DE4020498A1 - Verbessertes verfahren zur herstellung von leiterplatten nach dem drahtschreibeverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mehr­ ebenen-Drahtschaltungen, die eine innere Leiterzugebene aufweisen, deren Leiterzüge ohne Verwendung von durchplattierten Löchern mit der Außenwelt verbunden bzw. in Anschlußstellen auf der Oberfläche inte­ griert werden können, sowie die Anwendung dieses Verfahrens zur fabri­ kationsmäßigen Herstellung derartiger Schaltungen. Insbesondere be­ trifft die Erfindung nach dem Drahtschreibeverfahren hergestellte Lei­ terzugnetze mit neuartigen Verbindungen der Leiterzüge zu Kontaktstel­ len an der Oberfläche.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht nicht nur die Her­ stellung von Leiterplatten mit hoher und extrem hoher Leiterzugdichte, sondern gleichzeitig wird der zur Bauteilmontage und für die Verlegung von Leiterzügen zur Verfügung stehende Prozentsatz der Oberfläche we­ sentlich vergrößert.

Gedruckte Schaltungen werden seit langer Zeit zum Verbinden von elektronischen Bauteilen verwendet. Die stark zunehmende Komplexität der Bauelemente und Dichte der zu und von ihnen führenden Anschlüsse machte die Verwendung von gedruckten Vielebenen-Schaltungen mit schnell steigender Lagenzahl notwendig. Diese sogenannten Multilayer- Schaltungen müssen für Signale mit geringen Pulsbreiten und hoher Ge­ schwindigkeit ausgelegt werden und vorgegebene Impedanzwerte auf­ weisen, um die einwandfreie Übertragung derartiger Signale zu ermög­ lichen. Hierfür müssen in der Regel die Leiterzüge als Mikrostrip- Leitungen ausgelegt werden.

Eine typische gedruckte Schaltung nach diesem Konzept weist zwei innere Leiterzugebenen zur Abschirmung und Stromversorgung auf, die in der Regel auf kupferkaschiertem Material hergestellt werden, sowie zwei Signal-Leiterzugebenen, die von der Abschirm- bzw. der Stromversorgungsebene in definiertem Abstand mit Zwischenlagen aus Isoliermaterial angeordnet sind.

Die "Stripline"-Konfiguration wird verwendet, wenn eine Mehr­ zahl von Signalen hoher Frequenz bzw. geringer Impulsbreite erforder­ lich sind, die in zwei Leiterzugebenen untergebracht werden können. In der "Stripline"-Konfiguration wird jede Signalebene im gleichen Ab­ stand zu zwei parallelen Abschirmebenen angeordnet.

VLSI (Very Large Scale Integrated circuits) für Oberflächen­ montage ermöglichen die wesentlich engere Anordnung der Bauelemente im Vergleich zu solchen mit Lötfahnen, die mittels durchplattierter Loch­ verbindungen montiert werden. Eine hohe Bauteildichte ermöglicht kurze Leiterzugverbindungen zwischen diesen, was wiederum eine wesentliche Voraussetzung für die unverzerrte Signalübertragung ist.

In Vielebenen-Schaltungen werden die Signalleiter häufig im Raster in Paaren von Leiterzugebenen angeordnet, wobei die Leiterzüge in jeder Ebene parallel zu- und im gleichen Abstand voneinander ange­ ordnet sind und in benachbarten Leiterzugebenen im rechten Winkel zu­ einander verlaufen. Verbindungen zwischen Leitern in verschiedenen Ebenen werden mittels durchplattierter Lochverbindungen hergestellt.

Um Leiterzugverbindungen zwischen einzelnen Anschlußpunkten herzustellen, wird die Signalleitung vom Leiterzug in einer Ebene durch die zugeordnete durchplattierte Lochverbindung zu einem Leiter­ zug in einer anderen Ebene geführt, in der die Leiterzüge orthogonal verlaufen, um so eine Richtungsänderung zu bewirken. In der Regel ist ein solcher Wechsel von einer Leiterzugebene zu einer anderen für eine Signalleitung mehr als einmal erforderlich.

Durchplattierte Lochverbindungen benötigen im Inneren und auf der Oberfläche von Leiterplatten Raum, der folglich nicht für Leiter­ züge zur Verfügung steht, was die Leiterzugdichte pro Ebene wesentlich reduziert. Das wiederum bewirkt, daß mehrere Wechsel von einer zu einer anderen Leiterzugebene für die Verbindung von zwei Anschlußpunk­ ten erforderlich werden. Ein weiteres Problem bei der signalgetreuen Übertragung besteht darin, daß jede durchplattierte Lochverbindung eine Kapazität von etwa 0,5 bis 1,2 Picofarad aufweist.

Das Drahtschreibeverfahren wurde zum ersten Mal in den US-A­ 36 74 602 und 40 97 684 beschrieben. Hierbei wird vorgeformter, iso­ lierter Leiterdraht benutzt, so daß sich Leiterzugdrähte in gleichen Ebenen kreuzen können. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen durchplattierten Lochverbindungen drastisch reduziert und gleichzeitig der für Leiterzüge zur Verfügung stehende Raum wesentlich vergrößert.

Zur Verbindung von Drahtleiterzügen mit der Außenwelt und mit Bauelementen werden entsprechend US-A-40 97 684 durchplattierte Loch­ verbindungen verwendet.

