JPH0195538A - スルーホール構造 - Google Patents

スルーホール構造

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JPH0195538A
JPH0195538A JP25308987A JP25308987A JPH0195538A JP H0195538 A JPH0195538 A JP H0195538A JP 25308987 A JP25308987 A JP 25308987A JP 25308987 A JP25308987 A JP 25308987A JP H0195538 A JPH0195538 A JP H0195538A
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JP
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hole
layer wiring
wiring
wiring part
layer
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JP25308987A
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Yoshio Umemura
梅村 佳男
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、多層配線技術を利用した半導体装置のスル
ーホール構造に関する。
(従来の技術) 近年、種々の電子機器を構成する半導体装置は、当該製
雪の微細化及び高速処理を達成する目的で高密度化若し
くは高集積度化の度合を高めている。特に、半導体装N
を構成する配線ではリングラフィ技術の進歩に伴ない、
高密度配線への要求が高まっている。
この要求の実現に当り、配線を多層化する技術が広く用
いられており、現在では、2層乃至4層の多層配線構造
を以って半導体装置が構成されるに至っている。
上述した多層配線構造の主な構成成分として、各々の配
線層を構成する配線パターン、層間絶縁膜及びスルーホ
ールが挙げられ、夫々の構成成分につき、高密度配線を
実現するために種々の技術的課題が残されている。
これら構成成分の技術的課題のうち、スルーホールの機
能という観点に立てば、主として、半導体装置の信号系
回路成分としての役割と当該装冒の電源系回路成分とし
ての役割とが挙げられる。
まず、信号系回路成分としてのスルーホールでは、比較
的小電流として高周波信号を取り扱う場合が多い、これ
がため、例えば配線パターンと基板との間の浮遊容量を
少なくする必要が有り、配線パターンの幅と同様に寸法
の微細イヒを図ると共に、前述した低抵抗及び良好なオ
ーミック牲を得ることが重要となる。
一方、電源系回路成分としてのスルーホールは、比較的
大電流を取り扱う、これがため、低抵抗で良好なオーミ
ック性を有し、かつ電流の局部的集中を回避することに
より、信頼性の高い半導体装置が構成される。
以下、図面を参照して、電源系回路部分として機能する
従来のスルーホールの構造につき、−例を挙げて説明す
る。
第4図(A)は従来のスルーホールを説明するため、半
導体装置の要部を一部透視的に示す平面図、第4図(B
)は、第4図(A)中にn−nで示す部分の断面図であ
る。第4図(C)は第4図(A)に示すスルーホール部
分を拡大して示す要部平面図である。これら図中、11
は図示していない種々の半導体素子を形成した基板、1
3及び15は、夫々、半導体素子間を機能的に結合して
回路動作せしめるための第一層配置または第二層配線、
17は第−及び第二層配線を電気的に絶縁するための眉
間絶縁膜、19は当該間配線同士を電気的に接続するた
め眉間絶縁膜17に開孔されたスルーホール、21は上
述の第一層配置と第二層配線とが交差する交差部である
