WO2022112381A1

WO2022112381A1 - Mehrlagensubstrat und elektronikvorrichtung

Info

Publication number: WO2022112381A1
Application number: PCT/EP2021/082919
Authority: WO
Inventors: Peter Tauber; Ralf Winkler; Nils Rebmann; Josef Weber; Jonathan WINKLER
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-06-02
Also published as: DE102020214777A1

Abstract

Ausgegangen wird von einem Mehrlagensubstrat (10) umfassend Leiterbahnen (LI, L2, L3, Lx) auf unterschiedlichen Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) unter Ausbildung einer Leiterstruktur für eine elektrische Schaltung (30), wobei zumindest zwei Leiterbahnen auf unterschiedlichen Substratlagen mittels Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) elektrisch miteinander kontaktiert sind. Innerhalb zweier oder mehrerer Substratlagen ist jeweils ein Leiterstrukturabschnitt (10.VL1, 10.VL2, 10VL3, lOVLx) ausgebildet, umfassend zumindest zwei durch die jeweilige Substratlage hindurch geführten Durchkontaktierungen und einen zwischen den Durchkontaktierungen angeordneten und mit diesem elektrisch kontaktierten Leiterbahnabschnitt. Dabei bilden Leiterstrukturabschnitte unterschiedlicher Substratlagen durch paarweises elektrisches Kontaktieren an ihren jeweiligen Durchkontaktierungen eine Anordnung von parallelen Schaltungszweigen (I, II, III, X) innerhalb eines Leiterstrukturbereichs (30.VL) aus. Der Leiterstrukturbereich weist für einen Stromfluss durch alle parallelen Schaltungszweige eine Stromeintrittsstelle (le) und eine Stromaustrittsstelle (la) an einem der Leiterstrukturabschnitte auf. Dabei weisen die an diesen Leiterstrukturabschnitt parallel angeschlossenen weiteren Leiterstrukturabschnitte zur Stromflussausnivellierung zwischen den Schaltungszweigen mit jedem ausgebildeten in der Anordnung folgenden Schaltungszweig einen jeweiligen Leiterbahnabschnitt mit einer zunehmend verkürzten Abschnittslänge (al, a2, a3, ax) auf.

Description

Beschreibung

Titel

Mehrlagensubstrat und Elektronikvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Mehrlagensubstrat und eine Elektronikvorrichtung umfassend das Mehrlagensubstrat gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Durchkontaktierungen - auch Vias genannt - sind beispielsweise in Mehrlagensubstraten eine einfache Möglichkeit, eine elektrische Verbindung zwischen unterschiedlichen Substratlagen auszubilden. Auf diese Weise sind sehr kompakte Elektronikschaltungen realisierbar, da für ein Elektroniklayout Schaltungsbereiche innerhalb verschiedener Substratlagen vorgesehen werden können, welche dann - dem Layout entsprechend - mittels Durchkontaktierungen elektrisch miteinander kontaktiert sind. Es sind verschiedene Ausführungsformen von Durchkontaktierungen bekannt, beispielsweise solche, die durch das ganze Substrat gehen (von Außenseite zu Außenseite), blinde Vias, vergrabene Vias, gestapelte Vias und andere. Die Durchkontaktierungen können je nach Technologie auch vollständig gefüllt ausgeführt sein.

Die Fig. 1 zeigt einen Schaltungsbereich 30. VL einer elektronischen Schaltung 30 einer Elektronikvorrichtung 100 in einer senkrechten Schnittdarstellung durch ein Mehrlagensubstrat 10‘. Der Schaltungsbereich 30. VL umfasst dabei eine Parallelschaltung von mehreren Leiterbahnen LI, L2, L3, welche jeweils auf unterschiedlichen Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3 angeordnet sind. Die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen LI, L2, L3 untereinander erfolgt durch entsprechende Durchkontaktierungen VI, V2, V3, welche jeweils durch die Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3 umfassend die Leiterbahnen LI, L2, L3 geführt sind. Dabei umfasst ein Parallelzweig I, II, III des Schaltungsbereiches 30. VL jeweils zwei Durchkontaktierungen VI, V2, V3, welche eine solche Leiterbahn LI, L2, L3 zwischen sich einschließen und diese elektrisch kontaktieren und dabei zusammen jeweils einen Leiterstrukturabschnitt 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3 eines Leiterstrukturbereichs 10. VL des Schaltungsbereiches 30. VL ausbilden. Die Durchkontaktierungen VI, V2, V3 eines solchen Parallelzweiges I, II, III sind wiederrum paarweise elektrisch kontaktiert mit korrespondierenden Durchkontaktierungen VI, V2, V3 eines Parallelzweiges I, II, III einer folgenden Substratlage 10.1, 10.2, 10.3. Paarweise verbundene Durchkontaktierungen VI, V2, V3 mehrerer Parallelzweige I, II, III sind dabei in einem vertikalen Via-Stapel durch die mehreren Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3 unter Ausbildung des Strukturbereichs 10. VL angeordnet. Da die Leitungen LI, L2, L3 in den Parallelzweigen I, II, III gleich ausgebildet sind, insbesondere mit gleichem Querschnitt und gleicher Abschnittslänge a, weisen diese auch im Wesentlichen gleiche Leitungswiderstände RL1=RL2=RL3 auf. Ein solcher Schaltungsbereich 30. VL bzw. Leiterstrukturbereich 10. VL ist beispielsweise denkbar zum Anschluss eines elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes 20, beispielsweise auf einer durch eine erste Substratlage 10.1 gebildeten Außenseite 10a des Mehrlagensubstrats 10‘. So sind dann beispielsweise auf der Außenseite 10a Anschlusskontaktpads 15 angeordnet, welche mit elektrischen Außenanschlüssen eines elektrischen und/oder elektronischen Bauelements 20 verbunden werden, beispielsweise mittels eines Lotkontaktes. Die Anschlusskontaktpads 15 sind wiederrum beispielsweise jeweils mit einer der Durchkontaktierungen VI des Parallelzweiges I der ersten Substratlage 10.1 elektrisch kontaktiert. Insofern stellen diese Durchkontaktierungen VI jeweils eine Strom eintrittssteile le und eine Stromaustrittsstelle la dar, durch welche dann bei Anliegen eines Potentialunterschiedes AU ein Stromfluss I durch alle Parallelzweige I, II, III ermöglicht ist. Ein solcher beschriebene Schaltungsbereich 30. VL mit Parallelzweigen I, II, III ermöglicht beispielsweise eine ausreichende Stromtragfähigkeit des Mehrlagensubstrates 10 im Bereich des kontaktierten elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes 20 bereitzustellen, da sich ein Gesamtstrom I auf Teilströme IL1, IL2, IL3 innerhalb der Parallelzweige I, II,

