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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
hier offenbarte Erfindung betrifft in der Regel Elektronikgehäuse und
insbesondere ein Elektronikgehäuse
mit Kondensator.
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Elektronikgehäuse erleichtern
das Anbringen und Handhaben von Elektronikvorrichtungen wie Mikroprozessoren,
Videosteuerungen und Speicher. Tape Ball Grad Array-Gehäuse (nachstehend
als TBGA-Gehäuse
bezeichnet) nutzen die Fein-Line-Fähigkeit der flexiblen Schaltungstechnologie
und bieten im Vergleich zu zahlreichen sonstigen Gestaltungsarten
von Elektronikgehäusen
eine höhere
Verdrahtungsdichte und Drahtbond-Lötpaddichte.
Allerdings ist wegen der Einzelschichtarchitektur üblicher TGBA-Gehäuse, die
Leistungs- und Erdungsverteilungsfähigkeit im Vergleich mit mehrschichtigen
Ball Grid Array-Gehäusen
aus Kunststoff- und
Keramik begrenzt.
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Kondensatoren
werden zur Entkopplung der Leistungsversorgung der Systemebene von
den individuellen elektrischen Vorrichtungen eines Elektronikgehäuses verwendet.
Die Entkopplung einer Elektronikvorrichtung von der Leistungsversorgung
vermindert das Gesamtrauschen im Leistungsverteilungsnetz des Elektronikgehäuses. Da
jedoch in Elektronikgehäusen
für Hochgeschwindigkeit
die Geschwindigkeit und der elektrische Strom zunehmen, stellen
herkömmliche
Kondensatorstrukturen keine geeignete Leistung bereit, denn die
Induktivität
in Verbindung mit dieser Art von Kondensator hemmt deren Betrieb
bei hohen Geschwindigkeiten. Interconnect-Induktivität in einem
Elektronikgehäuse drosselt
den Kondensator in einer Weise, dass die Hochgeschwindigkeitsübertragung
von elektrischem Strom zum und vom Kondensator verhindert wird.
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Durch
direktes Einbetten der Kondensatoren in die Elektronikgehäuse wird
eine signifikante Entkopplungskapazität mit sehr niedriger Interconnect-Induktivität geschaffen.
Ferner können
die Elektroden des Kondensators als Bezugsspannungsebenen im Elektronikgehäuse dienen,
um innerhalb des Gehäuses
eine ausgezeichnete Leistungsverteilung zu schaffen. Dieser Ansatz
erleichtert den sehr hohen Geschwindigkeitsbetrieb von Elektronikvorrichtungen
innerhalb eines Elektronikgehäuses.
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Die
US-Patentschrift 4,945,399 offenbart ein PGA(Pin Grid Array)-Gehäuse mit
einem verteilten Kondensator. Das Gehäuse beinhaltet eine Schaltung,
die zwei Metallschichten mit einer dazwischenliegenden dielektrischen
Schicht aufweist. Eine erste Metallschicht weist Signalleiterbahnen
und eine Elektrode auf. Eine zweite Metallschicht dient als zweite Elektrode.
Ein Kondensator ist in Bereichen ausgebildet, wo sich die Elektroden
der ersten und zweiten Metallschichten überlappen. Kontaktstifte befinden sich
innerhalb von Öffnungen,
die sich durch die verschiedenen Schichten der Schaltung, einschließlich der
Elektroden erstrecken. Der Bereich der ersten Metallschicht der
Schaltung ist zwischen Signalrouting- und Elektrodenbereichen aufgeteilt,
was die Kapazität
des Kondensators begrenzt. Die Herstellung eines PGA-Gehäuses mit
dieser Gestaltung ist kostenaufwändig.
Da außerdem
die Kontaktstifte die Elektrodenschichten durchbrechen können, reduziert diese
Art von Konfiguration die verfügbare
Kapazität für eine gegebene
Größe des Gehäuses.
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Die
US-Patentschrift 5,027,253 von Lauffer u. a. offenbart ein Schaltungsgehäuse aus
mehreren Schichten, das einen eingebetteten Dünnfilmkondensator aufweist.
Das Gehäuse
hat mindestes zwei Signaladern, die jeweils mit einer entsprechende
Elektrode des Kondensators verbunden sind. Somit sind die Signaladern
kapazitätsmäßig miteinander
verkoppelt. Die in diesem Bezugsdokument offenbarte Kondensatorstruktur
adressiert nicht die Entkopplung der Leistungsversorgung von einer
Halbleitervorrichtung im Elektronikgehäuse. Da des Weiteren zwischen
dem Kondensator und der Halbleitervorrichtung eine Erdungsader liegt,
sind im Wesentlichen lange leitende Bleidrähte und leitende Durchgangsbohrungen,
die sich durch die Leistungsader erstrecken, erforderlich, um die
Halbleitervorrichtung mit den Elektroden zu verbinden. Die Länge dieser
Bleidrähte
erhöht
die Induktivität,
was die vom Kondensator bereitgestellten Verbesserungen der elektrischen
Leistungsfähigkeit
reduziert.