Bei nach dem Drahtschreibeverfahren hergestellten Leiterzug­ netzwerken werden an Kreuzungspunkten keine durchplattierten Lochver­ bindungen benötigt. Die Kapazität von Drahtleiterzug-Kreuzungspunkten liegt unter 0,03 Picofarad und ist damit wesentlich geringer als jene der von zum Übergang von einer Ebene zur anderen erforderlichen durch­ plattierten Lochverbindungen bei gedruckten Leiterplatten.

Bei drahtgeschriebenen Schaltungen der oben beschriebenen Art werden durchplattierte Lochverbindungen nur für die Montage elektro­ nischer Bauteile benutzt. Diese Schaltungen zeichnen sich durch im Vergleich zu nach Art gedruckter Schaltungen hergestellten Leiterplat­ ten durch wesentlich höhere Leiterzugdichten aus und sind insbesondere für die Verwendung mit Dual-in-Line-Bauelementen und anderen, in durchplattierten Löchern montierten Baulemenenten geeignet.

In den Patenten US-A-45 00 389, 45 41 882 und 45 44 442 wird ein Verfahren zur Herstellung von drahtgeschriebenen Schaltungsplatten mit wesentlich größerer Leiterzugdichte beschrieben, die sich beson­ ders für die Verwendung mit Oberflächen-montierten Baulemenenten (SMD) eignen. Das Leiterzugmuster auf der Oberfläche der Leiterplatte be­ sitzt Anschlußflächen zur Verbindung mit Bauteilen sowie kurze Leiter­ züge zwischen den Anschlußflächen und lasergebohrten Sacklöchern rela­ tiv geringen Durchmessers mit metallisierten Wandungen. Die Sacklöcher reichen von der Oberfläche zur Draht-Signalleiterebene. Der geringe Durchmesser dieser Lochverbindungen und deren Ausbildung als Sack­ löcher verringert ihren Raumbedarf wesentlich und ermöglicht so eine weitere Erhöhung der Leiterzugdichte pro Flächen- bzw. Raumeinheit.

Mach den oben genannten US-Patenten hergestellte Schaltungs­ platten weisen die bisher höchste, auf dem Markt erhältliche Leiter­ zugdichte von ca. 125 cm Leiterzug pro cm² Leiterzugebene auf.

Definitionen von Fachausdrücken: "Leiterzugnetz" bezeichnet ein Leiternetzwerk mit mindestens einem Teil zur Signalübertragung, beispielsweise bestehend aus einem oder mehreren elektrischen oder optischen Leitern oder beiden. Der leitfähige Teil des Leiterzugs kann einen isolierenden Überzug und/oder einen aktivierbaren Haftvermittlerüberzug aufweisen, wobei letzterer dazu dient, den Leiterzug auf der Trägeroberfläche zu veran­ kern. Beispielsweise kann der Leiterzug ein isolierter Leiter aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,4 bis 3 mm oder ein optischer Faserleiter sein.

"Kreuzungen" bezeichnen Stellen, an denen zwei oder mehrere Draht- oder Faserleiter sich in der gleichen Leiterzugebene in einem gemeinsamen XY-Koordinatensystem kreuzen, so daß sie in der Z-Achse wenigstens um annähernd einen Leiterzugdraht-Durchmesser gegeneinander verschoben sind.

"Schreiben" bezeichnet das Aufbringen von Leiterzügen auf einem Isolierstoffträger, wobei das Leiterzugmaterial vom dem betreffenden Leiterzug zugeordneten Anfangspunkt ausgehend kontinuierlich, in geo­ metrisch vorbestimmter Weise, analog einem Schreibvorgang der Träger­ oberfläche zugeführt und auf dieser verankert wird, und dann beim Er­ reichen des dem Leiterzug zugeordneten Endpunkts abgetrennt wird, um so sequentiell ein vorbestimmtes Leiterzugnetzwerk herzustellen.

"Drahtschreiben" bezeichnet das Aufbringen von Leiterzügen aus vorgeformtem Draht.

"Drahtgeschriebene Leiterzugebene" bezeichnet das gesamte Lei­ terzugmuster einer Ebene einschließlich aller Leiterzug-Kreuzungen. Eine Leiterzugebene enthält mindestens zwei im rechten Winkel zueinan­ der angeordnete, parallele Paare von Leiterzugwegen.

"Leiterzugweg" bezeichnet einen Bereich auf bzw. im Trägermate­ rial, dessen Breite dem Abstand von Mitte zu Mitte zweier benachbarter Leiterzüge entspricht. Die Länge des Leiterzugweges ist bestimmt durch die Gesamtabmessung der Leiterzugebene.

Ein "blockierter Leiterzugweg" ist ein solcher, in dessen Ver­ lauf sich eine Lochung oder ein bereits verlegter Leiterzug befindet.

"Oberflächen-Leiterzugmuster" ist ein Leiterzugmuster auf einer der äußeren Oberflächen der Leiterzugplatte.

"Elektronisches Bauelement" bezeichnet allgemein integrierte Schaltungen, Dioden, Transistoren, Widerstände, Kapazitäten, Indukti­ vitäten, Schalter und Anschlußbauteile.

"Elektro-optische Baulemente" sind Leuchtdioden sowie Transi­ storen, integrierte Schaltungen und andere Bauelemente, die elektro­ nische und optische Signale empfangen oder aussenden.

