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Mehrschichtige gedruckte Leiterplatte und Verfahren
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zu ihrer Auslegung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung
von elektrisch leitenden Schichten eines mehrschichtigen flächigen Basismaterials
zur Herstellung von gedruckten Schaltungen.
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Als Folge der Miniaturisierung in der Elektronik und der Forderung
nach komplexeren und schnelleren Schaltungen werden an die Verdrahtungs- und Verbindungstechnik
neue Forderungen topologischer Art gestellt. Kompakte Bauweise, kUrzere Verbindungen
für schnelle Signale, hohe Vermaschung (meshed circuit) und grösserer Leiterguerschnitt,
um eine gesättigte Stromversorgung zu gewthrleisten, kreuzungsfreie Leiterzug und
wegen der hohen Packungsdichte eine bessere Verteilung der Verlustwärme über die
metallischen Leiter sind Forderungen, die immer schwerer zu erfüllen sind und die
zuletzt nur durch Ausweichen auf zusätzliche Leiterebenen befriedigend gelöst werden
können.
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So ist eine derartige Lösung bekannt, bei der die elektrische Stromzuführung
sowie die Stromsenke, zum Beispiel die Erde, über Sammelschienen geführt werden,
welche räumlich über der Leiterbahnebene angebracht sind, wobei die Stützen dieser
Sammeischienen direkt als elektrische Kontakte benützt werden. Solche Stromversorgungsschienen
sind als fertiges Element in verschiedener Variation erhältlich und bilden wegen
ihrer, som Hersteller bestimmten Dimensionierung, das dominierende Xonstruktionselement,
nach dem sich die Konstruktion einer gedruckten Schaltung ausrichtet.
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Diese Einschränkung führt zwangsläufig zu Kompromissen in der Auslegung
der Schaltung. Eine einwandfreie Schutzlackierung, wie sie zum Beispiel nach den
amerikanischen MIL-Normen gefordert wird, ist bei der Verwendung von Stromversorgungsschienen
nicht möglich. Eine elektrisch günstige Vermaschung ist nur durch zusätzliches Anbringen
von Leiterdrähten zu erreichen.
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Es ist weiterhin bekannt, diese zusätzlichen Leiterebenen in das Innere
des Basismaterials zu verlegen und durch spezielle Bohrungen diese inneren Ebenen
untereinander und mit den schaltungstragenden äusseren Ebenen zu verbinden. Solcherart
mehrschichtige Leiterplatten enthalten also ausser den beiden elektrisch leitenden
äusseren Verdrahtungs- oder Schaltungsbildern auch eine bis mehrere innere, durch
ein Dielektrikum getrennte Verdrahtungs- oder Schaltungsbilder, die in einer durch
ihre vorgesehene Anwendung genau bestimmten Lage zueinander und zu den beiden äusseren
elektrisch leitenden Schichten angeordnet sind. Dieses Aufteilen der Verdrahtung
einer gesamten Schaltung in verschiedene Ebenen, die funktionell untereinander wirksam
sein sollen, erfordert vom Layout bis zur Realisierung einen sehr hohen Aufwand,
der im Stand der Technik dieses Gebietes immer wieder hervorgehoben wird.
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Eine solcherart fertiggestellte mehrschichtige Leiterplatte ist jedoch
nur noch für eine einzige, wenn auch zum Teil sehr komplexe, elektrische Schaltungsfunktion
verwendbar, Modifikationen sind nachträglich nur schwer möglich, ebenso Reparaturen
an der inneren Verdrahtung.
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Um diesem Aufwand zu begegnen, wurden in weiteren bekannten, nachfolgend
beschriebenen Lösungen eine Vereinheitlichung der Leiterbilder durch symmetrische
Muster oder Universal-Leiterbilder angestrebt, bei deren Anwendung auf eine möglichst
grosse Vielzahl von Schaltungsfunktionen nur noch geringe Modifikationen nötig sind,
um sie dann bei nachfolgender Schichtung mit Hilfe elektrischer Anschlüsse funktionell
untereinander zu verbinden. Diese Modifikationen werden entweder direkt an dem auf
einer Zwischenlage aufgebrachten Muster, durch Trennen von Verbindungen, vorgenommen
oder sie werden auf einer Leitungsführungsvorlage bzw. dem Filmmaterial ausgeführt.
