BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine neue
Schnittstelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben,
und in weiteren Einzelheiten eine elektrische
Übertragungsleitungsschnittstelle und ein Verfahren zur Herstellung
derselben. Auf einem Substrat mit Halbleitern wird ein
Treiberoder Empfängerschaltkreis vorgesehen, der als Schnittstelle
mit einer elektrischen Übertragungsleitung dient. Integrale
Mittel für die elektrische Übertragungsleitungsausrichtung,
Halterung und Durchgang durch eine abgedichtete Umgebung ist
ebenfalls vorgesehen. Für die verschiedenen Bestandteile, die
im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, ist auch eine
flüssigkeitsdichte Kapselung vorgesehen. Auch variable
Zeitverzögerungsmittel können für das Rechnertaktsystem oder
sonstige Mikrowellenanwendungen vorgesehen sein.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zusammenschaltungen bei Computerkommunikationsanwendungen wie
Zeittaktverteilung, Speicher und Datenbus zwischen den
Prozessoren, Matrix- oder Koppelpunktschalter sind
Schlüsselelemente in Systemarchitektur, Packungskonstruktion, Funktion
und Leistung. Anordnungen von Übertragungsleitungen in
flüssigkeitsdicht gekapselten Halbleiterchip-Packungen führen
weiter zu Problemen der Zugentlastung an
Vorrichtungsschnittstellen, Ausgangslastfaktorverteilung, Integrierbarkeit und
Raumausnutzung. Einige dieser bekannten Probleme wurden durch
die vorliegende Erfindung gelöst.
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Dichtgepackte elektrische Kontaktstift/Buchsen-Steckverbinder
für heutige Multichip-Modul-Packungen (MCM) generieren
elektromagnetische Induktanz und Rauschankopplung. Ferner
verschlechtert das von den Halbleiter-Chips in Vielschicht-
Keraniksubstraten induzierte Delta-i-Rauschen mit
gleichzeitigem Logikpegelumschalten die elektrischen Signale beim
Übergang des elektrischen Signais vom E/A-Kontaktstift zur
Oberfläche des MLC-Substrats noch weiter. Im allgemeinen
vergrößern diese Rausch- und Dispersionsprobleme direkt mit
dem Ansteigen der Signalfrequenz, insbesondere über 100 MHz
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Die Aufteilung eines Zentraltaktgebersignals oder eines
Systemtakts auf die Multichip-Anordnung auf dem Substrat
erfordert gesteuerte, angepaßte Zeitverzugsverschiebungen, um
ein gleichzeitiges Ankommen der Taktgebersignale zu
gewährleisten. Abweichungen von der Gleichzeitigkeit sind bekannt
als "Bitversatz" und setzen sich direkt in die
Zykluszeitleistung des Rechners um.
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Die vorliegende Erfindung spricht diese Schwierigkeiten an
und sieht Mittel zum Lösen einiger dieser Punkte vor. Zum
Beispiel wurde gefunden, daß die direkte Verbindung zur
Substratschnittstelle Verbinder- und Substratrauschen
minimiert. Daher ist die bevorzugte Verbindung für
Hochfrequenzbetrieb eine Kabel-TCM-Schnittstelle, bei der die Verbindung
seitlich in das TCM (Thermal Conduction Module - thermisches
Leitungsmodul) geführt ist und ein Empfänger auf der
Substratoberfläche vorgesehen ist. Zugentlastung des relativ
starren Koaxkabels und das Vorsehen der flüssigkeitsdichten
Kapselung der Kabelmodul-Schnittstelle sind in der
vorliegenden Erfindung ebenfalls angesprochen.
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Die Forderung nach Kompensierung der Takteingangszeit-
Differenzen bezüglich der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in
Netzen unterschiedlicher Längen werden ebenfalls von der
Erfindung angesprochen. Die konstruktiven Verzögerungen, die
zwischen den ICE's (Schnittstellensteuerelementen), SCE's
(Systemsteuerelementen) etc. innerhalb und zwischen den
gedruckten Leiterplatten (PC) der thermischen Leitungsmodule
(TCM) absichtlich eingeführt werden, werden von der Erfindung
auf ähnliche Weise angepaßt.
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Einige der bedeutsamen Merkmale der Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung sind:
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(1) Die Übertragungsleitung zur Modulschnittstelle,
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(2) die Schnittstelle zwischen Übertragungsleitung und
Substrat,
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(3) variable Verzögerungsleitungs-Ausführungsformen,
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(4) Übertragungsleitungsführungs-, Halterungs-,
Flüssigdichtkapselungs- und Zugentlastungmittel, und
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(5) Trennbarkeit der oberen und der unteren Modulhalbebene
für Instandsetzung, Test, oder technische Änderung.
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Probleme beim Zugentlastung an Vorrichtungsschnittstellen,
Ausgangsverteilung, Integrierbarkeit und Raumausnutzung sind
einige der weiteren Probleme, mit denen man zu tun hat.
