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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Leiterplatten (PCBs) und insbesondere
Verbindungs- und Abschirmstrukturen in der Form von plattierten
Durchgangslöchern
(Microvias) für
Leiterplatten sowie das Verfahren zur Bildung solcher Microvias
und Abschirmstrukturen.
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STAND DER
TECHNIK
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Bei
der Konstruktion von Leiterplatten wird stets das Ziel verfolgt,
die Funktionalität
sowie die Bauteilkapazität
zu verbessern. Nahezu seit der Einführung von Leiterplatten sind
Ingenieure bestrebt, immer zahlreichere Funktionalitäten und
damit mehr Verbindungsbahnen hinzuzufügen. Diese Bahnen ziehen sich
von einer Seite zur anderen und von einer Schicht zur anderen und
bilden somit die Verbindung zwischen den "aktiven" elektronischen Elementen. Im Laufe
der Zeit sind Leiterplatten aus zahlreichen verschiedenen Materialien
und in unterschiedlichen Verfahren gefertigt worden. Das am häufigsten verwendete
Material stellt dabei ein auf Glasepoxid basierender Schichtstoff
dar, wobei die Leiterplatten einseitig, doppelseitig oder mehrlagig
(mit mehr als 2 Schichten) aufgebaut sein können. Die Verbindungsmittel
zwischen Schichten werden durch Durchbohren der Schichten der Leiterplatte
mit einem mechanischen Bohrer bereitgestellt, wobei die Kupferverbindungsflächen auf
den einzelnen Schichten freigelegt werden. Die Leiterplatte wird
dann durch eine Galvanisierlösung
gezogen und die verschiedenen Schichten werden durch galvanisiertes
oder abgeschiedenes Kupfer verbunden, das sich auf der Innenfläche der
Durchgangsbohrung bildet. Dieser gebohrte galvanisierte Zylinder
als Verbindung zwischen zwei Schichten wird als Durchkontaktierung oder
englisch "Via" bezeichnet. Das
augenscheinlichste äußere Merkmal
besteht in der runden Form der Vias bei der Betrachtung von oben
oder von unten. Diese ist auf den "Bohrvorgang" zurückzuführen. Beim
Bohren durch einen Schichtstoff entsteht ein rundes oder kreisförmiges Loch.
Das Bohren von Löchern
wird mit einer Bohrmaschine ausgeführt, die mit Hilfe eines "Bohrers" bohrt, einem mechanischen Gerät, das um
seine Mittelachse rotiert oder schneidet und dabei Material rund
um die Mittelachse entfernt, so dass die runden oder kreisförmigen Löcher entstehen.
Ein Bohrer hat eine schneidende Wirkung.
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Wie
bereits erwähnt,
sind immer mehr Verbindungsleitungen als Schaltung erforderlich
geworden, womit auch die Komplexität von Leiterplatten zugenommen
hat. Dies hat selbstverständlich
zu einer Reduzierung der Größe der Vias
und einer Zunahme ihrer Anzahl geführt. Die neuen kleineren Durchkontaktierungen
werden als "Microvias" bezeichnet und sind
in der Regel blind ausgelegt. "Blinde
Vias" sind Vias,
die nicht vollständig
durch die Leiterplatte hindurchgehen, sondern in einer vorbestimmten Schichttiefe
enden. Die kleinere Größe der Durchgangskontaktierungen
wird durch die Zunahme der Bahnendichte notwendig, wodurch die Punkte
auf einer gegebenen Schicht abnehmen, an denen eine Anschlussverbindungsfläche so aufgebracht
werden kann, dass sie mit einem "Land" (einer Cu-Fläche) auf
einer weiteren Schicht fluchtet, ohne dass dabei Interferenz mit
dazwischenliegenden Bahnen entsteht. Verringert sich die Querschnittsfläche, die
von einer Durchkontaktierung in Anspruch genommen wird, so wird
die Verwendbarkeit des Vias wahrscheinlicher. Allerdings hat die
Größenabnahme
der Vias bewirkt, dass mechanisches Bohren von Microvias in der
Industrie kaum noch praktiziert wird. Stattdessen haben sich alternative
Methoden wie Laserablation und Plasmaablation entwickelt. Materialablation
ist eine elektrochemische Reaktion auf Taktung von Laserlicht oder
den Plasmaprozess. Dabei handelt es sich nicht um einen Schneidevorgang
oder -prozess. Bei sämtlichen
Varianten der Ablation wird jedoch Material rund um eine Mittelachse
entfernt.
