DE69028765T2

DE69028765T2 - Direktionelle Streifenleitungsstruktur und Herstellung einer derartigen Struktur

Info

Publication number: DE69028765T2
Application number: DE69028765T
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Koch
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: ES2091808T3; JPH0583015A; DE69028765D1; TW201856B; EP0439928A1; AU627100B2; CA2031058A1; KR920000148A; US5032803A; AU6932891A; EP0439928B1; CA2031058C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Richtkopplern und Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem oder mehreren Richtkopplern.
Ein Streifenleitungskoppler besteht typischerweise aus einem Paar geformter und nebeneinanderliegender planarer Übertragungsleitungsleiter, die sich zwischen zwei Masseebenen befinden. Durch diese Struktur werden die Leiter gegen die elektrischen Beeinflussungen benachbarter Bauteile abgeschirmt und Sie trägt dazu bei, die elektromagnetischen Felder auf den Bereich innerhalb der zwei Masseebenen zu begrenzen. Da die Schaltung mit den innerhalb der zwei Masseebenen enthaltenen und notwendigerweise von diesen getrennten Übertragungsleitungsleitern hergestellt ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um externe Bauteile oder Leitungswege mit den internen Übertragungsleitungen zu verbinden.
Die wirkungsvolle Herstellung dieser Verbindung zwischen den Streifenleitungs-Richtkopplern und deren Grundplatine in Vorrichtungen des Standes der Technik ist einer der Faktoren gewesen, die zu den relativ hohen Kosten der Vorrichtungen beitrugen. Typischerweise sind Streifenleitungs-Richtkoppler durch die mechanische Sicherung einer Baugruppe von mehreren Platten mit Streifenleitungswegen darauf hergestellt worden. Laminierung wird nicht als typische Anwendung durchgeführt. Gebohrte Lochöffnungen in den Außenschichten bieten ein Mittel zur wirkungsvollen Anlötung an die inneren Übertragungsleitungen. Der Vorgang ist arbeitsintensiv.
Das herkömmliche Verfahren zum Anschließen an die inneren Streifenleitungen ist nicht so zuverlässig wie benötigt und ist auch nicht kosteneffektiv. Es ist jedoch schwierig, Senkungen der Einheitskosten zu erreichen und gleichzeitig gleichförmige Kopplungseigenschaften und ein hohes Maß an Isolation zwischen gewissen Anschlüssen zu bewahren. Isolation ist in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen der Leistung am Eingang zu einem gegebenen Anschluß und der Leistung am getrennten Anschluß. Isolation ist ein Maß jeglicher Ungleichmäßigkeit im Substrat oder Variation bei der Beabstandung der Masseebenen.
Auch ist die Befestigung dieser Bauelemente an Grundplatinen mit hochzuverlässigen, leicht zu bewirkenden Lötschritten bei gleichzeitiger Einsparung am begrenzten Grundplatinenbefestigungsbereich ebenfalls wünschenswert, aber aufgrund des Erfordernisses, zunehmend größere Anzahlen von Bauteilen auf Grundplatinen unterzubringen, schwer zu erreichen.
Der Stand der Technik liefert viele Verfahren zur Herstellung von Streifenleitungs-Richtkopplern und zur Bewirkung von Außenverbindungen mit den inneren Streifenleitungen. Das am 11. April 1989 erteilte US-Patent 4 821 007 lehrt die Plattierung von durch eine isolier ende Leiterplatte und durch den inneren Streifenleitungsübertragungsweg geführten Löchern. Die plattierten Löcher werden dann durch Schneiden der Platte entlang einer jedes plattierte Loch durchlaufenden Linie halbiert. Der Schnitt bildet dort, wo er jedes Loch halbiert, eine halbzylindrische plattierte Einbuchtung. Diese freigelegten plattierten Oberflächen befinden sich am Rand der Streifenleitung und können dementsprechend als elektrische Kontakte zur Punktanlötung an eine Grundplatine benutzt werden. Da sich weiterhin die plattierte Einbuchtung beidseitig der durchschnittenen Platte erstreckt, kann das sich ergebende Bauelement von beiden Seiten an die Grundplatine angelötet werden. Obwohl auf diese Weise ein Vorteil aus der Lehre von 4 821 007 zum Bilden von Kontaktinseln erzielt wird, hat der Ansatz den Nachteil, daß jedes Kontaktloch halbiert werden muß, was, wie schon bemerkt, den metallisierten Bereich unter Spannung setzen und zu unzuverlässigen Verbindungen, sowie zu unwirksamer Verwendung des begrenzten verfügbaren Befestigungsbereichs führen kann.
In Ergänzung 95372 des Französischen Patents 1 528 085 ist ein Streifenleitungsrichtkoppler beschrieben, der durch Stapeln von teilweise metallisierten Platten hergestellt wird.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Vorteile der Erfindung können einen Streifenleitungs-Richtkoppler umfassen, der kostengünstig herzustellen und zu installieren ist und der einen niedrigen Einfügungsverlust und gleichmäßige Koppeleigenschaften aufweist, einen Koppler, der leicht mit Lot mit einer Grundplatine verbunden werden kann und der eine relativ geringe "Bodenfläche" einnimmt, und ein Verfahren zur Herstellung von großen Mengen von Kopplern, die die obigen Vorteile aufweisen und die nach ihrer Installation ebenfalls sehr gleichmäßig in ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften sind.
Eine Ausführungsform eines nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Streifenleitungs-Richtkopplers umfaßt eine mehrschichtige Leiterplatte, in der die inneren Übertragungswege auf gegenüberliegenden Seiten einer doppelseitigen Platte geätzt sind. Die strukturierte Schaltung ist an äußere Substrate angebondet, die jeweils aus einer einseitigen kupferbeschichteten Platte bestehen, wobei die innere Schicht blankgeätzt ist und die äußere Schicht festes Kupfer ist. Die Baugruppe wird dann unter Verwendung von kostengünstiger herkömmlicher Technik gebohrt, plattiert und geätzt. Verbindungen zur Streifenleitung werden mit durchplattierten Löchern hergestellt, die eine äußere Verbindungsinsel mit dem inneren Streifen verbinden. Die gesamte Baugruppe kann dann in senkrechter Lage an eine andere Platte angelötet werden, wodurch wertvoller Plattenraum eingespart wird. Vorteilhafterweise sind die Plattensubstrate aus mit Glasgewebe verstärktem Polytetrafluoroethylen gebildet. Die Prozesse der Erfindung lassen sich auf die gleichzeitige Herstellung von mehreren Streifenleitungs-Richtkopplern anwenden.
Besondere Ausführungsformen von Streifenleitungs- Richtkopplern, die besonders billig herzustellen sind, werden geboten.

Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist ein Diagramm einer elektrischen Ersatzschaltung einer Streifenleitungsvorrichtung;
Figur 2 ist eine diagrammatische Darstellung einer Streifenleitungsstruktur mit gewissen kritischen Strukturparametern;
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer mehrschichtigen Streifenleitungs-Leiterplattenbaugruppe;
Figur 4 ist eine schematische perpektivische Ansicht der Vorrichtung der Figur 1, die senkrecht auf einer Trägerplatine befestigt ist;
Figur 5 ist ein Skizze, die die Anwendung des Prozesses bei der Herstellung einer Mehrzahl von Richtkopplern in einer Herstellungsoperation darstellt.

Ausführliche Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform

Die Erfindung ist in Bezug auf die Herstellung einer sogenannten breitseitig gekoppelten Streifenleitung der im Artikel "Characteristic Impedances of Broadside- Coupled Strip Transmission Lines" (Charakteristische Leitungswiderstände von breitseitig gekoppelten Streifenübertragungsleitungen) von S.B. Cohn, der in Trans. IRE, Band PGM TT-8,6, Seiten 633-637 (November 1960) erscheint, beschriebenen Art dargestellt. Der Fachmann wird jedoch erkennen, daß die Erfindung auf andere Arten von Mikrostreifen- oder Streifenleitungsvorrichtungen und ihre Herstellung anwendbar ist.
Als Hintergrund entsprechend der Darstellung in Figur 1 kann ein Richtkoppler in elektrischem Aufbau durch zwei Streifenleitungen dargestellt werden, wobei eine mit 10 bezeichnete Anschlüsse 1 und 4 aufweist und die mit 11 bezeichnete Anschlüsse 2 und 3 aufweist. Das Positionieren dieser zwei Streifenleitungen in gesteuerter enger physischer Nachbarschaft zueinander erzeugt vorbestimmte und gewünschte elektrische Kopplung. Die in der Figur 1 gezeigten Diagramme sind elektrisch gleichwertig. Durch Befolgung der beispielsweise in der bekannten Lehre von Cohn enthaltenen Auslegungsgrundsätze werden Koppler mit einem beliebigen gewünschten Kopplungsfaktor erzeugt. Ein Koppler kann eine Struktur entsprechend der Darstellung in Figur 2 umfassen. Dort ist die Abmessung b der Abstand zwischen äußeren Masseebenen 12 und 13. Die Abmessung s ist der Abstand zwischen den beiden Streifenleitungen 10 und 11 und die Abmessung w ist die Breite der Streifenleitungen. Die parallelen Streifen 10 und 11 werden gleich einer Viertelwellenlänge bei der Mittenfrequenz des beabsichtigten Betriebes der Vorrichtung gemacht. Die Abmessungen b, s und w sind Parameter einer Streifenleitung entsprechend der Lehre des Textes von Cohn, auf den verwiesen wurde; und bestimmen zusammen mit der Dielektrizitätskonstante des Plattenmaterials die elektrischen Eigenschaften der Streifenleitungen.
Figur 3 zeigt, wie die Streifenleitungen nach der Erfindung hergestellt werden können. Es wird ein doppelseitiges Übertragungssubstrat 20 ausgebildet, auf dem die Streifenleitungen 10 und 11 aufgeätzt sind. Das Substrat wird vorteilhafterweise aus einer gewobenen glasverstärkten Polytetrafluoroethylenzusammensetzung hergestellt. Ein solches Material ist beispielsweise von Rogers Corporation in Chandler, AZ, erhältlich. Ein weiteres geeignetes Beispiel für Plattenmaterial ist gewobenes TEFLON -Glas. Diese Materialien sind vorteilhafte Wahlen für viele Streifenleitungen, da sie elektrisch zweckdienlich sind und leicht laminiert werden können. Andere Substratmaterialien sind ebenfalls verwendbar, wie beispielsweise Keramik oder Quartz. Wenn ein TEFLON -Material ausgewählt wird, ist es mit Material- Dielektrizitätskonstanten von 2,0 bis mehr als 10,0 erhältlich. Wenn ein TEFLON -Material mit einer