DE102014115313A1

DE102014115313A1 - System und Verfahren für eine Millimeterwellen-Leiterplatte

Info

Publication number: DE102014115313A1
Application number: DE201410115313
Authority: DE
Inventors: Jagjit Singh Bal; Mehran Pour Mousavi; Ernst Seler; Saverio Trotta; Maciej Wojnowski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: DE102014115313B4; CN104602449B; KR20150050469A; US20150117862A1; CN104602449A; US9337522B2; KR101702717B1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leiterplatte eine Signalleitung, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst und die einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterpatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt. Die Leiterplatte umfasst außerdem eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die den Hohlraum umgeben, und die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Leiterplatten und in bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für eine Millimeterwellen-Leiterplatte.
HINTERGRUND
Das Interesse an Anwendungen im Millimeterwellen-Frequenzbereich hat in den letzten paar Jahren infolge der rasanten Weiterentwicklung kostengünstiger Halbleitertechnologien, wie beispielsweise Silicium-Germanium (Si-Ge)- und komplementärer Feingeometrie-Metalloxidhalbleiter (CMOS – complementary metal-oxide semiconductor)-Prozesse, erheblich zugenommen. Die Verfügbarkeit von Hochgeschwindigkeits-Bipolar- und -Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren hat zu einer steigenden Nachfrage nach integrierten Schaltungen für Millimeterwellen-Anwendungen bei 60 GHz, 77 GHz und 80 GHz sowie auch über 100 GHz hinaus geführt. Solche Anwendungen umfassen zum Beispiel Automobilradar und Multi-Gigabit-Telekommunikationssysteme.
Da jedoch die Betriebsfrequenzen von HF-Systemen weiter steigen, wirft die Erzeugung von Signalen bei solchen hohen Frequenzen eine Anzahl von größeren Problemen auf. Ein solches Problem ist die Schnittstellenrealisierung für Millimeterwellensignale zu und von integrierten Schaltungen. Bei hohen Frequenzen verursachen Bonddrähte, Gehäusekontakte, Leiterbahnen von gedruckten Leiterplatten (PCB – printed circuit board), Plattenkapazität und andere parasitäre Effekte möglicherweise Dämpfung und Fehlanpassung von hochfrequenten HF-Signalen. In einigen Systemen, wie beispielsweise Automobilradarsystemen, sind Leiterplatten mit einer Hochfrequenz-Radarantenne über eine Schnittstelle unter Verwendung eines Wellenleiters verbunden, um Signalverluste zu verhindern.
In leistungsstärkeren Millimeterwellensystemen können zusätzliche Probleme in Bezug auf das Thermomanagement auftreten. Zum Beispiel können zur Handhabung von hoher Leistung ausgelegte Schaltungskomponenten breitere Leitschichten, um hohen Strömen standzuhalten, und Wärmeableitstrukturen, wie beispielsweise Kontaktlöcher, aufweisen, um Wärme von einem Hochleistungsteil wegzuleiten. Diese Leitschichten und Wärmeableitstrukturen können parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten erhöhen, welche die HF-Leistung vermindern können.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht ein Bedarf an der Bereitstellung eines verbesserten Konzepts für eine Leiterplatte und ein Millimeterwellensystem.
Solch ein Bedarf kann durch den Gegenstand nach einem der Ansprüche gedeckt werden.
Einige Ausführungsformen betreffen eine Leiterplatte, die eine Signalleitung, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst, wobei die Signalleitung einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt; und eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfasst, welche den Hohlraum umgeben, wobei die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch umfasst, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
Optional ist der erste Abschnitt der Signalleitung konisch zulaufend.
Ferner sind der Hohlraum und die Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern optional als ein Wellenleiter ausgelegt; und der erste Abschnitt der Signalleitung ist als eine Wellenleiterspeisung ausgelegt.
Optional ist der Wellenleiter so ausgelegt, dass er bei einer ersten Wellenlänge funktioniert; und ein Abstand der Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern ist gleich oder kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge.
Ferner ist das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch optional unter der Signalleitung angeordnet.
Optional ist die erste Leitschicht eine oberste Leitschicht der Leiterplatte; das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch umfasst ein Kontaktloch, das sich von einer untersten Leitschicht der Leiterplatte zu einer leitenden Zwischenschicht der Leiterplatte erstreckt; und die erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfasst ferner Kontaktlöcher, die sich von der untersten Leitschicht der Leiterplatte zur obersten leitenden Sicht der Leiterplatte erstrecken.
Ferner umfasst die Leiterplatte optional außerdem eine Isolierschicht, die zwischen der Signalleitung und dem Hohlraum angeordnet ist.
Optional umfasst die Isolierschicht eine erste Hochfrequenz-Laminatschicht.
Ferner umfasst die Leiterplatte optional außerdem eine zweite Hochfrequenz-Laminatschicht und eine erste FR-4-Schicht.
Optional umfasst die Signalleitung ferner einen zweiten Abschnitt, der als Übertragungsleitung ausgelegt ist; und einen dritten Abschnitt, der als Anschlussfleck für Kontakt mit einer integrierten Schaltung ausgelegt ist.
Ferner umfasst die Leiterplatte optional außerdem eine zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die benachbart zum zweiten Abschnitt der Übertragungsleitung angeordnet sind.
Optional umfasst die zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern erste leitende Kontaktlöcher, die eine oberste Leitschicht der Leiterplatte mit einer untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden, wobei die ersten leitenden Kontaktlöcher einen ersten Durchmesser aufweisen; und zweite leitende Kontaktlöcher, welche die oberste Leitschicht der Leiterplatte mit der untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden, wobei die zweiten leitenden Kontaktlöcher einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der ersten Durchmesser ist.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Millimeterwellensystem, das eine Leiterplatte umfasst, die eine Kontaktregion umfasst, die eine Mehrzahl von Anschlussflecken umfasst, die so ausgelegt sind, dass sie mit einer integrierten Hochfrequenz (HF)-Schaltung gekoppelt werden, wobei die Anschlussflecke einen ersten Signalanschlussfleck umfassen, der so ausgelegt ist, dass er mit einer HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung gekoppelt wird; und eine Übertragungsleitung, die mit dem ersten Signalanschlussfleck gekoppelt ist und eine erste Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst, die in der Kontaktregion benachbart zu den Anschlussflecken angeordnet sind und ferner benachbart zur Übertragungsleitung angeordnet sind, wobei mindestens eines der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern benachbart zum ersten Signalanschlussfleck angeordnet ist, eine erste Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen ersten Durchmesser umfasst, und eine zweite Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen zweiten Durchmesser umfasst, der kürzer als der erste Durchmesser ist.
Optional umfasst das Millimeterwellensystem ferner die integrierte HF-Schaltung.
Ferner umfasst die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern optional ein Kontaktloch, das eine oberste Leitschicht der Leiterplatte und eine unterste Leitschicht der Leiterplatte verbindet.
Optional ist mindestens eines der zweiten Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern innerhalb der Kontaktregion angeordnet.
Ferner ist die HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung optional so ausgelegt, dass sie bei einer ersten Wellenlänge funktioniert; und ein Abstand der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge ist.