Einige dieser bekannten Probleme wurden durch die vorliegende
Erfindung gelöst.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden
kompatible Konstruktionen zur Schnittstellenverbindung mit
externen Übertragungsleitugen zu einem flüssigkeitsdicht
gekapselten, temperaturgesteuerten Modul und zur direkten
Verteilung innerhalb des Moduls auf auswählbare
Halbleiterchip-Positionen. Die vorliegende Erfindung lehrt ferner eine
direkte Oberflächenverbindung der Übertragungsleitung zur
Substratoberfläche und vermeidet somit den Durchgang des
elektrischen Signals durch die Modulschichten oder
Kühlstrukturen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen ferner
das Vorkommen von C-4s und der Halbleiterchips auf dem
Substrat zu, während einzigartige Mittel zum elektrischen
Zusammenschluß der Übertragungsleitung mit einem Empfänger
auf der Substratoberfläche vorgesehen ist. Mittel zur
geeigneten Anbindung der Übertragungsleitung oder des
Signalleiters zu einer Durchkontaktierung in Substrat sind
ebenfalls vorgesehen.
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Ein weiteres einzigartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung
sind die Faltenbälge für die Übertragungsleitungen, die
flüssigkeitsdichte Kapselung und Zugentlastung für den
Anschluß der Übertragungsleitung an die Substratoberfläche
vorsehen.
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen
einer oder mehrerer Schnittstellen für Übertragungsleitungen
in ein Multichip-Modul oder ein TCM.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das
Vorsehen von Mitteln zur Zugentlastung für die
Übertragungsleitungs-Verbinder.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Vorsehen
einer flüssigkeitsdichten Kapselung für das zusammengebaute
Substrat.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbart ein Gerät für
eine elektrische Übertragungsleitungs-Schnittstelle gemäß
Definition in Anspruch 1.
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Noch ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt offenbart ein
Verfahren zum Vorsehen einer elektrischen
Übertragungsleitungs-Schnittstelle gemäß Definition in Anspruch 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Merkmale der Erfindung, die als neu bezeichnet werden,
und die Elemente, die für die Erfindung charakteristisch
sind, werden im einzelnen in den Unteransprüchen behandelt.
Die Figuren dienen nur dem besseren Verständnis und sind
nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Erfindung selbst wird
jedoch sowohl in Bezug auf die Organisation als auch auf das
Betriebsverfahren am leichtesten verständlich unter
Bezugnahme auf die hier folgende detaillierte Beschreibung anhand
der begleitenden Zeichnungen, in denen
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Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen
Koaxkabel-Einbaugruppe als Schnittstelle mit einem TCM ist.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der
zusammengebauten Schnittstelle zwischen der Koaxkabel-Einbaugruppe
und den TCM-Elementen.
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Fig. 3 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die den Durchgang
des Koaxkabels durch die Koaxkabel-Einbaugruppe zur
Koaxkabel-Anschlußstelle zeigt.
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Fig. 4A ist eine auseinandergezogene Seitenansicht, die die
Halterung mit einer Koaxkabel-Führungsnut und sonstigen
zugehörigen Elementen zeigt.
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Fig. 4B zeigt eine modifizierte Halterung mit einer
umgekehrten Koaxkabel-Führungsnut.
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Fig. 5 illustriert einen Dichtungsrahmen mit der
modifizierten Halterung der Fig. 4B mit Mitteln zum Ausrichten.
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Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des Koaxkabels und der
Mittel zum Anschluß an ein Substrat mit den teilweisen
Führungselementen
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Fig. 7 ist eine vergrößerte Darstellung einer weiteren
Ausführungsform des Koaxkabels mit einer spulenförmigen
Verzögerungsleitung und Anschlußmitteln an ein Substrat mit
teilweisen Führungselementen
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Fig. 8A ist eine Seitenansicht eines modifizierten
Verbinders, der benutzt wird, um das Koaxkabel an das MLC-
Substrat anzuschließen.
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Fig. 8B ist eine Seitenansicht des modifizierten Verbinders
aus Fig. 8A.
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Fig. 9 ist ein Beispiel für eine
Verzögerungsleitungskonfiguration mit Abgriff innerhalb eines MLC-Substrats.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das neuartige Gerät und Verfahren für die erfindungsgemäße
Übertragungsleitungsschnittstelle umfaßt viele Aspekte. Der
Hauptaspekt der Erfindung ist die Benutzung der
Substratoberfläche für die elektrische Kommunikation unter Verwendung
einer Übertragungsleitung mit wenig oder gar keiner
Auswirkung auf andere elektronische Vorrichtungen, die sich auf
der Substratoberfläche befinden können. Auf ähnliche Weise
läßt die Erfindung die Veränderung der Kühlkonfiguration
eines TCM mit wenig oder gar keiner Auswirkung auf die
Kühlungsfähigkeiten des TCM zu. Diese und weitere
einzigartige Merkmale der Erfindung werden nachstehend im
vorliegenden Abschnitt diskutiert.
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Eine Übertragungsleitung, die wie hier benutzt wird, bedeutet
ein Koaxkabel oder ein verdrilltes Kabel oder eine
Bandleitung oder jede Art Leitung, die mindestens zwei
elektrische Pfade aufweist, wobei diese Pfade elektrisch
gegeneinander isoliert sind und ein festes Dielektrikum die
elektrischen Pfade trennt. Herkömmlicherweise werden diese zwei
Pfade als Signalweg und als Erde bezeichnet.
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Die Übertragungsleitungsverbindung weist in der Regel sowohl
einen Signalleiter als auch einen Erdleiter auf, und bilden
ein elektrisches Kontaktpaar. Das elektrische Kontaktpaar
könnte auf der Oberfläche eines Substrats liegen oder
zusammen mit einem elektrischen Verbindungsmittel, wie z.B.
einem Steckverbinder, ausgebildet sein.
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Eine elektronische Vorrichtung im hier benutzten Gebrauch
könnte passive Schaltelemente beinhalten, wie z.B.