"Optische Bauelemente" empfangen, übertragen, leiten weiter oder manipulieren optische Signale.

"Footprint" bezeichnet die gesamte, von Anschlußflächen eines Oberflächen-montierten Bauelements beanspruchte Fläche.

"Fan-out" bezeichnet ein Gruppe kurzer Leiterzüge in einer Lei­ terzugebene, die die einzelnen Anschlußflächen eines Bauelements (footprints) mit zugeordneten, durchplattierten Löchern verbindet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungsnetzwerk mit hoher Leiterzugdichte herzustellen, dessen Leiterzüge in vorbestimmten Bereichen direkt Kontakt-Anschlußflächen auf der Oberfläche der Lei­ terplatte ohne Zwischenschalten von durchmetallisierten Lochverbindun­ gen bilden, und die Zahl der blockierten Leiterzugwege sowie der er­ forderlichen durchplattierten Lochverbindungen so gering wie möglich zu halten. Die nach der Erfindung hergestellten Leiterzugnetzwerke sollen sich besonders für die Verbindung von optischen, elektronischen und elektro-optischen sowie Oberflächen-montierten Bauelementen eig­ nen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht. Weitere Aus­ gestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die im Schreibeverfahren aufgebrachten Leiterzüge können erfin­ dungsgemäß aus isoliertem Kupferdraht bestehen. Die Enden der auf die Oberfläche führenden Drahtabschnitte sind unmittelbar umgeben von und elektrisch verbunden mit zugeordneten Anschlußbereichen auf der Ober­ fläche.

Nach einer Ausführungsform enthält das Verbindungsbauteil nach der Erfindung eine oder mehrere Abschirm- oder Versorgungsleiterebe­ nen. Die Verbindungen zu Leitern der Versorgungsebene bzw. zur Ab­ schirmebene erfolgt vorzugsweise durch an sich bekannte metallisierte Lochwandverbindungen, auch als durchplattierte Löcher bezeichnet.

Die Anschlußbereiche des auf der Oberfläche angebrachten, zwei­ ten vorbestimmten Musters entsprechen im wesentlichen den "footprints" der zu montierenden Bauteile.

Fig. 1A ist die Draufsicht auf einen Teil einer Oberflächen- Leiterzugebene mit hoher Leiterzugdichte von drahtgeschriebenen Lei­ terzügen nach den in US-A-45 00 389, US-A-45 41 882 und US-A-45 44 442 beschriebenen Verfahren. Die Oberflächen-Leiterzugebene weist Bereiche mit dem "footprint" anzubringender Bauelemente entsprechenden An­ schlußbereichen sowie "fan-outs" zu den Lochverbindungen zu inneren Ebenen auf.

Fig. 1B ist die Draufsicht auf den in Fig. 1A gezeigten Bereich mit der zusätzlichen Darstellung eines im Inneren angeordneten draht­ geschriebenen Leiterzugnetzes.

Fig. 2A ist die Draufsicht auf einen Teilbereich der Leiterzug­ ebene eines Verbindungsbauteils nach der Erfindung mit drahtgeschrie­ benen Leiterzügen hoher Dichte. Der gezeigte Bereich enthält die in Fig. 1A dargestellten "footprints" der auf der Oberfläche zu montie­ renden Bauelemente.

Fig. 2B zeigt sowohl Oberflächen-Leiterzugbereiche als auch Leiterzüge der darunter liegenden, drahtgeschriebenen Leiterzugebene.

Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A′ aus Fig. 2B und zeigt einen Ausschnitt einer drahtgeschriebenen Schaltung ent­ sprechend der Erfindung.

Fig. 3A bis 3I zeigen im Querschnitt die einzelnen Verfahrens­ schritte zur Herstellung der in Fig. 3 im Ausschnitt dargestellten drahtgeschriebenen Schaltung entsprechend der Erfindung.

Fig. 4A bis 4D zeigen im Querschnitt die einzelnen Verfahrens­ schritte zur Herstellung einer drahtgeschriebenen Schaltung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Das Verbindungsbauteil nach der Erfindung ist eine Leiterplatte zum Verbinden elektronischer, elektro-optischer oder optischer Bau­ elemente, die mindestens eine Trägerplatte und mindestens eine innere Leiterzugebene mit drahtgeschriebenen Leiterzügen aufweist, welche in der Regel coplanar sind, d.h. alle Leiterzüge sind in der gleichen Ebene abgesehen von Bereichen mit Leiterzug-Kreuzungen. An Kreuzungen sind die Leiterzüge in Richtung der Z-Achse um den Drahtdurchmesser gegeneinander verschoben angeordnet.

In vorbestimmten Bereichen auf der Oberfläche des Verbindungs­ bauteils nach der Erfindung sind Anschlußflächen angebracht, die be­ vorzugt den "footprints" der zu montierenden Bauelemente entsprechen. In zugeordneten Bereichen sind Abschnitte der drahtgeschriebenen Lei­ terzüge aus der Leiterzugebene in Richtung zur Oberfläche verschoben angeordnet, so daß ihre Endbereiche auf die Oberfläche reichen und dort Anschlußstellen bilden bzw. in die angebrachten Anschlußflächen integriert sind.