まず、第4図(A)及び(B)を参照して、スルーホー
ルを利用した多層配線の作製工程につき説明する。尚、
以下の説明の理解を容易とするため、半導体装置の製造
途中の構成成分をウェハとして包括的に表現するものと
する。
また、眉間絶縁膜を介して基板側の配線(下層配線に相
当する)を第一層配置、当該膜を介して基板とは反対側
の配線(上層配線に相当する)を第二層配線として説明
し、ざらに、スルーホールでの電流方向が第一層配置か
ら流れ込み、第二層配線から流出する場合につき説明す
る。
始めに、図示していない半導体素子を形成した基板11
の表面に、公知のりソグラフィ技術を用いて、設計に応
じた第一層配置13を形成する。
次1こ、上述したウェハの上側全面fこ層間絶縁s17
を堆積する。然る後、矩形形状(後述)のスルーホール
19ヲリソグラフイ技術により、半導体装置の設計に応
じた当該絶縁膜17の所定部分に開孔する。
続いて、上述したウェハに配線材料を堆積し、第一層配
置13と同様にして、第二層配線15を形成し、スルー
ホール19(こよって2層の多層配線構造を得る。即ち
、上述したスルーホール19を開孔する所定部分とは、
第一層配置13と第二層配線15とが基板11の表面に
平行な平面内で交差する交差部21内のいずれかの部分
となっている。
このような多層配線構造において、第一層配置13及び
第二層配線+51fr構成する配線材料としては、通常
、アルミニウム(晟)または種々のアルミニウム合金が
採用されるが、でれ以外にも高融点金属、不純物をドー
ピングした多結晶シリコン、金属珪化物、或いはこれら
を組み合わせた複合材料を用いることも有る。
また、層間絶縁膜+7!構成する絶縁材料は、シリコシ
の酸化物や富化物等が用いられる。
次に、第4図(A)及び(B)に示すスルーホールにつ
き、ざらに詳細に説明する。
従来、スルーホールを利用して構成した電源系回路の一
例として、高速度で論理動作を行なうE CL (Em
itter−Coupled Lo9ic:エミッター
結合論理)回路が知られている。この201回路をアル
ミニウムより成る配線により構成した場合、第一層配置
1A13と第二層配線15との間に上述したスルーホー
ルを介して、数十(mA)〜数百(mA)の電源電流を
流すこととなる。従って、第一層配置13、スルーホー
ル19及び第二層配線15は上述した大電流に対処する
べく、数十μm〜数百umの幅及び孔径を以って比較的
大きな寸法で構成し、電流密度の低減を図ることが必要
となる。換言すれば、通常の許容電流密度を約1 x 
10’(A/am’)以下に設定するため、上述した配
線パターンの幅及びスルーホールの配設面積を大きくす
る必要が有る。このように、交差部21において比較的
大きな配設面積を以って開孔するため、従来のスルーホ
ール19は、第一層装線13及び第二層配線15の中心
線I−I或いは中心線II−IIの各々に平行及び垂直
な輪郭を取って矩形形状1こ配設される(第4図(A)
参照)。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、従来のスルーホール構造では局部的な電
流集中を生じ、ボイドやヒ口・ンクといった、所謂、エ
レクトロマイグレーションが発生するという問題が有っ
た。
以下、図面を参照して、上述の電流集中につき詳細に説
明する。
第4図(C)は第4図(A)及び(B)により説明した
スルーホールを拡大して示す要部平面図である。
まず、第4図(C)からも理解できるように、第一層装
線13及び第二層配[15の交差部21を画定し、かつ
各配線を横切る線分を、夫々、x−x’或いはY−Y’
 とする、ここで、第一層装線13上であり、かつ図示
のx−x’上にスルーホール19の端部に相当するA1
及び43%取り、これらAt及びA3の間の中点をA2
とする。このようなA、〜A3の各点を通って、スルー
