DE69505565T2

DE69505565T2 - Elektronische schaltungsstruktur

Info

Publication number: DE69505565T2
Application number: DE69505565T
Authority: DE
Inventors: Michael E. Saint Paul Mn 55133-3427 Griffin
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: US5631807A; EP0804866A1; EP0804866B1; KR19980701445A; CN1106136C; US5689600A; DE69505565D1; AU690401B2; WO1996022671A1; AU4291596A; CN1173269A; JPH10512717A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektronische Schaltungsstrukturen und insbesondere elektronische Schaltungsstrukturen mit verringerter Größe.

Erörterung des Standes der Technik

Fortschritte in der Übertragungskapazität von hochleistungsfähigen, dezentralisierten Rechen- und Meßgerätesystemen sowie von PC-Systemen haben zu einer erheblichen Zunahme der Anzahl der erforderlichen Übertragungsverbindungen zwischen einzelnen Stellen, für Busse und Netzwerke geführt. Gleichzeitig werden der Größe der erforderlichen Übertragungsverbindungen durch die Miniaturisierung der Hardware und die gestiegene Packungsdichte in solchen Rechen- und Meßgerätesystemen Beschränkungen auferlegt.
Form-Faktoren, die beispielsweise von der Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA) erstellt wurden, haben zu einer drastischen Verringerung der Größe verschiedener in PC-Systemen verwendeter Übertragungsverbindungskarten geführt. Bei größeren Rechen- und Meßgerätesystemen hat eine starke Verbreitung von Hochleistungs-Hardware stattgefunden, beispielsweise von Hochgeschwindigkeitsübertragungsbrücken, Routern und nicht blockierenden Datenschaltern, was zu einer Konzentration der erforderlichen Übertragungsverbindungen auf erheblich engerem Raum geführt hat.
Der Trend zur Miniaturisierung und zur höheren Packungsdichte sowohl in PCs, als auch bei größeren Rechen- und Meßgerätesystemen hat eine Nachfrage nach Übertragungsverbindungen mit geringerer Größe, jedoch gleicher Leistung und Kostengünstigkeit geschaffen. Diese Nachfrage stellt insbesondere aufgrund der Größe bestehender Hardware und der mit der Verkleinerung steigenden Probleme bei der Impedanz kontrolle, der elektrischen Isolierung, der Wärmeübertragung und der kapazitiven Filterung eine Herausforderung dar. Unglücklicherweise hat die Verwendung herkömmlicher Schaltungsstrukturtechnologie zu elektrischen Übertragungsverbindungen und insbesondere optischen Übertragungsverbindungen geführt, die für viele klein- bis mittelformatige Anwendungen zu platzraubend sind.
Herkömmliche Schaltungsstrukturtechnologien verwendende Übertragungsverbindungen weisen im allgemeinen eine elektronische Schaltungsstruktur mit elektronischen Bauteilen, die auf der Oberfläche eines Schaltungssubstrats oder über ein Durchgangsloch auf diesem montiert sind. Die Oberflächen- oder Durchgangslochmontageverfahren erzeugen eine lineare Dickenzunahme, die zu einem für viele Anwendungen mit begrenztem Platz ungeeigneten Profil führt. Die Verwendung des Oberflächen- oder des Durchgangslochmontageverfahrens erzeugt im allgemeinen ein Schaltungsstrukturprofil in der Größenordnung von beispielsweise 0,4 Inch Höhe, die für viele Raumanforderungen zu groß ist.
Der erforderliche seitliche Freiraum zwischen benachbarten elektronischen Bauteilen, die mittels des Oberflächen- oder des Durchgangslochmontageverfahrens angebracht sind, kann eine unerwünscht große Fläche schaffen, welche die Übertragungsverbindung gleichermaßen ungeeignet für das Anbringen auf engem Raum macht. Die Verwendung herkömmlicher Oberflächen- oder Durchgangslochmontageverfahren erfordert üblicherweise unerwünschte Abstände, beispielsweise zwischen den Elementen auf dem Schaltungssubstrat, wodurch eine Fläche erzeugt wird, die für viele Raumanforderungen zu groß ist.
Hybrid-Schaltungsverfahren, die entweder blanke Chip- und Drahtverbindungen oder monolithische Integrationsverfahren verwenden, wurden als ein Weg zum Erreichen von Schaltungsstrukturen mit verringerten Profilen und Flächen vorgeschlagen. Die Hybrid-Schaltungstechniken und die monolithischen Integrationsverfahren können zur Herstellung von Schaltungsstrukturen mit verringerter Größe und akzeptabler Leistung geeignet sein. Jedoch können die zusätzliche Prozeß- und Handhabungskomplexität und weitere Testanforderungen die Verwendung des Hybrid-Schaltungsverfahrens und des monolithischen Integrationsverfahrens sehr kostspielig machen. Diese Kosten werden im allgemeinen nur bei sehr hohen Stückzahlen kompensiert, wodurch die Hybrid-Schaltungsverfahren für viele Anwendungen unattraktiv sind.
Die Trends zur Miniaturisierung und zur erhöhten Packungsdichte in Rechen- und. Meßgerätesystemen zeigen den Bedarf an elektronischen Schaltungsstrukturen mit verringerter Größe. Angesichts der relativ großen Größe von herkömmlich montierten elektronischen Schaltungsstrukturen und der Kosten elektronischer Schaltungsstrukturen, die nach dem Hybrid-Schaltungs- und dem monolithischen Integrationsverfahren montiert sind, besteht weiterhin ein Bedarf an einer kleinformatigen elektronischen Schaltungsstruktur, die auf kostengünstige Weise montiert werden kann.
Ein Beispiel für ein elektronisches Schaltungssubstrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in DE-A-40 22 829 offenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsstruktur mit verringerter Größe. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsstruktur ist besonders zur Verringerung der Größe einer Übertragungsverbindung, beispielsweise einer optischen Datenübertragungsverbindung, geeignet, kann jedoch leicht auf andere elektronische Vorrichtungen angewendet werden, bei denen eine Größenverringerung erwünscht ist. Wie im folgenden beschrieben, nutzt die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsstruktur ein einzigartiges Bauteilmontageverfahren, bei dem ein elektronisches Bauteil in einer Öffnung eines Schaltungssubstrats gestützt ist. Dieses Montageverfahren verringert erfindungsgemäß das Profil der gesamten elektronischen Schaltungsstruktur. Die Öffnung ermöglicht ferner das teilweise überlappende Montieren von elektronischen Bauteilen, um die Seitenfläche der elektronischen Schaltungsstruktur zu verringern. Die elektronische Schaltungsstruktur kann Standard-FR-4-, G-10-, oder keramische Schaltungssubstrate oder mehrlagige Flex-Schaltungen sowie elektronische Bauteile in Form von Standard-Anschluß-IC-Packungen verwenden, wodurch eine kostengünstige Montage ermöglicht wird. Das Montieren der elektronischen Bauteile in der Öffnung des Schaltungssubstrats kann erfindungsgemäß den weiteren Vorteil der Unterstützung der Wärmeableitung bieten. Das Vorsehen von Spannungs- und Masseebenen mit Matrixstrukturen kann erfindungsgemäß der Wärmeableitung weiter dienlich sein und elektrische Isolierung, kapazitive Filterung und Impedanzkontrolle ermöglichen. Ferner erleichtert die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsstruktur das hochdichte Packen mehrerer elektronischer Strukturen, beispielsweise in gestapelter oder radialer Anordnung.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden teils in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben und ergeben sich zum anderen aus der Beschreibung oder sind aus der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung abzuleiten. Die Vorteile der Erfindung werden durch Einrichtungen, die in der Beschreibung und den Patentansprüchen sowie den zugehörigen Zeichnungen besonders dargelegt sind, erreicht und verwirklicht.