III in unterschiedlichen Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3 aufteilt. Aufgrund der vertikalen Anbindung der Parallelzweige I, II, III mittels der jeweils paarweise kontaktierten Durchkontaktierungen VI, V2, V3 ergibt sich üblicherweise jedoch ein asymmetrischer Stromfluss IL1>IL2>IL3 auf parallel geführten Leitungen LI, L2, L3 in einem Mehrlagensubstrat 10‘. Dies liegt daran, dass der Anschlusswiderstand R der Parallelzweige I, II, III mit zunehmender Tiefe der Substratlage 10.1, 10.2, 10.3 durch die Durchkontaktierungen VI, V2, V3 ansteigt. Dadurch fließt ein Großteil des Stroms I auf der obersten ersten Substratlage 10.1 und die tieferliegenden Substratlagen 10.2, 10.3 werden dagegen weniger stark belastet. Das bedeutet aber, dass die Leiterbahnen L2,

L3 der inneren Substratlagen 10.2, 10.3 weniger zur Stromtragfähigkeit beitragen. Ferner kann nachteilig Elektromigration aufgrund der hohen Stromdichten in der Leiterbahn LI der ersten Substratlage 10.1 am Übergang von den Durchkontaktierungen VI und der mit ihnen elektrisch kontaktierten Leiterbahn LI auftreten. Damit erhöht sich aber der Gesamtwiderstand aller Leitungen LI, L2, L3 und führt aufgrund zunehmenden Ohm’schen Verlusten zu einer erhöhten Erwärmung der Elektronikschaltung 30.

Aus der Patentschrift EP1858308 Bl ist eine mehrschichtige Leiterplatte bekannt mit Leiterbahnen auf unterschiedlichen Substratlagen. Dabei sind Leiterbahnen auf unterschiedlichen Substratlagen mittels Durchkontaktierungen miteinander kontaktiert. Gezeigt sind auch versetzt zueinander, sich teilüberlappend berührende Durchkontaktierungen zwischen benachbarten Substratlagen.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Stromfluss auf parallel geführten Leitungen in einem Mehrlagensubstrat auszunivellieren, d.h. die Teilströme in den Parallelzweigen anzugleichen, um eine geringere mittlere Stromdichte in den Leitungen zu erhalten und damit die Gefahr für Elektromigrationen zu verringern oder auszuschließen. Auf diese Weise lässt sich die Zuverlässigkeit einer Elektronikvorrichtung umfassend ein solches Mehrlagensubstrat erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein Mehrlagensubstrat und eine Elektronikvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Ausgegangen wird hierbei von einem Mehrlagensubstrat umfassend Leiterbahnen auf unterschiedlichen Substratlagen unter Ausbildung einer Leiterstruktur für eine elektrische Schaltung, wobei zumindest zwei Leiterbahnen auf unterschiedlichen Substratlagen mittels Durchkontaktierungen elektrisch miteinander kontaktiert sind. Innerhalb zweier oder mehrerer Substratlagen ist jeweils ein Leiterstrukturabschnitt ausgebildet, umfassend zumindest zwei durch die jeweilige Substratlage hindurch geführten Durchkontaktierungen und einen zwischen den Durchkontaktierungen angeordneten und mit diesem elektrisch kontaktierten Leiterbahnabschnitt. Dabei bilden Leiterstrukturabschnitte unterschiedlicher Substratlagen durch paarweises elektrisches Kontaktieren an ihren jeweiligen Durchkontaktierungen eine Anordnung von parallelen Schaltungszweigen innerhalb eines Leiterstrukturbereichs aus. Der Leiterstrukturbereich weist für einen Stromfluss durch alle parallelen Schaltungszweige eine Strom eintrittssteile und eine Stromaustrittsstelle an einem der Leiterstrukturabschnitte auf. Dabei weisen die an diesen Leiterstrukturabschnitt parallel angeschlossenen weiteren Leiterstrukturabschnitte zur Stromflussausnivellierung zwischen den Schaltungszweigen mit jedem ausgebildeten in der Anordnung folgenden Schaltungszweig einen jeweiligen Leiterbahnabschnitt mit einer zunehmend verkürzten Abschnittslänge auf. Durch eine Verkürzung der Abschnittslänge eines Leiterbahnabschnittes weist dieser einen geringeren Leitungswiderstand auf. Durch die dadurch vorliegenden zunehmend verringerten Leitungswiderstände von Leiterbahnabschnitten über aufeinanderfolgende parallele Schaltungszweige hinweg, reduziert sich damit korrelierend deren Anschlusswiderstand innerhalb des Leiterstrukturbereichs. Damit ergibt sich der Vorteil, dass sich im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wie in Fig. 1 bei einem Stromfluss im Leiterstrukturbereich in den weiter außen parallel angebundenen Schaltungszweigen höhere Teilströme ausbilden. Damit aber können die Leiterbahnabschnitte auch dieser Schaltungszweige mehr zur Stromtragfähigkeit beitragen. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise vorteilhaft eine geringere mittlere Stromdichte in Hinblick auf die Leiterbahnabschnitte. Dies wirkt somit auch vorteilhaft einer möglichen Elektromigration entgegen.

