МНОГОСЛОЙНАЯ КОММУТАЦИОННАЯ ПЛАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H05K1/02 H05K1/14 H05K3/34 H05K3/36 H05K3/42 H05K3/46 H05K13/04 H01L21/60 H01L21/70 

Изобретение относится к разработке и производству аппаратуры на основе изделий микроэлектроники и полупроводниковых приборов и может быть широко использовано в производстве многослойных коммутационных плат. Изобретение направлено на снижение трудоемкости и себестоимости изготовления многослойных плат при увеличении плотности разводки проводников и снижении количества коммутационных слоев. Особенно перспективным предполагается применение данного изобретения в производстве коммутационных печатных плат для массовой электронной аппаратуры с высокими удельными характеристиками в виде многокристальных модулей (МКМ).

Известна многослойная плата на основе глиноземной керамики, содержащая чередующиеся керамические слои, на поверхности которых сформированы проводники путем нанесения и вжигания проводящей пасты. Проводники смежных слоев связаны друг с другом через посредство отверстий в керамических слоях, заполняемых проводящей пастой, которая после термообработки образует контактные узлы для соединения проводников, размещенных на поверхностях смежных слоев в соответствии с конкретной схемой коммутации (авторское свидетельство СССР N 1443781, кл. 6 H 05 K 3/46, 1987 г.).

Достоинством керамических многослойных плат является групповой характер и технологичность процессов формирования контактных узлов и сборки слоев в единую многослойную плату.

Тем не менее многослойные керамические платы имеют большой вес и значительную толщину при плотности разводки и количестве коммутационных слоев, не отвечающих требованиям, предъявляемым к современной электронной аппаратуре на базе компонентов с большим количеством выводов, расположенных с малым шагом. Кроме того, из-за значительных технологических разбросов линейных размеров монтажных элементов на поверхности платы при высокотемпературной обработке керамики (условия спекания керамики трудно поддаются контролю) возникают большие проблемы с совмещением контактных площадок на плате и прецизионных выводов корпусов компонентов, что затрудняет автоматизацию монтажа компонентов на поверхности платы и в конечном итоге приводит к удорожанию аппаратуры на керамических платах. Еще большие трудности возникают при осуществлении монтажа на керамические платы бескорпусных кристаллов ИС с большим количеством выводных контактов. Поэтому керамические многослойные платы используются в основном в специальной аппаратуре с высокими требованиями по стойкости к внешним бездействующим факторам.

Известна также многослойная коммутационная плата на полиимидной основе, содержащая слои полиимидной пленки с размещенными на обеих сторонах каждого слоя токоведущими дорожками. Для связи проводников в пределах каждого слоя формируются переходные металлизированные отверстия диаметром порядка 0,1 мм. Для электрического и механического соединения слоев в многослойную печатную плату с единой топологией разводки проводников используются специально сформированные металлизированные проходные отверстия диаметром порядка 1,5 мм, расположенные в виде матрицы с регулярным шагом, единым для всех слоев, которые после совмещения образуют матрицу каналов, пронизывающих насквозь многослойную плату. Проводники и металлизированные отверстия формируются методами литографии и напыления металлизации с последующим гальваническим наращиванием до необходимой толщины и обслуживанием тех мест, в которых будут паяные соединения. Сборка слоев в многослойную структуру осуществляется путем спайки стыков между проходными металлизированными отверстиями способом вакуумной пайки (Е. Н.Панов, "Особенности сборки специализированных БИС на базовых матричных кристаллах", М.: Высшая школа, стр. 31-34, 1990 г.).

Спаянные стыки между проходными отверстиями являются контактными узлами, служащими для электрического сопряжения проводящих структур всех слоев в единую коммутационную схему многослойной коммутационной платы.

Применение в качестве изоляционного материала полиимида, обладающего уникальными электрофизическими параметрами, обеспечивает полиимидным многослойным коммутационным платам высокие технологические и эксплуатационные характеристики.

Однако наличие матрицы сквозных металлизированных каналов, насквозь пронизывающих многослойную плату, создает трудности в разводке коммутации, что приводит к увеличению числа слоев, ухудшению контролепригодности и снижению надежности плат, а также к увеличению расхода полиимида и усложнению технологии изготовления плат. Все в целом увеличивает себестоимость и делает невозможным использование таких плат в производстве массовой продукции.

