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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Reduzierung des Leistungsrauschens,
insbesondere die Reduzierung im Mittel- und Hochfrequenzbereich
und ganz speziell eine Pad-Via-Konfiguration (VIA, Vertical Interconnect
Access, Durchkontaktierung) für
oberflächenmontierbare
Entkopplungskondensatoren (SMT-Entkopplungskondensatoren).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Auf
Grund der wachsenden Komplexität
von Halbleiterelementen wächst
die Gesamtmenge des von den Logikelementen benötigten Schaltstroms. Daraus
resultiert auch eine Erhöhung
des gleichzeitigen Schaltrauschens und führt zu einer langsameren Arbeitslogik,
einer längeren
Zykluszeit und somit einer sinkenden Systemleistung. Zur Erreichung
einer höheren
Systemleistung besteht ein Ziel des modernen Systemdesigns darin,
die Spannung zu stabilisieren. Es ist bekannt, dass mit Hilfe von
auf MCM (Multi-Chip-Modulen), Leiterkarten oder Leiterplatten montierten
Entkopplungskondensatoren eine stabilisierte Spannung erreicht werden kann.
Jedoch führt
das höhere
Leistungsrauschen in Verbindung mit einer niedrigeren Betriebsspannung
der Halbleiterelemente zu einer wachsenden Anzahl von für die Entkopplung
erforderlichen Kondensatoren. Dies führt zu zusätzlichen Problemen:
- – große Flächen auf
dem MCM, der Leiterkarte bzw. Leiterplatte, die für die Platzierung
des Kondensators erforderlich sind, sowie abnehmende Effektivität des Kondensators
mit zunehmender Distanz zwischen dem Kondensator und der Rauschquelle;
- – weniger
Platz für
die Bestückung
mit Kondensatoren auf Grund eines höheren Komponentenintegrationsfaktors
auf Leiterkarten bzw. Leiterplatten;
- – steigende
Kosten für
montierte Komponenten auf Grund einer höheren Anzahl von Komponenten
und einer Verlängerung
der Produktionszeiten (Bohren von Durchkontaktierungen, Komponentenplatzierung, Kantenbearbeitung
etc.)
- – Verdrahtungsprobleme
auf Leiterkarten bzw. Leiterplatten auf Grund einer gestiegenen
Anzahl von Strom- und Massedurchkontaktierungen sowie einer möglicherweise
erhöhten
Signalverzögerung,
verringerten Zykluszeit, erhöhten
Anzahl von Leiterkarten- bzw. Leiterplattenschichten sowie verringerten
Systemleistung;
- – weniger
effektive kupferbeschichtete Stromschichten und Masseschichten auf
Grund einer gestiegenen Anzahl von Durchkontaktierungen und Freiätzungen,
höherer
Gleichstrom-Widerstand
bei Strom- und Masseflächen,
erhöhter
Gleichstrom-Spannungsabfall
auf Leiterkarten bzw. Leiterplatten zwischen Spannungsquelle und
Logik, verringerte Systemleistung.
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Um
eine möglichst
hohe Effektivität
aller Kondensatoren zu erreichen, muss die Kondensatorladung so
schnell wie möglich
zur Rauschquelle gelangen. Deshalb muss die innere Induktivität des Kondensators
wie auch die Pfadinduktivität
(vom Kondensator zur Rauschquelle) so gering wie möglich gehalten
werden. Auf Grund dieser Beschränkungen
muss der Kondensator
- – so nahe wie möglich an
der Rauschquelle platziert werden,
- – eine
geringe innere Induktivität
aufweisen und
- – eine
geringe Induktivität
des Kondensatorpads und der Durchkontaktierung, die das Pad mit
der Spannungs- und der Massefläche
verbindet, aufweisen.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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Entkopplungskondensatoren
werden zur Bereitstellung einer kurzfristigen Stromquelle oder Senke
für den
Stromkreis verwendet, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.
