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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Widerstände für elektronische
Einrichtungen. Im besonderen handelt es sich bei der Erfindung um
eine Gruppe impedanzangepasster oder abschließender Widerstände, die
unter Verwendung kugelförmiger
Lötverbindungen
in einem Netzwerk oder einer Anordnungsstruktur mit hoher Dichte
montiert sind und rauscharme Eigenschaften aufweisen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Widerstandsnetzwerke
werden im allgemeinen verwendet, um digitale Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen abzuschließen und
unerwünschte
Reflektionen durch die Übertragungsstruktur
zu minimieren, bei welcher es sich üblicherweise um eine Leiterplatte
handelt. Bei den meisten Anwendungen werden die Abschlüsse hergestellt,
indem ein der Impedanz der Übertragungsleitung
angepasster Widerstand an dem Ende der Übertragungsleitung platziert
wird. Ein Ende des Widerstandes ist mit einer gemeinsamen Abschlussspannung
und das andere Ende mit der Signalleitung verbunden. Bei diesen
Anwendungen ist ein busverbundenes Widerstandsnetzwerk eine geeignete
Lösung,
da ein Ende des Abschlusses von allen Signalleitungen gemeinsam
genutzt wird.
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Herkömmliche
Schaltungen von Widerstandsnetzwerken, einschließlich oberflächenmontierter
Schaltungen, SIP- und DIP-Versionen, weisen Widerstands- und Leiteranordnungen
auf, bei denen individuelle Leitungen über die gleiche Distanz in dem
Netzwerk verlaufen, bevor sie an einem gemeinsamen Punkt zusammengefasst
werden. Dies ist nötig,
da alle externen Widerstandsnetzwerk-Verbindungen an der Peripherie
des Bauteils umgesetzt werden und ein Leiter von der Peripherie
des Bauteils zu dem einzelnen Widerstand verlaufen muss. Die übermäßige Länge der
Leitungen verursacht bei jedem Widerstands/Leiter-Paar eine höhere wechselseitige
Induktanz bzw. Induktivität
zwischen benachbarten Widerstands/Leiter-Paaren und führt zu signifikanten Übersprech-Geräuschen,
die zwischen den Widerstands/Leiter-Paaren gekoppelt werden, wenn das
Widerstandsnetzwerk für
seinen üblichen
Zweck als Abschlusswiderstand oder Impedanzanpassung zur simultanen
Schaltung von Transistoren in einem elektronischen Gerät eingesetzt
wird. Da die Transistordichte sowie die Geschwindigkeit von Halbleiterbauelementen
zunimmt, wird auch das Problem des Übersprechens, das ein fehlerhaftes
Signal erzeugt, immer mehr zu einem Problem in allen Bereichen von Elektronikeinheiten
und muss bei der Konstruktion von Elektronikbauteilen berücksichtigt
werden. Zudem kann bei hohen Frequenzen die hohe Induktanz der gemeinsamen
Abschlussleitungen dazu führen, dass
an dem Ende der Übertragungsleitung
eine hohe Impedanz auftritt.
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Trotz
der Vorteile jeden Typs von Widerstandsnetzwerken nach Stand der
Technik wurden bisher noch keine Widerstandsnetzwerke auf einfache
oder wirtschaftliche Art und Weise hergestellt, die eine hohe Dichte
an Verbindungen pro Einheitsfläche
auf einer Leiterplatte aufweisen. Dazu kommt, dass durch die Bereitstellung
elektrischer Verbindungen lediglich an der Peripherie des Widerstandsnetzwerks
die elektrischen Leitungen am Rand des Bauteils dicht gedrängt sind,
wogegen die Fläche
im Inneren des Bauteils für
elektrische Verbindungen ungenutzt bleibt.
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Es
besteht folglich ein seit längerem
bekannter und bisher nicht gedeckter Bedarf an einem Widerstandsnetzwerk
mit größerer Dichte,
geringem Übersprechen
und verbesserter Signalintegrität.
