zwischen diesen Eigenschaften und den Abmessungen bestimmte Zusammenhänge bestehen. Um die Gesamtdicke einer Übertragungsleitung zu vermindern, die drei Isolierschichten enthält, besteht eine Möglichkeit darin, die Dielektrizitätskonstante (ε_Γ) dieser drei Isolierschichten zu verkleinern; jedoch ist eine Verringerung der Gesamtschichtdicke durch eine Reduzierung von ε_Γ

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nicht so einfach, wie es zunächst den Anschein hat, da dadurch ebenfalls der Wellenwiderstandswert dieser Übertragungsleitung kleiner wird. Um dieses Problem zu lösen, ist es eine grundsätzliche und wesentliche Aufgabe, die Dielektrizitätskonstante entsprechend anzupassen.

Die Dielektrizitätskonstante ist für alle Übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern 15,16 eine kritische Verhältniszahl. Jedoch ist außerdem die Dicke des Dielektrikums oder des Isoliermaterials von gleicher Wichtigkeit wie die Dielektrizitätskonstante. Die Dicke des Dielektrikums bzw. der Isolierschichten beeinflußt stark die Charakteristik des Wellenwiderstandes Zo, wobei dieser Wellenwiderstandswert Zo ein fundamentaler Entwicklungsparameter für alle Übertragungsieiiungen ist, die streifcnförmigc Signallcitcr aufweisen. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer derartigen Übertragungsleitung ist von der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums, von der Breite und Dicke der streifenförmigen Signalleiter 15, 16 und der Dicke der Isolierschichten 10, 12, 14 abhängig.

In Übertragungsleitungen, die aus Schichtstrukturen bestehen, müssen die Signale möglichst ohne Verluste und Verzögerungen durch die Übertragungsleitungen den Bauelementen bzw. den Schaltungskreisen zugeführt und die in diesen erzeugten Signale wieder anderen Schaltungsanordnungen zugeleitet werden. Derartige Übertragungsleitungen, die diesen Anforderungen entsprechen, weisen je nach den vorliegenden Verhältnissen einen charakteristischen Wellenwiderstand Zo auf, dessen Wert meistens im Bereich von 30 bis 100 Ohm Hegt. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern ist mit Hilfe von zugeordneten Programmen bei Angaben der Konstanten für die dielektrischen Materialien, der Abmessungen für die Leitungen und der zulässigen Grenzwerte durch Computer berechenbar.

Bei einer maschinellen Berechnung können die geometrischen Abmessungen und die dielektrischen Konstanten so variiert und gewählt werden, daß sich der gewünschte Wellenwiderstand Zo oder Impedanzwert ergibt. Durch Änderungen der Parameter können deren Einflüsse überschaubar gemacht werden. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern ist sehr empfindlich und abhängig von der Dicke des dielektrischen Materials, den Leiterabmessungen und den dielektrischen Konstanten. Ein anderer wesentlicher Gesichtspunkt bei der Entwicklung von Übertragungsleitungen, insbesondere, wenn diese sehr nahe beieinanderliegen und eine große Packungsdichte aufweisen, ist die Charakteristik des Nebensprechens oder Übersprechens dieser Übertragungsleitung. Unter Neben- bzw. Übersprechen wird die unerwünschte Kopplung zwischen Signalleitern und die gegenseitige Übertragung von Energie verstanden. Diese unerwünschte Übertragung der Energie zwischen den einander benachbarten Signalleitungen resultiert aus der induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen diesen Leitern. Diese durch die unerwünschte Kopplung übertragene Energie ist ein Verlust und kann über die benachbarten Signalleitungen Fehler in Schaltkreisen verursachen. Diese unerwünschte kapazitive und induktive Kopplung zwischen den einander benachbarten Leitern ist eine Funktion der Länge der Signalleitungen und des gegenseitigen Leitungsabstandes sowie der dielektrischen Konstanten dieser Leitungsanordnung. Auch diese charakteristischen Eigenschaften einer Übertragungsleitung können berechnet werden, so daß eine Voraussage über die Neben- bzw. Übersprechcharakteristik und den Kopplungskoeffizienten möglich ist.

Die Fig.2 zeigt die Ansicht eines Querschnittes durch eine Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern 15, 16, deren Schichtstruktur drei Isolierschichten 10, 12, 14 enthält. Diese drei Isolierschichten 10,12,14 weisen zwei dielektrische Konstanten auf. Die folgende Tabelle zeigt die vorteilhafte Dicke der Schichtstruktur für Übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern 15, 16, deren charakteristischer Wellenwiderstand Zo 50 Ohm und 90 Ohm beträgt. Die streifenförmigen Signalleiter 15, 16 haben eine gleiche Breite VV=O₁IO mm und eine Dicke von etwa 0,175 mm in allen Ausführungsbeispielen.