Dielektrizitätskonstante von beispielsweise 2,5 und einem Kopplungswert von 3 dB gewählt wird, betragen die Werte von s, b und w im wesentlichen: s = 0,25 mm (.01"), G = 2,5 (.1") mm und w = 1,0 mm (.04"). Das Substrat 20 wird mit den gewünschten Leitungswegen, aber ohne Durchkontaktlöcher gebildet. Die Substrate 21 und 22 bestehen jeweils aus einer auf einer Seite mit einer Kupferschicht 24 beschichteten Dielektrizitätsplatte 23. Die Substrate 20, 21 und 22 sind zusammenlaminiert. Der Schichtungsprozess kann vorteilhafterweise das Zwischenlegen einer Lage wärmeempfindlichen Haftmaterials (nicht gezeigt) zwischen jedes der einander gegenüberliegenden Substrate enthalten. Danach wird Wärme angelegt.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Baugruppe der Substrate 20, 21 und 22 an durch die Achsen 30 in der Figur 3 bezeichneten Punkten durchbohrt. Die Bohrlochinneren werden dann plattiert, um durchplattierte Löcher 27 zu erzeugen. Danach werden die Kupferschichten 24 jeder Platte 23 geätzt, um zwei Kontaktinselflächen 25 und zwei Flächenbereiche 26 an jeder Seite der Platte 23 zu kennzeichnen. Durchplattierte Löcher 27 dienen dem Zweck der Verbindung jedes der Anschlüsse 1-4 mit den Inseln 25 und auch mit den Flächenbereichen 26.
Figur 4 zeigt einen mit 1 bezeichneten vollständigen Streifenleitungs-Richtkoppler, der aus den bereits in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen Bauelementen besteht und in aufrechter Lage auf eine Grundplatine 40 aufgelötet ist. Die Inselflächen 25 werden durch Lötperlen 41 an beispielhaften Leitungswegen 35 gesichert. Die Masseebene 24 des Substrats 23 wird an einen Erdflächen bereich 36 der Platte 40 angelötet. Die sich ergebende senkrechte Befestigung des Kopplers 1 an der Platte 40 ist stark und erfordert dennoch relativ wenig Plattenfläche. Auf die dargestellte Weise können so mehrere Koppler in aufrechten Lagen auf der Platte 40 befestigt werden.
Figur 5 zeigt, wie mehrere Streifenleitungen in derselben Reihe von Schritten nach der obigen Definition hergestellt werden können, indem mehrere Streifenleitungsbauelemente in denselben Prozeßschritten ausgebildet werden. Die Substrate 50 und 53 entsprechen den Substraten 20 und 23 der Figur 3. So werden mehrere, allgemein mit 54 bezeichnete Masseebenengebiete durch die bereits anhand der Figur 3 beschriebenen Prozesse auf den Substraten 53 ausgebildet. Gleichermaßen werden in den Gebieten 54 Inselbereiche wie 25 in der Figur 3 und jegleiche andere metallisierte Bereiche wie der Bereich 26 ausgebildet. Auf dem Substrat 20 werden in den mit 55 bezeichneten Gebieten Streifenleitungen der als Elemente 10 und 11 in der Figur 3 beschriebenen Art auf beiden Seiten ausgebildet. Das Innensubstrat 50 und die beiden Außensubstrate 53 mit benötigten metallisierten Schichten und durchplattierten Löchern bzw. "Durchkontakten" werden wie beschrieben ausgebildet. Die nunmehr in jedem der Gebiete 54 und 55 ausgebildeten Koppler werden aus der Schichtbaugruppe durch beispielsweise herkömmliches Aussägen oder Ausfräsen der Gebiete 54 entnommen. In diesem Vorgang der Entnahme der vollausgebildeten Koppler aus der Schichtbaugruppe mit mehreren Bauelementen sind die kritischen Leitungswege und Durchkontakte nicht einer Beschädigung durch das Schneiden unterworfen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Richtkopplerbaugruppe mit Ausbildung erster und zweiter metallischer Streifenleitungen (10, 11) auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden Innensubstrats (20), die jeweils einen ersten und zweiten Anschluß (1, 2, 3, 4) aufweisen;

