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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektronische Baugruppe,
die mindestens zwei parallel übereinander
angeordnete Schaltungsträger
umfasst, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, sowie ein Verfahren
zum Herstellen einer entsprechenden mikroelektronischen Baugruppe
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Derartige
mikroelektronische Baugruppen, bei denen die verschiedenen beispielsweise
jeweils durch eine Leiterplatte gegebenen Schaltungsträger mit
elektronischen Bauelementen bestückt
sind, werden entwickelt, um einer seit geraumer Zeit zu beobachtenden
Forderung nach immer geringeren Abmessungen immer komplexerer elektronischer
Systeme, beispielsweise für
portable oder mobile Anwendungen, nachzukommen. Aus dem Stand der Technik
ist es beispielsweise be kannt, mehrere bestückte Leiterplatten in Form
von Steckkarten parallel zueinander zu montieren. Eine andere bekannte Möglichkeit
ist ein Stapeln von auf Basis jeweils einer Leiterplatte aufgebauten
Modulen mit Hilfe von Löt- oder
Steckverbindungen. Die bislang bekannten technischen Lösungen bringen
dabei verschiedene Nachteile mit sich. So lassen sich bei Anordnungen mehrerer
Leiterplatten, die wie im Falle von Steckkarten nur seitlich kontaktiert
werden, nur Schaltungen sehr begrenzter Komplexität realisieren.
Bei einer Verbindung übereinander
angeordneter Leiterplatten durch senkrecht zu diesen Leiterplatten
orientierte Steckverbindungen ergibt sich einerseits eine verhältnismäßig große Bauhöhe und andererseits
eine für
viele Anwendungen nicht hinreichend sichere und widerstandsarme
Kontaktierung. Auch bei einer Verwendung von Lötverbindungen zwischen übereinander
angeordneten Leiterplatten ergeben sich Nachteile, die daher rühren, dass
solche Lötverbindungen während ihrer
Herstellung, also während
der Montage entsprechender Baugruppen, nicht belastbar sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vergleichbare
mikroelektronische Baugruppe zu schaffen, mit der die beschriebenen
Nachteile vermieden werden und die bei ausgesprochen geringen Abmessungen
eine komplexe Schaltungstopologie ermöglicht, wobei die mikroelektronische
Baugruppe außerdem
mechanisch möglichst
robust sein soll. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden mikroelektronischen
Baugruppe vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine mikroelektronische Baugruppe mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merk malen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen
der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass die Schaltungsträger
bei einer erfindungsgemäßen mikroelektronischen
Baugruppe durch mindestens ein oberflächenmontiertes Bauelement,
das Bestandteil einer Schaltung auf zumindest einem der Schaltungsträger ist,
mechanisch miteinander verbunden sind, lässt sich eine sichere Verbindung
der Schaltungsträger
auf ausgesprochen geringem Raum realisieren, weil die Schaltungsträger einerseits
in einem für
die verwendeten elektronischen Bauelemente minimalen Abstand übereinander
angeordnet werden können,
und andererseits zum Verbinden der Schaltungsträger Komponenten verwendet werden,
die damit als Bestandteil der Schaltung eine Doppelfunktion erfüllen. Auf
andere Komponenten, die ausschließlich einer mechanischen Verbindung
der Schaltungsträger
dienen, kann daher weitgehend oder sogar vollständig verzichtet werden. Das
entsprechende vorteilhafte Verfahren zum Herstellen einer mikroelektronischen
Baugruppe mit mindestens zwei Schaltungsträgern sieht dementsprechend
vor, die Schaltungsträger
mit oberflächenmontierten
Bauelementen zu bestücken
und parallel übereinander
anzuordnen, wobei die Schaltungsträger durch die oberflächenmontierten
Bauelemente, die zugleich jeweils Bestandteil einer Schaltung auf
zumindest einem der Schaltungsträger
werden, mechanisch miteinander verbunden werden.
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Typische
Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass zwei benachbart übereinander angeordnete Schaltungsträger durch
eine Vielzahl von oberflächenmontierten Bauelementen,
die vorzugsweise jeweils Bestandteil einer Schaltung auf zumindest
einem der Schaltungsträger
sind, mechanisch miteinander verbunden sind, wobei diese oberflächenmontierten
Bauelemente so über
die Schaltungsträger verteilt
sind, dass diese bezüglich
aller Freiheitsgrade gegeneinander fixiert sind.
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Die
Schaltungsträger
sind bei bevorzugten Ausführungen
der Erfindung durch jeweils ein einzelnes Substrat gegeben, das
wiederum typischerweise in Form einer Leiterplatte vorliegt. Der
Begriff "Substrat" bezeichne dabei
in der vorliegenden Schrift die Gesamtheit aller Schichten des Schaltungsträgers, der
neben einem Träger
auch mindestens eine – vorzugsweise
zumindest auf jeder Oberfläche
jeweils eine – leitende
Schicht, beispielsweise aus Kupfer, umfasst. Das jeweilige Substrat
kann dabei unter Umständen
auch flexibel ausgeführt
sein.