Eines der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß die drahtgeschriebenen Leiterzüge direkt Anschluß­ flächen an der Oberfläche bilden bzw. zu diesen führen. Dies wird durch eine vorbestimmte, dreidimensionale präzise Steuerung des Schreibvorgangs in den zur Oberfläche führenden Leiterzugbereichen erzielt, wobei die Steuerung in der Leiterzugebene in zwei Dimensionen und im Bereich der Verlagerung in Richtung zur Oberfläche zusätzlich in der dritten Dimension erfolgt.

Die Erfindung betrifft weiterhin Leiterplatten, bei denen die Verbindungen integral mit den Signalleiterzügen einer inneren Leiter­ zugebene sind sowie Verfahren zu deren Herstellung. Leiterplatten nach der Erfindung unterscheiden sich damit grundsätzlich von bisher be­ kannten, drahtgeschriebenen Leiterplatten dadurch, daß zumindest die Verbindung zwischen einem drahtgeschriebenen Leiterzug und der An­ schlußfläche auf der Oberfläche ohne Zwischenschalten einer durchme­ tallisierten Lochwandverbindung erfolgt.

Damit werden die erforderlichen Lochverbindungen und die daraus resultierenden blockierten Leiterzugwege erheblich reduziert und gleichzeitig die Qualität der Signalübertragung signifikant ver­ bessert, was die Entwurfsarbeit für Leiterplatten zum Betrieb bei hohen Signal-Frequenzen und mit geringer Impulsbreite vereinfacht.

Fig. 1A zeigt im Teilausschnitt einen kleinen Bereich des Lei­ terzugmusters auf der Oberfläche einer nach dem Stand der Technik am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung hergestellten, drahtgeschrie­ benen elektrischen Leiterplatte. Der Ausschnitt zeigt neben drahtge­ schriebenen Leiterzügen einen Teil eines "footprints" (10) mit einund­ zwanzig Kontakten (12), "fan-outs" (14) und durchplattierten Lochver­ bindungen (16) einschließlich der Verbindungsleiterzüge (18).

Obwohl in Fig. 1A einundzwanzig Kontakte (12) gezeigt sind, weist das komplette "footprint" für einen VLSI tatsächlich 284 An­ schlüsse auf. Die nicht dargestellte, vollständige Leiterplatte dient zum Verbinden von vier VLSI Bauelementen ähnlicher Komplexität sowie einer Anzahl kleinerer integrierter Schaltungen. Die kurzen "fan-out"- Leiterzüge verbinden mit den Lochverbindungen (16), die wiederum die Verbindung mit der Signalleiterzugebene herstellen. Weitere durch­ plattierte Lochverbindungen (20) verbinden mit der Abschirm- und Ver­ sorgungsebene.

Fig. 1B ist eine Draufsicht des gleichen Teilausschnitts unter Einschluß eines in der inneren Leiterzugebene angeordneten, drahtge­ schriebenen Leiterzugnetzes (22). Die Leiterzüge dieser Ebene bestehen aus isoliertem Draht, beispielsweise Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,064 mm und einem Gesamtdurchmesser einschließlich der Isolierung von 0,14 mm. Die Breite des Leiterzugweges beträgt 0,32 mm. In einem beispielhaften Bereich der Signalleiterzugebene beträgt die Gesamt­ länge der theoretisch verfügbaren Drahtleiterzüge 85 cm/cm². Da jedoch zahlreiche Leiterzugwege durch plattierte Lochverbindungen blockiert sind, beträgt die Gesamtlänge der tatsächlich zur Verfügung stehenden Leiterzugwege in der Schaltung nach Fig. 1B nur 50 cm/cm².

Fig. 2A zeigt einen Teilausschnitt der Oberflächen-Leiterzüge einer erfindungsgemäßen Schaltung mit für diese typischer hoher Leiterzugdichte. Die einundzwanzig Kontaktstellen von "footprint" (10) entsprechen jenen von Fig. 1A. Nach der vorliegenden Erfindung ent­ fallen jedoch die "fan-outs" (14) aus Fig. 1A. Ebenso entfallen die siebzehn Lochverbindungen (16, Fig. 1A). Damit enthält Fig. 2A nur die vier durchplattierten Lochverbindungen (20) aus Fig. 1A zur Verbindung nit der Abschirm- und der Versorgungsebene.

Fig. 2B ist eine Draufsicht auf einen Teil der drahtgeschriebe­ nen Schaltung von Fig. 2A, die zusätzlich die drahtgeschriebenen Lei­ terzüge (22), eingebettet in die innere Ebene, zeigt. Die Leiterzüge (22) enden direkt auf den "footprint"-Anschlußflächen (12) auf der Oberfläche anstatt in den durchplattierten Lochverbindungen, wie in Fig. 1B dargestellt. Durch Wegfall von siebzehn der einundzwanzig durchplattierten Lochverbindungen aus Fig. 1A und 1B erhöht sich die Länge der zur Verfügung stehenden Leiterzugwege in der drahtge­ schriebenen Signalleiterebene auf ca. 80 cm/cm² gegenüber 50 cm/cm² in Fig. 1B.

Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A′, Fig. 2B. Das Verbindungsbauteil nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält weiterhin eine Abschirm- sowie eine Versorgungsebene bestehend aus Isoliermaterial-Schichten (30) sowie der Abschirm- (32) bzw. der Ver­ sorgungsebene (34). Die Versorgungsebene (34) ist mit einer geätzten Freistell-Lochung (37) versehen. Die Abschirmebene (32) ist, wie er­ forderlich, gleichfalls mit Freistell-Lochungen versehen (nicht ge­ zeigt). Über den Grund- und Versorgungsebenen befindet sich das draht­ geschriebene Leiterzugnetzwerk mit den in der Haftvermittlerschicht (26) eingebetteten Drahtleiterzügen (22). Auf der äußeren Oberfläche der Leiterplatte können "footprints" (12) sowie weitere Leiter (14) angeordnet werden. Eine durchplattierte Lochverbindung (20) bildet die Verbindung zwischen den Oberflächen-Leiterzügen (14) und der Versor­ gungsebene. Weitere, nicht dargestellte durchplattierte Lochverbin­ dungen dienen zur Verbindung zwischen Oberflächenleiterzügen und der Abschirmebene. Die Verbindung (24) zwischen der drahtgeschriebenen Signalleiterzugebene (22) und den Anschlußflächen (12) des "foot­ prints" eines Oberflächen-montierten Bauelements wird erfindungsgemäß dadurch hergestellt, daß ein entsprechender Abschnitt des betreffenden Drahtleiterzugs (22) in der Z-Achse derart verlagert wird, daß sein Endteil in die Anschlußfläche (12) integriert wird oder diese bildet.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen eines Verbindungsbauteils können die Abschirm-, Versor­ gungs- und Signalleiter-Ebene(n) getrennt hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden. Die nach dem Verbinden der einzelnen Ebenen miteinander entstehende Einheit wird auf ihren Oberflächen mit den äußeren Leiterzugebenen versehen.

Die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen des in Fig. 3 gezeigten Verbindungsbauteils sind in den Fig. 3A bis 3I dargestellt.

Fig. 3A zeigt eine Trägerplatte für eine Signalleiterzugebene. Nach dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Signalleiterzug­ ebene zunächst auf einem temporären Träger hergestellt, der eine aus­ reichende Festigkeit und geometrische Stabilität für die nachfolgenden Verfahrensschritte einschließlich des Verbindens mit der Abschirm- und Versorgungsebene aufweisen muß. Mach dem Zusammenfügen und Verbinden muß der temporäre Träger problemlos entfernt werden können. Hierfür eignen sich dünne, steife Metall- oder Kunststoffplatten, die mittels Ätzen, Behandeln mit geeigneten Lösungsmitteln und Schmelzen mittels Zwischenschalten eines Trennmittels leicht entfernbar sind, wie z.B. Aluminium- oder Kupferbleche mit einer Dicke von 0,05 bis 5 mm, die durch Ätzen entfernt werden können.

Wie in Fig. 3A gezeigt, wurde der temporäre Träger (40) auf einer Seite mit einer Haftvermittlerschicht (36) und einer Isolierma­ terialschicht (38) versehen. Geeignete Haftvermittlermischungen sind beispielsweise TECHNICOL^TM 8001 sowie Abmischungen entsprechend US-A­ 36 25 758. Typische Isoliermaterialschichten bestehen beispielsweise aus Epoxy- und Polyimid-Prepregs und hochtemperaturbeständigen Thermo­ plasten wie Polysulfonen, Polyetherketonen und Polyetherimiden.

Im nächsten Verfahrensschritt entsprechend Fig. 3B werden durch den Träger (40), die Haftvermittlerschicht (36) und die Isolierma­ terialschicht (38) reichende Löcher (20) und (28) angebracht, und zwar an jenen Stellen, an denen später Anschlußstellen zwischen Drahtlei­ terzügen und Bauelementen oder Anschlußflächen für diese ausgebildet werden. Löcher, die im Endprodukt zur Verbindung mit der Abschirm- bzw. Versorgungsebene dienen, können entweder gleichzeitig oder unab­ hängig, nach dem Entfernen des temporären Trägers, angebracht werden.

Nach dem Herstellen der Löcher wird, wie in Fig. 3C gezeigt, eine für die Verankerung und Einbettung der Leiterzüge beim Draht­ schreibevorgang geeignete Haftvermittlerschicht (26) aufgebracht. Sie bedeckt die Isoliermaterialschicht (38) und überdeckt die Löcher (20) und (28). Hierfür geeignete Haftvermittlerschichten zählen zum Stand der Technik und sind beispielsweise in EP-A-02 27 002 und US-A­ 46 42 321 und 45 44 801 beschrieben.

Anschließend wird im Drahtschreibeverfahren ein Leiterzugmuster auf die Haftvermittlerschicht (26) aufgebracht und in dieser ver­ ankert, wie in Fig. 3D gezeigt. Die Leiterzüge (22) bilden eine Sig­ nalleiterebene. An den Stellen, an denen ein Leiterzugabschnitt (24) über einer Lochung verläuft, wird dieser Abschnitt aus der Ebene des Leiterzugnetzwerks in die Lochung verschoben. Wie oben beschrieben, werden Leiterzüge an Stellen, an denen sie sich kreuzen, in umgekehr­ ter Richtung zur Verlagerung von Leiterzügen im Bereich von zugeordne­ ten Lochungen gegeneinander verschoben (nicht dargestellt).

In einer bevorzugten Ausführungsform für elektrische Signal­ übertragung besteht das Leiterzugnetz aus isoliertem Kupferdraht. Für optische Leiterzugnetzwerke werden anstelle von Kupferdraht faser­ bzw. fadenförmige optische Leiter verwendet.

