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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, wobei auf zwei Aussenebenen und mindestens
zwei Zwischenebenen des Basismaterials je eine leitende Schicht anyeordnet ist und
die leitenden Schichten durch Isolierschichten getrennt werden.
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Die Auslegung innenliegender, elektrisch leitender Schichten in einem
flächigen Basismaterial, als eine Art Universalverr fahren, findet man beispielsweise
in der DE-A-1926590 beschrieben, bei dem die einzelnen Isolierplatten oder Folien,
welche beim Zusammenbau zu einer Art mehrschichtiger Leiterplatte die inneren Ebenen
bilden, mit einem aus einer sich wiederholenden gleichartigen Anordnung von Anschlusspunkten
und Verbindungsleitern gebildeten 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 ausgewählte Fläcn#en
untereinander zu verbinden. Damit werden diese Universalraster vor dem Zusammenbau
zu einer mehrschichtigen Leiterplatte auf die zu realisierende Schaltung konditioniert,
dies mit einem wesentlich geringeren Arbeitsaufwand als es bei einer Neuanfertigung
des entsprechenden Leiterbildes nötig wäre. Das fertiggestellte Basismaterial, also
die mehrschichtige Leiterplatte, ist für eine dichte Anordnung von elektrischen
Komponenten nicht geeignet, da für jeden Anschluss ein durch die Schichten hindurch
verbindender Stift benötigt wird; sie ist auch nur noch für diese einzige vorgesehene
Schaltung verwendbar.
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Ein Layoutverfahren in dem universelle Leiterbilder Anwendung finden
ist beispielsweise aus der DE-A-2629303 bekannt, bei dem die Leitungsführungsvorlage,
das ist ein vergrössertes Layout oder eine Zeichnung eines gedruckten Leitermusters,
welches auf fotographischem 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 Leitungsführungsvorlage erforderlich ist. Damit
werden die Universalraster der Innenebenen ebenfalls auf nur eine vorgesehene Schaltung
konditioniert, sodass 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.
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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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Obwohl diese Layoutverfahren, die zum Teil symmetrische Raster als
universelle Leiterbilder verwenden um den Aufwand der Auslegung von Leiterbahnen
zu verkleinern, schon ein sehr rationelles Vorgehen darstellen, ist das Endprodukt,
die mehrschichtige Leiterplatte, nur eng problemorientiert verwendbar. Eine Lagerhaltung
hängt von den gebrauchten Stückzahlen der diesen vorgefertigten Leiterplatten zugehörigen
Schaltung ab; zwischen Bedarf und Nachlieferung, bei verhältnismässig kleinen Aenderungen
in der Schaltung, liegt der ganze Fabrikationsvorgang. Das Arbeiten mit mehrschichtigen
Leiterplatten birgt immer noch eine in sich gegebene Schwerfälligkeit.
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Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein ohne Aenderung universell
anwendbares, vorfabriziertes und damit ab Lager beziehbares Basismaterial zu schaffen,
zur Herstellung von ein-oder zweiseitigen gedruckten Schaltungen, im Additiv- oder
Subtraktivverfahren oder Multiwire-Verfahren mit mindestens zwei Zwischenebenen
eines elektrisch leitenden Flächengitters, welche nach Bedarf zur Stromversorgung,
Abschirmung, W&rmeleiter und/oder Wärmeverteiler verwendet werden können,
Damit
soll ein mehrschichtiges Basismaterial zur Verfügung stehen, das bezüglich der konstruktiven
Freiheit 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 Leiterführiang zu
denselben, sollen möglichst gross sein, das heisst, es sollen viele Stellen für
Anschlussbohrungen zu den Innenebenen sowie Zonen für die Durchstiegsbohrungen von
der einen zur anderen äusseren Schaltungsebene systematisch und möglichst dicht
über die gesamte Nutzfläche der Leiterplatte verteilt sein, wobei die Zonen für
die Durchstiegsbohrungen im Verhältnis zur elektrisch leitenden Fläche so gross
wie möglich gehalten werden soll, damit elektrische Komponenten beliebiger Kontaktdurchmesser
und Kontaktformen verwendet werden können. 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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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches
angegebene Erfindung gelöst.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Die Dimensionierung der Leiter flächen, das heisst ihre Abstände
zueinander sowie die Abstände der Querverbindungen, zum Zweck einer elektrischen
Vermaschung, ist im Prinzip frei wählbar. Wegen der weitverbreiteten Normierung
der elektrischen Bauelemente, wird eine Ausführungsform auf den am meisten verwendeten
Massstab, den Zehntelzollraster bezogen. In allen Figuren werden gleiche Begriffe,
wie beispielsweise Ebene oder Anschlussstelle, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt ein Flächengitter mit freier Dimensionierung Fig. 2 zeigt
drei wie in Figur 1 abgebildete Flächengitter funktionell übereinandergelegt.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres, speziell auf Dual-In-Linie (PILZ Gehäuse
abgestimmtes Flächengitter.