Der Leiterbahnabschnitt eines letzten in der Anordnung parallel angeschlossenen Schaltungszweiges ist demnach im Vergleich am kürzesten ausgeführt und weist bei ansonsten gleichen Leitungsquerschnitten den geringsten Leitungswiderstand innerhalb des Leiterstrukturbereichs auf. Beispielsweise ist dieser Leiterbahnabschnitt geradlinig ausgebildet und überbrückt ein kürzestes Abstandsmaß der mit diesem kontaktierten Durchkontaktierungen innerhalb der zugeordneten Substratlage. Die Leiterbahnabschnitte der anderen Schaltungszweige weichen dagegen beispielsweise von einer geradlinigen Ausführung ab und sind durch einen jeweils entsprechenden Leitungsverlauf, beispielsweise durch einen S-Verlauf, einen mäanderförmigen Verlauf, einen gekrümmten Verlauf oder anders ausgeführten Verlauf, im Vergleich länger. Der in der Anordnung erste Schaltungszweig weist dann beispielsweise durch eine entsprechende Leitungsführung einen im Vergleich längsten Leiterbahnabschnitt innerhalb des Leiterstrukturbereichs auf.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Ausgleichsvorrichtung möglich.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Mehrlagensubstrates ist derart ausgeführt, dass bei Vorliegen eines Potentialunterschieds zwischen der Stromeintrittsstelle und der Stromaustrittsstelle ein Stromfluss durch alle parallelen Schaltungszweige ausgebildet ist, wobei Teilströme innerhalb der Schaltungszweige zueinander ausnivelliert sind, d.h. sich in ihrem Stromwert annähern. Dies kann bei besonderer Ausführung insbesondere derart erfolgen, dass ein minimaler Teilstrom in einem der Schaltungszweige in seinem Stromwert weniger als 10%, beispielsweise weniger als 5%, insbesondere weniger als 2% vom Stromwert eines maximalen Teilstroms in einem der anderen Schaltungszweige abweicht. Ein definiertes Trimmen der Abschnittslängen der Leiterbahnabschnitte zueinander ermöglicht demnach bei einem Stromfluss innerhalb des Leiterstrukturbereiches eine Angleichung der Teilströme in den Schaltungszweigen bis hin zu nahezu gleichen Teilströmen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Mehrlagensubstrates zeigt sich darin, dass eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen aller Leiterstrukturabschnitte in einer Berührebene ihrer jeweils zugeordneten Substratebenen versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei korreliert mit der zunehmenden Verkürzung der Abschnittslänge eines Leiterbahnabschnittes des jeweiligen Leiterstrukturabschnittes eine dann zunehmende Verminderung eines Abstandsmaßes der zwei Durchkontaktierungen des jeweils zugordneten Leiterstrukturabschnitts. Insofern ergibt sich eine mögliche Verkürzung des Leiterbahnabschnittes durch ein sich Annähern der Durchkontaktierungen innerhalb einer Substratlage. Eine Verkürzung des Leiterbahnabschnittes fällt höher aus, wen beide Durchkontaktierungen durch ein laterales Versatzmaß zueinander hin näher angeordnet werden, als noch ein Abstandsmaß von Durchkontaktierungen in einem vorgeschalteten Schaltungszweig.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Mehrlagensubstrates berühren sich dabei eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen der jeweils zugeordneten beiden Leiterstrukturabschnitte in der Berührebene überlappend, bevorzugt mit einem Überlappungsbereich von 80 - 30%, insbesondere von 55 - 45% bei einer ansonsten insbesondere gleichen Querschnittsdimensionierung. Durch die versetzte Anordnung der Durchkontaktierungen ergibt sich eine durch die paarweise kontaktierten Durchkontaktierungen gelegte gemittelte Stromflussachse, welche in einem Winkel > 90° zu den Substratlagen bzw. den Leiterbahnabschnitten orientiert ist. Damit ist ein günstigerer Anschluss der Leiterbahnabschnitte an die entsprechend zugeordneten Durchkontaktierungen ausgebildet, nämlich unter einem stumpferen Winkel als im Vergleich bei einem vertikalen Via-Stapel. In einer solchen Ausführung ist die Gefahr einer Elektromigration und damit einer Verschlechterung der Widerstandswerte weiter verringert.