Widerstände, Kondensatoren und Induktoren oder
Halbleitervorrichtungen, und zugeordnete Schaltelemente wie Dioden,
Transistoren und logische Schaltungen, um nur ein paar zu
nennen.
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Nur zum Zweck der Illustration wird in Fig. 1 ein
Wärmeleitmodul d.i. TCM (Thermal Conduction Module) 10, enthaltend
einen unteren Rahmen 12, einen oberen Rahmen oder Hut 16
gezeigt, die zwischen sich sandwichartig einen Abdichtrahmen
14 einschließen, der modifiziert wurde. Mit der Erfindung
können auch noch weitere Modultypen eingesetzt werden, wie
z.B. das Multichip-Modul (MCM) oder das luftgekühlte Modul,
um nur eine paar zu nennen. Der untere Rahmen 12, der
Abdichtrahmen 14 und der obere Rahmen 16 werden durch
Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben 18, zusammengehalten.
Üblicherweise wird eine Kühlplatte 17 mit einer Anzahl Kühlkanäle
21 auf der oberen Fläche des oberen Rahmens 16 befestigt, wie
dem Fachmann bestens bekannt ist. Ein Substrat 40 mit einer
abgestuften Kante 42 und mit obenauf befestigten
Halbleiterchips 50 wird zwischen der Leiste 41 des unteren Rahmens 12
und der Erweiterung des Abdichtrahmens 14 mit einer
dazwischenliegenden Dichtung befestigt. Üblicherweise benutzt
man Wärmetauscherelemente 52, wie die
Hochleitungs-Kühlelemente (HCC), die in US-Patent Nr. 5,052,481 vom 10 Oktober
1991 (Horvath et al.) geoffenbart sind, um die vom Chip 50
generierte Wärme zum oberen Rahmen d.i. Hut 16 abzuleiten.
Nur für die Zwecke leichterer Darstellung wird der obere
Rahmen, d.i. der Hut 16, im Zusammenhang mit dem
Wärmetauscherelement 52, d.i. dem HCC-Element 52, diskutiert,
jedoch könnte der obere Rahmen jede Art Kühlvorrichtung oder
-struktur aufweisen, z.B. könnte der obere Rahmen 16 ähnlich
dem sein, der in U.S.A. Nr. 4,226,281 oder in U.S.A. Nr.
4,235,283 geoffenbart ist. Natürlich müßte in jeder Situation
der obere Rahmen 16 so modifizert sein, daß er eine Führung
oder ein halterungsähnliches Element aufnehmen kann, wie
später noch im vorliegenden Abschnitt diskutiert wird.
Üblicherweise wird eine Halterung 51 benutzt, um die
Wärmetauscherelemente 52 an Ort und Stelle zu halten. Wie im
vorliegenden Abschnitt später noch diskutiert wird, wird
diese Halterung 51 auch benutzt, um Führungsnuten und
Haltemittel für eine Übertragungsleitung 23, wie z.B. ein
Koaxkabel 23, vorzusehen. Nur für Zwecke der Illustration wird
die Übertragungsleitung 23 als Koaxkabel 23 angesprochen, das
schließt jedoch andere Formen der Übertragungsleitungen nicht
aus, die mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden
können. Bei den Kühlvorrichtungen oder -strukturen, bei denen
es keine Halterung 51 gibt, kann die Kühlvorrichtung oder
-struktur von einem Fachmann mit Leichtigkeit dahingehend
abgeändert werden, daß die Mittel zum Führen und Befestigen
des Koaxkabels 23 von außerhalb des TCM 10 zu einer Stelle,
wo das Ende des Koaxkabels 23 am Substrat 40 befestigt wird,
vorgesehen sind. Eine flüssigkeitsdichte Kapselung des
Modulinneren,
das die Chips 50 aufnimmt, die auf dem Substrat 40
angeordnet sind, läßt sich mittels der Dichtungen 46 und 48
erreichen. Eine Koaxkabel-Haltevorrichtung 20 bildet die
Schnittstelle zwischen den Koaxkabeln 23 und dem TCM 10.
Abdeckscheibe 22, Halter 32, Wellenscheibe 31, Halterung 30
und Schulter 28 sind verschiedene Bestandteile der Koaxkabel-
Befestigungsbaugruppe 20, die in der Regel vom Wärmeleitmodul
TCM 10 aus nach außen vorstehen.
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Die Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 kann zwischen einem
beliebigen Schraubenpaar 18 entlang den Seiten des TCM 10
angeordnet sein. Dafür kann jede Seite des TCM 10 (N-1)
Koaxkabel-Montagebaugruppen 20 aufnehmen, wobei N gleich der
Anzahl der Schrauben entlang einer gegebenen Seite des TCM 10
ist. Jede Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 weist wenigstens ein
Koaxkabel 23 auf. Jedes Koaxkabel 23 hat in der Regel einen
elektrischen Leiter in der Mitte mit einem Isolator kleiner
dielektrischer Konstante geeigneter Dicke, der über diesen
Zentralleiter geschoben ist, und diese Untergruppe wird dann
in einem rohrförmigen elektrischen Leiter untergebracht.
