DE69200500T2

DE69200500T2 - Gestufte Mehrlagenverbindungsplatte und Herstellungsmethoden.

Info

Publication number: DE69200500T2
Application number: DE69200500T
Authority: DE
Inventors: David Schoenthaler
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-07-30
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2012-07-24
Also published as: US5165984A; CA2073911A1; EP0526107B1; KR960006982B1; KR930003797A; TW303050U; JP2559954B2; CA2073911C; JPH07193096A; EP0526107A1; DE69200500D1

Description

Technisches Feld

Die Erfindung bezieht sich auf Verbindungssubstrate und insbesondere auf gedruckte Schaltungsplatten.

Hintergrund der Erfindung

Die gedruckte Schaltungsplatte bleibt auch heute die meistverwendete Vorrichtung zur Verbindung elektronischer Bauteile miteinander. Die meisten heutigen gedruckten Schaitungsplatten bestehen aus einer oder mehreren Schichten eines Glas-Epoxy- oder Polyestermaterials, beispielsweise FR-4 oder dergleichen. Auf den freiliegenden Oberflächen der einen oder beider äußeren Schichten der gedruckten Schaltungsplatte befindet sich ein Metallisierungsmuster, das aus metallisiertem, die Bauteile aufnehmenden Flächen und metallisierten Verbindungsgliedern besteht. Einige der Verbindungsglieder können mit den die Bauteile aufnehmenden Flächen verbunden sein, die zur Aufnahme eines leitenden Teils eines Bauteils eingerichtet sind, um daran verbunden zu werden. Jede Zwischenschicht weist auch ein Muster von metallisierten Verbindungsgliedern auf, die zwischen metallisierten Durchkontaktierungen laufen. Solche Durchkontaktierungen verbinden ein metallisiertes Verbindungsglied auf einer Schicht mit einem ausgewähltem Verbindungsglied auf einer benachbarten Schicht oder mit einer Bauteilaufnahmefläche auf einer der äußeren Schichten elektrisch miteinander. Auf diese Art und Weise verbinden die Verbindungsglieder auf den äußeren und inneren Schichten zwei Bauteile aufnehmende Schichten miteinander und schaffen einen Verdrahtungsweg dazwischen.
Es besteht zur Zeit ein Trend zur Vergrößerung der Dichte der Schaltungen innerhalb aktiver elektronischer Bauteile (das heißt integrierter Schaltungsbauteile), was zu einer Zunahme der Eingangs/Ausgangsverbindungen geführt hat, die zu solchen Bauteilen hergestellt werden müssen. Die Zunahme der Eingangs/Ausgangsverbindungen macht im allgemeinen die Vergrößerung der Anzahl der Verdrahtungswege notwendig, die von der gedruckten Schaltplatte für die Bauteile zur Verfügung gestellt werden müssen. Die gewöhnliche Lösung zur Zunahme der Anzahl der Verdrahtungswege, die von einer gedruckten Schaltungsplatte gegebener Größe bereitgestellt wird, ist die Zunahme der Anzahl der Schichten und die Verringerung der Linienbreite der metallisierten Verbindungsglieder auf jeder Schicht. Aus praktischen Gründen kann die Leitungsbreite der Verbindungsglieder nicht unter einen minimalen Wert verringert werden, und zwar wegen Zwängen infolge der richtigen Signalübertragung, der Stromführungsmöglichkeit und wegen Herstellungsbeschränkungen. Wenn die Leitungsbreite der Verbindungsglieder auf den minimalen Wert verringert worden ist, muß die Zunahme der Anzahl der Verdrahtungswege durch Zunahme der Anzahl der Schichten der gedruckten Schaltung bewerkstelligt werden.
Leider vergrößert die Anzahl der Schichten einer gedruckten Schaltungsplatte in großem Maße die Fabrikationskosten der Platte. Deshalb ist es nicht wünschenswert, eine gedruckte Schaltungsplatte mit mehr Schichten herzustellen, als für die erforderliche Anzahl der Verdrahtungswege notwendig. In vielen Fällen ist die Anzahl der Verdrahtungswege in gewissen Bereichen der gedruckten Schaltungsplatte geringer als in anderen Bereichen. Zur Zeit gibt es keinen praktikabien Weg, gedruckte Schaltungsplatten mit unterschiedlichen Anzahlen der Schichten in unterschiedlichen Bereichen zu bauen. Deshalb muß jede gedruckte Schaltungsplatte mit einer genügenden Anzahl von Schichten hergestellt werden, um die maximale Anzahl der irgendwo erforderlichen Verdrahtungswege auf der Platte bereitzustellen, was zu hohen Herstellungskosten führt.