In einer weitergebildeten Ausführungsform entspricht die jeweilige Länge eines Leiterbahnabschnittes dem Abstandsmaß der beiden Durchkontaktierungen des jeweils dem Leiterbahnabschnitt zugeordneten Leiterstrukturabschnittes. Vorteilhaft können auf diese Weise geringe Anschlusswiderstände aller Leiterstrukturabschnitte bzw. aller Schaltungszweige innerhalb des Leiterstrukturbereichs sichergestellt werden.

Zur weiteren Optimierung von geringen Anschlusswiderstände ist in einer Weiterbildung des Mehrlagensubstrates die Anordnung von parallelen Schaltungszweigen innerhalb des Leiterstrukturbereichs durch zumindest zwei, drei oder mehr Leiterstrukturabschnitte von unmittelbar aufeinanderfolgenden Substratlagen ausgebildet, wobei die paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen aller umfassten Leiterstrukturabschnittes in einem senkrechten Schnitt durch die Substratlagen eine V-förmig versetzte Anordnung ausbilden ausgehend von einer ersten Substratlage bis zu einer letzten folgenden Substratlage. Vorteilhaft ergeben sich auf diese Weise geringste Abmaßungen für Leiterbahnabschnitte und somit auch geringste Anschlusswiderstände. Damit ist bei Bedarf ein maximales Ausnivellieren von Teilströmen ermöglicht.

Vorteile ergeben sich bei einer Ausführungsform des Mehrlagensubstrates, bei welcher eine erste Substratlage eine Außenseite des Mehrlagensubstrates ausbildet und den Leiterstrukturabschnitt umfasst, welcher die Stromeintrittsstelle und die Stromaustrittsstelle des Leiterstrukturbereichs aufweist. Eine elektrische Kontaktierung des Leiterstrukturbereichs ist damit sehr einfach möglich, insbesondere zum Anschluss eines elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes. Hierfür sind dann beispielsweise zusätzlich auf der Außenseite Kontaktanschlusspads zum elektrischen Anschluss eines elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes angeordnet. Die Kontaktanschlusspads sind somit als die Strom eintrittssteile und/oder Stromaustrittsstelle des Leiterstrukturbereiches ausgebildet. Ein elektrischer Anschluss des elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes kann dann beispielsweise mittels eines Lotkontaktes einfach erfolgen.

Zur Erhöhung einer Stromtragfähigkeit des Leiterstrukturbereiches ergibt sich eine vorteilhafte Ausführungsform des Mehrlagensubstrates, indem auf einer dem Leiterbahnabschnitt zugewandten Seite zu einer oder beiden Durchkontaktierungen einer Substratlage hin jeweils parallel versetzt zumindest eine weitere Durchkontaktierung durch die Substratlage geführt ist/sind, welche mit einer jeweils korrespondierenden weiteren Durchkontaktierung in einer anderen Substratlage paarweise elektrisch verbunden ist/sind.

Allgemein vorteilhaft ist es, wenn die paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen aller umfassten Leiterstrukturabschnitte des Leiterstrukturbereiches gleiche Abmessungen aufweisen. Damit ist eine Layoutauslegung für den Leiterstrukturbereich in Hinblick auf die Festlegung von Abschnittslängen der jeweiligen Leiterbahnabschnitte deutlich vereinfacht.

Grundsätzlich ist es denkbar, dass zumindest in einem der Leiterstrukturabschnitte der jeweils zugeordnete Leiterbahnabschnitt außerhalb zumindest einer oder außerhalb beider Durchkontaktierungen als Leiterbahn fortgeführt ist. Damit kann der Leiterstrukturbereich vielfältig als Teil einer fortgeführten Schaltung elektrisch angeschlossen sein und eine vorteilhafte Layoutgestaltung der Schaltung begünstigen.

Es kommen für eine Umsetzung organische oder anorganische Mehrlagensubstrat in Frage. Insbesonders eignen sich LTCC-Substrate (LowTemperatureCofiredCeramic) oder HTCC-Substrate (HighTemperatureCofiredCeramic). Diese können besonders für Leistungsschaltungen eingesetzt werden mit entsprechend hohen Leistungsströmen, wodurch sich die beschriebenen Maßnahmen für eine Stromausnivellierung besonders günstig auswirken.