Optional umfasst die Leiterplatte eine FR-4-Schicht, die zwischen einer ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und einer zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist.
Ferner umfasst die Leiterplatte optional außerdem eine erste Leitschicht, die über der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; eine zweite Leitschicht, die zwischen der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und der FR-4-Schicht angeordnet ist; eine dritte Leitschicht, die zwischen der FR-4-Schicht und der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; und eine vierte Leitschicht, die unter der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist.
Optional umfassen die erste Leitschicht, die zweite Leitschicht, die dritte Leitschicht und die vierte Leitschicht Kupfer.
Ferner umfasst das Millimeterwellensystem optional außerdem einen Wellenleiter, der mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist.
Optional umfasst der Wellenleiter ein Wellenleiterübergangselement, das mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, wobei das Wellenleiterübergangselement eine Signalleitung auf einer ersten Leitschicht mit einem ersten Abschnitt umfasst, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt; und eine zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, welche den Hohlraum umgeben, wobei die zweite Mehrzahl von Kontaktlöchern mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch umfasst, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
Ferner ist ein Teil der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern, die in der Kontaktregion angeordnet sind, optional so ausgelegt ist, dass er die integrierte HF-Schaltung thermisch mit einer Leitschicht koppelt, die auf der Leiterplatte gegenüber der Kontaktregion angeordnet ist.
Optional ist die Mehrzahl von Anschlussflecken so ausgelegt, dass sie 119 Lotkugeln aufnimmt.
Ferner ist eine erste Teilmenge der Anschlussflecke optional durch eine kontinuierliche Region einer obersten Leitschicht der Leiterplatte miteinander verbunden.
Optional umfasst die erste Teilmenge der Anschlussflecke mindestens 27 Anschlussflecke.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Betreiben eines Millimeterwellensystems, umfassend Senden eines HF-Signals von einer integrierten Schaltung über einen Anschlussfleck, der benachbart zu einer ersten Mehrzahl von elektrisch und thermisch leitenden Kontaktlöchern angeordnet ist, die benachbart zu den Anschlussflecken auf einer Leiterplatte angeordnet sind, zu einer Übertragungsleitung; und Übergehenlassen des HF-Signals von der Übertragungsleitung über ein Wellenleiterübergangselement, das mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, in einen Wellenleiter, der in einem Hohlraum einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei das Wellenleiterübergangselement eine Signalleitung umfasst, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst, wobei die Signalleitung einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt, und der Wellenleiter ferner eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfasst, die den Hohlraum umgeben, wobei die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch umfasst, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leiterplatte eine Signalleitung, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst und die einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterpatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt. Die Leiterplatte umfasst außerdem eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die den Hohlraum umgeben, und die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
KUZZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 eine schematische Querschnittdarstellung einer Ausführungsform eines Chipstapels veranschaulicht;
2a eine detaillierte Entwurfsansicht einer Ausführungsform einer Leiterplatte veranschaulicht;
2b eine Entwurfsansicht einer Ausführungsform einer Leiterplatte veranschaulicht;
2c eine detailliertere Entwurfsansicht einer Ausführungsform einer Leiterplatte veranschaulicht;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Verteilung eines Bauelements mit Ball Grid Array veranschaulicht;
4 zwei aufgeschnittene Schichtquerschnitte und eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Leiterplatte veranschaulicht;
5a einen Schichtquerschnitt einer Ausführungsform einer Leiterplatte in einer ersten Position veranschaulicht;
5b einen Schichtquerschnitt einer Ausführungsform einer Leiterplatte in einer zweiten Position veranschaulicht; und
5c einen Schichtquerschnitt einer Ausführungsform einer Leiterplatte in einer dritten Position veranschaulicht.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar veranschaulichen, wobei sie jedoch nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung von verschiedenen Ausführungsformen ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielfalt von spezifischen Kontexten angewendet werden können. Die spezifischen Ausführungsformen, die erörtert werden, dienen lediglich zur Veranschaulichung von spezifischen Arten und Weisen der Herstellung und Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen und sollten nicht als den Schutzumfang einschränkend ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich einem eingebetteten System und insbesondere einer Millimeterwellen-Leiterplatte. Einige der verschiedenen Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, umfassen Hochfrequenz (HF)-Sendeempfänger, Leiterplatten, gedruckte Leiterplatten (PCB – printed circuit board), PCBs mit eingebetteten Antennen, Thermomanagement auf einer PCB und gebondeten IC, Wellenleiter, Wellenleiterabschirmung und andere. Viele Ausführungsformen hierin werden mit Signalen mit Frequenzen im HF-Bereich beschrieben, und bestimmte Anwendungen können sich auf Funksignale mit Millimeter (mm)-Wellenlängensignalen konzentrieren, welche im Allgemeinen HF-Signalen mit GHz-Frequenzen entsprechen. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die jeglichen Typ von eingebettetem System und Leiterplatte gemäß einer beliebigen auf dem Fachgebiet bekannten Art und Weise umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leiterplatte einen Wellenleiter und eine Schnittstelle zwischen dem Wellenleiter und einer integrierten Schaltung (IC – integrated circuit), welche Signale im Millimeterwellenbereich mit Frequenzen von zum Beispiel über 30 GHz bereitstellt. Der Wellenleiter ist aus einem Hohlraum in der Leiterplatte gebildet, der von Kontaktlöchern umgeben ist, die einen Abstand von weniger als einer Viertelwellenlänge (λ/4) des HF-Signals aufweisen. Diese Kontaktlöcher bilden die elektrischen „Wände“ des Wellenleiters und können durchgehende Kontaktlöcher umfassen, die sich von einer obersten Leitschicht zu einer untersten Leitschicht der Leiterplatte erstrecken, und sie können nichtdurchgehende Kontaktlöcher umfassen, die sich von einer Seite der Leiterplatte zu einer leitenden Zwischenschicht erstrecken. Diese nichtdurchgehenden Kontaktlöcher können unterhalb einer leitenden Leitung angeordnet sein, die zum Einspeisen eines Signals in den Wellenleiter verwendet wird. In einigen Ausführungsformen ist es nicht notwendig, die Wände des Hohlraums mit einem leitenden Material zu plattieren.
In einer Ausführungsform ist die zum Einspeisen des Signals in den Wellenleiter verwendete leitende Leitung über eine Übertragungsleitung, die eine Differenzübertragungsleitung mit einer definierten Impedanz sein kann, mit einem IC-Anschlussfleck gekoppelt. Alternativ kann eine unsymmetrische Übertragungsleitung verwendet werden. Die Übertragungsleitung kann von durchgehenden Kontaktlöchern umgeben sein, um zu gewährleisten, dass eine oberste Leitschicht der Leiterplattenschicht und eine unterste Leitschicht der Leiterplatte einen niederohmigen Pfad zischen ihnen in der Nähe der Übertragungsleitung aufweisen. Auf Flächen der Leiterplatte, die physisch eng und überfüllt sind, kann der Durchmesser der durchgehenden Kontaktlöcher reduziert sein, um eine Kopplung zwischen den obersten und untersten Leitschichten aufrechtzuerhalten.