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Die
Ablation ahmt mechanisches Bohren nach, indem unabhängig davon,
welche Methode eingesetzt wird, ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch
geformt wird. Dieses ablatierte runde Loch wird oft als "Bohrung" bezeichnet, da rund
um eine Mittelachse Material entfernt worden ist. Daraus ergibt
sich der Begriff Microvia-Bohrung. Dieses runde Loch hat ein Leistungsniveau,
das auf der Schaffung eines runden oder kreisförmigen Lochs basiert und sich
auf Strombelastbarkeit, Widerstand und Induktanz bezieht. Beispielsweise
verfügt
ein "blinder Via" über eine geringere Induktanz
als ein Durchgangsloch, da der Zylinder des Vias kürzer ist,
doch die Strombelastbarkeit ändert
sich nicht, da der Durchmesser und somit der Umfang des Lochs gleich
bleiben. Deshalb ist die Strombelastbarkeit einer Durchkontaktierung abhängig von
der Umfangslänge
und der Dicke des leitenden Mediums am Schnittpunkt zwischen dem Land
der Leiterbahn und der Durchkontaktierung.
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Es
gibt zahlreiche Schwierigkeiten mit Microvias kreisförmigen Profils.
Wenn zum Beispiel dicht bestückte
mehrlagige Leiterplatten zum Einsatz kommen, liegt eine enorme Menge
an Leiterbahnen und Verbindungen vor. Kreisförmige Vias können aufgrund
der für
ein kreisförmiges
Loch benötigten Schnittfläche eine
Begrenzung darstellen, falls die sich durch mehrere Schichten erstreckende
Durchkontaktierung Leiterbahnen oder Bauteile umgehen soll. Des
Weiteren ist die Strombelastbarkeit von zirkulären Bohrungen beschränkt, da
die Strombelastbarkeit einer Bohrung ein Faktor aus Umfang und Dicke
der auf der Innenwand aufgebrachten Plattierung ist. Dieser Faktor
beeinflusst auch die Fähigkeit, mehrfache
Bahnen auf einer einzigen Schicht unterzubringen, um eine Verbindung
zur selben Durchkontaktierung herzustellen, da der Abstand zwischen den
Kontaktstellen zu kurz ist, so dass die Strombelastbarkeit der Durchkontaktierung
an diesen Stellen oder die Verbindungsdichte an einem gegebenen Land
oder einer Leiterplattenschicht überschritten wird.
Herkömmliche
standardmäßige Microvias
mit kreisförmigem
Profil verfügen
auch über
charakteristische Eigenschaften hinsichtlich Induktanz wegen der
spiralförmigen
Gestalt der kreisförmigen
Bohrung, welche sich auf den Elektronenfluss durch die Durchkontaktierung
auswirkt und so in einer Induktanz resultiert. Die charakteristische
Induktanz verlangsamt in der Regel die Signalgeschwindigkeit und verstärkt die
Lärmempfindlichkeit.
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Durchgangslöcher, die
möglicherweise
als Microvias kategorisiert werden können, sind auf Halbleitergeräten auf
anorganischer Siliziumbasis eingesetzt worden, um zwei durch eine
Isolationsschicht getrennte leitfähige Schichten zu verbinden, wobei
die Isolationsschicht über
ein Kontaktdurchgangsloch verfügt,
welches einen Abschnitt der beiden leitfähigen Oberflächen freilegt.
In diesen Ausführungsbeispiel
eines Durchgangslochs erstreckt sich eine leitfähige Schicht durchgehend nach
unten durch das Durchgangsloch und verbindet somit die beiden Schichten
elektrisch. Die Halbleiter-Viatechnologie
hat einen anderen Zweck und damit eine verschiedenartige Struktur,
allerdings sollte sie aus Gründen
der Vollständigkeit
im Zusammenhang mit einer Diskussion über Viatechnologie (elektrische Verbindung
unter der Verwendung eines Durchgangslochs) dennoch erwähnt werden.
Bei einem Via auf einem Halbleiter verläuft die erste leitfähige Schicht
eng an den Wanden des Durchgangslochs, setzt sich über die
freigelegte Fläche
der zweiten Schicht hinweg fort und bildet in umlaufendem Kontakt
mit der zweiten Schicht ein Sackloch, das im Englischen als "blind via" bezeichnet wird.
Allerdings unterscheidet sich das Verfahren zur Bildung der Durchkontaktierung
von einem Vorgang, in dem Material rund um eine Mittelachse herum
weggeschnitten wird, und es gibt keine Plattierungsstruktur.
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In
diesem Beispiel eines Halbleiters ist das Durchgangsloch mit einer
Fortsetzung einer ersten leitfähigen
Schicht des Halbleiters in das Durchgangsloch gefüllt. Die
bei Halbleiterausführungen eingesetzte
Durchgangslochstruktur unterscheidet sich von Durchgangslöchern oder
Microvias, die für Leiterplatten
verwendet werden. Erstens verbinden Microvias für Leiterplatten eine Vielzahl
von Leiterbahnanschlussflächen
oder -pads miteinander, indem sie durch sie hindurch verlaufen und
sie für
eine innenliegende leitfähige
Plattierung freilegen, während
die Durchgangslochstruktur für
Halbleiter aus einem Loch durch eine Isolationsschicht hindurch
besteht, die zwei Schichten eines leitfähigen Mediums voneinander trennt.
Die Verbindung wird hergestellt, indem sich eine leitfähige Materialschicht
durchgängig
durch das Durchgangsloch erstreckt und die zweite Schicht kontaktiert.
