DE69827865T2

DE69827865T2 - Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen

Info

Publication number: DE69827865T2
Application number: DE69827865T
Authority: DE
Inventors: Claude Drevon
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: JP4303324B2; US6188128B1; EP0858108B1; JPH10242382A; CA2226419A1; DE69827865D1; FR2759527A1; FR2759527B1; EP0858108A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine kompakte Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen.
Aus älteren Techniken, die beispielsweise im Dokument US-A-5 101 323 beschrieben werden, ist eine Mehrschichtschaltung bekannt, die durch Gießen einer Reihe von Schichten oder Ebenen von Bauelementen in einem einzigen Block, der üblicherweise quaderförmig ist, ausgeführt wird. Jede Bauelementschicht beinhaltet mindestens ein Bauelement und eine Bahn, durch die eine Verbindung zu dem genannten Bauelement hergestellt wird und die sich in Richtung einer der Seiten des quaderförmigen Blocks erstreckt. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Ebenen, üblicherweise mit einer Metallschicht bedampfte Bahnen, sind auf den Seiten des quaderförmigen Blocks zwischen den Bauelementen der verschiedenen Ebenen durch Ätzen des Blocks ausgeführt, der zuvor mit einer Metallschicht bedampft wurde.
Eine ähnliche Struktur wurde beschrieben in dem Artikel von S. Plarcombe et al. „Utilizing a low cost 3D packaging technology for consumer applications", erschienen in IEEE Transactions on consumer electronics, Band 41, Nr. 4, Seite 1095–1101, am 1. November 1995.
Trotz des Vorteils, den die Verwendung einer einzige Seite des Blocks darstellt, um die Hochfrequenz- oder Niederfrequenz-Verbindungspunkte für den Eingang und/oder den Ausgang von Bauelementen aufzunehmen, weist diese Lösung jedoch den Nachteil auf, dass die Umgehung einer Blockkante mit Bahnen erforderlich ist. Dies beinhaltet somit insbesondere eine technische Schwierigkeit beim Ätzen der Bahn im Bereich der Kante, eine höhere Brüchigkeit der Ätzung an dieser Kante, etc....
Die Erfindung hat zum Ziel, diesen Nachteil zu beseitigen, indem sie eine Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen bietet, bei der die Umgehung einer Kante durch Bahnen nicht erforderlich ist, die die Verbindungen zwischen den Anschlusspunkten von Eingängen und/oder Ausgängen sowie zwischen den Bauelementen herstellen sollen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für eine solche Monoblockstruktur zu liefern.
Zu diesem Zweck wird eine Monoblockstruktur ausgeführt, die aus mindestens zwei gestapelten Bauelementebenen besteht, wobei jede Bauelementebene Folgendes beinhaltet:

– (1) eine Schicht aus Isoliermaterial, die eine Bauelementebene darstellt und in die Folgendes eingebettet ist:
– (2) mindestens ein Bauelement, und
– (3) mindestens eine erste Bahn, deren erstes Ende mit einem Anschlusspunkt des genannten Bauelements verbunden ist,

Gemäß einer ersten Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement um ein Pin-Element, das in einem mit Metall bedampften Loch der gedruckten Schaltung angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement um ein Wellenleiterelement, das mindestens einen Erdungsstift an einer seiner Kanten enthält, wobei der Stift in einem mit Metall bedampften Loch in dem Mittel für die gedruckte Schaltung angeordnet ist, die ein Ende der Erdungsbahn bildet, wobei das genannte erste Ende der dritten Bahn mit dem genannten Wellenleiter gekoppelt ist.
Ein Herstellungsverfahren für eine Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(a) – Stapeln von mindestens zwei Bauelementebenen, wobei jede Bauelementebene Folgendes beinhaltet:
– (1) eine Schicht aus Isoliermaterial, die eine Bauelementebene bildet und in die Folgendes eingebettet ist:
– (2) mindestens ein Bauelement, und
– (3) mindestens eine erste Bahn, deren erstes Ende mit einem Anschlusspunkt des genannten Bauelements verbunden ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
(b) – Gießen der genannten, mindestens zwei gestapelten Bauelementebenen und eines Mittels für eine gedruckte Schaltung, das zu einer Ebene der gedruckten Schaltung gehört und mindestens eine dritte Bahn beinhaltet, die mit einem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement gekoppelt ist, wobei das genannte Signaleingangsund/oder Ausgangselement senkrecht zu dem genannten Mittel für die gedruckte Schaltung angeordnet ist, um eine unbearbeitete Monoblockstruktur zu bilden.
(c) – Zuschnitt der genannten, unbearbeiteten Monoblockstruktur, um einen Abschnitt des genannten Signaleingangs- und/oder Ausgangselements und eine Kante der genannten dritten Bahn sichtbar zu machen,
(d) – Metallbedampfung der sich daraus ergebenden, ausgeschnittenen, unbearbeiteten Monoblockstruktur;
(e) – Ätzen mindestens einer zweiten Seite der unbearbeiteten, zugeschnittenen und mit Metall bedampften Monoblockstruktur, um eine zweite seitliche Bahn zwischen einem zweiten Ende der genannten ersten Bahn und einem zweiten Ende der genannten dritten Bahn zu bilden.