Dimension

Dual-Dielektrikum

Nur Epoxydharz

Wellenwiderstand Zo = 50 Ohm

A	0,101 mm
B	0,076 mm
C (gesamt)	0,254 mm
D	0,089 mm

Wellenwiderstand Zo = 90 Ohm
A 0,101mm

B 0,305 mm

C (gesamt) 0,711mm

D 0,279 mm

0,101mm
0,101 mm
0,305 mm
0,127 mm

0,101mm
0,660 mm
1,321 mm
0,508 mn

Um zu zeigen, wie kritisch einige von den Dimensionen sind, wurden mit Computerprogramm die folgenden Werte der Empfindlichkeit des Wellenwiderstandes für die 50-Ohm-Übertragungsleitung in der dualen dielektrischen Struktur berechnet:

Λ Zo

t>W

i)Zo DB

hZo DA

.- W = 4 = 200 Ohm/mm

B = 3 = 400 Ohm/mm

/1=4= 40 Ohm/mm

In der obigen Tabelle bedeuten

W die Breite der Signalleiter,

A und 8 die Dicken der Epoxydharzschicht bzw. des Polytetrafluoräthylen-Schichtmaterials, wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist

Aus dem Schaubild der F i g. 5 ist zu ersehen, wie bei einer Übertragungsleitung die Charakteristik der Laufzeitverzögerung durch verschiedene Materialien, welche unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten (s_r) aufweisen, zu beeinflussen ist Die im Schaubild eingezeichneten Punkte A, B, C sind repräsentativ für die diesen Punkten zugeordneten Isoliermaterialien bzw. deren Schichtanordnung:

A) Drei Schichten Epoxydharz

B) Drei Schichten Isoliermaterialien, wobei die innere Isolierschicht und die beiden äußeren Isolierschichten unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten (e_r) aufweisen.

C) Koaxialkabel, bestehend aus Polytetrafluorethylen.

Die F i g. 4 zeigt in einem schematischen Querschnitt durch eine Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern die Energieverteilung in dieser Schichtstruktur. Aus dieser schematischen Skizze ist zu ersehen, daß in der Region 2 die Energiedichte am größten ist und sich eine dielektrische Änderung dort am stärksten auswirken wird. Es ist zweckmäßig, für diese Region 2 oder Isolierschicht Polytetrafluorethylen anstelle von Epoxydharz zu verwenden. Um den charakteristischen Wellenwiderstandswert Zo zu erhalten, ist auch der Abstand zwischen dem Signalleiter und dem Massebelag zu vermindern. Diese vorstehend erwähnten Änderungen bewirken eine Reduktion in der Nebenbzw. Übersprechcharakteristik einer Übertragungsleitung, deren Wellenwiderstandswert 90 Ohm beträgt. Oder, in anderen Worten erläutert: Legt man für beide Ausführungen den gleichen Pegel des Neben- oder Übersprechens zugrunde, dann kann sich das lichte Abstandsmaß D zwischen zwei benachbarten streifenförmigen Signalleitungen 16 wesentlich verringern. Beträgt bei einem Isoliermaterial mit einheitlicher Dielektrizitätskonstante, z. B. bei Epoxydharz, das Abstandsmaß beispielsweise D= 0,51 mm zwischen zwei Streifenleitungen 16, dann kann sich dieser Abstand D auf etwa 0,28 mm verringern, wenn ein Isoliermaterial mit dualer Dielektrizitätskonstante verwendet wird. Bei einer Übertragungsleitung mit Streifenleitern, deren Wellenwiderstand Zo 90 Ohm beträgt, in Form einer Schichtstruktur, bestehend aus drei Isolierschichten, verringert sich deren Gesamtdicke von 1,32 mm auf 0,71 mm, wenn anstelle eines Isoliermaterials mit einer einheitlichen Dielektrizitätskonstanten ein mehrschichtiges Isoliermaterial mit zwei verschiedenen Dielektrizitätskonstanten verwendet wird. Es besteht somit ein doppelter Vorteil bezüglich der Stapelstruktur bzw. der Packungsanordnung. Wie aus der F i g. 6 zu ersehen ist, verringert sich auch der