Die Bildung einer Vielzahl von Verbindungen zu einem durch einen
Via gebildeten Knotenpunkt ist nicht die Zielsetzung in der Halbleiterumgebung,
wie dies bei Vias fair Leiterplatten der Fall ist.
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Die
besondere Schwierigkeit in Bezug auf Vias für Halbleiter liegt im elektrischen
Versagen der Viastruktur aufgrund von thermischen und sonstigen Beanspruchungen,
insbesondere im Bereich rund um den Rand der Öffnung des Durchgangslochs. Hier
beginnt die leitfähige
Medienschicht, sich durch das Durchgangsloch hindurch zu erstrecken
und Fehler treten auf, da an dieser Stelle die Medienschicht häufig dünner ist.
Das Problem beruht auf einer Konzentration von Beanspruchungen innerhalb einer
kleinen Fläche.
Bei Leiterplatten liegt die Schwierigkeit hingegen in der Dichte
der Verbindungen, da sie sich auf die Strombelastbarkeit und einen besseren
Spannungsabfall bezieht.
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US 5414222 offenbart eine
Baugruppe aus einer mehrlagigen integrierten Schaltung, die über eine
Vielzahl von Schichten aus Leitungen sowie Vias aus festem Metall
verfügt,
welche Leitungen in einer ersten Schicht mit Leitungen in einer
zweiten Schicht verbinden. Mindestens einer der Vias hat einen Querschnitt,
der so gestaltet ist, dass der Via in einer ersten Richtung viel
größer ist
als in einer zweiten Richtung, die in der Regel senkrecht zur ersten Richtung
steht.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben dargelegten Probleme
entwickelt.
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Die
Erfindung verfolgt deshalb das Ziel, zusätzliche Strombelastbarkeit
für eine
Durchkontaktierung bereitzustellen und die Induktanzwerte zu verringern.
Eine weitere Zielsetzung dieser Erfindung liegt in der Bereitstellung
von Durchkontaktierungen, die Bahnen und Bauteile physisch umgehen
können, für den Einsatz
in dicht bestückten
mehrlagigen Platten mit mehrfachen Bahnen. Des Weiteren ist es ein Ziel
dieser Erfindung, Bahnen auf zwei oder mehr Schichten, die nicht
vertikal ausgerichet sind, miteinander zu verbinden. Ebenfalls soll
die Induktanz der Vias verringert werden.
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Die
Erfindung erfüllt
die oben genannten Zielsetzungen durch die Bereitstellung einer
nicht-zirkulären Durchkontaktierung
sowie eines Verfahrens zum Wegschneiden von Material rund um eine
Mittelachse für
eine nicht-zirkuläre
Durchkontaktierung für Leiterplatten.
Das Verfahren zum Bohren der nicht-zirkulären Durchkontaktierung beruht
auf dem Schneiden oder Entfernen von Material rund um eine Mittelachse
in einem Verfahren wie Laserablation oder Plasmaablation. Diese
Art des Wegschneidens von Material rund um eine Mittelachse wird
manchmal wie weiter oben festgestellt als Materialablation bezeichnet
und ermöglicht
eine seitliche Bewegung zur Hervorbringung von nicht-zirkulären Muster.
Diese Erfindung nutzt den nicht-zirkulären Ansatz in drei Formen,
einmal als deformierter Kreis oder Quadrat, als erweiterte verlängerte Durchkontaktierung
mit einer bis zum dreifachen Durchmesser betragenden Tiefe und einer
eingegrabenen Durchkontaktierung. Die Durchkontaktierung von deformierter
kreisförmiger
oder nicht-zirkulärer
Gestalt ist eine Profilmikrobohrung zur Stromversorgung. Die Profildurchkontaktierung
kann jede Form abgesehen von rund oder kreisförmig annehmen, um eine größere Umfangslänge als
bei einem runden oder kreisförmigen
Format hervorzubringen. Die Profildurchkontaktierung kann eine nicht-zirkuläre wellenförmige Gestalt
mit dem Umfang oder dem Teilkreisdurchmesser im Mittelpunkt oder
eine unregelmäßige Gestalt
haben, die nicht auf der runden oder kreisförmigen Form basiert. Ein "Three Diameter Via" (Drei-Durchmesser-Durchkontaktierung)
oder 1-3D-Via ist
ein Durchgangsloch mit zwei Bauteilabmessungen, wovon eine die Hauptabmessung
von 1-3D-Lange und
die andere kleinere Abmessung ihre Breite mit einem 1D-Durchmesser
darstellt. Schließlich
wird ein mikrogefräster Graben,
welcher eine Koaxialstruktur bildet, zum Lärmschutz sowie zum Schutz vor
elektromagnetischer Beeinflussung eingesetzt. Dieser ist gewöhnlich um
mehr als das Dreifache des Durchmessers des normalen kreisförmigen Microvias
verlängert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Man
gewinnt ein besseres Verständnis
für die