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Andere
Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass alle oder einige der Schaltungsträger durch ein
einziges Substrat realisiert sind, das so gefaltet ist, dass jeweils
zwei durch eine Faltung miteinander verbundene Abschnitte des Substrats übereinander liegen
und so jeweils einen der Schaltungsträger bilden. Der Begriff "Schaltungsträger" bezieht sich in der
vorliegenden Schrift also nicht nur auf ein einzelnes vollständiges Substrat,
sondern auch auf einen Abschnitt eines gefalteten Substrats. Nachfolgend wird
der Einfachheit halber für
die Schaltungsträger durchgehend
der (den typischsten Anwendungsfall beschreibende) Begriff "Leiterplatte" verwendet. Damit,
so sei klargestellt, soll hier aber selbstverständlich jeweils der allgemeinste
Begriffsinhalt des oben eingeführten
Begriffs "Schaltungsträger" umfasst sein – insbesondere
auch die Fälle
einzelner flexibler Substrate oder jeweils eines von mehreren übereinander
liegenden Abschnitten gefalteter flexibler oder starrflexibler (bereichsweise
flexibler) Substrate.
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Es
sind auch Ausführungen
der Erfindung denkbar, bei denen die Leiterplatten und/oder alle oder
einige der auf den Leiterplatten montierten elektronischen Bauelemente
teilweise oder vollständig mit
einem isolierenden Material umgossen sind.
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Bei
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist zumindest eines der oberflächenmontierten Bauelemente,
mit denen die benachbarten Leiterplatten verbunden sind, Bestandteil
einer die beiden durch dieses oberflächenmontierte Bauelement verbundenen
Leiterplatten umfassenden Schaltung, wobei das oberflächenmontierte
Bauelement einen diese beiden Leiterplatten verbindenden Pfad der
Schaltung bildet. Dadurch können
in besonders einfacher Weise und auf geringstem Raum sehr komplexe
Schaltungen verwirklicht werden, weil die oberflächenmontierten Bauelemente
nicht nur sowohl als Bestandteile einer elektronischen Schaltung
als auch zum mechanischen Verbinden der Leiterplatten verwendet werden,
sondern auch zur elektrischen Überbrücken eines
zwischen den Leiterplatten verbleibenden Spalts und so zur Realisierung
einer dreidimensionalen Schaltungstopologie.
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Damit
die oberflächenmontierten
Bauelemente sowohl als Bestandteile einer Schaltung als auch zum
mechanischen Verbinden der Leiterplatten dienen können, sollen
diese sowohl zumindest stellenweise leitend mit den Leiterplatten
verbunden als auch derart darauf fixiert sein, dass sich eine auch Zug-
und Scherbelastungen aushaltende mechanische Verbindung ergibt.
Dazu kann das mindestens eine oberflächenmon tierte Bauelement jeweils
mit mindestens einem Anschluss elektrisch leitend auf einer Leiterfläche (Pad)
oder Leiterbahn der beiden durch dieses oberflächemontierte Bauelement miteinander
verbundenen Leiterplatten befestigt sein. Dabei kann ein Anschluss
des oberflächenmontierten
Bauelements allerdings auch auf einer ringsum isolierten Leiterfläche einer
der Leiterplatten befestigt sein, wenn dort nur eine mechanische
Verbindung und keine elektrische Verschaltung erwünscht ist.
Bei den Anschlüssen
der oberflächenmontierten
Bauelemente, mit denen diese auf den Leiterplatten befestigt sind,
kann es sich bei üblichen
Bauformen oberflächenmontierter
Bauelemente um Anschlusskappen handeln, die in vorteilhafter Weise
insbesondere in alle Richtungen senkrecht zu einer Längsachse des
entsprechenden oberflächenmontierten
Bauelementes kontaktierbar sind. Bei dem mindestens einen oberflächenmontierten
Bauelement (auch als SMD oder Surface Mounted Device bezeichnet)
kann es sich dabei insbesondere um ein passives Bauelement handeln,
weil passive Bauelemente in entsprechenden Bauformen erhältlich sind,
die sich für
eine unkomplizierte Verbindung von Leiterplatten in beschriebener
Weise eignen. Selbstverständlich
können
aber auch andere oberflächenmontierte
und vorzugsweise von einander gegenüberliegenden Seiten aus kontaktierbare
elektronische Bauelemente in beschriebener Weise zum Verbinden der
Leiterplatten verwendet werden, beispielsweise einfache aktive Bauelemente
oder auch komplexere elektronische Bauelemente wie z.B. integrierte
Schaltkreise.
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Damit
in gewünschter
Weise eine sowohl elektrisch leitende als auch mechanisch stabile
Verbindung des mindestens einen oberflächenmontierten Bauelements
mit den Leiterplatten zustande kommt, kann dieses durch ein Fügemittel
mit den Leiterplatten verbunden, insbesondere an den Leiterplatten
angelötet
oder mittels eines leitfähigen
Klebstoffs angeklebt sein. An Stellen, an denen die Verbindung des
oberflächenmontierten
Bauelements mit der jeweiligen Leiterplatte nicht notwendigerweise leitend
sein muss, kann selbstverständlich
auch ein anderes Fügemittel,
beispielsweise ein isolierender Klebstoff verwendet werden. Schließlich kann
das mindestens eine oberflächenmontierte
Bauelement auch an den Leiterplatten angeschweißt sein, vorzugsweise durch
Schweißverbindungen
zwischen Anschlüssen
des oberflächenmontierten
Bauelements und Leiterflächen
oder Leiterbahnen der Leiterplatten.