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Fig. 4 zeigt zwei wie in Figur 3 abgebildete Flächengitter funktionell
übereinandergelegt.
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Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere Möglichkeiten, wie zwei wie in Figur
3 dargestellte Flächengitter funktionell zueinander angeordnet werden können.
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Fig. 7 und Fig. 8 zeigen verschiedene, aus drei wie in Figur 3 dargestellte
Flächengittern gebildete Raster.
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In Figur 1 wird eine frei dimensionierte Ausführungsform von funktionell
zusammenwirkenden Flächengittern dargestellt. Die Leiterstege S sind äquidistant
quer zu ihrer Richtung mit n stromleitenden Verbindungsstegen, den Maschenstegen
Sm, unten einander verbunden, das heisst, sie sind elektrisch vermascht (meshed
circuit). Die Abstände der Anschlusspunkte P können nach den Massstäben eines beliebigen
Rasters ausgewählt
werden, die Dimensionierung der leiterfreien
Zonen für die Durchstiegsbohrungen von der einen äusseren Schaltungsebene zur andern,
die Durchstiegszonen Oz, ergibt sich aus dem Abstand der stromleitenden Stege 5
mit der Richtung n, bezien hungsweise dem Leiterabstand E und dem Abstand der quer
n dazu verlaufenden Verbindungsstege mit der Richtung m, beziehungsweise dem Maschenabstand
E . In Figur 2 erkennt man m drei, wie in Figur 1 dargestellte Flächengitter in
den Ebenen a, b und c funktionell übereinander angeordet um beispielsweise einen
Stromversorgungsraster für +15V/OV/-15V zu bilden. Zum Zwecke der besseren Darstellung,
sind die Anschlussstellen zweier Flächengitter verschieden ausgerastert. Die aktiven
elektrischen Bauelemente können nun so plaziert werden, dass die Stromversorgungsanschlüsse
in der Nähe von den über die ganze Nutzfläche verteilten, den einzelnen Flächengittern
angehörenden Stellen für Anschlussbohrungen Pa, Pb und P an den Stromversorgungsraster
angeordnet sind. Da in c dieser Anordnung die Verbindungsstege 5 deckungsgleich
überm einanderliegen und durch eine Anschlussbohrung kurzgeschlossen würden, sind
an den kritischen Stellen, hier die Kreuzungspunkte, keine Anschlussstellen oder
Lötaugen vorgesehen.
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In der dargestellten Ausführungsform liegen diese drei Flächengitter,
durch eine Isolierschicht voneinander getrennt, in einem Dielektrikum eingebettet,
und sind nur durch entsprechende Bohrungen von aussen erreichbar.
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Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform von funktionell zusammenwirkenden
Flächengittern mit Maschenstegen. Die schwarzen Flächenteile stellen eine stromleitende
Beschichtung mit Stellen für Anschlussbohrungen P dar, die weissen Flächenteile
tragen keine stromleitende Beschichtung. Die Dimensionierung ist gemäss dem gewählten
Beispiel nach dem Zehntelzoll-Raster und hier beispielsweise für DIL-Gehäuse mit
16 Anschlüssen ausgelegt. Man erkennt die Stellen für die Anschlussbohrungen P und
die stromleitungsfreien Zonen Oz für die Durchstiegsbohrungen. In den stromleitenden
Stegen sind weitere Stellen O für die Durchstiegsbohrungen angebracht,
damit
soll eine Variante mit grösserem Leiterquerschnitt gezeigt werden, ohne an Fläche
für die Durchstiege einzubüssen. Werden zwei dieser Flächengitter zu einer funktionellen
Einheit übereinandergelegt, so entsteht zum Beispiel der in Figur 4 abgebildete
Raster. Zum Zwecke der besseren Darstellung, sind die stromleitende Stege eines
Flächengitters ausgerastert gezeichnet. Man erkennt, wie die zur längeren Kante
der Durchstiegszonen Oz parallel verlaufenden Leitungsstege einen Abstand von drei
mal Einzehntelzoll aufweisen, das ist der Abstand der in zwei parallelen Reihen
verlaufenden Anschlüsse eines DIL Bauelements. In gleichmässigen Abständen, die
auf ein DIL-Gehäuse mit 16 Anschlüssen abgestimmt sind, verlaufen quer dazu die
Vermaschungsstege, derart, dass sie in diesem Raster deckungsgleich aufeinander
liegen. An die voneinander isolierten, stromleitenden Ebenen a und b werden die
gewünschten Potentiale angelegt und durch Anschlussbohrungen von den zur Längsseite
der Durchstiegszonen 0 parallel verlaufenden Stegen abgegriffen. Zwischen zwei benachbarten
Stegen liegt die auf den Raster aufgebrachte Potentialdifferenz zur Stromversogung
oder der Potentialabgriff der elektrischen Komponenten. Die Anschlussstellen an
den sich deckenden Vermaschungsstegen in Richtung m, können wegen Kurzschlussbildung
nicht benützt werden, hingegen kann man die gemeinsamen Durchstiegsstellen ausnützen.