Die Erfindung führt auch zu einer Elektronikvorrichtung umfassend zumindest ein Mehrlagensubstrat nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei ist unter Ausbildung einer elektrischen Schaltung zumindest ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement mit der Leiterstruktur verbunden, insbesondere außerhalb des Leiterstrukturbereichs, insbesondere als widerstandgeringe Anschlussmöglichkeit für ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement unter Sicherstellung einer hohen Stromtragfähigkeit. Denkbar ist auch ein elektrisch kontaktiertes elektrisches und/oder elektronisches Bauelement innerhalb eines Leiterstrukturabschnittes, beispielsweise integral innerhalb des Leiterbahnabschnittes. In diesem Fall muss der Widerstand des elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes für die Anpassung der Abschnittslängen der Leiterbahnabschnitte zur Erwirkung einer Stromausnivellierung entsprechend berücksichtigt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1: einen Schaltungsbereich einer elektronischen Schaltung einer Elektronikvorrichtung in einer senkrechten Schnittdarstellung durch ein Mehrlagensubstrat, Fig. 2: eine schematische Darstellung von Abschnittslängen von Leiterbahnabschnitten auf unterschiedlichen Substratlagen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrlagensubstrats,

Fig. 3a: eine senkrechte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Mehrlagensubstrat gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3b: Ausschnitte der Mehrlagensubstrate gemäß den Fig. 1 bzw. 2 und der Fig. 3 jeweils im Bereich der Anordnung von paarweise elektrisch kontaktierten Durchkontaktierungen in einer Gegenüberstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Abschnittslängen al, a2, a3, ax von Leiterbahnabschnitten LI, L2, L3, Lx auf unterschiedlichen Substratlagen

10.1. 10.2. 10.3. 10.x gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrlagensubstrats 10. Der prinzipielle Aufbau des Mehrlagensubstrats 10 kann dabei dem Mehrlagensubstrat 10‘ gemäß Fig.l entsprechen. Allerdings weisen die Leiterbahnabschnitte LI, L2, L3, Lx im ersten Ausführungsbeispiel im Gegensatz zum Mehrlagensubstrat 10‘ aus Fig. 1 unterschiedliche Abschnittslängen al, a2, a3, ax untereinander auf. Dargestellt sind schematisch die einzelnen Leiterbahnabschnitte LI, L2, L3, Lx beispielsweise von einer Sicht A auf das Mehrlagensubstrat 10, 10‘, dann aber jeweils einzeln auf Höhe der entsprechend zugeordneten Substratlage 10.1,

10.2. 10.3. 10.x. Eine längste Abschnittslänge al weist dabei der Leiterbahnabschnitt LI auf, welcher Teil des Leiterstrukturabschnitts 10.VL1 des ersten Parallelzweiges I ist, umfassend auch die Stromeintrittsstelle le und Stromaustrittsstelle la in dem Leiterstrukturbereich 10. VL. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist dieser in der ersten Substratlage 10.1 angeordnet, kann jedoch auch in einem der anderen Substratlagen 10.2, 10.3, 10.x angeordnet sein. Grundsätzlich weisen die an diesen Leiterstrukturabschnitt 10.VL1 parallel angeschlossenen weiteren Leiterstrukturabschnitte 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx zur Stromflussausnivellierung zwischen den Schaltungszweigen mit jedem ausgebildeten in der Anordnung folgenden Schaltungszweig II, III, X einen jeweiligen Leiterbahnabschnitt L2, L3, Lx mit einer zunehmend verkürzten Abschnittslänge a2, a3, ax auf. So weist demnach ein folgender Parallelzweig II, beispielsweise als Leiterstrukturabschnitt 10.VL2 in der zweiten Substratlage 10.2 einen Leiterbahnabschnitt L2 mit einer Abschnittslänge a2 auf, welche kürzer ausgeführt ist als die von dem Leiterbahnabschnitt LI. Gleiches gilt für den nächsten folgenden Parallelzweig III, beispielsweise als Leiterstrukturabschnitt 10.VL3 in der dritten Substratlage 10.3. Der dort umfasste Leiterbahnabschnitt L3 weist eine Abschnittslänge a3 auf, welche gegenüber der Abschnittslänge a2 nochmals verkürzt ausgeführt ist. Es können noch weitere Parallelzweige X folgen, deren Leiterbahnabschnitte Lx Abschnittslängen ax aufweisen, die nochmals jeweils weiter verkürzt ausgeführt sind. Grundsätzlich gilt für die Abschnittslängen der Parallelzweige I, II, III, x ax<a3<a2<al.

Insgesamt sind die Abschnittslängen al, a2, a3, ax derart zueinander getrimmt, dass für die Widerstandswerte RL der Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx RLX<RL3<RL2<RL1 gilt. Insbesondere sind auf Grundlage der Verkürzung von Abschnittslängen al, a2, a3, ax auf Widerstandswerte RL abzuzielen, durch welche Teilströme IL1, IL2, IL3, ILx, welche bei Anliegen eines Potentialunterschiedes AU zwischen der Stromeintrittsstelle le und der Stromaustrittsstelle la, durch die Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx der Parallelzweige I, II, III, X fließen, zueinander angeglichen sind, insbesondere sich entsprechen bzw. sich nur mit kleineren Abweichungen unterscheiden. Im Ergebnis ist im Vergleich zu bekannten Ausführungen eines Mehrlagensubstrates 10‘ eine Stromausnivellierung auf unterschiedlichen Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3, 10.x bzw. in unterschiedlichen Parallelzweigen I, II, III, X erwirkt. Bevorzugt sind die Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx in ihrem jeweiligen Querschnitt gleich ausgeführt. Bei abweichenden Querschnitten kann durch eine entsprechende Verkürzung der Abschnittslängen al, a2, a3, ax gleichsam verfahren werden und auf diese Weise zumindest eine Angleichung der Teilströme IL1, IL2, IL3, ILx selbst bei noch bestehenden Abweichungen erreicht werden.