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Bei
einer Herstellung einer solchen mikroelektronischen Baugruppe können die
oberflächenmontierten
Bauelemente also insbesondere dadurch mit Leiterflächen und/oder
Leiterbahnen jeweils zweier benachbarter Leiterplatten elektrisch
leitend verbunden werden, dass Anschlüsse der oberflächenmontierten
Bauelemente und/oder die Leiterflächen oder Leiterbahnen mit
einem Fügemittel
versehen werden und die Leiterplatten dann mit den auf den Leiterflächen oder
Leiterbahnen angeordneten oberflächenmontierten
Bauelementen aneinandergedrückt
werden. Bei dem Fügemittel,
das beispielsweise durch Masken- oder Schablonendruck aufgebracht
werden kann, kann es sich insbesondere um einen leitfähigen Klebstoff
oder Lot, beispielsweise in Form von Lötpaste, handeln, wobei bei
einer Verwendung von Lot während
des Aneinanderdrückens
der Leiterplatten mit den oberflächenmontierten
Bauelementen auch ein Erhitzen zum Auslösen eines Lotprozesses erfolgen
sollte. Das Verbinden der oberflächenmontierten
Bauelemente mit den Leiterplatten kann dabei insbesondere durch
Reflow-Löten
erfolgen.
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Alternativ
können
die oberflächenmontierten Bauelemente
auch durch andere für
die Baugruppenfertigung an sich bekannte Verfahren wie beispielsweise
durch Schweißen
und insbesondere durch Pressschweißen oder durch Diffusionsbonden
mit den Leiterplatten verbunden werden. In diesem Fall kann auf
das Auftragen eines Fügemittels
verzichtet werden.
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Die
zum Verbinden der Leiterplatten verwendeten oberflächenmontierten
Bauelemente überbrücken dann
einen zwischen den Leiterplatten verbleibenden Spalt, in dem sie
zugleich als Abstandshalter dienen. Da oberflächenmontierte Bauelemente in verschiedenen
normierten Baugrößen erhältlich sind, können dabei
problemlos je nach vorgesehener Bestückung der Leiterplatten solche
oberflächenmontierten
Bauelemente ausgewählt
werden, die eine zueinander parallele Anordnung der benachbarten
Leiterplatten in einem erwünschten,
typischerweise kleinstmöglichen,
Abstand erlauben. Vor dem Verbinden der Leiterplatten mit den sie
verbindenden oberflächenmontierten
Bauelementen werden die Leiterplatten typischerweise mit anderen
elektronischen Bauelementen bestückt.
Solche können
aber auch gleichzeitig oder im Fall außen liegender Oberflächen beteiligter
Leiterplatten anschließend
mit den Leiterplatten verbunden werden.
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Das
mindestens eine zum auch mechanischen Verbinden zweier benachbarter
Leiterplatten verwendete oberflächenmontierte
Bauelement kann bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung mit einer
Längsachse
in einer zu den Leiterplatten parallelen Ebene liegend orientiert
sein. Das erlaubt eine besonders einfache Montage dieses oberflächenmontierten
Bauelements, wobei im Fall von ringsherum kontaktierbaren Anschlusskappen des
oberflächenmontierten
Bauelements je nach Bedarf eine Verschaltung an einer beliebigen
der beiden anliegenden Leiterplatten möglich ist. Es kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass eine Längsachse
des zwei Leiterplatten verbindenden oberflächenmontierten Bauelements
senkrecht zu den Leiterplatten orientiert ist. Dadurch lässt sich
eine vertikale Kontaktierung der Leiterplatten auf besonders geringem
Raum realisieren.
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Schließlich können zwischen
den beiden durch das mindestens eine oberflächenmontierte Bauelement verbundenen
Leiterplatten weitere leitende Verbindungen vorgesehen sein, die
beispielsweise durch Lotkugeln oder auch durch auf jeweils einer
Leiterfläche
der beiden Leiterplatten angelötete Metallkugeln
realisiert sein können.
Zur Herstellung einer solchen vertikalen Kontaktierung kann vor
dem Verbinden der Leiterplatten leitfähiges Material, beispielsweise
Lot oder auch zusätzlich
eine Metallkugel oder ein Metallstift, auf mindest einer Leiterfläche mindestens
einer der Leiterplatten deponiert werden, das dann beim Verbinden
der Leiterplatten die Kontaktierung zwischen den Leiterplatten herstellt.
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Eine
noch größere mechanische
Stabilität der
mikroelektronischen Baugruppe bei zugleich optimaler Raumausnutzung
lässt sich
erreichen, wenn zusätzlich
zu den die Leiterplatten mechanisch verbindenden oberflächenmontierten
Bauelementen mindestens ein weiteres elektronisches Bauelement vorgesehen
ist, das auf einer der Leiterplatten montiert und mit einer dieser
Leiterplatte abgewandten Seite an einer dazu nächstgelegenen anderen Leiterplatte
anliegt. Dabei kann es sich wieder um ein passives oder aktives
oberflächenmontiertes
Bauelement oder auch um ein komplexeres Bauelement wie z.B. einen
gehäusten
oder ungehäusten
integrierten Schaltkreis handeln, beispielsweise um ein Multi-Chip-Modul
oder einen in Flip-Chip-Technik oder einen in Chip-on-Board-Technik
(mittels Drahtbrücken) montierten
und kontaktierten Chip. Auch wenn ein solches elektronisches Bauelement
an einer der Leiterplatten nur anliegt, wirkt es als Abstandshalter
und erhöht
dadurch die Stabilität
der mikroelektronischen Baugruppe. Eventuell kann ein solches elektronisches
Bauelement, das zur Bestückung
nur einer der Leiterplatten gehört,
an der nächstgelegenen
Leiterplatte, an der es anliegt, auch angeklebt oder in anderer
Weise befestigt sein, wodurch es in die Leiterplatten mechanisch
verbindender Weise wirkt und der mikroelektronischen Baugruppe eine
noch größere Stabilität verleiht.