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Die
Anforderung an die Kontrolle der elektrischen Charakteristika von
Elektronikgehäusen
wird in dem Maße
kritischer wie die Betriebsgeschwindigkeit der Elektronikvorrichtungen
zunimmt. Kann ein Elektronikgehäuse
den erforderlichen Bedarfen an elektrischem Strom eines Elektronikgehäuses nicht gerecht
werden, führt
dies zu Rauschen in Verbindung mit Spannungsabfällen innerhalb des Elektronikgehäuses. Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass der Einsatz von Kondensatoren
in Elektronikgehäusen
die Rauschmerkmale der Leistungs- und Erdungsverteilung in herkömmlichen
Elektronikgehäusekonfigurationen
verbessert. Allerdings haben Lösungen
nach dem Stand der Technik bei Kondensatoren, die zur Rauschverminderung
in Elektronikgehäusen
eingesetzt werden, und Kondensatortechniken nach dem Stand der Technik
nur für
einen begrenzten Erfolg beim Einsatz mit Elektronikvorrichtungen
für Hochgeschwindigkeit
in Elektronikgehäusen
gesorgt. Lösungen
nach dem Stand der Technik sind außerdem in ihrer Fähigkeit
zur kosteneffektiven Schaffung einer Leistungsverteilungsstruktur
mit Niedrigimpedanz in TBGA-Elektronikgehäusen mit Cavity Down-Drahtbond
begrenzt.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf für
die Ausführung
von Schaltungsanordnungen, die eine wirtschaftliche und vielseitige
Rauschverminderung bei Vorrichtungen für Hochgeschwindigkeit in Elektronikgehäusen bieten
und welche die Ausführungsmängel vorheriger
Lösungen überwinden.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt in der Regel eine Schaltungsanordnung
zur Kontrolle der Impedanz in einem Elektronikgehäuse bereit.
Ein großtechnischer
Parallelkondensator weist zwei Elektroden auf, die durch ein dielektrisches
Material getrennt sind. Die Elektroden dienen als Referenzspannungsebenen
für das
Elektronikgehäuse.
Mindestens eine der Elektroden ist strukturiert, so dass beide Elektroden
von einer gemeinsamen Seite des Kondensators aus zugänglich sind.
Der Kondensator befindet sich mit einer ersten angebrachten Elektrode
neben einem Interconnect-Schaltungsabschnitt des Elektronikgehäuses. Ein
Elektronikvorrichtungsabschnitt des Elektronikgehäuses ist
auf direkte oder indirekte Weise elektrisch mit einer oder mehr
Elektroden des Kondensators verbunden.
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Vorzugsweise
ist nur eine der zwei Elektroden strukturiert. Ferner wird bevorzugt,
dass die Größe und Konfiguration
der strukturierten Elektrode die Reduzierung hinsichtlich der effektiven
Kapazität
des Kondensators minimieren und einen kurzen Interconnect-Abstand zwischen
der leitenden Leiterbahnschicht der Schaltung und der zweiten der
beiden Elektroden schaffen. Durch Aufrechterhaltung eines kurzen
Interconnect-Abstands wird die assoziierte Induktivität reduziert.
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Die
Kondensatoren sind vorzugsweise Plattenkondensatoren in Dünnfilmtechnik.
Bevorzugte dielektrische Materialien für Kondensatoren weisen Bariumtitanat,
Strontiumtitanat und ein Polymer, das mit HDK-Partikeln vermischt
ist, wie Bariumtitanat, Bariumstrontiumtitanat, Titanoxid, Bleizirconiumtitanat
und Tantaloxid, auf. Die Kapazität
eines typischen Plattenkondensators in Dünnfilmtechnik beträgt etwa 1
nF/cm2 bis etwa 100 nF/cm2.
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Die
Interconnect-Schaltungen sind vorzugsweise TBGA(Tape Ball Grid Array)-Schaltungen,
die flexible dielektrische Substratschichten aufweisen. Bevorzugte
dielektrische Substrate für
die Interconnect-Schaltungen
beinhalten Polyimid- und Polyesterfilme.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein Elektronikgehäuse eine
leitende Leiterbahnschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten
Seite auf. Die leitende Leiterbahnschicht ist derart strukturiert,
dass mehrere Interconnect-Pads abgegrenzt werden. Eine dielektrische
Schicht ist auf der ersten Seite der leitenden Schicht angebracht. Ein
Kondensator mit einer ersten leitenden Schicht, einer zweiten leitenden
Schicht und einer Schicht aus dielektrischem Material, die dazwischen
angebracht ist, ist: mit der ersten leitenden Schicht auf der zweiten
Seite der leitenden Leiterbahnschicht angebracht. Mehrere Interconnect-Bereiche
erstrecken sich durch die erste leitende Schicht und die Schicht aus
dielektrischem Material des Kondensators. Interconnect-Elemente
sind zwischen jeder der leitenden Schichten des Kondensators und
einer entsprechenden Menge von Interconnect-Pads verbunden. Die erste
leitende Schicht des Kondensators ist elektrisch mit einer ersten
Menge der Interconnect-Pads verbunden.
Die Interconnect-Elemente, die der zweiten Menge an Interconnect-Pads
entsprechen, erstrecken sich durch einen Interconnect-Bereich.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Elektronikgehäuse bereit,
das eine leitende Leiterbahnschicht mit einer ersten Seite und einer
zweiten Seite aufweist. Die leitende Schicht ist derart strukturiert,
dass mehrere Interconnect-Pads abgegrenzt werden. Ein flexibles
dielektrisches Substrat: ist auf der ersten Seite der leitenden Leiterbahnschicht
ange bracht. Ein flexibler Kondensator mit einer ersten leitenden
Schicht, einer zweiten leitenden Schicht und einer Schicht aus dielektrischem
Material, die dazwischen angebracht ist, ist mit der ersten leitenden
Schicht auf der zweiten Seite der leitenden Leiterbahnschicht angebracht.
Mehrere Interconnect-Bereiche erstrecken sich durch die erste leitende
Schicht und die Schicht aus dielektrischem Material des Kondensators.