Wie umfassend durch Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung nach einem ersten Ausführungsbeispiel eine elektronische Schaltungsstruktur mit einem Schaltungssubstrat mit einer ersten Hauptfläche, einer zweiten Hauptfläche und mehreren Seitenflächen, wobei das Schaltungssubstrat mehrere leitfähige Flächen aufweist, einer sich durch das Schaltungssubstrat von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche erstreckenden Öffnung, und einem elektronischen Bauteil, das in der Öffnung gestützt ist, wobei das elektronische Bauteil mehrere leitfähige Leiter aufweist, die mit einer oder mehreren der leitfähigen Flächen verbunden sind.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung eine optoelektronische Konnektorpackung mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angebrachten Schaltungssubstrat, wobei das Schaltungssubstrat aufweist: eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und mehrere Seitenflächen, mehrere auf mindestens der ersten oder der zweiten Hauptfläche des Schaltungssubstrats ausgebildete leitfähige Flächen, eine sich durch das Schaltungssubstrat von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche erstreckende Öffnung, und ein elektronisches Bauteil, das in der Öffnung gestützt ist, wobei das elektronische Bauteil mehrere leitfähige Leiter aufweist, die mit einer oder mehreren der leitfähigen Flächen verbunden sind, eine in dem Gehäuse angebrachte Konnektorstruktur zum Aufnehmen einer optischen Faser, und ein in dem Gehäuse angebrachtes und mit der Konnektorstruktur und dem elektronischen Bauteil verbundenes optoelektronisches Bauteil zum Empfangen eines optischen Signals von der optischen Faser und zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal, wobei das elektronische Bauteil das elektrische Signal von dem optoelektronischen Bauteil empfängt.
Nach einem dritten Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung eine elektronische Schaltungsstruktur mit einer ersten dielektrischen Schicht, einer neben der ersten dielektrischen Schicht ausgebildeten Masseebene, einer der Masseebene gegenüberliegend ausgebildeten Spannungsebene neben der ersten dielektrischen Schicht, einer der ersten dielektrischen Schicht gegenüberliegend ausgebildeten zweiten dielektrischen Schicht neben der Masseebene, einer der ersten dielektrischen Schicht gegenüberliegend ausgebildeten dritten dielektrischen Schicht neben der Spannungsebene, einer neben der zweiten dielektrischen Schicht gegenüber der Masseebene ausgebildeten ersten Signalschicht, und einer neben der dritten dielektrischen Schicht gegenüber der Spannungsebene ausgebildeten zweiten Signalschicht, wobei sich wenigsten eine Öffnung durch die erste dielektrische Schicht, die Masseebene, die Spannungsebene, die zweite dielektrische Schicht, die dritte dielektrische Schicht, die erste Signalschicht und die zweite Signalschicht erstreckt, und wobei das elektronische Bauteil in der Öffnung gestützt ist, wobei die Spannungs- und die Masseebene jeweils eine Reihe von zusätzlichen Öffnungen aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung lediglich als Beispiel und zur Erläuterung dienen und die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die zugehörigen Zeichnungen sind zum Zweck eines besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung beigefügt und sind Bestandteil der Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer elektronischen Schaltungsstruktur, die gemäß einem herkömmlichen Oberflächenmontageverfahren hergestellt ist;
Fig. 2A ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer ersten elektronischen Schaltungsstruktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer zweiten elektronischen Schaltungsstruktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2C ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer dritten elektronischen Schaltungsstruktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine elektronische Schaltungsstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer ersten optoelektronischen Konnektorpackung mit einer elektronischen Schaltungsstruktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine zweite optoelektronische Konnektorpackung mit einer elektronischen Schaltungsstruktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht der zweiten optoelektronischen Konnektorpackung nach Fig. 5;
Fig. 7 ist eine perspektivische Seitenansicht mehrerer gestapelter elektronischer Schaltungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine perspektivische Seitenansicht mehrerer radial angeordneter elektronischer Schaltungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine Vorderansicht mehrerer radial angeordneter und in einem Gehäuse angeordneter elektronischer Schaltungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine Querschnitt-Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schaltungssubstrats, das Spannungs- und Masseebenen mit einer Reihe von Öffnungen aufweist; und
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf Spannungs- und Masseebenen mit einer Reihe von Öffnungen nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer elektronischen Schaltungsstruktur 10, die nach herkömmlichen Oberflächenmontageverfahren hergestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte elektronische Schaltungsstruktur 10 weist ein Schaltungssubstrat 12, eines oder mehrere integrierte elektronische Bauteile 14 und mehrere diskrete elektronische Bauteile 16 auf. Die integrierten elektronischen Bauteile 14 weisen üblicherweise aktive elektronische Schaltungen auf, während die diskreten elektronischen Bauteile 16 passive elektronische Bauteile sind. Bei einer eine optische Faser verwendenden Übertragungsverbindung können die integrierten elektronischen Komponenten 14 beispielsweise Treiber, Transimpedanzverstärker und Entscheidungsschaltungen aufweisen, während die diskreten integrierten elektronischen Bauteile 16 zahlreiche verschiedene Widerstände, Kondensatoren oder Induktoren aufweisen können.
Die Schaltungsstruktur 12 hat eine erste Hauptfläche 17 und eine zweite Hauptfläche 19 sowie mehrere Seitenflächen. Mehrere (nicht dargestellte) Leiterpfade sind auf der ersten und/oder der zweiten Hauptfläche 17, 19 des Schalungssubstrats ausgebildet. Ferner sind mehrere leitfähige Kontaktpads 20 auf wenigstens der ersten Hauptfläche 17 ausgebildet und mit den Leiterpfaden verbunden. Die integrierten elektronischen Bauteile 14 weisen Leiterpfade 18 auf, die sich von einer dem integrierten elektronischen Bauteil zugeordneten Packung aus erstrecken. Die Leitungen 18 sind beispielsweise durch Lot mit Kontaktpads 20 verbunden, um so eine Oberflächenmontage der integrierten Schaltungsbauteile 14 zu bewirken. Die diskreten elektronischen Bauteile 16 haben leitfähige Flächen, die ebenfalls durch Lot direkt mit Kontaktpads 20 zur Oberflächenmontage verbunden werden.