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer gedruckten Schaltungsplatte, bei der für eine vergrößerte Anzahl von Verdrahtungswegen in ausgewählten Bereichen der Platte gesorgt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie diese in Anspruch 1 definiert wird, weist eine stufige, vielschichtige Verbindungsvorrichtung ein primäres Verbindungssubstrat auf (z.B. eine gedruckte Schaltungsplatte (PWB) die mit oberen und unteren äußeren Schichten und mindestens einer Zwischenschicht versehen ist. Auf der oberen äußeren Schicht ist ein Muster von metallisierten, Bauteile aufnehmenden Flächen und metallisierten Verbindungsgliedern vorgesehen. Auf jeder Zwischenschicht befindet sich mindestens ein metallisiertes Verbindungsglied. Jedes Verbindungsglied auf der jeweiligen Zwischenschicht ist entweder mit einem Verbindungsglied einer anderen Schicht oder mit einer metallisierten, Bauteile aufnehmenden Fläche auf einer äußeren Schicht verbunden, und zwar über eine metallisierte Durchgangskontaktierung. Auf diese Weise sind jeweilige Paare von Bauteile aufnehmenden Flächen über mindestens ein Verbindungsglied miteinander verbunden, um einen Verdrahtungsweg zwischen den die Bauteile aufnehmenden Flächen zu schaffen.
Über dem primären Substrat liegt mindestens ein sekundärer, vielschichtiger Substratabschnitt (z.B. ein Anschnitt einer gedruckten Schaltungsplatte PWB), der aus oberen und unteren äußeren Schichten und mindestens einer Zwischenschicht besteht. Auf der oberen äußeren Schicht befindet sich ein Muster aus metallisierten, Bauteile aufnehmenden Flächen und metallisierten Verbindungsgliedern. Auf der unteren Fläche der unteren äußeren Schicht befindet sich eine Mehrzahl von metallisierten Verbindungsflächen. Auf jeder Zwischenschicht befindet sich mindestens ein metallisiertes Verbindungsglied. Jedes Verbindungsglied ist mit einem Verbindungsglied einer anderen Schicht oder mit einer metallisierten, Bauteile aufnehmenden oder verbindenden Fläche über einen metallisierten Durchgangskontaktierung verbunden. Auf diese Weise sind mindestens jeweilige Paare von Bauteile aufnehmenden Flächen durch mindestens ein separates Verbindungsglied eines Paares mit einer getrennten Fläche eines Paares von metallisierten Verbindungsflächen auf der unteren äußeren Schicht verbunden.
Eine Schicht anisotrop leitfähigen Materials ist zwischen jeden sekundären Verbindungssubstratabschnitt und dem primären Verbindungssubstrat zwischengefügt, um die jeweilige metallisierte Verbindungsfläche auf dem Substratabschnitt mit einer entsprechenden Bauteile aufnehmenden Fläche am primären Substrat elektrisch zu verbinden. Mehrere mechanische Befestigungseinrichtungen erstrecken sich sowohl durch den sekundären Verbindungssubstratabschnitt als auch das primäre Verbindungssubstrat, um diese aneinander zu halten, so daß das anisotrop leitfähige Material zwischen beiden eingepreßt verbleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines stufigen Vielschichtverbindungssubstrats gemäß der Erfindung und
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das stufige Vielschichtverbindungssubstrat gem. Fig. 1 entlang der Ebene 2-2.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer stufigen vielschichtigen Verbindungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 10 enthält ein primäres Substrat 12, typischerweise eine übliche gedruckte Schaltungsplatte, die aus einer Mehrzahl von Schichten 12&sub1;, 12&sub2;, 12&sub3; ... 12n aus konventionellen Materialien gedruckter Schaltungsplatten besteht, beispielsweise Glas-Epoxy-Material (FR-4) oder dergleichen. Das Substrat 12 könnte auch aus einem Polyimid oder aus keramischem Material bestehen, je nach der gewünschten Anwendung. Aus Erläuterungsgründen werden die Schichten 12&sub1; und 12n als äußere Schichten des Substrats 12 bezeichnet, während die Schichten 12&sub2;, 12&sub3;, 12&sub4; ... 12n-1 als die Zwischenschichten bezeichnet werden. Die Gesamtanzahl der Schichten 12&sub1;, 12&sub2;, 12&sub3; ... 12n wird so gewählt, daß die Mindestanzahl der erforderlichen Verdrahtungswege irgendwo auf dem Substrat 12 erreicht wird, wie nachfolgend beschrieben.
Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich auf einer der beiden äußeren Schichten 12&sub1; und 12&sub2; des primären Substrats 12 ein Metallisierungsmuster 14, das aus metallisierten Bauteilaufnahmeflächen 16 und metallisierten Verbindungsgliedern 18 besteht. In der dargestellten Ausführungsform sind die Bauteilaufnahmeflächen 14 als metallisierte Felder ausgebildet, die sich für Lötverbindung zu einem leitenden Teil eines nicht gezeigten, an der Oberfläche zu montierenden Bauteils eignen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Bauteilaufnahmeflächen 14 alternativ auch in der Form von metallisierten Durchgangsbohrungen (nicht gezeigt) vorliegen könnten, um die Leitungen einer nicht gezeigten Durchgangsloch-Komponente aufzunehmen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist jede der Zwischenschichten 12&sub2;, 12&sub3;, 12&sub4; ... 12n-1 mindestens eine und vorzugsweise eine Mehrzahl von metallisierten Verbindungsgliedern 18 auf. Jede Bauteilaufnahmefläche 16 Ist entweder direkt mit einem Verbindungsglied 18 auf der Oberfläche 12&sub1; verbunden oder über eine metallisierte Durchgangskontaktierung 20 mit einem Verbindungsglied einer anderen Schicht verbunden. Mindestens ein Verbindungsglied 18 auf jeder Zwischenschicht ist über eine metallisierte Durchgangskontaktierung 20 mit einem Verbindungsglied einer anderen Schicht verbunden. Auf diese Weise ist mindestens eine Bauteilaufnahmefläche 16 auf einer Haupt- oder äußeren Substratoberfläche selektiv mit einer anderen Fläche über eine oder mehrere der Verbindungsglieder 18 auf einer oder mehreren Substratschichten 12&sub1;, 12&sub2;, 12&sub3; ... 12n verbunden, um einen Verdrahtungsweg zwischen einem Paar von nicht gezeigten Komponenten zu schaffen, die auf einer der Hauptoberflächen des Substrats angebracht sind.
Eine nicht gezeigte konventionelle gedruckte Schaltungsplatte würde typischerweise so hergestellt werden, daß sie eine genügende Anzahl von Schichten aufweist, um die maximale Anzahl von Verdrahtungswegen bereitzustellen, die irgendwo auf der Platte benötigt werden. Im Gegensatz dazu weist das primäre Substrat 12 eine konventionelle gedruckte Schaltungsplatte auf, außer daß das primäre Substrat der Erfindung im wesentlichen eine reduzierte Anzahl von Schichten enthält, die ausreicht, um die Anzahl der Verdrahtungswege bereitzustellen, wie sie über den Großteil des Substrats benötigt wird.
Gemäß der Erfindung kann die Anzahl der Schichten 12&sub1;, 12&sub2;, 12&sub3; ... 12n auf dem Substrat 12 effektiv in ausgewählten Regionen des Substrats vergrößert werden, indem einzelne sekundäre vielschichtige Verbindungssubstratabschnitte 22 hinzugefügt werden, von denen lediglich zwei gezeigt sind. Jeder sekundäre Substratabschnitt 22 weist typischerweise einen kleinen Teil eines vielschichtigen Verbindungssubstrats auf, das aus den gleichen Materialien wie das primäre Substrat 12 aufgebaut ist. Wenn daher in der bevorzugten Ausführungsform das primäre Substrat 12 eine gedruckte Schaltungsplatte aufweist, dann weist jeder sekundäre Substratabschnitt 22 einen Anschnitt einer gedruckten Schaltungsplatte auf, die aus einer Mehrzahl von Schichten 22&sub1;, 22&sub2;, 22&sub3;, ... 22n, des Materials der gedruckten Schaltungsplatte hergestellt worden ist. Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich auf der freien Oberfläche der obersten Schicht 22&sub1; des sekundären Substratabschnitts 22 ein Muster aus metallisierten Bauteilaufnahmeflächen 24 und Verbindungsgliedern 26, die hinsichtlich ihrer Ausbildung ähnlich (jedoch nicht notwendigerweise gleich) wie die metallisierten Bauteilaufnahmeflächen 16 bzw. Verbindungsglieder 18 auf der Oberfläche der Schicht 12&sub1; des Substrats 12 ausgebildet sind. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, befindet sich auf der unteren Oberfläche der unteren äußeren Schicht 22n ein Muster von metallisierten Verbindungsflächen 27.
Mit Bezug auf Fig. 2 weist jede der Schichten 22&sub2;, 22&sub3;, 22n-1 mindestens eine und vorzugsweise eine Mehrzahl von darauf befindlichen metallisierten Verbindungsgliedern 26 auf. Jedes Verbindungsglied 26 auf den jeweiligen Zwischenschichten 22&sub2;, 22&sub3;, ... 22n-1, ist über einen metallisierten Durchgang 29 mit entweder einem Verbindungsglied auf einer anderen Schicht oder mit einer getrennten Fläche der metallisierten Bauteilaufnahme- oder Verbindungsflächen 24 bzw. 27 verbunden. Auf diese Weise ist jede Bauteilaufnahmefläche 24 durch mindestens ein Verbindungsglied 26 mit einer Verbindungsfläche 27 verbunden.