Nach dem Aufbringen des Leiterzugnetzwerks im Drahtschreibever­ fahren wird dieses in die Haftvermittlerschicht unter Einwirkung von Druck und Wärme eingepreßt (Fig. 3E). Der Druck auf die mit den im Drahtschreibeverfahren aufgebrachten Leiterzügen ausgestattete Ober­ fläche wird vorzugsweise mittels eines verformbaren Materials wie Silikongummi ausgeübt, während auf der anderen Seite des temporären Trägers eine feste Unterlage wie beispielsweise eine Stahlplatte vor­ gesehen ist. Es ist vorteilhaft, die Stahlplatte mit einem Trennmittel zu versehen bzw. ein Trennpapier zu verwenden.

Nach dem Preßvorgang sind die Drahtleiter (22) in die Haftver­ mittlerschicht (26) eingepreßt, wobei die Leiterzugabschnitte in den Bereichen der Löcher noch tiefer in diese gepreßt sind. Während des Preßvorgangs gelangt Material der Haftvermittlerschicht (26) bzw. eine Mischung davon und des Haftvermittlers (36) in die Lochungen (20) bzw. (28) und füllen diese teilweise oder vollständig aus. Der Grad der Füllung hängt von der Temperatur und den Fließeigenschaften der ver­ wendeten Haftvermittler-Abmischungen ab.

Fig. 3F stellt eine Abschirm- (32) und Versorgungsebene (34) auf einem metallkaschierten Träger (30), beispielsweise einem kupfer­ kaschierten, glasfaserverstärkten Epoxy-Laminat mit einer Dicke von 0,8 mm dar. In der Versorgungsebene (34) wurde durch Ätzen eine Frei­ stell-Lochung (37) hergestellt. Weitere Freistell-Lochungen sind nicht dargestellt und können nach Bedarf angebracht werden.

Die Basismaterialplatte für das erfindungsgemäße Verbindungs­ bauteil dient im Endprodukt als permanenter Träger für das drahtge­ schriebene Signalleiterzugnetzwerk nach dem Entfernen des temporären Trägers. Als Trägermaterial eignen sich Epoxy- und Polyimid-Laminate. Auf dem Basismaterial werden gegebenenfalls Abschirm- und Versorgungs- Ebenen in bekannter Weise hergestellt, beispielsweise im Druck- und Ätzverfahren auf kupferkaschiertem Material entsprechend Fig. 3F.

Die in Fig. 3E dargestellte Einheit mit dem im Drahtschreibe­ verfahren auf dem temporären Träger aufgebrachten Signalleiterzugnetz­ werk wird mit der Leiterzugebene auf dem permanenten Träger entspre­ chend Fig. 3F aufgebracht, der zugleich die Abschirm- und Versorgungs­ ebenen enthält. Die Verbindung erfolgt mittels bekannter Laminierver­ fahren unter Verwendung von Zwischenlagen aus Isoliermaterial (Fig. 3G). Die Signalleiterzüge sind von der Abschirmebene in definiertem Abstand parallel zu dieser in "Mikrostrip"-Konfiguration angebracht. Die Dicke der Isoliermaterial-Zwischenlage wird so gewählt, daß die Übertragungseigenschaften, wie beispielsweise ein vorbestimnmter Im­ pedanzwert, erzielt werden. Die resultierende Impedanz hängt von der Dicke der isolierenden Schicht zwischen Abschirm-und Versorgungsebene und drahtgeschriebener Leiterzugebene sowie von der Dielektrizitäts- Konstante des Isoliermaterials ab.

Die Leiterplatten können auch in "stripline"-Konfiguration her­ gestellt werden, indem eine weitere Abschirm- oder Versorgungsebene und eine weitere isolierende Schicht auf den temporären Träger (40) aufgebracht wird, um so die in Fig. 3A dargestellte Anordnung aus Iso­ liermaterialschicht (38) und Haftvermittlerschicht (36) auf der ande­ ren Seite des drahtgeschriebenen Leiterzugnetzwerks zu verdoppeln.

Fig. 3G zeigt das Ergebnis der Verbindung des auf dem temporä­ ren Träger aufgebauten Leiterzugnetzwerks mit dem die Abschirm- (32) und Stromversorgungsebenen (34) tragenden permanenten Träger (30). Zweckmäßigerweise wird ein weiterer temporärer Träger (42), der mit einer Haftvermittlerschicht (44) und einer Isoliermaterialschicht (46) versehen ist, benutzt. Wie oben beschrieben, trägt der erste temporäre Träger (42) die Haftvermittlerschicht (36), die Isolier­ materialschicht (38) und die für das Schreibverfahren erforderliche Haft- und Einbettschicht (26) sowie das im Drahtschreibeverfahren her­ gestellte Netzwerk der Signalleiterzugebene (22).

Der Laminiervorgang kann unter Verwendung von Prepregs zum Auf­ bau der Isoliermaterialschichten (46) und (48) erfolgen. Während des Laminiervorgangs werden die Löcher (20) und (28) vollständig mit Haft­ vermittler und Isoliermaterial gefüllt. Die in den Lochungen des tem­ porären Trägers reichenden Teilabschnitte der im Drahtschreibeverfah­ ren aufgebrachten Leiterzüge werden zugleich in ihrer Lage in zugeord­ neten Lochungen permanent fixiert.

Wie erwähnt, wird vorzugsweise ein zweiter temporärer Träger verwendet, um durch den symmetrischen Aufbau beim Laminieren die Kon­ struktion zu stabilisieren und Verwerfungen oder Verspannungen zu ver­ meiden.