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Wenn
eine zusätzliche
Stützung
der Baugruppe nicht erforderlich ist und zwischen den Leiterplatten
ein hinreichend großer
Abstand besteht, können
zusätzliche
Bauelemente der im vorhergehenden Absatz beschriebener Art selbstverständlich auch
so auf einer der Leiterplatte montiert sein, dass zwischen diesen
Bauelementen und der nächsten Leiterplatte
ein Spalt verbleibt.
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Bei
einer typischen Ausführung
der Erfindung werden die zueinander benachbart angeordneten Leiterplatten
einen zu den Leiterplatten senkrechten Abstand von zwischen 0,05
mm und 5 mm – vorzugsweise
zwischen 0,2 mm und 1,5 mm – haben, der
sich beispielsweise bei einer Verwendung standardisierter oberflächenmontierter
Bauelemente leicht einhalten lässt.
So ergibt sich z.B. bei einer Verwendung oberflächenmontierter Bauelemente
vom Typ 0402 und bei einer Orientierung dieser oberflächenmontierten
Bauelemente mit ihrer Längsachse parallel
zu den Leiterplatten typischerweise ein Abstand zwischen den Leiterplatten
von etwa 0,6 mm.
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Bevorzugte
Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass die mikroelektronische Baugruppe eine Vielzahl
von parallel übereinander
angeordneten Leiterplatten umfasst, beispielsweise mindestens drei Leiterplatten,
wobei einander nächstgelegene
Leiterplatten jeweils in beschriebener Weise durch oberflächenmontierte
Bauelemente auch mechanisch miteinander verbunden sind. So lassen
sich ausgesprochen kompakte mikroelektronische Baugruppen mit sehr
hoher Integrationsdichte verwirklichen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 beschrieben.
Es zeigt
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße mikroelektronische Baugruppe,
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2 als
Querschnitt einen detaillierter dargestellten Ausschnitt der mikroelektronischen
Baugruppe aus 1,
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3 in
schematischer Querschnittsdarstellung vertikale Kontaktaktierungen
zwischen zwei benachbarten Leiterplatten derselben mikroelektronischen
Baugruppe und
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4 in
perspektivischer und teilweise transparenter Darstellung einen weiteren
Ausschnitt dieser mikroelektronischen Baugruppe.
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Zu
erkennen sind in der 1 eine erste Leiterplatte 1,
eine parallel darüber
angeordnete zweite Leiterplatte 2 und eine in gleicher
Orientierung über der
zweiten Leiterplatte 2 angeordnete dritte Leiterplatte 3.
Die Leiterplatten 1, 2 und 3, die jeweils
an einer Oberseite und an einer Unterseite eine Leiterstruktur aus
Kupfer aufweisen und beispielsweise auf Basis eines Trägers aus
glasfaserverstärktem
Epoxidharz aufgebaut sein können,
sind mit verschiedenen elektronischen Bauelementen bestückt. Unter diesen
elektronischen Bauelementen befinden sich einige oberflächenmontierte
Bauelemente 4 und 4', die
nicht nur Bestandteil einer Schaltung auf zumindest einer der Leiterplatten 1, 2 oder 3 sind,
sondern durch die diese Leiterplatten 1, 2 und 3 auch
mechanisch miteinander verbunden sind. Zumindest einige der oberflächenmontierten
Bauelemente 4 und 4',
bei denen es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um passive Bauelemente
wie beispielsweise Widerstände,
Spulen oder Kondensatoren handelt, bilden dabei auch jeweils einen
die Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 verbindenden
Pfad einer alle drei Leiterplatten 1, 2 und 3 umfassenden
elektronischen Schaltung.
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2 zeigt
dabei am Beispiel eines der oberflächenmontierten Bauelemente 4 im
Detail, wie die oberflächenmontierten
Bauelemente 4 mit den jeweils anliegenden Leiterplatten 2 und 3 – entsprechendes
gilt an anderer Stelle für
die Leiterplatten 1 und 2 – verbunden sind. Das dort
gezeigte oberflächenmontierte
Bauelement 4, das mit einer Längsachse in einer zu den Leiterplatten 2 und 3 parallelen Ebene
liegend orientiert ist, weist an zwei Enden jeweils als ringsherum
kontaktierbare Anschlusskappen ausgeführte Anschlüsse 5 auf. Jeder dieser
Anschlüsse 5 ist
in elektrisch leitender Weise an jeweils einer auch als Anschluss-Pad
bezeichneten Leiterfläche 6 sowohl
der unter dem oberflächenmontierten Bauelement 4 liegenden
Leiterplatte 2 als auch der über dem oberflächenmontierten
Bauelement 4 liegenden Leiterplatte 3 befestigt.