Die Entkopplungskondensatoren dienen beispielsweise als Speichermedium
für elektrische
Ladung, das eine kurzfristige Stromquelle für den Stromkreis bereitstellen
kann.
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Auf
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Kondensatoren mit einem
niedrigen Kapazitätswert
als HF-Entstörfilter
und Kondensatoren mit einem hohen Kapazitätswert als NF-Entstörfilter
verwendet werden können.
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Typischerweise
werden Entkopplungskondensatoren zur Erhöhung ihrer Effektivität so nahe
wie möglich
zum Schaltkreis platziert. In
US-A-4,654,694 werden seitliche Anschlüsse zum
Platzieren eines Kondensators in direkter Nähe zu einem Chip oder alternativ
zu einem Chip und einem Masse-Strom-E/A, beschrieben. Durch diese
Technik wird die effektive Induktivität des Strompfades minimiert.
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In
manchen Ausführungen
wurden Entkopplungskondensatoren in dem Paket platziert, das den
integrierten Schaltkreis enthält.
In
US-A-4,945,399 wird
ein Träger
für einen
Halbleiterchip beschrieben, der eine Vielzahl von verteilten HF-Entkopplungskondensatoren
als einen integralen Bestandteil des Trägers umfasst. Die verteilten
Kondensatoren sind als ein Bestandteil der ersten und zweiten metallisierten
Schicht ausgebildet und durch eine Schicht aus dielektrischem Dünnfilmmaterial
getrennt.
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In
US-A-5,132,613 wird
eine Teststruktur für
einen integrierten Schaltkreis beschrieben, der einzelne Schichten
eines Personalisierungssubstrats und Entkopplungskondensatoren umfasst,
wobei die Entkopplungskondensatoren mit den in nächster Nähe angeordneten Metallleitungen
elektrisch verbunden sind und das Personalisierungssubstrat somit
die damit verbundene Leitungsinduktivität minimiert und dadurch die
Effektivität
des Entkopplungskondensators maximiert.
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Auch
wenn die Verwendung von Kondensatoren mit niedriger innerer Induktivität einige
Vorteile aufweist, stellt die ebenso niedrige Kapazität des Kondensators
selbst einen bedeutenden Nachteil dar (niedrige Induktivität ist nur
bei niedriger Kapazität
verfügbar).
Ein weiterer Nachteil ist die verringerte Effektivität des Kondensators
mit niedriger Induktivität,
die durch die Induktivität
der Montagepads zusammen mit den Durchkontaktierungen des Kondensators
begrenzt ist.
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In
US-A-5,731,960 wird
eine Rauschunterdrückungsvorrichtung
für eine
Leiterplatte beschrieben, die einen Entkopplungskondensator umfasst,
der mit Montagebereichen von Pads gekoppelt ist, die wiederum einen
mit Durchkontaktierungen verbundenen Grenzbereich aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels mehrerer
oberflächenmontierbarer Entkopplungskondensatoren
ein Verfahren zur Minimierung des Schaltrauschens im Hoch- und Mittelfrequenzbereich
auf Leiterkarten oder -platten bereitzustellen, wobei die parasitäre Induktivität der Pads
und Durchkontaktierungen minimiert wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effektivität des Entkopplungskondensators
zu erhöhen,
den Spannungsabfall zu reduzieren und die gesamte Systemleistung
zu verbessern.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile werden durch ein Verfahren zur
Minimierung des Schaltrauschens im Hoch- und Mittelfrequenzbereich
nach Anspruch 1 und durch die Struktur nach Anspruch 4 erfüllt.