Interconnect-Elemente sind zwischen jeder der leitenden Schichten des
Kondensators und einer entsprechenden Menge der Interconnect-Pads
verbunden. Die erste leitende Schicht des Kondensators ist elektrisch
mit einer ersten Menge der Interconnect-Pads verbunden, und die
zweite leitende Schicht des Kondensators ist elektrisch mit einer
zweiten Menge der Interconnect-Pads
verbunden. Die Interconnect-Elemente, die der zweiten Menge an Interconnect-Pads
entsprechen, erstrecken sich durch einen der Interconnect-Bereiche.
Eine Öffnung
erstreckt sich durch das dielektrische Substrat neben jedem der
Interconnect-Pads. Ein Versteifungselement ist neben der zweiten
leitenden Schicht des Kondensators angebracht. Ein Vorrichtungs-empfangender Bereich
wird durch das dielektrische Substrat, die leitende Leiterbahnschicht
und den Kondensator gebildet.
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Folgende
Begriffe, die hierin benutzt werden, haben folgende Bedeutung:
- 1. Der Begriff "großtechnischer
Kondensator" betrifft
einen Kondensator, der einen signifikanten Abschnitt des Bereichs
der leitenden Leiterbahnschicht begrenzt.
- 2. Der Begriff "Dünnfilmkondensator" betrifft einen Kondensator
mit Elektroden von weniger als 100 Mikrometern Dicke und eine dielektrische
Schicht von 20 Mikrometern oder darunter.
- 3. Der Begriff "Interconnect-Schaltung" betrifft eine Schaltung
zum Routing von Leistung, Erdungs- und/oder Informationssignalen einer
Elektronikvorrichtung zu einer nächsten
Packungsebene in einem Elektroniksystem oder -gerät.
- 4. Der Begriff "Interconnect-Induktivität" betrifft die Induktivität, die mit
der Art der Interconnect-Struktur
und -Länge
der Interconnect-Struktur zwischen der Interconnect-Schaltung und
einer Elektronikvorrichtung in einem Elektronikgehäuse assoziiert
ist.
- 5. Der Begriff "Interconnect-Bereich" betrifft eine Öffnung,
die durch eine erste leitende Schicht und eine dielektrische Schicht
eines Kondensators gebildet wird. Mehrere elektrische Interconnects,
wie beispielsweise elektrische Verbindungen zwischen Lötkugel-Pads
und einer zweiten leitenden Schicht des Kondensators, lassen sich
durch einen Interconnect-Bereich herstellen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
eines parallelen Plattenkondensators in Dünnfilmtechnik diagrammatisch
veranschaulicht.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Gehäuses mit
einer Elektronikvorrichtung, die mit einem parallelen Plattenkondensator
in Dünnfilmtechnik
durch eine leitende Leiterbahnschicht einer Interconnect-Schaltung verbunden
ist, veranschaulicht.
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4 zeigt
eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
der Lötkugel-Zuordnungen
in Bezug auf die Interconnect-Bereiche
eines Kondensators diagrammatisch veranschau licht.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Elektronikgehäuses mit einer
Elektronikvorrichtung, die elektrisch direkt mit einem Kondensator
verbunden ist, veranschaulicht.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Elektronikgehäuses mit einer
Elektronikvorrichtung, die elektrisch direkt mit einem Kondensator
und einer Versteifung verbunden ist, veranschaulicht.
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NÄHERE DARSTELLUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
Ausführungsform
eines großtechnischen
Kondensators 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 1 und 2 veranschaulicht.
So wie zuvor festgelegt, ist der Kondensator 10 vorzugsweise
ein paralleler Plattenkondensator in Dünnfilmtechnik. Der Kondensator 10 weist
eine erste leitende Schicht 11, eine zweite leitende Schicht 12 und
eine dielektrische Schicht 13, 2, auf,
die zwischen den ersten und den zweiten leitenden Schichten 11, 12 angebracht
ist. Die dielektrische Schicht 13 hat eine Dicke von 0,5 μm bis 30 μm.
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Die
erste leitende Schicht 11 und die dielektrische Schicht 13 sind
strukturiert, um mehrere erste Elektroden 14 abzugrenzen.
Das Strukturieren der ersten leitenden Schicht 11 und der
dielektrischen Schicht 13 grenzt mehrere Öffnungen
für Interconnects,
die nachstehenden ersten Interconnect-Bereiche 17 und einen
zweiten Interconnect-Bereich 18, ab. In anderen Ausführungsformen
kann die erste leitende Schicht 11 derart strukturiert
sein, dass jede der ersten Elektroden 14 elektrisch mit
jeder danebenliegenden ersten Elektrode 14 durch eine leitendes
Band, das zwischen danebenliegenden Elektroden 14 gebildet
wird, verbunden ist. Die zweite leitende Schicht 12 ist
vorzugsweise nicht strukturiert und grenzt eine zweite Elektrode 16 ab.
Ein Vorrichtungs-empfangender Bereich 20 wird durch die
erste leitende Schicht 11, die zweite leitende Schicht 12 und
die dielektrische Schicht 13 gebildet. Jeder der ersten
Interconnect-Bereiche 17 ist zwischen zwei danebenliegenden
ersten Elektroden 14 angebracht, und der zweite Interconnect-Bereich 18 erstreckt
sich um einen Umkreis des Vorrichtungs-empfangenden Bereichs 20.
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Es
ist ein Schlüsselaspekt
der vorliegenden Erfindung, dass die erste leitende Schicht 11 und
die dielektrische Schicht 13 derart strukturiert sind,
dass sie den Zugang zur zweiten Elektrode 16 und zu den ersten
Elektroden 14 von einer gemeinsamen Seite des Kondensators 10 ermöglichen.