Известна многослойная печатная плата с высокой плотностью коммутации, содержащая пары слоев коммутации, изготовленные с помощью технологических подложек, разделенные электроизоляционными адгезионными прокладками для склеивания коммутационных слоев. Проводники смежных коммутационных слоев электрически связаны между собой посредством контактных узлов, выполненных в виде металлизированных отверстий-переходов (авторское свидетельство СССР N 970737, кл. 6 H 05 K 3/46, 1981 г.).

Многослойные платы, изготовленные в соответствии с этим изобретением, решая задачу повышения плотности разводки, за счет исключения сквозных каналов, пронизывающих всю многослойную плату, не могут, однако, содержать более 4-х металлизированных коммутационных слоев, что является существенным ограничением для применения их в современной аппаратуре (для сравнения, многослойная полиимидная плата может содержать до 30 слоев металлизации).

Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является многослойная коммутационная плата на основе полиимида, содержащая диэлектрические слои с токоведущими дорожками, сформированными на их поверхностях, образующие коммутационные слои многослойной платы, а также контактные узлы, выполненные в виде паяных стыков совмещенных металлизированных отверстий в коммутационных слоях, осуществляющие межслойную коммутацию токоведущих дорожек, расположенных как на смежных, так и на удаленных коммутационных слоях (Е.Н. Панов, "Особенности сборки специализированных БИС на базовых матричных кристаллах", М.: Высшая школа, стр. 16-34, фиг.7, 1990 г.).

Основными недостатками этого технического решения являются:
- большой расход полезного коммутационного пространства из-за матрицы сквозных металлизированных каналов в многослойной плате, образованных спаянными металлизированными отверстиями коммутационных слоев, что значительно уменьшает удельную плотность разводки межсоединений и приводит к увеличению количества коммутационных слоев, а значит, к увеличению трудоемкости и себестоимости изготовления платы, а также к снижению надежности платы в целом из-за увеличения количества паяных соединений;
- наличие изолирующих прокладок между коммутационными слоями с двухсторонней металлизацией, содержащих металлизированные отверстия в местах прохождения через многослойную плату сквозных каналов, что приводит к фактическому удвоению количества слоев в плате и удвоению числа паяных соединений, т. е. к существенному усложнению платы, а значит, к ее удорожанию и снижению надежности.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании многослойной коммутационной структуры, содержащей контактные узлы оригинальной конструкции, использование которых позволяет существенно увеличить удельную плотность разводки при значительном снижении сложности конструкции, трудоемкости и себестоимости изготовления коммутационных слоев и многослойной коммутационной структуры в целом.

Кроме того, использование предлагаемого контактного узла позволяет улучшить контролеспособность, воспроизводимость и надежность соединений в многослойной коммутационной плате.

Указанный технический результат достигается за счет использования в конструкции предлагаемой многослойной коммутационной структуры оригинальных контактных узлов, обеспечивающих электрическую и механическую связь между слоями.

Поставленная задача с достижением упомянутого результата решается тем, что в многослойной коммутационной плате, содержащей слои из диэлектрического материала с токоведущими дорожками на их поверхностях, представляющие собой коммутационные слои, контактные узлы в виде металлизированных контактов, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим связующим материалом, контактные узлы выполнены в виде стыков между контактами, одни из которых представляют собой металлизированные площадки, связанные с токоведущими дорожками нижележащего коммутационного слоя, а другие совмещенные с ними контакты выполнены в виде металлизированных отверстий в форме усеченных конусов в вышележащем коммутационном слое, причем меньшие основания усеченных конусов обращены к контактным площадкам нижележащего коммутационного слоя, а большие основания усеченных конусов связаны с токоведущими дорожками, расположенными на верхней стороне вышележащего коммутационного слоя;
- а также тем, что металлизированные контактные площадки выполнены плоскими;
- а также тем, что верхние основания усеченных конусов, связанные с токоведущими дорожками, выполнены с металлизированными ободками, расположенными на верхней стороне коммутационного слоя;
- а также тем, что диаметр D большего основания усеченного конуса, ширина h металлизированного ободка, диаметр d меньшего основания усеченного конуса, толщина t диэлектрического материала коммутационного слоя и минимальная ширина L ответной контактной площадки на нижележащем коммутационном слое связаны соотношением
L > или = D + 2h = d+ 2t + 2h.

