DE69934814T2 - Nichtzirkuläre mikro-bohrung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben dargelegten Probleme entwickelt.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • PROFILDURCHKONTAKTIERUNG ZUR STROMVERSORGUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1D-3D-VIAS
  • 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.
  • 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.
  • GRÄBEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (30)

  1. Leiterplatte, die über eine Verdrahtungsstruktur zum Zusammenschalten von Verdrahtungsbahnen auf einer Vielzahl von Leiterbahnschichten, die auf einer Vielzahl von Leiterplattenschichten aufgebracht und dort dazwischen durch die Leiterplattenschichten galvanisch getrennt sind, sowie über eine Leiterplatten-Mehrschichtenstruktur verfügt, gekennzeichnet durch: ein ausgespartes Durchgangsloch (102) mit einem nichtzirkulären transversalen Querschnitt und einer Innenwand, die mindestens eine erste Verdrahtungsbahn und eine zweite Verdrahtungsbahn freilegt, sich vertikal durch diese hindurch erstreckt und diese schneidet, sowie einer auf die Innenwand aufgebrachten Plattierung aus leitfähigem Material, welche die erste und die zweite Verdrahtungsbahn elektrisch miteinander verbindet.
  2. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs U-förmig ist.
  3. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs L-förmig ist.
  4. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs kreuzförmig ist.
  5. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs von nichtzirkulärer, durchgängig gekrümmter Gestalt ist.
  6. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs quadratisch ist.
  7. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs rechteckig ist.
  8. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs doppelkreuzförmig ist.
  9. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs sternförmig ist.
  10. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der nichtzirkulare transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs oval ist.
  11. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs unregelmäßig geformt ist.
  12. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass: der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs einen primären Durchmesser (706, 712) und einen sekundären Durchmesser (704, 710) hat, der kleiner als der primäre Durchmesser ist, und wobei der sekundäre Durchmesser kleiner als eine Breite der ersten Verdrahtungsbahn ist.
  13. Leiterplatte nach Anspruch 12, wobei der primäre Durchmesser (706) mindestens zweimal so groß ist wie der sekundäre Durchmesser (704).
  14. Leiterplatte nach Anspruch 12, wobei der primäre Durchmesser (712) mindestens dreimal so groß ist wie der sekundäre Durchmesser (710).
  15. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch: ein erstes Durchgangsloch, ein zweites Durchgangsloch und ein drittes Durchgangsloch, wovon jedes über einen nichtzirkulären transversalen Querschnitt verfügt, und wobei sich das erste Durchgangsloch in der ersten Verdrahtungsbahn befindet, das zweite Durchgangsloch in einer Isolierungsschicht zwischen der ersten Verdrahtungsbahn und der zweiten Verdrahtungsbahn und das dritte Durchgangsloch in der zweiten Verdrahtungsbahn liegt, und wobei das erste, das zweite und das dritte Durchgangsloch vertikal angeordnet und mit dem leitfähigen Überzugsmaterial plattiert sind, um das ausgesparte Durchgangsloch zu bilden, welches sich von der ersten Verdrahtungsbahn erstreckt und diese mit der zweiten Verdrahtungsbahn elektrisch verbindet.
  16. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1-15, gekennzeichnet durch: mindestens ein zweites ausgespartes Durchgangsloch (708) mit einer mit einem leitfähigen Material plattierten Innenwand und einem nichtzirkulären transversalen Querschnitt, der sich vom nichtzirkulären transversalen Querschnitt des ersten ausgesparten Durchgangslochs (702) unterscheidet.
  17. Verfahren des Zusammenschalten von mindestens zwei aus einer Vielzahl von Leiterplattenschichten aufgebrachten Verdrahtungsbahnen, durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: Aufbringen von mindestens einer ersten Verdrahtungsbahn auf eine Hauptfläche einer ersten Leiterplattenschicht, wobei die erste Verdrahtungsbahn über eine erste Kontaktstelle verfugt; Bilden einer Isolierungsschicht über der ersten Verdrahtungsbahn; Aufbringen von mindestens einer zweiten Verdrahtungsbahn über die Isolierungsschicht, wobei die zweite Verdrahtungsbahn über eine zweite Kontaktstelle verfügt, die vertikal über der ersten Kontaktstelle angeordnet ist; Hindurchschneiden durch die erste Kontaktstelle, die Isolierungsschicht und die zweite Kontaktstelle, wobei sich ein ausgespartes Durchgangsloch (102) durch dieselben bildet und das ausgesparte Durchgangsloch über einen nichtzirkulären transversalen Querschnitt und eine Innenwand verfügt; und Plattieren der Innenwand des ausgesparten Durchgangslochs (102) mit einem elektrisch leitfähigen Material, wodurch die erste Verdrahtungsbahn und die zweite Verdrahtungsbahn durch die zwischen der ersten Kontaktstelle und der zweiten Kontaktstelle hergestellte Verbindung elektrisch miteinander verbunden werden.
  18. Verfahren zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Leiterbahnen nach Anspruch 17, wobei das Schneiden im Schneidvorgang mittels Plasmaablation erfolgt.
  19. Verfahren zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Leiterbahnen nach Anspruch 17, wobei das Schneiden im Schneidvorgang mittels Laserbearbeitung erfolgt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs U-förmig ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs L-förmig ist.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs kreuzförmig ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs von der Gestalt einer nichtzirkulären durchgängigen Krümmung ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs quadratisch ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs rechteckig ist.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs doppelkreuzförmig ist.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs sternförmig ist.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs oval ist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtzirkuläre transversale Querschnitt des ausgesparten Durchgangslochs unregelmäßig geformt ist.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-29, gekennzeichnet durch das Schneiden von mindestens einem zweiten ausgesparten Durchgangsloch (708) in der Leiterplatte und Plattieren einer Innenwand desselben mit einem leitfähigen Material.
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