Zumindest eine der in der 2 dargestellten
Leiterflächen 6 der
Leiterplatte 3 und ebenfalls mindestens eine der in 2 zu erkennenden
Leiterflächen 6 der
Leiterplatte 2 sind dabei so mit einer Leiterbahnstruktur
der jeweiligen Leiterplatte 2 oder 3 verbunden,
dass das oberflächenmontierte
Bauelement 4 einen die Leiterplatten 2 und 3 verbindenden
Pfad der schon erwähnten elektronischen
Schaltung bildet. Die übrigen
Leiterflächen 6 können unter
Umständen
auch in Leiterplattenebene ringsherum isoliert sein und damit nur zur
mechanischen Verbindung mit dem oberflächenmontierten Bauelement 4 dienen.
Andere der oberflächenmontierten
Bauelemente 4 können
auch so verschaltet sein, dass sie an einer der Leiterplatten 1, 2 oder 3 ausschließlich auf
ringsherum isolierten Leiterflächen 6 montiert
sind, so dass ein durch diese oberflächenmontierten Bauelemente 4 gebildeter Pfad
zwar in eine Schaltung auf einer der Leiterplatten integriert ist,
dabei aber keine Verschaltung zwischen den beiden anliegenden Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 bildet.
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Das
oberflächenmontierte
Bauelement 4, das in 2 dargestellt
ist, ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
mit Hilfe eines Fügemittels 7,
bei dem es sich um einen leitfähigen
Klebstoff oder um Lot handelt, so auf der jeweiligen Leiterfläche 6 fixiert,
dass eine auf Zug und Scherung belastbare Verbindung der Leiterplatten 2 und 3 über das
oberflächenmontierte
Bauelement 4 gegeben ist. Genausogut kann das oberflächenmontierte
Bauelement jedoch auch an den Leiterflächen 6 angeschweißt sein.
Anstelle eines Lötprozesses
kann beim Herstellen der elektronischen Baugruppe dementsprechend
ein Fixieren der oberflächenmontierten Bauelemente 4 und 4' durch Pressschweißen oder Diffusionsbonden
geschehen.
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Bei
dem in der 2 gezeigten oberflächenmontierten
Bauelement 4 handelt es sich um ein passives Bauelement
des Typs 0402, so dass zwischen den Leiterflächen 6 der Leiterplatte 2 und
den Leiterflächen 6 der
Leiterplatte 3 ein durch das oberflächenmontierte Bauelement 4 überbrückter Spalt
einer vertikalen Ausdehnung von etwa 0,6 mm verbleibt. Dadurch,
dass zwischen den Leiterplatten 1 und 2 und zwischen
den Leiterplatten 2 und 3 jeweils eine Vielzahl über die
Leiterplatten 1, 2 und 3 verteilter oberflächenmontierter
Bauelemente 4 angeordnet und in beschriebener Weise fixiert
sind, sind die Leiterplatten 1, 2 und 3 zu
einem sehr stabilen Verbund gefügt,
ohne dass für
eine Verbindung der Leiterplatten 1, 2 und 3 weitere
Maßnahmen
erforderlich wären.
Dabei können
mikroelektronische Baugruppen der in 1 gezeigten
Art nicht nur mit starren Leiterplatten 1, 2 und 3,
sondern auch mit dünneren,
flexiblen Leiterplatten 1, 2 und 3 realisiert
werden, wobei es denkbar ist, die Leiterplatten 1, 2 und 3 und/oder alle
oder einige der darauf montierten elektronischen Bauelemente mit
einem isolierenden Material teilweise oder vollständig zu
umspritzen. Bei anderen Ausführungen
der Erfindung können
die drei Leiterplatten 1, 2 und 3 schließlich auch
durch drei verschiedene Abschnitte eines einzigen entsprechend gefalteten
flexiblen Substrats gegeben sein. Bei einer Anwendung starrflexibler
Leiterplattentechnik können diese
einzelnen Abschnitte auch wiederum starr sein und lediglich durch
flexible Bereiche desselben Substrats miteinander verbunden sein.
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Das
zwischen den Leiterplatten 2 und 3 angeordnete
oberflächenmontierte
Bauelement 4' ist, anders
als die oberflächenmontierten
Bauelemente 4, mit einer Längsachse senkrecht zu den Leiterplatten 1, 2 und 3 orientiert.
Auch dieses oberflächenmontierte
Bauelement 4' ist
in entsprechender Weise auf jeweils einer Leiterfläche 6 jeder
der Leiterplatten 2 und 3 befestigt und dient
so ebenfalls sowohl der mechanischen Verbindung der Leiterplatten 2 und 3 als
auch der Bildung eines die zwei Leiterplatten 2 und 3 verbindenden
Pfads der Schaltung der abgebildeten mikroelektronischen Baugruppe.