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Fig. 2 stellt eine Ansicht der Elemente der Koaxkabel-
Montagebaugruppe 20 dar, die einen Durchgang durch die Seite
des Dichtrahmens 14 bildet. Der Dichtrahmen 14 weist eine
Reihe Löcher 19 auf, um die Schrauben 18 aufzunehmen. Eine
Zugaufnahmetülle 24 weist Schultern 26 und 28 an beiden Enden
auf sowie auch radiale Nuten 27 und 29, die Halteringe 47
bzw. 30 aufnehmen. Die Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 kann
vorbereitet werden durch Einführen der Koaxkabel 23 durch die
Öffnung in die Zugaufnahmetülle 24.
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Fig. 2 zeigt ferner eine vergrößerte Schnittansicht der
montierten Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 als Teil des
Abdichtrahmens 14 und des oberen Rahmens 16 und des unteren Rahmens
12. Die Koaxkabel 23 sind durch die Zugaufnahmetülle 24
geführt, so daß ein Flanschrohr 39 mit seiner Schulter 13
umfangmäßig an den Faltenbaig 11 geschweißt ist. Das andere
Ende des Faltenbalgs 11 ist an die Lippe 15 an der
Zugaufnahmetülle 24 geschweißt, damit ein Teil des Abdichtsystems
für die Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 eingerichtet wird. Das
Flanschrohr 39 erstreckt sich von der Fläche der Schulter 26
aus über eine feste Distanz, und ein Abstandshalter wird
zeitweilig eingesetzt während die äußeren Leiter der
Koaxkabel 23 an die Öffnungen der Fläche des Flansches 34
geschweißt werden. Abziehen der zeitweiligen Abstandshalter
ermöglicht es, daß sich die Koaxkabel 23 durch
Zusammendrücken des Faltenbalgs 11 entlang der Zugaufnahmetülle 24
bewegen bis der Flansch 34 auf die Fläche der Schulter 26
aufsitzt. Umgekehrt kann sich der Flansch 34 ungehindert von
der Fläche der Schulter 26 weg bewegen, indem er den
Faltenbalg 11 dehnt. Die Dehnung des Faltenbalgs 11 wird von der
Nase 35 begrenzt, die Teil der Vorspannfeder 101 ist, die
später noch in Fig. 5 besprochen wird. Die erzwungene axiale
Verschiebung des Faltenbalges 11 kompensiert die
unterschiedlichen Ausdehnungsfähigkeiten zwischen den halbstarren
Koaxkabeln 23 und der TCM-Baugruppe 10.
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Diese Unterbaugruppe kann jetzt durch das Loch im Dichtrahmen
14 und in der Abdeckscheibe 22 eingeführt werden. Der
Haltering 47 wird gedehnt und dann wieder in die Nut 27
eingeschnappt. Die Zugaufnahmetülle 24 wird jetzt vom Dichtrahmen
14 weg- oder zurückgezogen, und der O-Ring 33, der Halter 32,
die Wellenscheibe 31 und der Haltering 30 werden an ihren Ort
geschoben, um die Zugaufnahmetülle 24 fest am Dichtrahmen 14
zu sichern. Das wird erreicht durch Einschnappen des
Halterings 30 in die radiale Nut 29, was diese Baugruppe
zusammendrückt und sicher an ihrem Ort gegen die Abdeckscheibe 22
hält. Der Haltering 47, der am anderen Ende der
Zugaufnahmetülle 24 in die radiale Nut 27 eingesetzt ist, verriegelt die
Zugaufnahmetülle 24 sicher an ihrem Platz.
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Der untere Rahmen 12 und der obere Rahmen 16 werden mit
Dichtungen 46 bzw. 48 abgedichtet. Die Dichtung 33 ist eine
wirksame Abdichtung für die Koaxkabel-Montagebaugruppe 20.
Die Dichtungen 46 und 48 können eine Dichtung vom "O-Ring-
Typ" oder vom "C-Ring-Typ" sein um die Abdichtung zu
bewirken, wenn sie unter Verwendung der Schrauben 18 an andere
Elemente der TCM 10 angebaut werden. Eine Auflage 43, die
zwischen der Kante 41 und der gestuften Leiste 42 liegt,
bilden eine Auflagefläche für das Substrat 40.
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Fig. 3 illustriert eine Teilschnittansicht, die den Durchgang
des Koaxkabels 23 durch die Koaxkabel-Montagebaugruppe 20 zur
Koaxkabel-Anschlußstelle 150 zeigt. Die
Koaxkabel-Anschlußstelle 150 läßt sich praktisch an jedem beliebigen Ort auf
dem Substrat 40 anordnen. Diese Orte können Stellen für
Halbleiterchips 50 oder auch Stellen für den
Entkoppelungskondensator 74 sein, oder zwischen den Chipkanten sein, um
nur ein paar anzuführen. Der bevorzugte Ort für die
Koaxkabel-Anschlußstelle 150 wäre es, einen
Entkoppelungskondensator 74 zu ersetzen und diesen Ort für die Koaxkabel-
Anschlußstelle zu nutzen. Weil ja durch den Ausbau einiger
Entkopplungskondensatoren 74 ein vernachlässigbarer Verlust
von Rauschstörsicherheit bewirkt wird, jedoch der Ausbau
eines Halbleiterchips 50 einen signifikanten Verlust an
Schaltkreiskapazität zur Folge haben könnte. Zusätzlich
könnte der Ersatz des Entkoppelungskondensators 74 mit
geringstem Konstruktionsänderungsaufwand der
Substratverdrahtung durchgeführt werden. Die Einführung dieser Koaxkabel
bewirkt einen signifikanten Zuwachs bei den Funktionen und
Niedrigrausch-Kommuinikationsmitteln.