Der IC-Anschlussfleck, der mit der Übertragungsleitung und dem Wellenleiter gekoppelt ist, kann benachbart zu durchgehenden Kontaktlöchern positioniert sein, die unterhalb der IC positioniert sind. Diese zwischen der IC positionierten Kontaktlöcher können eine doppelte Aufgabe des Übertragens von Wärme von der IC und Verbessern des HF-Übergangs ausführen.
Gemäß einer Ausführungsform wird hierin eine Leiterplatte dargelegt, welche eingebettete Wellenleiter mit Seitenwänden umfasst, die durch Kontaktlöcher ausgebildet sind. Die Leiterplatte umfasst eine IC-Anschlussfläche zum Bonden einer IC durch ein Bauelement mit einem Ball Grid Array (BGA) an die Leiterplatte. Eine Kombination des Positionierens von durchgehenden Kontaktlöchern und Mikrokontaktlöchern mit einer bestimmten Schichtung von Materialien führt zu einer Leiterplatte mit verbesserter thermischer, elektrischer, struktureller und HF-Leistung.
1 veranschaulicht eine schematische Querschnittdarstellung einer Ausführungsform eines Systems 100, das eine IC 102, eine Umverteilungsschicht 104, eine BGA 106, eine PCB 108 und einen Wärmespreizer 110 umfasst. Die IC 102 kann ein beliebiger Typ von Chip, Halbleiterscheibe oder Schaltungspackung sein. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die IC 102 analoge oder digitale Elektronik zum Senden und Empfangen von Signalen über einen Wellenleiter, der in der PCB 108 enthalten sein kann. Das BGA 106 stellt Verbindungen zwischen der PCB 108 und der IC 102 bereit und kann Lotkugeln umfassen, welche elektrische und thermische Verbindungen bereitstellen. In einigen Ausführungsformen ist die IC 102 durch das BGA 106 an die PCB 108 höckergebondet. Zum Ableiten von in der IC 102 erzeugter Wärme sind mit den Lotkugeln thermische Verbindungen vorgesehen. In einigen Ausführungsformen sind die thermischen Verbindungen außerdem mit Masse gekoppelt. Zur zusätzlichen Wärmeableitung können durchgehende Kontaktlöcher (nicht dargestellt) in der PCB 108 enthalten sein, welche eine Kopplung mit einem Wärmespreizer 110 erstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Umverteilungsschicht 104 weggelassen sein.
2a veranschaulicht eine Entwurfsansicht einer Ausführungsform einer Leiterplatte 200 für ein HF-Übertragungssystem, wie beispielsweise ein Radarsystem. Die Leiterplatte 200 umfasst eine Chipkontakt- oder Anschlussfläche 201 für eine integrierte Hochfrequenz (HF)-Schaltung und zwei Wellenleiter 210 und 211, die als Hohlräume innerhalb der Leiterplatte 200 implementiert sind. Der Wellenleiter 210 ist über eine Übertragungsleitung 224 mit Anschlussflecken 225 gekoppelt. In einer Ausführungsform entsprechen die Anschlussflecke 225 Schnittstellenanschlüssen, die für einen HF-Eingang oder -Ausgang auf der IC verwendet werden. Wie dargestellt, ist die Übertragungsleitung 224 eine Differenzsignalleitung; die Übertragungsleitung 224 kann in alternativen Ausführungsformen jedoch auch als eine unsymmetrische Übertragungsleitung implementiert sein. In einigen Ausführungsformen werden HF-Signale mit Millimeterwellenlängen, d. h. Frequenzen in der Größenordnung von 10 s oder 100 s von GHz, auf der Leiterplatte 200 durch die IC gesendet und empfangen. Die Leiterplatte 200 umfasst außerdem eine Chip-Anschlussfläche 201, zusätzliche Anschlussflecke 202 für andere IC-Anschlüsse, durchgehende Kontaktlöcher 204, nichtdurchgehende Kontaktlöcher 206 und Mikrokontaktlöcher 218, welche hierin im Folgenden unter Bezugnahme auf die anderen Figuren ausführlich beschrieben werden. Um die Struktur des Wellenleiters 210 und der Leiterplatte 200 besser zu erläutern, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 5a, 5b und 5c außerdem die Querschnitte CS1, CS2 bzw. CS3 beschrieben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden sich im Raum ausbreitende HF-Signale durch einen Hohlraum 208 im Wellenleiter 210 gesendet, der den Hohlraum 208 und die umgebenden durchgehenden Kontaktlöcher 204 umfasst. In einigen Ausführungsformen leitet der Wellenleiter 210 die HF-Signale durch den Hohlraum 208 zu einem Wellenleiterübergang 220, der aus einem leitenden Material gebildet ist, das den Hohlraum überlagert. Der Wellenleiterübergang 220, der als eine konisch zulaufende Schlitzantenne (TSA – tapered slot antenna) implementiert sein kann, lässt den gekoppelten Wellenleiter 210 in die Übertragungsleitung 224 und die Anschlussflecke 225 übergehen, welche mit einer BGA-Packung schnittstellengekoppelt sind, wie in 1 dargestellt ist und im Folgenden hierin ausführlicher beschrieben wird. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Sendeabschnitt 222 der Leiterplatte 200 die Elemente auf der rechten Seite von 2a, welche die Anschlussflecke 225, die Übertragungsleitung 224 und den Wellenleiter 210 umfassen, während ein Empfangsabschnitt 221 die Elemente auf der linken Seite von 2a umfasst, welche die Anschlussflecke 235, die Übertragungsleitung 234 und den Wellenleiter 211 umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der Empfangsabschnitt 221 und der Sendeabschnitt 222 identische oder ähnliche Strukturen umfassen, oder sie können mit verschiedenen Strukturen implementiert sein. Gemäß einigen Ausführungsformen können an den Übergängen zwischen den Hohlräumen 208 und den Übertragungsleitungen 224 durchgehende Kontaktlöcher und/oder nichtdurchgehende Kontaktlöcher 206 als Wände für den Wellenleiter 210 implementiert sein.
In einigen Ausführungsformen können die durchgehenden Kontaktlöcher 204 und Mikrokontaktlochsätze 228, welche den Wellenleiter 210, die Übertragungsleitung 224 und die Anschlussflecke 225 umgeben, die folgenden Funktionen aufweisen: (1) die Kontaktlöcher fungieren als elektromagnetische Abschirmung und Wände für die Wellenleiter 210 und die Übertragungsleitungen 224; (2) die Kontaktlöcher funktionieren so, dass sie Wärme erzeugende Komponenten auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte 200 thermisch mit einem Wärmespreizer auf einer unteren Oberfläche der Leiterplatte 200 koppeln; und (3) die Kontaktlöcher und die Mikrokontaktlochsätze 228 stellen eine feste Kopplung einer Masseebene mit Masseanschlüssen bereit, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 2c beschrieben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die durchgehenden Kontaktlöcher 204 voneinander durch eine Distanz von λ/4 von den nächstgelegenen durchgehenden Kontaktlöchern 204 getrennt, wobei λ die Wellenlänge einer bestimmten Betriebsfrequenz ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann λ in der Größenordnung von Millimetern sein.