Zur Herstellung einer Pin-Struktur umfasst das Verfahren unter anderem die folgenden Schritte:

(f) – Ätzen einer ersten Seite der unbearbeiteten, zugeschnittenen und mit Metall bedampften Monoblockstruktur, auf der der Abschnitt der genannten Pin-Vorrichtung sichtbar wird, um eine mit Metall bedampfte Zone im Bereich des genannten Abschnitts zu bilden; und
(g) – Wachstum eines Löthöckers in der mit Metall bedampften Zone.

Üblicherweise besteht der Schritt des Wachstums eines Löthöckers in der mit Metall bedampften Zone in einem Schritt elektrolytischen Wachstums.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Durchlesen der folgenden Beschreibung deutlich, die sich auf die entsprechenden Zeichnungen im Anhang bezieht, wobei:
1 stellt eine Schnittansicht einer unbearbeiteten Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen gemäß der Erfindung dar;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer gedruckten Schaltung, die in die Struktur aus 1 gegossen wurde;
3 ist eine Ansicht von unten der unbearbeiteten Monoblockstruktur aus 1, die zugeschnitten und geätzt wurde,
4 ist eine Schnittansicht des Moduls aus 1 im Verlauf der Herstellung, und
5 stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines Signaleingangs- und/oder Ausgangselements in Form eines Wellenleiters dar, der in die Monoblockstruktur gemäß der Erfindung integriert wurde.
In Bezug auf 1 beinhaltet eine unbearbeitete Monoblockstruktur, ausgehend von der eine Monoblockstruktur gemäß der Erfindung gebildet wird, mindestens zwei Ebenen oder Stufen mit gestapelten Bauelementen. Jede Bauelementebene enthält eine Schicht aus Isoliermaterial R, beispielsweise in Form von gehärtetem Harz, in die einerseits mindestens ein Bauelement 1, 2, 3, 4 oder 5 sowie andererseits mindestens eine Bahn eingebettet ist, die mit dem Bauelement der entsprechenden Ebene verbunden ist. So bilden in 1 beispielsweise das Bauelement 4 und die Bahnen 40 und 41, die in das Harz R eingebettet sind, zusammen eine Bauelementebene. In jeder Bauelementebene ist eines der beiden Enden der Bahn 40 und 41 dieser Ebene mit einem Anschlusspunkt des Bauelements 4 verbunden. Beispielsweise handelt es sich bei den Bauelementen 1, 2, 3, 4 und 5 der fünf abgebildeten Ebenen um Ultrahochfrequenz-Bauelemente und die diesen Bauelementen jeweils zugeordneten Bahnpaare 10–11, 20–21, 30–31, 40–41 und 50–51 sind Leitungen, die in derselben Ebene liegen.
Unter Bezug auf 1 und 2 ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass diese unbearbeitete Monoblockstruktur 100, aus der sich die Struktur gemäß der Erfindung ergibt, unter anderem eine Ebene für die gedruckte Schaltung umfasst, die eine gedruckte Schaltung 6 beinhaltet, die in das Harz eingebettet ist. Diese gedruckte Schaltung beinhaltet mindestens eine Bahn der gedruckten Schaltung 61, wobei ein erstes Ende 60 dieser Bahn der gedruckten Schaltung mit einem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement 80, 81 oder 82 gekoppelt ist, dessen Ende auf einer Seite F1 der Struktur sichtbar ist, die parallel zu den