Vorteile dieser Erfindung durch Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Hier zeigt 1 eine Draufsicht auf ein typisches
Profil eines Microvias zur Stromversorgung, welches ein Kreuz bildet,
sowie eine herkömmliche
Durchkontaktierung. 2 zeigt die Definition der Länge und
Breite eines Vias in einer Außendraufsicht
anhand eines kreuz- oder "+"-förmigen Vias. 3 zeigt
ein alternatives Profil 1, welches einen Winkel- oder "L"-förmigen
Via bildet. 4 zeigt ein alternatives Profil
2, welches einen "U"-förmigen Microvia
bildet. 5 zeigt ein alternatives Profil
3, welches einen doppelkreuzförmigen
Microvia bildet, der nicht auf dem runden zirkulären Format basiert, oder dessen
Gestalt nicht den Umfang oder den Teilkreisdurchmesser im Mittelpunkt
hat. 6 zeigt ein alternatives Profil 4, welches einen "E"-förmigen
Microvia bildet, der nicht auf dem runden kreisförmigen Format basiert, oder
dessen Gestalt nicht den Umfang oder den Teilkreisdurchmesser im
Mittelpunkt hat. 7 und 8 zeigen
die Manhattan Interconnect Strategy (Manhattan-Verbindungsstruktur). 9 und 10 zeigen
einen alternativen Schutzgraben. 11 und 12 zeigen
einen doppelten Schutzgraben.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Der
Erfinder hat herausgefunden, dass nicht-zirkuläre Durchkontaktierungen für Leiterplatten
realisierbar und aus vielen Gründen
wünschenswert
sind. Beispielsweise kann eine nicht-zirkuläre Durchkontaktierung einen "L"-förmigen
Querschnitt annehmen, um zwei Leiterbahnflächen oder Kontaktstellen auf
unterschiedlichen Leiterplattenschichten miteinander zu verbinden,
während
sie Bahnen innerhalb des Bereichs zwischen den Schenkeln der "L"-förmigen
Durchkontaktierung auf dazwischenliegenden Schichten umgeht. Andere
nicht-zirkuläre Vias
können
auf verschiedene Arten genutzt werden, um sich an das spezifische
Layout der Leiterbahnen anzupassen. Weiter ist es wünschenswert,
Vias zu entwickeln, die nicht-zirkulär sind, aber einen äquivalenten
Gesamtdurchmesser zu vergleichbaren standardmäßigen kreisförmigen Vias
haben, da sie weniger Schneidefläche
benötigen.
Dies liegt daran, dass der Umfang eines Kreises geringer ist als
einige Formen mit äquivalentem
Gesamtdurchmesser. Der größere Umfang
stellt einen Vorteil der Nutzung von nicht-zirkulären Durchkontaktierungen
dar, da der größere Umfang
von nicht-zirkulären
Durchkontaktierungen die Strombelastbarkeit des Vias erhöht.
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Des
Weiteren kann festgestellt werden, dass Verfahren mit plattierten
Durchgangslöchern
so angepasst werden können,
dass sie zur Bildung eines um die Masseebene umlaufenden Grabens
oder eines äußeren Abschirmgrabens
eingesetzt werden können,
indem ein mikrogefräster
Graben rund um den Umkreis einer Leiterplatte oder den Umkreis um ein
Bauteil oder eine Gruppe von Bauteilen verwendet wird, dass sie
einen hinreichenden Erdungspfad für Erdungsbahnen auf mehrfachen
Schichten der Leiterplatte und für
mehrfache Bauteile, die sich an verschiedenen Positionen auf der
Leiterplatte befinden, bereitstellen können, oder sich zum Schutz
vor elektromagnetischer Beeinflussung einsetzen lassen. Diese Technik
bietet sich an, um mit dem verfügbaren
Platz auf reich bestückten
und ungewöhnlich geformten
Leiterplatten zurechtzukommen. Der plattierte Graben kann sich durch
mehrere Leiterplattenschichten hindurch erstrecken und unabhängig von der
Form der Platte am Rand der Platte entlanglaufen. Die Grabenstruktur
kann auch einen bestimmten Bereich der Leiterplatte umgeben, um
diese spezifische Fläche
der Platte oder ein spezifisches Bauteil vor elektromagnetischer
Beeinflussung zu schützen. Der
Graben bietet Schutz vor elektromagnetischer Beeinflussung, da er
eine koaxiale Bahnenstruktur schafft. Wenn ein einzelner Graben
verwendet wird, bildet dieser eine teilweise äußere Abschirmung für die koaxiale
Struktur. Die teilweise äußere Abschirmung
der koaxialen Struktur umfasst die Plattierung der Wand des Grabens,
die Masseebene und die Plattierungslippe, die sich seitlich vom
Rand über
die Öffnung
des Grabens erstreckt. Die Plattierung wickelt sich um den Rand
der Öffnung
des Grabens und erstreckt sich seitlich von der Öffnung, wobei sie eine Lippe
bildet. Die koaxiale Struktur wird durch die Leiterbahn vervollständigt, die
sich koaxial durch die durch den Graben gebildete äußere Abschirmung
erstreckt.