Dies ist ein viel geringerer Arbeitsaufwand als das jeweilige Neuzeichnen der benötigten
Verdrahtungsebenen.
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Es ist beispielsweise aus der DE-A-1926590 eine Lösung bekannt, bei
der die einzelnen Isolierplatten oder Folien, welche beim Zusammenbeu zu einer Art
mehrschichtigen Leiter platte die inneren Ebenen bilden, mit einem aus einer sich
wiederholenden gleichartigen Anordnung von Anschlusspunkten und Verbindungsleitern
gebildete#n Universalraster bedruckt sind. Die universelle Verwendung des gezeigten
Rasters beruht darauf, dass es möglich ist, eine praktisch beliebige Auswahl der
metallisierten Flächen zu isolieren, oder anders ausgedrückt, durch Unterbrechen
einzelner Leiter nur ausgewählt Flächen untereinander zu verbinden. Damit werden
diese Universalraster vor dem Zusammenbau zu einer mehrschichtigen Leiterplatte
auf die zu realisierende Schaltung konditioniert, dies mit dem schon erwähnten geringeren
Arbeitsaufwand. Das fertiggestellte Basismaterial, also die mehrschichtige
Leiterplatte,
ist für eine dichte Anordnung von elektrischen Komponenten nicht geeignet, da für
jeden Anschluss ein vertikal verbindender Stift benötigt wird, sie ist auch nur
noch für diese einzige vorgesehene Schaltung verwendbar.
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Eine weitere, beispielsweise aus der DE-A-2629303 bekannte Lösung
nennt ein universelles Layoutverfahren, bei dem die Leitungsführungsvorlage, das
ist ein vergrössertes Layout oder eine Zeichnung eines gedruckten Leitermusters,
welches auf fotografischem Weg zur Bildung eines "Werkzeugoriginals " verkleinert
wird, als spezielles Muster für eine bestimmte Art von Schaltungskarte oder als
universelles Muster für viele Schaltungskartenarten ausgelegt ist. Die erforderlichen
Aenderungen zur Bildung einer speziellen Leitungsführungsvorlage eines Schaltungsmusters
sind von einem relativ geringen Ausmass im Vergleich zu dem Zeichnungsaufwand, der
zur Herstellung einer vollständigen Leiterführungsvorlage erforderlich ist. Damit
werden die Universalraster der Innenebenen ebenfalls auf nur eine vorgesehene Schaltung
konditioniert, so dass das fertiggestellte Basismaterial, die mehrschichtige Leiterplatte,
auch in diesem Fall nur für eine enge Anwendung, nämlich für eine einzige Schaltung
verwendbar ist. Diese Lehre zeigt also ein universelles-Layoutverfahren, bei dem
die universell verwendbaren Druckvorlagen nach der Funktion der zu realisierenden
Schaltung abgeändert werden. In der zitierten DE-A-2629303 wird unter anderem angegeben:
die Anwendung von universellen Schaltungen, vorgefertigt und als zusammengebaute
Einheit getestet, für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten ohne die Notwendigkeit,
rechnerische oder empirische Entwurfsarbeit leisten zu müssen, befreit den Schaltungskartenentwerfer
von der sehr umfangreichen Aufgabe, die normalerweise mit der Schaffung von speziellen
Mehrschichtkarten verbunden ist. Aus den vorangehenden Ausführungen ist jedoch zu
erkennen, dass diese
Aussage nicht zutrifft: die Platten sind in
der Tat nicht universell anwendbar.Sie sind zwar für gewisse dafür vorgesehene Arten
von einander ähnlichen Schaltungen ohne Aenderung, für andere Schaltungen jedoch
nicht ohne Aenderung verwendbar, das heisst, für beliebige Schaltungen ist eine
solche vorgefertigte Einheit nicht anwendbar und daher nicht universell.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, e#in ohne Aenderung
universell anwendbares, vorfabriziertes und damit ab Lager beziehbares Basismaterial
zu schaffen, zur Herstellung von ein- und zweiseitigen gedruckten Schaltungen im
Additiv-oder Subtraktivverfahren oder Multiwire-Verfahren, das mit mindestens zwei
Zwischenebenen eines elektrisch leitenden Flächengitters versehen ist, welche nach
Bedarf zur Signalführung, Stromversorgung, Abschirmung, Wärmeleiter und/oder Wärmeverteiler
verwendet werden können, und das durch die geometrische Ausbildung dieser inneren
Schichten einen beliebigen Zuschnitt der Plattendimension oder des Plattenformats
erlaubt.