В данном варианте выполнения многослойной коммутационной структуры коммутационные слои имеют только одностороннюю металлизацию, что исключает необходимость в изолирующих прокладках.

Второй вариант выполнения многослойной коммутационной платы отличается тем, что коммутационные слои содержат токоведущие дорожки на обеих поверхностях, связанные между собой переходными металлизированными отверстиями, между коммутационными слоями располагаются изолирующие слои с проходными металлизированными отверстиями, а контактные узлы дополнительно содержат промежуточные контакты в виде вышеуказанных проходных отверстий.

Поставленная задача решается также тем, что в многослойной коммутационной плате токоведущие дорожки расположены на обеих сторонах каждого коммутационного слоя и в пределах каждого слоя связаны между собой переходными металлизированными отверстиями, между коммутационными слоями размещены изолирующие слои с проходными металлизированными отверстиями, а контактные узлы состоят из металлизированных отверстий в форме усеченных конусов, выполненных в вышележащем коммутационном слое, проходных металлизированных отверстий в изолирующем слое и контактных площадок на нижележащем коммутационном слое, связанных электропроводящим связующим материалом, при этом меньшие основания усеченных конусов состыкованы с верхними основаниями проходных металлизированных отверстий изолирующего слоя, а нижние основания проходных отверстий состыкованы с контактными площадками нижележащего коммутационного слоя, связанными с токоведущими дорожками на верхней стороне нижележащего коммутационного слоя, при этом верхние основания усеченных конусов связаны с токоведущими дорожками, расположенными на верхней стороне вышележащего коммутационного слоя;
- а также тем, что контактные площадки выполнены плоскими;
- а также тем, что большие и меньшие основания усеченных конусов, связанные с токоведущими дорожками на поверхностях каждого коммутационного слоя, выполнены с металлизированными ободками по периферии оснований;
- а также тем, что проходные металлизированные отверстия изолирующих слоев выполнены в форме цилиндров с металлизированными ободками по периферии верхних и нижних оснований.

На чертежах фиг. 1, фиг. 1a и фиг.2 схематично изображены фрагменты предлагаемой многослойной коммутационной платы.

Вариант 1 (фиг. 1) - с односторонней металлизацией на каждом коммутационном слое. На фиг. 1а показаны основные параметры контактного узла.

Вариант 2 (фиг.2) - с двухсторонней металлизацией на каждом коммутационном слое.

Многослойная коммутационная плата состоит из нескольких коммутационных слоев. На фиг. 1 в развернутом виде представлены три смежных коммутационных слоя 1, 2, 3 и два контактных узла 4, 5.

Контактный узел 4 (обведен овалом) включает в себя контактную площадку 6, связанную с токоведущей дорожкой 7 на верхней стороне нижележащего коммутационного слоя 1, и металлизированное отверстие 8 в форме усеченного конуса, большее основание которого выходит на верхнюю сторону вышележащего коммутационного слоя 2 в виде металлизированного ободка 9, связанного с токоведущей дорожкой 10 на верхней стороне вышележащего коммутационного слоя 2. Стык между контактной площадкой 6 и металлизированным отверстием 8, заполненный электропроводящим связующим веществом 11, образует собственно контактный узел 4, связывающий токоведущие дорожки 7 и 10.

Аналогично стык между контактной площадкой 12 коммутационного слоя 3 и металлизированным отверстием 13 в коммутационном слое 2, заполненный электропроводящим связующим материалом 14, образует контактный узел 5 (обведен овалом), связывающий токоведущие дорожки 7 и 15 коммутационных слоев 2 и 3.

В случае сборки контактных узлов посредством напыления связующего материала, каждый последующий коммутационный слой совмещается с предыдущим по реперным знакам, сверху накладывается, совмещается и фиксируется защитная маска, после чего собранный технологический пакет закладывается в установку напыления, в которой производится последовательное послойное напыление проводящих материалов, образующих проводящую связывающую структуру с необходимыми свойствами. Так может осуществляться групповая сборка контактных узлов, связывающих токоведущие дорожки в двух смежных коммутационных слоях.