Durch Begrenzung der Größe und Kontrolle
der Stelle der strukturierten Abschnitte der ersten Elektroden 14,
kann die Reduzierung der effektiven Kapazität des Kondensators 10 minimiert
werden. Die erste leitende Schicht 11 und die dielektrische
Schicht 13 lassen sich anhand eines bekannten Verfahrens
wie Ätzen
oder Laserablation strukturieren. Der Vorrichtungs-empfangende Bereich 20 kann
durch ein anderes bekanntes Verfahren wie Stanzen, Laserschneiden
oder dergleichen gebildet werden.
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Eine
Ausführungsform
eines Elektronikgehäuses 21,
wie ein TBGA-Elektronikgehäuse
mit Cavity Down-Drahtbond, ist in 3 veranschaulicht. Das
Elektronikgehäuse 21 stellt
eine flexible Interconnect-Schaltung 22 bereit, die eine
leitende Leiterbahnschicht 24 mit einer dielektrischen
Schicht 26, die auf einer ersten Seite 24a der
leitenden Leiterbahnschicht 24 angebracht ist, aufweist.
Eine erste Haftmittelschicht 28 wird verwendet, um den
zuvor angesprochenen Kondensator 10 an einer zweiten Seite 24b der
leitenden Leiterbahnschicht 24 anzubringen. Die erste Haftmittelschicht 28 ist
aus einem elektrisch isolierten Haftmittel hergestellt.
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Eine
zweite Haftmittelschicht 30 wird zum Anbringen eines Versteifungselements 32 am
Kondensator 10 verwendet. Eine dritte Haftmittelschicht 33 wird
zum Anbringen einer Elektronikvorrichtung 36, wie ein Mikroprozessor,
an das Versteifungselement 32 verwendet. Falls es wünschenswert
ist, das Versteifungselement 32 und die zweite Elektrode 16 auf
derselben Spannung zu halten, kann die zweite Haftmittelschicht 30 aus
einem elektrisch leitenden Haftmittelmaterial hergestellt sein.
Falls es wünschenswert
ist, das Versteifungselement 32 und die zweite Elektrode 16 auf
verschiedenen Spannungen zu halten, ist die zweite Haftmittelschicht 30 aus
einem nicht leitenden Haftmittelmaterial hergestellt. Die dritte
Haftmittelschicht 33 kann aus einem leitenden Material
hergestellt sein, das an der Verhinderung von Schaden an der Elektronikvorrichtung 36 durch
elektrostatische Entladung mitwirkt.
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Die
leitende Leiterbahnschicht 24 der flexiblen Interconnect-Schaltung 22 ist
typischerweise derart strukturiert, dass sie mehrere Leiterbahnen 34 zum
Routing von Leistung und Signalen durch die flexible Interconnect-Schaltung 22 aufweist.
Die Elektronikvorrichtung 36 weist mehrere Drahtbond-Pads 36a auf.
Jede Leiterbahn 34 weist einen Bond-Pad 34a, wie
einen Drahtbond-Pad, und einen Interconnect-Pad 34b, wie
einen Lötkugel-Pad,
auf. Ein Draht 38 ist zwischen jedem Bond-Pad 34a und
einem entsprechenden der Bond-Pads 36a der
Elektronikvorrichtung 36 verbunden.
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Jede
der ersten Elektroden 14 und der zweiten Elektroden 16 ist
mit einer entsprechenden der Leiterbahnen 34 durch ein
jeweiliges Interconnect-Element 42, beispielsweise einen
Lötzapfen, verbunden.
Jedes Interconnect-Element 42 erstreckt sich durch die
erste Haftmittelschicht 28 zwischen einer jeweiligen Leiterbahn 34 und
einer entsprechenden der Elektroden 14, 16 des
Kondensators 10. Jedes Interconnect-Element 42,
das zwischen der zweiten Elektrode 16 und der entsprechenden
Leiterbahn verbunden ist, befindet sich in den ersten oder zweiten
Interconnect-Bereichen 17, 18. Die strukturierte
Konfiguration des Kondensators 10 stellt einen kurzen elektrischen
Pfad zwischen der zweiten Elektrode 16 und der (den) entsprechenden
Leiterbahn oder Leiterbahnen 34 bereit, wobei die vom Elektronikgehäuse 21 gebotene
Impedanz reduziert wird. Vorzugsweise soll jedes Interconnect-Element 42 aus
einem Lötmittel
mit hoher Schmelztemperatur bestehen, wie zum Beispiel Lötmittel,
die etwa 90% Zinn und etwa 10% Blei aufweisen.
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Als
geeignetes nicht leitendes Haftmittel für die erste Haftmittelschicht 28 und
die zweite Haftmittelschicht 30 hat sich eine auf Polyimid
basierende Folie, die von DuPont unter dem Handelsnamen KJ vertrieben
wird, herausgestellt. Als geeignetes Material für die dielektrische Schicht 26 hat
sich eine Polyimid-Folie, so wie sie von DuPont unter dem Handelsnahmen
KAPTON E vertrieben wird, herausgestellt. Verschiedene leitende
handelsübliche
Klebemittel sind verfügbar.
Obzwar die zuvor beschriebenen Materialien geeignet sind, lassen
sich zahlreiche andere geeignete Materialien für die verschiedenen dielektrischen
Substrate und Haftmittelschichten als handelsüblich in Erwägung ziehen.