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Vorteilhafte
Ausführungsarten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die übliche
Pad-Via-Bauart nach dem Stand der Technik;
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2 stellt
die Bauart von 1 in einer dreidimensionalen
Ansicht dar;
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3 ist
eine zweidimensionale Ansicht mehrerer Kondensatorpads mit Durchkontaktierungen
und montierten Kondensatoren nach dem Stand der Technik;
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4 zeigt
die Anordnung von 3 in einer dreidimensionalen
Ansicht;
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5 ist
eine zweidimensionale Ansicht der erfindungsgemäßen Pad-Via-Konfiguration für Kondensatoren;
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6 stellt
die Konfiguration von 5 in einer dreidimensionalen
Ansicht dar;
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7 und 8 zeigen
eine andere erfindungsgemäße Konfiguration
mit mehreren Entkopplungskondensatoren;
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9 und 10 zeigen
noch eine andere erfindungsgemäße Konfiguration;
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11 und 12 zeigen
wiederum eine andere erfindungsgemäße Konfiguration und
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13 zeigt
anhand eines Graphen einen Vergleich der simulierten Schleifeninduktivität für eine Gruppe
von drei Kondensatoren in einer Konfiguration nach dem Stand der
Technik und mit der erfindungsgemäßen Konfiguration.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSART
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In 1 wird
die übliche
Pad-Via-Bauart (wie es normalerweise vom Kondensatorlieferanten
empfohlen wird) in der Draufsicht in Kombination mit einem einzigen
montierten Kondensator gezeigt. 2 zeigt
dieselbe Pad-Via-Konfiguration mit dem montierten Kondensator in
dreidimensionaler Darstellung. Die Größe des Pads 2 selbst
wird hauptsächlich
durch die Größe des Kondensatorkörpers 4 sowie
durch Produktions- und insbesondere Lötempfehlungen bestimmt. Wie
empfohlen, befinden sich die Durchkontaktierungen 6 außerhalb
des Lötbereichs 8 des
Pads. Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist der Abstand „D" von Mittelpunkt
zu Mittelpunkt der Durchkontaktierungen groß. Jedes Pad 2 des
Kondensators 4 ist jeweils über eine Durchkontaktierung 6 mit
Strom und Masse verbunden (nicht dargestellt).
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Um
mehrere oberflächenmontierbare
Kondensatoren verwenden zu können,
werden die Kondensatoren nebeneinander auf Pads in einem durch die
Vorgaben für
die automatische Platzierung spezifizierten Sicherheitsabstand montiert. 3 zeigt
eine zweidimensionale und 4 eine dreidimensionale
Zeichnung mehrerer Kondensatorpads 2 mit Durchkontaktierungen 6 und
montierten Kondensatoren 4.
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Die
neue erfindungsgemäße Kondensatorpad-Via-Konfiguration
wird jeweils in den 5 und 6 dargestellt.
Die Hauptunterschiede zwischen der in den 1 und 2 dargestellten
alten Pad-Via-Konfiguration sind die Größe der Pads, der Abstand zwischen
beiden Pads und die Position der Durchkontaktierungen und somit
auch der Abstand „D" von Mittelpunkt
zu Mittelpunkt der Durchkontaktierungen 6. Im Vergleich
zum Stand der Technik sind die Pads nun größer und die Durchkontaktierungen
dadurch in direkter Nähe
zu den entsprechenden Kondensatoren angeordnet. Um die Schleifeninduktivität der Pads
und Durchkontaktierungen zu minimieren, muss die Pad-Via-Konfiguration
die folgenden Anforderungen erfüllen:
- – minimaler
Abstand „D" von Mittelpunkt
zu Mittelpunkt der Durchkontaktierungen 6
Dies liegt
darin begründet,
dass die gegenseitige Kopplung zwischen den Durchkontaktierungen
umso höher
und die Schleifeninduktivität
umso niedriger ist, je kleiner der Abstand ist.
- – minimaler
Abstand „P" zwischen den beiden
Kondensatorpads 2
Dies liegt darin begründet, dass
der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen umso kleiner ist,
je kleiner der Abstand zwischen den Pads ist.