Eine Schicht eines anisotrop leitfähigen Materials 31 ist zwischen der unteren Schicht 22n des sekundären Substratabschnittes 22 und der oberen Fläche der Schicht 12&sub1; des primären Substrats 12 zwischengefügt, um die jeweiligen metallisierten Verbindungsflächen 27 mit entsprechenden metallisierten Bauteilaufnahmeflächen 16 zu verbinden. Die anisotrop leitfähige Materialschicht 31 weist generell die Form einer isolierenden Matrix auf, die aus einer Platte aus Silikongummi, Harz oder einem nicht leitfähigen Klebstoff gebildet wird. In der Matrix 31 ist eine Mehrzahl von leitfähigen Partikeln 32 eingemischt, beispielsweise metallisierten Flocken, Drähten oder Kugeln. Die Partikel 32 sind in Säulen angeordnet und erstrecken sich zwischen den jeweiligen Paaren der Hauptoberflächen der Matrix 31, um einen elektrischen Kontakt mit einem der metallisierten Verbindungsflächen 27 und den Bauteilaufnahmeflächen 16 auf den Schichten 22n bzw. 12&sub1; herzustellen. Da die Matrix 31 selbst nicht leitend ist, gibt es keine Kreuzleitfähigkeit zwischen den Säulen der Partikel 32.
Wenn die anisotrop leitfähige Materialschicht 31 aus einer Matrix aus Silikongummi hergestellt wird, ist sie im leicht zusammengepreßten Zustand höchst effektiv. Zu diesem Zweck sind mehrere mechanische Befestigungsmittel, typischerweise in Form von Stiften 33 oder 33' vorgesehen und erstrecken sich durch das sekundäre Substrat 22 und das primäre Substrat 12, um diese aneinander zu halten, so daß die anisotrop leitfähige Schicht 31 zusammengepreßt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Stifte 33 aus Kunststoff und sind gegabelt, d.h. der Schaft ist zur Bildung zweier Vorsprünge 34 am unteren Ende des Stifts gespalten, um an der unteren äußeren Schicht 12n einzugreifen, während der Stiftkopf am Substratabschnitt 22 anliegt. Der Stift 33' ist aus Kunststoff mit wärmeangestauchtem Kopf ausgebildet, um den sekundären Substratabschnitt 22 am primären Substrat 12 zu halten. Es wird darauf hingewiesen, daß andere Arten von Stiften oder selbst andere Arten von mechanischen Befestigungsmitteln entweder aus Kunststoff oder anderen Materialien ebenfalls verwendet werden könnten.
Die vorgehende Beschreibung offenbart ein mit Stufen versehenes, vielschichtiges Verbindungssubstrat 10, bestehend aus einem primären vielschichtigen Substrat 12 und einem oder mehreren getrennten, damit verbundenen sekundären Substratabschnitten 22, die durch eine Schicht aus anisotrop leitfähigem Material 30 jeweils miteinander verbunden sind und durch Befestigungsmittel 33 und/oder 33' an richtiger Stelle gehalten werden. Der durch diese Lösung erzielbare Vorteil besteht darin, daß das primäre Substrat 12 aus einer kleineren Anzahl von Schichten hergestellt werden kann, die sonst zur Bildung der erforderlichen Anzahl der Verdrahtungswege erforderlich sein würden. Die erforderliche Anzahl der Wege kann jedoch ohne große Kosten in solchen Bereichen erzielt werden, wo diese benötigt werden, und zwar durch Hinzufügung sekundärer vielschichtiger Verbindungssubstratabschnitte 22 und durch deren Verbindung mit dem primären Substrat 12 über eine Schicht von anisotrop leitfähigem Material 30. Ein weiterer Vorteil des vielschichtigen Verbindungssubstrats 12 besteht darin, daß die Reparatur, die durch einen Defekt notwendig wird, beispielsweise ein gebrochenes oder fehl ausgerichtetes Verbindungsglied 26, innerhalb der Substratabschnitte 22 leicht unternommen werden kann, indem einfach die Stifte 33/33' durchtrennt und der Abschnitt ersetzt wird. Wenn dagegen ein metallisiertes Verbindungsglied einer konventionellen vielschichtigen gedruckten Schaltungsplatte gebrochen, fehlausgerichtet oder sonstwie fehlerhaft sein sollte, müßte die gesamte Platte entsorgt werden.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Darstellung der Prinzipien der Erfindung dienen.