Ausbildung erster und zweiter Außensubstrate (21, 22), jeweils mit einer Isolierplatte (23), deren eine Seite metallisch beschichtet ist;

- Anpressen der besagten Außensubstrate an entsprechende Seiten des besagten Innensubstrats, wobei sich die besagten Anschlüsse in einem bekannten und vorbestimmten Planarkoordinatenverhältnis im Bezug auf Zugangspunkte auf den metallischen Oberflächen der besagten Außensubstrate befinden;

Ausbilden von Löchern (27) durch die besagte Schichtbaugruppe an besagten Zugangspunkten;

metallisches Durchplattieren der besagten Löcher zum Bewirken einer elektrischen Verbindung zwischen besagten jeweiligen der besagten plattierten Löcher und den entsprechenden der besagten Anschlüsse des besagten Innensubstrats; und

Ätzen eines Gebiets um den Eingang des durchplattierten Loches an jedem Zugangspunkt,

dadurch gekennzeichnet, daß

besagte Anschlüsse der ersten Streifenleitung und besagte Anschlüsse der zweiten Streifenleitung alle neben einem einzigen ausgewählten Rand des besagten Substrats angeordnet sind;

der Ätzschritt so ausgeführt wird, daß sich eine vom besagten Eingang zum besagten Rand des besagten Substrats erstreckende Metallinsel (25) bildet, um den besagten Locheingang elektrisch gegen die umgebende Metallbeschichtung zu isolieren, wobei jede besagte Insel zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer in einer zu den besagten metallischen Oberflächen senkrechten Ebene angeordneten Leiterstruktur (35) geeignet ist.

2. Im wesentlichen nach dem Verfahren des Anspruchs 1 hergestellte Richtkopplerbaugruppe.

3. Verfahren zur Herstellung von Richtkopplerbaugruppen nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Material des besagten Innensubstrats und der besagten zwei Außensubstrate eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 2,0 bis im wesentlichen 10,0 aufweist.

4. Im wesentlichen nach dem Verfahren des Anspruchs 3 hergestellte Richtkopplerbaugruppe.

5. Produkt nach Anspruch 4, wobei die Dielektrizitätskonstante des besagten Substratmaterials im wesentlichen 2,5 beträgt und wobei die in der Beschreibung definierten kritischen Dimensionen s, b und w s = 0,25 mm; b = 2,5 mm und w = 1,0 mm betragen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 mit den weiteren Schritten des Zwischenlegens einer Lage wärmeaktivierten Haftmaterials zwischen das Innensubstrat und jedes der besagten zwei Außensubstrate, des Zusammenbringens aller besagten Substrate und des Anlegens von Wärme.

7. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt des senkrechten Befestigens der Schichtbaugruppe an einer Mutterplatte (40) mit Erd-Metallgebieten (36) und Schaltungswegen (35) durch Lötverbindungen (41) der Metallinseln mit den besagten Schaltungswegen auf der besagten Mutterplatte und durch Lötverbindungen der metallischen Oberflächen der Außensubstrate mit den besagten Metallgebieten der besagten Mutterplatte.

8. Durch das Verfahren nach Anspruch 7 hergestelltes Produkt

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Lochausbildungsschritt das Bohren von Löchern durch die gesamte Schichtbaugruppe hindurch umfaßt.

10. Im wesentlichen nach dem Verfahren des Anspruchs 9 hergestellte Richtkopplerbaugruppe.