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In 3 und 4,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine erste Menge von Interconnect-Pads 34b mit
den ersten Interconnect-Bereichen 17 ausgerichtet. Eine
zweite Menge von Interconnect-Pads 34b ist mit einer der
ersten Elektroden 14 ausgerichtet. Die nahe Nachbarschaft
der ersten Elektroden 14 und der zweiten Elektrode 16 in
Bezug auf die entsprechenden Interconnect-Pads 34b ist vorzuziehen,
um eine relativ kurze Interconnect-Länge zu schaffen, die zur reduzierten
Induktivität
beiträgt.
Die ersten und zweiten Mengen der Interconnect-Pads 34b sind
für das
Routing von Referenzspannungen zum Elektronikgehäuse 36 be stimmt. Eine
dritte Menge von Interconnect-Pads 34b, die für das Routing
von Signalen zur und von der Elektronikvorrichtung bestimmt sind,
ist nicht auf das Anordnen in Bezug auf die Elektroden 14, 16 oder
die Interconnect-Bereiche 17, 18 des Kondensators 10 beschränkt.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Elektronikgehäuses 121,
das einen Kondensator 110 aufweist, ist in 5 veranschaulicht.
Der Kondensator 110 weist eine erste Elektrode 114 und
eine zweite Elektrode 116 auf. Das Elektronikgehäuse 121 weist eine
Elektronikvorrichtung 136 mit mehreren Bond-Pads 136a auf,
die elektrisch direkt mit der ersten Elektrode 114 und
mit der zweiten Elektrode 116 mittels mehrerer Drähte 138 verbunden
sind. Die erste Elektrode 114 wird auf einer Spannung,
die sich von der zweiten Elektrode 116 unterscheidet gehalten.
In dieser Konfiguration dienen die ersten und zweiten Elektroden 114, 116 als
Referenzspannungsebenen für
die Elektronikvorrichtung 136.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines Elektronikgehäuses 221 mit
einem Kondensator 210 ist in 6 veranschaulicht.
Der Kondensator 210 weist eine erste Elektrode 214 und
eine zweite Elektrode 216 auf. In dieser Ausführungsform
ist die zweite Elektrode 216 elektrisch mit dem Versteifungselement 232 durch
eine leitende Haftmittelschicht 230 verbunden. Das Elektronikgehäuse 221 weist
eine Elektronikvorrichtung 236 mit mehreren Bond-Pads 236a auf,
die elektrisch direkt mit der ersten Elektrode 214 und
dem Versteifungselement 232 durch mehrere Drähte 238 verbunden
sind. Die erste Elektrode 214 wird auf einer Spannung,
die sich von der zweiten Elektrode 216 und dem Versteifungselement 232 unterscheidet,
gehalten. In dieser Konfiguration dienen die erste Elektrode 214 und
das Versteifungselement 232 als Referenzspannungsebenen
für die Elektronikvorrichtung 236.
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Die
Kapazität
des Kondensators muss an die Frequenz-, Spannungs- und Stromspezifikationen der
Elektronikvorrichtung, die dem Kondensator zugeordnet ist, angepasst
werden. Ferner muss ein Elektronikgehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung
einen Kondensator mit einer Kapazität, die hoch genug ist, dass
der Elektronikvorrichtung ein ausreichender Strom geliefert wird,
aufweisen. Die Kapazität
eines Kondensators wird durch Variable beeinflusst, beispielsweise
durch den Überlappungsbereich
der Elektroden, die Dicke des dielektrischen Materials und die dielektrische
Konstante des dielektrischen Materials. Diese Eigenschaften können maßgeschneidert
werden, um eine gewünschte
Kapazität
für eine
gegebene Elektronikvorrichtung und Gehäusegestaltung bereitzustellen.
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Elektronikgehäuse, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet sind, weisen eine gut kontrollierte kapazitive
Kopplung auf. Diese gut kontrollierte kapazitive Kopplung ermöglicht,
dass die Zuordnung von Leistungs- und
Erdungs-Interconnects eher auf dem Strukturieren der ersten Elektrode
als sonstigen Konstruktionsanforderungen basieren kann, wobei der
Verlust von elektrischer Leistung geringfügig ist.
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In
TBGA-Elektronikgehäusen
mit Cavity Down-Anordnung gemäß der Erfindung
liegt der Kondensator zwischen der Interconnect-Schaltung und der
Versteifung. In dieser Konfiguration sind die Elektroden und das
dielektrische Material des Kondensators nicht von den Durchgangsbohrungen durchbrochen,
die für
das Routing elektrischer Zusammenschaltungen von der Elektronikvorrichtung zu
Interconnect-Komponenten auf Boardlevel erforderlich sind. Die Behebung
dieser Arten von Diskontinuitäten
in den Elektroden und der dielektrischen Schicht erhöht die effektive
Kapazität
des Kondensators auf signifikante Weise.
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Elektronikgehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung weisen
mehrere Merkmale auf, die verschiedene Vorteile in Endanwendungen
bereitstellen. Der effektive Bereich des Kondensators wird maximiert,
indem nur eine der leitenden Schichten strukturiert wird. Die Kapazität ist direkt
proportional zum gemeinsamen Bereich beider Elektroden in einer Weise,
dass die Maximierung des effektiven Bereichs des Kondensators zur
Maximierung der Kapazität beiträgt. Die
gut kontrollierte kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden reduziert
die Impedanz der Leistungs- und Erdungsverteilung im Gehäuse. Rückströme zur und
von der Elektronikvorrichtung können
auf beiden leitenden Schichten des Kondensators fließen. Die
Elektroden lassen sich zur Bereitstellung von Leistungsverteilung
für das
Elektronikgehäuse
benutzen, indem sie als Bezugsspannungsebenen dienen. Die Leistungs-
und Erdungseingänge
der Elektronikvorrichtung können
eher direkt mit den entsprechenden Elektroden des Kondensators als
durch die Leiterbahnschicht der Interconnect-Schaltung verbunden
werden. Ein Elektronikgehäuse,
das einen Kondensator mit einer so wie hier offenbarten Gestaltung
einsetzt und in einer so wie hier offenbarten Weise verbunden ist,
weist bessere Interconnect-Impedanzcharakteristika auf, die das Rauschen
im Gehäuse
vermindern.