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In 1 ebenfalls
abgebildet sind zwei integrierte Schaltkreise 8, die jeweils
in Flip-Chip-Technik auf der dritten Leiterplatte 3 bzw.
auf der unteren Oberfläche
der zweiten Leiterplatte 2 montiert sind. Der auf der Leiterplatte 2 montierte
integrierte Schaltkreis 8 ist dabei so dimensioniert und
angeordnet, dass er mit einer der Leiterplatte 2 abgewandten
Seite an der darunter liegenden ersten Leiterplatte 1 anliegt
und der mikroelektronischen Baugruppe dadurch als Abstandshalter
zwischen den Leiterplatten 1 und 2 zusätzliche
Stabilität
verleiht. Bei einer anderen Dimensionierung der mikroelektronischen
Baugruppe könnte
zwischen dem auf der zweiten Leiterplatte 2 montierten
integrierten Schaltkreis 8 und er ersten Leiterplatte 1 selbstverständlich auch
ein Spalt verbleiben. In entsprechender Weise können auch andere elektronische
Bauelemente wie beispielsweise aktive oder passive SMDs, Multi-Chip-Module
oder andere gehäuste
oder ungehäuste
Chips auf einer der Leiterplatten 1, 2 oder 3 montiert
sein und zugleich als Abstandshalter dienend eine erhöhte mechanische
Stabilität
des Verbundes bewirken. Schließlich
wäre es auch
denkbar, beispielsweise den zwischen den Leiterplatten 1 und 2 angeordneten
integrierten Schaltkreis 8 zusätzlich an der ersten Leiterplatten 1 anzukleben.
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Schließlich sind
zwischen den Leiterplatten 1 und 2 und zwischen
den Leiterplatten 2 und 3 weitere elektrisch leitende
Verbindungen vorgesehen, die durch Lotkugeln 9 realisiert
sind, welche jeweils zwei einander gegenüberliegende Leiterflächen 6 der
Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 miteinander
verbinden. Zwei solcher durch Lötkugeln 9 (auch
als Bumps bezeichnet) gebildeter Verbindungen zwischen den Leiterplatten 2 und 3 sind
in 3 detaillierter dargestellt. Zur Überbrückung größerer Abstände zwischen
den benachbarten Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 können auch
Metallkugeln oder Metallstifte auf jeweils zwei einander gegenüberliegenden
Leiterflächen 6,
die in entsprechende Leiterstrukturen integriert sind, angelötet oder
mit einem leitfähigen
Klebstoff angeklebt sein. Schließlich ist es denkbar, für eine Überbrückung größerer Abstände zwischen
den Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 Steckverbinder und/oder
Verbinder aus der flexiblen Leiterplattentechnik zu verwenden.
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Anstelle
der passiven Bauelemente, die im vorliegenden Fall als die Leiterplatten 1, 2 und 3 auch mechanisch
verbindende oberflächenmontierte
Bauelemente 4 und 4' dienen,
können
schließlich
selbstverständlich
auch andere oberflächenmontierte
Bauelemente, also auch aktive Bauelemente, in beschriebener Weise
mit zwei benachbarten Leiterplatten verbunden sein.
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Beim
Herstellen der in 1 gezeigten mikroelektronischen
Baugruppe werden die Leiterplatten 1, 2 und 3 zunächst in
an sich bekannter Weise mit den integrierten Schaltkreisen 8 und
anderen elektronischen Bauteilen bestückt, wonach die Leiterplatten 1, 2 und 3 durch
die oberflächenmontierten Bauelemente 4 und 4' mechanisch
miteinander verbunden werden, indem diese oberflächenmontierten Bauelemente 4 und 4' mit den Leiterflächen 6 oder mit
Leiterbahnen jeweils zweier benachbarter Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 elektrisch
leitend verbunden werden. Dazu werden die Leiterflächen 6 oder die
Leiterbahnen mit einem Fügemittel
versehen, wonach die Leiterplatten 1, 2 und 3 mit
den auf den Leiterflächen 6 oder
auf den Leiterbahnen angeordneten oberflächenmontierten Bauelementen 4 und 4' aneinander
gedrückt
werden. Als Fügemittel
wird dabei eine Lötpaste
verwendet, wobei beim Aneinanderdrücken der Leiterplatten 1, 2 und 3 durch
Erhitzen ein Reflow-Lötprozess
durchgeführt
wird, der die oberflächenmontierten
Bauelemente 4 und 4' auf
den Leiterplatten 1, 2 und 3 fixiert.
Anstelle der Lötpaste kann
bei anderen Ausführungen
der Erfindung auch ein leitfähiger
Klebstoff verwendet werden, womit sich ein Erhitzen zum Verbinden
der Leiterplatten 1, 2 und 3 mit den
oberflächenmontierten
Bauelementen 4 und 4' erübrigen kann. Die Lötpaste oder
der leitfähige
Klebstoff kann dabei jeweils durch Masken- oder Schablonendruck aufgebracht werden.
Alternativ oder zusätzlich
kann das Fügemittel
natürlich
auch auf den Anschlüssen 5 der
oberflächenmontierten Bauelemente 4 und 4' aufgebracht
werden, bevor diese mit den Leiterflächen 6 der Leiterplatten 1, 2 und 3 verbunden
werden. Nach der Durchführung
der beschriebenen Verfahrensschritte bilden die oberflächenmontierten
Bauelemente 4 und 4' Bestandteile einer
die Leiterplatten 1, 2 und 3 umfassenden
Schaltung, wobei zumindest einige der oberflächenmontierte Bauelemente 4 und 4' eine Verschaltung
zwischen den jeweils an liegenden Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 bewirken.
Zur Herstellung der vertikalen Kontaktierungen zwischen den Leiterplatten 1, 2 und 3,
die durch die Lötkugeln 9 realisiert
werden, wird vor dem Verbinden der Leiterplatten 1, 2 und 3 jeweils
auf einer Leiterfläche 6 der
Leiterplatte 1 oder 2 Lot deponiert, das dann
beim Verbinden der Leiterplatten 1, 2 und 3 eine
Kontaktierung zwischen den Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 herstellt,
wobei eine gut leitende und die mikroelektronische Baugruppe auch
mechanisch weiter stabilisierende Verbindung zu den Leiterflächen 6 jeweils
beider anliegender Leiterplatten 1 und 2 oder 2 und 3 durch
ein Anschmelzen des Lots beim Erhitzen zustande kommt.