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BESCHREIBUNG DES STANDES
DER TECHNIK
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Im
Folgenden sind Beispiele von Patenten aufgeführt, welche die vorliegende
Erfindung betreffen, wobei jedes Patent mit Bezug auf die entsprechenden
Lehren hierin eingeschlossen ist.
- US-Patent Nr. 4,945,399
betrifft eine Elektronikeinheit mit integrierten, verteilten Entkopplungskondensatoren.
- US-Patent Nr. 5,557,502 betrifft eine BGA-Einheit.
- US-Patent Nr. 4,300,115 betrifft einen mehrschichtigen Durchkontaktierungs-Widerstand.
- US-Patent Nr. 4,658,234 betrifft ein Widerstandsnetzwerk.
- US-Patent Nr. 5,821,619 betrifft ein vollkeramisches, oberflächenmontierbares
SIP- und DIP-Netzwerk
mit Abstandhaltern und Löt-Sperrschichten.
- US-Patent Nr. 5,379,190 betrifft ein elektronisches Verbund-Chipbauelement
sowie ein Herstellungsverfahren.
- US-Patent Nr. 4,332,341 betrifft die Herstellung von Schaltungsbausteinen
mit Hilfe von Festphasen-Löten.
- US-Patent Nr. 5,539,186 betrifft ein temperaturgesteuertes,
mehrschichtiges Modul.
- US-Patent Nr. 5,216,404 betrifft einen SIC-Dünnschichtthermistor.
- US-Patent Nr. 4,654,628 betrifft eine Widerstandsnetzwerkseinheit.
- US-Patent Nr. 5,661,450 betrifft eine induktionsarme Abschlusswiderstandsanordnung
umfassend kreisförmige
Widerstände,
wobei jeder eine zentrale Durchkontaktierung in seinem Zentrum aufweist
sowie eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, die durch einen gemeinsamen
Leiter mit den Peripherien aller Widerstände verbunden sind.
- US-Patent Nr. 5,729,438 betrifft eine Block-Anordnung für beispielsweise
Widerstände,
in welcher die jeweiligen Enden aller Widerstände mit einem oder dem anderen
von zwei verschiedenen gemeinsamen Durchkontaktierungen verbunden
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein Widerstandsnetzwerk
zum Abschließen
aktiver, elektronischer Einrichtungen bereitzustellen, das sich
durch geringes Übersprechen
zwischen den benachbarten Widerständen und den Leitern auszeichnet,
welche die Widerstände
mit anderen Elektronikeinheiten verbinden. Im Speziellen sind ein
Substrat, mehrere Widerstände,
Leiter und Durchkontaktierungen in einer Konfiguration angeordnet,
um Übersprech-Geräusche zu
minimieren. Zum Verbinden der Widerstände mit anderen elektronischen Schaltelementen
wie zum Beispiel einer Leiterplatte werden Lötkugeln verwendet.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein Widerstandsnetzwerk
mit geringem Übersprechen
gemäß Anspruch
1 bereitzustellen. Das Netzwerk umfasst ein Substrat mit einer ersten
Oberfläche
und einer zweiten Oberfläche.
Eine Vielzahl von Widerständen
ist an der ersten Oberfläche
angeordnet, wobei jeder Widerstand ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist. Eine gemeinsame Durchkontaktierung erstreckt sich
durch das Substrat. Eine Vielzahl erster Durchkontaktierungen erstreckt
sich durch das Substrat und ist mit dem jeweils ersten Ende eines
Widerstandes verbunden. Ein gemeinsamer Leiter ist zwischen der
gemeinsamen Durchkontaktierung und dem zweiten Ende eines jeden
Widerstandes verbunden, wobei der gemeinsame Leiter eine Sternform
aufweist. Eine Vielzahl von Lötkugeln ist
an der zweiten Oberfläche
angeordnet und mit der gemeinsamen Durchkontaktierung und den ersten Durchkontaktierungen
verbunden. Das Netzwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass an jeder
Spitze der Sternform des gemeinsamen Leiters einer der Vielzahl
von Widerständen
angeordnet ist.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abdeckschicht bereitzustellen,
die sich über die
Leiter und Widerstände
erstreckt.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, dass der gemeinsame Leiter
mit einer Sternform vorgesehen ist, wodurch die Induktanz des gemeinsamen
Leiters minimiert wird.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, dass eine gemeinsame
Durchkontaktierung nahe des Zentrums der Sternform vorgesehen ist.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
des Widerstandsnetzwerks nach Anspruch 3 bereitzustellen, wie in
den vorhergehenden Paragraphen definiert.