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NÄHERE BESCHREIBUNG
DES PROZESSES ZUR HERSTELLUNG DES KONDENSATORS
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Eine
Kupferfolie oder ein sonstiges leitendes Substrat, dessen Oberfläche mit
einem Material wie einem organischen Korrosionsschutzmittel (beispielsweise
Benzotriazolderivat) und Rückstandsölen aus
dem Walzprozess versehen sein kann, hat vorzugsweise eine Dicke
von weniger als 100 Mikrometern. Die Kupferfolie wird einer Oberflächenbehandlung
unterzogen, beispielsweise zur Gewährleistung einer guten Haftung
zwischen der dielektrischen Schicht und den Kupferfolienschichten.
Das Entfernen kann beispielsweise durch Behandlung der Folie mit
einem Argon-Sauerstoffplasma, einer Luft korona erfolgen oder es
kann eine chemische Nassbehandlung, so wie aus dem Stand der Technik bekannt,
eingesetzt werden. Partikel, die auf beiden Seiten der Folie haften,
können
beispielsweise anhand einer Ultraschall/Vakuum-Bahnreinigungsvorrichtung
entfernt werden, die bei Web Systems Inc. unter dem Markennamen "Ultracleaner" handelsüblich verfügbar sind.
Vorzugsweise soll die Kupferfolie während dieses Oberflächenbehandlungsschritts nicht
verkratzt, verbeult oder verbogen werden, da solche Oberflächenabweichungen
die Ursache von Beschichtungsproblemen und/oder -fehlern sein können. Ungleichmäßiges Beschichten
kann die Kapazität
des Kondensators nachteilig beeinflussen und zu Kurzschlüssen zwischen
den leitenden Schichten führen.
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Ein
Gemisch aus dielektrischem Material lässt sich vorbereiten, indem
ein Harz wie Epoxid bereitgestellt wird, das wahlweise dielelektrische
oder isolierende Partikel wie Bariumtitanat und wahlweise einen
Katalysator für
das Epoxid aufweist. Absorbiertes Wasser oder Rückstandsmaterialien auf den
Partikeln, beispielsweise aus dem Herstellungsverfahren resultierendes
Carbonat, kann von der Oberfläche der
Partikel vor der Verwendung entfernt werden, indem die Partikel
in der Luft beispielsweise auf eine besondere Temperatur 15 Stunden
lang bei 350°C erhitzt
werden. Nach dem Erhitzen können
die Partikel in einen Trockenapparat abgelegt werden, bevor sie
im Gemisch zum Einsatz kommen.
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Das
Gemisch aus Bariumtitanatpartikeln und Epoxid kann vorbereit werden,
indem Bariumtitanat, ein Lösungsmittel
von Epoxiden, z. B. Ketone, und ein Dispergiermittel, miteinander
vermischt werden. Typischerweise ist ein Rotor-Stator-Mischer für hohe Scherkräfte (6000
UPM) mit einem Wasser/Eisbad einzusetzen. Herkömmliche Kugelmühlen sind
ein anderes Verfahrensbeispiel. Das Gemisch muss sich ungestört setzen
können,
damit sich Agglomerate am Boden des Behälters abscheiden können.
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Das
Abscheiden kann etwa 12 Stunden oder länger dauern. Alternativ lässt sich
das Gemisch durch ein Grobfilter mit einer Maschenweite, die etwa zehn
Mal der Maschenweite im Endfilterungsschritt entspricht, filtern.
In einem Endfilterungsschritt wird das Gemisch dann beispielsweise
durch ein Edelstahlfilter mit einer Maschenweite von 2 Mikrometern (μm) bis 5 μm gefiltert.
Das gefilterte Gemisch wird auf den Prozentgehalt an Festkörpern und
Bariumtitanat/Epoxidmengen analysiert. Die gewünschte Zusammensetzung wird
erhalten, indem zusätzlich
gefiltertes Lösungsmittel
und/oder Epoxid bedarfsgerecht zugegeben wird. Das Gemisch kann
in einem Lösungsmittelsystem
aufgetragen oder das Lösungsmittel
kann weggelassen werden, wenn das organische Bindemittel eine Flüssigkeit
mit einer ausreichend niedrigen Viskosität, die das Beschichten ermöglicht,
ist.
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Das
Gemisch kann Additive wie ein Dispergiermittel, vorzugsweise ein
anionisches Dispergiermittel, wenn eine elektrische Isolierschicht
gewünscht
wird, enthalten sowie Lösungsmittel.
Beispiele von Dispergiermitteln weisen Polyester- und Polyamin-Copolymer
auf, das bei ICI Americas unter dem Handelsnamen "Hypermeer PS3" handelsüblich verfügbar ist.
Beispiele von Lösungsmitteln
weisen Methylethylketone und Methylisobutylketone auf, die beide
bei Aldrich Chemical, Milwaukee, WI handelsüblich verfügbar sind. Im bevorzugten System,
in welchem jedoch andere Additive nicht erforderlich sind, können zusätzliche
Komponenten wie Mittel zur Änderung
der Viskosität
oder zur Erzeugung einer Beschichtung mit dem Namen Level-Coating
zum Einsatz kommen.