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Die Wärmeausdehnungsunterschiede der verschiedenen
Materialien im TCM erzeugen eine Zug auf das halbstarre Koaxkabel
23. Dieses Ausdehnungsunterschiedlichkeit zwischen dem
Koaxkabel
23 und dem TCM 10 kann vom Faltenbalg 11 aufgefangen
werden, der eine gewisse Zusammenziehungs- und
Ausdehnungsfähigkeit aufweist. Die Halterung 51 weist Öffnungen 66 auf,
um entweder eine Koaxkabelverbindung oder einen
Entkoppelungskondensator 74 aufzunehmen.
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Ebenso wurde gefunden, daß die bestehende Kühlkonfiguration
des Teils des oberen Rahmens verändert werden könnte, um
Einschließung, Durchführung und Ausrichtung für das Koaxkabel
aufzunehmen. Diese Modifikationen ermöglichen eine maximale
Verwendung der Kühlkonfiguration ohne Auswirkungen auf die
Kühlleistung. Nur zu Zwecken der Darstellung wird in Fig. 4A
eine ähnliche Kühlkonfiguration gezeigt wie in US-Patent
5,052,481, erteilt am 1. Okt. 1991 (Horvath et al.), jedoch
kann auch jede beliebige Kühlkonfiguration auf ähnliche Weise
angepaßt werden, so daß sie erfindungsgemäß anwendbar wird.
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Um die Koaxkabel 23 innerhalb des verfügbaren Raums im TCM 10
unterbringen zu können, wurde eine Halterung 51 mit dem
Führungskanal 69 und dem oberen Rahmen 16 modifiziert. Diese
Veränderungen sind in Fig. 4A gezeigt. Der Halterungssitz 53
wird so verändert, daß er die Halterung 51 aufnimmt. Auch die
Halterung 51 muß verändert werden, so daß sie Mittel
vorsieht, die die Koaxkabel-Verbindermittel, wie z.B. einen
Verbinder zum Substrat, sicher befestigen. Der obere Rahmen
16 wird ebenfalls modifiziert durch Verkürzen einer der
Halterungsführungen d.i. der großen Rippen 56, so daß sie
eine Führungsansatz 58 bildet. Die Führungsansatz 58 hat eine
Haltenut 59 oder eine Führungsnase, in Abhängigkeit davon,
welche Verzögerung angewandt wird. Wenn eine schraubenförmig
gewickelte Koaxkabel-Verzögerungsleitung 71 benutzt wird,
sind der abgeschrägte Schlitz 55 in Fig. 4A und die
Koaxkabelführung 69 vertauscht, wie in Fig. 4B gezeigt und
diskutiert wird. Der Umfang des oberen Rahmens 16 hat eine
Nut, um die Dichtung 48 aufzunehmen. Die am oberen Rahmen 16
sitzenden Rippen 54 passen zu den Rippen des HCC-Elements 52,
wie in US-Patent 5,052,481, erteilt am 10 Oktober 1991
(Horvath et al.) beschrieben wird. Die Halterung 51 ist eine
Standardhalterung, die zusammen mit dem oberen Rahmen 16
benutzt wird, hier aber verändert ist, so daß sie jetzt
wenigstens eine Koaxkabelführung 69 mit einem abgeschrägten Kanal
55 und mit der Führungsnase 57 aufweist. Die Halterung 51
weist auch mindestens einen Vorsprung 63 mit Öffnungen 65
auf, um einen exzentrischen Stift 64 aufzunehmen. Eine HCC-
Feder 62 ist in der Regel in die Öffnungen im HCC-Element 52
eingeschoben, und diese Unterbaugruppe wird dann in die
Öffnungen im oberen Rahmen 16 geschoben. Die Halterung 51 und
die Halterungsfeder 60 werden dann mit dem Dichtungsrahmen 14
am oberen Rahmen 16 befestigt, der diese Baugruppe sicher an
Ort und Stelle hält. Die Halterungsfeder 60 weist (nicht
dargestellte) Öffnungen auf, um das Durchgreifen der oberen
Fläche der Koaxkabelführungsnut 69 und der Führungsnase 57 zu
ermöglichen, die in die Halterungsnut 59 passen. Das Ergebnis
dieser Modifikation ist das Vorsehen einer
Koaxkabelführnungsnut 69 und doch die X-, Y- und
Z-Achsen-Bewegungssteuerung für das Wärmeaustauschelement d.i. das HCC-Element
52 zu bewirken. Das Koaxkabel 23 wird in den abgeschrägten
Halterungskanal 55 gelegt. Die flache Feder 60, die zwischen
die Halterung 51 und den oberen Rahmen 16 eingelegt wird,
hält den Eingriff des Koaxkabel-Verbindermittels wie z.B. des
Substrat-Verbinders während des normalen Betriebs bei und
verhindert die Bewegung in der Z-Achse und kompensiert
Abweichungen des Substrats 40 infolge der
Modulverbinderbetätigung.