ホール19を経由し、第二層配線15上のY−Y’ に
至る電流経路を考えれば、Y−’/’上に図示する点B
で夫々の経路が最小の距離となる。また、これら3つの
経路の長さを比較した場合、x−x’及びY−Y’から
スルーホールへの距Mをaまたはす、さらに、x−x’
 に沿ったスルーホール19の長さをdとすれば、夫々
の経路の長さはA3 B=a+b となる、この間係からも理解できるように、夫々の経路
の長さの間には、π「1〉π2B>に71の間係が成り
立つ。従って、上述した経路のうち、A3Bで最短距離
となって最も低い抵抗値が与えられ、当該経路に係るス
ルーホール19の端部が電流集中点23に成ると考えら
れる。
実際に、このような従来のスルーホール構造によって構
成した半導体装置では、上述の電流集中点23の部分に
前述のボイド及びヒロックを生じる頻度が高く、許容電
流密度を考慮して装置(回路)を設計した場合であって
も、一定時間の経過後、エレクトロマイグレーションが
発生し、配線不良を来たすという問題点が有った。
さらに、配線不良に至らないまでも、前述の電流集中点
による電流密度の偏在を予め見込んで、配線構造の設計
に余裕を持たせる配慮が必要で有った。
この発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、スル
ーホールでの電流集中による影響を軽減し得るスルーホ
ール構造を提供し、以って配線不良が少なく信頼性の高
い半導体装Mを提供することに有る。
(問題点を解決するための手段) この目的の達成を図るため、この発明のスルーホール構
造によれば、 互いに眉間絶縁膜を介しで設けられた第一層装線と第二
層配線との交差部の眉間絶縁膜に開孔されがスルーホー
ルの構造において、 平面的に見た場合のスルーホールの満たす要件として、 ■上述した第一層装線の中心線と第二層配線の中心線と
の交点を頂点とし当該筒−及び第二層配線の2つの中心
線を二短辺とする二等辺三角形の底辺に平行な線分を含
む面を壁面とする。
■上述の壁面を含むスルーホールが、当該壁面によって
隔てられた場合、電流の流れ込む上述の第一層装線及び
電流の流出する第二層配線とは反対側に延在するように
形成される ことを特徴としている。
(作用) この発明のスルーホール構造によれば、上述の構成とす
ることにより、一方の配線側からスルーホールの壁面に
至る距離と、他方の配線側から当該壁面に至る距離との
和が、常にほぼ一定となる。従って、従来のスルーホー
ル構造では上述の和が成る最小値を与え、電流集中点が
形成されていたのに対して、この発明の構造では、上述
した壁面の端部に電流集中点が分散する構成と成してい
る。
(実施例) 以下、図面を参照して、この発明のスルーホール構造の
実施例につき説明する。尚、以下説明lこ供する図面は
、説明の理解が客、易となる程度に概略的に示しである
に過ぎず、この発明は、これら図示例にのみ限定される
ものではない、また、以下の説明においては、この発明
のスルーホール構造の平面形状についてのみ図示し、断
面形状については省略するものとする。
11叉蓬1 第1図(A)は、第1実施例を説明するため、第4図(
C)と同様な要部平面により示す説明図である0図中、
既に説明した構成成分と同一の機能を有する構成成分に
ついては、同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略
する。さらに、以下の説明に供する平面図においては説
明の理解を容易とするため、スルーホール部分にハツチ
ングを付して示す。
この第1実施例では、互いに幅の等しい第一層装線13
と第二層配線15とが交差部21で直角に交差し、かつ
夫々の配線は交差部21ヲ中心として、電流の流入また
は流出する方向にのみ延在する「L字形状」の場合につ
き説明する。
まず、第一層装線13の中心線I−Iと第二層配S!!