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Hiermit
wurden nun in relativ groben Zügen die
wichtigsten Merkmale der vorliegenden Erfindung umrissen, so dass
die nachfolgende, detaillierte Beschreibung leichter verständlich wird
und so dass es einfacher wird, den vorliegenden Beitrag zum Fachgebiet
zu würdigen.
Selbstverständlich
umfasst die Erfindung weitere Merkmale, die nachstehend beschrieben
werden und den Gegenstand der angehängten Ansprüche darstellen. Ein Fachmann
wird anerkennen, dass die bevorzugte Ausführung ohne weiteres als Basis
zum Entwurf anderer Strukturen, Verfahren und Systeme dienen kann,
um die verschiedenen Ziele der vorliegenden Erfindung auszuführen, die
in den Anwendungsbereich der angehängten Ansprüche fallen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Teildraufsicht des BGA("ball grid
array")-Widerstandsnetzwerks
mit geringem Übersprechen,
bei dem ein Teil der Abdeckschicht entfernt ist.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung von 1 entlang
der Linie 2-2.
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3 ist
eine perspektivische Querschnittsdarstellung von 1 entlang
der Linie 3-3.
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4 ist
ein Schaltbild des Widerstandsnetzwerks aus 1.
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Es
sei angemerkt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht maßstabsgetreu
sind. Die Zeichnungen sind lediglich schematische Darstellungen
und nicht dazu gedacht, spezifische Parameter der Erfindung wiederzugeben.
Die Zeichnungen sollen lediglich repräsentative Ausführungen
der Erfindung abbilden und sollten daher nicht als einschränkend für den Anwendungsbereich
der Erfindung aufgefasst werden. Die Erfindung wird anhand der begleitenden Zeichnungen
mit zusätzlichen
Einzelheiten und Details beschrieben. Die Beschreibung der Erfindung kann
beispielsweise anschauliche Begriffe wie oben, unten, obere Fläche, untere
Fläche,
rechts oder links enthalten. Diese Begriffe dienen einer allgemeinen [Orientierung].
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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In
den 1 und 2 ist eine Baugruppe eines Widerstandsnetzwerks
mit geringem Übersprechen 10 dargestellt.
Im Besonderen weist die Widerstandsnetzwerks-Baugruppe 10 ein
planares Substrat 11 auf, das eine obere Fläche 12 und
eine untere Fläche 13 umfasst.
Das Substrat 11 besteht vorzugsweise aus einem keramischen
Material wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Widerstände 14 werden auf
der oberen Fläche 12 mit
Hilfe herkömmlicher
Dickschichtwiderstands-Verfahrenstechniken angeordnet und angepasst.
Die Widerstände 14 weisen
ein erstes Ende 15 und ein zweites Ende 17 auf.
Obere Leiter 16 werden an der oberen Fläche 12 und untere Leiter 21 werden
an der unteren Fläche 13 mit
Hilfe herkömmlicher
Dickschichtleiter-Verfahrenstechniken angeordnet. Die Leiter 16 sind
mit dem ersten Ende 15 der Widerstände 14 elektrisch
verbunden. Die Leiter 16 und die Widerstände 14 überlappen
etwas und verschmelzen während
des Verarbeitungsprozesses, um eine mechanische und elektrische Verbindung
zu bilden.
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Ein
oberer gemeinsamer Leiter 20 befindet sich an der oberen
Fläche 12 und
ist elektrisch mit dem zweiten Widerstandsende 17 verbunden.
Ein unterer Leiter 23 befindet sich an der unteren Fläche 13.
In dem keramischen Substrat 11 sind zylindrische Durchkontaktierungen 18 ausgebildet,
die sich durch das Substrat 11 erstrecken und mit einer
leitenden Durchkontaktierungs-Füllung 19 gefüllt sind.