Die elektronische Schaltungsstruktur 10 der Fig. 1 hat durch das Wesen der Oberflächenmontage eine unerwünscht große Größe. Insbesondere erzeugt das herkömmliche Oberflächenmontageverfahren ein ausgeprägtes Profil 22, das als die Gesamtdicke der elektronischen Schaltungsstruktur 10 in im wesentlichen senkrechter Richtung zu der ersten Hauptfläche 17 und der zweiten Hauptfläche 19 gemessen ist. Das Profil 22 ist ungefähr gleich der Summe der Dicke 24 des Schaltungssubstrats 12; der Dicke 26 der Kontaktpads 20 und der Dicke 28 des größten integrierten Schaltungsbauteils 14; das auf der Oberfläche der ersten Hauptfläche 17 montiert ist. Obwohl die Dicke 26 der Kontaktpads 20 in der Fig. 1 zu Illustrationszwecken etwas übertrieben dargestellt ist, ist diese Abmessung normalerweise bei der Bestimmung des Profils der elektronischen Schaltungsstruktur 10 nicht unerheblich. In dem Beispiel nach Fig. 1 sind die integrierten elektronischen Bauteile 14 und die diskreten elektronischen Bauteile 16 als nur auf der Oberfläche der ersten Hauptfläche 17 des Schaltungssubstrats 12 montiert dargestellt. In vielen Fällen können die elektronischen Bauteile 14, 16 jedoch auf der Oberfläche der ersten Hauptfläche 17 und der zweiten Hauptfläche 19 montiert sein. Infolgedessen kann das Profil der elektronischen Schaltungsstruktur 10 sogar größer sein als in Fig. 1 dargestellt.
Das herkömmliche Oberflächenmontageverfahren erfordert ferner eine unerwünscht große Fläche des Schaltungssubstrats 12. Im Einzelnen erfordert das herkömmliche Oberflächenmontageverfahren einen ausreichenden Seitenabstand zwischen benachbarten elektronischen Bauteilen 14, 16, um Kurzschlüsse durch Lotbrücken, Kurzschlüsse durch eine fehlerhafte Ausrichtung der Bauteile und elektrische Interferenzen zwischen den Bauteilen zu vermeiden. Der erforderliche Seitenabstand verbraucht einen erheblichen Teil des Substratraums zwischen elektronischen Bauteilen 14, 16. Die Leiterpfade 18 der integrierten elektronischen Bauteile 14 können ebenfalls mit anderen Kontaktpads 20 verbunden sein als den Kontaktpads, über welche diskrete elektronische Bauteile 16 oberflächenmontiert ist. Infolgedessen hat die gesamte elektronische Schaltungsstruktur 10 eine unerwünscht große Fläche, welche sie für einige Anwendungen, bei denen kleine Flächen eine Rolle spielen, ungeeignet macht.
Fig. 2A ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer ersten elektronischen Schaltungsstruktur 30A nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie die elektronische Schaltungsstruktur 10 von Fig. 1 weist die Struktur 30A der Fig. 2A ein Schaltungssubstrat 12, eines oder mehrere integrierte elektronische Bauteile 14, mehrere diskrete elektronische Bauteile 16 und mehrere auf dem Schaltungssubstrat ausgebildete Kontaktpads 20 auf. Die Kontaktpads 20 sind mit Leiterpfaden gekoppelt, die auf der ersten Hauptfläche 17 und/oder der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungs substrats 12 ausgebildet sind. Ferner sind diskrete elektronische Bauteile 16 an Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17 und/oder der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungssubstrats 12 oberflächenmontiert.
Anders als die elektronische Schaltungsstruktur 10 der Fig. 1 weist die elektronische Schaltungsstruktur 30A der Fig. 2A ferner eine oder mehrere Öffnungen 32 auf, die sich von der ersten Hauptfläche 17 zur zweiten Hauptfläche 19 durch das Schaltungssubstrat 12 erstrecken. Die integrierten elektronischen Komponenten 14 sind in den Öffnungen 32 gestützt. Bei dem Beispiel der Fig. 2A sind die integrierten elektronischen Bauteile 14 in den Öffnungen 32 in umgekehrter Weise gestützt, so daß sich nur Teil des integrierten elektronischen Bauteils bis unterhalb der zweiten Hauptfläche 19 erstreckt und der andere Teil im wesentlichen bündig mit der ersten Hauptfläche 17 ist. Das in der Öffnung 32 gestützte integrierte elektronische Bauteil 14 kann eine Standardanschluß-IC-Packung aufweisen. Die Packung weist mehrere Leiter 18 auf; die mit einem oder mehreren leitfähigen Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17 verbunden sind. Die Leiter 18 sind mit den Kontaktpads 20 verbunden und können zumindest teilweise zum Stützen des integrierten elektronischen Bauteils 14 in der Öffnung 32 dienen. Es kann erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, das integrierte elektronische Bauteil 14 in der Öffnung 32 vollständig durch seine eigenen Leiter 18 zu stützen, um so die Notwendigkeit für jegliche externen Stützeinrichtungen zu eliminieren, die ansonsten das Profil der Schaltungsstruktur 30A vergrößern würden.
Die Öffnung 32 kann beispielsweise durch Fräsen, Stanzen oder Bohren des Schaltungssubstrats 12 gebildet werden. Nach der Ausbildung können die Innenseiten des Lochs 32 mit einem leitfähigen Material beschichtet werden, um die Menge der sich durch die elektronische Schaltungsstruktur 30A ausbreitenden elektromagnetischen Interferenzen zu verringern. Das Schaltungssubstrat 12 kann beispielsweise ein Standard-FR-4-, -G-10- oder Keramik-Substrat oder alternativ ein mehrlagiges Flex- Schaltungssubstrat sein. Die Dick des Schaltungssubstrats 12 kann je nach Anwendung variieren. Für ein minimales Profil sollte das Schaltungssubstrat 12 jedoch eine Dicke von weniger als ungefähr zwei Millimeter und vorzugsweise weniger als einen Millimeter haben.
Das erfindungsgemäße Aufhängen des integrierten elektronischen Bauteils 14 in der Öffnung 32 erzeugt ein erheblich verringertes Profil 34 der gesamten elektronischen Schaltungsstruktur 30A. Wie bei der elektronischen Schaltungsstruktur 10 der Fig. 1 wird das Profil als die Gesamtdicke der elektronischen Schaltungsstruktur 30A in im wesentlichen senkrechter Richtung zu der ersten Hauptfläche 17 und der zweiten Hauptfläche 19 gemessen. Wie in Fig. 2A gezeigt ist das Profil 34 der elektronischen Schaltungsstruktur 30A geringer als das Profil 22 der elektronischen Schaltungsstruktur 10. Insbesondere ist das Profil 34 deutlich geringer als die Summe der Dicke des elektronischen Bauteils 14 und der Dicke des Schaltungssubstrats 12. Vielmehr ist bei dem Beispiel nach Fig. 2A das Profil 34 ungefähr gleich der Summe der Dicke 36 eines beliebigen Teils des integrierten elektronischen Bauteils 14, das sich außerhalb der Öffnung 32 unterhalb der zweiten Hauptfläche 19 erstreckt, der Dicke 38 des Schaltungssubstrats 12, der Dicke 40 der Kontaktpads 20, über welche die diskreten elektronischen Bauteile 16 befestigt sind, und der Dicke 42 des diskreten elektronischen Bauteils mit der größten Dicke.