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Fig. 4B zeigt Modifikationen zum Unterbringen der
schraubenförmig gewickelten Verzögerungsleitung 71. Die
Übertragungsleitung 23 ist schraubenförmig gewickelt, so daß wenigstens
ein Teil der Übertragungsleitung 23 benutzt werden kann, um
eine schraubenförmig gewickelte Verzögerungsleitung 71 zu
bilden. Natürlich könnte die Übertragungsleitung 23 eine oder
auch mehrere dieser schraubenförmig gewickelten Verzögerungs
leitungen 71 aufweisen. Die Halterung 151 ist ähnlich der
Halterung 51 wie oben besprochen, mit dem Unterschied, daß
der abgeschrägte Schlitz jetzt ein umgekehrt abgeschrägter
Schlitz 155 ist, der benutzt wird, um die schraubenförmig
gewickelte integrale Verzögerungsleitung 71 innerhalb des
Koaxkabelführungskanals 169 sicher aufzunehmen. Die
Verzögerungsleitung 71 wird hergestellt durch schraubenförmiges
Wickeln eines Teils des Koaxkabels 23. Die Haltenut 59 wird
ersetzt durch eine (nicht gezeigte) passende Führungsnase, um
die umgekehrte abgeschrägte Nut 155 aufzunehmen.
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In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die
Übertragungsleitung 23 elektrisch gegen die elektronischen
Einrichtungen auf dem Substrat zu isolieren, in solche Fällen
könnte die Halterung 51 bzw. 151 elektrisch gegen das
Substrat isoliert sein durch Mittel, die dem Fachmann wohl
bekannt sind, wie z.B. Beschichten oder Anodisieren, um nur
ein paar zu nennen. Diese elektrische Isolierung könnte auch
erreicht werden durch Beschichten der blanken
Übertragungsleitung.
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Die Halterung 151 mit der Sektorrippe 68 zum Positionieren
des HCC-Elements 52 wird mit dem oberen Teil des
Dichtungsrahmens 14 zusammengebaut unter Verwendung von zwei seiner
anliegenden Kanten zum Zusammendrücken einer Vorspannfeder
101, die innen im Dichtungsrahmen 14 angeordnet ist, wie in
Fig. 5 gezeigt wird. Entsprechende Vorsprünge 121 zu den
Vorsprüngen 63 an aneinanderliegenden Kanten der Halterung
151 sind innen im Dichtungsrahmen 14 angeordnet. Die
Vorspannfeder 101 ist innen im Dichtungsrahmen 14 angeordnet, um
die Halterung 151 gegen exzentrische Stifte 64 zu drücken,
die auf den Vorsprüngen 121 angeordnet sind. Die
aneinanderliegenden Kanten der Halterung 151 sind so ausgebildet, daß
sie die Vorspannfeder 101 zusammendrücken, so daß dann die
Öffnung 65 die exzentrischen Stifte 64 aufnimmt. Durch Drehen
eines der exzentrischen Stifte 64 kann die Halterung 151 in
der X- und Y-Achse genau positioniert werden. Das Substrat 40
kann seitlich eingestellt werden, um es für optimale
Stift/Verbinderausrichtung zu optimieren und die
exzentrischen Stifte 64 werden gedreht, um eine seitliche
Beanspruchung der Koaxkabel in den Führungsnuten 155 zu
reduzieren. Wenn die verschiedenen Komponenten des TCM 10, wie
der untere Rahmen 12, der Dichtungsrahmen 14, der obere
Rahmen 16, zu einer Koaxkabel-Montagebaugruppe 20
zusammengebaut werden, muß mit Vorsicht verfahren werden, damit diese
Komponenten eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bilden, weil
die Koaxkabel-Verbinderkomponenten und sonstige elektronische
Vorrichtungen auf dem Substrat 40 gegen äußere
Umgebungselemente geschützt werden müssen. In einigen Fällen kann das
TCM 10 auch ein strömendes Medium enthalten, das als
Kühlungs- oder Wärmetransportmittel für die verschiedenen
elektrischen Komponenten dient, die sich auf dem Substrat 40
befinden. Die Zugaufnahmetülle 24 kann auch so modifiziert
werden, daß sie eine beliebige Anzahl Koaxkabel-Verbinder
aufnimmt. Ein solcher Verbinder wird als Koaxkabelverbinder
199 gezeigt. Die Anwendung eines solchen Koaxkabelverbinders
199 würde das TCM 10 modular oder steckerkompatibel machen.
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Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht der
Koaxkabelanschlußstelle 150 und zeigt auch noch andere zugehörige Elemente auf
dem Substrat 40. Das Substrat 40 kann ein Mehrschichten-
Keramiksubstrat 110 sein, wie in Fig. 9 dargestellt ist, oder
auch jede andere Art Mehrschichtensubstrat. Das Substrat 40
in Fig. 6 weist Lötflecken 129 und 130 zum Anlöten des
äußeren Leiters 38 bzw. des inneren Leiters 44 des Koaxkabels
23 auf. Lötflecken werden benutzt, um an Lottropfen 102 auf
einem Halbleiterchip 50 oder an einen
Entkoppelungskondensator 74 (nicht dargestellt) anzuschließen. Die Sektorrippe
68 wird benutzt, um die (nicht dargestellten)
Wärmetauscherelemente zu positionieren. Die Halterung 51 weist eine
Führungsnase 57 und eine Koaxkabelführung 69 auf, die den
abgeschrägten Kanal 55 aufnimmt, wie in Fig. 4A gezeigt und
diskutiert wurde. Die Führungsnase 57 könnte in bestimmten
Fällen Öffnungen 104 aufweisen, um die flache Halterungsfeder
60 aufzunehmen unter Verwendung der Verriegelungsnase 49.