После соединения слоев в установке напыления, проводится, при необходимости, визуальный и электрический контроль сформированных контактных узлов, после чего процесс повторяется со следующим коммутационным слоем и т.д. до завершения сборки всей коммутационной платы.

При сборке контактных узлов способом пайки все коммутационные слои совмещаются в нужной последовательности, после чего пакет помещается в установку вакуумной пайки. В условиях частичного вакуума и общего нагрева до температуры плавления припоя, под действием капиллярных сил, происходит спайка стыков в каждом из контактных узлов одновременно во всех слоях многослойной коммутационной платы.

Взаимодействие элементов многослойной коммутационной платы в процессе функционирования происходит следующим образом (на примере фрагмента фиг. 1). Сигнал с токоведущей дорожки 10 коммутационного слоя 2 проходит через металлизированное отверстие 8 в коммутационном слое 2, электропроводящее связующее вещество 11 и контактную площадку 6 на верхней стороне коммутационного слоя 1, образующие контактный узел 4, в токоведущую дорожку 7 коммутационного слоя 1 и затем, через металлизированное отверстие 13 в коммутационном слое 1, электропроводящее связующее вещество 14 и контактную площадку 12 на верхней стороне коммутационного слоя 3, образующие контактный узел 5, проходит в токоведущую дорожку 15 коммутационного слоя 3.

Фрагмент второго варианта многослойной коммутационной платы - на основе коммутационных слоев с двухсторонней металлизацией - приведен на фиг.2, где представлены три смежных коммутационных слоя 1, 2, 3, разделенных изолирующими слоями 16 и 20, а также два контактных узла 4, 5.

Контактный узел 4 (обведен овалом) включает в себя контактную площадку 6, связанную с токоведущей дорожкой 23 на нижней стороне нижележащего коммутационного слоя 1 через токоведущую дорожку 7 на верхней стороне нижележащего коммутационного слоя 1 и переходное металлизированное отверстие 19, металлизированное проходное отверстие 17 в изолирующем слое 16 и металлизированное отверстие 8 в форме усеченного конуса, большее основание которого выходит на верхнюю сторону вышележащего коммутационного слоя 2 в виде металлизированного ободка 9, связанного с токоведущей дорожкой 22 на нижней стороне вышележащего коммутационного слоя 2, через переходное металлизированное отверстие 21 и токоведущую дорожку 10. Стык между контактной площадкой 6, металлизированным отверстием 17 и металлизированным отверстием 8, заполненный электропроводящим связующим материалом 11, образует собственно контактный узел 4, связывающий токоведущие дорожки 22 и 23 коммутационных слоев 1 и 2.

Аналогично, стык между контактной площадкой 12 нижележащего коммутационного слоя 3, проходным металлизированным отверстием 18 в изолирующем слое 20 и металлизированным отверстием 13 в вышележащем коммутационном слое 1, заполненный электропроводящим связующим материалом 14, образует контактный узел 5 (обведен овалом), связывающий токоведущие дорожки 7 и 15 коммутационных слоев 1 и 3.

Функционирование второго варианта многослойной коммутационной платы совершенно аналогично описанному выше функционированию первого варианта платы.

При формировании отверстий в диэлектрическом материале коммутационного слоя в форме усеченного конуса, в процессе жидкостного травления через защитную маску, в результате эффекта бокового подтравливания, имеет место следующая зависимость между основными параметрами элементов контактных узлов:
L > или = D + 2h = d+ 2t + 2h,
где: D - диаметр большего основания усеченного конуса;
h - ширина металлизированного ободка, через посредство которого металлизированное отверстие соединяется с токоведущими дорожками на поверхности коммутационного слоя;
d - диаметр меньшего основания усеченного конуса;
t - толщина диэлектрического материала коммутационного слоя;
L - минимальная ширина ответной контактной площадки на нижележащем коммутационном слое.

Таким образом, изготовление многослойных коммутационных плат с контактными узлами предложенной конструкции позволяет обеспечить:
- высокую воспроизводимость и надежность большого количества контактных узлов, связывающих коммутационные слои в многослойной коммутационной плате;
- высокую плотность разводки при оптимальном количестве слоев (с точки зрения технологичности и себестоимости производства многослойных плат);
- высокую прецизионность многослойных коммутационных структур и монтажных элементов на их поверхностях, достаточную для изготовления многокристальных модулей;
- простоту конструкции, определяющую высокую технологичность и низкую себестоимость изготовления многослойных коммутационных плат.