Hat das integrierte elektronische Bauteil 14 eine geringere Dicke als in Fig. 2A dargestellt, ist es möglich, daß sich kein Teil aus der Öffnung 32 heraus erstreckt. Anders ausgedrückt: es ist möglich, daß die gesamte Dicke des integrierten elektronischen Bauteils 14 in der Öffnung 32 liegt. In einem solchen Fall ist das Profil 34 gesamten elektronischen Schaltungsstruktur 30A weiter verringert, so daß es ungefähr gleich der Summe der Dicke 42 des diskreten elektronischen Bauteils 16, der Dicke 40 der Kontaktpads 20 und der Dicke 38 des Schaltungssubstrats 12 ist.
Die elektronische Schaltungsstruktur 30A der Fig. 2A verbessert ferner die Wärmeableitung. Insbesondere sind integrierte elektronische Bauteile 14 in den Öffnungen 32 derart gestützt, daß beide Seiten der elektronischen Bauteile zugängig und der Umge bungstemperatur ausgesetzt sind. Bei einer herkömmlichen elektronischen Schaltungsstruktur 10, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Seite eines integrierten elektronischen Bauteils 14 in enger Nähe der ersten Hauptfläche 17 des Schaltungssubstrats 12 oberflächenmontiert, wodurch die Wärmeableitung erschwert wird. Im Gegensatz dazu schafft die Abstützung der integrierten elektronischen Bauteile 14 in den Öffnungen 32 erfindungsgemäß einen zusätzlichen thermischen Pfad um das Bauteil und zwischen der ersten Hauptfläche 17 und der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungssubstrats 12.
Fig. 2B ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer zweiten elektronischen Schaltungsstruktur 30B nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die elektronische Schaltungsstruktur 30B der Fig. 2B entspricht im wesentlichen der elektronischen Schaltungsstruktur 30A der Fig. 2A, weist jedoch mehrere auf der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungssubstrats 12 ausgebildete Kontaktpads 20 auf. Wie bei der elektronischen Schaltungsstruktur 30A sind integrierte elektronische Bauteile 14 in Öffnungen 32 durch Leiter 18 gestützt. Jedoch sind hier die Leiter 18 eines der integrierten elektronischen Bauteile 14 mit den auf der ersten Hauptfläche 17 ausgebildeten Kontaktpads 20 verbunden, während die Leiter des anderen integrierten elektronischen Bauteils mit auf der zweiten Hauptfläche 19 ausgebildeten Kontaktpads verbunden sind.
Die elektronische Schaltungsstruktur 30B ergibt ein Profil 44, das wie das Profil 34 der elektronischen Schaltungsstruktur 30A geringer als das Profil 22 der elektronischen Schaltungsstruktur 10 ist und somit kleiner als die Summe der Dicke des elektronischen Bauteils 14 und der Dicke des Schaltungssubstrats 12 ist. Insbesondere ist das Profil 44 ungefähr gleich der Summe der Dicke 46 eines beliebigen Teils der integrierten elektronischen Bauteile 14, der sich aus der Öffnung 32 unterhalb der zweiten Hautfläche 19 erstreckt, der Dicke 48 des Schaltungssubstrats 12, der Dicke 50 der Kontaktpads, über welche die diskreten elektronischen Bauteile 16 angebracht sind, und der Dicke 51 des diskreten elektronischen Bauteils 51 mit der größten Dicke. Wenn integrierte elektronische Bauteile 14 eine geringere Dicke als in Fig. 2B gezeigt aufweisen, ist es mög lich, daß die gesamte Dicke der integrierten elektronischen Bauteile in der Öffnung 32 liegt. Als Ergebnis kann das Profil 44 der gesamten elektronischen Schaltungsstruktur 30B weiter verringert werden.
Die elektronische Schaltungsstruktur 30B bewirkt ebenfalls eine erhebliche Verringerung der Fläche des Schaltungssubstrats 12. Wie in Fig. 2B dargestellt, befinden sich Teile wenigstens einiger der Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17, die mit Leitern 18 eines der integrierten elektronischen Bauteile 14 verbunden sind, in im wesentlichen überlappter Anordnung mit Teilen wenigstens einiger Kontaktpads 20 auf der zweiten Hauptfläche 19, die mit Leitern des anderen der integrierten elektronischen Bauteile verbunden sind. Wie in Fig. 2B dargestellt sind ferner Teile wenigstens einiger Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17, über denen diskrete elektronische Bauteile 16 oberflächenmontiert sind, im wesentlichen überlappend mit Teilen wenigstens einiger der Kontaktpads 20 auf der zweiten Hauptfläche 19, die mit Leitern 18 der integrierten elektronischen Bauteile 14 verbunden sind, angeordnet. Die erfindungsgemäße überlappende Anordnung der Kontaktpads 20 auf den entgegengesetzten Flächen 17, 19 eliminiert die Seitenabstände, die ansonsten bei herkömmlichen Oberflächenmontageverfahren erforderlich sind. Das Eliminieren der Seitenabstände ermöglicht die Verwendung der elektronischen Schaltungsstruktur 30B in Anwendungen, bei denen die verfügbare Fläche minimal ist. Darüber hinaus kann das Eliminieren der Seitenabstände die Pfadlänge zwischen gekoppelten Bauteilen minimieren, insbesondere wenn direkte Vias zwischen überlappenden Kontaktpads 20 verwendet werden.
Fig. 2C ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer dritten elektronischen Schaltungsstruktur 30C gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die elektronische Schaltungsstruktur 30C von Fig. 2C entspricht im wesentlichen den elektronischen Schaltungsstrukturen 30A und 30B der Fig. 2A und 2B. Die Leiter 18 jedes der integrierten elektronischen Bauteile 14 der elektronischen Schaltungsstruktur 30C sind jedoch mit auf der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungssubstrats 12 ausgebildeten Kontaktpads 20 verbunden, derart, daß jedes der integrierten elektronischen Bauteile in Öffnungen 32 in zu der elektronischen Schaltungsstruktur 30A umgekehrter Ausrichtung abgestützt ist. Die elektronische Schaltungsstruktur 30C erzeugt ein Profil 52, das wie die Profile 34 und 44 der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A und 30B kleiner als das Profil 22 der elektronischen Schaltungsstruktur 10 und somit kleiner als die Summe der Dicke des elektronischen Bauteils 14 und der Dicke des Schaltungssubstrats 12 ist. Das Profil 52 ist ungefähr gleich einer Summe der Dicke 54 der Kontaktpads 20 auf der zweiten Hauptfläche 19, der Dicke 56 des Schaltungssubstrats 12, der Dicke 57 der Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17, und der Dicke 58 des größten diskreten elektronischen Bauteils 16, das über den Kontaktpads auf der ersten Hauptfläche oberflächenmontiert ist. Da sich keines der integrierten elektronischen Bauteile 14 aus den Öffnungen 32 nahe der zweiten Hauptfläche 19 des Schaltungssubstrats 12 erstreckt, kann das Profil 52 kleiner sein als die Profile 34, 44 der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A, 30B.