Der Leiterbahnabschnitt Lx eines letzten in der Anordnung parallel angeschlossenen Schaltungszweiges X ist demnach im Vergleich am kürzesten ausgeführt. Beispielsweise ist dieser Leiterbahnabschnitt Lx geradlinig ausgebildet und überbrückt ein kürzestes Abstandsmaß der mit diesem kontaktierten Durchkontaktierungen Vx. Die Leiterbahnabschnitte LI, L2, L3 der anderen Schaltungszweige I, II, III weichen dagegen beispielsweise von einer geradlinigen Ausführung ab und sind durch einen jeweils entsprechenden Leitungsverlauf entsprechend länger ausgeführt. Der Leitungsverlauf weist beispielsweise einen in Fig. 2 gezeigten entsprechenden mäanderförmigen Verlauf auf. Alle oder einzelne dieser Leitungsabschnitte LI, L2, L3 können aber auch durch einen S-Verlauf, einen gekrümmten Verlauf, einen anderen Verlauf oder Mischungen davon zumindest zweier dieser genannten Verläufe ausgeführt sein.

In der Fig. 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrlagensubstrats 10 in einer senkrechten Schnittdarstellung gezeigt. Der prinzipielle Aufbau des Mehrlagensubstrats 10 entspricht wiederrum beispielsweise dem Mehrlagensubstrat 10‘ gemäß Fig.l. Auch hier ist - wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt - als maßgebliche Unterscheidung jedoch eine Verkürzung von Leiterbahnabschnitten LI, L2, L3,

Lx ausgeführt. Die definierte Verkürzung von Leiterbahnabschnitten LI, L2, L3, Lx korreliert dabei in ihrer Abfolge durch die Parallelzweige I, II, III, X gleichsam wie beim ersten Ausführungsbeispiel bereits beschrieben. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 sind jedoch alle Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx geradlinig ausgeführt, insbesondere derart, dass sie ein Abstandsmaß al, a2, a3, ax der beiden Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx eines entsprechend zugeordneten Leiterstrukturabschnittes 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx direkt überbrücken. Eine Verkürzung der jeweiligen Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx ergibt sich dann trotzdem, indem eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx aller Leiterstrukturabschnitte 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx in einer Berührebene El, E2, Ex ihrer jeweils zugeordneten Substratebenen 10.1, 10.2, 10.3, 10.x versetzt zueinander angeordnet sind. Durch eine derartige Versetzung wird ein kleineres Abstandsmaß zwischen den beiden Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx ausgebildet, welches dann auch der jeweiligen mehr oder weniger verkürzten Abschnittslänge al, a2, a3, ax des entsprechenden geradlinig ausgeführten Leiterbahnabschnitts LI, L2, L3, Lx entspricht. So sind die beiden Durchkontaktierungen V2 des zweiten Leiterstrukturabschnittes 10.VL2 beispielweise jeweils um ein Versetzmaß bl gegenüber Mittelachsen Sl, S2 der Durchkontaktierungen VI des ersten Leiterstrukturabschnittes 10.VL1 in Richtung zueinander versetzt angeordnet. Die beiden Durchkontaktierungen V3 des dritten Leiterstrukturabschnittes 10.VL3 sind dann beispielweise gleichsam jeweils um ein Versetzmaß b2 zusätzlich gegenüber den Mittelachsen Sl, S2 der Durchkontaktierungen VI des ersten Leiterstrukturabschnittes 10.VL1 in Richtung zueinander versetzt angeordnet. Dabei können die Versetzmaße bl, b2 gleiche Maßwerte aufweisen. Auch ggf. weitere im Leiterstrukturbereich 30. VL enthaltenen Leiterstrukturabschnitte lO.VLx können diesem Versetzmuster folgen. So bilden die paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx aller umfassten Leiterstrukturabschnitte 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx in einem senkrechten Schnitt durch die Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3, 10.x eine V-förmig versetzte Anordnung aus ausgehend von einer ersten Substratlage 10.1 bis zu einer letzten folgenden Substratlage 10.x. Die Versetzmaße bl, b2 sind derart gewählt, dass sich eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx der jeweils zugeordneten beiden Leiterstrukturabschnitte 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx in der Berührebene El, E2, Ex berührend überlappen, bevorzugt mit einem Überlappungsbereich von 80 - 30%, insbesondere von 55 - 45%. Bevorzugt sind Überlappungsbereiche aller versetzt angeordneten Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx gleich gewählt, können sich aber auch zueinander unterscheiden.

Grundsätzlich ist es denkbar, dass zur Erhöhung einer Stromtragfähigkeit innerhalb eines Leiterstrukturabschnittes 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx auf einer dem jeweiligen Leiterbahnabschnitt LI, L2, L3, Lx zugewandten Seite zu einer oder beiden Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx einer Substratlage 10.1, 10.2, 10.3, 10.x parallel versetzt jeweils zumindest eine weitere Durchkontaktierung durch die Substratlage geführt ist/sind, welche mit einer jeweils korrespondierenden weiteren Durchkontaktierung in einer anderen Substratlage paarweise elektrisch verbunden ist/sind. Eine Anordnung der weiteren Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx ist durch treppenförmig, strichpunktierte Linienverläufe lediglich schematisch in der Fig. 3a angedeutet.