Изобретение относится к разработке и производству аппаратуры на основе изделий микроэлектроники и полупроводниковых приборов и может быть широко использовано в производстве многослойных печатных плат, а также коммутационных структур для многокристальных модулей. Многослойная коммутационная структура содержит слои из диэлектрическою материала с токоведущими дорожками на их поверхностях, представляющие собой коммутационные слои, контактные узлы в виде металлизированных контактов, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим материалом, при этом контактные узлы выполнены в виде стыков между контактами. Второй вариант выполнения многослойной коммутационной платы характеризуется тем, что в ней токоведущие дорожки расположены на обеих сторонах каждого коммутационного слоя и в пределах каждого слоя связаны между собой переходными металлизированными отверстиями. Изобретение позволяет увеличить удельную плотность разводки при снижении сложности трудоемкости, себестоимости. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многослойная коммутационная плата, содержащая слои из диэлектрического материала с токоведущими дорожками на их поверхностях, представляющие собой коммутационные слои, и контактные узлы в виде металлизированных контактов, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим связующим материалом, отличающаяся тем, что в ней контактные узлы выполнены в виде стыков между контактами, одни из которых представляют собой контактные площадки, связанные с токоведущими дорожками нижележащего коммутационного слоя, а другие совмещенные с ними контакты выполнены в виде металлизированных отверстий в форме усеченных конусов в вышележащем коммутационном слое, причем меньшие основания усеченных конусов обращены к контактным площадкам нижележащего коммутационного слоя, а большие основания усеченных конусов связаны с токоведущими дорожками на верхней стороне вышележащего коммутационного слоя. 2. Плата по п. 1, отличающаяся тем, что контактные площадки выполнены плоскими. 3. Плата по п.1, отличающаяся тем, что большие основания усеченных конусов, связанные с токоведущими дорожками на поверхности коммутационного слоя, выполнены с металлизированными ободками по периферии оснований. 4. Плата по п. 3, отличающаяся тем, что диаметр D большего основания усеченного конуса, ширина h металлизированного ободка, диаметр d меньшего основания усеченного конуса, толщина t диэлектрического материала коммутационного слоя и минимальная ширина L ответной контактной площадки на нижележащем коммутационном слое связаны соотношением
L > или D + 2h = d + 2t + 2h
5. Многослойная коммутационная плата, содержащая слои из диэлектрического материала с токоведущими дорожками на их поверхностях, представляющие собой коммутационные слои, и контактные узлы в виде металлизированных контактов, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим связующим материалом, отличающаяся тем, что в ней токоведущие дорожки расположены на обеих сторонах каждого коммутационного слоя и в пределах каждого слоя связаны между собой переходными металлизированными отверстиями, между коммутационными слоями размещены изолирующие слои с проходными металлизированными отверстиями, а контактные узлы состоят из металлизированных отверстий в форме усеченных конусов, выполненных в вышележащем коммутационном слое, проходных металлизированных отверстий в изолирующем слое и контактных площадок на нижележащем коммутационном слое, связанных электропроводящим связующим материалом, при этом меньшие основания усеченных конусов состыкованы с верхними основаниями проходных металлизированных отверстий изолирующего слоя, а нижние основания проходных отверстий состыкованы с контактными площадками нижележащего коммутационного слоя, связанным с токоведущими дорожками на верхней стороне нижележащего коммутационного слоя, при этом верхние основания усеченных конусов связаны с токоведущими дорожками, расположенными на верхней стороне вышележащего коммутационного слоя. 6. Плата по п. 5, отличающаяся тем, что контактные площадки выполнены плоскими. 7. Плата по п.5, отличающаяся тем, что большие и меньшие основания усеченных конусов, связанные с токоведущими дорожками на поверхностях каждого коммутационного слоя, выполнены с металлизированными ободками по периферии оснований. 8. Плата по п.5, отличающаяся тем, что проходные металлизированные отверстия изолирующих слоев выполнены в форме цилиндров с металлизированными ободками по периферии верхних и нижних оснований.