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Der innere und der äußere Leiter 44 und 38, isoliert durch
einen Isoliermantel 45, sind durch Aufschmelzlöten auf dem
Substrat 40 bzw. 110 befestigt, z.B. an der Position des
abgenommenen Eckenkondensators 740 Die elektrische Verdrahtung
zu den geeigneten Chips 50 durch die
Durchkontaktierungslöcher 181 und 183 erzeugt die elektrische Schaltung, die
erforderlich ist, um die verschiedenen elektrischen Merkmale
der Erfindung aufzunehmen, wie z.B. die
Zentraltaktgeberschaltung oder die Verbindung zur integralen
Verzögerungsleitung.
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Das Substrat 40 bzw. das Mehrschichtensubstrat 110 weist in
der Regel n der Unterseite Kontaktstifte auf, die mittels
metallgefüllter Durchkontaktierungslöcher 181 und 183 mit
Metallschichten verbunden sind. Dieser elektrische Pfad
bringt die elektrische Verbindung zu externen Schaltkreisen
und zur Energieversorgung.
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Fig. 7 ist eine Ansicht einer bevorzugten alternativen
Ausführungsform eines abziehbaren Verbindermittels zum
Befestigen des Koaxkabels 23 an dem Substrat 40 bzw. 110. Das
Verbindermittel ist vorzugsweise entlang der Achse der
Koaxkabelführung 169 und zwischen einem beliebigen Schraubenpaar
18 positioniert, wie bereits besprochen wurde.
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Fig. 7 zeigt ferner die schraubenförmig gewickelte
Verzögerungsleitung 71, die so konfiguriert ist, daß sie als
integraler
Teil des steifen Miniatur-Koaxkabels 23 ausgeführt
ist. Die Verzögerungsleitung 71 erfordert, daß der
abgeschrägte Führungskanal 155 nach oben zum Führungskanal 169
verschoben wird. Diese Verschiebung schließt einen
elektrischen Kontakt zwischen dem äußeren Leiter 38 der
aufgewickelten Verzögerungsleitung 71 mit den (nicht
dargestellten) Lötflecken aus, die auf der Oberfläche des
Substrats 40 bzw. 110 angeordnet sind und die zwischen den
Kanten benachbarter Halbleiterchips 50 angeordnet sind. Um
die unterschiedliche Ausdehnung zwischen der aufgewickelten
Verzögerungsleitung 71 zu kompensieren, wird die Anzahl der
Spulen beschränkt auf wenigstens zwei weniger als innerhalb
des zylindrischen Sitzes 115 möglich wären, angeordnet in dem
Kanal 155 mit abgeschrägten Wänden und dem Rippenansatz 58.
Im Führungsglied 169 angeordnet ist ein Verbinderhohlraum 129
zum Befestigen der Verbinderbaugruppe 99.
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Der Führungsansatz 58, der zum oberen Rahmen 16 gehört, ist
so ausgebildet, daß er in das Führungsglied 169 eingreift mit
Führungsnasen 128, die mit dem Kanal 155 mit abgeschrägten
Wänden verriegelt sind, um den Führungsansatz 58 und das
Führungsglied 169 auszurichten. Ferner greift der
Dreifachvorsprung 113 und 129 in die obere Fläche der
Verbinderbaugruppe 99 ein, um sie an Ort und Stelle zu verriegeln.
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Die geschlitzten T-förmigen Kontakte 105 und 106 sind auf die
Lötflecken 108 bzw. 109 aufgelötet, wobei der Isolator 107
die Kontakte 105 und 106 trennt. Der Zusammenbau des oberen
Rahmens 16, des Dichtrahmens 14, des unteren Rahmens 12 und
der zugehörigen Dichtungen 46 und 48 ergibt die Kontakte 203
und 103, die wie in Fig. 8A gezeigt und besprochen, mit den
geschlitzten T-förmigen Kontakten 105 bzw. 106
übereinstimmen. Die abziehbare Verbinderbaugruppe 99 bildet den
elektrischen Pfad zwischen dem Koaxkabel 23 und dem
Leiterchip 50 über die Verdrahtung im Substrat 40 bzw. 110.
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Die Verbinderbaugruppe 99 wird in Vorder- und Seitenansicht
in Fig. 8A bzw. Fig. 8B gezeigt. Die Verbinderbaugruppe 99
könnte ähnlich dem elektrischen Universalverbinder sein, der
im US-Patent 3,915,537 (Harns et al.) geoffenbart ist, wobei
diese Offenbarung hier durch Querverweis angezogen wird. Die
Verbinderbaugruppe 99 weist ein Paar mit dem Rücken
zuemanderstehender Federkontakte 203 und 103 auf. Die Kontakte
sind in gesonderte Hohlräume 130 und 131 eingesetzt, so daß
sie elektrisch voneinander isoliert sind. Fahnen 132 und 133
sind gekrümmt, so daß sie durch die entsprechend gekrümmten
Schlitze 134 und 135 zur Oberfläche der Verbinderbaugruppe 99
vorstehen. Nach Einschieben der gekrümmten Kontaktfahnen 132
und 133 durch die entsprechend gekrümmten Schlitze 134 und
135 werden die Fahnen 132 und 133 flach gedrückt, was die
Kontakte 203 und 103 zur Verbinderbaugruppe erfaßt. Die
Kontaktfahnen 132 und 133 weisen Schlitze 136 bzw. 137 auf,
um den Mittelleiter 44 und den Außenleiter 38 des Koaxkabels
23 aufzunehmen. Die modifizierten Kontakte 203 und 103 werden
im Regelfall zum Anschluß an (nicht gezeigte) Kontaktstifte
benutzt, die unten im Substrat 40 bzw. 110 angeordnet sind.