Für erfindungsgemäße Verbindungsbauteile mit noch größerer Signalleiterzugdichte kann eine weitere drahtgeschriebene Leiterzug­ ebene nach dem gleichen Verfahren, wie oben beschrieben, auf einem zweiten temporären Träger aufgebaut werden.

Im nächsten Schritt werden der bzw. die temporären Träger ent­ fernt (Fig. 3H). Temporäre Träger aus 0,25 mm dickem Aluminiumblech werden vorzugsweise mit einer Natriumhydroxyd-Lösung weggeätzt. Die danach freiliegende Struktur weist zwei ebene Oberflächen (50, 52) aus aktivierbarem Haftvermittlermaterial auf, sowie kleine Erhebungen (54) aus Haftvermittlermaterial, die sich an den Stellen der Lochungen (20) und (28) im temporären Träger befinden. Die Erhebungen (54) enthalten auch die Endabschnitte (24) der in die genannten Lochungen gepreßten, drahtgeschriebenen Leiterzüge (22).

Die Erhebungen (54) auf der Oberfläche (50) werden abgeschlif­ fen, um so den Leiterzugabschnitt (24), beispielsweise den Kupfer­ draht bei der Verwendung von isoliertem Kupferdraht für das Schreiben der Signalleiter für elektrische Signale, an den vorbestimmten Kon­ taktstellen freizulegen (Fig. 3I).

Eine Lochung (20) wird im Laminat angebracht und in bekannter Weise zur Verbindung zur Abschirmebene in Form einer durchmetallisier­ ten Lochverbindung verwendet. Weitere durchmetallisierte Lochverbin­ dungen zum Herstellen des Kontakts zur Versorgungsebene werden in be­ kannter Weise vorgesehen. Das resultierende Verbindungsbauteil ist in Fig. 3I dargestellt. Die in der Ebene des Drahtleiterzugnetzes befind­ lichen Leiterzüge (nicht dargestellt) sind im wesentlichen coplanar angeordnet.

Der freiliegende Teil des Leiterzugabschnitts (24) kann entwe­ der direkt als Anschlußfläche für einen Bauelemente-Kontakt dienen oder in die entsprechende Anschlußfläche eines entsprechenden, auf der Oberfläche angebrachten Leiterzugmusters integriert bzw. mit diesem verbunden werden.

Die Oberflächen-Leiterzüge können nach bekannten Verfahren der Leiterplattentechnik hergestellt werden. Besonders geeignet sind das Volladditiv- sowie das Semiadditiv-Verfahren.

In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die Verbin­ dung zur Abschirm- bzw. Stromversorgungsebene mit Metallstiften an­ stelle von durchmetallisierten Lochverbindungen erfolgen.

Alternativ zum vorstehend beschriebenen Aufbau können die Ab­ schirm- und Versorgungsebene beispielsweise auch aus 0,1 mm dünner Kupfer-Invar-Kupfer-Folie hergestellt werden.

Fig. 4A zeigt eine vergrößerte Ansicht der zum Laminieren vor­ bereiteten Einheit (110). Diese besteht aus dem temporären Träger (140) mit der Haftvermittlerschicht (136) und der Isoliermaterial­ schicht (138). Der temporäre Träger (140) ist mit Lochungen (120) ver­ sehen. Ein drahtgeschriebener Signalleiter (122) ist bereits in die Drahtschreibe-Haftvermittlerschicht (126) eingepreßt. Der Leiterzugab­ schnitt (124) ragt in die Lochung (120) hinein, um später die Verbin­ dung herzustellen.

In die Einheit (110) werden Folien aus isolierendem Material (148) zwischen die Abschirm- und Versorgungsebenen sowie die Signal­ leiterzugebene eingefügt, wo sie eine dielektrische Schicht bilden. Die Anzahl der Zwischenschichten sowie deren Material hängt von der geforderten Impedanz sowie von anderen, an das Verbindungsbauteil ge­ stellten Anforderungen ab. Vier bis sechs Schichten aus Epoxyprepreg sind für die meisten Anwendungsbereiche ausreichend. Des weiteren ge­ eignet für die isolierenden Zwischenlagen sind Polyimid und Polyether­ imid.

Die Abschirmebene (132) weist einen Metallstift (112) zur Ver­ bindung zur Zwischenlage auf sowie ein Freistelloch (137). Folien aus isolierendem Material (130), vorzugsweise aus Epoxyprepreg, werden zwischen der Abschirm- und der Versorgungsebene (134) eingefügt, die einen Metallstift (114) aufweist zur Verbindung zwischen den Ebenen. Zusätzliche Isoliermaterialschichten (146) und ein temporärer Träger (142) können zur Stabilisierung hinzugefügt werden.

Fig. 4B stellt die verpreßte Einheit 110 dar.

Fig. 4C zeigt das Laminat nach dem Entfernen des ersten (140) und zweiten (142) temporären Trägers. Die Metallstifte (112) und (114) sind an der Oberfläche abgeschnitten und die aktivierbare Haftvermitt­ lerschicht (136) so weit entfernt, daß die Leiterzugabschnitte (124) freiliegen, um eine ebene, aktivierbare Oberfläche (150) zu schaffen.