Wie die elektronische Schaltungsstruktur 30B der Fig. 2B schafft auch die elektronische Schaltungsstruktur 30C der Fig. 2C eine erhebliche Verringerung der Fläche des Schaltungssubstrats 12. Wie in Fig. 2C dargestellt, sind Teile wenigstens einiger Kontaktpads 20 auf der zweiten Hauptfläche 17, die mit Leitern 18 eines der integrierten elektronischen Bauteile 14 gekoppelt sind, mit Teilen wenigstens einiger Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17, über denen diskrete elektronische Bauteile 16 oberflächenmontiert sind, im wesentlichen überlappend angeordnet. Die erfindungsgemäße überlappende Anordnung der Kontaktpads 20 auf entgegengesetzten Flächen 17, 19 eliminiert die Seitenabstände zwischen integrierten elektronischen Bauteilen 14 und diskreten elektronischen Bauteilen 16, die ansonsten bei herkömmlichen Oberflächenmontageverfahren erforderlich wären. Wie bei der elektronischen Schaltungsstruktur 30B ermöglicht das Eliminieren der Seitenabstände eine Verwendung der elektronischen Schaltungsstruktur 30C nach Fig. 2C bei Anwendungen mit minimaler verfügbarer Fläche.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine weitere elektronische Schaltungsstruktur 30D gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die elektronische Schaltungsstruktur 30D entspricht im wesentlichen den elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30C der Fig. 2A-2C, weist jedoch zwei oder mehr integrierte elektronische Bauteile 14 auf, die in der gleichen Öffnung 32 abgestützt sind. Wie in Fig. 3 dargestellt, können die integrierten elektronischen Bauteile 14 nebeneinander in der Öffnung 32 angeordnet werden, um die Gesamtlänge des Schaltungssubstrats 12 zu verringern, vorausgesetzt, die Anwendung der elektronischen Schaltungsstruktur 30D kann gegebenenfalls zusätzliche Breite aufnehmen. Die in den Öffnungen 32 abgestützten integrierten elektronischen Bauteile 14 können die gleiche Montageausrichtung haben oder entgegengesetzt montiert sein. Anders ausgedrückt: die Leiter 18 jedes der integrierten elektronischen Bauteile 14 kann mit Kontaktpads 20 auf der ersten Hauptfläche 17 oder der zweiten Hauptfläche 19 verbunden sein. Das resultierende Profil der elektronischen Schaltungsstruktur 30D ist deutlich kleiner als das Profil 22 der herkömmlichen elektronischen Schaltungsstruktur 10 von Fig. 1 und ist mit den Profilen 34, 44, 52 der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30C der Fig. 2A-2C vergleichbar.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer ersten optoelektronischen Konnektorpackung 60 mit einer elektronischen Schaltungsstruktur 30E nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die optoelektronische Konnektorpackung 60 kann beispielsweise bei dezentralisierten Rechen- oder Meßgerätesystemen verwendet werden, bei denen eine geringere Größe und/oder eine vergrößerte Packungsdichte gewünscht wird. Die elektronische Schaltungsstruktur 30E kann im wesentlichen einer der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30D der Fig. 2A-2C und der Fig. 3 entsprechen. Die elektronische Schaltungsstruktur 30E weist beispielsweise ein Schaltungssubstrat 12, integrierte elektronische Bauteile 14, die in Öffnungen 32 in dem Schaltungssubstrat abgestützt sind, und diskrete elektronische Bauteile 16 auf, die auf Kontaktpads oberflächenmontiert sind, welche auf dem Schaltungssubstrat ausgebildet sind.
Neben der elektronischen Schaltungsstruktur 30E weist die optoelektronische Konnektorpackung 60 ein Gehäuse 64 und ein in dem Gehäuse angebrachtes optoelektronisches Bauteil 66 auf. Das optoelektronische Bauteil 66 kann eine Buchsenanordnung 68 zur Aufnahme einer optischen Faser 70 aufweisen. Das optoelektronische Bauteil 66 kann mit der optischen Faser 70 beispielsweise über Verbinder-Hardware für optische Fasern verbunden werden, wie in dem US-Patent 5 325 455 offenbart. Das optoelektronische Bauteil 66 wandelt von der optischen Faser 70 empfangene optische Signale in elektrische Signale zur Verwendung in einer von der elektronischen Schaltungsstruktur 30E getragenen Schaltung um. Die elektronische Schaltungsstruktur 30E kann in dem. Gehäuse 64 durch Befestigen an der Innenseite einer Bodenwand 72 über eine bahn Wärmeübertragungsband 74 angebracht sein. Nach der Anbringung im Gehäuse 64 wird die Schaltung der elektronischen Schaltungsstruktur 30E mit dem optoelektronischen Bauteil 66 verbunden, um elektrische Signale zu empfangen oder zu senden. Die Schaltung der elektronischen Schaltungsstruktur 30E kann mit einem (nicht dargestellten) Konnektor der optoelektronischen Konnektorpackung 60 verbunden werden, um die elektrischen Signale an einen externen Prozessor oder eine Interfaceschaltung zu übertragenoder von diesen zu empfangen.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine zweite optoelektronische Konnektorpackung 76 mit elektronischen Schaltungsstrukturen 30F und 30 G nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die optoelektronische Konnektorpackung 76 kann beispielsweise in dezentralisierten Rechen- oder Meßgerätesystemen verwendet werden, bei denen eine verringerte Größe und/oder eine höhere Packungsdichte erwünscht ist. Die optoelektronische Konnektorpackung 76 kann jedoch noch besser zur Verwendung in PCs geeignet sein, bei denen eine Verringerung der Größe wesentlich ist. Insbesondere kann die optoelektronische Konnektorpackung 76 leicht in Entsprechung zu den PCMCIA-Formfaktoren hergestellt werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, weist die optoelektronische Konnektorpackung 76 ein Gehäuse 78, einen Bereich 80 für Interface- und/oder Prozessorschaltungen, und einen Konnektor 82 zum Verbinden der Interface- und/oder Prozessorschaltungen mit externen Schaltungen, beispielsweise einem PCMCIA-Port zugeordneten Schaltungen in einem PC-System, auf.
Nahe der Fläche 80 ist eine erste elektronische Schaltungsstruktur 30F und eine zweite elektronische Schaltungsstruktur 30 G angebracht. Die elektronischen Schaltungsstrukturen 30F, 30 G können im wesentlichen einer der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30D der Fig. 2A-2C und der Fig. 3 entsprechen. Jede der elektronischen Schaltungsstrukturen 30F, 30 G weist beispielsweise ein Schaltungssubstrat 12, in Öffnungen 32 des Schaltungssubstrats gestützte integrierte elektronische Bauteile 14, und diskreteelektronische Bauteile 16 auf, die auf Kontaktpads oberflächenmontiert sind, welche auf dem Schaltungssubstrat ausgebildet sind. Die erste elektronische Schaltungsstruktur 30F kann als optischer Empfänger wirken, während die zweite elektronische Schaltungsstruktur 34 G als optischer Sender wirken kann. Somit weist die erste elektronische Schaltungsstruktur 30F ein zum Umwandeln über eine optische Faser empfangener optischer Signale in elektrische Signale dienendes optoelektrisches Bauteil 83 auf. Die elektrischen Signale werden durch Schaltungen auf der ersten elektronischen Schaltungsstruktur 30F verarbeitet und an zusätzliche, auf der Fläche 80 der optoelektronischen Konnektorpackung 76 montierte Schaltungen gesendet. Die zweite elektronische Schaltungsstruktur 30 G weist ein optoelektronisches Bauteil 84 zum Umwandeln elektrischer Signale, die von Schaltungen der elektronischen Schaltungsstruktur her empfangen werden, in optische Signale zur Übertragung über eine optische Faser auf. Die optoelektronischen Bauteile 83, 84 können mit jeweiligen optischen Fasern beispielsweise durch Verbinder-Hardware für optische Fasern, wie im US-Patent 5 325 455 offenbart, verbunden werden.