In ähnlicher
Weise erstreckt sich eine gemeinsame Durchkontaktierung 22 durch
das Substrat 11 und ist mit einer gemeinsamen, leitenden
Durchkontaktierungs-Füllung 24 gefüllt. Bei
dem Material der Durchkontaktierungs-Füllungen
handelt es sich um einen herkömmlichen
Dickschichtleiter, der in die Durchkontaktierungen eingebracht und
gebrannt wird. Die Durchkontaktierungs-Füllung 19 bildet eine
elektrische Verbindung zwischen den oberen und unteren Leitern 16 und 21.
Die gemeinsame Durchkontaktierungs-Füllung 24 bildet eine
elektrische Verbindung zwischen den gemeinsamen oberen und unteren
Leitern 20 und 23. Lötkugeln 28 werden
mechanisch und elektrisch mit den unteren Leitern 21 und 23 verbunden.
Die Lötkugeln
bestehen aus 10% Zinn und 90% Blei und sind im Handel bei der Alpha
Metals Corporation erhältlich.
Die Lötkugeln 28 werden
mit den Leitern 21 und 23 mit Hilfe einer Reflow-Lötpaste 29 befestigt.
Die Reflow-Lötpaste besteht
zu 63% aus Blei und zu 37% aus Zinn, das einen niedrigen Schmelzpunkt
aufweist. Eine Abschlussspannung wird an der gemeinsamen Durchkontaktierung 22 durch
die Kugel 28 angelegt, wo die Kugel 28 mit einem
externen Schaltkreis wie zum Beispiel einer Leiterplatte verbunden
ist. Eine Abdeckschicht 26 wird über den Widerständen, den
Leitern und dem gemeinsamen Leiter platziert, um das Widerstandsnetzwerk
vor Korrosion und Abriebverschleiß zu schützen.
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Der
obere gemeinsame Leiter 20 weist eine Sternform auf und
die gemeinsame Durchkontaktierung 22 ist im allgemeinen
nahe des Zentrums der Sternform vorgesehen. Die Sternform des oberen
gemeinsamen Leiters 23 weist eine kurze gemeinsame Verbindung
mit der Abschlussspannung auf, die mit der Lötkugel 28 durch die
Durchkontaktierung 22 verbunden ist und minimiert die Induktanz
des gemeinsamen Leiters 23, wodurch Übersprech-Geräusche zwischen
den Widerstands/Leiter-Paaren minimiert werden.
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3 zeigt
eine perspektivische Querschnittsdarstellung von 1 entlang
der Linie 3-3, wobei die Abdeckschicht 26 entfernt ist.
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4 zeigt
ein Schaltbild der Widerstandsnetzwerks-Baugruppe 10. Die
Widerstände 14 sind durch
die Abschlüsse 30 mit
den einzelnen Signalleitungen verbunden, die abgeschlossen werden
sollen. Der gemeinsame Abschluss 32 ist mit einer Abschlussspannung
der Größe +V verbunden.
Der Wert des Widerstands 14 wird so gewählt, dass er zu dem Impedanzwert
der abzuschließenden
Signalleitung passt.
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Die
Widerstandsnetzwerks-Baugruppe 10 wird nach folgendem Arbeitsablauf
montiert:
- 1. Aufbringen der Durchkontaktierungs-Füllung 19 und 24 in
die Durchkontaktierungen 18 und 22 des Substrats 11.
- 2. Brennen im Ofen.
- 3. Aufbringen der Leiter 16 und 20 auf der
oberen Fläche 12
- 4. Brennen im Ofen.
- 5. Aufbringen der Leiter 21 und 23 auf der
unteren Fläche 13
- 6. Brennen im Ofen.
- 7. Aufbringen der Widerstände 14 auf
der oberen Fläche 12.
- 8. Brennen im Ofen.
- 9. Lasertrimmen der Widerstände 14 auf
den geeigneten Widerstandswert.
- 10. Aufbringen und Aushärten
der Abdeckschicht 26.