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Damit soll ein mehrschichtiges Basismaterial zur Verfügung stehen,
das bezüglich der konstruktiven Freiheiten annähernd wie ein übliches Basismaterial
ohne Zwischenschichten zur Herstellung von ein- und zweiseitigen Leiterplatten verwendet
werden kann. Da durch die eingebetteten Flächengitter zum Beispiel die Stromversorgung
oder Abschirmung nicht mehr auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordnet werden
muss, steht diese vollumfänglich der Leiterführung der vorgesehenen Schaltung zur
Verfügung. Dadurch ist eine intensive Flächennutzung möglich. Die konstruktiven
Freiheiten zur Ausführung einer gegebenen Schaltung, also die Plazierung der Bauelemente
mit der nötigen Leiterführung zu denselben, sollen möglichst gross sein, das heisst,
es sollen viele Stellen für Anschlussbohrungen zu den Innenebenen sowie Durchstiegsbohrungen
von der
einen zur anderen.äusseren Schaltungsebene systematisch
und möglichst dicht über die gesamte Nutzfläche der Leiterplatte verteilt sein,
wobei die Durchstiegsbohrungen die inneren Schichten nicht kontaktieren sollen.
Der durch die gegebenen geometrischen Verhältnisse und durch die weitverbreitete
Normierung der elektrischen Bauelemente aufgezwungene Kompromiss bei der üblichen
Auslegung einer Schaltung soll auf diese Weise umgangen werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
angegebene Erfindung gelöst.
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Bei dem nach dieser Erfindung hergestellten Basismaterial lässt sich
eine beliebige Anzahl von Anschlussbohrungen an die elektrisch leitenden Muster
und Durchstiegsbohrungen durch den Raster über das ganze Basismaterial realisieren.
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Da der eingebettete Raster sich zweidimensional fortsetzt, in der
Abstraktion auch über das Basismaterial hinaus, kann man eine solche mehrschichtige
Leiterplatte beliebig dimensionieren. Die konstruktiven Freiheiten zur Ausführung
einer gegebenen Schaltung sind gross, man ist lediglich durch einen Anschlussplan,
der die Topologie des eingebetteten Rasters nach aussen vermittelt, in der Wahl
der Anschluss- oder Durchstiegsstellen eingeschränkt. Im Sinne der Erfindung erlauben
die gebotenen konstruktiven Freiheiten, dass bei der Auslegung einer beliebigen
Schaltung keine konstruktiven Kompromisse wegen dem eingebetteten Raster eingegangen
werden müssen.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem ausgewählten Flächen gitter.
Ein Element M des Flächengitters ist hervorgehoben Fig. 2 zeigt in räumlicher Darstellung
einen Raster, welcher in einer ersten Ebene einen Ausschnitt aus einem Flächengitter
wie in Fig. 1 abgebildet und in einer zweiten, dazu versetzten Ebene einen weiteren
Ausschnitt aus demselben Flächengitter aufweist.
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Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des Flächengitters, wie in Fig. 1 abgebildet,
jedoch in einer anderen Dimension.
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Fig. 4 zeigt einen Raster, welcher aus drei versetzten, übereinanderliegenden
Ebenen des in Fig. 3 dargestellten Flächengitters aufgebaut ist.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Flächengitter.
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Fig. 6 zeigt einen Raster aus Flächengittern der Fig. 5 gebildet.
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Fig. 7 zeigt ein hexagonales Flächengitter mit den Stegen 5 in drei
Richtungen H1 , H2 und H3.
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I Fig. 8 zeigt ein weiteres hexagonales Flächengitter.
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Das elektrisch leitende Flächengitter in Fig. 1 ist als Zusammenstellung
von 4 gleichen Elementen M dargestellt, die in beiden Richtungen der Ebene beliebig
weit fortgesetzt werden kann. Ein Element M des Flächengitters ist hervorgehoben.