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Systeme
zur Stromerdung können
ganze Schichten zu einer Masseebene zuordnen, was die Dicke und
das Gewicht der Platte unnötig
erhöht, auch
erfordert solch eine Erdungsschicht gewöhnlich auf beiden Seiten eine
Isolation durch Isolationsschichten. Ein weiteres Verfahren ist
die Nutzung einer Erdungsschiene, die zwischen Schichten von Leiterplatten
oder am Rand einer Leiterplatte aufgeklebt wird. Dies erfordert
einen viel komplizierteren Herstellungsprozess und durch die Erdungsschiene wird
der Zugriff auf alle Leiterbahnen auf sämtlichen Schichten der Leiterplatte
erschwert.
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Zusammenfassend
lässt sich
sagen, dass alternative Formmerkmale wie zum Beispiel eine deformierte
oder quadratisch geformte Durchkontaktierung die Leistung eines
Microvias verändern
werden, indem sie diese gegenüber
der Leistung einer bekannten Form (rund) erhöhen. Drei Ideen bilden die Grundlage
für die
kollektiv zusammengefassten Mikromerkmale dieser Erfindung. Diese
drei Ideen werden als Profildurchkontaktierung zur Stromversorgung,
1D-3D-Via und Schutzgraben kategorisiert und im Folgenden erörtert.
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PROFILDURCHKONTAKTIERUNG
ZUR STROMVERSORGUNG
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Der
grundlegende Unterschied in der Leistung dieser Alternative eines
Microvias besteht in der größeren Strombelastbarkeit
als bei einem traditionellen runden oder kreisförmigen Microvia mit einer äquivalenten
Höchstabmessung
des Durchmessers. Da die Strombelastbarkeit eines Vias vom Umfang der
Wandlänge
und der Wandstärke
des leitenden Mediums abhängig
ist, folgt daraus, dass ein größeres Durchgangsloch über einen
größeren oder
längeren
Umfang verfügen
wird als ein kleineres Gegenstück.
Das bedeutet, dass der größere Umfang
(bei Annahme derselben Dicke des leitfähigen Mediums) über eine
größere Menge
an leitendem Medium verfügen
wird, in dem Strom befördert
werden kann. Profildurchkontaktierungen zur Stromversorgung für den Zweck
dieser Patentanmeldung sind Durchkontaktierungen, die einen Umfang
oder Rand haben, der länger
oder größer ist,
als dies durch den Einsatz einer runden oder kreisförmigen Form
mit einem äquivalenten
Höchstdurchmesser
in der Gestaltung, Belichtung oder Fertigung von Microvias erreicht
werden kann. Beim Einsatz für
die Bildung von regulären Verbindungsbohrungen
hat die Gestalt der Durchkontaktierung den äquivalenten Durchmesser des normalen
kreisförmigen
Microvias als ihre größte Abmessung.
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Beim
Einsatz für
eine Konfiguration zur reinen Stromführung trifft die normale Höchstabmessung
des Vias möglicherweise
nicht zu. Somit können
die Durchkontaktierungen in allen Strategien zur Stromführung und
Verbindung in der Gestaltung und Herstellung von Leiterplatten verwendet
werden. Im Folgenden werden einige Beispiele für die Nutzung der Durchkontaktierungen
in einer Stromführungs- und
Verbindungsstrategie ohne Einschränkungen durch Größenbeschränkung aufgeführt.
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Die
Profildurchkontaktierung zur Stromversorgung kann zur Bildung der
größeren Lange
im Umfang im Vergleich zu kreisförmigen
Durchkontaktierungen mit gleichem Durchmesser eine beliebige Durchkontaktierung
mit einer beliebigen Form mit Ausnahme von rund oder kreisförmig sein.
Die Gestalt kann beispielsweise stern- oder kreuzförmig, quadratisch
oder von einer beliebigen unregelmäßigen oder deformierten Form
sein, welche die Länge des
Umfangs im Vergleich zu einem runden oder kreisförmigen Format vergrößert. Im
Prinzip basieren die Profildurchkontaktierungen zur Stromversorgung auf
einem kreisförmigen
Format, indem sie eine wellenförmige
Gestalt mit dem Umfang oder dem Teilkreisdurchmesser als Mittelpunkt
haben können,
jedoch kann die Durchkontaktierung zur Stromversorgung von einer
unregelmäßigen Gestalt
sein, die nicht auf dem runden oder kreisförmigen Format basiert. Das
heißt,
dass der Querschnitt des Microvias eine unregelmäßige Gestalt annehmen kann,
die nicht auf einem runden maximalen Umfangsdurchmesser oder der
zirkulären
Form basiert. Der Microvia kann auch ein deformiertes, abgestuftes,
quadratisches Muster haben.
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Ferner
erlaubt die nicht-zirkuläre
Gestalt mehr Bahnen auf einer Schicht für die Verbindung zu einer einzelnen
Durchkontaktierung, um die Verbindung zu Bahnen auf anderen Schichten
herzustellen. Dies ist dank der größeren Strombelastbarkeit auf
einer Schicht möglich,
die sich aufgrund des vergrößerten Umfangs
ergibt, wodurch sich die Anzahl von möglichen Verbindungsstellen
erhöht.