Die Kontakte 203 und 103 sind doppelt freitragende
Auslegerhebel, die in flache Kontaktelemente geeigneter Dicke
zwischen den Kontaktstellen 138 und 139 eingreifen. Die
Kontakthohlräume 131 und 130 haben winklige Seitenwände 140
bzw. 141, um die Bewegung der doppelt freitragenden
Auslegerhebel 203 und 103 aufzunehmen. Die oberen Schultern 143,
die unteren Schultern 142 auf der Verbinderbaugruppe 99 sind
so konfiguriert, daß sie am Verbinderhohlraum 129 ähnliche
Leisten aufweisen wie in Fig. 7 gezeigt wird. Nach Einführen
der Verbinderbaugruppe 99 in ihren Sitz im Verbinderhohlraum
129 werden der äußere Leiter 38 und der innere Leiter 44 in
den Schlitzen 136 bzw. 137 an die Kontakte 203 und 103
gelötet.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel für ein gedrucktes
Leiterbahnmuster, das in die Verdrahtungsebenen eines MLC-Substrats 110
eingebettet ist. Die elektrische Leiterbahn 127 ist
serpentinenförmig angelegt, wie gezeigt wird. Das MLC-Substrat 110
ist mit gleichmäßig beabstandeten Durchkontaktierungslöchern
111 versehen. Um die Abgriffe der Verzögerungsleitung
auszubilden, werden die Kontaktierungslöcher 111 in
verschiedenen Abständen abgegriffen um Durchkontaktierungsabgriffe
128 auszubilden. Die Durchkontaktierungen 144 sind ähnlich
den Durchkontaktierungen 111, mit dem Unterschied, daß die
Durchkontaktierungen 144 abgegriffen werden können, um
Durchkontaktierungsabgriffe 128 auszubilden. Diese Unterteilung
der ursprünglichen Abgriffe ermöglicht eine weitere
Feinemstellung der Verzögerung in den elektrischen Leiterbahnen 127
durch diese stufenweisen Änderungen. Das Serpentinenmuster
der elektrischen Leiterbahn 127 ist das bevorzugte Muster für
die Abgriffsverzögerungsleitung, jedoch kann der Fachmann
auch andere zweidimensionale oder dreidimensionale
Musterkonfigurationen durch das Mehrschichtensubstrat in einer
Mehrebenenkonfiguration aufbauen. Die abgegriffene
Verzögerungsleitung wird benutzt, wenn eine Vielzahl von Werten gewünscht
wird. Abgegriffene Verzögerungsleitungen lassen sich mit
integralen Koaxialverzögerungselementen kombinieren, um
varuerbare Verzögerungen einzustellen oder zu erhalten.
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Wie bereits besprochen, kann das Koaxkabel 23 für
Kommunikationen, für Taktverteilung und Datenbusanwendungen benutzt
werden. In der Regel besteht ein elektronisches
Taktverteilungssystem aus einem Zentraltaktgeber, von dem aus ein
Taktimpulszug zu nachgeordneten elektronischen Funktionen
geführt wird, wie z.B. zu einem Logikchip auf einem Substrat,
der in einem TCM enthalten ist. Die Erfindung ermöglicht die
Verteilung von Taktimpulszügen über optimale
Übertragungsleitungen, wie Koaxkabel, in einem herkömmlichen TCM. Dieses
Koaxkabel-Verteilungssystem ermöglicht gegenüber den heutigen
Mikrostreifenleitungs- und Triplate-Übertragungssystemen:
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a) einen reduzierten Bitversatz, d.i.
Taktimpuls-Zeitvariation,
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b) geringeres Rauschen bei hohen Taktfrequenzen (über
100 MHz),
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c) erhöhter Abstand zwischen elektrischen Funktionen
aufgrund geringerer Wellenformverzerrungen und
Rauschankopplung,
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d) Eliminierung von Geschwindigkeitsanpassungspuffern,
und
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e) Optimierung von Impedanzanpassungs-Kontaktstellen.
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Wenn ein optischer Taktgeber eingesetzt werden soll, wie z.B.
bei der vorliegenden Erfindung, würde eine praktische
Implementierung die Verteilung eines Taktimpulszugs auf jeden
Quadranten des MLC-Substrats bedeuten. Eine weitere
Taktaufteilung durch elektrische Netze innerhalb der einzelnen
Quadranten synchronisiert dann die logischen Operationen für
die Computerchips auf eine Maschinenzykluszeit.
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Bei der Datenbusanwendung müssen
Hochgeschwindigkeits-Datenbits zwischen Speicherstellen oder zwischen Datenspeicher und
Logikchips übermittelt werden. Diese Erfindung ermöglicht die
Verwendung von Koaxkabeln zum Zusammenschließen der Chips in
dichten Koaxkabelbündeln mit signifikant geringerer
Rauschankopplung als die herkömmliche gedruckte
Schaltkreisverdrahtung.
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Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere im Zusammenhang
mit einer spezifischen bevorzugten Ausführungsform
beschrieben; es ist jedoch offensichtlich, daß viele Alternativen,
Modifikationen und Variationen dem Fachmann im Licht der
vorstehenden Beschreibung ohne weiteres klar sind. Daher wird
vorausgesetzt, daß die als Anhang beiliegenden Ansprüche alle
solche Alternativen, Modifikationen und Variationen als in
den Bereich der vorliegenden Erfindung fallend beinhalten.