+5の中心線■−■との交点P+’a頂点とし、かつ当
該両中心線を二短辺とする直角二等辺三角形25aを考
える。さらに、従来技術として既に説明したように、ス
ルーホールの配設面積をできるだけ大きく取れば許容電
流を大きく取ることができる。これがため、上述した三
角形25aの底辺27aが、交差部21内で最も大きな
線分と成るように、中心線の交点P、と一致する位雪ま
で平行移動させ、線分29aとする。
この線分29aを含み、かつ眉間絶縁膜19(図示省略
)の延在方向とは垂直な面として壁面31at設定する
以下、上述の壁面31aに関し、第4図(C)を参照し
て説明した場合と同様lこして、電流集中点につき考え
ることとする。
第1図(A)に示すように、第一層配!!13及び第二
層配線15の交差部21を画定し、かつ各配線を横切る
線分を、夫々、x−x”或いはY−Y’とする。ここで
、前述した壁面31aの端部をり。
及びD2とし、 D、P、=02ρ1 とする、これらD+、P+及びD2から、上述のx−x
’またはY−Y’におろした垂線の足を、夫々へ1〜A
3或いはB、〜B3とする。さら1こ、このA、A3及
びBias、即ち、壁面31aが配線13及び15にお
いて占める幅をd、AI D。
または83D2の夫々の距Mをaとする。
このように定めた各点を通過する電流経路を考えた場合
、 となる。ここで、第1図(A)からも理解できるように
、この3つの電流経路以外であり、上述した壁面31a
上の点を通る何れの経路であっても距離は等しくなる。
また、ざらに述べれば、このような電流経路の関係は図
示例にのみ限定して認められるものではなく、交差部2
1内であり、かつ上述した壁面31aに平行な面であれ
ば、上述と同様な関係を満足し得ること明らかである。
上述した説明からも明らかなように、上述の壁面31a
@画定する線分29aが、夫々の配線13及び15から
の最短距離となるようにスルーホール33aを開孔すれ
ば、第4図(C)で説明したような局部的な電流集中点
23を実質的に解消することが可能である。
従って、上述の壁面を含むスルーホールが当該壁面31
aj!含んで形成する場合、電流の流れ込む上述の第一
層装線13及び電流の流出する第二層配線15とは反対
側に延在するように形成されるならば、線分29a(ま
たは壁面31a)上の点の何れもが電流集中点として作
用し、局部的な電流集中を回避することができる。
このような壁面31a!含む面により画成されるスルー
ホールの一例としで、第1図(A)中に斜線を付して示
すように平面形状が直角二等辺三角形となるスルーホー
ル338!形成した場合、実質的に電流集中点が解消し
、配線不良の頻度を低下させることができた。換言すれ
ば、この発明のスルーホール構造を適用することにより
、配線材料に固宵の許容電流密度に近い値として、設計
電流密度を設定しても配線不良を回避することができ、
半導体製雪の設計上の制約を低減させることができる。
11夫流あ 次に、第1図(B)に示す要部平面図を参照して第2実
施例につき説明する。
この第2寅施例では、互いに幅の等しい第一層装線13
と第二層配線15とが交差部21で直角に交差し、かつ
交差部21ヲ中心として第二層配線15が両側に延在す
る、「丁字形状」を成す配線構造に適用した場合につき
説明する。
まず、第1実施例と同様に、第一層装線13の中心線I
−Iと第二層配線15の中心線■−■との交点P2を頂
点とし、がつ当該両中心線を二短辺とする直角二等辺三
角形を考える。この丁字形状の配wjAljlI造にお
ける電流の経路を考えれば、2つの流入路及び1つの流
出路、または1つの流入路及び2つの流出路が考えられ
る。これがため、第1寅施例で説明した直角二等辺二角
形25aと同様な三角形は、第1図(B)に示すように
、中心線の交点P2を頂点とする直角二等辺三角形25
b及び25cの2つが考えられる。この三角形25t)
及び25cの、夫々の底辺27b及び27cを前述と同
様に平行移動させた線分29b及び29cから、壁面3
1b及び31cが設定される。この2つの壁面31b及
び31cに基づいて、当該面31b及び31cを画定す
る線分29b及び29cが、配線13及び夫々の側での
配SH5からの最短距離となるようにスルーホール33
bf?開孔する。
上述した説明及び第1図(B)からも理解できるように
、この発明のスルーホール構造を1字形状の配線構造に
適用した場合には、第1実施例で説明したL字形状の場