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht der zweiten optoelektronischen Konnektorpackung 76 von Fig. 5. Wie in Fig. 6 dargestellt, weist das Gehäuse 78 der optoelektronischen Konnektorpackung 76 eine metallische Oberseite 85 und eine metallische Unterseite 86 auf. Die metallische Ober- und Unterseite 85, 86 weisen gegenüberliegende Kunststoffrahmen auf, die gesiegelt oder auf andere Weise zur Bildung einer kartenähnlichen Packung verbunden werden können. Fig. 6 zeigt eine elektronische Schaltungsstruktur 30 G, die zusammen mit den Interface- und/oder Prozessorschaltungen in der Fläche 80 und im Konnektor 82 in der optoelektronischen Konnektorpackung 76 angebracht ist. Das verringerte Profil der elektronischen Schaltungsstruktur 30 G ermöglicht das einfache Montieren der gesamten optoelektronischen Konnektorpackung gemäß PCMCIA-Formfaktoren zur Verwendung in kleinformatigen PCs, beispielsweise tragbaren Computern und Personal Digital Assistants (PDA).
Fig. 7 ist eine perspektivische Seitenansicht mehrerer elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;-0N%, die in Stapelkonfiguration 88 entsprechend der vorliegenden Erfindung angeordnet sind. Jede der elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N in der Stapelanordnung 88 kann im wesentlichen einer beliebigen der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30D der Fig. 2A-2C und 3 entsprechen. Die Stapelanordnung 88 ermöglicht das Konzentrieren einer großen Zahl von elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N in einem kleinem Raum. Auf diese Weise kann die Stapelanordnung 88 für Übertragungsbrücken, Router und nicht blockierende Datenschalter besonderes geeignet sein, bei denen der Raum stark begrenzt ist. Wie in Fig. 7 gezeigt sind die elektronischen Schaltungsstrukturen 30,-30N einander benachbart zur Bildung eines Blocks gestapelt. Mehrere diskrete Blöcke der elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;- 30N, jeweils in Form einer Stapelanordnung 88, können auf engem Raum angeordnet werden, um eine hohe Konzentration von Datenübertragungsverbindungen zu erreichen. Die korrekte Ausrichtung der Öffnungen 32 jeder der elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N erzeugt eine Luftströmung zwischen Schaltungsschichten innerhalb jedes der Schaltungssubstrate 12&sub1;-12N, die der Wärmeableitung dient. Die elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N der Stapelanordnung 88 können durch dünne Abstandhalter eng beieinanderliegend gestapelt werden. Alternativ kann dielektrisches Wärmeübertragungsband zum Zusammenhalten der Schaltungssubstrate 12&sub1;- 12N verwendet werden, wobei die gleichmäßige Wärmeableitung gleichzeitig erleichtert wird.
Fig. 8 ist eine perspektivische Seitenansicht mehrerer elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N, die in radialer Anordnung 90 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind. Jede der elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N in der radialen Anordnung 90 kann im wesentlichen einer der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30D der Fig. 2A-2C und 3 entsprechen. Die radiale Anordnung 90 ist nicht so raumsparend wie die Stapelanordnung 88 der Fig. 7, kann jedoch vorteilhaft sein, wenn eine maximale Wärmeableitung und/oder elektrische Isolierung erwünscht ist. Die radiale Anordnung 90 kann einen leitfähigen Kern 92 mit einer Öffnung 94 aufweisen. Der Kern 92 kann zur Verwendung als Verteilungszentrum zum Leiten von Signalen zwischen den elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Kern 92 zur Funktion als Niedrig-Induktanzenergie-/Masse-Verteilungszentrum zum Leiten von Spannungs- und Massereferenzsignalen an die elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N ausgebildet sein.
Fig. 9 ist eine Vorderansicht mehrerer erfindungsgemäßer elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N in radialer Anordnung 96, die in einem Gehäuse 98 gehalten sind. Die radiale Anordnung 96 der Fig. 9 entspricht im wesentlichen derjenigen von Fig. 8, ermöglicht jedoch das Anbringen von Blöcken elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;- 30N in einem verwinkelten Gehäuse 98. Das Gehäuse 98 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen und für eine zusätzliche Wärmeableitung, elektrische Isolierung und/oder Impedanzkontrolle ausgelegt sein. Es können mehrere Gehäuse 98 auf engem Raum gruppenweise angeordnet werden, um eine große Zahl von Übertragungsverbindungen zu schaffen.
Wegen der großen Nähe benachbarter elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N in der Stapelanordnung 88 und den radialen Anordnungen 90 und 96, können die elektrische Isolierung, die Wärmeableitung und die Impedanzkontrolle von erheblichem belang sein. Ferner können diese Gesichtspunkte auch bezüglich einzelner elektronischer Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N zur Geltung kommen, wenn die Größe der einzelnen Struktur verringert ist. Fig. 10 ist eine Querschnitt-Seitenansicht eines einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entsprechenden Schaltungssubstrats 100 mit einer Spannungsebene und einer Masseebene, wobei durch Anordnungen von Öffnungen gebildete Matrixstrukturen vorgesehen sind. Die Matrixstrukturen der Spannungsebene und der Masseebene unterstützen die Wärmeableitung, verbessern die elektrische Isolierung, bewirken das intrinsische kapazitive Filtern von Störsignalen, ermöglichen die Impedanzkontrolle und erlauben die Bildung von Mikrostreifen-Signalpfaden mit geeigneten Pfadabmessungen und -abständen. Das Schaltungssubstrat 100 kann leicht in die elektronischen Schaltungsstrukturen 30&sub1;-30N einbezogen werden, um die genannten Probleme zu beheben.
Wie in Fig. 10 dargestellt, weist das Schaltungssubstrat 100 eine erste dielektrische Schicht 102, eine metallische Spannungsebene 104; eine metallische Masseebene 106, eine zweite dielektrische Schicht 108, eine dritte dielektrische Schicht 110, eine erste Signalschicht 112 und eine zweite Signalschicht 114 auf. Die Spannungs- und die Masseebene können beispielsweise aus Kupfer bestehen. Wenn sie zusammen mit einer der elektronischen Schaltungsstrukturen 30A-30D der Fig. 2A-2C und 3 verwendet werden, kann das Schaltungssubstrat 100 ferner eine oder mehrere Öffnungen 32 aufweisen, die sich durch die erste dielektrische Schicht 102, die Spannungsebene 104, die Masseebene 106, die zweite dielektrische Schicht 108, die dritte dielektrische Schicht 110, die erste Signalschicht 112 und die zweite Signalschicht 114 zum Abstützen eines integrierten elektronischen Bauteils 14 erstreckt.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung von Öffnungen, die Matrixstrukturen in der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 des Schaltungssubstrats 100 bilden. Wie in Fig. 11 dargestellt, weist die Spannungsebene 104 und die Masseebene 106 eine Anordnung von Matrixöffnungen 116 auf, die durch massive Bereiche 118 der Spannungsebene 90 und der Masseebene 92 getrennt sind. Die Matrixöffnungen 116 ermöglichen die Wärmeübertragung durch das Schaltungssubstrat 100, wodurch das Halten oder Konzentrieren von Wärme in den dielektrischen Schichten 102, 108, 110 vermieden wird. Dieses Merkmal verringert die Anfälligkeit der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 für "Hot Spots", die zu einer Beschädigung der gesamten elektronischen Schaltungsstruktur 30&sub1;-30N, in der das Schaltungssubstrat vorgesehen ist, führen können. Infolgedessen ist das Vorsehen von Schaltungen mit höherer Leistung in der elektronischen Schaltungsstruktur 30&sub1;-30N möglich.