Abweichend zur Darstellung in der Fig. 3a ist auch eine Ausführung möglich, bei welcher eine beschriebene Versetzung nur auf einer Seite paarweise elektrisch kontaktierter Durchkontaktierung VI, V2, V3, Vx vorgesehene ist, beispielsweise auf der Seite mit der Mittelachse Sl, wogegen die paarweise elektrisch kontaktierten Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx auf der gegenüberliegenden Seite, beispielsweise auf der Seite mit der Mittelachse S2, in einer senkrechten Via-Anordnung ausgeführt sind. Es ergeben sich dadurch weniger starke Verkürzungen von Leiterbahnabschnitten LI, L2, L3, Lx.

Ebenso abweichend als in der Fig. 3a dargestellt oder zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, können einzelne oder mehrere der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx sich in Ihren Abmessungen unterscheiden.

In der Fig. 3b sind jeweils links und rechts Ausschnitte der Mehrlagensubstrate 10. 10‘ gemäß den Fig. 1 bzw. 2 und der Fig. 3 im Bereich der Anordnung von paarweise elektrisch kontaktierten Durchkontaktierungen VI, V2. V3. Vx in einer Gegenüberstellung dargestellt. Bei einer senkrechten Via-Stapelanordnung wie rechts dargestellt, schließen sich die Leiterbahnabschnitte LI, L2, L3, Lx je Substratlage 10.1, 10.2, 10.3, 10.x jeweils rechtwinklig zu einer Mittelachse S1 der jeweils übereinander gestapelten Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx an. Durch den rechtwinkligen Stromabfluss in die Teilströme IL1, IL2, IL3, IL4 können lokal konzentrierte Stromdichten entstehen, die eine Elektromigration begünstigen. In einer versetzten Via-Anordnung, wie links dargestellt, ergibt sich dagegen eine durch die paarweise kontaktierten Durchkontaktierungen VI, V2, V3, Vx gelegte gemittelte Stromflussachse S1‘, welche in einem Winkel a > 90° zu den Substratlagen 10.1, 10.2, 10.3, 10.x bzw. den Leiterbahnabschnitten LI, L2, L3, Lx orientiert ist. Durch den stumpferen Winkel a für einen Abfluss der Teilströme IL1, IL2, IL3, IL4 sind Bedingungen für lokale Stromverdichtungen deutlich entschärft, so dass eine Gefahr einer Elektromigration und damit einer Verschlechterung der Widerstandswerte weiter verringert ist.

Allgemein ist das Mehrlagensubstrat 10 bevorzugt als ein LTCC-Substrat (LowTemperatureCofiredCeramic) oder ein HTCC-Substrat (HighTemperatureCofiredCeramic) ausgebildet. Die Leiterbahnen LI, L2, L3, Lx sind hierbei in Pastenform auf Einzellagen von keramischen Grünfolien aufgebracht. Ebenso sind Aussparungen in den Grünfolien, beispielsweise Rundlöcher, im Bereich der auszubildenden Durchkontaktierungen VI, V2, V3,

Vx von der Leitpaste ausgefüllt. Die so bedruckten Folien werden dann in entsprechender Reihenfolge unter Ausbildung des Mehrlagensubstrates 10 gemäß einem LTCC- oder HTCC-Verfahren gebrannt. Grundsätzlich kann das Mehrlagensubstrat mehrere gleiche oder zumindest zwei oder mehr sich unterscheidende Leiterstrukturbereiche (30. VL) aufweisen. Ferner kann ein Leiterstrukturbereich (30. VL) zwei, drei oder mehr Leiterstrukturabschnitte 10.VL1, 10.VL2, 10.VL3, lO.VLx umfassen.

Claims

Ansprüche

1.) Mehrlagensubstrat (10) umfassend Leiterbahnen (LI, L2, L3, Lx) auf unterschiedlichen Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) unter Ausbildung einer Leiterstruktur für eine elektrische Schaltung (30), wobei zumindest zwei Leiterbahnen (LI, L2, L3, Lx) auf unterschiedlichen Substratlagen (10.1, 10.2,

10.3, lOx) mittels Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei innerhalb zweier oder mehrerer Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) jeweils ein Leiterstrukturabschnitt (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei durch die jeweilige Substratlage (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) hindurch geführten Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) und einen zwischen den Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) angeordneten und mit diesem elektrisch kontaktierten Leiterbahnabschnitt (LI, L2, L3, Lx), wobei Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) unterschiedlicher Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) durch paarweises elektrisches Kontaktieren an ihren jeweiligen Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) eine Anordnung von parallelen Schaltungszweigen (I, II, III, X) innerhalb eines Leiterstrukturbereichs (30. VL) ausbilden, wobei der Leiterstrukturbereich (30. VL) für einen Stromfluss durch alle parallelen Schaltungszweige (I, II, III, X) eine Stromeintrittsstelle (le) und eine Stromaustrittsstelle (la) an einem der Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die an diesen Leiterstrukturabschnitt (10.VL1) parallel angeschlossenen weiteren Leiterstrukturabschnitte (10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) zur Stromflussausnivellierung zwischen den Schaltungszweigen (I, II, III, X) mit jedem ausgebildeten in der Anordnung folgenden Schaltungszweig (I, II, III, X) einen jeweiligen Leiterbahnabschnitt (LI, L2, L3, Lx) mit einer zunehmend verkürzten Abschnittslänge (al, a2, a3, ax) aufweisen.