- – minimaler
Abstand „C" zwischen dem Mittelpunkt
der Durchkontaktierungen 6 und dem Kontaktpunkt zwischen
dem Kondensator 4 und dem Pad 2
Dies liegt
darin begründet,
dass die Schleifeninduktivität
umso kleiner ist, je kleiner der Abstand ist.
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Eine
weitere Reduzierung der Schleifeninduktivität der in den 5 und 6 gezeigten
Konfiguration mit Pads und Durchkontaktierungen kann erreicht werden
durch:
- 1. Verbreiterung des Pads 2 und
Hinzufügen
eines zweiten Durchkontaktierungspaars an der linken Kondensatorseite
(siehe 11 und 12), so
dass sich eine Struktur ergibt, in der Durchkontaktierungen und
Kondensatoren abwechselnd angeordnet sind.
Auf diese Weise
wird durch parallele Anordnung der Durchkontaktierungen die Induktivität L verringert.
- 2. Verwendung mehrerer in einer Reihe angeordneter Durchkontaktierungen
auf einem Pad
Hier führt
die parallele Anordnung der Durchkontaktierungen zur Einsparung
von erforderlicher Montagefläche
im Vergleich zu Punkt 1.
- 3. Verwendung eines größeren Durchkontaktierungsdurchmessers
- 4. Verwendung größerer Pads
Mit
den Punkten 3 und 4 wird eine verringerte Induktivität L erzielt.
- 5. Platzierung der Durchkontaktierungen unter dem Kondensatorkörper
Dies
führt,
ebenso wie Punkt 2, zu einer Einsparung von erforderlicher Montagefläche, und
die minimale Fläche
bewirkt wiederum eine minimale Induktivität.
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Um
mehrere oberflächenmontierbare
Kondensatoren zu Entkopplungszwecken für eine einzige Spannungshöhe zu verwenden,
können
die Kondensatoren, wie in den 7 und 8 gezeigt,
jeweils in Reihe auf Kondensatorpad-Streifen montiert werden. Die
Abstände „B" zwischen den Kondensatorkörpern sind
dieselben wie in den 3 und 4 und werden
hauptsächlich
durch das verwendete Bestückungswerkzeug bestimmt.
Die Durchkontaktierungen 6 werden in dem Bereich zwischen
den Kondensatoren 4 mit einem Minimalabstand „D" von Mittelpunkt
zu Mittelpunkt eines Durchkontaktierungspaares platziert. Der Abstand „P" zwischen den Padstreifen
wird ebenfalls auf ein Minimum reduziert.
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Eine
weitere Verbesserung dieser Struktur wird in den 9 und 10 gezeigt,
bei der der Padstreifen 2 länger ist und ein zusätzliches
Durchkontaktierungspaar 6a am äußeren Ende des Padstreifens 2 hinzugefügt wurde.
Zur Vermeidung von Kurzschlüssen
zwischen den Pads, die durch falsche Platzierung der Kondensatoren
verursacht werden, kann der Abstand zwischen den Padstreifen unter
dem Kondensator vergrößert werden.
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Eine
weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn die Pads 2 von 5 so
vergrößert werden, dass
ein zusätzliches
Durchkontaktierungspaar 6b an der Außenseite des Kondensators 4 platziert
werden kann. Diese Ausführungsart
wird in den 11 und 12 gezeigt.
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13 zeigt
einen Vergleich der simulierten Schleifeninduktivität für eine Gruppe
von drei Kondensatoren unter Verwendung einzelner Pads (alte Bauart)
und der Padstreifen-Struktur (neue Bauart) mit einem Durchkontaktierungsdurchmesser
von 18 mm und für
verschiedene Durchkontaktierungslängen. In Abhängigkeit
von der Länge
der Durchkontaktierung kann die gesamte Schleifeninduktivität um einen
Faktor 5,3 bei einer Länge
von 500 μm
und um einen Faktor 2,7 bei Durchkontaktierungen mit einer Länge von
2,5 mm reduziert werden.