Des Weiteren erlauben nicht-zirkuläre Durchkontaktierungen, dass Bahnen
und Bauteile einfacher umgangen werden können. Ein weiteres wichtiges
Merkmal ist das Wegfallen der Induktanz, wie diese bei der normalen kreisförmigen Profilviakonstruktion
zu beobachten ist, indem der Spulencharakter der kreisförmigen Profildurchkontaktierungen
eliminiert wird. Die Beseitigung der Induktanz führt zu einer schnelleren Signalleistung
bei Hochgeschwindigkeitssignalen, da die charakteristische Induktanz
der standardmäßigen kreisförmigen Profildurchkontaktierungen
dazu neigt, ein Signal zu verlangsamen. Auch eine bessere Lärmempfindlichkeitsleistung
ergibt sich aus einem nicht-zirkulären Format.
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1D-3D-VIAS
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Der
1D-3D-Via ist eine alternative Form der Profildurchkontaktierung
zur Stromversorgung. Gilt der standardmäßige oder normale runde Microvia
als ein 1D-Via oder ein Via mit einem Durchmesser des Verhältnisses
1,0, dann sind sämtliche
hier erwähnten
Durchkontaktierungen Viakonfigurationen, die einen einzigen Durchmesser
als Grundabmessung für einen
Via von zwei Bauteilabmessungen verwenden. Im Beispiel aus 2 ist
eine der Abmessungen die Länge 202,
die andere die Breite oder Weite 200. Die Länge kann
X- oder Y-Orientierung oder eine beliebige Orientierung in einer
zweidimensionalen Ebene haben. Dasselbe gilt für die Breite. Deshalb wird
ein Via mit einer runden oder kreisförmigen Gestalt im Verhältnis 1,0
: 1,0 als ein normaler Microvia betrachtet und ist nicht Gegenstand
dieser Patentanmeldung.
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Die
Vorteile der Viakonfiguration nach der 1D-3D-Gestalt bestehen darin,
dass sie direktional sein kann und die Breite (die kleinere Abmessung) als
den Begrenzungsfaktor für
die Verbindungsdichte benutzt. Die Länge ist für diese Patentanmeldung auf 3D
oder die dreifache Länge
der Breite beschränkt. Durchkontaktierungen
mit einem Verhältnis
größer als
3D gelten als "Gräben" und werden im folgenden Abschnitt
beschrieben. Der Einsatz der 2D- und 3D-Vias in einer Manhattan-Konfiguration
ist möglich, dies
ist in 7 und 8 dargestellt. Hierbei kann eine
Durchkontaktierung von ausreichender Größe (Strombelastbarkeit) innerhalb
einer Leiterbahnspur ohne runde Pads platziert werden. Runde Durchkontaktierungen
und damit runde Viapads sind Begrenzungsfaktoren für die Verbindungsdichte
in der Ausführung
von Leiterplatten. Wenn wir dieses Format in der Ausführung verwenden
können,
um eine hohe Verbindungsdichte mit derselben oder gesteigerter Strombelastbarkeit
wie bei normalen Durchkontaktierungen zu erzielen, wird so ein Vorteil
gegenüber
der Gestaltung und Herstellung von normalen Microvias erreicht.
Als Nutzen für
die Herstellung von Leiterplatten kann Folgendes in der Fotolackstufe
erzielt werden. Bei der Arbeit mit Fotolack muss eine bestimmte Mindestfläche des
Lacks auf der Kupferoberfläche haften
bleiben. Während
der Herstellung von Leiterplatten mit Microvias werden die kleinen
Durchkontaktierungen unter Verwendung einer kleinen Fläche von
Fotolack belichtet. Aus der Annahme, dass normale Microvias ein
Verhältnis
von 1,0 : 1,0 haben, lässt
sich die Armahme ableiten, dass jede Durchkontaktierung mit einem
größeren Verhältnis als
1,0 für
eine der beiden Abmessungen über
eine größere Fläche an Fotolack
verfügt,
der auf dem Kupfer oder einem anderen leitfähigen belichtbaren Träger haftet, wodurch
sich der Ertrag verbessert.
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GRÄBEN
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Der
mikrogefräste
Graben stellt eine dritte Form dar, das Microviakonzept mit einem
nicht-zirkulären oder
runden Querschnitt einzusetzen. Ein Graben ist ein Schlitz, der
durch Bearbeitung mit Plasma oder Laser oder einem sonstigen Verfahren "mikrogefräst" wird, wobei Material
rund um eine Mittelachse entfernt wird. Dieser Schlitz geht tiefer
als eine Schicht. Gräben ähneln den
zuvor gezeigten 1D-3D-Viaformaten. Der Unterschied zwischen 1D/3D-Vias
und Gräben
liegt in der Länge.