2.) Mehrlagensubstrat (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verkürzung der jeweiligen Abschnittslänge (al, a2, a3, ax) eines Leiterbahnabschnittes (LI, L2, L3, Lx) eine zunehmende Verringerung eines Anschlusswiderstandes des jeweils zugordneten Leiterstrukturabschnitts (10.VL1,

10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) korreliert. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines Potentialunterschieds (AU) zwischen der Stromeintrittsstelle (le) und der Stromaustrittsstelle (la) ein Stromfluss durch alle parallelen Schaltungszweige (I, II, III, X) ausgebildet ist, wobei Teilströme (IL1, IL2, IL3, ILx) innerhalb der Schaltungszweige (I, II, III, X) zueinander ausnivelliert sind, derart, dass ein minimaler Teilstrom (IL1, IL2, IL3, ILx) in einem der Schaltungszweige (I,

11, III, X) in seinem Stromwert weniger als 10%, beispielsweise weniger als 5%, insbesondere weniger als 2% vom Stromwert eines maximalen Teilstroms (IL1, IL2, IL3, ILx) in einem der anderen Schaltungszweige (I, II, III, X) abweicht. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) aller Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, 10. Vx) in einer Berührebene (El, E2, Ex) ihrer jeweils zugeordneten Substratebenen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei mit der zunehmenden Verkürzung der Abschnittslänge (al, a2, a3, ax) eines Leiterbahnabschnittes (LI, L2, L3, Lx) des jeweiligen Leiterstrukturabschnittes (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) eine dann zunehmende Verminderung eines Abstandsmaßes (al, a2, a3, ax) der zwei Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) des jeweils zugordneten Leiterstrukturabschnitts (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) korreliert. Mehrlagensubstrat (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wobei sich eine oder beide der paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) der jeweils zugeordneten beiden Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) in der Berührebene (El, E2, Ex) berührend überlappen, bevorzugt mit einem Überlappungsbereich von 80 - 30%, insbesondere von 55 - 45%.

6.) Mehrlagensubstrat (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Länge eines Leiterbahnabschnittes (LI, L2, L3, Lx) dem Abstandsmaß der beiden Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) des jeweils dem Leiterbahnabschnitt (LI, L2, L3, Lx) zugeordneten Leiterstrukturabschnittes (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) entspricht.

7.) Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von parallelen Schaltungszweigen (I, II, III, X) innerhalb des Leiterstrukturbereichs (30. VL) durch zumindest zwei, drei oder mehr Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) von unmittelbar aufeinanderfolgenden Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) ausgebildet ist, wobei die paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) aller umfassten Leiterstrukturabschnittes (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) in einem senkrechten Schnitt durch die Substratlagen (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) eine V-förmig versetzte Anordnung ausbilden ausgehend von einer ersten Substratlage (10.1) bis zu einer letzten folgenden Substratlage (10.x).

8.) Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Substratlage (10.1) eine Außenseite (10a) des Mehrlagensubstrates (10) ausbildet und den Leiterstrukturabschnitt (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) umfasst, welcher die Strom eintrittssteile (le) und die Stromaustrittsstelle (la) des Leiterstrukturbereichs (30. VL) aufweist.

9.) Mehrlagensubstrat (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite (10a) Kontaktanschlusspads (15) zum elektrischen Anschluss eines elektrischen und/oder elektronischen Bauelementes (20) angeordnet sind, wobei die Kontaktanschlusspads (15) als die Stromeintrittsstelle (le) und/oder Stromaustrittsstelle (la) des Leiterstrukturbereiches (30. VL) ausgebildet sind. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Leiterbahnabschnitt (LI, L2, L3, Lx) zugewandten Seite zu einer oder beiden Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) einer Substratlage (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) parallel versetzt jeweils zumindest eine weitere Durchkontaktierung (VI, V2, V3, Vx) durch die Substratlage (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) geführt ist/sind, welche mit einer jeweils korrespondierenden weiteren Durchkontaktierung (VI, V2, V3, Vx) in einer anderen Substratlage (10.1, 10.2, 10.3, 10.x) paarweise elektrisch verbunden ist/sind. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die paarweise elektrisch kontaktierten jeweiligen Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) aller umfassten Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx) des Leiterstrukturbereiches (30. VL) gleiche Abmessungen aufweisen. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem der Leiterstrukturabschnitte (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx), bevorzugt in allen im Leiterstrukturbereich (30. VL) umfassten Leiterstrukturabschnitten (10.VL1, 10.VL2. 10.VL3, lO.VLx), der jeweils zugeordnete Leiterbahnabschnitt (LI, L2, L3, Lx) außerhalb zumindest einer oder außerhalb beider Durchkontaktierungen (VI, V2, V3, Vx) als Leiterbahn fortgeführt ist. Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagensubstrat (10) ein organisches oder ein anorganisches Mehrlagensubstrat (10) ist, insbesondere ein LTCC-Substrat (LowTemperatureCofiredCeramic) oder ein HTCC-Substrat ( H ig h Te m pe ratu re Cof i red Cera m i c) . Elektronikvorrichtung (100) umfassend zumindest ein Mehrlagensubstrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unter Ausbildung einer elektrischen Schaltung (30) zumindest ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement (20) mit der Leiterstruktur verbunden ist, insbesondere außerhalb des Leiterstrukturbereichs (30. VL).