Die Stromversorgung einer mehrschichtigen Leiterplatte, die als innere Ebenen einen
wie beispielsweise in Figur 4 abgebildeten Stromversorgungsraster enthält, erlaubt
eine maximale Bestückungsdichte von 44 elektrischen Komponenten in DIL-Gehäusen
mit 16 Anschlüssen. Diese dichte Bestückung ist auf einem ab Lager beziehbaren Basismaterial
möglich, ohne konstruktive Veränderungen anbringen zu müssen.
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Zwei weitere Möglichkeiten, in Abwandlung des in Figur 4 gezeigten
Rasters, sind die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Anordnungen von zwei Flächengittern.
Diese Varianten sind nützlich, wenn beispielsweise die wie in Figur 5 dargestellten,
besonders
grossen Durchstiegszonen benötigt werden, was bei Schaltungen mit vielen Analogbausteinen
oft der Fall ist, oder wenn möglichst viele Anschlussstellen an den Raster und viele
Durchstiegszonen vorhanden sein sollen, wie es beispielsweise in Figur 6 dargestellt
ist. In diesen beiden Ausführungen sind die Raster natürlich nicht mehr optimal
auf 16-Pin-DIL Gehäuse abgestimmt, sie zeigen aber die Variationsmöglichkeiten,
die es erlauben in die Nähe der optimalen Auslegung von speziellen Normgruppen zu
kommen. Jeder dieser, aus zwei Flächengittern gebildete Raster ist jedoch schaltungstechnisch
universell verwendbar, da sich Anschlussbohrungen an den Raster und Durchstiegsbohrungen
in den Durchstiegszonen gleichmässig über die ganze Nutzfläche anbringen lassen.
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In den Figuren 7 und 8 erkennt man drei der in Figur 3 dargestellten
Flächengitter funktionell übereinander angeordnet und so zu einem 3-schichtigen
Raster ausgebildet. Zur besseren Darstellung sind zwei von den drei Flächengittern
verschieden stark ausgerastert. Wieder bestehen mehrere Möglichkeiten die Flächengitter
anzuordnen, zwei davon sind hier dargestellt. Der Raster in Figur 7 enthält noch
Durchstiegszonen Oz, beim Raster in Figur 8 sind, bei dieser Anordnung und der Dimensionierung
des gewählten Flächengitters grössere Durchstiegszonen nicht mehr möglich, jedoch
sind die Stellen für Anschlussbohrungen an den Raster und die in den stromleitenden
Stegen enthaltenen Stellen O für die Durchstiegsbohrungen gleichmässig über die
gesamte Nutzfläche des Basismaterials verteilt. Während bei der Anordnung in Figur
7 ein viertes Flächengitter einen ähnlichen Raster wie der in Figur 8 abgebildete
ergeben würde, allerdings mit vier funktionellen Ebenen, kann in der Anordnung von
Figur 8, ohne die Dimension der verwendeten Flächengitter zu ändern, kein weiteres
Flächengitter mehr zugeordnet werden.
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Prinzipiell ist es möglich, bei entsprechender Dimensionierung der
verwendeten Flächengitter einen N-schichtigen Raster mit
oder ohne
Durchstiegszonen aufzubauen. So kann für diverse Anwendungsgebiete, zum Beispiel
Digitaltechnik mit vorwiegend normierten integrierten Schaltungen, Analogtechnik
mit gemischtnormierten Bauteilen oder freier Diskretaufbau, ein universell anwendbares
Basismaterial anwendungsorientiert vorfabriziert werden. Ein Raster, wie er zum
Beispiel in Figur 8 dargestellt ist, und nach Bedarf auf N Schichten erweitert,
ist nicht nur für DIL-Gehäuse verwendbar, sondern für alle Typen von Schaltungsaufbau.