Bauelementebenen und zur Ebene der gedruckten Schaltung verläuft. Beispielsweise liegt das Signaleingangs- und/oder Ausgangselement 80, 81 oder 82 in Form eines Pins vor, wobei der Kopf in einem mit Metall bedampften Loch der gedruckten Schaltung 6 angeordnet und verlötet ist, das am Ende der Bahn 61 ausgeführt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass für dieses Signaleingangs- und/oder Ausgangselement 80, 81 oder 82, dessen eines Ende auf einer Seite F1 der Struktur sichtbar ist, die parallel zu den Bauelementebenen und zur Ebene der gedruckten Schaltung verläuft, auch andere Ausführungsvarianten in Betracht kommen. Gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsvariante ist das Signaleingangs- und/oder Ausgangselement ein Wellenleiter 80', der beispielsweise mindestens einen Erdungsstift 800' an einer seiner Kanten aufnimmt. Der Stift 800' ist in einem mit Metall bedampften Loch einer Erdungsbahn 63 der gedruckten Schaltung 6 angeordnet. Eine Bahn 61 gewährleistet die Kopplung mit dem Wellenleiter. Die Bahn 61 verläuft oberhalb des Wellenleiters, wobei sie von diesem durch das Substrat der gedruckten Schaltung 6 getrennt ist.
In Bezug auf 4 wird jetzt als Beispiel ein Herstellungsverfahren für eine unbearbeitete Monoblockstruktur, wie in 1 dargestellt, vorgestellt. Für dieses Verfahren ist eine quaderförmige Gussform (nicht abgebildet) mit geschlossenem Boden vorgesehen, an dem Führungsvorrichtungen, beispielsweise in Form von zwei länglichen Stäben 9a und 9b ausgerichtet sind. In den Boden der Form wird Harz gegeben. Anschließend wird die gedruckte Schaltung 6, auf der jedes Signaleingangs- und/oder Ausgangselement 80, 81, 82 oder 80' senkrecht ausgerichtet ist, durch die Führung der beiden Stäbe 9a und 9b auf der Oberfläche dieses Harzbodens angeordnet, wobei die Signaleingangs- und/oder Ausgangselemente in das noch nicht ausgehärtete Harz eindringen. Anschließend wird die Rohstruktur schrittweise durch den abwechselnden Auftrag von Harz R und den Einsatz von Platten, die die Elemente 5, 4 und die damit verbundenen Bahnen 50–51, 40–41 enthalten, gebildet. Nach dem Stapeln der gewünschten Anzahl an Bauelementebenen wird die dabei entstandene Struktur aus der Gussform genommen, die eine quaderförmige Form aufweist. Es kann auch eingeplant werden, beim Guss eine Massenfläche 95, 94 einzufügen, um zwei Bauelementebenen zu trennen, insbesondere in dem Fall, in dem es sich bei den Bauelementen um Ultrahochfrequenz-Bauelemente handelt, um jegliche Störungen zwischen den Bauelementen von zwei angrenzenden Ebenen zu verhindern.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Ausführungsvariante, in der jedes Signaleingangs- und/oder Ausgangselement in Form eines Pins vorliegt, jeder Pin in ein mit Metall bedampftes Loch 60 entsprechend der Bahn 61 der gedruckten Schaltung 6 durch eine der Seiten der gedruckten Schaltung eingeführt wird, während bei der Ausführungsvariante, in der jedes Signaleingangs- und/oder Ausgangselement in Form eines Wellenleiters vorliegt, jeder Erdungsstift 800' in ein entsprechendes, mit Metall bedampftes Loch der Bahn 63 der gedruckten Schaltung 6 über die andere Seite der gedruckten Schaltung eingeführt wird. Bei dieser zweiten Ausführungsvariante sind die Erdungsbahnen 63 und die Kopplungsbahnen 61 derart angeordnet, dass sie an die Geometrie des Wellenleiters 80' angepasst sind.