Claims

1. Eine mit Stufen versehene vielschichtige Verbindungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen:

ein primäres vielschichtlges Verbindungssubstrat (12) mit einer oberen (12&sub1;) und einer unteren (12n) äußeren Schicht und mindestens einer Zwischenschicht; mindestens eine äußere Schicht (12&sub1;) weist eine Mehrzahl von ersten metallisierten Bauteilaufnahmeflächen (16) und ersten metallisierten Verbindungsgliedern (18) auf; jede Zwischenschicht weist mindestens ein erstes metallisiertes Verbindungsglied (18) und mindestens eine erste metallisierte Durchgangskontaktierung (20) auf, um das erste Verbindungsglied anzuschließen, so daß mindestens eines der ersten Verbindungsglieder auf mindestens einer Schicht mindestens einen Teil einer elektrischen Verbindung zwischen einem Paar von Bauteilaufnahmeflächen auf einer äußeren Schicht bildet, um einen Verdrahtungsweg dazwischen herzustellen;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

mindestens ein sekundärer vielschichtiger Verbindungssubstratabschnitt (22) mit einer Fläche kleiner als das erste Substrat (12); das sekundäre Substrat weist eine obere (22&sub1;) und eine untere äußere Schicht 22n) sowie mindestens eine Zwischenschicht auf; die obere äußere Schicht weist zweite metallisierte Bauteilaufnahmeflächen (24) und zweite metallisierte Verbindungsglieder (26) auf; die untere äußere Schicht weist metallisierte Verbindungsflächen (27) und jede Zwischenschicht weist mindestens ein zweites metallisiertes Verbindungsglied (26) und mindestens eine zweite metallisierte Durchgangskontaktierung (29) zum Anschluß des zweiten Verbindungsgliedes auf, so daß mindestens eine der zweiten Verbindungsglieder auf mindestens einer Schicht des sekundären Substratabschnittes mindestens einen Teil einer elektrischen Verbindung zwischen einer zweiten Bauteilaufnahmefläche (24) und einer metallisierten Verbindungsfläche (27) bildet;

eine Schicht aus anisotrop leitfähigem Material (31) ist zwischen dem primären Substrat (12) und jedem sekundären Substratabschnitt (22) angeordnet, um die jeweilige metallisierte Verbindungsfläche (27) auf der unteren äußeren Fläche (22n) jedes sekundären Substratabschnitts (22) mit einer getrennten Fläche der ersten, metallisierten Bauteilaufnahmeflächen (16) auf der oberen äußeren Schicht (12&sub1;) des primären Substrats (12) zu verbinden, und

eine Mehrzahl von Befestigungsmittel (33, 33'), die sich jeweils durch den jeweiligen sekundären Substratabschnitt und das primäre Substrat erstrecken, um diese aneinander zu befestigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Substrat nur so viele Zwischenschichten wie notwendig aufweist, und zwar in Kombination mit den äußeren Schichten, um eine vorbestimmte minimale Anzahl von Verdrahtungswegen irgendwo durch das Substrat zu erzielen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder sekundäre Substratabschnitt eine genügende Anzahl von Schichten aufweist, so daß in Verbindung mit dem primären Substrat die kombinierte Anzahl der Schichten des primären Substrats und der sekundären Substratabschnitte ausreicht, eine vorbestimmte maximale Anzahl von Verdrahtungswegen zu erzielen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen äußeren und mittleren Schichten des primären Verbindungssubstrats aus dem Material von gedruckten Schaltungsplatten besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1 jeweiligen äußeren und Zwischenschichten der jeweiligen sekundären Verbindungssubstratabschnitte aus dem Material von gedruckten Schaltungsplatten besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Befestigungsmittel aus gegabelten Stiften (33) bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel aus einem wärmegestauchten Kunststoffstift (33') bestehen.