Demnach kann die Distanz zwischen durchgehenden Kontaktlöchern in der Größenordnung von Millimetern oder kleiner sein. In einer spezifischen Ausführungsform kann eine Betriebsfrequenz in der Größenordnung von 80 GHz verwendet werden. Die entsprechende Wellenlänge von etwa 3 bis 5 mm ergibt eine Distanz zwischen durchgehenden Kontaktlöchern von etwa 1 mm oder weniger. Die Mikrokontaktlöcher 218 sind ebenfalls in einer Distanz von weniger als λ/4 von den durchgehenden Kontaktlöchern 204 und von anderen Mikrokontaktlöchern 218 angeordnet. Insbesondere können die Mikrokontaktlöcher in Mikrokontaktlochsätzen 228 so angeordnet sein, dass sie durch eine Distanz von weniger als λ/4 von den anderen Mikrokontaktlöchern im Mikrokontaktlochsatz 228 und den benachbarten durchgehenden Kontaktlöchern 204 getrennt sind. Gemäß einigen Ausführungsformen weisen die Mikrokontaktlöcher 218 einen kleineren Durchmesser als die durchgehenden Kontaktlöcher 204 auf und können an engen oder eingeschränkten Stellen auf der ganzen Leiterplatte 200 angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen ist die Beabstandung der durchgehenden Kontaktlöcher 204 besonders relevant für die durchgehenden Kontaktlöcher, welche den Empfangsabschnitt 221 und den Sendeabschnitt 222 umgeben. Wie dargestellt, bildet eine Mehrzahl von durchgehenden Kontaktlöchern 204 eine Kontaktlochumschließung oder Kontaktlochumzäunung um den Empfänger 221 und den Sender 222, einschließlich der Übertragungsleitung 224, der Anschlussflecke 225 und des Hohlraums 208. In einigen Ausführungsformen können zwei Reihen von durchgehenden Kontaktlöchern verwendet werden, wie dargestellt. In anderen Ausführungsformen können mehr oder weniger als zwei Reihen verwendet werden, welche den Empfangsabschnitt 221 und den Sendeabschnitt 222 umgeben. In Bezug auf den Hohlraum 208 bilden die durchgehenden Kontaktlöcher 204 und die nichtdurchgehenden Kontaktlöcher 206 elektrische Wände eines Wellenleiters. In einigen Ausführungsformen werden die Innenwände des Hohlraums 208 unplattiert gelassen.
2b veranschaulicht eine Entwurfsansicht einer Ausführungsform der Leiterplatte 200, die zwei Wellenleiter 210 und 211 und eine IC-Anschlussfläche 201 umfasst. Die IC-Anschlussfläche 201 entspricht der Position der IC 102 auf der PCB 108 in 1. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein IC-Chip oder -Chipstapel an die IC-Anschlussfläche 201 gebondet sein. Wie dargestellt, sind benachbart zur IC-Anschlussfläche 201 links und rechts der Empfangsabschnitt 221 und der Sendeabschnitt 222, welche jeweils Wellenleiter 210 und 211 umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Wellenleiter 210 und 211 durchgehende Kontaktlöcher 204, nichtdurchgehende Kontaktlöcher 206, Hohlräume 208 und Wellenleiterübergänge 220. In einigen Ausführungsformen können die Wellenleiterübergänge 220 konisch zulaufende Schlitzantennen (TSA) sein. In weiteren Ausführungsformen können die Wellenleiterübergänge 220 vom Vivaldi-Typ sein. In anderen Ausführungsformen können die Wellenleiterübergänge 220 als andere Typen von Antennen implementiert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Wellenleiterübergänge 220 in die Leiterplatte 200 eingebettet. Die Leiterplatte 200 kann der Leiterplatte 108 in 1 entsprechen.
2c veranschaulicht eine detailliertere Entwurfsansicht der Leiterplatte 200 von 2a. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die IC-Anschlussfläche 201 Anschlussflecke 202 und durchgehende Kontaktlöcher 204. Die Anschlussflecke 202 können als Kontaktpunkte verwendet werden, an welchen eine BGA angebracht wird, um einen Chip oder eine IC an eine IC-Anschlussfläche 201 zu bonden. Das Material 212 kann ein leitendes Material, wie beispielsweise Kupfer, sein, das spezifische Anschlussflecke 202 mit elektrischer Leitungsführung auf der Leiterplatte 200 koppelt. Das Material 212 kann die Anschlussflecke 202 mit Ein- und Ausgangs (E-/A)-Anschlüssen oder -Kontaktstellen, Masseanschlüssen oder Leistungsversorgungsanschlüssen auf der ganzen Leiterplatte 200 koppeln. Zum Beispiel können Anschlussleitungen 214, die mit den Anschlussflecken 202s gekoppelt sind, an verschiedene E/A koppeln und Signale übertragen, während die Anschlussflecke 202g direkt mit einer Masseebene gekoppelt sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die durchgehenden Kontaktlöcher 204 mindestens drei Funktionen dienen: (1) Übertragen von Wärmeenergie (Wärme) von einer Oberseite der Leiterplatte 200 zu einem Wärmespreizer auf einer Unterseite der Leiterplatte 200, (2) Bereitstellen eines niederohmigen Pfades zwischen der Masseebene 216 und Masseanschlüssen auf der Unterseite der Leiterplatte 200, und (3) Bereitstellen von elektromagnetischer Abschirmung für EMR-Sender und -Empfänger. In einigen Ausführungsformen können kleinere Kontaktlöcher auf der ganzen Leiterplatte 200 angeordnet sein, um Erdung und Abschirmung in physisch engen Bereichen bereitzustellen. Solche kleineren Kontaktlöcher, die als Mikrokontaktlöcher 218 dargestellt sind, können ebenfalls den drei aufgeführten Zwecken dienen. In alternativen Ausführungsformen können Mikrokontaktlöcher unterhalb der Anschlussflecke 202 angeordnet sein.
Zur weiteren Erläuterung in Bezug auf die Masseebene 216 können Masseebenen an mehreren Stellen mit Masse gekoppelt sein, da parasitäre Induktivität und Kapazität in kurzen Drähten und Metallanschlüssen bei hoher Frequenz bedeutend sein können. Zum Beispiel kann eine Region 226a ein schmales Teilstück von Material 212 sein, das mit der Masseebene 216 gekoppelt ist. Wenn die Leiterplatte 200 über 30 GHz, z. B. bei 80 GHz, funktioniert, können im Falle einiger Backhaul-Kommunikationssysteme die Induktivität und/oder die Kapazität der Region 226a so bedeutend werden, dass sie das Signal auf den Differenzleitungen 224 abschwächen, Unsymmetrie erzeugen, oder anderweitig beeinträchtigen. Demnach kann der Mikrokontaktlochsatz 228a in unmittelbarer Nähe zur Region 226a angeordnet werden, um die Masseebene 216 fester mit Masseanschlüssen nahe der Region 226a zu koppeln. In solch einer Ausführungsform können die Wirkungen von parasitärer Induktivität und Kapazität in der Region 226a durch einen durch den Mikrokontaktlochsatz 228a bewirkten festeren und näheren Masseanschluss reduziert werden. Ähnliche Wirkungen sind nahe den Mikrokontaktsätzen 228b–d zu beobachten. In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise dem nahen Mikrokontaktlochsatz 228b, kann die Region 226b weniger nahe sein als andere Regionen, wie beispielsweise die Region 226a, und reduzierte parasitäre Impedanzen aufweisen. Die Anordnung von schmalen und breiten Zwischenverbindungen mit dem Material 212 wird durch E-/A- und Systemanforderungen bestimmt, aber durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen können bestimmte Verbesserungen in Bezug auf die drei zuvor erwähnten Zwecke erreicht werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Übertragungsleitung 224 aus parallelen Streifen des Materials 212 bestehen, wie dargestellt. Die Mikrokontaktlochsätze 228a–d und die durchgehenden Kontaktlöcher 204, die entlang der Seiten der Übertragungsleitung 224 angeordnet sind, können Abschirmung gegen Signalverschlechterung infolge von EMR-Interferenz und -Verlust bereitstellen und für eine stabile Impedanzumgebung für die Übertragungsleitung 224 sorgen. In einigen Ausführungsformen kann die jeweilige Platzierung von Mikrokontaktlochsätzen 228a–d parallel zur Übertragungsleitung 224 nahe den Anschlussflecken 225 eine verbesserte Leistung und Abschirmung bereitstellen.