合の構造を2箇所に適用してスルーホール33bを設定
することとなる。
11太1旦 次に、第1図(C)に示す要部平面図を参照して第3実
施例につき説明する。
この第3実施例では、互いに幅の等しい第一層装線13
と第二層配線15とが交差部21で直角に交差し、かつ
交差部21を中心として第一層装線13と第二層配線1
5とが両側に延在する、「十字形状」・ を成す配線構
造に適用した場合につき説明する。
まず、第1及び第2実施例と同様に、第一層配M!13
の中心線I−Iと第二層配線15の中心線■−■との交
点P3を頂点とし、かつ当該両中心線を二短辺とする直
角二等辺三角形を考える。
この十字形状の配線構造における電流の経路は、第一層
装線13が2つの流入路であり、かつ第二層配線15が
2つの流出路となる場合、または第一層装線13が2つ
の流出路であり、かつ第二層配線15が2つの流入路と
なる場合とが考えられる。これがため、第1実施例で説
明した直角二等辺三角形25aと同様な三角形は、第1
図(C)に示すように、中心線の交点P3を頂点とする
直角二等辺三角形25d〜259の合計4つが考えられ
る。この三角形25d〜259に対応する夫々の底辺2
76〜279を前述と同様に平行移動させた線分29d
〜299から、壁面316〜319が設定される。これ
ら4つの壁面31d〜319に基づいて、線分29d〜
299が、夫々の側の、配線13及び15からの最短距
離となるようにスルーホール33cを開孔する。
上述した説明及び菓1図(C)からも理解できるように
、この発明のスルーホール構造を十字形状の配線構造に
適用した場合には、第1実施例で説明したL字形状の場
合の構造を4箇所に適用してスルーホール33G!設定
することとなる。
以上、L、T及び十字形状にわけで、互いに幅の等しい
第一層装線13と第二層配線15とが交差部21で直角
に交差する場合の配線構造につき、第1〜第3実施例と
して説明した。しかしながら、この発明のスルーホール
構造は上述した配線構造の場合にのみ限定して実施され
るものではない。
以下、図面を参照して、他の実施例につき簡単に説明す
る。
俺曵叉1あ まず始めに、互いに幅の等しい第一層装線13と第二層
配5I115との交差部21で、これら2つの配線が所
定の角度θを以って交差する場合につき、L、T、及び
X字形状の夫々に対応して第2図(A)〜(C)の順で
第1図(A)〜(C)と同様に示す。
これら図からも理解できるように、所定の角度θを以っ
て配線同士が交差する場合では、頂角がθ(0°〈θ<
180°)となる二等辺三角形の組み合わせでスルーホ
ールが構成される。ここで、上述の角度θは、中心線I
−I及び■−■が交点で成す角度のうち、電流の流入路
及び流出路としての配線と同じ側の角度として説明する
こととする。
例えば第2図(A)に示すように、第一層装線13と第
二層配線15とが交点P4でL字形状を以って交差する
場合には、当該点P、tr頂点とする二等辺三角形25
h及び底辺27hヲ求め、これに基づいて線分29h及
び壁面31ha設定し、スルーホール33dを開孔する
また、上述と同様に、1字形状の配線構造の場合には、
交点P8を頂点とし、頂角をθとする二等辺三角形25
iと、頂角が図示例において(180°−θ)となる二
等辺三角形25j、及びこれらに対応する底辺27iと
底辺27jとを求める。然る後、当該辺27i及び27
jから、線分29iと線分29j、及び壁面31iと壁
面31jを求め、第2図(B)に示すようなスルーホー
ル33eが形成される。
ざらに、第一層装線13と第二層配線15とが角度θで
X字形状を以って交差する場合にも、同様にして、第2
図(C)に示すようなスルーホール33fが設定される
以上、この発明の実施例につき、詳細に説明したが、こ
の発明のスルーホール構造は、上述した実施例にのみ限
定して実施するものではないこと明らかである。夫々の
実施例では、互いに幅の等しい配線同士が直角または所
定の角度θを以って交差する場合(ごつき説明した。
しかしながら、例えば、第1図(A)及び第2図(A)
に対応して示す第3図(A)から理解できるように、交
差する配線の幅が異なる場合のスルーホール339でも
、上述と同様な効果を得ることができる。
ざらに、この発明のスルーホール構造は、二等辺三角形
の組み合わせによってのみ効果が得られるものではなく
、少なくとも、前述した条件を満足する壁面を含め(シ