Die Rohstruktur aus 1 wird anschließend den folgenden Bearbeitungsschritten unterzogen. Zunächst wird sie entlang der gestrichelten Linien D, die in 1 dargestellt sind, zerschnitten, um einerseits die entsprechenden Abschnitte der Signaleingangs- und/oder Ausgangselemente 80, 81, 82 oder 80' auf der Seite F1 und andererseits die Kanten der Bahnen 10–11, 20–21, 30–31, 40–41 und 50–51 jeder Bauelementebene sowie die Kanten 62 der Bahnen 61 der gedruckten Schaltung 6 auf den Seitenflächen F2 , F3 sichtbar zu machen.
In der Ausführungsvariante mit Wellenleiter werden die Seitenflächen F2 und F3, auf denen einerseits die Kanten der Bahnen 10–11, 20.21, 30–31, 40–41 und 50–51 jeder Bauelementebene und andererseits die Kanten 62 der Bahnen 61 der gedruckten Schaltung 6 sichtbar sind, mit Metall bedampft. Anschließend werden diese Seiten, auf denen die Kanten 62 der Bahnen 61 der gedruckten Schaltung 6 mit der Metallbedampfung sichtbar sind, geätzt, um die Verbindungsbahnen zwischen jeder dieser Kanten 62 und dem Ende einer Bahn 10, 11, 20, 21, 30, 31, 40, 41, 50, 51 einer Bauelementebene sowie alle seitlichen Verbindungsbahnen zwischen den Bahnen 10, 20, 30, 40 und 50 und zwischen den Bahnen 11, 21, 31, 41 und 51 zu bilden. Dieser Ätzungsvorgang besteht beispielsweise in einer Laserätzung der mit Metall bedampften gleichmäßigen Schicht der betreffenden Seite F2 oder F3.
Im Fall der Ausführungsvariante mit Pin wird die entstandene Rohstruktur durch Aufbringen einer Metallschicht auf der Oberfläche vollständig mit Metall bedampft. Anschließend wird, wie in 3 dargestellt, die Seite F1 geätzt, auf der die Abschnitte der Pin-Elemente 80, 81 und 82 vor der Metallbedampfung sichtbar sind, um eine mit Metall bedampfte Zone 70 zu bilden, die mit jedem der Abschnitte des Pin-Elements in Kontakt ist. In jeder dieser mit Metall bedampften Zonen 70 wird ein Löthöcker ausgeführt, beispielsweise durch elektrolytisches Wachstum. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zonen 70 alle über die Bahnen 61 der gedruckten Schaltung 6 und die mit Metall bedampften Seiten der zugeschnittenen und mit Metall bedampften Rohstruktur elektrisch miteinander verbunden sind.
Anschließend werden die Seiten F2 und F3, auf denen die Kanten 62 der Bahnen 61 der gedruckten Schaltung 6 vor der Metallbedampfung zu sehen sind, geätzt, um die Verbindungsbahnen zwischen diesen Kanten 62 und einem Ende einer Bahn 10, 11, 20, 21, 30, 31, 40, 41, 50, 51 einer Bauelementebene, sowie alle seitlichen Verbindungsbahnen zwischen den Bahnen 10, 20, 30, 40 und 50 und den Bahnen 11, 21, 31, 41 und 51 zu bilden. Dieser Ätzungsvorgang besteht beispielsweise in einer Laserätzung der mit Metall bedampften, gleichmäßigen Schicht der betreffenden Seite.