3 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anschlussverteilung eines Bauelements mit Ball Grid Array (BGA) 300, welche verschiedene Anschlusstypen bei einer Leiterplatte, wie beispielsweise der Leiterplatte PCB 108 oder der Leiterplatte 200 in 1 und 2, zeigt. Zum Beispiel kann die BGA-Anschlussverteilung 300 Anschlussflecken 202 auf der Chip-Anschlussfläche 201 von 2 entsprechen und damit gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen ist eine große Anzahl von Massekontaktstellen 302 in der ganzen BGA-Anschlussverteilung 300 verteilt. Wie hierin angezeigt, können die Massekontaktstellen 302 auch zur Wärmeübertragung verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen wird Wärme, die in einem Chip oder einer IC erzeugt wird, durch die Massekontaktstellen 302 auf eine Leiterplatte übertragen, an welche die IC gekoppelt ist. Wie durch die veranschaulichte Ausführungsform angezeigt, kann eine Abstandsregion 304 frei von Zwischenverbindungskontaktstellen in der ganzen Mitte der BGA-Anschlussverteilung 300 angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Abstandsregion 304 frei von Zwischenverbindungskontaktstellen gelassen, um Raum für durchgehende Kontaktlöcher, wie beispielsweise die in 2 dargestellten durchgehenden Kontaktlöcher, bereitzustellen. Die Abstandsregion 304 kann den durchgehenden Kontaktlöchern 204 entsprechen, die in der Mitte der Chip-Abschlussfläche 201 angeordnet sind. Andere mögliche Zwischenverbindungskontaktstellen sind in 3 angezeigt und gekennzeichnet.
Die BGA-Anschlussverteilung 300 in Verbindung mit dem System 100 in 1 zeigt eine allgemeine Struktur, die verwendet werden kann, um bestimmte Merkmale zu veranschaulichen. In bestimmten Ausführungsformen sind Lotkugeln und durchgehende Kontaktlöcher nicht an der gleichen Stelle angeordnet, derart dass eine bestimmte Anzahl von Stellen so ausgewählt ist, dass sie Lotkugeln aufweisen, wie beispielsweise durch die BGA-Anschlussverteilung 300 dargestellt, und eine bestimmte Anzahl von Stellen so ausgewählt ist, dass sie durchgehende Kontaktlöcher aufweisen, welche der Abstandsregion 304 entsprechen können. Demnach besteht ein Kompromiss zwischen Wärmeübertragung von der IC 102 zur PCB 108 und von der PCB 108 zum Wärmespreizer 110 in 1.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen variiert die Kontaktstellenverteilung der BGA-Anschlussverteilung 300 in Abhängigkeit von einer spezifischen IC oder einem spezifischen Chip, der durch ein BGA an eine Leiterplatte gebondet werden soll. In einer konkreten BGA-Ausführungsform werden 119 Anschlussflecke verwendet, von welchen 55 Massekontaktstellen sind, die mit einer Masseebene gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen ist eine erste Teilmenge der Anschlussflecke durch eine kontinuierliche Region einer obersten Leitschicht der Leiterplatte miteinander verbunden. Diese Teilmenge von Anschlussflecken kann in einigen Fällen mindestens 27 Anschlussflecke umfassen. Außerdem können 17 durchgehende Kontaktlöcher auf der ganzen Chip-Anschlussfläche und nahe einer Mitte davon angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann in Abhängigkeit von der spezifischen Ausführungsform und ihren Anforderungen jegliche Anzahl von Anschlussflecken, Massekontaktstellen und Kontaktlöchern verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die durchgehenden Kontaktlöcher jeweils einen Durchmesser von etwa 100 mm bis 700 μm, zum Beispiel etwa 400 μm, aufweisen. Diese durchgehenden Kontaktlöcher können außerdem als thermische Kontaktlöcher fungieren, und sie können mit einer Wärmesenke gekoppelt sein, die an der Unterseite der Leiterplatte angebracht ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Masseebene aus einem leitenden Material auf einer unteren Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet sein, um die Wärmeableitung zu verbessern. In einer spezifischen Ausführungsform beträgt die Masseebene etwa 8,5 mm², aber in Abhängigkeit von der konkreten Ausführungsform und ihren Spezifikationen kann jede Größe verwendet werden. In solch einer Ausführungsform sind die Massekontaktstellen 302 mit einem leitenden Material, das die Masseebene auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte bildet, durch Anschlussflecke auf der Chip-Anschlussfläche gekoppelt, und durchgehende Kontaktlöcher koppeln die Masseebene auf der oberen Oberfläche mit der Masseebene auf der unteren Oberfläche. In einigen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von Mikrokontaktlöchern zwischen durchgehenden Kontaktlöchern auf der Chip-Anschlussfläche innerhalb der Abstandsregion 304 angeordnet. Solche Mikrokontaktlöcher weisen einen Durchmesser von etwa 200 μm bis etwa 400 μm, zum Beispiel ungefähr 250 μm, auf.