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Die Abstände der elektrisch leitenden Stege S in x- und y-Richtung
betragen |EI.In InFig. 2 wird je ein Flächengitter in einer unteren Ebene a und
einer oberen Ebene b verwendet, derart, dass diese Flächengitter in x- sowie in
y-Richtung,
dies ist auch die Richtung der elektrisch leitenden
Stege S, um jeweils EI/2 gegeneinander verschoben sind. Bei zwei Schichten ist es
an und für sich bedeutungslos, welches der beiden Flächengitter bei der gedachten
Verschiebung koordinatenfest bleibt, in diesem und den folgenden Beispielen soll
jeweils das unterste Flächengitter a koordinatenfest sein.
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In der dargestellten Ausführungsform liegen diese beiden Flächengitter,
durch eine Isolierschicht voneinander getrennt, in einem Dielektrikum eingebettet,
und sie sind nur durch entsprechende Bohrungen von aussen erreichbar; Man kann in
Fig. 2 nun sehen, dass mittels Anschlussbohrungen das Flächengitter a durch die
Zwischenräume im Flächengitter b und umgekehrt das Flächengitter b durch die Zwischenräume
im Flächengitter a erreicht werden kann, ohne das andere Flächengitter zu kontaktieren.
Die beiden Flächengitter bilden in dieser Anordnung einen Raster der möglichen Anschlussbohrungen
für die stromleitenden Ebenen a und b. Zudem sind an den Stellen O Durchstiegsbohrungen
möglich, an denen keines der beiden Flächengitter kontaktiert wird.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen das systematische Vorgehen für den Aufbau
eines 3-schichtigen Rasters. Die elektrisch leitenden Stege der einzelnen Flächengitter
haben wieder einen allgemeinen Abstand von IEI, die Verschiebung zweier benachbarter
Flächengitter beträgt nun 131mol in den beiden Richtungen der elektrisch leitenden
Stege. Die gegenseitige Versetzung der drei Flächengitter ist jedoch derart, dass
die Verschiebungen benachbarter Flächengitter als aufeinanderfolgend gedacht werden
und dass ausgehend vom untersten koordinatenfesten Flächengitter a jede Verschiebung
eines Flächengitters b und c additiv zur vorangehenden steht. Man erkennt nun wiederum
die Möglichkeiten zur Realisierung von Anschlussbohrungen
zu allen
drei elektrisch leitenden Schichten a, b und c sowie die Stellen für die Durchstiegsbohrungen
0 beispielsweise zum Verbinden der beiden äusseren Schaltungsebenen, ohne die inneren
stromleitenden Flächengitter zu kontaktieren. In konsequenter analoger Weiterführung
des Vorgehens lässt sich auf diese Weise ein N-schichtiger Raster aufbauen.
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Die Figur 5 zeigt in der Aufsicht ein Flächengitter mit den Stellen
für die Durchstiegsbohrungen 0 und die Anschlussbohrungen P. Die elektrisch leitenden
Stege S sind schraffiert ausgeführt. Mit diesem Flächengitter wird der'in Figur
6 dargestellte Raster ausgebildet. Zur besseren Darstellung sind die aufeinandergelegten
Flächengitter a und b verschieden schraffiert; die Stellen für die Durchstiegsbohrungen
O und die Anschlussbohrungen #Pa und Pb ergeben den diesem Raster zugehörenden Bohrplan.
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Figur 7 zeigt ein hexagonales Flächengitter mit den elektrisch leitenden
Stegen S in den 3 Richtungen H1 , H2 und H3 sowie den Abständen zwischen zwei parallelen
Stegen i#li D und IE2L lr31, entsprechend den angegebenen Richtungen H. Die Verschiebung
erfolgt auch hier in allen Richtungen der Stege, beispielsweise bei einem 2-schichtigen
Raster um die halbe Länge des Abstandvektors gEil multipliziert mit einem dem hexagonalen
System zugehörenden Geometriefaktor. Figur 8 zeigt eine andere Ausführung eines
hexagonalen Flächengitters.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, beträgt die gegenseitige Verschiebung
benachbarter Flächengitter in einem N-schichtigen Raster
wobei k ein Geometriefaktor ist, der für orthogonale Flächengitter den Wert k=l
und für hexagonale Flächengitter den Wert k I 2 a hat.