ίο Abstand 45 + D zwischen den beiden Anschlußpunkten einer Schaltverteilertafel, wenn sich der lichte Abstand zwischen zwei streifenförmigen Signalleitungen von 0,51 mm auf 0,28 mm verringert. Außer dieser Abstandsverringerung, die einer Erhöhung der Packungsdichte entspricht, ergibt sich noch der weit wesentlichere Vorzug, daß die Laufzeit zwischen zwei Anschlußpunkten sehr beachtlich verkürzt wird. In einem typischen Anwendungsfall verringert sich der Abstand zwischen den beiden Anschlußpunkten von 1,65 mm auf 1,42 mm und die Laufzeitverzögerung ändert sich im Verhältnis 1 :0,7. Es ergibt sich somit als Produkt dieser Änderungen eine gesamte Verbesserung bezüglich der Packungsdichte, der Dicke der Stapelstruktur und der Laufzeitverkürzung von ca. 48%, bei gleichem Wellenwiderstand Zo und bei gleicher Neben- bzw. Übersprechcharakteristik dieser Übertragungsleitung.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß eine Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitungen in einer aus drei Isolierschichten bestehende

Struktur sehr vorteilhaft zur Übertragung von ultraschnellen Signalen bei kürzesten Signallaufzeiten und kleinsten Abmessungen geeignet und ein optimales Ergebnis zu erzielen ist, wenn für die Isolierschichten Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzübertragungsleitung in Streifenleiterbauweise mit vorbestimmtem Wellenwiderstand, die wenigstens einen streifenförmigen Signalleiter enthält, der sich in einer plattenförmigen Isolierschichtstruktur bestimmter Dielektrizitätskonstante parallel in vorbestimmten Abständen zu deren Oberflächen erstreckt, die beide mit einem als Masse dienenden elektrisch leitenden metallischen Belag versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichtstruktur aus drei übereinanderliegenden fest miteinander verbundenen Isolierschichten (10, 12, 14) gebildet wird, von denen die beiden äußeren mit dem Massebelag (11,

13) versehen sind, daß die Materialien für die beiden äußeren Isolierschichten (10, 12) eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante (B_r)und das Material für die mittlere Isolierschicht (14) eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (εJ aufweisen, daß Signalleiter (15, 16) in den Verbindungsflächen zwischen der unteren und der mittleren Isolierschicht (12,14) sowie zwischen der mittleren und der oberen Isolierschicht (14, 10) eingebettet sind, und daß die Signalleiter (15, 16) in der einen Verbindungsfläche sich in der X- Richtung und die in der anderen Verbindungsfläche sich in der V-Richtung erstrekken.

2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Isolierschichten (10,12,

14) aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen.

3. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Isolierschicht (14) aus einem Polyamid gebildet wird und daß die beiden äußeren Isolierschichten (10,12) aus Polyäthylen bestehen.

4. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Isolierschicht (14) aus Epoxydharz besteht.

5. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Isolierschichten (10,12) aus Polytetrafluoräthylen bestehen.

6. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verbindungsfläche zwischen zwei Isolierschichten (10, 12, 14) mehrere Signalleiter (15, 16) mit vorgegebenem Abstand (D) nebeneinander liegen.

7. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Gestalt einer ebenen Verteilertafel aufweist, und daß zur Anschlußverbindung der Signalleiter (15, 16) die Isolierschichtstruktur durchdringende metallische plattierte Bohrungen (17) vorgesehen sind und daß diese Plattierung mit wenigstens einer Signalleitung verbunden ist.

8. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem t>o Stapel, der aus mehreren Isolierschichten besteht, gebildet wird, und daß in dem Stapel in stetiger Folge jeweils a'uf einer Isolierschicht mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante (ε_Γ) eine Isolierschicht mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante (ε_r) liegt (F ig. 3).

9. Verfahren zur Herstellung einer Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der mittleren Isolierschicht (14) an beiden Oberflächen mit einem Kupferüberzug beschichtet wird, daß in diese Kupferschichten die X- und y-Signalleitungen (15, 16) nach bekannten Verfahren geätzt werden, daß anschließend diese mittlere, die Signalleitungen tragende Isolierschicht (14) beidseitig mit der oberen und der unteren Isolierschicht (10, 12) durch die Einwirkung von Hitze und Druck fest verbunden wird und daß dann die Oberfläche der Isolierschichtstruktur mit dem die Masse bildenden Kupferbelag beschichtet werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Isolierschichten (10, 12) jeweils an beiden Oberflächen mit einem Kupferüberzug beschichtet werden, daß jeweils in eine Kupferschicht dieser Isolierschichten entweder die X- oder die y-Signalleiter (15, 16) nach bekannten Verfahren geätzt werden, daß dann die die Signalleiter (15, 16) tragenden Seiten der äußeren Isolierschichten (10,12) mit der mittleren Isolierschicht (14) zu einem Stapel vereinigt und durch die Einwirkung von Hitze und Druck fest miteinander verbunden werden.