4 veranschaulicht eine Draufsicht und zwei aufgeschnittene Querschnitte einer Ausführungsform einer Leiterplatte 400, die eine Draufsicht 401 und aufgeschnittene Querschnitte 400b und 400c umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Leiterplatte 400 der Leiterplatte 200 entsprechen. Der Querschnitt 400b stellt ein durchgehendes Kontaktloch 404 dar, und der Querschnitt 400c stellt ein nichtdurchgehendes Kontaktloch 406 dar. Auf der Draufsicht 400a sind die Positionen der Querschnitte 400b und 400c zu erkennen. Wie durch die beiden Querschnitte 400b und 400c dargestellt, kann die Leiterplatte 400 mit einer Reihe von Schichten implementiert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind Schichten 432, 434, 436 und 438 als leitende Materialien, wie beispielsweise Kupfer, implementiert. In anderen Ausführungsformen können die Schichten 432 bis 438 jedoch verschiedene Typen von leitenden Materialien oder eine Kombination von Materialien sein. Schichten 442 und 446 können als ein Laminat, wie beispielsweise ein Hochfrequenz-Laminat, implementiert sein. In einer spezifischen Ausführungsform können die Schichten 442 und 446 als ein Laminat von der Rogers Corporation, das zur Laminatfamilie RO3000 oder in einigen Ausführungsformen insbesondere RO3003 gehört, implementiert sein. Ferner kann auch eine Schicht 444 als ein Laminat implementiert sein. In spezifischen Ausführungsformen kann die Schicht 444 als ein Glasfaser- oder Epoxidlaminat, wie beispielsweise FR-4, implementiert sein. In der spezifischen Ausführungsform, in der die Schicht 444 aus FR-4 besteht und die Schichten 442 und 446 aus RO3003 bestehen, kann die resultierende Leiterplatte infolge des RO3003 eine gute HF-Leistung aufweisen und infolge des FR-4 gleichzeitig flexibel und kostengünstig sein. In anderen Ausführungsformen können die Laminate in Schicht 442, 444 und 446 als eine beliebige Art von Dielektrikum, Isoliermaterial, Kunststoff, Epoxid, Glasfaser, Strukturmaterial oder jeglicher Kombination davon implementiert sein.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die Schichten 432 bis 446 so ausgewählt, dass sie verschiedene Leistungscharakteristiken ausgleichen. Insbesondere können die Materialien und Dicken der Schichten 432 bis 446 so ausgewählt werden, dass sie: (1) eine angemessene Härte aufweisen, (2) eine gute HF-Signalleistung bereitstellen, (3) eine gute elektrische Leistung bereitstellen und (4) kostengünstig bleiben. In Bezug auf die Härte können die Schichten 432 bis 446 so gewählt werden, dass sie eine gute strukturelle Stützung aufrechterhalten, ohne zu hart zu sein. Wenn die gewählten Materialien zu hart sind, können Rissbildung und andere Ausfallmechanismen innerhalb der Leiterplatte 400 auftreten. In Bezug auf Signalleistung, elektrische Leistung und Kosten können Materialien mit guter elektrischer und HF-Leistung ausgewählt werden, aber es kann auch ein Gleichgewicht von kostengünstigen Materialien in Betracht gezogen werden. Die zuvor beschriebenen spezifischen Schichten, einschließlich der FR-4 und Rogers RO3003, können insbesondere in verschiedenen Hochfrequenzausführungsformen geeignet sein. In einigen Ausführungsformen werden einige von all diesen Überlegungen möglicherweise nicht berücksichtigt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die verschiedenen Schichten in der Leiterplatte 400 eine beliebige Dicke aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Dicken von spezifischen Schichten in den folgenden Bereichen liegen: Schicht 432 ist zwischen etwa 25 μm und etwa 50 μm, Schicht 434 ist zwischen etwa 50 μm und etwa 100 μm, Schicht 436 ist zwischen etwa 25 μm und etwa 50 μm, Schicht 438 ist zwischen etwa 50 μm und etwa 100 μm, Schicht 442 ist zwischen etwa 100 μm und etwa 150 μm, Schicht 444 ist zwischen etwa 100 μm und etwa 300 μm und Schicht 446 ist zwischen etwa 100 μm und etwa 150 μm. In einer spezifischen Ausführungsform können die Dicken jeder Schicht gemäß Folgendem implementiert sein: Schicht 432 ist etwa 35 μm, Schicht 534 ist etwa 70 μm, Schicht 436 ist etwa 35 μm, Schicht 438 ist etwa 70 μm, Schicht 442 ist etwa 130 μm, Schicht 444 ist etwa 165 μm und Schicht 446 ist etwa 130 μm.
Wie in 4 dargestellt, kann das durchgehende Kontaktloch 404 eine obere Oberfläche der Leiterplatte 400 mit einer unteren Oberfläche der Leiterplatte 400 verbinden. Das nichtdurchgehende Kontaktloch 406 kann von der oberen Oberfläche der Leiterplatte 400 mit einer Zwischenschicht, wie beispielsweise der Schicht 446, verbunden sein, wie dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann das nichtdurchgehende Kontaktloch 406 von der unteren Oberfläche der Leiterplatte 400 mit einer Zwischenschicht, wie beispielsweise der Schicht 442, verbunden sein. In verschiedenen Ausführungsformen sind sowohl das durchgehende Kontaktloch 404 als auch das nichtdurchgehende Kontaktloch 406 mit einem elektrisch und thermisch leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, gefüllt.
5a veranschaulicht einen Schichtquerschnitt CS1 einer Ausführungsform der Leiterplatte 200 an der Position von Querschnitt CS1, wie in 2 angezeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen bilden zwei Sätze von durchgehenden Kontaktlöchern 504 eine Wand oder eine Abschirmung auf jeder Seite eines Differenzpaares 524. In verschiedenen Ausführungsformen entsprechen die durchgehenden Kontaktlöcher 504 und das Differenzpaar 524 den durchgehenden Kontaktlöchern 204 und der Differenzübertragungsleitung 224. In verschiedenen Ausführungsformen sind Schichten 532, 534, 536 und 538 aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, gebildet, und Schichten 542, 544 und 546 sind aus Laminatmaterialien, wie beispielsweise RO3003, FR-4 bzw. RO3003, gebildet. Die verschiedenen Dicken der Schichten 532 bis 546 können gemäß den unter Bezugnahme auf Schicht 432 bis 446 in 4 beschriebenen Dicken implementiert sein.
5b veranschaulicht einen Schichtquerschnitt CS2 einer Ausführungsform der Leiterplatte 200 an der Position von Querschnitt CS2, wie in 2 angezeigt. Die Schichten 532 bis 546 und die durchgehenden Kontaktlöcher 504 stimmen mit jenen im Querschnitt CS1 überein, der in 5a dargestellt ist, oder ähneln diesen. In der Ausführungsform von 5b ist der Querschnitt CS2 an einem Punkt genommen, an dem das Differenzpaar 524 einen Hohlraum 508 überlagert. Der Hohlraum 508 kann ein Hohlraum vom Typ WR-12 oder WR-15 sein. In verschiedenen Ausführungsformen entspricht der Hohlraum 508 dem Hohlraum 208 in 2. Wie dargestellt, erstreckt sich der Hohlraum 508 von der Schicht 542 nach unten zu einer aus der Schicht 538 bestehenden unteren Oberfläche der Leiterplatte, die der Leiterplatte 200 entspricht. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 508 HF-Signale durch den Hohlraum entweder zu oder von Differenzübertragungsleitungen 524 und einem Wellenübergang 220 (im Querschnitt CS2 nicht dargestellt) leiten. In solchen Ausführungsformen können die durchgehenden Kontaktlöcher 504 auf beiden Seiten des Hohlraums 508 wirksame Wände für einen Wellenleiter bereitstellen, der den Hohlraum 508 und die durchgehenden Kontaktlöcher 504 umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Hohlraum 508 mit keinerlei Art von leitendem Material, wie beispielsweise Gold, plattiert.