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Die
oberflächenmontierten
Bauelemente 4 und 4' dienen
bei der fertigen mikroelektronischen Baugruppe sowohl als Abstandshalter
(Spacer) zwischen den Leiterplatten 1, 2 und 3 als
auch zu deren Fixierung in einer auch Zug- und Scherkräften standhaltenden
Weise. Erreicht wird durch die beschriebene Erfindung eine vertikal
Systemintegration mit einem dreidimensionalen Schaltungsaufbau,
wobei in besonders einfacher Weise nicht nur durch Stapeln verschiedener
Schaltungen ein kompakter Aufbau, sondern zusätzlich auch eine ausgesprochene
hohe Schaltungskomplexität
ermöglicht
wird. Selbstverständlich
kann die vorliegende Erfindung mit weiteren Merkmalen kombiniert
werden, die hier nicht eingehend beschrieben wurden, beispielsweise
mit in die Leiterplatten 1, 2 und 3 eingebetteten
Bauteilen, zusätzlichen
mechanischen Führungs-,
Verschraubungs- und sonstigen Verbindungselementen und Gehäusetechniken.
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Die
hier beschriebene Technik erlaubt es also, mit konventionellen Technologien
Schaltungsträger
zu sta peln und somit ein dreidimensionales System zu gestalten,
wozu insbesondere folgende Merkmale dienen:
- • Als Abstandshalter
werden in der Schaltung enthaltene oberflächenmontierte Bauelement und SMD-Bauteile oder SMD-Bauelemente
verwendet.
- • Neben
ihrer direkten Funktion als Schaltungselemente und ihrer mechanischer
Funktion als Abstandshalter können über die
SMD-Bauelemente bzw. ihre Anschlussflächen elektrische Verbindungen
zwischen Ebenen realisiert werden. Weitere vertikale Verbindungen
von Ebene zu Ebene können
als Löt-
bzw. Leitklebeverbindungen (Lötkugeln 9,
Bumps, Balls) realisiert werden. Die Art weiterer vertikaler Verbindungen
und die genutzte Fügetechnik
sind dabei jedoch sekundär.
Es sind keine Steckverbindungen, Drähte oder Kabel zum Realisieren
von Verschaltungen zwischen den Leiterplatten 1, 2 und 3 notwendig.
- • Eine
wirtschaftliche Produktion von Mehrebenensystemen mit einer sehr
hohen Integrationsdichte ist damit möglich durch:
• simultane
Montage mehrere Baugruppen bzw. Baugruppenfelder (sog. Nutzen) übereinander,
• Nutzung
der in der Elektronikfertigungsindustrie etablierten Prozesse und
Maschinen (Löten,
leitfähiges
Kleben).
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Zur
Realisierung werden während
der Schaltungsentwurfsphase im Layout Leiterflächen (Pads) auf der Topseite
der einen Ebene (Leiterplatte) und entsprechend auf der Bottomseite
der darüber
liegenden Ebene festgelegt. Größe und Spacing
hängen
vom Abstand zwischen den Ebenen ab.
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Nach
einer Standard-SMD-Bestückung
mit Fügemitteldruck
(z.B. Lotpaste) und Bauteilplatzierung, werden die Ebenen übereinander
gestapelt und durch einen Montageschritt (z.B. Reflowlöten) endgültig befestigt.
Für eine
entsprechende Justage kann beispielsweise eine Führungs- oder Bolzenvorrichtung
vorgesehen werden. Die Bauformen der in den üblichen Schaltungen zahlreich
vorkommenden passiven SMD-Bauelemente sind standardisiert. Durch
die definierte gleiche Höhe
dienen Bauteile aus der gleichen Baureihe (z.B. 0402) als Abstandshalter
und werden so plaziert, dass ein sicherer Halt gegeben ist. Durch
die Nutzung solcher standardisierten SMD-Bauelemente und ihrer fügefähigen Flächen ist
es möglich,
eine große
Anzahl von Modulen vertikal elektrisch zu verbinden und mechanisch
stabil zu integrieren.
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Die
vertikalen Leitungsverbindungen von Ebene zu Ebene entstehen im
Ausführungsbeispiel durch
- • Anschlusskappen
des Bauelements, die in alle Raumrichtungen elektrisch und fügetechnisch kontaktierbar
sind,
- • Depots
aus leitfähigem
Fügematerial
(Lot, Leitkleber) auf den Modulen (Leiterplatten 1, 2 und 3).
-
Des
weiteren ist es denkbar, vertikal angeordnete Bauelemente zu verwenden.
-
Die
Depots für
die Vertikalkontaktierungen können
z.B. über
Masken- bzw. Schablonendruck oder Ballplacer in einem Arbeitsschritt
zeitgleich zum SMD- Bestückungsdruck
aufgebracht werden, falls notwendig können auch Kupferkugeln, allg.
Metall- bzw. leitfähige
Kunststoffkugeln für
besonders große Abstände mit
eingebracht werden. Der Fokus der Erfindung liegt jedoch auf der
bisher nicht vorhandenen Nutzung der passiven Bauelemente zur Herstellung vertikaler
elektrischer Signalleitungen (Pfade).