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Durch
die Reduzierung der Schleifeninduktivität zwischen den Pads und den
Durchkontaktierungen wird die Effektivität des Kondensators erhöht, und
die Gesamtzahl der für
die Entkopplung auf Leiterkarten und -platten erforderlichen Kondensatoren
kann reduziert werden. In Tabelle 1 wird beispielhaft ein Vergleich
der Anzahl der Kondensatoren gezeigt, die zum Entkoppeln der 1,5
V und der 1,8 V auf einer Leiterplatte erforderlich sind. Die Berechnungen
wurden jeweils anhand der alten und der neuen Pad-Via-Bauart ausgeführt. Die Anzahl
der für
das Entkoppeln von 1,5 V und 1,8 V erforderlichen Kondensatoren
kann von 4792 auf 1985 bzw. von 373 auf 155 reduziert werden. Tabelle 1
| | Alte
Bauart | Neue
Bauart |
| Anzahl
Kondensatoren bei 1,5 V | 4792 | 1985 |
| Anzahl
Kondensatoren bei 1,8 V | 373 | 155 |
| Gesamtanzahl
Kondensatoren | 5165 | 2140 |
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Die
Vorteile dieser Reduzierung sind:
- – sinkende
Preise montierter Bauteile auf Grund sinkender Komponentenanzahl
- – niedrigere
Produktionskosten auf Grund kürzerer
Produktionszykluszeiten (weniger Zeit für Komponentenbestückung und
Bohrung der Durchkontaktierungen)
- – weniger
Verdrahtungsprobleme auf Grund geringerer Anzahl von Kondensatoren
und Durchkontaktierungen
- – weniger
Probleme bei der Komponentenbestückung
auf Leiterkarten und platten mit hoher Integrationsdichte
- – geringere
Abstände
zwischen den Komponenten auf Grund geringerer Kondensatoranzahl
- – geringere
Signalverzögerung,
kürzere
Zykluszeiten, höhere
Systemleistung
- – verbesserter
Querschnitt der Leiterkarten bzw. -platten auf Grund geringerer
Anzahl der Durchkontaktierungen
- – weniger
Parallelresonanzen zwischen unterschiedlichen Kondensatortypen auf
Grund niedrigerer parasitärer
Induktivität
der Durchkontaktierungen
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Ein
weiterer Hauptvorteil der neuen Pad-Via-Bauart ist die verbesserte
Verdrahtbarkeit im Kondensatorbereich. Jede Durchkontaktierung ist
mit Durchätzungen
auf jeder Stromschicht (für
eine mit Masse verbundene Durchkontaktierung) und auf jeder Masseschicht
(für eine
mit Strom verbundene Durchkontaktierung) ausgestattet. Aus verschiedenen
Gründen
(z. B. Kopplung, Impedanzunterschiede) dürfen Signalleiter im Allgemeinen
nicht durch eine Freiätzung
geführt
werden. Somit schränkt
die Freiätzung
die Verdrahtbarkeit im Kondensatorbereich ein. Im Gegensatz zur
alten Kondensatorpad-Via-Bauart, bei der die Freiätzungen
eines Durchkontaktierungspaares (Strom- und Massedurchkontaktierung
von einem einzigen Kondensator) getrennt sind, überlappen sich die Durchkontaktierungen
der neuen Kondensatorpad-Via-Bauart auf Grund des geringen Abstands
zwischen dem Durchkontaktierungspaar. Durch die Überlappung der Durchkontaktierungen
vergrößert sich
die Verdrahtungsfläche.
Dadurch erhöht
sich die Verdrahtbarkeit im Kondensatorbereich, kann die Anzahl
der Leitungsschichten in einem dichten Verdrahtungsbereich reduziert
werden und können
schließlich die
Kosten für
Leiterkarten und -platten reduziert werden.