5c veranschaulicht einen Schichtquerschnitt CS3 einer Ausführungsform der Leiterplatte 200 an der Position von Querschnitt CS3, wie in 2 angezeigt. Die Schichten 532 bis 546 und die durchgehenden Kontaktlöcher 504 stimmen mit jenen im Querschnitt CS1 überein, der in 5a dargestellt ist, oder ähneln diesen. Wie in 5c dargestellt, ist der Querschnitt CS3 ein Längsschnitt parallel zu den Differenzübertragungsleitungen 524. Hier ist der Hohlraum 508 als ein quadratischer Hohlraum dargestellt, der sich von einer Region benachbart zum nichtdurchgehenden Kontaktloch 506 zu einer Region benachbart zu durchgehenden Kontaktlöchern 504 erstreckt. Wie unter Bezugnahme auf 5b beschrieben, kann der Hohlraum 508 einen Wellenleiter mit leitenden Wänden bilden, die durch die durchgehenden Kontaktlöcher 504 sowie ein nichtdurchgehendes Kontaktloch 506 bereitgestellt werden. Es können mehrere nichtdurchgehende Kontaktlöcher enthalten sein, wie in anderen Figuren angedeutet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Differenzpaar 524 in einer Region abschließen, die den Hohlraum 508 überlagert. Die Schicht 532 kann den Wellenleiterübergang 220, wie in 2 dargestellt, in einer Region bilden, die den Hohlraum 508 überlagert. Demnach kann das Differenzpaar irgendwo über dem Hohlraum 508 in den Wellenleiter übergehen, wie in 2 dargestellt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen breiten sich HF-Signale durch den Hohlraum 508 aus und werden am Wellenleiterübergang 220 als Schnittstelle zu elektrischen Signalen auf dem Differenzpaar 524 empfangen oder gesendet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leiterplatte eine Signalleitung auf einer ersten Leitschicht, die einen ersten Abschnitt umfasst, der sich über einen Hohlraum in der Leiterpatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt. Die Leiterplatte umfasst außerdem eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die den Hohlraum umgeben, und die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der erste Abschnitt der Signalleitung konisch zulaufend. Der Hohlraum und die Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern können als ein Wellenleiter ausgelegt sein; und der erste Abschnitt der Signalleitung kann als eine Wellenleiterspeisung ausgelegt sein. Ferner kann der Wellenleiter so ausgelegt sein, dass er bei einer ersten Wellenlänge funktioniert; und ein Abstand der Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern kann gleich oder kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge sein. In einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch unter der Signalleitung angeordnet. Die Signalleitung kann auf einer obersten Leitschicht der Leiterplatte angeordnet sein; das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch kann ein Kontaktloch umfassen, das sich von einer untersten Leitschicht der Leiterplatte zu einer leitenden Zwischenschicht der Leiterplatte erstreckt, und die erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern kann ferner Kontaktlöcher umfassen, die sich von der untersten Leitschicht der Leiterplatte zur obersten leitenden Sicht der Leiterplatte erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Leiterplatte eine Isolierschicht umfassen, die zwischen der Signalleitung und dem Hohlraum angeordnet ist. Die Isolierschicht kann eine erste Hochfrequenz-Laminatschicht umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Leiterplatte ferner eine zweite Hochfrequenz-Laminatschicht und eine erste FR-4-Schicht umfassen. Die Signalleitung kann einen zweiten Abschnitt, der als Übertragungsleitung ausgelegt ist, und einen dritten Abschnitt umfassen, der als Anschlussfleck für Kontakt mit einer integrierten Schaltung ausgelegt ist. Die Leiterplatte kann ferner eine zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfassen, die benachbart zum zweiten Abschnitt der Übertragungsleitung angeordnet sind. Die zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern kann erste leitende Kontaktlöcher, die eine oberste Leitschicht der Leiterplatte mit einer untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden, und zweite leitende Kontaktlöcher umfassen, welche die oberste Leitschicht der Leiterplatte mit der untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden. In solch einer Ausführungsform weisen die ersten leitenden Kontaktlöcher einen ersten Durchmesser auf, und die zweiten leitenden Kontaktlöcher weisen einen zweiten Durchmesser auf, der kleiner als der erste Durchmesser ist. Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Millimeterwellensystem eine Leiterplatte, die eine Kontaktregion mit einer Mehrzahl von Anschlussflecken, eine Übertragungsleitung, die mit dem ersten Signalanschlussfleck gekoppelt ist, eine erste Mehrzahl von Kontaktlöchern, die in der Kontaktregion benachbart zur Übertragungsleitung angeordnet sind, und eine zweite Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst, die benachbart zur Übertragungsleitung angeordnet sind. In solch einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Anschlussflecken so ausgelegt, dass sie mit einer integrierten Hochfrequenz (HF)-Schaltung gekoppelt werden, wobei die Anschlussflecke einen ersten Signalanschlussfleck umfassen, der so ausgelegt ist, dass er mit einer HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung gekoppelt wird, und mindestens eines der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern benachbart zum ersten Signalanschlussfleck angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Leiterplatte eine erste Mehrzahl von Kontaktlöchern, die in der Kontaktregion benachbart zu den Anschlussflecken angeordnet sind und ferner benachbart zur Übertragungsleitung angeordnet sind, wobei mindestens eines der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern benachbart zum ersten Signalanschlussfleck angeordnet ist, eine erste Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen ersten Durchmesser aufweist, und eine zweite Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen zweiten Durchmesser aufweist, der kürzer als der erste Durchmesser ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Millimeterwellensystem die integrierte HF-Schaltung. Die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern und die zweite Mehrzahl von Kontaktlöchern können ein Kontaktloch umfassen, das eine oberste Leitschicht der Leiterplatte und eine unterste Leitschicht der Leiterplatte verbindet. Ferner können die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern und eine erste Teilmenge der zweiten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen ersten Durchmesser aufweisen, und eine zweite Teilmenge der zweiten Mehrzahl von Kontaktlöchern kann einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der erste Durchmesser ist. In einigen Ausführungsformen ist die HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung so ausgelegt, dass sie bei einer ersten Wellenlänge funktioniert, und ein Abstand der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern und ein Abstand der zweiten Mehrzahl von Kontaktlöchern sind kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Leiterplatte eine FR-4-Schicht, die zwischen einer ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und einer zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist. Die Leiterplatte kann außerdem eine erste Leitschicht, die über der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; eine zweite Leitschicht, die zwischen der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und der FR-4-Schicht angeordnet ist; eine dritte Leitschicht, die zwischen der FR-4-Schicht und der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; und eine vierte Leitschicht umfassen, die unter der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist. Die erste Leitschicht, die zweite Leitschicht, die dritte Leitschicht und die vierte Leitschicht können Kupfer umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Leiterplatte außerdem einen Wellenleiter umfassen, der mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist. Der Wellenleiter kann ein Wellenleiterübergangselement, das mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, und eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfassen, die den Hohlraum umgeben. In solch einer Ausführungsform umfasst das Wellenleiterübergangselement eine Signalleitung auf einer ersten Leitschicht mit einem ersten Abschnitt, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt; und die erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfasst mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern so ausgelegt, dass sie die integrierte HF-Schaltung thermisch mit einer Leitschicht koppelt, die auf der Leiterplatte gegenüber der Kontaktregion angeordnet ist. Die Mehrzahl von Anschlussflecken kann 119 Anschlussflecke umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie 119 Lotkugeln aufnehmen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben des Millimeterwellensystems ein Senden eines HF-Signals von einer integrierten Schaltung über einen Anschlusskontakt, der benachbart zur ersten Mehrzahl von elektrisch und thermisch leitenden Kontaktlöchern angeordnet ist, die benachbart zu den Anschlussflecken auf einer Leiterplatte angeordnet sind, zu einer Übertragungsleitung und Übergehenlassen des HF-Signals von der Übertragungsleitung über ein Wellenleiterübergangselement, das mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, in einen Wellenleiter, der in einem Hohlraum einer Leiterplatte angeordnet ist. In solch einer Ausführungsform umfasst das Wellenleiterübergangselement eine Signalleitung auf einer ersten Leitschicht mit einem ersten Abschnitt, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt, und der Wellenleiter umfasst ferner eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die den Hohlraums umgeben. Die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern umfasst mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, können Vorteile Wärmeableitung in einem ganzen System mit einer Leiterplatte, strukturelle Festigkeit und Flexibilität, stabil und fest gekoppelte Masseanschlüsse auf der ganzen Leiterplatte sowie EMR-Abschirmung und Übertragung entlang von Differenzübertragungsleitungen und in Wellenleitern ohne plattierte Hohlraumwände umfassen.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Für Fachleute sind unter Bezugnahme auf die Beschreibung verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen sowie anderer Ausführungsformen der Erfindung zu erkennen. Es ist daher vorgesehen, dass die angehängten Ansprüche alle solche Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Leiterplatte, umfassend: eine Signalleitung, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst, wobei die Signalleitung einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt; und eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die den Hohlraum umgeben, wobei die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch umfasst, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt der Signalleitung konisch zulaufend ist.
Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Hohlraum und die Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern als ein Wellenleiter ausgelegt sind, und der erste Abschnitt der Signalleitung als eine Wellenleiterspeisung ausgelegt ist.
Leiterplatte nach Anspruch 3, wobei: der Wellenleiter so ausgelegt ist, dass er bei einer ersten Wellenlänge funktioniert; und ein Abstand der Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern gleich oder kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch unter der Signalleitung angeordnet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 5, wobei: die erste Leitschicht eine oberste Leitschicht der Leiterplatte ist; das mindestens eine nichtdurchgehende Kontaktloch ein Kontaktloch umfasst, das sich von einer untersten Leitschicht der Leiterplatte zu einer leitenden Zwischenschicht der Leiterplatte erstreckt; und die erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern ferner Kontaktlöcher umfasst, die sich von der untersten Leitschicht der Leiterplatte zur obersten Leitschicht der Leiterplatte erstrecken.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Isolierschicht, die zwischen der Signalleitung und dem Hohlraum angeordnet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, wobei die Isolierschicht eine erste Hochfrequenz-Laminatschicht umfasst.
Leiterplatte nach Anspruch 8, wobei die Leiterplatte ferner eine zweite Hochfrequenz-Laminatschicht und eine erste FR-4-Schicht umfasst.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalleitung ferner umfasst: einen zweiten Abschnitt, der als Übertragungsleitung ausgelegt ist; und einen dritten Abschnitt, der als Anschlussfleck für Kontakt mit einer integrierten Schaltung ausgelegt ist.
Leiterplatte nach Anspruch 10, ferner umfassend eine zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern, die benachbart zum zweiten Abschnitt der Übertragungsleitung angeordnet sind.
Leiterplatte nach Anspruch 11, wobei die zweite Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern umfasst: erste leitende Kontaktlöcher, die eine oberste Leitschicht der Leiterplatte mit einer untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden, wobei die ersten leitenden Kontaktlöcher einen ersten Durchmesser aufweisen; und zweite leitende Kontaktlöcher, welche die oberste Leitschicht der Leiterplatte mit der untersten Leitschicht der Leiterplatte verbinden, wobei die zweiten leitenden Kontaktlöcher einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der erste Durchmesser ist.
Millimeterwellensystem, umfassend: eine Leiterplatte, die umfasst: eine Kontaktregion, die eine Mehrzahl von Anschlusspads umfasst, die so ausgelegt sind, dass sie mit einer integrierten Hochfrequenz (HF)-Schaltung gekoppelt werden, wobei die Anschlusspads ein erstes Signalanschlusspad umfassen, das so ausgelegt ist, dass es mit einer HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung gekoppelt wird; und eine Übertragungsleitung, die mit dem ersten Signalanschlusspad gekoppelt ist, eine erste Mehrzahl von Kontaktlöchern, die in der Kontaktregion benachbart zu den Anschlusspads angeordnet sind und ferner benachbart zur Übertragungsleitung angeordnet sind, wobei mindestens eines der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern benachbart zum ersten Signalanschlusspad angeordnet ist, eine erste Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen ersten Durchmesser umfasst, und eine zweite Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern einen zweiten Durchmesser umfasst, der kürzer als der erste Durchmesser ist.
Millimeterwellensystem nach Anspruch 13, ferner umfassend die integrierte HF-Schaltung.
Millimeterwellensystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern ein Kontaktloch umfasst, das eine oberste Leitschicht der Leiterplatte und eine unterste Leitschicht der Leiterplatte verbindet.
Millimeterwellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei mindestens eines der zweiten Teilmenge der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern innerhalb der Kontaktregion angeordnet ist.
Millimeterwellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei: die HF-Signalschnittstelle der integrierten HF-Schaltung so ausgelegt ist, dass sie bei einer ersten Wellenlänge funktioniert; und ein Abstand der ersten Mehrzahl von Kontaktlöchern kleiner als ein Viertel der ersten Wellenlänge ist.
Millimeterwellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Leiterplatte eine FR-4-Schicht umfasst, die zwischen einer ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und einer zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist.
Millimeterwellensystem nach Anspruch 18, wobei die Leiterplatte ferner umfasst: eine erste Leitschicht, die über der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; eine zweite Leitschicht, die zwischen der ersten Hochfrequenz-Laminatschicht und der FR-4-Schicht angeordnet ist; eine dritte Leitschicht, die zwischen der FR-4-Schicht und der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist; und eine vierte Leitschicht, die unter der zweiten Hochfrequenz-Laminatschicht angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Millimeterwellensystems, umfassend: Senden eines HF-Signals von einer integrierten Schaltung über einen Anschlusskontakt, der benachbart zu einer ersten Mehrzahl von elektrisch und thermisch leitenden Kontaktlöchern angeordnet ist, die benachbart zu den Anschlusspads auf einer Leiterplatte angeordnet sind, zu einer Übertragungsleitung; und Übergehenlassen des HF-Signals von der Übertragungsleitung über ein Wellenleiterübergangselement, das mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, in einen Wellenleiter, der in einem Hohlraum einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei das Wellenleiterübergangselement eine Signalleitung umfasst, die mindestens einen Abschnitt einer ersten Leitschicht umfasst, wobei die Signalleitung einen ersten Abschnitt aufweist, der sich über einen Hohlraum in der Leiterplatte von einer ersten Seite des Hohlraums erstreckt, und der Wellenleiter ferner eine erste Mehrzahl von leitenden Kontaktlöchern aufweist, die den Hohlraum umgeben, wobei die erste Mehrzahl von Kontaktlöchern mindestens ein nichtdurchgehendes Kontaktloch umfasst, das benachbart zur ersten Seite des Hohlraums angeordnet ist.