-
Die
hier beschriebene Technik führt
zur Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik, weil die ohnehin vorhandenen elektronischen
Bauteile ohne zusätzliche
Komponenten die mechanische Stabilität verbessern und gleichzeitig
die vertikale Verbindungsdichte steigern.
-
Alle
Leitungen von einer Ebene zur nächsten werden
im Ausführungsbeispiel
durch einen Simultanmontageschritt zeitgleich erzielt. Ein weiterer
Vorteil neben höherer
Integration und einfacher Montage sind die kürzeren Leitungslängen, was
höhere
Systemgeschwindigkeiten und eine Verringerung parasitärer Effekte
mit sich bringt. Insbesondere eignet sich die hier beschriebene
Technik für
die vertikale Integration von in der Regel besonders flachen Mikro- und
Kompakt-Baugruppen, die ungehäuste
Halbleiter verwenden – insbesondere
MCMs (Multi-Chip-Module) oder SiPs (System-in-Packages).
-
Die
Verwendung der Bauelemente in der hier beschrieben Weise hilft bekannte
Probleme der vertikalen Integration zu umgehen (wie z.B. die fast
ausschließlich
periphere Kontaktierung bei Steckverbindersystemen, geringe Massetragfähigkeit
der vertikalen Lotverbindungen bei BGA-ähnlichen Aufbauten) und eröffnet neue
Freiheitsgrade im Design einer Baugruppe: aus entwurfstechnischer
Sicht ist es möglich,
ein Bauelement als einen Vierpol einzusetzen, der seine Polpaare
auf physikalisch verschiedenen Ebenen bzw. Modulen hat. Eine solche
Konstellation ist beispielsweise in 4 gezeigt.
-
Zu
erkennen sind in 4 wieder die zweite Leiterplatte 2 und
die dritte Leiterplatte 3, wobei letztere transparent dargestellt
ist, und ein diese beiden Leiterplatten 2 und 3 verbindendes
oberflächenmontiertes
Bauelement 4, das in zuvor beschriebener Weise mit seinen
Anschlüssen 5 auf
jeweils zwei ebenfalls erkennbaren Leiterflächen 6 jeder der Leiterplatten 2 und 3 fixiert
ist. Bei diesem oberflächenmontierten
Bauelement 4 handelt es sich um einen Kondensator, der
als Entstörkondensator
zwischen zwei Leitungen einer Spannungszufuhr eines auf der zweiten
Leiterplatte 2 montierten und hier nicht dargestellten
Chips geschaltet ist. Die Spannungszufuhr erfolgt dabei über zwei
Leiterbahnen, die von den beiden auf der oberen Leiterplatte 3 abgebildeten Leiterflächen 6 nach
hinten wegführen
und die Kondensator mit einer Spannungsquelle verbinden. Unter diesen
beiden Leiterbahnen verlaufen in gleicher Richtung auch auf der
zweiten Leiterplatte zwei Leiterbahnen, die von den beiden unter
dem Kondensator liegenden Leiterflächen ausgehen und von denen eine
in 4 erkennbar ist und die andere durch den Kondensator
verdeckt wird. Diese beiden Leiterbahnen verlaufen zu Spannungsversorgungsanschlüssen des
genannten Chips, der damit unter den Leiterbahnen von der Spannungsquelle
kommenden Leiterbahnen angeordnet ist. So ergibt sich ein nicht
nur im Hinblick auf einen möglichst
kompakten Aufbau, sondern auch für
eine gute Entstörung
besonders günstiger
Aufbau mit ausgesprochen kurzen Verbindungsleitungen. Insbesondere
kann die Spannungsquelle dabei in einfacher Weise auf einer ande ren Ebene
angeordnet sein als der mit der Spannung zu versorgende Chip. Anstelle
des Chips, der hier nur als Beispiel genannt wird, kann auch ein
beliebiges anderes elektronisches Bauteil, dem ein Kondensator oder
ein anderes Bauelement – bspw.
eine Drossel – vorgeschaltet
werden soll, entsprechend angeordnet werden. Schließlich ist
es denkbar, bei Schaltungen der anhand 4 beschriebenen
Art eine gewünschte
Kapazität – bspw.
100 μF – auf mehrere
parallel geschaltete und entsprechend angeordnete kleinere Kondensatoren – bspw.
auf vier Kondensatoren von jeweils 25 μF – aufzuteilen, womit sich sowohl
durch die Verwendung kleinerer SMD-Bauteile eine niedrigere Bauhöhe als auch
wegen einer damit verbundenen größeren Zahl
von Stützstellen
eine stabilere Verbindung der Schaltungsträger realisieren lässt.
-
Durch
die hier vorgeschlagene Technik ist es mit einfachen Mitteln (mit
herkömmlichen
Leiterplattenn, SMD-Bauteilen, üblichen
Montageprozessen) möglich,
ein Mehrlagensystem mit eingebetteten Bauteilen und somit (quasi-)
mehrdimensional bzw. vertikal integrierte elektronische Systeme
mit einer besonders hohen Dichte zu realisieren, die überall dort
besonders vorteilhaft sind, wo starke Restriktionen in Bezug auf
Volumen und Masse bestehen (z.B. für portable, mobile, miniaturisierte
Produkte, Elektronik für
Luft- und Raumfahrt, Kfz-Elektronik, mobile Sensor- und Messsysteme).