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Dem
Gemisch kann ein Katalysator oder Härter zugegeben werden. Wenn
ein Katalysator oder Härter
zum Einsatz kommt, kann der Katalysator oder Härter vor dem Beschichtungsschritt
zugegeben werden. Vorzugsweise soll der Katalysator oder Härter gerade
noch vor dem Be schichtungsschritt zugegeben werden.
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Dienliche
Katalysatoren weisen Amine und Imidazole auf. Sind keine Partikel
mit einer basischen Oberfläche,
das heißt
mit einem pH von über
7, vorhanden, dann kann der beispielhafte Katalysator diejenigen,
die säurehaltige
Arten erzeugen, das heißt mit
einem pH von unter 7, wie beispielsweise Sulfoniumsalze, aufweisen.
Ein handelsüblicher
Katalysator ist 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)-phenol,
der handelsüblich
bei Aldrich Chemical, Milwaukee, WI erhältlich ist. Typischerweise
wird ein Katalysator in einer Menge von 0,5% bis 8% nach Gewicht,
vorzugsweise 0,5% bis 1,5%, basierend auf dem Harzgewicht vorzugsweise
in einer Menge von 0,5% bis 1% verwendet.
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Beispielhafte
Härter
weisen Polyamine, Polyamide, Polyphenole und Derivate davon auf.
Ein handelsüblicher
Härter
ist 1,3-Phenylendiamin, der handelsüblich bei der E.I. DuPont de
Nemours Company, Wilmington, DE erhältlich ist. Typischerweise wird
ein Härter
in einer Menge von 10% bis 100% nach Gewicht, vorzugsweise von 10%
bis 50% nach Gewicht, basierend auf dem Harzgewicht verwendet.
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Die
gereinigte Kupferfolie wird mit dem Gemisch anhand eines geeigneten
Verfahrens beschichtet, beispielsweise eines Gravurwalzenauftrags,
um ein beschichtetes Substrat zu bilden. Der Beschichtungsschritt
ist vorzugsweise in einem Reinraum auszuführen, um Kontaminierung zu
minimieren. Die trockene Dicke ist vom Prozentanteil an Feststoffen
im Gemisch, den relativen Geschwindigkeiten der Gravurwalze und
dem Beschichtungssubstrat abhängig
sowie vom Zellvolumen der verwendeten Gravur. Typischerweise, um
eine trockene Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm zu erlangen, muss der Prozentanteil
an Feststoffen im Bereich 20% bis 60% nach Gewicht liegen. Die Beschichtung wird
bis zu einem klebfreien Zustand im Ofen des Gravurwalzenauftrags
bei einer niedrigeren Durchschnittstemperatur als etwa 100°C getrocknet.
Vorzugsweise wird die Beschichtung in Stufen getrocknet, indem die
Starttemperatur bei etwa 30°C
und die Endtemperatur bei etwa 100°C liegen soll, und wird anschließend auf
eine Walze gewickelt. Höhere
Endtrocknungstemperaturen, beispielsweise bis etwa 200°C, können eingesetzt
werden, sind jedoch nicht erforderlich. Im Allgemeinen treten kaum
Quervernetzungen während
des Trocknungsschritts auf, der vornehmlich so viel Lösungsmittel
wie möglich
entfernen soll. Zurückbehaltenes
Lösungsmittel
kann zu Blockierung führen
(d. h. ungewünschte
Zwischenlagenhaftung), wenn die Beschichtung auf einer Walze verwahrt
wird, und zu schwacher Haftung. Sobald das Gemisch getrocknet ist,
weist die Beschichtung das leitende Substrat mit einer darauf gebildeten
dielektrischen Schicht auf.
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Techniken
zur Vermeidung von Fehlern umfassen In-Line-Filterung und eine Entlüftung des
Beschichtungsgemischs. Ferner soll vorzugsweise beim Einsatz eines
Harzes, das eine Härtung
erfordert, mindestens eine der elektrisch isolierten oder elektrisch
leitenden Schichten teilweise gehärtet sein, vorzugsweise an
der Luft, bevor zwei Substrate, die mit einer elektrisch isolierten
Schicht beschichtet sind, laminiert werden. Insbesondere kann die
Haftung des Substrates durch eine Wärmebehandlung der Beschichtung
vor dem Laminieren verbessert werden. Die Wärmebehandlungszeit ist vorzugsweise
kurz und dauert im Allgemeinen nicht länger als etwa 10 Minuten, insbesondere
bei höheren
Temperaturen.
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Das
Laminieren ist vorzugsweise anhand von zwei der zuvor beschriebenen
beschichteten Substrate zu vollziehen. Eines der beschichteten Substrate
kann einen Ofen durchlaufen, bevor es das Laminiergerät erreicht,
beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 180°C während einer
Dauer von etwa 2 Minuten bis etwa 10 Minuten. Dieser vorbereitende
Heizschritt kann auf einem oder beiden der beschichteten Substrate
erfolgen. Vorzugsweise sollte die elektrisch isolierte Schicht nichts während des
Laminierens berühren,
und das Laminieren sollte im Reinraum erfolgen.