Ferner können die Matrixöffnungen 116 präzise mit Abmessungen ausgebildet werden, die unterhalb der Grenzfrequenz der von der Schaltung der elektronischen Schaltungsstruktur 30&sub1;-30N verarbeiteten Signale mit der höchsten Frequenz liegen. Auf diese Weise wirken die Spannungs- und die Masseebene 104, 106 als "elektrisch solide" leitfähige Ebenen. Die Spannungs- und die Masseebene 104, 106 mit den kleiner als die betreffende Grenzfrequenz bemessenen matrixöffnungen 116, unterstützen die elektrische Isolierung, indem sie im wesentlichen die Ausbreitung des von den Hochfrequenzsignalen erzeugten elektromagnetischen Feldes verhindern. Nach der Abschirmungstheorie kann die kritische maximale Abmessung Imax jeder Matrixöffnung 116 in der Spannungsebenen 104 und der Masseebene 106 durch den Ausdruck
Imax < = λ/20
angenähert wiedergegeben werden. Somit sollte die Fläche jeder Matrixöffnung 116 kleiner oder gleich ungefähr (λ/20)² sein. Bei einer Frequenz von 1000 MHz, zum Beispiel, sollte die kritische maximale Abmessung Imax der Matrixöffnung 116 bei einem dielektrischen Material vom Typ FR-4 ungefähr bei 0,6 Inch (1,52 cm) und die Fläche sollte kleiner oder gleich ungefähr 0,36 Quadrat-Inch (2,31 Quadratzentimeter) sein.
Die Abmessung der Bauteil-Montageöffnung 32 sollte ebenfalls mit Bedacht gewählt sein, um übermäßige elektromagnetische Interferenzen zu vermeiden. Bei größeren Abmessungen kann die Öffnung 32 einen Antenneneffekt erzeugen, der die elektromagnetische Interferenz entlang des Schaltungssubstrats 12 ausbreitet. Daher sollte nach einer allgemeinen Regel die kritische maximale Abmessung Imax jeder Öffnung 32 vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr λ/8 sein und die Fläche der Öffnung 32 sollte kleiner oder gleich ungefähr (λ/8)2 sein. Bei einer Frequenz von 1000 MHz, zum Beispiel, sollte die kritische maximale Abmessung Imax der Öffnung 32 bei einem dielektrischen Material vom Typ FR-4 ungefähr bei 1,5 Inch (3,81 cm) und die Fläche sollte kleiner oder gleich ungefähr 2,25 Quadrat-Inch (14,52 Quadratzentimeter) sein. Die Spannungs- und die Masseebene 104, 106 können derart ausgebildet sein, daß Matrixöffnungen 116 der Spannungsebene entweder im wesentlichen, teilweise oder gar nicht mit den Öffnungen 116 der Masseebene ausgerichtet sind. Eine im wesentlichen vorhandene Ausrichtung der Matrixöffnungen 116 erzeugt die beste Wärmeableitung, jedoch eine geringere elektrische Isolierung. Im Gegensatz dazu sind bei einer nicht gegebenen Ausrichtung der Matrixöffnungen 116 die massive Bereiche 118 der Spannungsebene 104 und der Masseebene aufeinander ausgerichtet, wodurch ein hoher Grad an elektrischer Isolierung, jedoch auch eine geringere Wärmeableitung erreicht wird. Daher können unterschiedlichen Grade einer teilweisen Ausrichtung der Matrixöffnungen 116 vorgesehen werden, um einen erwünschten Ausgleich zwischen thermischen und elektrischen Vorteilen zu erreichen. Periodische massive Abschnitte können ebenfalls in der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 an Stellen vorgesehen sein, an denen die Wärmeableitung nicht von Belang ist oder eine lokale Verbesserung der elektrischen Isolierung gewünscht wird. Es ist somit ersichtlich, daß die von den Öffnungen 116 gebildete Struktur nicht in jedem Fall eine genau rechtwinklige Matrix ergeben muß.
Ferner kann die erste dielektrische Schicht 102 mit relativ geringer Dicke ausgebildet sein, so daß die Spannungsebene 104 und die Masseebene 106 sich ungefähr wie ein Parallelplattenkondensator verhalten. Eine Annäherung an den Wert der zwischen der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 entstehenden Kapazitanz C kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
C = &epsi;RS/d
wobei &epsi;R die dielektrische Konstante der ersten dielektrischen Schicht 102 ist, S die Fläche der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 abzüglich der Aggregatfläche der Öffnungen 116 ist, und d die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 102 angibt. Durch sorgfältiges Anpassen der Dicke der ersten dielektrischen Schicht 102 und der Flächen der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 kann eine intrinsische Kapazitanz zum Filtern von elektrischem Rauschen aus den Energieversorgungspfaden geschaffen werden. Infolgedessen können empfindlichere Schaltungen in der elektronischen Schaltungsstruktur 30i-30N verwendet werden, ohne daß übermäßig viele externer Filterbauteile erforderlich wären, wodurch Kosten gespart werden. Selbstverständlich können die genannten Anpassungen auch zur Kontrolle der Impedanz der Leiterpfade erfolgen.
Das räumliche Verhältnis der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 zu der ersten Signalschicht 112 und der zweiten Signalschicht 114 kann ebenfalls zur Verringerung elektromagnetischer Interferenzen angepaßt werden. Insbesondere sollten die Spannungsebene 104 und die Masseebene 106 näher zu einander als zu der jeweiligen benachbarten Signalschicht 112, 114 angeordnet sein. Diese Anordnung dient dazu, mehr Rauschen zwischen der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 zu halten, wodurch ein wesentliches Koppeln von Rauschen in die Signalschichten 112, 114 verhindert wird. Der Abstand zwischen der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 ist vorzugsweise geringer als der Abstand zwischen entweder der Spannungsebene und der Signalschicht 112 oder der Masseebene und der Signalschicht 114, und zwar um mehr als oder gleich ungefähr 33%. Somit ist die Dicke der dielektrischen Schicht 102 vorzugsweise geringer oder gleich ungefähr der Hälfte der Dicke der dielektrischen Schichten 108, 110. Es hat sich gezeigt, daß dieses Abstandsverhältnis eine akzeptable elektrische Isolierung zwischen der Spannungsebene 104, der Masseebene 106 und den Signalschichten 112, 114 schafft.
Das folgende Beispiel dient der Darstellung einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsstruktur und insbesondere der Darstellung beispielhafter Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektronischen Schaltungsstruktur.