Claims

Monoblockstruktur, bestehend aus mindestens zwei Bauelementebenen, die gestapelt sind, wobei jede Bauelementebene Folgendes umfasst: – (1) eine Schicht aus Isoliermaterial (R), die eine Bauelementebene bildet und in die Folgendes eingebettet ist: – (2) mindestens ein Bauelement (1, 2, 3, 4, 5), und – (3) mindestens eine erste Bahn (10–11, 20–21, 30–31, 40–41, 50–51), deren erstes Ende mit einem Anschlusspunkt des genannten Bauelements verbunden ist, wobei die genannte Struktur außerdem mindestens eine zweite Bahn beinhaltet, die seitlich angeordnet ist (F3, F2), deren erstes Ende mit einem zweiten Ende der genannten ersten Bahn (10–11, 20–21, 30–31, 40–41, 50–51) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel für eine eingebettete gedruckte Schaltung (6) beinhaltet, die eine Ebene der gedruckten Schaltung bildet und mindestens eine dritte Bahn (61) umfasst, wobei ein erstes Ende (60) dieser dritten Bahn mit einem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement (80, 81, 82) gekoppelt ist, dessen Ende auf einer Seite der genannten Struktur sichtbar ist, die parallel zu der genannten Bauelementebene und der Ebene der gedruckten Schaltung verläuft, und wobei ein zweites Ende (62) dieser dritten Bahn mit einem zweiten Ende der zweiten Bahn verbunden ist.
Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem genannten Signaleingangs- und/oder Ausgangselement (80, 81, 82) um ein Pin-Element handelt, das in einem mit Metall bedampften Loch der gedruckten Schaltung angeordnet ist.
Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem genannten Signaleingangs- und/oder Ausgangselement (80, 81, 82) um ein Wellenleiterelement handelt, das an einer seiner Kanten mindestens einen Erdungsstift beinhaltet, wobei der genannte Stift in einem mit Metall bedampften Loch in dem Mittel für die gedruckte Schaltung angeordnet ist, das ein Ende einer Erdungsbahn bildet, und wobei das genannte erste Ende (60) der dritten Bahn (61) mit dem genannten Wellenleiter gekoppelt ist.
Herstellungsverfahren einer Monoblockstruktur mit gestapelten Bauelementen, bestehend aus folgenden Schritten: (a) Stapeln von mindestens zwei Bauelementebenen, wobei jede Bauelementebene Folgendes umfasst: – (1) eine Schicht aus Isoliermaterial (R), die eine Bauelementebene bildet und in die Folgendes eingebettet ist: – (2) mindestens ein Bauelement (1, 2, 3, 4, 5), und – (3) mindestens eine erste Bahn (10–11, 20–21, 30–31, 40–41, 50–51), deren erstes Ende mit einem Anschlusspunkt des genannten Bauelements verbunden ist; (b) – Gießen der genannten, mindestens zwei gestapelten Bauelementebenen sowie eines Mittels für eine gedruckte Schaltung (6), das zu einer Ebene der gedruckten Schaltung gehört und mindestens eine dritte Bahn umfasst, die mit einem Signaleingangs- und/oder Ausgangselement (80, 81, 82; 80') gekoppelt ist, wobei das genannte Signaleingangs- und/oder Ausgangselement (80, 81, 82; 80') senkrecht zu dem genannten Mittel für eine gedruckte Schaltung angeordnet ist, um eine unbearbeitete Monoblockstruktur zu bilden; (c) – Zuschnitt (D) der genannten, unbearbeiteten Monoblockstruktur, um einen Abschnitt des genannten Signaleingangsund/oder Ausgangselements (80, 81, 82; 80') sowie eine Kante (62) der genannten dritten Bahn (61) sichtbar zu machen; (d) –Metallbedampfung der beim Zuschnitt entstandenen unbearbeiteten Monoblockstruktur; (e) –Ätzen mindestens einer zweiten Seite der unbearbeiteten, zugeschnittenen und mit Metall bedampften Monoblockstruktur, um eine zweite seitliche Bahn zwischen einem zweiten Ende der genannten ersten Bahn und einem zweiten Ende der genannten dritten Bahn zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 4 zur Herstellung einer Struktur gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem die folgenden Schritte umfasst: (f) Ätzen einer ersten Seite der unbearbeiteten, zugeschnittenen und mit Metall bedampften Monoblockstruktur, auf der der Abschnitt der genannten Pin-Vorrichtung sichtbar ist, um eine mit Metall bedampfte Zone (70) zu bilden, die im Bereich des genannten Abschnitts angeordnet ist; und (g) – Wachstum eines Löthöckers auf der genannten, mit Metall bedampften Zone.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schritt zum Löthöcker-Wachstum in der genannten, mit Metall bedampften Zone um einen Schritt mit elektrolytischem Wachstum handelt.