Die Vias mit einem größeren Verhältnis als
3,0 : 1,0 werden in diesem Patent als Gräben bezeichnet. Dies bedeutet nicht,
dass die beiden nicht austauschbar sind. Es gibt Fälle, in
denen die Gräben
gegebenenfalls kleiner als im Verhältnis von 3D sein könnten, was
für diese
Erfindung berücksichtigt
werden muss. Gräben können zur
EMV-Abschirmung eingesetzt werden, doch diese Technik kann für alle bekannten
Referenzebenen- oder Abschirmungstechniken verwendet werden, welche
die Signalintegrität
in Verbindungslösungen
für Schichtstoffe
steuern. Diese Gräben
können
sich am Rand von Leiterplatten oder innerhalb der Fläche der
Leiterplatte befinden. Das Aufbringen von Gräben kann in allen leiterplatten-
oder anwendungsspezifischen Modularten verwendet werden. Es bietet
wesentliche Steigerungen der Signalleistung, allerdings auch eine
potentiell geringere Anzahl von Schichten und damit niedrigere Produktionskosten.
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Die
Voraussetzung und die Einzelheiten der verschiedenen Aspekte der
Erfindung werden durch eine spezifische Bezugnahme auf die jeweilige Zeichnung
besser verständlich.
In 1 wird zunächst
eine Profildurchkontaktierung zur Stromversorgung mit nicht-zirkulärem Querschnitt 102 einem standardmäßigen Microvia 104 mit
rundem oder kreisförmigen
Querschnitt nach dem Stand der Technik gegenübergestellt. Der maximale oder
größere Durchmesser 100 des
nicht-zirkulären
oder "kreuz"-förmigen
Microvias entspricht dem standardmäßigen kreisförmigen Via
nach dem Stand der Technik. Dies beschreibt einen nicht-zirkulären Microvia
wellenförmiger
Gestalt mit Umfang oder Teilkreisdurchmesser im Mittelpunkt. Auch
wird deutlich, dass der Umfang des "kreuz"- oder "+"-förmigen Microvias
länger
als der Umfang des standardmäßigen kreisförmigen Microvia
ist, wodurch sich die Strombelastbarkeit des Vias erhöht, wie
zuvor erläutert
wurde. In 2 ist erneut der kreuzförmige Microvia
abgebildet. Hier wird die Breite 200 sowie die Länge 202 des
Microvias gezeigt. Die Breite 200 des Microvias wird von
der Breite des Schneidevorgangs des Schneidemittels bestimmt, während die
Lange 202 des Microvias von der Seitenbewegungsstrecke
des Schneidemittels bestimmt wird. Die zweite Länge 204 ist als die
Seitenbewegungsstrecke der Mittelachse des Schneidemittels definiert,
um welche es schneidet.
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In 3 und 4 werden
jeweils ein "L"-förmiger und
ein "U"-förmiger Microvia
gezeigt. Diese alternativen Querschnitte basieren ebenfalls auf
dem runden oder kreisförmigen
Format. In 5 und 6 sind jeweils
ein "doppelkreuz"- oder "++"- und ein "E"-förmiger
Microvia dargestellt, die nicht auf dem runden oder kreisförmigen Format
basieren, da sie einen größeren Durchmesser 500 bzw. 600 sowie
einen geringeren Durchmesser von kürzerer Länge 502 und 602 haben.
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Schließlich zeigt 6A einen
quadratischen Microvia mit einer Breite 604, die dem Durchmesser
einer standardmäßigen kreisförmigen Profildurchkontaktierung
entspricht, welcher in 1 als größerer Durchmesser 100 dargestellt
ist.
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In 7 wird
das Format des zuvor erläuterten
1D-3D-Microvias gezeigt. Der 1D-Microvia 700 ist ein typischer
standardmäßiger Microvia
mit einem kreisförmigen
Querschnitt. Der 2D-Microvia 702 verfügt über einen kleineren Durchmesser
in der Breite 704 und einen größeren Durchmesser in der Länge 706,
wobei der größere Durchmesser
das Zweifache des kleineren Durchmessers beträgt. Der 3D-Microvia 708 verfügt über einen
kleineren Durchmesser 710 und einen größeren Durchmesser in der Länge 712,
wobei der größere Durchmesser
das Dreifache des kleineren Durchmessers beträgt. Eine Möglichkeit des Einsatzes des
2D-3D-Microviaformats ist in 8 dargestellt,
welche die Manhattan-Verbindungsstrategie 800 (mit hoher
Dichte oder reicher Bestückung
analog zur großen
Bevölkerungsdichte) abbildet.