、例えば第3図(B)に示すような半円形のスルーホー
ル33h、または二等辺三角形以外の二角形、四辺形の
ような種々の多角形として設計することができる。この
ような場合には、比較的大きなスルーホールの配設面積
を取ることが可能である。
これら形状、配置lfm係、寸法、及びその他の条件は
、この発明の目的の範囲内で、任意好適な設計の変更及
び変形を行ない得ること明らかである。
(発明の効果) 上述した説明からも明らかなように、この発明のスルー
ホール構造によれば、上述した構成とすることにより、
一方の配線側からスルーホールの壁面に至る距離と、他
方の配線側から当該壁面に至る距離との和が一定となる
。これがため、スルーホールの端部における電流集中点
が分散する構成と成している。
従って、例えば電源系回路に利用するスルーホールでの
電流集中による影wIt軽減し得るスルーホール構造を
提供することができ、以って配線不良が少なく信頼性の
高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)〜(C)は、この発明のスルーホール構造
の実施例を説明するため、スルーホールの要部平面によ
り示す説明図、 第2図(A)〜(C)と第3図(A)及び(B)とは、
他の実施例の説明に供するため、スルーホールの要部平
面により示す説明図、第4図(A)〜(C)は従来技術
の説明図である。 11・・・・基板、13・・・・第一層装線15・・・
・第二層配線、17・・・・層間絶縁膜19、33a〜
33h・・・・スルーホール、21・・・・交差部23
・・・・電流集中点 25a〜259・・・・直角二等辺三角形25h〜25
j・・・・二等辺三角形 2?a〜27j・・・・底辺、29a〜29n・・・・
線分31a〜31n・・・・壁面 I−I、ll−11・・・・配線の中心線P1〜P6・
・・・中心線の交点。 (A) 13  第一層装線                
 ■−15−M二層配線 21  交差部                  
  d25a〜25c  直角二等辺三角形 27a〜27c  底辺 29a〜29c・線分 31a〜31c、壁面 33a、33b  スルーホール I−I、II −II :中心線          
    (B)X−X、Y−Y:交差部を画定する線 A、〜Am : X−X上の点 B、〜B3・Y−Y上の点             
   ■−PI、P2・中心線の交点 り7.D2 :壁面の端部 a スル−ホールとX−X及びY−Yへの距離d、スル
ーホールの幅 斗 第1図 −日 11N ロコ 11ζ く \ユノ ロコ 手続ネ甫工E1( 昭和63年9月26日 2発明の名称 スルーホール構造 3補正をする者 事件との関係  特許出願人 住所(〒−105) 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 名称(029)沖電気工業株式会社 代表者 小村 偏光 4代理人 〒170   ffi (988)5563
住所 東京都豊島区東池袋1丁目20番地56補正の対
象 (1)図面の第1図(A)!添付の訂正図の通り訂正す
る。 13:第一層装線 15:第二層配線 21:交差部 25a〜25c:直角二等辺三角形 31a〜31c:壁面 33a、33b ニスルーホール I−I、II − II :中心線 X−X’ 、Y−Y’  :交差部を画定する線A1〜
A:+:X−X“上の点 81〜B3:Y−Y’上の点 PI、P2:中心線の交点 D+ 、D2 :壁面の端部 aニスルーホールとx−x’及びY−Y’への距離dニ
スルーホールの幅 第1図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)互いに層間絶縁膜を介して設けられた第一層配線
    と第二層配線との交差部の層間絶縁膜に形成されたスル
    ーホールの構造において、 前記スルーホールが、 前記第一層配線の中心線と第二層配線の中心線との交点
    を頂点とし前記両中心線を二短辺とする二等辺三角形の
    底辺に平行な線分を含む面を壁面として具え、かつ前記
    壁面に対して、電流が流れ込む前記第一層配線及び電流
    が流出する前記第二層配線とは反対側に形成されて成る ことを特徴とするスルーホール構造。
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