- 11. Aufbringen der Lötpaste 29 auf
die Leiter 21 und 23.
- 12. Aufbringen der Lötpaste 28 auf
die Leiter 21 und 23.
- 13. Aufschmelzen der Lötpaste 29,
um die Kugeln 28 und die Leiter 21 und 23 zu
verbinden.
- 14. Prüfen
der Baugruppe 10.
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VARIATIONEN DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNG(EN)
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Fachleute
auf dem Gebiet der Widerstandsherstellung werden erkennen, dass
es viele verschiedene Möglichkeiten
gibt, die bevorzugte Ausführung umzusetzen.
So ist es zum Beispiel zwar vorgesehen, das Substrat 14 aus
Keramik herzustellen, doch können
auch andere geeignete Materialien eingesetzt werden wie beispielsweise
Polyamid oder FR4. Diese Materialien würden ein anderes Widerstandssystem
erfordern. Weiterhin war zwar nur eine Gruppe von 8 Widerständen 14 auf
dem Substrat 11 dargestellt, doch könnte auch eine größere oder
geringere Anzahl an Widerständen 14 mit
der gemeinsamen Durchkontaktierung 22 verbunden sein. Auf
einem Substrat 11 kann mehr als eine Gruppe eines Widerstandsnetzwerks 10 platziert
werden.
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Es
ist außerdem
möglich,
andere elektrische Verbindungen durch das Substrat zu verwirklichen als
Leiter-gefüllte
Durchkontaktierungen. Anstelle der Durchkontaktierungsfüllung 19 und 24 können auch Kupfer-
oder Metallsteckverbindungen verwendet werden.
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Auch
wenn in der vorliegenden Patentschrift der gemeinsame Leiter 20 mit
einer Sternform dargestellt ist, können genauso weitere Sternformen
in Betracht gezogen werden wie zum Beispiel ein Stern mit zwischen
2 bis 100 Spitzen. In der Patentbeschreibung ist die gemeinsame
Durchkontaktierung 22 nahe dem Zentrum der Sternform dargestellt.
Genauso gut kann die gemeinsame Durchkontaktierung 22 an
anderen Stellen platziert werden, wie zum Beispiel nahe dem Rand
des gemeinsamen Leiters 20.
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In
der Beschreibung ist die Widerstandsnetzwerks-Baugruppe 10 mit
einer Abdeckschicht 26 dargestellt. Die Abdeckschicht kann
jedoch auch weggelassen werden.
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Eine
weitere Variation der bevorzugten Ausführung ist die Verwendung anderer
Arten von Löt-Vorformen anstelle
von Lötkugeln 28.
So können zum
Beispiel auch Lötringe,
-draht oder Lötmittel
mit quadratischer Form verwendet werden. Weiterhin können als
Lötmittel
auch andere Materialien als die 10/90 Zinn-Blei-Legierung verwendet
werden. Zum Beispiel könnte
ein Gemisch aus Zinn/Indium oder Zinn/Wismut eingesetzt werden,
wenn ein niedrigerer Schmelzpunkt des Lötmittels erwünscht ist.
Ein Gemisch aus Zinn/Silber oder Zinn/Antimon könnte verwendet werden, wenn
ein Lötmittel
mit höherem Schmelzpunkt
erwünscht
ist.
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Weiterhin
könnten
die in der Patentschrift dargestellten Schritte des Arbeitsablaufes
modifiziert werden, um das gleiche Endergebnis zu erzielen. Zum
Beispiel könnten
die Widerstände 14 vor
den Leitern 16 und 20 platziert werden, oder das
Aufbringen der unteren Leiter 21 und 23 könnte weggelassen
werden und die Lötkugeln 28 könnten im
Reflowverfahren direkt auf das Durchkontaktierungs-Füllmaterial 19 und 24 gelötet werden.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung speziell unter Bezug auf diese Ausführungen
dargelegt wurde, werden Fachleute erkennen, dass Änderungen
hinsichtlich Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne
dadurch vom Anwendungsbereich der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert,
abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in jeder
Hinsicht als lediglich illustrativ und keinesfalls einschränkend zu betrachten.