Einer der Vorteile von 2D-3D-Vias besteht darin, dass sie direktional
sein können
und die Breite (den kleineren Durchmesser) als den Begrenzungsfaktor
für die
Verbindungsdichte verwenden. Der Einsatz des 2D-3D-Vias als Teil der
Manhattan-Strategie macht es möglich,
dass ein Via von ausreichender Größe (Umfang oder Strombelastbarkeit)
innerhalb eines Leiterbahnmusters mit höherer Auflösung (enger gestellt) ohne
eine runde Kontaktstelle oder Verbindungsfläche platziert wird. Runde Kontaktstellen und
runde Durchkontaktierungen können
die Bahnen- und Verbindungsdichte einschränken. Wird die Manhattan-Konfiguration bei
der Gestaltung verwendet, um eine höhere Verbindungsdichte mit
derselben oder höherer
Strombelastbarkeit zu erreichen, stellt dies einen Vorteil gegenüber der
Gestaltung und Herstellung mit normalen Microvias dar. Ein zweites
Ausführungsbeispiel 802 der
Manhattan-Strategie 802 wird dargestellt, in welchem sich die
Leiterbahn leicht weitet, so dass sie der Form des Vias entspricht,
um so eine größere Strombelastbarkeit
in der Durchkontaktierung zuzulassen.
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In 9 bis 11 wird
ein neuartiges Schutzgrabenverfahren abgebildet. 9 zeigt
eine Draufsicht auf einen Eckabschnitt einer Leiterplatte 900,
auf dem sich ein plattierter Graben 902 um den Umkreis
der Leiterplatte erstreckt. In dieser bevorzugten Ausführungsform
ist der gegrabene Via tatsächlich
ein verlängerter
gegrabener Via, der am Rand der Leiterplatte entlang ausgerichtet
ist; allerdings könnte
der Graben eine Reihe von ausgerichteten Grabensegmenten sein (nicht
abgebildet). Dieses Beispiel zeigt ferner eine EMV-empfindliche Bahn 904 (eine
Leiterbahn, die gegenüber
elektromagnetischer Beeinflussung empfänglich sein kann), welche sich
innerhalb des Umkreises und einer teilweisen äußeren durch den Graben definierten
Abschirmung erstreckt und dabei parallel zum Graben verläuft. Die
Bahn 904 wird segmentiert dargestellt, da sie verborgen
ist; die Bahn ist jedoch durchgängig. Diese
innere EMV-empfindliche
Bahn (EMI-empfindliche Leiterbahn) vervollständigt ein koaxiales Abschirmungssystem
sowie die Möglichkeit
eines durch den plattierten Graben gebildeten Erdungspfads. Der plattierte
Grabenvia wird durch Fräsen
einer Reihe von verlängerten
gegrabenen Durchgangslöchern am
gewünschten
Umkreis entlang erzielt, welcher sich bis hin zu einer Masseebene 1000 (Berg
auf 10) erstreckt und diese freilegt. Die Masseebene 1000 könnte jedoch
eine beliebige Bezugsebene sein, die auf einem vorgegebenen Spannungsniveau festgelegt
ist. Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Spannungsniveau der Bezugsebene an Erde gelegt. Das Spannungsniveau
der Erde könnte
eine TTL-Erde oder eine andere Signalerde, Gestellerde oder sonstige
Bezugserde sein. Der Umkreis des Grabens ist vorzugsweise ein durchgängiger Graben.
Die Innenwände 1002 der
verlängerten Durchgangslöcher sowie
die Ränder 1004 um
die Mündungen
der Löcher
werden mit einer durchgängigen
Schicht aus leitfähigem
Material 1006 plattiert, wodurch ein Pfad zur Erde bereitgestellt
wird. Die Struktur des Schutzgrabens umfasst einen mikrogefrästen plattierten
Graben 902. Die Plattierung des Grabens verläuft durchgängig an
der Innenwand 1002 des Grabens entlang und erstreckt sich
zur Masseebene 1000. Die Plattierung umschlingt den Rand
der Öffnung
des Grabens und erstreckt sich seitlich von der Öffnung am Rand 1004 entlang
rund um die Mündung
oder Öffnung
des Graben, wobei sie eine Lippe 1008 bildet. Die Masseebene 1000,
die Plattierung über
der Innenwand 1002 und die Plattierungslippe 1008 bilden
eine teilweise koaxiale äußere Abschirmung
rund um die EMV-empfindliche innere Leiterbahn 904, wodurch
eine koaxiale Abschirmstruktur geschaffen wird.
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11 und 12 zeigen
einen doppelten Schutzgraben 1200 mit einer koaxialen EMV-empfindlichen Bahn.
Dies stellt eine Variation des oben genannten Schutzgrabens dar.
Dieses Ausführungsbeispiel
umfasst einen inneren 1100 sowie einen äußeren 1102 gegrabenen Via mit einer dazwischenliegenden
koaxialen EMV-empfindlichen Bahn 1104 (Leiterbahn). Die
Bahn ist segmentiert dargestellt, da sie verborgen liegt; allerdings
ist die Bahn tatsächlich durchgängig. Dieses
Ausführungsbeispiel
kann mit Ausnahme des inneren Grabens zur zusätzlichen Abschirmung sowie
zur vollständigen
Umfassung der EMV-empfindlichen Bahn exakt mit dem oben beschriebenen
einfachen Schutzgraben übereinstimmen.
Der doppelte Schutzgraben stellt eine durchgängige und vollständige äußere Abschirmung
bereit, welche aufgrund der angrenzenden Lippenstruktur 1201 der
doppelten Gräben
die EMV-empfindliche Bahn umgibt.