In Fig. 4D ist ein fertiges Verbindungsbauteil nach der Erfin­ dung dargestellt. Die Oberfläche (150) ist mit einer Abdeckmaske (156) versehen, die lediglich die elektrischen Anschlußbereiche (121) auf der Haftvermittlerschicht (136) frei läßt. Die Oberflächen-Anschluß­ bereiche (121) stellen die Verbindung zur Abschirmebene (132) über den Metallstift (112), zur Signalleiterebene (122) über den versetzt ange­ ordneten Signalleiterabschnitt (124), und zur Versorgungsebene über den Metallstift (114) her.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Lei­ terzugmuster nicht zunächst auf einem temporären Träger angebracht, sondern auf einer Isolier/Haftvermittlerschicht, die direkt auf dem endgültigen Träger angebracht ist. In diesem Fall werden die Leiter­ züge in den zu Kontaktstellen an der Oberfläche führenden Leiterzug­ bereichen um einen oder vorzugsweise um drei oder mehrere Drahtdurch­ messer nach oben verschoben angeordnet. Hierzu wird beispielsweise der Drahtleiterzug in jenem Bereich über eine Erhebung im Träger geführt und so nach oben verschoben. Anschließend kann Isoliermaterial bei­ spielsweise im Vorhang-Gießverfahren aufgebracht werden, um die Draht­ leiterzug-Endabschnitte in ihrer Lage zu fixieren. Die Endabschnitte können dann, wie oben beschrieben, freigelegt bzw. in Anschlüsse auf der Oberfläche integriert werden.

Claims (14)

1. Verbindungsbauteil zum Verbinden elektronischer, optischer und elektro-optischer Bauelemente, bestehend aus mindestens einem Träger sowie mindestens einer inneren Leiterzugebene mit einer Viel­ zahl von faser- bzw. fadenförmigen Leiterzügen, die entsprechend einem vorbestimmten ersten Leiterzugmuster in einer Haftvermittlerschicht auf der Trägeroberfläche verankert sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Leiterzüge Abschnitte aufweist, die von der Leiterzug­ ebene in geometrisch vorbestimmten Orten bis zur Oberfläche des Ver­ bindungsbauteils führen und Anschlußbereiche bilden bzw. mit zugeord­ neten Verbindungsbereichen auf der Oberfläche, die einem zweiten, vor­ bestimmten Muster entsprechend, verbunden bzw. in diese integriert sind, wobei die Anschluß- bzw. Verbindungsbereiche den Anschlüssen an­ zubringender Bauelemente entsprechen; und daß das Verbindungsbauteil eine einkapselnde Überzugmasse aufweist, die bewirkt, daß die Leiter­ züge einschließlich der zur Oberfläche führenden Abschnitte in ihrer geometrischen Lage zueinander und zum Träger fixiert sind.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger weiterhin eine oder mehrere Abschirm- und/oder eine Versorgungsebene aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es elektrisch leitende Verbindungsbereiche aufweist, und daß einer oder mehrere dieser Bereiche mit der Abschirm- bzw. Versorgungsebene in vorbestimmter Weise elektrisch verbunden ist bzw. sind.

4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder mehrere durchplattierte Lochverbindung(en) zum Verbinden mit der Abschirm- bzw. Versorgungsebene aufweist.

5. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Metallstifte zur Verbindung mit der Abschirm- bzw. Versorgungsebene dienen.

6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen bzw. vorbestimmte Bereiche der genannten Leiterzugabschnitte praktisch coplanar mit der Bauteiloberfläche sind.

7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbereiche des Oberflächen-Leiterzugnetzes Teile der Drahtleiterzüge aufweisen.

8. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden bzw. Bereiche der Oberflächenleiterzüge in Kontakt mit zugeordneten, diese umgebenden Anschlußbereichen sind.

9. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge im Drahtschreibeverfahren aufgebracht sind.

10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge aus elektrisch leitendem, mit einer Isolierschicht versehenem Draht bestehen.

11. Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsbauteils mit mindestens einem aus vorgeformten, elektrischen oder optischen Leitern oder beiden bestehenden Leiterzugnetzwerk sowie einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Isoliermaterialschicht versehener temporärer Träger mit Lochungen bzw. Vertiefungen versehen wird, die einem vorbestimmten Muster entsprechen; daß im Drahtschreibeverfahren die Leiterzüge derart aufgebracht werden, daß vorbestimmte Abschnitte bzw. Endbereiche derselben in die Lochungen bzw. Vertiefungen reichen; daß dann die derart aufgebrachten Leiterzüge in einem Laminier- bzw. Gießverfahren fixiert und mit einem permanenten Träger verbunden werden; daß anschließend der temporäre Träger entfernt und sodann auf der Oberfläche ein Leiterzugmuster in an sich bekannter Weise ausgebildet wird, welches Anschlußbereiche für die auf die Oberfläche reichenden Abschnitte der im Drahtschreibeverfahren hergestellten Leiterzüge aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Fixieren der im Drahtschreibeverfahren aufgebrachten Leiterzüge Isolierstoffschichten aus den Gruppen von Epoxy-, Polyimid- und/oder Polyetherimid-Harzen dienen.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsbauteil weiterhin eine oder mehrere Abschirm- und/oder Versorgungsebene(n) enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine der genannten Ebenen auf dem permanenten Träger hergestellt wird, bevor dieser mit dem auf dem temporären Träger hergestellten Leiterzugnetzwerk verbunden wird.