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Um
einen Kondensator gemäß der vorliegenden
Erfindung herzustellen, werden die beschichteten Substrate von einer
dielektrischen Schicht zur anderen dielektrischen Schicht anhand
eines Laminiergerätes
mit zwei Andruckwalzen, die auf eine Temperatur von etwa 150°C bis etwa
200°C erhitzt werden,
vorzugsweise 150°C,
laminiert. Ein geeigneter Luftdruck ist den Laminiergerätwalzen
vorzugsweise bei einem Druck von 34 kPa bis 280 kPa (5 psi bis 40
psi), vorzugsweise 100 kPa (15 psi) bereitzustellen. Die Walzengeschwindigkeit
kann auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden und reicht vorzugsweise
von etwa 0,5 bis 1,5 cm/Sekunde (12 bis etwa 36 Zoll/Minute), vorzugsweise
0,64 cm/Sekunde (15 Zoll/Minute). Dieses Verfahren kann auch in einem
Batch-Betrieb durchgeführt
werden.
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Das
laminierte Substrat kann in Folienbahnen von gewünschter Länge oder auf einen geeigneten
Spulenkern gewickelt werden. Sobald das Laminieren beendigt ist,
sind die bevorzugten Reinraumanlagen nicht mehr erforderlich.
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Falls
das Harz eine Härtung
erfordert, wird das laminierte Material außerdem gehärtet. Beispielhafte Härtungstemperaturen
erstrecken sich von etwa 140°C
bis etwa 200°C,
vorzugsweise von etwa 140°C
bis etwa 170°C
und beispielhafte Härtungszeiten
weisen einen Zeitraum von etwa 60 Minuten bis etwa 150 Minuten auf,
vorzugsweise von etwa 60 Minuten bis etwa 100 Minuten.
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Das
Haften der dielektrischen Schicht am leitenden Substrat lässt sich
verbessern, wenn das leitende Substrat im Augenblick des Auftrags
ausreichend nach giebig ist oder während des Laminierens und/oder
Härtens
nachgiebig wird; das heißt,
die Kupferfolie wird vor dem Beschichten geglüht oder wird während der
nachfolgenden Verarbeitung geglüht.
Das Glühen
kann durch Erhitzen des leitenden Substrats vor dem Beschichtungsschritt
oder als Ergebnis des Härtungs-
oder Trocknungsschritts realisiert werden, wenn die Substratglühtemperatur
so hoch wie oder niedriger als die Härtungstemperatur des Harzes
ist. Vorzugsweise soll ein leitendes Substrat mit einer Glühtemperatur
unterhalb der Temperatur bei welcher die Härtung oder Trocknung und die Laminierung
stattfinden, verwendet werden. Die Glühbedingungen werden sich je
nach verwendetem leitenden Substrat ändern. Im Fall von Kupfer erreicht das
leitende Substrat vorzugsweise in jeder dieser Stufen im Verfahren
eine Vickers-Härte
anhand einer Charge von 10 g oder weniger als etwa 75 kg/mm2. Ein bevorzugter Temperaturbereich, der
diese Härte beim
Einsatz von Kupfer erreicht, erstreckt sich von etwa 100°C bis etwa
180°C, vorzugsweise
von etwa 120°C
bis etwa 160°C.
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Kondensatoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden aus dem laminierten Substrat anhand eines geeigneten
Verfahrens wie Stanzen oder Laserscheiden geschnitten. Optional
können
eine oder beide der leitenden Schichten und/oder die dielektrische
Schicht strukturiert werden, um diskrete Elektroden und Interconnect-Bereiche
zu bilden. Es kann jede geeignete Strukturiertechnik nach dem Stand
der Technik zum Einsatz kommen, um die verschiedenen Schichten des
Kondensators zu strukturieren. Das Strukturieren der leitenden Schichten
und der dielektrischen Schicht kann beispielsweise durch Fotolithografie
und/oder Laserablation, so wie aus dem Stand der Technik bekannt,
durchgeführt
werden.
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Die
Fotolithografie kann durchgeführt
werden, indem das Fotoresist auf einer oder beiden der leitenden
Schichten aufgetragen und dann belichtet und entwickelt wird, um
eine Struktur verborgener und belichteter Bereiche auf den entsprechenden Schichten
zu bilden. Wird der Kondensator dann einer ätzenden Lösung ausgesetzt, können die
ausgewählten
Bereiche und Schichten des Kondensators entfernt werden. Anschließend wird
ein Strippingmittel wie Kaliumhydroxid verwendet, um die verbleibenden
Fotoresist-Bereiche zu entfernen. Anhand dieses Verfahrend können ungewünschte Bereiche
und Schichten des Kondensators entfernt werden.
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Die
Laserablation lässt
sich durchführen,
indem ein Laser Material selektiv thermisch entfernt, wie beispielsweise
die dielektrische Schicht vom Kondensator. Die Fotolithografie und
Laserablation können
kombiniert eingesetzt werden.
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Die
elektrische Leistungsfähigkeit,
die vom Elektronikgehäuse
gemäß der vorliegenden
Erfindung geboten wird, ist hinsichtlich vorheriger Gestaltungen
sehr verbessert. Es ist kein komplexes Strukturieren der leitenden
Leiterbahnschichten und der dielektrischen Schicht des Kondensators
erforderlich, damit die Interconnect-Pads der Interconnect-Schaltung
elektrisch mit den leitenden Schichten des Kondensators verbunden
werden können. Die
Signalleiterbahnen in diesen Gehäusen
werden nahe an den Elektroden gehalten, damit die Induktivität der Signalleiterbahnen
kontrolliert werden kann. Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung
eine relativ hohe Kapazität
zwischen den Signalleiterbahnen und den danebenliegenden Elektroden
des Kondensators bereit. Die Kapazitäts- und Induktivitätscharakteristika
haben eine relativ niedrige Impedanz zur Folge und ermöglichen,
dass der Rückstrom
in Elektronikgehäusen
gemäß der vorliegenden
Erfindung effektiv auf jeder der Schichten des Kondensators weitergeleitet
wird.