Beispiel

Ein Beispiel für eine Schaltungsstruktur wurde hergestellt, indem mehrere FR-4- Platinenschichten zur Bildung eines mehrlagigen Laminatschaltungssubstrats 12 miteinander verbondet wurden. Jede der FR-4-Platinenschichten war ungefähr 0,126 Inch (0,32 cm) lang und ungefähr 0,063 Inch (0,16 cm) breit. Das gesamte mehrlagige Laminatschaltungssubstrat hatte eine Dicke von ungefähr 0,031 Inch (0,08 cm). Eine erste Platinenschicht wies eine erste dielektrische Schicht 102, eine auf einer Seite der ersten dielektrischen Schicht ausgebildeten Spannungsebene 104 aus Kupfer und eine auf einer der Spannungsebene entgegengesetzten Seite der ersten dielektrischen Schicht ausgebildete masseebene 106 aus Kupfer auf. Der Abstand zwischen der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 und somit die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 102 betrug ungefähr 0,004 Inch (0,01 cm). Die Spannungs- und die Masseebene 104, 106 wurden unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Verfahren vor dem Laminieren strukturiert und geätzt, um eine Vielzahl von Matrixöffnungen 116 auszubilden, die im wesentlichen gleichmäßig über das Schaltungssubstrat 12 mit einer ungefähren Dichte von zweitausend Öffnungen pro Quadrat-Inch (pro 6,54 Quadratzentimeter) verteilt waren. Diese Dichte kann je nach Einschränkungen durch den verwendeten Platinenherstellungsvorgang größer oder kleiner sein.
Die erste Platinenschicht wurde auf eine zweite und dritte Platinenschicht laminiert, um das mehrlagige Laminatschaltungssubstrat zu bilden. Die zweite und die dritte Platinenschicht wiesen jeweils eine dielektrische Schicht 108, 110 und eine Signalschicht 112, 114 auf. Nach dem Laminieren betrug der Abstand der Spannungs- und der Masseebene 104, 106 zu den jeweiligen Signalschichten 112, 114 ungefähr 0.01 Inch (0,025 cm). Die Dicke jeder der dielektrischen Schichten 108, 110 betrug somit etwa 0,01 Inch (0,025 cm). Die Signalschichten 112, 114 wurden unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Verfahren zur Bildung mehrerer Leiterpads 20 und mehrerer Leiterpfade, die vorzusehende Hardware mit dem Schaltungssubstrat 12 koppeln, strukturiert und geätzt. Die dielektrischen Schichten 108, 110 wurden jeweils auf die Spannungsebene 104 und die Masseebene 106 laminiert. Die erste, die zweite und die dritte dielektrische Schicht 102, 108 und 110 waren derart bemessen, daß sowohl das räumliche Verhältnis der Spannungsebene 104 und der Masseebene 106 zu den benachbarten Signalschichten 112, 114 und die Breite der Spannungs-, Masse- und Signalschichten eine in der Impedanz kontrollierte Mikrostreifen-Leitung mit einer Impedanz von ungefähr 50 Ohm ergaben. Insbesondere betrug die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 102 ungefähr die Hälfte der Dicke der zweiten oder dritten dielektrischen Schicht 108, 110. Demzufolge waren die Spannungsebene 104 und die Masseebene 106 einander näher als den Signalschichten 112, 114.
Das resultierende Schaltungssubstrat 12 wurde zur Bildung von drei Öffnungen 32 gefräst, die jeweils eine Fläche von ungefähr 0,25 Inch (0,635 cm) pro Seite oder 0,0625 Quadrat-Inch (0,40 Quadratzentimeter) hatten. Zur Herstellung einer Schaltungsstruktur für eine optische Übertragungsverbindung wurde ein optoelektronisches Bauteil über die Leiterpads 20 und Lotmaterial auf der Oberfläche des Schaltungssubstrats 12 montiert. Gepackte integrierte Small Outline Integrated Circuit (SOIC) Bauteile 14 wurden in den Öffnungen 32 abgestützt, indem den gepackten Bauteilen zugeordnete elektrische Leiter mit Leiterpads verbunden werden, die nahe den Öffnungen angeordnet sind. Diese Leiter wurden mit den Leiterpads verlötet, ohne daß eine Notwendigkeit eines Umformens oder Zuschneiden der Leiter gegeben war. Verschiedene diskrete passive Bauteile 16 vom Typ 0805 oder kleiner wurden über Leiterpads und Lotmaterial auf das Schaltungssubstrat 12 oberflächenmontiert. Die verschiedenen integrierten Bauteile 14 und diskreten Bauteile 16 wurden miteinander über während des photolithographischen Vorgangs gebildete Leiterpfade verbunden, um eine optische Übertragungsverbindungsschaltungsstruktur herzustellen. Die komplette bestückte Schaltungsstruktur hatte ein Gesamt-Schaltungsstrukturprofil von geringfügig unter 0,1 Inch (0,254 cm) und bot Eigenschaften, die sie für eine Verwendung mi Frequenzen in der Größenordnung von 1 GHz (2GB/s) geeignet machten.
Nach der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf diesem Gebiet zusätzliche Vorteile und Veränderungsmöglichkeiten aus der Betrachtung der Beschreibung und der praktischen Durchführung der hier offenbarten Erfindung. Daher sollten die Beschreibung und die Ausführungsformen lediglich als Beispiele angesehen werden, wobei der eigentliche Umfang der Erfindung durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Elektronische Schaltungsstruktur mit:

- einem Schaltungssubstrat (100) mit einer ersten Hauptfläche (17), einer zweiten Hauptfläche (19) und mehreren Seitenflächen, wobei das Schaltungssubstrat mehrere leitfähige Flächen aufweist;

- einer sich durch das Schaltungssubstrat von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche erstreckenden Öffnung (32); und

- einem elektronischen Bauteil (14), das in der Öffnung gestützt ist, wobei das elektronische Bauteil mehrere leitfähige Leiter (18) aufweist, die mit einer oder mehreren der leitfähigen Flächen verbunden sind;

dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungssubstrat eine Spannungsebene (104), eine Masseebene (106) und eine dielektrische Ebene (102) aufweist, wobei die Spannungsebene und die Masseebene auf entgegengesetzten Seiten der dielektrischen Ebene angeordnet sind, wobei sich die Öffnung durch die Spannungsebene, die Masseebene und die dielektrische Ebene erstreckt, und wobei sowohl die Spannungsebene als auch die Masseebene eine Gruppe zusätzlicher Öffnungen (116) aufweist, die Wärmeübertragung durch das Schaltungssubstrat ermöglichen und das Ausbreiten durch das elektronische Bauteil erzeugter elektromagnetischer Felder verhindern.

2. Elektronische Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, bei der das elektronische Bauteil zum Verarbeiten von elektrischen Signalen mit einer Mindestwellenlänge von λ ausgelegt ist, und die Öffnung (32) eine Fläche von weniger als oder gleich ungefähr (λ/8)² aufweist.

3. Elektronische Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, bei der das elektronische Bauteil zum Verarbeiten von elektrischen Signalen mit einer Mindestwellenlänge von λ ausgelegt ist, und jede der Öffnungen (116) eine Fläche von weniger als oder gleich ungefähr (λ/20)² aufweist.

4. Elektronische Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, bei der die elektronische Schaltungsstruktur Teil einer optoelektronischen Konnektorpackung (60) ist, die aufweist:

- ein Gehäuse (64), in dem das Schaltungssubstrat angebracht ist;

- eine in dem Gehäuse angebrachte Konnektorstruktur (68) zum Aufnehmen einer optischen Faser (70), und

- ein in dem Gehäuse angebrachtes und mit der Konnektorstruktur und dem elektronischen Bauteil verbundenes optoelektronisches Bauteil (66) zum Empfangen eines optischen Signals von der optischen Faser und zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal, wobei das elektronische Bauteil das elektrische Signal von dem optoelektronischen Bauteil empfängt.